KR101926955B1 - 금속 산화물막의 제조 방법, 금속 산화물막, 박막 트랜지스터, 및 전자 디바이스 - Google Patents

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Abstract

용매 및 금속 성분으로서 적어도 인듐을 포함하는 용액을 기판 상에 도포하여 금속 산화물 전구체막을 형성하는 금속 산화물 전구체막 형성 공정과, 금속 산화물 전구체막을 가열한 상태에서, 금속 산화물 전구체막에 대하여, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상일 것, 및 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상일 것 중 적어도 한쪽을 충족시키는 조건으로 자외선을 조사함으로써 금속 산화물 전구체막을 금속 산화물막으로 전화시키는 전화 공정을 갖는 금속 산화물막의 제조 방법 및 그 응용이다.

Description

금속 산화물막의 제조 방법, 금속 산화물막, 박막 트랜지스터, 및 전자 디바이스{METHOD OF MANUFACTURING METAL OXIDE LAYER, METAL OXIDE LAYER, THIN FILM TRANSISTOR AND ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은, 금속 산화물막의 제조 방법, 금속 산화물막, 박막 트랜지스터, 및 전자 디바이스에 관한 것이다.
산화물 반도체막 또는 산화물 도체막으로서의 금속 산화물막은 진공 성막법에 의한 제조에 있어서 실용화가 이루어져, 현재 주목을 끌고 있다.
한편, 간편하게, 저온에서, 또한 대기압하에서 높은 반도체 특성을 갖는 산화물 반도체막을 형성하는 것을 목적으로 한, 액상 프로세스에 의한 산화물 반도체막의 제작에 관하여 연구 개발이 활발히 행해지고 있다.
최근에는, 예를 들면, 질산염, 아세트산염 등의 용질을 용매 중에서 75℃, 12시간 가열 교반을 실시하여 금속 메톡시에톡사이드를 생성시킨 용액을 이용하여, 기판 상에 도포하고, 자외선을 이용함으로써 150℃ 이하의 저온에서 높은 수송 특성을 갖는 박막 트랜지스터(TFT: Thin Film Transistor)를 제조하는 수법이 보고되어 있다(Nature, Vol. 489(2012) p128 참조).
한편, 저가의 질산염, 아세트산염 등의 용액을 이용하여 금속 산화물 반도체 전구체막을 형성하는 수법이 개시되어 있다(예를 들면, 국제 공개공보 제2009/081862호 참조).
또, 기판 상에 형성된 산화물 반도체 전구체막에 대하여, 자외선을 조사한 후, 플라즈마 처리함으로써 전구체막을 금속 산화물막으로 전화(轉化)시키는 수법이 개시되어 있다(일본 공개특허공보 2013-197539호 참조).
Nature, Vol. 489(2012) p128에 개시되어 있는 수법에서는, 금속 메톡시에톡사이드를 제작하기 때문에, 용액 합성에 있어서의 번거로움과 코스트의 상승과 같은 과제가 존재하고, 또 알콕사이드를 형성하기 때문에, 대기 중에서는 가수분해를 일으키기 쉬워, 안정성에 문제가 있다.
또, 국제 공개공보 제2009/081862호에는 질산염, 아세트산염 등의 용액을 이용하여 금속 산화물 반도체의 전구체막을 형성한 후, 금속 산화물 반도체막으로 전화시키는 하나의 수법으로서 자외선 오존법(UV 오존법)을 들 수 있으며, UV광의 조도로서는 1mW/cm2~10W/cm2로 하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 국제 공개공보 제2009/081862호에서는, 전구체막에 조사하는 자외선의 파장이나 조도가 금속 산화물막의 전기 특성에 미치는 영향이나, 처리 시간과 UV광의 조도의 관계에 대하여 구체적인 검토가 이루어져 있지 않다.
또, 일본 공개특허공보 2013-197539호에서는, 전구체막에 대하여, 자외선 조사 후, 플라즈마 처리를 실시함으로써 전화를 행하기 때문에, 전화 공정 전체적으로 번거로워지고 시간을 필요로 하게 된다.
본 발명은, 전자 전달 특성을 갖는 금속 산화물막을 용이하게 제조할 수 있는 금속 산화물막의 제조 방법, 또한 전기 특성이 우수한 금속 산화물막, 박막 트랜지스터, 및 전자 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 이하의 발명이 제공된다.
＜1＞ 용매 및 금속 성분으로서 적어도 인듐을 포함하는 용액을 기판 상에 도포하여 금속 산화물 전구체막을 형성하는 금속 산화물 전구체막 형성 공정과,
금속 산화물 전구체막을 가열한 상태에서, 금속 산화물 전구체막에 대하여, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상일 것, 및 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상일 것 중 적어도 한쪽을 충족시키는 조건으로 자외선을 조사함으로써 금속 산화물 전구체막을 금속 산화물막으로 전화시키는 전화 공정
을 갖는 금속 산화물막의 제조 방법.
＜2＞ 자외선의 조사를, 적어도 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상인 조건으로 행하는 ＜1＞에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜3＞ 자외선의 조사를, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상이고, 또한 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상인 조건으로 행하는 ＜1＞ 또는 ＜2＞에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜4＞ 자외선의 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 90mW/cm2 이상인 ＜1＞ 내지 ＜3＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜5＞ 자외선의 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 7mW/cm2 이상인 ＜1＞ 내지 ＜4＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜6＞ 자외선의 조사 시간이 25분 이하인 ＜1＞ 내지 ＜5＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜7＞ 자외선의 조사 시간이 15분 이하인 ＜1＞ 내지 ＜6＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜8＞ 자외선을 조사하는 분위기의 산소 농도가 80000ppm 이하인 ＜1＞ 내지 ＜7＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜9＞ 자외선을 조사하는 분위기의 산소 농도가 30000ppm 이하인 ＜1＞ 내지 ＜8＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜10＞ 자외선을 조사하는 동안의 기판의 온도를 200℃ 미만으로 유지하는 ＜1＞ 내지 ＜9＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜11＞ 자외선을 조사하는 동안의 기판 온도를 120℃ 초과로 유지하는 ＜1＞ 내지 ＜10＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜12＞ 용액에 포함되는 인듐이 인듐 이온인 ＜1＞ 내지 ＜11＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜13＞ 용액이 질산 이온을 포함하는 ＜1＞ 내지 ＜12＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜14＞ 자외선을 조사하는 동안에 기판이 승온 또는 강온되는 속도를 ±0.5℃/min 이내로 하는 ＜1＞ 내지 ＜13＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜15＞ 용액에 포함되는 금속 성분의 50atom% 이상이 인듐인 ＜1＞ 내지 ＜14＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜16＞ 용액이, 적어도 질산 인듐을 용매에 용해시킨 용액인 ＜1＞ 내지 ＜15＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜17＞ 용액이, 아연, 주석, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 성분을 더 포함하는 ＜1＞ 내지 ＜16＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜18＞ 용매가, 메탄올, 메톡시에탄올, 및 물로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 ＜1＞ 내지 ＜17＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜19＞ 용액 중의 금속 성분의 농도가, 0.01mol/L 이상 1.0mol/L 이하인 ＜1＞ 내지 ＜18＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜20＞ 자외선의 조사에 이용하는 광원이, 저압 수은 램프인 ＜1＞ 내지 ＜19＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜21＞ 금속 산화물 전구체막 형성 공정에 있어서, 용액을 기판 상에 도포하고, 기판을 35℃ 이상 100℃ 이하로 가열하여 건조시킴으로써 금속 산화물 전구체막을 형성하는 ＜1＞ 내지 ＜20＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜22＞ 금속 산화물 전구체막 형성 공정에 있어서, 잉크젯법, 디스펜서법, 볼록판 인쇄법, 및 오목판 인쇄법으로부터 선택되는 적어도 1종의 도포법에 의하여, 용액을 기판 상에 도포하는 ＜1＞ 내지 ＜21＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법.
＜23＞ ＜1＞ 내지 ＜22＞ 중 어느 하나에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법을 이용하여 제작된 금속 산화물막.
＜24＞ 금속 산화물막에 포함되는 금속 성분의 50atom% 이상이 인듐인 ＜23＞에 기재된 금속 산화물막.
＜25＞ 반도체막인 ＜23＞ 또는 ＜24＞에 기재된 금속 산화물막.
＜26＞ ＜25＞에 기재된 금속 산화물막을 포함하는 활성층과, 소스 전극과, 드레인 전극과, 게이트 절연막과, 게이트 전극을 갖는 박막 트랜지스터.
＜27＞ ＜26＞에 기재된 박막 트랜지스터를 구비한 전자 디바이스.
본 발명에 의하면, 전자 전달 특성을 갖는 금속 산화물막을 용이하게 제조할 수 있는 금속 산화물막의 제조 방법, 또한 전기 특성이 우수한 금속 산화물막, 박막 트랜지스터, 및 전자 디바이스가 제공된다.
도 1은 본 발명에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터의 일례(톱 게이트-톱 콘택트형)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터의 일례(톱 게이트-보텀 콘택트형)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터의 일례(보텀 게이트-톱 콘택트형)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터의 일례(보텀 게이트-보텀 콘택트형)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 실시형태의 액정 표시 장치의 일부분을 나타내는 개략 단면도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 액정 표시 장치의 전기 배선의 개략 구성도이다.
도 7은 실시형태의 유기 EL 표시 장치의 일부분을 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 도 7에 나타내는 유기 EL 표시 장치의 전기 배선의 개략 구성도이다.
도 9는 실시형태의 X선 센서 어레이의 일부분을 나타내는 개략 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타내는 X선 센서 어레이의 전기 배선의 개략 구성도이다.
도 11은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제작한 간이형 TFT의 Vg-Id 특성을 나타내는 도이다.
도 12는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 있어서의 전화 공정에서의 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도와 이동도의 관계를 나타내는 도이다.
도 13은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 있어서의 전화 공정에서의 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도와 이동도의 관계를 나타내는 도이다.
도 14는 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4에 있어서의 전화 공정에서의 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도와 이동도의 관계를 나타내는 도이다.
도 15는 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4에 있어서의 전화 공정에서의 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도와 이동도의 관계를 나타내는 도이다.
도 16은 실시예 및 비교예에서 이용한 질산 인듐을 2-메톡시에탄올 중에 용해시킨 용액의 자외광 흡수 스펙트럼을 나타내는 도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명에 관한 금속 산화물막의 제조 방법, 또한 본 발명에 의하여 제조되는 금속 산화물막, 박막 트랜지스터, 및 전자 디바이스에 대하여 구체적으로 설명한다.
또한, 도면 중, 동일 또는 대응하는 기능을 갖는 부재(구성 요소)에는 동일한 부호를 붙여 적절히 설명을 생략한다. 또, 본 명세서에 있어서 "~"의 기호에 의하여 수치 범위를 나타내는 경우, 범위를 나타내는 하한값 및 상한값으로서 각각 기재되어 있는 수치는 그 수치 범위에 포함된다.
또, 본 발명은, 도전막 또는 반도체막으로서의 금속 산화물막의 제조에 적용할 수 있다. 대표예로서, 반도체막의 제조 방법에 대하여 주로 설명한다.
본 발명자는, 용매 및 금속 성분으로서 적어도 인듐을 포함하는 용액을 기판 상에 도포하여 금속 산화물 전구체막을 형성한 후, 금속 산화물 전구체막을 가열한 상태에서, 특정 파장 및 조도를 충족시키는 조건으로 자외선을 조사함으로써 단시간에 용이하게 전자 전달 특성이 우수한 금속 산화물막으로 전화시키는 것을 발견했다.
＜금속 산화물막의 제조 방법＞
본 개시에 관한 금속 산화물막의 제조 방법은, 용매 및 금속 성분으로서 적어도 인듐을 포함하는 용액을 기판 상에 도포하여 금속 산화물 전구체막을 형성하는 금속 산화물 전구체막 형성 공정과, 금속 산화물 전구체막을 가열한 상태에서, 금속 산화물 전구체막에 대하여, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상일 것, 및 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상일 것 중 적어도 한쪽을 충족시키는 조건으로 자외선을 조사함으로써 금속 산화물 전구체막을 금속 산화물막으로 전화시키는 전화 공정을 갖는다.
본 개시 방법에 의하여 전자 전달 특성이 우수한 금속 산화물막이 얻어지는 이유는 확실하지 않지만, 금속 산화물 전구체막을 형성하기 위한 인듐을 포함하는 용액이, 특히 파장 150nm 이상 200nm 이하, 및 파장 200nm 초과 300nm 이하의 자외광에 대하여 높은 분해성을 나타내고, 특정 조도 이상으로 자외선을 조사함으로써, 단시간이더라도 전구체막이 금속 산화물막으로 전화되어, 산화 인듐이 생성되기 쉽기 때문이라고 생각된다. 이로 인하여, 단시간의 자외선 조사로도 인듐을 포함하는 금속 산화물막에 있어서 막밀도가 증대되고, 인듐-산소-인듐의 결합 형성을 촉진시킴과 함께, 캐리어 농도가 증대되어, 결과적으로 전자 전달 특성이 향상된다고 생각된다.
이하, 각 공정에 대하여 구체적으로 설명한다.
[금속 산화물 전구체막 형성 공정]
먼저, 용매 및 금속 성분으로서 적어도 인듐을 포함하는 용액(이하, "금속 산화물 전구체 용액" 또는 간단히 "용액"이라고 하는 경우가 있음)을 준비하고, 기판 상에 도포하여 금속 산화물 전구체막을 형성한다.
(기판)
기판의 형상, 구조, 크기 등에 대해서는 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 기판의 구조는 단층 구조여도 되고, 적층 구조여도 된다.
기판을 구성하는 재료로서는 특별히 한정은 없고, 유리, YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia; 이트리아 안정화 지르코니아) 등의 무기 재료, 수지, 수지 복합 재료 등으로 이루어지는 기판을 이용할 수 있다. 그 중에서도 경량인 점, 가요성을 갖는 점에서 수지 기판 또는 수지 복합 재료로 이루어지는 기판(수지 복합 재료 기판)이 바람직하다. 구체적으로는, 폴리뷰틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리뷰틸렌나프탈레이트, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리에터설폰, 폴리아릴레이트, 알릴다이글라이콜카보네이트, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리에터이미드, 폴리벤즈아졸, 폴리페닐렌설파이드, 폴리사이클로올레핀, 노보넨 수지, 폴리클로로트라이플루오로에틸렌 등의 불소 수지, 액정 폴리머, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 아이오노머 수지, 사이아네이트 수지, 가교 푸마르산 다이에스터, 환상 폴리올레핀, 방향족 에터, 말레이미드·올레핀, 셀룰로스, 에피설파이드 화합물 등의 합성 수지 기판을 들 수 있다.
또, 무기 재료와 수지의 복합 재료에 포함되는 무기 재료로서는, 산화 규소 입자, 금속 나노 입자, 무기 산화물 나노 입자, 무기 질화물 나노 입자 등의 무기 입자, 카본 섬유, 카본 나노 튜브 등의 탄소 재료, 유리 플레이크, 유리 파이버, 유리 비즈 등의 유리 재료를 들 수 있다.
또, 수지와 점토 광물의 복합 플라스틱 재료, 수지와 운모 파생 결정 구조를 갖는 입자의 복합 플라스틱 재료, 수지와 얇은 유리의 사이에 적어도 하나의 접합 계면을 갖는 적층 플라스틱 재료, 무기층과 유기층을 교대로 적층함으로써 적어도 하나 이상의 접합 계면을 갖는 배리어 성능을 갖는 복합 재료 등을 들 수 있다.
또, 스테인리스 기판 혹은 스테인리스와 이종(異種) 금속을 적층한 금속 다층 기판, 알루미늄 기판 또는 표면에 산화 처리(예를 들면 양극 산화 처리)를 실시함으로써 표면의 절연성을 향상시킨 산화 피막 부착 알루미늄 기판, 산화막 부착 실리콘 기판 등을 이용할 수도 있다.
또, 수지 기판 또는 수지 복합 재료 기판은, 내열성, 치수 안정성, 내용제성, 전기 절연성, 가공성, 저통기성, 및 저흡습성 등이 우수한 것이 바람직하다. 수지 기판 또는 수지 복합 재료 기판은, 수분, 산소 등의 투과를 방지하기 위한 가스 배리어층, 수지 기판의 평탄성 및 하부 전극과의 밀착성을 향상시키기 위한 언더코트층 등을 구비하고 있어도 된다.
본 개시에서 이용하는 기판의 두께에 특별히 제한은 없지만, 50μm 이상 500μm 이하인 것이 바람직하다. 기판의 두께가 50μm 이상이면, 기판 자체의 평탄성이 보다 향상된다. 또, 기판의 두께가 500μm 이하이면, 기판 자체의 가요성이 보다 향상되어, 플렉시블 디바이스용 기판으로서의 사용이 보다 용이해진다.
(용액)
본 개시에서 이용하는 용액은, 용매와 금속 성분으로서 인듐을 함유하고, 필요에 따라서 인듐 이외의 다른 금속 성분도 함유해도 된다.
용액에 포함되는 인듐은, 저가의 재료로, 막두께 균일성이 높은 금속 산화물막을 얻는 관점에서, 인듐 이온으로서 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 본 개시에 있어서의 인듐 이온은, 용매 분자 등의 배위자가 배위한 인듐 착이온이어도 된다. 또, 용액에 포함되는 인듐 이외의 다른 금속 성분도 이온으로서 포함되는 것이 바람직하다.
본 개시에서 이용하는 용액은, 원료가 되는 금속염 등의 금속 원자 함유 화합물(용질)을, 용액 중에서 원하는 농도가 되도록 칭량하고, 용매 중에서 교반, 용해시켜 얻어진다. 교반을 행하는 시간은 용질이 충분히 용해되면 특별히 제한은 없다.
용액 중의 인듐의 함유량은, 용액 중에 포함되는 금속 성분의 50atom% 이상인 것이 바람직하다. 상기 농도 범위의 인듐을 포함하는 용액을 이용함으로써, 막중의 금속 성분의 50atom% 이상이 인듐이 되는 금속 산화물막이 얻어져, 전자 전달 특성이 높은 금속 산화물막을 용이하게 제조할 수 있다.
본 개시에서 이용하는 용액에 포함되는 인듐 및 필요에 따라서 포함되는 다른 금속 성분의 원료로서 금속 원자 함유 화합물이 이용된다. 금속 원자 함유 화합물로서는 금속염, 금속 할로젠화물, 유기 금속 화합물을 들 수 있다. 금속염으로서는, 황산염, 인산염, 탄산염, 아세트산염, 옥살산염 등, 금속 할로젠화물로서는 염화물, 아이오딘화물, 브로민화물 등, 유기 금속 화합물로서는 금속 알콕사이드, 유기산염, 금속 β-다이케토네이트 등을 들 수 있다.
본 개시에서 이용하는 용액은, 인듐 외에, 질산 이온을 포함하는 것이 바람직하고, 적어도 질산 인듐을 용매에 용해시킨 용액인 것이 보다 바람직하다. 질산 인듐을 용매에 용해시킨 용액을 도포하여 얻어진 금속 산화물 전구체막은, 자외광을 효율적으로 흡수할 수 있고, 용이하게 인듐을 포함하는 산화물막을 형성할 수 있다. 또한, 질산 인듐은 수화물이어도 된다.
용액은 인듐 이외의 금속 성분으로서, 아연, 주석, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 본 개시에서 이용하는 용액이, 인듐 이외의 상기 어느 하나의 금속 성분을 적당량 포함함으로써, 얻어지는 금속 산화물막의 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 개시에 의하여 제조되는 금속 산화물 반도체막에 있어서는, 임곗값 전압을 원하는 값으로 제어하는 것도 가능해진다.
인듐과 다른 금속 원소를 포함하는 금속 산화물막(도체막 또는 반도체막)으로서, In-Ga-Zn-O, In-Zn-O, In-Ga-O, In-Sn-O, In-Sn-Zn-O 등을 들 수 있다.
또한, 본 개시에 있어서의 용액은, 용액 중에 금속 산화물 반도체 입자 등의 불용물을 포함하지 않는 용액을 이용하는 것이 바람직하다. 용액 중에 금속 산화물 반도체 입자 등의 불용물을 포함하지 않는 용액을 이용함으로써 금속 산화물막을 형성했을 때의 표면 러프니스가 작아져, 면내 균일성이 우수한 금속 산화물막을 형성할 수 있다.
본 개시에 있어서의 용액에 이용하는 용매로서는, 용질로서 이용하는 금속 원자 함유 화합물이 용해되는 것이면 특별히 제한되는 바는 아니며, 물, 알코올 용매(메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜 등), 아마이드 용매(N,N-다이메틸폼아마이드 등), 케톤 용매(아세톤, N-메틸피롤리돈, 설포레인, N,N-다이메틸이미다졸리딘온 등), 에터 용매(테트라하이드로퓨란, 메톡시에탄올 등), 나이트릴 용매(아세트나이트릴 등), 그 외에 상기 이외의 헤테로 원자 함유 용매 등을 들 수 있다. 용매는 1종 단독으로 이용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 된다. 특히, 용해성 및 도포성의 향상, 코스트 및 환경 부하 경감의 관점에서, 용매는, 메탄올, 메톡시에탄올, 및 물로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다.
용액 중의 금속 성분의 농도는, 점도 및 얻고자 하는 막두께에 따라 임의로 선택할 수 있다. 박막의 평탄성 및 생산성의 향상의 관점에서, 용액 중의 금속 성분의 농도가 0.01mol/L 이상 1.0mol/L 이하인 것이 바람직하고, 0.01mol/L 이상 0.5mol/L 이하인 것이 보다 바람직하다.
(도포)
용액을 기판 상에 도포하는 방법으로서는, 스프레이 코트법, 스핀 코트법, 블레이드 코트법, 딥 코트법, 캐스트법, 롤 코트법, 바 코트법, 다이 코트법, 미스트법, 잉크젯법, 디스펜서법, 스크린 인쇄법, 볼록판 인쇄법, 오목판 인쇄법 등을 들 수 있다. 특히, 미세 패턴을 용이하게 형성하는 관점에서, 잉크젯법, 디스펜서법, 볼록판 인쇄법, 및 오목판 인쇄법으로부터 선택되는 적어도 1종의 도포법을 이용하는 것이 바람직하다.
(건조)
용액을 기판 상에 도포한 후, 자연 건조하여 금속 산화물 전구체막으로 해도 되지만, 기판 온도를 35℃ 이상 100℃ 이하로 하는 가열 처리에 의하여 건조시켜 금속 산화물 전구체막을 얻는 것이 바람직하다. 건조에 의하여, 도포막의 유동성을 저감시켜, 최종적으로 얻어지는 금속 산화물막의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 또, 적절한 건조 온도(35℃ 이상 100℃ 이하)를 선택함으로써, 최종적으로 보다 치밀한 금속 산화물막을 얻을 수 있다. 가열 처리의 방법은 특별히 한정되지 않고, 핫플레이트 가열, 전기로 가열, 적외선 가열, 마이크로파 가열 등으로부터 선택할 수 있다.
건조는 막의 평탄성을 균일하게 유지하는 관점에서, 기판 상에 용액을 도포 후, 5분 이내에 개시하는 것이 바람직하다.
건조를 행하는 시간은 특별히 제한은 없지만, 막의 균일성, 생산성의 관점에서 15초 이상 10분 이하인 것이 바람직하다.
건조를 행하는 분위기는 특별히 제한은 없지만, 제조 코스트 등의 관점에서 대기압하, 대기 중에서 행하는 것이 바람직하다.
[전화 공정]
이어서, 금속 산화물 전구체막을 가열한 상태에서, 금속 산화물 전구체막에 대하여, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상일 것, 및 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상일 것 중 적어도 한쪽을 충족시키는 조건으로 자외선을 조사함으로써 금속 산화물 전구체막을 금속 산화물막으로 전화시킨다. 금속 산화물 전구체막을 가열 처리한 상태에서, 상기 조건으로 자외선 조사를 행함으로써, 예를 들면 25분 이하의 자외선 조사로 전자 전달 특성이 높은 금속 산화물막으로 전화시킬 수 있다.
(가열 처리)
전화 공정에 있어서의 기판 온도는 120℃ 초과로 유지하는 것이 바람직하다. 전화 공정에 있어서의 기판 온도를 120℃ 초과로 유지하면, 보다 단시간에 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막을 얻을 수 있다.
한편, 전화 공정에 있어서의 기판 온도는, 200℃ 미만으로 유지하는 것이 바람직하다. 전화 공정에 있어서의 기판 온도를 200℃ 미만으로 유지하면, 열에너지의 증대를 억제하여 제조 코스트를 낮게 억제할 수 있고, 또 내열성이 낮은 수지 기판으로의 적용이 용이해진다.
전화 공정에 있어서의 기판에 대한 가열 수단은 특별히 한정되지 않고, 핫플레이트 가열, 전기로 가열, 적외선 가열, 마이크로파 가열 등으로부터 선택하면 된다.
자외선 조사 전에 기판을 가열하여, 기판 온도가 일정하게 된 후에 자외선 조사를 행하는 것이 바람직하다. 기판 온도가 일정하게 된 후에 자외선 조사를 행함으로써 재현성이 높은 소자 제작이 가능한 금속 산화물막을 제작할 수 있다.
자외선 조사 전의 가열 처리 시간에 특별히 제한은 없지만, 생산성의 관점에서 단시간인 것이 바람직하고, 구체적으로는 5분 이내인 것이 바람직하다.
또, 높은 전자 전달 특성을 달성하는 관점에서, 자외선 조사 중의 기판이 승온 또는 강온되는 속도를 ±0.5℃/min 이내로 하는 것이 바람직하고, 자외선 조사 중의 기판 온도는 일정하게 하는 것이 보다 바람직하다. 자외선 조사 중의 기판 온도는, 기판을 가열하는 핫플레이트 등의 가열 수단의 출력을 조정하는 등에 의하여 제어할 수 있다.
또한, 기판 온도는, 열전대(熱電對) 부착 Si 기판에 의하여 기판의 표면 온도를 측정할 수 있다.
(자외선 조사)
전화 공정에서 가열된 상태의 금속 산화물 전구체막에 조사하는 자외선은, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상일 것, 및 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상일 것 중 적어도 한쪽을 충족시키는 조건으로 조사한다.
금속 산화물 전구체막에 조사되는 자외선은, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상인 것에 의하여 단시간의 처리이더라도 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막을 얻을 수 있고, 90mW/cm2 이상이면 보다 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막을 얻을 수 있다. 또한, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도의 상한은, 장치 코스트 및 수지 기판을 이용한 경우의 변색을 억제하는 관점에서 500mW/cm2 이하인 것이 바람직하다.
또, 금속 산화물 전구체막에 조사되는 자외선은, 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상인 것에 의하여 단시간의 처리이더라도 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막을 얻을 수 있고, 7mW/cm2 이상이면 보다 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막을 얻을 수 있다. 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도의 상한은, 장치 코스트 및 수지 기판을 이용한 경우의 변색을 억제하는 관점에서 200mW/cm2 이하인 것이 바람직하다.
또한, 자외선의 각 파장역의 조도는, 이용하는 광원의 선택이나, 집광 기구, 감광(減光) 필터 등에 의하여 조정할 수 있다.
또한, 전화 공정에서는, 가열된 상태의 금속 산화물 전구체막에 대하여, 적어도 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상인 조건으로 자외선을 조사해도 되지만, 금속 산화물 전구체막을 단시간에 전자 전달 특성이 보다 높은 금속 산화물막으로 전화시키는 관점에서, 적어도 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상인 조건으로 자외선을 조사하는 것이 바람직하며, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상이고, 또한 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상인 조건으로 자외선을 조사하는 것이 보다 바람직하다.
전화 공정에 있어서의 자외선 조사는, 금속 산화물 전구체막이 금속 산화물막으로 전화될 때까지 행하면 되고, 금속 산화물 전구체막에 조사되는 자외선의 조도 및 목표로 하는 전자 전달 특성에 따라 선택하면 된다. 본 개시에서는 전화 공정에 있어서의 처리 시간(기판을 가열한 상태에서 금속 산화물 전구체막에 대하여 자외선을 조사하는 시간)을 예를 들면 25분 이하로 억제할 수 있다. 전화 공정에 있어서의 처리 시간을 25분 이하로 억제함으로써, 예를 들면, 롤·투·롤(이하, "RTR"이라고 약기하는 경우가 있음) 방식에서의 전자 디바이스의 제작이 용이해져, 제조 코스트를 큰 폭으로 낮추는 것이 가능해진다.
또한, 생산성의 관점에서, 전화 공정의 처리 시간은 15분 이하인 것이 보다 바람직하다. 전화 공정에서의 처리 시간이 15분 이하이면 보다 용이하게 RTR 방식으로의 적용이 가능해진다.
한편, 전화 공정에서의 처리 시간이 길수록 전자 전달 특성이 향상되는 경향이 있기 때문에, 전자 전달 특성이 높은 금속 산화물막으로 확실히 전화시키는 관점에서, 전화 공정에서의 처리 시간은 5분 이상이 바람직하고, 10분 이상이 보다 바람직하다.
또, 전화 공정에 있어서의 자외선 조사 시의 분위기는, 산소 농도(체적률)가 80000ppm 이하(8% 이하)인 것이 바람직하고, 30000ppm 이하(3% 이하)인 것이 보다 바람직하다. 금속 산화물 전구체막에 대하여 자외선을 조사하는 분위기의 산소 농도가 80000ppm 이하이면 보다 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막이 얻어지고, 30000ppm 이하이면 더 높은 전자 전달 특성의 금속 산화물막을 얻을 수 있다.
또한, 자외선 조사 시의 분위기 중의 산소 농도를 상기 농도 범위로 조정하는 수단으로서는, 예를 들면 기판 상의 금속 산화물 전구체막에 대하여 가열 및 자외선 조사를 행하는 처리실 내에 공급하는 질소 가스 등의 불활성 가스의 유속을 조정하는 방법, 처리실 내에 공급하는 가스 중의 산소 농도를 조정하는 방법, 사전에 처리실 내를 진공으로 배기하고, 거기에 원하는 산소 농도의 가스를 충전하는 방법 등을 들 수 있다.
전화 공정에 있어서의 가열 처리 중의 자외선 조사의 광원으로서는, UV 램프, UV 레이저 등을 들 수 있다. 대면적에 균일하게, 저가의 설비로 자외선 조사를 행하는 관점에서 UV 램프가 바람직하다. UV 램프로서는, 예를 들면 엑시머 램프, 중수소 램프, 저압 수은 램프, 고압 수은 램프, 초고압 수은 램프, 메탈 할라이드 램프, 헬륨 램프, 카본 아크 램프, 카드뮴 램프, 무전극 방전 램프 등을 들 수 있고, 특히 저압 수은 램프를 이용하면 용이하게 금속 산화물 전구체막으로부터 금속 산화물막으로의 전화를 행할 수 있는 점에서 바람직하다.
이상의 공정을 거쳐, 전자 전달 특성을 갖는 금속 산화물막을 용이하게 제조할 수 있다.
＜박막 트랜지스터＞
본 발명의 실시형태에 의하여 제작되는 금속 산화물막은 높은 전자 전달 특성을 나타내는 점에서, 반도체막 또는 도전막으로서 이용할 수 있고, 예를 들면, 박막 트랜지스터(TFT)의 전극(소스 전극, 드레인 전극, 혹은 게이트 전극) 또는 활성층(산화물 반도체층)에 적합하게 이용할 수 있다. 예를 들면, 활성층의 형성에 본 발명을 적용하면, 높은 이동도를 갖는 TFT를 단시간에 제작하는 것이 가능해진다.
이하, 본 발명의 제조 방법에 의하여 제작된 금속 산화물막을 박막 트랜지스터의 활성층으로서 이용하는 경우의 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 금속 산화물막의 제조 방법 및 그에 의하여 제조되는 금속 산화물막은 TFT의 활성층에 한정되는 것은 아니다.
본 개시에 관한 TFT의 소자 구조는 특별히 한정되지 않고, 게이트 전극의 위치에 근거한, 이른바 역스태거 구조(보텀 게이트형이라고도 불림) 및 스태거 구조(톱 게이트형이라고도 불림) 중 어느 양태여도 된다. 또, 활성층과 소스 전극 및 드레인 전극(적절히, "소스·드레인 전극"이라고 함)의 접촉 부분에 근거하여, 이른바 톱 콘택트형, 보텀 콘택트형 중 어느 양태여도 된다.
톱 게이트형이란, TFT가 형성되어 있는 기판을 최하층으로 했을 때에, 게이트 절연막의 상측에 게이트 전극이 배치되고, 게이트 절연막의 하측에 활성층이 형성된 형태이며, 보텀 게이트형이란, 게이트 절연막의 하측에 게이트 전극이 배치되고, 게이트 절연막의 상측에 활성층이 형성된 형태이다. 또, 보텀 콘택트형이란, 소스·드레인 전극이 활성층보다 먼저 형성되어 활성층의 하면이 소스·드레인 전극에 접촉하는 형태이며, 톱 콘택트형이란, 활성층이 소스·드레인 전극보다 먼저 형성되어 활성층의 상면이 소스·드레인 전극에 접촉하는 형태이다.
도 1은, 톱 게이트 구조이고 톱 콘택트형인 본 개시에 관한 TFT의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타내는 TFT(10)에서는, 기판(12)의 한쪽 주면(主面) 상에 활성층(14)으로서 상술한 산화물 반도체막이 적층되어 있다. 그리고, 이 활성층(14) 상에 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)이 서로 이간되어 설치되고, 또한 이들 위에 게이트 절연막(20)과 게이트 전극(22)이 순서대로 적층되어 있다.
도 2는, 톱 게이트 구조이고 보텀 콘택트형인 본 개시에 관한 TFT의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 2에 나타내는 TFT(30)에서는, 기판(12)의 한쪽 주면 상에 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)이 서로 이간되어 설치되어 있다. 그리고, 활성층(14)으로서 상술한 산화물 반도체막과, 게이트 절연막(20)과, 게이트 전극(22)이 순서대로 적층되어 있다.
도 3은, 보텀 게이트 구조이고 톱 콘택트형인 본 개시에 관한 TFT의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 3에 나타내는 TFT(40)에서는, 기판(12)의 한쪽 주면 상에 게이트 전극(22)과, 게이트 절연막(20)과, 활성층(14)으로서 상술한 산화물 반도체막이 순서대로 적층되어 있다. 그리고, 이 활성층(14)의 표면 상에 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)이 서로 이간되어 설치되어 있다.
도 4는, 보텀 게이트 구조이고 보텀 콘택트형인 본 개시에 관한 TFT의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 4에 나타내는 TFT(50)에서는, 기판(12)의 한쪽 주면 상에 게이트 전극(22)과, 게이트 절연막(20)이 순서대로 적층되어 있다. 그리고, 이 게이트 절연막(20)의 표면 상에 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)이 서로 이간되어 설치되고, 또한 이들 위에, 활성층(14)으로서 상술한 산화물 반도체막이 적층되어 있다.
이하의 실시형태로서는 도 1에 나타내는 톱 게이트형의 박막 트랜지스터(10)에 대하여 주로 설명하지만, 본 개시의 박막 트랜지스터는 톱 게이트형에 한정되지 않고, 보텀 게이트형의 박막 트랜지스터여도 된다.
(활성층)
본 실시형태의 TFT(10)를 제조하는 경우, 먼저 기판(12) 상에, 상술한 금속 산화물 전구체막 형성 공정 및 전화 공정을 거쳐 금속 산화물 반도체막을 형성하고, 금속 산화물 반도체막을 활성층의 형상으로 패터닝한다.
패터닝은 상술한 잉크젯법, 디스펜서법, 볼록판 인쇄법, 오목판 인쇄법 등에 의하여 미리 활성층의 패턴을 갖는 금속 산화물 전구체막을 형성하여 금속 산화물 반도체막으로 전화시켜도 되고, 금속 산화물 반도체막을 포토리소그래피 및 에칭에 의하여 활성층의 형상으로 패터닝해도 된다. 포토리소그래피 및 에칭에 의하여 패턴 형성을 행하려면, 예를 들면, 잔존시키는 부분에 포토리소그래피에 의하여 레지스트 패턴을 형성하고, 염산, 질산, 희황산, 혹은 인산, 또는 질산 및 아세트산의 혼합액 등의 산용액에 의하여 에칭함으로써 활성층(14)의 패턴을 형성하면 된다.
활성층(14)의 두께는, 평탄성 및 막형성에 필요한 시간의 관점에서 5nm 이상 50nm 이하인 것이 바람직하다.
또, 높은 이동도를 얻는 관점에서, 활성층(14)에 있어서의 인듐의 함유량은, 활성층(14)에 포함되는 금속 성분의 50atom% 이상인 것이 바람직하고, 80atom% 이상인 것이 보다 바람직하다.
(보호층)
활성층(14) 상에는 소스·드레인 전극(16, 18)의 에칭 시에 활성층(14)을 보호하기 위한 보호층(도시하지 않음)을 형성하는 것이 바람직하다. 보호층의 성막 방법에 특별히 한정은 없으며, 금속 산화물 반도체막에 계속해서 성막해도 되고, 금속 산화물 반도체막의 패터닝 후에 형성해도 된다.
보호층으로서는 금속 산화물층이어도 되고, 수지와 같은 유기 재료여도 된다. 또한, 보호층은 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18)(적절히 "소스·드레인 전극"이라고 기재함)의 형성 후에 제거해도 상관없다.
(소스·드레인 전극)
활성층(14) 상에 소스·드레인 전극(16, 18)을 형성한다. 소스·드레인 전극(16, 18)은 각각 전극으로서 기능하도록 높은 도전성을 갖는 것을 이용하며, Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Ag, Au 등의 금속, Al-Nd, Ag 합금, 산화 주석, 산화 아연, 산화 인듐, 산화 인듐 주석(ITO), 산화 아연 인듐(IZO), In-Ga-Zn-O 등의 금속 산화물 도전막 등을 이용하여 형성할 수 있다.
소스·드레인 전극(16, 18)을 형성하는 경우, 인쇄 방식, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라즈마 CVD법 등의 화학적 방식 등 중에서 사용하는 재료와의 적성을 고려하여 적절히 선택한 방법에 따라 성막하면 된다.
소스·드레인 전극(16, 18)의 막두께는, 성막성, 에칭 또는 리프트 오프법에 의한 패터닝성, 도전성 등을 고려하면, 10nm 이상 1000nm 이하로 하는 것이 바람직하고, 50nm 이상 100nm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
소스·드레인 전극(16, 18)은, 도전막을 형성한 후, 예를 들면, 에칭 또는 리프트 오프법에 의하여 소정의 형상으로 패터닝하여 형성해도 되고, 잉크젯법 등에 의하여 직접 패턴 형성해도 된다. 이때, 소스·드레인 전극(16, 18) 및 이들 전극에 접속하는 배선(도시하지 않음)을 동시에 패터닝하는 것이 바람직하다.
(게이트 절연막)
소스·드레인 전극(16, 18) 및 배선(도시하지 않음)을 형성한 후, 게이트 절연막(20)을 형성한다. 게이트 절연막(20)은 높은 절연성을 갖는 것이 바람직하고, 예를 들면 SiO2, SiNx, SiON, Al2O3, Y2O3, Ta2O5, HfO2 등의 절연막, 또는 이들 화합물을 2종 이상 포함하는 절연막으로 해도 된다.
게이트 절연막(20)의 형성은, 인쇄 방식, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라즈마 CVD법 등의 화학적 방식 등 중에서 사용하는 재료와의 적성을 고려하여 적절히 선택한 방법에 따라 성막하면 된다.
또한, 게이트 절연막(20)은 리크 전류의 저하 및 전압 내성의 향상을 위한 두께를 가질 필요가 있는 반면, 게이트 절연막(20)의 두께가 너무 크면 구동 전압의 상승을 초래해 버린다. 게이트 절연막(20)은 재질에 따라서도 다르지만, 게이트 절연막(20)의 두께는 10nm 이상 10μm 이하가 바람직하고, 50nm 이상 1000nm 이하가 보다 바람직하며, 100nm 이상 400nm 이하가 특히 바람직하다.
(게이트 전극)
게이트 절연막(20)을 형성한 후, 게이트 전극(22)을 형성한다. 게이트 전극(22)에는 높은 도전성을 갖는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Ag, Au 등의 금속, Al-Nd, Ag 합금, 산화 주석, 산화 아연, 산화 인듐, 산화 인듐 주석(ITO), 산화 아연 인듐(IZO), IGZO 등의 금속 산화물 도전막 등을 이용하여 게이트 전극(22)을 형성할 수 있다. 게이트 전극(22)으로서는 이들 도전막을 단층 구조 또는 2층 이상의 적층 구조로서 이용할 수 있다.
게이트 전극(22)은, 인쇄 방식, 코팅 방식 등의 습식 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등의 물리적 방식, CVD, 플라즈마 CVD법 등의 화학적 방식 등 중에서 사용하는 재료와의 적성을 고려하여 적절히 선택한 방법에 따라 성막한다.
게이트 전극(22)을 형성하기 위한 금속막의 막두께는, 성막성, 에칭 또는 리프트 오프법에 의한 패터닝성, 도전성 등을 고려하면, 10nm 이상 1000nm 이하로 하는 것이 바람직하고, 50nm 이상 200nm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
성막 후, 에칭 또는 리프트 오프법에 의하여 소정의 형상으로 패터닝함으로써, 게이트 전극(22)을 형성해도 되고, 잉크젯법 등에 의하여 직접 패턴 형성해도 된다. 이때, 게이트 전극(22) 및 게이트 배선(도시하지 않음)을 동시에 패터닝하는 것이 바람직하다.
＜전자 디바이스＞
이상으로 설명한 본 실시형태의 박막 트랜지스터(10)의 용도에는 특별히 한정은 없지만, 높은 수송 특성을 나타내는 점에서, 각종 전자 디바이스에 적용할 수 있다. 구체적으로는, 액정 표시 장치, 유기 EL(Electro Luminescence) 표시 장치, 무기 EL 표시 장치 등의 표시 장치에 있어서의 구동 소자, 내열성이 낮은 수지 기판을 이용한 플렉시블 디스플레이의 제작에 적합하다.
또한 본 개시에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터는, X선 센서, 이미지 센서 등의 각종 센서, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 등, 다양한 전자 디바이스에 있어서의 구동 소자(구동 회로)로서 적합하게 이용된다.
본 개시에 의하여 제조되는 박막 트랜지스터를 적용함으로써, 전기 특성이 우수한 전자 디바이스의 제조 코스트를 억제할 수 있다.
＜액정 표시 장치＞
본 발명의 일 실시형태인 액정 표시 장치에 대하여, 도 5에 그 일부분의 개략 단면도를 나타내고, 도 6에 전기 배선의 개략 구성도를 나타낸다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 액정 표시 장치(100)는, 도 1에 나타낸 톱 게이트 구조이고 톱 콘택트형인 TFT(10)와, TFT(10)의 패시베이션층(102)으로 보호된 게이트 전극(22) 상에 화소 하부 전극(104) 및 그 대향 상부 전극(106) 사이에 끼인 액정층(108)과, 각 화소에 대응시켜 상이한 색을 발색시키기 위한 R(적색)G(녹색)B(청색)의 컬러 필터(110)를 구비하고, TFT(10)의 기판(12)측 및 RGB 컬러 필터(110) 상에 각각 편광판(112a, 112b)을 구비한 구성이다.
또, 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 액정 표시 장치(100)는, 서로 평행한 복수의 게이트 배선(112)과, 게이트 배선(112)과 교차하는, 서로 평행한 데이터 배선(114)을 구비하고 있다. 여기에서 게이트 배선(112)과 데이터 배선(114)은 전기적으로 절연되어 있다. 게이트 배선(112)과 데이터 배선(114)의 교차부 부근에, TFT(10)가 구비되어 있다.
TFT(10)의 게이트 전극(22)은, 게이트 배선(112)에 접속되어 있고, TFT(10)의 소스 전극(16)은 데이터 배선(114)에 접속되어 있다. 또, TFT(10)의 드레인 전극(18)은 게이트 절연막(20)에 마련된 콘택트 홀(116)을 통하여(콘택트 홀(116)에 도전체가 매입되어) 화소 하부 전극(104)에 접속되어 있다. 이 화소 하부 전극(104)은, 접지된 대향 상부 전극(106)과 함께 커패시터(118)를 구성하고 있다.
＜유기 EL 표시 장치＞
본 발명의 일 실시형태에 관한 액티브 매트릭스 방식의 유기 EL 표시 장치에 대하여, 도 7에 일부분의 개략 단면도를 나타내고, 도 8에 전기 배선의 개략 구성도를 나타낸다.
본 실시형태의 액티브 매트릭스 방식의 유기 EL 표시 장치(200)는, 도 1에 나타낸 톱 게이트 구조의 TFT(10)가, 패시베이션층(202)을 구비한 기판(12) 상에, 구동용 TFT(10a) 및 스위칭용 TFT(10b)로서 구비되고, TFT(10a, 10b) 상에 하부 전극(208) 및 상부 전극(210) 사이에 끼인 유기 발광층(212)으로 이루어지는 유기 EL 발광 소자(214)를 구비하며, 상면도 패시베이션층(216)에 의하여 보호된 구성으로 되어 있다.
또, 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 유기 EL 표시 장치(200)는, 서로 평행한 복수의 게이트 배선(220)과, 게이트 배선(220)과 교차하는, 서로 평행한 데이터 배선(222) 및 구동 배선(224)을 구비하고 있다. 여기에서, 게이트 배선(220)과 데이터 배선(222), 구동 배선(224)은 전기적으로 절연되어 있다. 스위칭용 TFT(10b)의 게이트 전극(22)은, 게이트 배선(220)에 접속되어 있고, 스위칭용 TFT(10b)의 소스 전극(16)은 데이터 배선(222)에 접속되어 있다. 또, 스위칭용 TFT(10b)의 드레인 전극(18)은 구동용 TFT(10a)의 게이트 전극(22)에 접속됨과 함께, 커패시터(226)를 이용함으로써 구동용 TFT(10a)를 온 상태로 유지한다. 구동용 TFT(10a)의 소스 전극(16)은 구동 배선(224)에 접속되고, 드레인 전극(18)은 유기 EL 발광 소자(214)에 접속된다.
또한, 도 7에 나타낸 유기 EL 표시 장치에 있어서, 상부 전극(210)을 투명 전극으로 하여 톱 이미션형으로 해도 되고, 하부 전극(208) 및 TFT의 각 전극을 투명 전극으로 함으로써 보텀 이미션형으로 해도 된다.
＜X선 센서＞
본 발명의 일 실시형태인 X선 센서에 대하여, 도 9에 그 일부분의 개략 단면도를 나타내고, 도 10에 그 전기 배선의 개략 구성도를 나타낸다.
본 실시형태의 X선 센서(300)는 기판(12) 상에 형성된 TFT(10) 및 커패시터(310)와, 커패시터(310) 상에 형성된 전하 수집용 전극(302)과, X선 변환층(304)과, 상부 전극(306)을 구비하여 구성된다. TFT(10) 상에는 패시베이션막(308)이 마련되어 있다.
커패시터(310)는, 커패시터용 하부 전극(312)과 커패시터용 상부 전극(314) 사이에 절연막(316)을 둔 구조로 되어 있다. 커패시터용 상부 전극(314)은 절연막(316)에 마련된 콘택트 홀(318)을 통하여, TFT(10)의 소스 전극(16) 및 드레인 전극(18) 중 어느 한쪽(도 9에 있어서는 드레인 전극(18))과 접속되어 있다.
전하 수집용 전극(302)은, 커패시터(310)에 있어서의 커패시터용 상부 전극(314) 상에 마련되어 있으며, 커패시터용 상부 전극(314)에 접하고 있다.
X선 변환층(304)은 어모퍼스 셀레늄으로 이루어지는 층이고, TFT(10) 및 커패시터(310)를 덮도록 마련되어 있다.
상부 전극(306)은 X선 변환층(304) 상에 마련되어 있으며, X선 변환층(304)에 접하고 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 X선 센서(300)는, 서로 평행한 복수의 게이트 배선(320)과, 게이트 배선(320)과 교차하는, 서로 평행한 복수의 데이터 배선(322)을 구비하고 있다. 여기에서 게이트 배선(320)과 데이터 배선(322)은 전기적으로 절연되어 있다. 게이트 배선(320)과 데이터 배선(322)의 교차부 부근에, TFT(10)가 구비되어 있다.
TFT(10)의 게이트 전극(22)은, 게이트 배선(320)에 접속되어 있고, TFT(10)의 소스 전극(16)은 데이터 배선(322)에 접속되어 있다. 또, TFT(10)의 드레인 전극(18)은 전하 수집용 전극(302)에 접속되어 있고, 또한 이 전하 수집용 전극(302)은, 커패시터(310)에 접속되어 있다.
본 실시형태의 X선 센서(300)에 있어서, X선은 도 9 중, 상부 전극(306)측으로부터 입사하여 X선 변환층(304)에서 전자-정공 쌍을 생성한다. X선 변환층(304)에 상부 전극(306)에 의하여 고전계를 인가해 둠으로써, 생성된 전하는 커패시터(310)에 축적되고, TFT(10)를 순차로 주사함으로써 독출된다.
또한, 상기 실시형태의 액정 표시 장치(100), 유기 EL 표시 장치(200), 및 X선 센서(300)에 있어서는, 톱 게이트 구조의 TFT를 구비하는 것으로 했지만, TFT는 이에 한정되지 않고, 도 2~도 4에 나타내는 구조의 TFT여도 된다.
실시예
이하에 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
＜실시예 1＞
이하와 같은 시료를 제작하여, 평가를 행했다.
(금속 산화물 전구체막 형성 공정)
질산 인듐(In(NO3)3·xH2O, 순도: 4N, 고준도 가가쿠 겐큐쇼사제)을 2-메톡시에탄올(시약 특급, 와코 준야쿠 고교사제) 중에 용해시켜, 0.1mol/L의 농도의 질산 인듐 용액을 제작했다.
기판으로서 열산화막 부착 p형 실리콘 기판을 이용하여, 열산화막을 게이트 절연막으로서 이용하는 간이형의 TFT를 제작했다. 평방 2.54cm(1인치)의 열산화막 부착 p형 실리콘 기판 상에, 제작한 질산 인듐 용액을 1500rpm의 회전 속도로 30초 스핀 코트한 후, 60℃로 가열된 핫플레이트 상에서 5분간 건조를 행했다.
(전화 공정)
얻어진 금속 산화물 전구체막을, 하기 조건으로 금속 산화물막으로 전화시켰다. 장치로서는 저압 수은 램프를 구비한 VUV 드라이 프로세서(오크 세이사쿠쇼사제, VUE-3400-F)를 이용했다.
시료를, 장치 내의, 표면 온도 160℃로 가열된 핫플레이트 상에 세트한 후, 5분간 대기했다. 그 동안, 장치 처리실 내에 50L/min의 질소를 플로시킴으로써, 처리실 내의 산소 농도를 50ppm 이하로 했다. 또한, 장치 처리실 내의 산소 농도는 산소 농도계(요코가와 덴키사제, OX100)를 사용하여 측정했다.
또, 온도 교정으로는 열전대 부착 Si 웨이퍼에서 행하여, 정확한 기판 표면 온도가 되도록 조정했다. 기판 표면 온도는 160℃였다.
5분간 대기 후, 장치 내의 셔터를 열고, 15분간, 160℃의 가열 처리하에서의 자외선 조사 처리를 행함으로써 금속 산화물 반도체막을 얻었다. 가열 처리하에서 자외선 조사 처리하는 동안, 50L/min의 질소를 항상 플로시켰다.
시료 위치에서의 파장 254nm를 피크 파장으로 하는 자외선 조도는, 자외선 적산 광량계(하마마쓰 포토닉스사제, 컨트롤러 C9536, 센서 헤드 H9536-254, 200nm 초과 300nm 정도의 범위에 분광 감도를 가짐)를 이용하여 측정하여, 105mW/cm2였다.
또, 파장 185nm를 피크 파장으로 하는 자외선 조도는, 자외선 적산 광량계(하마마쓰 포토닉스사제, 컨트롤러 C9536, 센서 헤드 H9536-185, 150nm~200nm 정도의 범위에 분광 감도를 가짐)를 이용하여 측정하여, 8.2mW/cm2였다.
상기 얻어진 금속 산화물 반도체막 상에 소스·드레인 전극을 증착에 의하여 성막했다. 소스·드레인 전극은 메탈 마스크를 이용한 패턴 성막으로 제작하여, Ti를 50nm의 두께로 성막했다. 소스·드레인 전극 사이즈는 각각 평방 1mm로 하고, 전극간 거리는 0.2mm로 했다.
＜실시예 2, 비교예 1, 2＞
(전화 공정에 있어서의 자외선 조도를 변경한 예)
실시예 1의 전화 공정에 있어서의 자외선 조도를 변화시킨 것 이외에는 실시예 1과 동일한 수법으로 간이형 TFT를 제작했다.
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 전화 공정에 있어서의 자외선 조도를 표 1에 나타낸다. 또한, 자외선 조도의 조정은 저압 수은 램프와 금속 산화물 전구체막의 사이에 감광 필터(금속 메시)를 도입함으로써 행했다.
[표 1]
Figure 112016126835398-pct00001
[평가]
(트랜지스터 특성)
상기에서 얻어진 간이형 TFT에 대하여, 반도체 파라미터·애널라이저 4156C(애질런트 테크놀로지사제)를 이용하여, 트랜지스터 특성 Vg-Id의 측정을 행했다.
Vg-Id 특성의 측정은, 드레인 전압(Vd)을 +1V로 고정하고, 게이트 전압(Vg)을 -15V~+30V의 범위 내에서 변화시켜, 각 게이트 전압에 있어서의 드레인 전류(Id)를 측정함으로써 행했다.
도 11에, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 Vg-Id 특성을, 또한 표 2에 Vg-Id 특성으로부터 구한 선형 이동도(이하, "이동도"라고 하는 경우가 있음)를 나타낸다.
[표 2]
Figure 112016126835398-pct00002
도 12 및 도 13에 자외선 조도와 이동도의 관계를 나타낸다. 가열 처리하에서의 15분간의 자외선 조사 처리에 있어서, 200nm 초과 300nm 이하의 조도, 및 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 높아지며, 소정 임곗값을 넘자 급격하게 이동도가 향상되는 것을 알 수 있다. 구체적으로는 15분간의 단시간 처리임에도 불구하고, 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상, 또한 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상(실시예 2)이면 0.2cm2/Vs의 높은 이동도가 얻어지며, 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 90mW/cm2 이상(실시예 1), 또한 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 7mW/cm2 이상이면, 이동도가 지수 함수적으로 상승하여 단시간에 높은 이동도를 얻을 수 있다.
＜실시예 3, 4, 비교예 3, 4＞
(전화 공정의 처리 시간을 25분간으로 한 예)
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 전화 공정에 있어서의 처리 시간을 각각 25분으로 한 것 이외에는 동일한 수법으로 간이형 TFT를 제작하여, 트랜지스터 특성 Vg-Id의 측정을 행했다. 구체적으로는, 실시예 3은 실시예 1과 동일한 조도 조건, 실시예 4는 실시예 2와 동일한 조도 조건, 비교예 3은 비교예 1과 동일한 조도 조건, 비교예 4는 비교예 2와 동일한 조도 조건이다. 표 3에 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4의 선형 이동도를 나타낸다.
[표 3]
Figure 112016126835398-pct00003
도 14 및 도 15에 자외선 조도와 이동도의 관계를 나타낸다. 가열 처리하에서의 25분간의 자외선 조사 처리에 있어서, 200nm 초과 300nm 이하의 조도, 및 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 높아지며, 소정 임곗값을 넘자 급격하게 15분간의 처리에 비하여 이동도가 더 향상되는 것을 알 수 있다. 구체적으로는 25분이라는 단시간 처리임에도 불구하고, 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상, 또한 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상(실시예 4)이면 0.3cm2/Vs의 높은 이동도가 얻어지며, 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 90mW/cm2 이상, 또한 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 7mW/cm2 이상(실시예 3)이면, 이동도가 지수 함수적으로 상승하여 단시간에 높은 이동도를 얻을 수 있다.
＜실시예 5, 비교예 5＞
(전화 공정에 있어서의 자외선 조도를 변경한 예)
실시예 2의 전화 공정에 있어서의 자외선 조도를 변경하고, 가열 처리하에서 15분 처리한 것 이외에는 실시예 2와 동일한 수법으로 간이형 TFT를 제작하여, 트랜지스터 특성 Vg-Id의 측정을 행했다.
구체적으로는, 200nm 이하의 파장의 광을 선택적으로 감쇠시키는 유리창을 마련하고, 또한 램프와 샘플 간의 거리를 조정함으로써, 실시예 5에서는 200nm 초과 300nm 이하의 조도는 실시예 2와 대략 동일한 정도로 하는 반면, 150nm 이상 200nm 이하의 조도를 큰 폭으로 저감시키고, 장치 내의 셔터를 닫음으로써, 비교예 5에서는, 150nm 이상 200nm 이하의 조도와 200nm 초과 300nm 이하의 조도를 모두 0(mW/cm2)으로 했다. 표 4에 실시예 2와 함께 실시예 5 및 비교예 5의 자외선 조도와 선형 이동도를 나타낸다.
[표 4]
Figure 112016126835398-pct00004
＜실시예 6, 7＞
(전화 공정에 있어서의 기판 온도 및 처리 시간을 변경한 예)
실시예 1의 전화 공정에 있어서의 기판 온도와 처리 시간을 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 수법으로 간이형 TFT를 제작하여, 트랜지스터 특성 Vg-Id의 측정을 행했다. 구체적으로는, 실시예 6에서는 기판 온도를 125℃, 처리 시간을 60분으로 하고, 실시예 7에서는 기판 온도를 195℃, 처리 시간을 15분으로 했다. 표 5에 실시예 1과 함께 실시예 6, 7의 전화 공정에 있어서의 기판 온도와 선형 이동도를 나타낸다.
[표 5]
Figure 112016126835398-pct00005
전화 공정에 있어서의 기판 온도를 160℃로 함으로써 15분의 단시간 처리이더라도 이동도가 크게 향상되고, 기판 온도를 195℃로 함으로써 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.
＜실시예 8, 9＞
(전화 공정에 있어서의 산소 농도를 변경한 예)
실시예 3의 전화 공정에 있어서의 분위기 중의 산소 농도를 변경한 것 이외에는 실시예 3과 동일한 수법으로 간이형 TFT를 제작하여, 트랜지스터 특성 Vg-Id의 측정을 행했다. 구체적으로는, 실시예 8에서는 산소 농도를 2.7%(27000ppm)로 하고, 실시예 9에서는 산소 농도를 7.8%(78000ppm)로 했다. 또한, 처리실 내로의 질소 플로를 조정함으로써 산소 농도를 제어했다. 표 6에 실시예 3과 함께 실시예 8, 9의 전화 공정에 있어서의 산소 농도와 선형 이동도를 나타낸다.
[표 6]
Figure 112016126835398-pct00006
전화 공정에 있어서의 산소 농도가 낮을수록, 이동도가 높아지는 것을 알 수 있다.
＜참고예＞
(질산 인듐 용액의 UV 흡수 스펙트럼 측정)
실시예, 비교예에서 이용한 질산 인듐 용액의 UV 흡수 스펙트럼을 측정했다. 측정에 있어서는, 히타치 하이테크놀로지즈사제 더블빔 분광 광도계 U-2910을 이용했다.
도 16에 질산 인듐을 2-메톡시에탄올 중에 용해시킨 용액의 자외광 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 대체로 270-280nm 정도의 파장역에 흡수 피크를 갖고, 350nm 이상의 파장역에는 흡수를 갖지 않는 것을 알 수 있다. 용액의 색도 무색 투명하여, 가시역에 흡수를 갖지 않는 것을 알 수 있다.
산업상 이용가능성
본 개시의 금속 산화물막의 제조 방법은, 저가의 재료를 이용하여 대기압하, 비교적 저온에서, 또한 단시간에 전자 전달 특성이 높은 치밀한 금속 산화물막을 형성하는 것이 가능하기 때문에, 예를 들면, 내열성이 낮은 수지 기판으로의 금속 산화물막의 형성에 이용 가능하다. 특히 금속 산화물 반도체막에 관해서는 저가의 재료를 이용하여 대기압하, 비교적 저온에서, 또한 단시간에 높은 반도체 특성을 나타내고, 저가의 수지 기판 상으로의 박막 트랜지스터의 형성이 가능하기 때문에, 액정 디스플레이, 유기 EL 등의 표시 장치, 특히 플렉시블 디스플레이의 제작에 이용 가능하다.
일본 특허출원 2014-129571의 개시는 그 전체가 참조에 의하여 본 명세서에 원용된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허, 특허출원, 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허, 특허출원, 및 기술 규격이 참조로서 원용되는 것이 구체적이고 개개에 기재된 경우와 동일한 정도로, 본 명세서 중에 참조로서 원용된다.

Claims (27)

  1. 용매 및 금속 성분으로서 적어도 인듐을 포함하는 용액을 기판 상에 도포하여 금속 산화물 전구체막을 형성하는 금속 산화물 전구체막 형성 공정과,
    상기 금속 산화물 전구체막을 가열한 상태에서, 상기 금속 산화물 전구체막에 대하여, 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 80mW/cm2 이상일 것, 및 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 6.5mW/cm2 이상일 것 중 적어도 한쪽을 충족시키는 조건으로, 또한 산소 농도가 80000ppm 이하인 분위기로, 자외선을 조사함으로써 상기 금속 산화물 전구체막을 금속 산화물막으로 전화시키는 전화 공정
    을 갖는 금속 산화물막의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선의 상기 파장 200nm 초과 300nm 이하의 조도가 90mW/cm2 이상인 금속 산화물막의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선의 상기 파장 150nm 이상 200nm 이하의 조도가 7mW/cm2 이상인 금속 산화물막의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선의 조사 시간이 25분 이하인 금속 산화물막의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선의 조사 시간이 15분 이하인 금속 산화물막의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선을 조사하는 분위기의 산소 농도가 30000ppm 이하인 금속 산화물막의 제조 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선을 조사하는 동안의 상기 기판의 온도를 200℃ 미만으로 유지하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선을 조사하는 동안의 상기 기판의 온도를 120℃ 초과로 유지하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액에 포함되는 인듐이 인듐 이온인 금속 산화물막의 제조 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액이 질산 이온을 포함하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선을 조사하는 동안에 상기 기판이 승온 또는 강온되는 속도를 ±0.5℃/min 이내로 하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액에 포함되는 금속 성분의 50atom% 이상이 인듐인 금속 산화물막의 제조 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액이, 적어도 질산 인듐을 상기 용매에 용해시킨 용액인 금속 산화물막의 제조 방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액이, 아연, 주석, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 성분을 더 포함하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 용매가, 메탄올, 메톡시에탄올, 및 물로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액 중의 금속 성분의 농도가, 0.01mol/L 이상 1.0mol/L 이하인 금속 산화물막의 제조 방법.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선의 조사에 이용하는 광원이, 저압 수은 램프인 금속 산화물막의 제조 방법.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체막 형성 공정에 있어서, 상기 용액을 상기 기판 상에 도포하고, 상기 기판을 35℃ 이상 100℃ 이하로 가열하여 건조시킴으로써 상기 금속 산화물 전구체막을 형성하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체막 형성 공정에 있어서, 잉크젯법, 디스펜서법, 볼록판 인쇄법, 및 오목판 인쇄법으로부터 선택되는 적어도 1종의 도포법에 의하여, 상기 용액을 상기 기판 상에 도포하는 금속 산화물막의 제조 방법.
  23. 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 7 및 청구항 9 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 기재된 금속 산화물막의 제조 방법을 이용하여 제작된 금속 산화물막.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 금속 산화물막에 포함되는 금속 성분의 50atom% 이상이 인듐인 금속 산화물막.
  25. 청구항 23에 있어서,
    반도체막인 금속 산화물막.
  26. 청구항 25에 기재된 금속 산화물막을 포함하는 활성층과, 소스 전극과, 드레인 전극과, 게이트 절연막과, 게이트 전극을 갖는 박막 트랜지스터.
  27. 청구항 26에 기재된 박막 트랜지스터를 구비한 전자 디바이스.
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