JP2013175648A - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】材料・プロセスの点で好適となった電界効果トランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、チャネル層およびゲート絶縁層を少なくとも有する電界効果トランジスタの製造方法であって、金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物を用いてチャネル層を形成し、かかるチャネル層の形成に際して、酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下で金属塩含有組成物を加熱処理することを特徴とする、電界効果トランジスタの製造方法。
【選択図】図2A method of manufacturing a field effect transistor that is suitable in terms of materials and processes is provided.
A method of manufacturing a field effect transistor having at least a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, a channel layer, and a gate insulating layer, using a metal salt-containing composition including a metal salt, an organic solvent, and water. Forming a channel layer, and heat-treating the metal salt-containing composition under an atmospheric gas containing an oxygen gas and an inert gas when the channel layer is formed. .
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。より詳細には、本発明は、TFTとして用いることができる電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a field effect transistor that can be used as a TFT and a method for manufacturing the same.
情報端末の普及に伴い、コンピュータ用のディスプレイとしてフラットパネルディスプレイに対するニーズが高まっている。フラットパネルディスプレイにおいては、一般に、液晶、有機EL(有機エレクトロルミネッセンス)、電気泳動等を利用した素子を用いて表示媒体を形成している。こうした表示媒体では画面輝度の均一性や画面書き換え速度等を確保するために、画像駆動素子としてアクティブ駆動素子(例えばTFT素子などの電界効果トランジスタ)を用いる技術が主流となっている。TFTは、“Thin Film Transistor”の略であって薄膜トランジスタとも称されるものである。例えば、通常のコンピュータディスプレイでは基板上にTFT素子を形成し、液晶、有機EL素子等が封止されている。 With the widespread use of information terminals, there is an increasing need for flat panel displays as computer displays. In a flat panel display, generally, a display medium is formed using an element using liquid crystal, organic EL (organic electroluminescence), electrophoresis, or the like. In such display media, a technique using an active drive element (for example, a field effect transistor such as a TFT element) as an image drive element has become the mainstream in order to ensure uniformity of screen brightness, screen rewriting speed, and the like. The TFT is an abbreviation of “Thin Film Transistor” and is also referred to as a thin film transistor. For example, in a normal computer display, a TFT element is formed on a substrate, and a liquid crystal, an organic EL element and the like are sealed.
ここで、TFT素子においては主にa−Si(アモルファスシリコン)等の半導体を用いることが主流となっているものの、a−Siの移動度が0.5程度と高くないため、ディスプレイの大面積化・高速駆動化の流れに対しては対応が困難になりつつある。 Here, although it is mainly used a semiconductor such as a-Si (amorphous silicon) in the TFT element, since the mobility of a-Si is not as high as about 0.5, the large area of the display It is becoming difficult to cope with the trend toward higher speed and higher speed driving.
こうした状況の中、高特性で比較的簡便に作製できる半導体として、金属酸化物半導体が注目されている。かかる半導体の製造法としては、スパッタ法またはALD法といった真空プロセスや、印刷技術を用いた溶液法などが考えられるものの、酸化物半導体の製造法としてはスパッタ法を用いるものが主流となってきている。 Under such circumstances, metal oxide semiconductors have attracted attention as semiconductors that can be manufactured relatively easily with high characteristics. As a method for manufacturing such a semiconductor, a vacuum process such as a sputtering method or an ALD method or a solution method using a printing technique can be considered, but a method using a sputtering method has become the mainstream as a method for manufacturing an oxide semiconductor. Yes.
スパッタ法などの真空プロセスは、当然ながら“真空装置”を必要とするが、その真空装置自体が比較的高価なものである。また、TFTのチャネル層となる金属酸化物半導体層の形成(特に「印刷技術を用いた溶液法により形成を行うプロセス」)では、高温かつ酸化性雰囲気が一般的に必要とされるので、基板、電極およびゲート絶縁材料などに耐熱性と耐酸化性とが要求される。つまり、基板、絶縁膜および電極材料といった他のTFT要素が材料選択の点で制限されてしまう。 A vacuum process such as sputtering requires a “vacuum device” as a matter of course, but the vacuum device itself is relatively expensive. In addition, the formation of a metal oxide semiconductor layer that becomes a channel layer of a TFT (particularly “a process for forming by a solution method using a printing technique”) generally requires a high temperature and an oxidizing atmosphere. In addition, heat resistance and oxidation resistance are required for electrodes and gate insulating materials. That is, other TFT elements such as a substrate, an insulating film, and an electrode material are limited in terms of material selection.
一方で、チャネル層として金属酸化物層を形成したとしても、その金属酸化物層の酸化が不十分であると、閾値電圧がシフトしやすい。かかる場合、ゲート電圧が0Vでもソース電極とドレイン電極との間に電流が流れる、いわゆる“ノーマリーオン”となってしまう(図25参照)。ゲート電圧を印加しない状態でもチャネルが形成されてドレイン電流が流れるトランジスタは、回路に用いる薄膜トランジスタとして適していない。 On the other hand, even if a metal oxide layer is formed as the channel layer, the threshold voltage tends to shift if the oxidation of the metal oxide layer is insufficient. In such a case, even if the gate voltage is 0 V, current flows between the source electrode and the drain electrode, so-called “normally on” (see FIG. 25). A transistor in which a channel is formed and a drain current flows even when a gate voltage is not applied is not suitable as a thin film transistor used in a circuit.
本発明は、上記事情に鑑みたものである。つまり、本願発明の主たる課題は、薄膜トランジスタなどの電界効果トランジスタにおけるチャネル層を好適なプロセスで形成できる製造方法を提供することであり、また、それに伴って安定で高性能な電界効果トランジスタ(特に“ノーマリーオン”が防止された電界効果トランジスタ)を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances. That is, the main problem of the present invention is to provide a manufacturing method capable of forming a channel layer in a field effect transistor such as a thin film transistor by a suitable process, and accordingly, a stable and high performance field effect transistor (particularly “ It is an object of the present invention to provide a field effect transistor in which normally on is prevented.
上記課題を解決するため、本発明では、
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、チャネル層およびゲート絶縁層を少なくとも有する電界効果トランジスタの製造方法であって、
金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物からチャネル層を形成し、かかるチャネル層の形成に際して、酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下で金属塩含有組成物を加熱処理することを特徴とする、電界効果トランジスタの製造方法が提供される。
In order to solve the above problems, in the present invention,
A method of manufacturing a field effect transistor having at least a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, a channel layer, and a gate insulating layer,
A channel layer is formed from a metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent, and water, and the metal salt-containing composition is formed under an atmospheric gas comprising an oxygen gas and an inert gas when forming the channel layer. There is provided a method of manufacturing a field effect transistor, characterized by heat-treating.
本発明の特徴の1つは、電界効果トランジスタのチャネル層形成において、「金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物」を用いると共に、かかる金属塩含有組成物を“酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下”にて加熱処理することである。 One of the features of the present invention is that a “metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent and water” is used in forming a channel layer of a field effect transistor, and such a metal salt-containing composition is used as “oxygen gas”. And heat treatment under an atmospheric gas containing an inert gas.
本明細書において「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス」とは、その名の通り、酸素ガスと不活性ガスとを含んだガスのことを意味している。しかしながら、不可避的又は偶発的に含まれ得る極微量な不純物の混入を排除するものでなく、それゆえに、本発明において“雰囲気ガス”とは、不可避的又は偶発的に含まれた極微量な不純物ガスも場合によっては含み得る。 In this specification, “atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas” means a gas containing oxygen gas and inert gas as the name implies. However, it does not exclude the inclusion of trace amounts of impurities that may be inevitably or accidentally included. Therefore, in the present invention, the “atmosphere gas” means the trace amounts of impurities that are inevitably or accidentally included. Gas may also be included in some cases.
また、本明細書において「電界効果トランジスタ」とは、電流通路(チャネル)のコンダクタンスをゲート電極からの電界によって制御するトランジスタのことを意味している。かかる電界効果トランジスタの1つを例示すれば、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を挙げることができる。 In this specification, the “field effect transistor” means a transistor that controls the conductance of a current path (channel) by an electric field from a gate electrode. An example of such a field effect transistor is a thin film transistor (TFT).
ある好適な態様では、雰囲気ガスの酸素ガス濃度を約1ppm〜約10000ppmとする。つまり、不活性ガス中に酸素ガスが微量含まれた“実質的に不活性ガスの雰囲気下”において金属塩含有組成物の加熱処理を行う。 In a preferred embodiment, the oxygen gas concentration of the atmospheric gas is about 1 ppm to about 10,000 ppm. That is, the heat treatment of the metal salt-containing composition is performed in “substantially an inert gas atmosphere” in which a trace amount of oxygen gas is contained in the inert gas.
別のある好適な態様では、雰囲気ガスを流通させた状態で金属塩含有組成物の加熱処理を行う。つまり、金属塩含有組成物に対して「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成るガス」を流しながら、金属塩含有組成物の加熱処理を行う。かかる態様では、管状炉を用いて加熱処理を行うことが好ましい。この場合、金属塩含有組成物の加熱処理に際して「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成るガス」を管状炉内に流通させることが好ましい。 In another preferred embodiment, the metal salt-containing composition is heat-treated in a state where the atmospheric gas is circulated. That is, the metal salt-containing composition is heat-treated while flowing “a gas containing oxygen gas and inert gas” through the metal salt-containing composition. In such an embodiment, it is preferable to perform heat treatment using a tubular furnace. In this case, it is preferable to distribute “a gas containing oxygen gas and inert gas” in the tubular furnace during the heat treatment of the metal salt-containing composition.
更に別のある好適な態様では、金属塩含有組成物の加熱処理を陽圧条件で行う。例えば、加熱チャンバーなどの加熱炉を用いて金属塩含有組成物の加熱処理を行う場合、加熱炉内を陽圧条件にする。 In still another preferred embodiment, the heat treatment of the metal salt-containing composition is performed under positive pressure conditions. For example, when the heat treatment of the metal salt-containing composition is performed using a heating furnace such as a heating chamber, the inside of the heating furnace is set to a positive pressure condition.
雰囲気ガスに含まれる不活性ガスは、窒素ガスおよび/または希ガスであることが好ましい。より具体的にいえば、不活性ガスは、窒素ガス、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンから成る群から選択される1種以上のガスであることが好ましい。 The inert gas contained in the atmospheric gas is preferably nitrogen gas and / or noble gas. More specifically, the inert gas is preferably one or more gases selected from the group consisting of nitrogen gas, helium, neon and argon.
ある好適な態様では、約200℃〜約600℃の温度で金属塩含有組成物の加熱処理を行う。換言すれば、酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下にて約200℃〜約600℃の加熱温度で金属塩含有組成物を焼成処理に付す。 In a preferred embodiment, the metal salt-containing composition is heat-treated at a temperature of about 200 ° C to about 600 ° C. In other words, the metal salt-containing composition is subjected to a firing treatment at a heating temperature of about 200 ° C. to about 600 ° C. under an atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas.
金属塩含有組成物に含まれる金属塩は、硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物、アルコキシドおよびアセチルアセトン塩から成る群から選択される1種以上の塩形態であってよく、好ましくは、硝酸塩である。 The metal salt contained in the metal salt-containing composition may be one or more salt forms selected from the group consisting of nitrates, sulfates, carboxylates, halides, alkoxides and acetylacetone salts, preferably nitrates. It is.
かかる硝酸塩に起因する金属塩は、Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、W、Fe、Ni、Cu、Ag、Zn、Al、Ga、In、SnおよびSbから成る群から選択される1種以上の金属の塩となっていてよい。好ましくは、金属塩含有組成物に含まれる金属塩は、In、GaおよびZnから選択される1種以上の金属の塩を含んで成る。 Metal salts resulting from such nitrates are Mg, Ca, Sr, Ba, Y, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, W, Fe, Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sn And one or more metal salts selected from the group consisting of Sb. Preferably, the metal salt contained in the metal salt-containing composition comprises one or more metal salts selected from In, Ga, and Zn.
金属塩含有組成物中の「水」(または「水分」)は、組成物全体基準で0.05〜50重量%の含有率となっていることが好ましい。 The “water” (or “water”) in the metal salt-containing composition preferably has a content of 0.05 to 50% by weight based on the entire composition.
本発明の製造方法は、以下の工程(i)〜(iv)を有し得る:
(i)基板上にゲート電極を形成する工程、
(ii)ゲート電極を覆うように基板上にゲート絶縁層を形成する工程、
(iii)ゲート絶縁層の上に「金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物」を供してチャネル前駆体層を形成し、かかるチャネル前駆体層を「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下」で加熱してチャネル層を形成する工程、ならびに
(iv)チャネル層と接するようにソース電極およびドレイン電極を形成する工程。
The production method of the present invention may have the following steps (i) to (iv):
(I) forming a gate electrode on the substrate;
(Ii) forming a gate insulating layer on the substrate so as to cover the gate electrode;
(Iii) A “metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent and water” is provided on the gate insulating layer to form a channel precursor layer, and the channel precursor layer is formed as “inert with oxygen gas”. A step of forming a channel layer by heating under an atmospheric gas containing a gas, and (iv) a step of forming a source electrode and a drain electrode so as to be in contact with the channel layer.
また、別の好適な形態では本発明の製造方法は、以下の工程(i)’〜(vi)’を有し得る:
(i)’金属箔を用意する工程、
(ii)’金属箔上にゲート絶縁層を形成する工程、
(iii)’ゲート絶縁層上に「金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物」を供してチャネル前駆体層を形成し、そのチャネル前駆体層を「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下」で加熱してチャネル層を形成する工程、
(iv)’チャネル層と接するようにソース電極およびドレイン電極を形成する工程、
(v)’チャネル層、ソース電極およびドレイン電極を覆うように封止層を形成する工程、ならびに
(vi)’金属箔をエッチングしてゲート電極を形成する工程。
In another preferred embodiment, the production method of the present invention may have the following steps (i) ′ to (vi) ′:
(I) 'preparing a metal foil,
(Ii) 'forming a gate insulating layer on the metal foil;
(Iii) 'A “metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent and water” is provided on the gate insulating layer to form a channel precursor layer, and the channel precursor layer is made “inert with oxygen gas” A step of forming a channel layer by heating under an atmospheric gas comprising a gas,
(Iv) forming a source electrode and a drain electrode in contact with the channel layer;
(V) 'a step of forming a sealing layer so as to cover the channel layer, the source electrode and the drain electrode; and (vi)' a step of etching the metal foil to form a gate electrode.
本発明では、上記製造方法によって得ることができる電界効果トランジスタも提供される。かかる本発明の電界効果トランジスタは、
チャネル層、
ゲート電極、
チャネル層とゲート電極との間に少なくとも位置するゲート絶縁層、および
チャネル層に接して配置されたソース電極およびドレイン電極
を有して成り、
チャネル層が金属酸化物を含んで成り、その金属酸化物が「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下の加熱」によって「金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物」から形成された酸化物となっており、かつ、チャネル層のキャリア濃度が約1016/cm3〜約1018/cm3となっていることを特徴としている。
The present invention also provides a field effect transistor that can be obtained by the above manufacturing method. Such a field effect transistor of the present invention comprises:
Channel layer,
Gate electrode,
A gate insulating layer positioned at least between the channel layer and the gate electrode, and a source electrode and a drain electrode disposed in contact with the channel layer,
The channel layer comprises a metal oxide, and the metal oxide contains a metal salt comprising a metal salt, an organic solvent and water by “heating under an atmospheric gas comprising an oxygen gas and an inert gas”. It is an oxide formed from the “composition”, and the carrier concentration of the channel layer is about 10 16 / cm 3 to about 10 18 / cm 3 .
本発明の電界効果トランジスタでは、金属酸化物のキャリア濃度が約1016/cm3〜約1018/cm3となっていることから、“ノーマリーオフ”に資するチャネル層が供されている。 In the field effect transistor of the present invention, since the carrier concentration of the metal oxide is about 10 16 / cm 3 to about 10 18 / cm 3 , a channel layer contributing to “normally off” is provided.
本明細書において「チャネル層とゲート電極との間に少なくとも位置するゲート絶縁層」とは、ゲート絶縁膜の少なくも一部がチャネル層とゲート電極との間に存在している態様を実質的に意味している(図1参照) In this specification, the “gate insulating layer located at least between the channel layer and the gate electrode” substantially means an aspect in which at least a part of the gate insulating film exists between the channel layer and the gate electrode. (See Fig. 1)
ある好適な態様では、チャネル層における表面の算術平均粗さRaが約10nm以下、好ましくは約5nm以下、更に好ましくは約1nm以下となっている。即ち、チャネル層における表面(図面における上側表面)の算術平均粗さRaは0(0を除く)〜約10nm、好ましくは0(0を除く)〜約5nm、更に好ましくは0(0を除く)〜約1nmとなっており、チャネル層が実質的に平坦となっている。 In a preferred embodiment, the arithmetic average roughness Ra of the surface in the channel layer is about 10 nm or less, preferably about 5 nm or less, more preferably about 1 nm or less. That is, the arithmetic average roughness Ra of the surface in the channel layer (upper surface in the drawing) is 0 (excluding 0) to about 10 nm, preferably 0 (excluding 0) to about 5 nm, more preferably 0 (excluding 0). ˜about 1 nm, and the channel layer is substantially flat.
別のある好適な態様では、チャネル層の金属酸化物がアモルファス酸化物となっている。また、あくまでも原料組成物の金属塩に依存することになるが、チャネル層の金属酸化物はIn、GaおよびZnから成る群から選択される1種以上の金属の酸化物となっている。 In another preferred embodiment, the channel layer metal oxide is an amorphous oxide. Further, although depending on the metal salt of the raw material composition, the metal oxide of the channel layer is an oxide of one or more metals selected from the group consisting of In, Ga and Zn.
本発明の製造方法に従えば、チャネル層原料として「金属塩、有機溶媒および水を含んで成るペースト状の金属塩含有組成物」を用いるので、かかるペースト原料を塗布・印刷して加熱することを通じてチャネル層の形成を行うことができる。これは、電界効果トランジスタを簡便なプロセスによって作製できることを意味しており、それゆえに、生産性が向上して低コスト化につながる。 According to the production method of the present invention, since “a paste-like metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent and water” is used as the channel layer material, the paste material is applied, printed and heated. Through this, a channel layer can be formed. This means that the field effect transistor can be manufactured by a simple process. Therefore, the productivity is improved and the cost is reduced.
特に本発明においては、「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス」を用いて金属塩含有組成物を加熱しており、これによって、緻密かつ安定なチャネル層を得ることができる。また、従来の溶液法での材料に求められていた耐酸化性は必要なくなり、たとえば銅といった“酸化に弱い材料”を薄膜トランジスタの製造に積極的に用いることができる。 In particular, in the present invention, the metal salt-containing composition is heated using “atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas”, whereby a dense and stable channel layer can be obtained. Further, the oxidation resistance required for the material by the conventional solution method is not necessary, and “a material susceptible to oxidation” such as copper can be positively used for manufacturing the thin film transistor.
更に本発明においては、“ノーマリーオフ”となる金属酸化物膜のチャネル層を結果的に得ることができる。一般的には「不活性雰囲気下の加熱は金属酸化物の酸化状態が不十分となって閾値電圧がシフトしやすくなる」と考えられるところ、本発明では、“実質的に不活性ガスとみなせる雰囲気”の条件であっても“ノーマリーオフ”となるチャネル層を得ることができる。つまり、本発明では、「金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物」を“みなし不活性ガス”の雰囲気中で加熱処理するといったプロセスを通じて安定で高特性な薄膜トランジスタを得ることができる。 Furthermore, in the present invention, a channel layer of a metal oxide film that is “normally off” can be obtained as a result. In general, it is considered that “the heating in an inert atmosphere makes the oxidation state of the metal oxide insufficient and the threshold voltage easily shifts”. In the present invention, “this can be regarded as a substantially inert gas”. Even under “atmosphere” conditions, a channel layer that is “normally off” can be obtained. In other words, in the present invention, a stable and high-performance thin film transistor is obtained through a process of heat-treating a “metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent and water” in an atmosphere of “deemed inert gas”. Can do.
次に、図面を参照しながら、本発明の電界効果トランジスタの製造方法について説明する。また、かかる製造方法の説明に付随させる形で電界効果トランジスタについても説明を行う。 Next, the manufacturing method of the field effect transistor of the present invention will be described with reference to the drawings. The field effect transistor will also be described in the form accompanying the description of the manufacturing method.
《金属塩含有組成物》
本発明の製造方法は、ゲート電極20、ソース電極40、ドレイン電極50、チャネル層10およびゲート絶縁層30を有して成る電界効果トランジスタ100(図1参照)の製造方法である。かかる本発明の製造方法では、金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物を酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下で加熱処理し、それによって、金属塩含有組成物から電界効果トランジスタのチャネル層を形成している。
<Metal salt-containing composition>
The manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing a field effect transistor 100 (see FIG. 1) including a gate electrode 20, a source electrode 40, a drain electrode 50, a channel layer 10, and a gate insulating layer 30. In the production method of the present invention, a metal salt-containing composition containing a metal salt, an organic solvent and water is heat-treated under an atmospheric gas containing an oxygen gas and an inert gas, thereby containing the metal salt-containing composition. A channel layer of a field effect transistor is formed from the composition.
雰囲気ガス中の酸素ガス濃度は、好ましくは約1ppm〜約10000ppm、より好ましくは約2ppm〜約1000ppm、さらに好ましく約3ppm〜約150ppmである(例えば、3〜100ppm、4〜20ppmあるいは6〜15ppmであり得る)。このように雰囲気ガスの酸素濃度が低いので、本発明で用いる雰囲気ガスは“実質的に不活性ガスのガス雰囲気”とみなすことができる。尚、本発明でいう「酸素濃度」/「酸素ガス濃度」とは、例えば、ジルコニア式酸素濃度計「SA25NW/LD−300(東レエンジニアリング株式会社製)」を用いて測定することによって得られる値のことを意味している。 The oxygen gas concentration in the atmospheric gas is preferably from about 1 ppm to about 10,000 ppm, more preferably from about 2 ppm to about 1000 ppm, even more preferably from about 3 ppm to about 150 ppm (for example, from 3 to 100 ppm, 4 to 20 ppm, or 6 to 15 ppm). possible). As described above, since the oxygen concentration of the atmospheric gas is low, the atmospheric gas used in the present invention can be regarded as a “substantially inert gas atmosphere”. The “oxygen concentration” / “oxygen gas concentration” as used in the present invention is a value obtained by measurement using, for example, a zirconia oxygen analyzer “SA25NW / LD-300 (manufactured by Toray Engineering Co., Ltd.)”. It means that.
雰囲気ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。不活性ガスと酸素ガスとは予め混合された状態で加熱処理装置に導入してもよいし、あるいは、それらを別々に加熱処理装置に導入してもよい。用いられる不活性ガスとしては、窒素またはヘリウム、ネオンもしくはアルゴン等の希ガスが好ましく、かかる場合、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、5N(99.999%)以上、好ましくは6N(99.9999%)以上とすることが好ましい。 The atmospheric gas preferably does not contain water, hydrogen, or the like. The inert gas and the oxygen gas may be introduced into the heat treatment apparatus in a premixed state, or they may be introduced separately into the heat treatment apparatus. The inert gas used is preferably nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. In such a case, the purity of nitrogen introduced into the heat treatment apparatus or the rare gas such as helium, neon, or argon is 5N (99 .999%) or more, preferably 6N (99.9999%) or more.
ここで、本願発明者らは、金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物を上記雰囲気ガス中で加熱することによりチャネル層を形成した場合、雰囲気ガス中の酸素濃度が小さくなれども、形成されるチャネル層のキャリア濃度の増大は見られず、TFT作動時のゲート電圧印加に起因するチャネルの抵抗値だけが小さくなることを見出した。尚、雰囲気ガス中の酸素濃度が小さすぎるとチャネル層(金属酸化物膜)が高抵抗体となり得るので、雰囲気ガス中の酸素ガス濃度の下限値は上記で示した値であることが好ましい。 Here, when the channel layer is formed by heating a metal salt-containing composition containing a metal salt, an organic solvent, and water in the above atmospheric gas, the inventors of the present application have a low oxygen concentration in the atmospheric gas. However, it has been found that the carrier concentration of the channel layer to be formed is not increased, and only the channel resistance value resulting from the application of the gate voltage during TFT operation is reduced. If the oxygen concentration in the atmospheric gas is too small, the channel layer (metal oxide film) can be a high resistance body. Therefore, the lower limit value of the oxygen gas concentration in the atmospheric gas is preferably the value shown above.
金属塩含有組成物に含まれる金属塩の種類は、硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物、アルコキシドおよびアセチルアセトン塩から成る群から選択される1種以上の塩形態であってよい。不純物残渣成分、プロセス簡易性といった点でいえば、硝酸塩が好ましい。 The type of metal salt contained in the metal salt-containing composition may be one or more salt forms selected from the group consisting of nitrates, sulfates, carboxylates, halides, alkoxides, and acetylacetone salts. Nitrate is preferable in terms of impurity residue components and process simplicity.
チャネル層の形成に用いる金属塩含有組成物に含まれる金属塩は、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Y(イットリウム)、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Cr(クロム)、W(タングステン)、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Ag(銀)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sn(スズ)およびSb(アンチモン)から成る群から選択される1種以上の金属の塩となっていることが好ましい。これらの金属塩の酸化物は、単体あるいは複合酸化物となることで半導体になり得るからである。 Metal salts contained in the metal salt-containing composition used for forming the channel layer are Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), Y (yttrium), Ti (titanium), Zr ( Zirconium), Hf (hafnium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Cr (chromium), W (tungsten), Fe (iron), Ni (nickel), Cu (copper), Ag (silver), Zn ( It is preferably a salt of one or more metals selected from the group consisting of zinc), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sn (tin) and Sb (antimony). This is because these metal salt oxides can be converted into semiconductors by becoming single or complex oxides.
特にチャネル層形成についていえば、金属塩含有組成物に含まれる金属塩がIn、GaおよびZn(亜鉛)を少なくとも含んで成る塩であることが好ましい。これらの金属塩の酸化物は移動度や安定性の点で電界効果トランジスタ(例えば薄膜トランジスタ)にとって好適となり得るからである。 With regard to channel layer formation in particular, the metal salt contained in the metal salt-containing composition is preferably a salt comprising at least In, Ga, and Zn (zinc). This is because oxides of these metal salts can be suitable for field effect transistors (for example, thin film transistors) in terms of mobility and stability.
金属塩含有組成物中の金属塩の含有量(濃度)は、金属塩自体が溶媒中に溶解するものであれば特に制限はなく、形成される金属酸化物膜の厚さなどに応じて適宜調整することができる。例えば、金属塩含有組成物中の金属塩の含有量(濃度)は約0.005mol/L〜約1mol/Lの範囲であってよい(室温下の組成物全体基準)。 The content (concentration) of the metal salt in the metal salt-containing composition is not particularly limited as long as the metal salt itself dissolves in the solvent, and is appropriately determined according to the thickness of the metal oxide film to be formed. Can be adjusted. For example, the content (concentration) of the metal salt in the metal salt-containing composition may range from about 0.005 mol / L to about 1 mol / L (based on the total composition at room temperature).
特に、Znを含む塩、Inを含む塩およびGaを含む塩を含んで成る組成物をチャネル層形成に用いる場合、それぞれ等モルずつ用いてよく、例えば各0.01〜0.5mol/L程度、好ましくは各0.05〜0.15mol/L程度(一例を挙げれば約0.1mol/L)の濃度であってよい(室温下の組成物全体基準)。 In particular, when a composition containing a salt containing Zn, a salt containing In and a salt containing Ga is used for forming the channel layer, each may be used in an equimolar amount, for example, about 0.01 to 0.5 mol / L. The concentration may preferably be about 0.05 to 0.15 mol / L (about 0.1 mol / L, for example) (based on the entire composition at room temperature).
金属塩含有組成物に含まれる有機溶媒は、金属塩を安定に溶解できるものであれば特に制限はない。例えば、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、3−メトキシメチルブタノール(例えば3−メトキシ−3−メチル−1−ブタノール)、N−メチルピロリドンおよびテルピネオールなどから成る群から選択される1種以上の有機溶剤であってよい。このような有機溶媒の含有量は、特に制限されるわけではないが、例えば50〜90重量%程度、好ましくは60〜85重量%程度であってよい(組成物全体基準)。 The organic solvent contained in the metal salt-containing composition is not particularly limited as long as it can stably dissolve the metal salt. For example, as an organic solvent, methanol, ethanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 3-methoxymethylbutanol (for example, 3-methoxy-3-methyl-1-butanol) One or more organic solvents selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, terpineol, and the like. The content of such an organic solvent is not particularly limited, but may be, for example, about 50 to 90% by weight, preferably about 60 to 85% by weight (based on the whole composition).
金属塩含有組成物には水(又は水分)が含まれている。このような水含有量は、組成物全体を基準にして、好ましくは約0.05重量%〜約50重量%、より好ましくは約1重量%〜約50重量%、更に好ましくは約5重量%〜約30重量%である(例えば、約5重量%〜約20重量%であってよい)。金属塩含有組成物に含まれている水の形態は、特に制限はなく、いずれの形態であってもかまわない。例えば、典型的には単体形態の水が金属塩含有組成物中に含まれていてよいものの、有機溶媒自体が水を含むものであってもよく、あるいは、金属塩の水和物としての水が含まれていてもよい。いずれの形態を含むにせよ、組成物全体を基準にした水分含有量の総計が上記数値範囲にあることが望ましい。 The metal salt-containing composition contains water (or moisture). Such water content is preferably from about 0.05% to about 50%, more preferably from about 1% to about 50%, more preferably about 5% by weight, based on the total composition. To about 30% by weight (eg, it may be about 5% to about 20% by weight). There is no restriction | limiting in particular in the form of the water contained in a metal salt containing composition, Any form may be sufficient. For example, although water in a simple substance form may be typically contained in a metal salt-containing composition, the organic solvent itself may contain water, or water as a hydrate of a metal salt. May be included. Regardless of which form is included, it is desirable that the total water content based on the entire composition be in the above numerical range.
本発明においては、酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下で金属塩含有組成物の加熱処理を行う。雰囲気ガス下の加熱温度は、好ましくは約200℃〜約600℃、より好ましくは約300℃〜約500℃である。このような加熱処理を通じて、金属塩含有組成物が焼成に付されることになり、その結果、金属塩含有組成物からチャネル層が得られる。尚、本発明において「加熱温度」とは、加熱の対象となる“金属塩含有組成物”自体の温度を指しているものの、代替的又は簡易的には“雰囲気ガス”自体の温度と捉えてもよく、あるいは、加熱手段の設定温度と捉えてもよい。 In the present invention, the metal salt-containing composition is heat-treated in an atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas. The heating temperature under atmospheric gas is preferably about 200 ° C. to about 600 ° C., more preferably about 300 ° C. to about 500 ° C. Through such heat treatment, the metal salt-containing composition is subjected to firing, and as a result, a channel layer is obtained from the metal salt-containing composition. In the present invention, the “heating temperature” refers to the temperature of the “metal salt-containing composition” itself to be heated, but alternatively or simply can be regarded as the temperature of the “atmosphere gas” itself. Alternatively, it may be regarded as a set temperature of the heating means.
雰囲気ガス下の加熱処理は、図2に示すように、雰囲気ガスを流通させた状態で行うことが好ましい。即ち、「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成るガス」を一方から他方へと流す環境下において金属塩含有組成物の加熱処理を行うことが好ましい。あくまでも一例にすぎないが、ガス流れの流量は、好ましくは約0.5SLM〜約100SLMであり、より好ましくは約1SLM〜約50SLM、更に好ましくは約5SLM〜約20SLMの範囲である(SLM:気体の標準状態において1分間に供給したガスの量をリットルで示す単位)。 The heat treatment under the atmospheric gas is preferably performed in a state in which the atmospheric gas is circulated as shown in FIG. That is, it is preferable to perform the heat treatment of the metal salt-containing composition in an environment in which “a gas containing oxygen gas and inert gas” flows from one to the other. The flow rate of the gas flow is preferably about 0.5 SLM to about 100 SLM, more preferably about 1 SLM to about 50 SLM, and even more preferably about 5 SLM to about 20 SLM (SLM: Gas). The amount of gas supplied in one minute in the standard state of 1 in liters).
雰囲気ガスの流通下における加熱では、図2に示すように、管状炉200を用いることが好ましい。つまり、管状炉200に対して「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成るガス」を流しながら、その管状炉200の内部に設けられた金属塩含有組成物を加熱することが好ましい。ここでいう「管状炉」とは、炉が筒形態となっており、一方の炉端部からガスを流し込むことができ、他方の炉端部から供給ガスを排出することができる加熱炉のことを実質的に意味している。このような管状炉を用いると、管周りからの全体的に加熱することができ、均一加熱に資すると共に、連続的なガス供給に起因して金属塩含有組成物の周囲におけるガス成分比(酸素ガス濃度)の変動を少なくすることができる。即ち、管状炉では、“所望の温度”と“所望の濃度”との双方を出しやすい。 In the heating under the circulation of the atmospheric gas, it is preferable to use a tubular furnace 200 as shown in FIG. That is, it is preferable to heat the metal salt-containing composition provided inside the tubular furnace 200 while flowing “a gas containing oxygen gas and inert gas” through the tubular furnace 200. The term “tubular furnace” as used herein refers to a heating furnace in which the furnace has a cylindrical shape, gas can be flowed from one furnace end, and supply gas can be discharged from the other furnace end. Meaning. When such a tubular furnace is used, it is possible to heat the entire area around the pipe, contribute to uniform heating, and a gas component ratio (oxygen) around the metal salt-containing composition due to continuous gas supply. Variation in gas concentration can be reduced. That is, in a tubular furnace, both “desired temperature” and “desired concentration” are easily produced.
また、雰囲気ガス下の加熱処理は、図3に示すように、加熱チャンバー300などの加熱炉を用いてもよい。かかる場合、加熱炉内が陽圧状態となる条件で金属塩含有組成物を加熱することが好ましい。ここでいう「陽圧」とは、加熱炉の内部空間と、その外部の周辺雰囲気との差圧を実質的に意味している。従って、「陽圧」は、例えば、加熱チャンバー300の内部空間の圧力と大気圧との差で表わすことができる。あくまでも一例にすぎないが、例えば、加熱炉の内部が0(0を除く)〜約10kPaの陽圧状態、好ましくは0(0を除く)〜約1kPaの陽圧状態、更に好ましくは0(0を除く)〜約500Paの陽圧状態となるような雰囲気ガス条件にすることが好ましい。このような“陽圧状態”では、外部からの不純物の混入が防げるので、炉内ガスの成分比(酸素ガス濃度)の変動を防止することができる。尚、“陽圧状態”を保つには、一般に、外部からガスを供給し続けることが好ましく、また、炉内の圧力が必要以上に高くなるのを避けるため必要に応じて加熱炉内のガスを排出することも好ましい。この観点でいうと、上記の『管状炉200を用いる態様』は『加熱炉300の内部を陽圧状態する態様』に相当し得るといえる。 Further, as shown in FIG. 3, a heating furnace such as a heating chamber 300 may be used for the heat treatment under atmospheric gas. In such a case, it is preferable to heat the metal salt-containing composition under conditions that allow the inside of the heating furnace to be in a positive pressure state. "Positive pressure" here means substantially the differential pressure between the internal space of the heating furnace and the surrounding ambient atmosphere. Therefore, the “positive pressure” can be represented by, for example, the difference between the pressure in the internal space of the heating chamber 300 and the atmospheric pressure. For example, the inside of the heating furnace is, for example, a positive pressure state of 0 (excluding 0) to about 10 kPa, preferably 0 (excluding 0) to a positive pressure state of about 1 kPa, and more preferably 0 (0 The atmospheric gas conditions are preferably such that a positive pressure state of about 500 Pa is excluded. In such a “positive pressure state”, impurities from the outside can be prevented from being mixed, so that fluctuations in the component ratio (oxygen gas concentration) of the furnace gas can be prevented. In order to maintain the “positive pressure state”, it is generally preferable to continue supplying gas from the outside, and in order to avoid the pressure in the furnace from becoming higher than necessary, the gas in the heating furnace is required. Is preferably discharged. From this point of view, it can be said that the “mode using the tubular furnace 200” can correspond to the “mode in which the inside of the heating furnace 300 is in a positive pressure state”.
本発明に従えば、実質的に不活性ガス雰囲気とみなせる条件下であってもノーマリーオフとなるチャネル層を得ることができる。より具体的な態様でいえば、「ゲート電圧−ドレイン電流の相関グラフにおいて立上電圧が負側へとシフトした特性を呈する“ノーマリーオン”(図25)」が防止されたチャネル層を得ることができる(後述する図18も併せて参照のこと)。また、本発明に従って“酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下の加熱”によって得られた金属酸化物は、その後の加熱処理に対する安定性が良いものとなる。つまり、その後の加熱処理の如何によらず、チャネル層としての良好な特性が維持され得る。 According to the present invention, a normally off channel layer can be obtained even under conditions that can be regarded as an inert gas atmosphere. More specifically, it is possible to obtain a channel layer in which “normally on” (FIG. 25) exhibiting the characteristic that the rising voltage is shifted to the negative side in the gate voltage-drain current correlation graph is prevented. (See also FIG. 18 to be described later). In addition, the metal oxide obtained by “heating under an atmosphere gas containing oxygen gas and inert gas” according to the present invention has good stability to the subsequent heat treatment. That is, good characteristics as the channel layer can be maintained regardless of the subsequent heat treatment.
《製造プロセス》
第1実施形態
次に、図4(a)〜(e)を参照しながら、図1に示す薄膜トランジスタ(TFT)100の製造工程について例示する。
<Manufacturing process>
First Embodiment Next, a manufacturing process of the thin film transistor (TFT) 100 shown in FIG. 1 is illustrated with reference to FIGS.
薄膜トランジスタ100の製造に際しては、まず、工程(i)を実施する。つまり、図4(a)に示すように、基板60上にゲート電極20を形成する。 In manufacturing the thin film transistor 100, first, the step (i) is performed. That is, the gate electrode 20 is formed on the substrate 60 as shown in FIG.
基板60の材質としては、ガラス、アルミナ、ガラス−アルミナ複合材、シリコン、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ステンレス鋼または銅などを挙げることができる。本実施形態は基板60としてガラス基板を用いる。基板60の厚さは、好ましくは約50μm〜約1800μmの範囲、より好ましくは約200μm〜約800μmの範囲(例えば約700μm)である。 Examples of the material of the substrate 60 include glass, alumina, glass-alumina composite material, silicon, epoxy resin, polyimide resin, stainless steel, and copper. In this embodiment, a glass substrate is used as the substrate 60. The thickness of the substrate 60 is preferably in the range of about 50 μm to about 1800 μm, more preferably in the range of about 200 μm to about 800 μm (eg, about 700 μm).
ゲート電極20は基板上の所定の位置に形成される。ゲート電極20の材質としては、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、白金(Pt)、モリブデン(Mo)、鉄(Fe)および/または亜鉛(Zn)等の金属材料、あるいは、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素含有酸化スズ(FTO)、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化イリジウム(IrO2)、酸化白金(PtO2)などの導電性酸化物などを挙げることができる。ゲート電極の形成方法は、特に制限されるものではなく、常套の電極形成法を採用してよい。例えば、ゲート電極を印刷法・印刷プロセスによって形成してよいし、あるいは、真空蒸着法やスパッタ法などによって形成してもよい。本実施形態としては、マスクを用いたスパッタ法でITOを成膜することによってゲート電極を形成する。ゲート電極20の厚さは、好ましくは約10nm〜約100nmの範囲、より好ましくは約15nm〜約50nmの範囲(例えば約30nm)である。 The gate electrode 20 is formed at a predetermined position on the substrate. The material of the gate electrode 20 is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), chromium (Cr), cobalt (Co), magnesium (Mg), calcium (Ca), platinum ( Metal materials such as Pt), molybdenum (Mo), iron (Fe) and / or zinc (Zn), or tin oxide (SnO 2 ), indium tin oxide (ITO), fluorine-containing tin oxide (FTO), ruthenium oxide Examples thereof include conductive oxides such as (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), and platinum oxide (PtO 2 ). The formation method of the gate electrode is not particularly limited, and a conventional electrode formation method may be employed. For example, the gate electrode may be formed by a printing method / printing process, or may be formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like. In this embodiment, the gate electrode is formed by depositing ITO by a sputtering method using a mask. The thickness of the gate electrode 20 is preferably in the range of about 10 nm to about 100 nm, more preferably in the range of about 15 nm to about 50 nm (eg, about 30 nm).
工程(i)に引き続いて工程(ii)を実施する。つまり、図4(b)に示すように、ゲート電極20を覆うように基板60上にゲート絶縁層30を形成する。 Subsequent to step (i), step (ii) is performed. That is, as shown in FIG. 4B, the gate insulating layer 30 is formed on the substrate 60 so as to cover the gate electrode 20.
ゲート絶縁層30は樹脂系または無機絶縁物系の絶縁膜であり得る。樹脂系の絶縁膜としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド(PI)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂(PPO)、ポリビニルピロリドン(PVP)樹脂などから成る膜を挙げることができる。一方、無機絶縁物系の絶縁膜としては、例えば、タンタル酸化物(Ta2O5等)、アルミニウム酸化物(Al2O3等)、シリコン酸化物(SiO2等)、ゼオライト酸化物(ZrO2等)、チタン酸化物(TiO2等)、イットリウム酸化物(Y2O3等)、ランタン酸化物(La2O3等)、ハフニウム酸化物(HfO2等)などの金属酸化物や、それらの金属の窒化物などから成る膜を挙げることができる。チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸カルシウム(CaTiO3)などの誘電体から成る膜を挙げることができる。 The gate insulating layer 30 may be a resin-based or inorganic insulating-based insulating film. Examples of the resin-based insulating film include films made of epoxy resin, polyimide (PI) resin, polyphenylene ether (PPE) resin, polyphenylene oxide resin (PPO), polyvinyl pyrrolidone (PVP) resin, and the like. On the other hand, examples of the inorganic insulating insulating film include, for example, tantalum oxide (Ta 2 O 5 etc.), aluminum oxide (Al 2 O 3 etc.), silicon oxide (SiO 2 etc.), zeolite oxide (ZrO). 2 ), titanium oxide (TiO 2 etc.), yttrium oxide (Y 2 O 3 etc.), lanthanum oxide (La 2 O 3 etc.), hafnium oxide (HfO 2 etc.), Examples thereof include films made of such metal nitrides. A film made of a dielectric material such as barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ) can be given.
ゲート絶縁層30の形成も印刷法・印刷プロセスによって行ってもよいし、あるいは、真空蒸着法やスパッタ法などを使用してもよい。樹脂系絶縁膜の形成の場合は特に、樹脂材料を媒体に混合させたコーティング剤(感光剤を含むレジストであってもよい)を被形成位置に対して塗布した後で乾燥に付し、熱処理を施して硬化させることによって、ゲート絶縁層30を形成することができる。一方、無機絶縁物系の場合では、マスクを用いた薄膜形成法(スパッタ法など)などによってゲート絶縁層30を形成することができる。本実施形態としては、タンタル酸化物膜(Ta2O5)をスパッタ法で形成してゲート絶縁層30とする。ゲート絶縁層30の厚さは、好ましくは約0.1μm〜約2μmの範囲、より好ましくは約0.2μm〜約1μmの範囲(例えば約0.3μm)である。 The gate insulating layer 30 may be formed by a printing method or a printing process, or a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like may be used. Especially in the case of forming a resin-based insulating film, a coating agent (which may be a resist containing a photosensitive agent) in which a resin material is mixed with a medium is applied to a formation position, followed by drying, and heat treatment. The gate insulating layer 30 can be formed by applying and curing. On the other hand, in the case of an inorganic insulator system, the gate insulating layer 30 can be formed by a thin film forming method using a mask (such as sputtering). In this embodiment, a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) is formed by sputtering to form the gate insulating layer 30. The thickness of the gate insulating layer 30 is preferably in the range of about 0.1 μm to about 2 μm, more preferably in the range of about 0.2 μm to about 1 μm (eg, about 0.3 μm).
工程(ii)に引き続いて工程(iii)を実施する。つまり、図4(c)に示すようにゲート絶縁層30の上に金属塩含有組成物を塗布してチャネル前駆体層11を形成した後、図4(d)に示すようにチャネル前駆体層11を加熱処理してチャネル層10を得る。 Subsequent to step (ii), step (iii) is performed. That is, after forming a channel precursor layer 11 by applying a metal salt-containing composition on the gate insulating layer 30 as shown in FIG. 4C, the channel precursor layer is shown in FIG. 11 is heat-treated to obtain the channel layer 10.
金属塩含有組成物は、ペースト形態を有しているので、その塗布方法は、例えば、スプレーコート、スピンコート、スクリーン印刷、グラビアコート、バーコート、ロールコート、ダイコートまたはインクジェットなどの手法を用いることができる。これら塗布方法は、金属塩含有組成物の粘度に応じて適宜選択すればよく、それによって、均一な前駆体層厚さ(即ち均一な膜厚)を形成することができる。チャネル前駆体層11の厚さは、好ましくは約30μm〜約300μmの範囲、より好ましくは約50μm〜約150μmの範囲(例えば約70μm)である。 Since the metal salt-containing composition has a paste form, the application method thereof is, for example, a technique such as spray coating, spin coating, screen printing, gravure coating, bar coating, roll coating, die coating, or inkjet. Can do. What is necessary is just to select these coating methods suitably according to the viscosity of a metal salt containing composition, and, thereby, uniform precursor layer thickness (namely, uniform film thickness) can be formed. The thickness of the channel precursor layer 11 is preferably in the range of about 30 μm to about 300 μm, more preferably in the range of about 50 μm to about 150 μm (eg, about 70 μm).
チャネル前駆体層11の加熱処理を通じて前駆体層が焼成に付され、それによって、前駆体層11からチャネル層10が形成される。かかる加熱処理は、一次加熱工程と二次加熱工程との2段階で行うことが好ましい。一次加熱工程は、チャネル前駆体層(即ち、塗布された金属塩含有組成物)の乾燥処理を主に意図している一方、二次加熱工程は、前駆体層の実質的な焼成処理を主に意図している。本発明においては、少なくとも、チャネル前駆体層の二次加熱工程を“酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下”で実施することが好ましい。 The precursor layer is subjected to baking through heat treatment of the channel precursor layer 11, whereby the channel layer 10 is formed from the precursor layer 11. Such heat treatment is preferably performed in two stages, a primary heating process and a secondary heating process. The primary heating step is mainly intended for the drying treatment of the channel precursor layer (ie, the applied metal salt-containing composition), while the secondary heating step is mainly for the substantial firing treatment of the precursor layer. Is intended. In the present invention, it is preferable to carry out at least the secondary heating step of the channel precursor layer under “atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas”.
具体的には、一次加熱工程としてチャネル前駆体11の乾燥処理を約100℃〜約200℃の温度で1〜15分程度行った後、二次加熱工程として焼成処理を約200℃〜約600℃(より好ましくは約300℃〜約500℃)の温度で約10〜約120分程度行うことが好ましい。一次加熱工程を経ずに約400℃以上の加熱処理を行うと、得られる金属酸化物膜が不均一になり易く、斑状痕などが発生し易くなるからである。このような“不均一”が生じると、薄膜トランジスタの特性が安定し得ず、実用価値が損なわれてしまう。 Specifically, after the channel precursor 11 is dried at a temperature of about 100 ° C. to about 200 ° C. for about 1 to 15 minutes as a primary heating step, a baking treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. to about 600 ° C. as a secondary heating step. It is preferable to carry out at a temperature of about 10 ° C. (more preferably about 300 ° C. to about 500 ° C.) for about 10 to about 120 minutes. This is because when the heat treatment at about 400 ° C. or higher is performed without passing through the primary heating step, the resulting metal oxide film is likely to be non-uniform, and spots and the like are likely to occur. When such “non-uniformity” occurs, the characteristics of the thin film transistor cannot be stabilized, and the practical value is impaired.
一次加熱工程の温度は、金属塩含有組成物に含まれる有機溶媒の種類に応じて適宜選択すればよいが、金属塩含有組成物には水分が含まれるので、その観点から約100℃以上であることが好ましい。一方、一次加熱工程の温度が必要以上に高くなると一次加熱工程後に形成される中間酸化物膜が均一になりにくいので、その観点から一次加熱工程の上限温度は200℃であることが好ましい。 The temperature of the primary heating step may be appropriately selected according to the type of the organic solvent contained in the metal salt-containing composition. However, since the metal salt-containing composition contains moisture, the temperature is about 100 ° C. or higher from that viewpoint. Preferably there is. On the other hand, if the temperature of the primary heating step becomes higher than necessary, the intermediate oxide film formed after the primary heating step is difficult to be uniform. Therefore, the upper limit temperature of the primary heating step is preferably 200 ° C. from this viewpoint.
一次加熱工程の雰囲気ガスは特に制限されず、また、一次加熱工程の圧力条件も特に制限されない。それゆえに、一次加熱は例えば大気圧条件下で行ってよい。 The atmospheric gas in the primary heating process is not particularly limited, and the pressure condition in the primary heating process is not particularly limited. Therefore, the primary heating may be performed under atmospheric pressure conditions, for example.
一次加熱工程の加熱手段としては、例えば加熱炉を用いてよく、かかる加熱炉内に「ゲート電極20、ゲート絶縁層30およびチャネル前駆体層11を備えた基板60」を供すことによって、チャネル前駆体層を全体的に加熱処理することができる。 As a heating means in the primary heating step, for example, a heating furnace may be used. By providing the “substrate 60 including the gate electrode 20, the gate insulating layer 30, and the channel precursor layer 11” in the heating furnace, a channel precursor is provided. The body layer can be heat-treated as a whole.
一次加熱工程で乾燥処理を行った後、二次加熱工程として焼成処理を実施する。本発明では、少なくとも二次加熱工程を「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下」において行う。より具体的には、「不活性ガス中の酸素ガス濃度が好ましくは1〜10000ppm程度、より好ましくは2〜1000ppm程度、さらに好ましく3〜150ppm程度(例えば、3〜100ppm、4〜20ppmあるいは6〜15ppm程度)となる略不活性ガスの雰囲気下」において乾燥後のチャネル前駆体層を加熱処理に付す。 After performing the drying process in the primary heating process, the baking process is performed as the secondary heating process. In the present invention, at least the secondary heating step is performed under “atmosphere gas containing oxygen gas and inert gas”. More specifically, “the oxygen gas concentration in the inert gas is preferably about 1 to 10,000 ppm, more preferably about 2 to 1000 ppm, still more preferably about 3 to 150 ppm (for example, 3 to 100 ppm, 4 to 20 ppm, or 6 to 6 ppm). The channel precursor layer after drying is subjected to a heat treatment under a substantially inert gas atmosphere (approximately 15 ppm).
二次加熱工程の温度は、金属酸化物膜の形成を促進させるものであるが、必要以上に温度が低くなると金属酸化物膜中にて残渣が多くなり、チャネル層の半導体特性が低下し易くなるので、その観点から約200℃以上であることが好ましい。一方、二次加熱工程の上限温度については、基板60の耐熱温度や金属酸化物膜の性質によって適宜決定すればよい。例えば基板としてガラス基板を用いた場合では500℃程度が二次加熱工程の上限温度となり得る。また、耐熱性の高い基板を用いた場合であっても、約600℃を超えると金属酸化物膜(例えばIn−Ga−Zn系アモルファス金属酸化物膜など)が結晶化して信頼性を低下させ得るので、その観点から二次加熱工程の上限温度は約600℃であることが好ましい。 The temperature of the secondary heating process promotes the formation of the metal oxide film, but if the temperature becomes lower than necessary, the residue in the metal oxide film increases and the semiconductor characteristics of the channel layer are likely to deteriorate. Therefore, the temperature is preferably about 200 ° C. or higher from that viewpoint. On the other hand, the upper limit temperature of the secondary heating process may be appropriately determined depending on the heat-resistant temperature of the substrate 60 and the properties of the metal oxide film. For example, when a glass substrate is used as the substrate, about 500 ° C. can be the upper limit temperature of the secondary heating step. Even when a substrate with high heat resistance is used, if it exceeds about 600 ° C., a metal oxide film (for example, an In—Ga—Zn-based amorphous metal oxide film) is crystallized to reduce reliability. From this viewpoint, the upper limit temperature of the secondary heating step is preferably about 600 ° C.
また、二次加熱工程では、上述したような管状炉200(図2)を用いてもよく、かかる管状炉200内に電界効果トランジスタ前駆体100’、即ち、「ゲート電極20、ゲート絶縁層30およびチャネル前駆体層11を備えた基板60」を供すことによって、チャネル前駆体層11を加熱処理に付してよい。かかる場合、管状炉内へと流すガスの流量は、例えば、5SLM〜20SLM程度であってもよい。また、二次加熱工程では、図3に示すような加熱チャンバー300を用いてもよく、かかる加熱チャンバー300内に電界効果トランジスタ前駆体100’、即ち、「ゲート電極20、ゲート絶縁層30およびチャネル前駆体層11を備えた基板60」を供すことによって、チャネル前駆体層11を加熱処理することができる。 In the secondary heating step, the above-described tubular furnace 200 (FIG. 2) may be used, and the field effect transistor precursor 100 ′, that is, “gate electrode 20, gate insulating layer 30” is included in the tubular furnace 200. And the substrate 60 "provided with the channel precursor layer 11", the channel precursor layer 11 may be subjected to a heat treatment. In such a case, the flow rate of the gas flowing into the tubular furnace may be, for example, about 5 SLM to 20 SLM. Further, in the secondary heating step, a heating chamber 300 as shown in FIG. 3 may be used, and the field effect transistor precursor 100 ′, that is, “the gate electrode 20, the gate insulating layer 30, and the channel is included in the heating chamber 300. By providing the substrate 60 "with the precursor layer 11, the channel precursor layer 11 can be heat-treated.
工程(iii)の加熱処理によってチャネル前駆体層11が焼成に付されることになり、その結果、チャネル前駆体層11からチャネル層10が形成される。最終的に得られるチャネル層10の厚さは、好ましくは約8nm〜約50nmの範囲、より好ましくは約10nm〜約20nmの範囲(例えば約15nm)となり得る。 The channel precursor layer 11 is subjected to baking by the heat treatment in the step (iii), and as a result, the channel layer 10 is formed from the channel precursor layer 11. The final thickness of the channel layer 10 can preferably be in the range of about 8 nm to about 50 nm, more preferably in the range of about 10 nm to about 20 nm (eg, about 15 nm).
尚、工程(iii)におけるチャネル前駆体層の加熱処理(特に“二次加熱”)は、上述のような焼成以外にも、レーザー照射による焼成も可能である。 In addition, the heat treatment (particularly “secondary heating”) of the channel precursor layer in the step (iii) can be performed by laser irradiation in addition to the above-described baking.
工程(iii)に引き続いて工程(iv)を実施する。つまり、図4(e)に示すようにチャネル層10に接するようにソース電極40およびドレイン電極50を形成する。ソース電極・ドレイン電極の材料としては、良好な導電性を持つ金属が好ましく、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ステンレス(SUS)などを使用することができる。ソース電極40およびドレイン電極50の形成も、特に制限されるものではなく、常套の電極形成法を採用してよい。即ち、ソース電極およびドレイン電極の形成を印刷法・印刷プロセスによって行ってよいし、あるいは、真空蒸着法やスパッタ法などを使用してもよい。本実施形態としては、真空蒸着法を実施することによってアルミ電極を形成することによってソース電極・ドレイン電極を得る。ソース電極40およびドレイン電極50の各厚さは、好ましくは約0.02μm〜約10μmの範囲、より好ましくは約0.03μm〜約1μmの範囲(例えば約0.1μm)である。 Subsequent to step (iii), step (iv) is performed. That is, as shown in FIG. 4E, the source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed so as to be in contact with the channel layer 10. As a material of the source / drain electrodes, a metal having good conductivity is preferable, and for example, copper (Cu), nickel (Ni), aluminum (Al), stainless steel (SUS), or the like can be used. The formation of the source electrode 40 and the drain electrode 50 is not particularly limited, and a conventional electrode forming method may be employed. That is, the source electrode and the drain electrode may be formed by a printing method / printing process, or a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like may be used. As this embodiment, a source electrode and a drain electrode are obtained by forming an aluminum electrode by performing a vacuum evaporation method. Each thickness of the source electrode 40 and the drain electrode 50 is preferably in the range of about 0.02 μm to about 10 μm, more preferably in the range of about 0.03 μm to about 1 μm (eg, about 0.1 μm).
ソース電極・ドレイン電極の形成後、必要に応じてチャネル層の封止工程や配線層の形成などを行う。 After the formation of the source and drain electrodes, a channel layer sealing step and a wiring layer are formed as necessary.
以上のような工程(i)〜(iv)を経ることによって、図4(e)ないしは図1に示すような薄膜トランジスタ100を得ることができる。このような製造プロセスでは、チャネル層10を構成する「金属酸化物から成る半導体膜」を雰囲気ガス中の加熱によって形成する。それゆえ、チャネル形成に高価な真空装置などを用いずに低コストで高性能な薄膜トランジスタを得ることができ、かつ基板、電極および絶縁層などの材料選択は大きく制限されない。 Through the steps (i) to (iv) as described above, the thin film transistor 100 as shown in FIG. 4E or FIG. 1 can be obtained. In such a manufacturing process, a “semiconductor film made of a metal oxide” constituting the channel layer 10 is formed by heating in an atmospheric gas. Therefore, a high-performance thin film transistor can be obtained at a low cost without using an expensive vacuum device or the like for channel formation, and the selection of materials such as a substrate, an electrode, and an insulating layer is not greatly limited.
得られた薄膜トランジスタ100は、図1に示すように、チャネル層10、ゲート電極20、チャネル層10とゲート電極20との間に少なくとも位置するゲート絶縁層30、および、チャネル層10に接して配置されたソース電極40およびドレイン電極50を有して成っている。かかる薄膜トランジスタ100では、チャネル層10が金属酸化物から成っており、この金属酸化物が上述の金属塩含有組成物から形成された酸化物となっている。上記金属塩含有組成物から上記雰囲気ガス下の加熱により形成されたことに特に起因して、チャネル層10では実質的にキャリア濃度が安定したものとなっている。チャネル層10のキャリア濃度は1016cm−3以上かつ1018cm−3以下、好ましくは1017cm−3以上かつ1018cm−3以下となっている(その結果、オフ電流が小さく薄膜トランジスタとして好適になっている。ちなみに、“実質的に不活性ガス下の加熱”でない従来技術製法で得られるチャネル層のキャリア濃度は概ね1022cm−3である)。更に、薄膜トランジスタ100では、チャネル層10の金属酸化物が好ましくはアモルファス酸化物となっている。 As shown in FIG. 1, the obtained thin film transistor 100 is disposed in contact with the channel layer 10, the gate electrode 20, the gate insulating layer 30 positioned at least between the channel layer 10 and the gate electrode 20, and the channel layer 10. The source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed. In the thin film transistor 100, the channel layer 10 is made of a metal oxide, and the metal oxide is an oxide formed from the above-described metal salt-containing composition. Particularly due to the fact that the metal salt-containing composition was formed by heating in the atmospheric gas, the channel layer 10 has a substantially stable carrier concentration. The carrier concentration of the channel layer 10 is 10 16 cm −3 or more and 10 18 cm −3 or less, preferably 10 17 cm −3 or more and 10 18 cm −3 or less (as a result, the off current is small and the thin film transistor is formed). Incidentally, the carrier concentration of the channel layer obtained by the prior art process which is not “substantially heated under inert gas” is approximately 10 22 cm −3 ). Further, in the thin film transistor 100, the metal oxide of the channel layer 10 is preferably an amorphous oxide.
本発明では、例えばIn(インジウム)、Ga(ガリウム)およびZn(亜鉛)から成る群から選択される1種以上の金属の塩を含んで成る金属塩含有組成物を用いてチャネル層を形成した場合、得られたチャネル層10がIn、Gaおよび/またはZnを含んで成る金属酸化物から成る膜形態を有している。ここで特にチャネル層がIn、GaおよびZnを含んだ金属酸化物から成る膜形態を有している場合、チャネル層10の密度が4.0〜5.5g/cm3程度、例えば4.3〜4.8g/cm3程度となり得る(膜厚さ10nm〜40nm程度)。また、チャネル層10の平坦性は向上したものとなり得、例えばチャネル層表面の算術平均粗さRaが約10nm以下、好ましくは約5nm以下、更に好ましくは約1nm以下(例えば約0.5nm以下)となっている。 In the present invention, the channel layer is formed using a metal salt-containing composition including a salt of one or more metals selected from the group consisting of, for example, In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc). In this case, the obtained channel layer 10 has a film form made of a metal oxide containing In, Ga and / or Zn. Here, in particular, when the channel layer has a film form made of a metal oxide containing In, Ga, and Zn, the density of the channel layer 10 is about 4.0 to 5.5 g / cm 3 , for example, 4.3. It can be about ˜4.8 g / cm 3 (film thickness is about 10 nm to 40 nm). Further, the flatness of the channel layer 10 can be improved. For example, the arithmetic average roughness Ra of the surface of the channel layer is about 10 nm or less, preferably about 5 nm or less, more preferably about 1 nm or less (for example, about 0.5 nm or less). It has become.
第1実施形態の変更態様
次に、図5(a)〜(e)を参照して、第1実施形態の薄膜トランジスタの製造方法につき変更態様を説明する。尚、上述した製造プロセスと同様の点については説明を省略する。
Modification of the First Embodiment Next, with reference to FIGS. 5A to 5E, a modification of the thin film transistor manufacturing method of the first embodiment will be described. The description of the same points as in the manufacturing process described above will be omitted.
まず、図5(a)に示すように、基板60上にゲート電極20およびゲート絶縁層30を形成する。 First, as shown in FIG. 5A, the gate electrode 20 and the gate insulating layer 30 are formed on the substrate 60.
次いで、図5(b)に示すように、ゲート絶縁層30の略全体に及ぶように金属塩含有組成物を塗布してチャネル前駆体層11を形成する。引き続いて、図5(c)に示すように、チャネル前駆体層11を加熱処理して、その前駆体層11から金属酸化物膜12を形成する。より具体的には、「金属塩、有機溶媒および水を含んだ金属塩含有組成物」を「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下」で加熱する工程を通じてチャネル層10を形成する(かかる工程は、上記「第1実施形態」で説明した態様で実施できる)。 Next, as shown in FIG. 5B, the metal salt-containing composition is applied so as to cover substantially the entire gate insulating layer 30 to form the channel precursor layer 11. Subsequently, as shown in FIG. 5C, the channel precursor layer 11 is heat-treated to form a metal oxide film 12 from the precursor layer 11. More specifically, the channel layer 10 is formed through a process of heating “a metal salt-containing composition containing a metal salt, an organic solvent and water” under “atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas”. (This step can be carried out in the mode described in the above “first embodiment”).
次いで、図5(d)に示すように、金属酸化物膜12を部分的に除去し、ゲート電極20に対向する位置にチャネル層10を形成する。かかる金属酸化物膜の部分的な除去は、例えば、ドライエッチングまたはウエットエッチングにより実施できる。 Next, as shown in FIG. 5D, the metal oxide film 12 is partially removed, and the channel layer 10 is formed at a position facing the gate electrode 20. Such partial removal of the metal oxide film can be performed, for example, by dry etching or wet etching.
最後に、図5(e)に示すように、チャネル層10と接するようにソース電極40およびドレイン電極50を形成することによって薄膜トランジスタ100を完成させる。 Finally, as shown in FIG. 5E, the thin film transistor 100 is completed by forming the source electrode 40 and the drain electrode 50 in contact with the channel layer 10.
第2実施形態
次に、図7(a)〜(f)を参照しながら、図6に示すような薄膜トランジスタ(TFT)100の製造プロセスについて例示する。かかる製造プロセスは[発明の概要]で説明した工程(i)’〜(vi)’に相当するものである。上述した製造プロセスと同様の点については説明を省略する。
Second Embodiment Next, a manufacturing process of a thin film transistor (TFT) 100 as shown in FIG. 6 is illustrated with reference to FIGS. This manufacturing process corresponds to the steps (i) ′ to (vi) ′ described in [Summary of the Invention]. A description of the same points as in the manufacturing process described above will be omitted.
まず、工程(i)’として金属箔90を用意し、次いで、工程(ii)’として金属箔90の上にゲート絶縁層30を形成する(図7(a)参照)。 First, a metal foil 90 is prepared as a step (i) ′, and then a gate insulating layer 30 is formed on the metal foil 90 as a step (ii) ′ (see FIG. 7A).
金属箔90は、ゲート絶縁層30やチャネル層10を支持する部材として機能するものの、最終的には電極材料として利用される。それゆえ、金属箔90を構成する金属としては、導電性を有し且つ融点が比較的高い金属が好ましく、例えば、銅(Cu、融点:1083℃)、ニッケル(Ni、融点:1453℃)、アルミニウム(Al、融点:660℃)、ステンレス(SUS)を使用することができる。 Although the metal foil 90 functions as a member that supports the gate insulating layer 30 and the channel layer 10, it is finally used as an electrode material. Therefore, the metal constituting the metal foil 90 is preferably a metal having conductivity and a relatively high melting point, such as copper (Cu, melting point: 1083 ° C.), nickel (Ni, melting point: 1453 ° C.), Aluminum (Al, melting point: 660 ° C.) and stainless steel (SUS) can be used.
ゲート絶縁層30は、実施形態1と同様の手法で形成することができる。つまり、マスクを用いた薄膜形成法(スパッタ法など)などによってゲート絶縁層30を形成してもよいし、あるいは、ゲート絶縁層用の金属塩含有組成物の塗布・加熱処理によってゲート絶縁層30を形成してもよい。 The gate insulating layer 30 can be formed by the same method as in the first embodiment. In other words, the gate insulating layer 30 may be formed by a thin film forming method (such as sputtering) using a mask or the like, or by applying and heat-treating a metal salt-containing composition for the gate insulating layer. May be formed.
工程(ii)’に引き続いて工程(iii)’を実施する。つまり、図7(b)に示すようにゲート絶縁層30の上に金属塩含有組成物を塗布してチャネル前駆体層11を形成した後、図7(c)に示すようにチャネル前駆体層11を加熱処理してチャネル層10を形成する。より具体的には、「金属塩、有機溶媒および水を含んだ金属塩含有組成物」を「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下」で加熱する工程を通じてチャネル層10を形成する(かかる工程は、上記「第1実施形態」で説明した態様で実施できる)。 Subsequent to the step (ii) ', the step (iii)' is performed. That is, after forming a channel precursor layer 11 by applying a metal salt-containing composition on the gate insulating layer 30 as shown in FIG. 7B, the channel precursor layer is shown in FIG. 7C. 11 is heated to form the channel layer 10. More specifically, the channel layer 10 is formed through a process of heating “a metal salt-containing composition containing a metal salt, an organic solvent and water” under “atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas”. (This step can be carried out in the mode described in the above “first embodiment”).
引き続いて工程(iv)’を実施する。つまり、図7(d)に示すように、ソース電極40およびドレイン電極50をその両端がチャネル層10と金属箔90とに接するように形成する。かかるソース電極40およびドレイン電極50の形成方法としては、実施形態1と同様の手法で形成することができる。つまり、ソース電極およびドレイン電極の形成を印刷法・印刷プロセスによって行ってよいし、あるいは、真空蒸着法やスパッタ法などを使用してもよい。 Subsequently, step (iv) 'is performed. That is, as shown in FIG. 7D, the source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed so that both ends thereof are in contact with the channel layer 10 and the metal foil 90. The source electrode 40 and the drain electrode 50 can be formed by the same method as in the first embodiment. That is, the source electrode and the drain electrode may be formed by a printing method / printing process, or a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like may be used.
次いで、工程(v)’を実施する。つまり、チャネル層10、ソース電極40およびドレイン電極50を覆うように封止層70を形成する(図7(e)参照)。封止層70を構成する材料としては、硬化後に可撓性を有する樹脂材料が好ましい。このような樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド(PI)樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、それらの複合物等が挙げられる。これらの樹脂材料は、可撓性や寸法安定性などの性質に優れており、得られる薄膜トランジスタにフレキシブル性を付与する点で好ましいといえる。 Next, step (v) 'is performed. That is, the sealing layer 70 is formed so as to cover the channel layer 10, the source electrode 40, and the drain electrode 50 (see FIG. 7E). As a material constituting the sealing layer 70, a resin material having flexibility after curing is preferable. Examples of such resin materials include epoxy resins, polyimide (PI) resins, acrylic resins, polyethylene terephthalate (PET) resins, polyethylene naphthalate (PEN) resins, polyphenylene sulfide (PPS) resins, and polyphenylene ether (PPE) resins. And composites thereof. These resin materials are excellent in properties such as flexibility and dimensional stability, and are preferable in terms of imparting flexibility to the obtained thin film transistor.
封止層70の形成方法は特に限定されないが、例えば未硬化の液状樹脂をスピンコートなどで塗布する方法や、未硬化の樹脂をフィルム状にして金属箔90の上面に貼り合わせる方法や、フィルム状の封止層70の表面に接着性材料を塗布し、該接着性材料を介して金属箔90の上面に貼り合わせる方法などを採用することができる。このような貼り合わせに際しては、ロールラミネート、真空ラミネート、熱プレスなどで加熱しながら加圧する手法などを適宜採用することができる。 The method for forming the sealing layer 70 is not particularly limited. For example, a method of applying an uncured liquid resin by spin coating or the like, a method of bonding an uncured resin to the upper surface of the metal foil 90, or a film For example, a method of applying an adhesive material to the surface of the sealing layer 70 and bonding the adhesive material to the upper surface of the metal foil 90 through the adhesive material can be employed. In such bonding, a technique of applying pressure while heating by roll lamination, vacuum lamination, hot press, or the like can be appropriately employed.
最後に、工程(vi)’を実施する。つまり、図7(f)に示すように、支持体として機能していた金属箔90をエッチングすることによって、ゲート電極20、取出し電極80a,80bを形成する。エッチングは、特に制限されず、常套の方法(例えばフォトリソグラフィーを用いたエッチングなど)で行ってよい。 Finally, step (vi) 'is performed. That is, as shown in FIG. 7F, the gate electrode 20 and the extraction electrodes 80a and 80b are formed by etching the metal foil 90 functioning as a support. Etching is not particularly limited, and may be performed by a conventional method (for example, etching using photolithography).
以上のような工程(i)’〜(vi)’を経ることによって、図6ないしは図7(f)に示すような薄膜トランジスタ100を得ることができる。このようなプロセス態様でも、チャネル層10を構成する「金属酸化物から成る半導体膜」を雰囲気ガス中の加熱によって形成する。それゆえ、チャネル形成に高価な真空装置などを用いずに低コストで高性能な薄膜トランジスタを得ることができ、かつ基板、電極および絶縁層の材料選択は大きく制限されない。 Through the steps (i) ′ to (vi) ′ as described above, the thin film transistor 100 as shown in FIG. 6 to FIG. 7F can be obtained. Even in such a process mode, the “semiconductor film made of a metal oxide” constituting the channel layer 10 is formed by heating in an atmospheric gas. Therefore, a low-cost and high-performance thin film transistor can be obtained without using an expensive vacuum apparatus or the like for channel formation, and the material selection of the substrate, electrode, and insulating layer is not greatly limited.
また、本実施形態の製造方法によれば、トランジスタ100の支持体が可撓性を呈する樹脂封止層70となるので、フレキシブル性を具備した薄膜トランジスタを比較的簡易に得ることができる。更には、本実施形態の製造方法によれば、金属箔90を支持体としてその上面にゲート絶縁膜30、チャネル層10、ソース電極40およびドレイン電極50を形成した後で、金属箔90上に封止層70を形成しているので、チャネル層10のみならずゲート絶縁膜30やソース電極40およびドレイン電極50の作製までを封止樹脂の耐熱温度よりも高い焼成プロセスで実行することができる。 Moreover, according to the manufacturing method of this embodiment, since the support body of the transistor 100 becomes the flexible resin sealing layer 70, a thin film transistor having flexibility can be obtained relatively easily. Furthermore, according to the manufacturing method of this embodiment, after forming the gate insulating film 30, the channel layer 10, the source electrode 40, and the drain electrode 50 on the upper surface of the metal foil 90 as a support, the metal foil 90 is formed on the metal foil 90. Since the sealing layer 70 is formed, not only the channel layer 10 but also the fabrication of the gate insulating film 30, the source electrode 40, and the drain electrode 50 can be performed by a baking process higher than the heat resistance temperature of the sealing resin. .
得られた薄膜トランジスタ100は、図6に示すように、ゲート電極20と、チャネル層10と、ゲート絶縁層30と、ソース電極40と、ドレイン電極50と、封止層70と、取出し電極80a、80bとを有して成る。具体的には、金属箔をエッチングすることによって形成されたゲート電極20および取出し電極80a、80bと、チャネル層10と、それらの間に形成されたゲート絶縁膜30と、チャネル層10および取出し電極80a、80bにそれぞれ接しているソース電極40およびドレイン電極50と、チャネル層10とソース電極40およびドレイン電極50を封止する封止層70とが設けられている。ゲート電極20および取出し電極80a、80bは同一の金属箔から形成されたものであるので、図示するように、互いに同一平面状に位置している。ソース電極40、ドレイン電極50は、その一端がチャネル層10およびゲート絶縁層30の外縁よりも外側まで延びており、チャネル層10と取出し電極80a、80bとを相互に電気的に接続している。 As shown in FIG. 6, the obtained thin film transistor 100 includes a gate electrode 20, a channel layer 10, a gate insulating layer 30, a source electrode 40, a drain electrode 50, a sealing layer 70, an extraction electrode 80a, 80b. Specifically, the gate electrode 20 and the extraction electrodes 80a and 80b formed by etching the metal foil, the channel layer 10, the gate insulating film 30 formed therebetween, the channel layer 10 and the extraction electrode A source electrode 40 and a drain electrode 50 that are in contact with 80a and 80b, respectively, and a sealing layer 70 that seals the channel layer 10, the source electrode 40, and the drain electrode 50 are provided. Since the gate electrode 20 and the extraction electrodes 80a and 80b are formed from the same metal foil, they are located on the same plane as shown in the figure. One end of each of the source electrode 40 and the drain electrode 50 extends to the outside of the outer edges of the channel layer 10 and the gate insulating layer 30, and the channel layer 10 and the extraction electrodes 80a and 80b are electrically connected to each other. .
第2実施形態の薄膜トランジスタ100であっても、チャネル層10が金属酸化物から成っており、かかる金属酸化物が上述の金属塩含有組成物から形成された酸化物となっている。上記金属塩含有組成物から上記雰囲気ガス下の加熱により形成されたことに特に起因して、チャネル層10では実質的にキャリア濃度が安定している。チャネル層10のキャリア濃度は1016cm−3以上かつ1018cm−3以下、好ましくは1017cm−3以上かつ1018cm−3以下となっている(その結果、オフ電流が小さく薄膜トランジスタとして好適になっている。ちなみに、“実質的に不活性ガス下の加熱”でない従来技術製法で得られるチャネル層のキャリア濃度は概ね1022cm−3である)。更に、第2実施形態の薄膜トランジスタ100でも、チャネル層10の金属酸化物が好ましくはアモルファス酸化物となっている。また、例えばIn(インジウム)、Ga(ガリウム)およびZn(亜鉛)から成る群から選択される1種以上の金属の塩を含んで成る金属塩含有組成物を用いてチャネル層が形成された場合、チャネル層10はIn、Gaおよび/またはZnを含んで成る金属酸化物から成る膜形態を有している。特にチャネル層10がIn、GaおよびZnを含んだ金属酸化物から形成された膜形態を有している場合、チャネル層10の密度が4.0〜5.5g/cm3程度、例えば4.3〜4.8g/cm3程度となり得る(膜厚さ10nm〜40nm程度)。また、チャネル層10の平坦性は向上したものとなっており、例えばチャネル層表面の算術平均粗さRaが約10nm以下、好ましくは約5nm以下、更に好ましくは約1nm以下(例えば約0.5nm以下)となっている。 Even in the thin film transistor 100 of the second embodiment, the channel layer 10 is made of a metal oxide, and the metal oxide is an oxide formed from the above-described metal salt-containing composition. The carrier concentration is substantially stable in the channel layer 10 particularly due to the fact that it is formed from the metal salt-containing composition by heating under the atmospheric gas. The carrier concentration of the channel layer 10 is 10 16 cm −3 or more and 10 18 cm −3 or less, preferably 10 17 cm −3 or more and 10 18 cm −3 or less (as a result, the off current is small and the thin film transistor is formed). Incidentally, the carrier concentration of the channel layer obtained by the prior art process which is not “substantially heated under inert gas” is approximately 10 22 cm −3 ). Furthermore, also in the thin film transistor 100 of the second embodiment, the metal oxide of the channel layer 10 is preferably an amorphous oxide. For example, when the channel layer is formed using a metal salt-containing composition containing a salt of one or more metals selected from the group consisting of In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc) The channel layer 10 has a film form made of a metal oxide containing In, Ga and / or Zn. In particular, when the channel layer 10 has a film form formed of a metal oxide containing In, Ga, and Zn, the density of the channel layer 10 is about 4.0 to 5.5 g / cm 3 , for example, 4. It can be about 3 to 4.8 g / cm 3 (film thickness is about 10 nm to 40 nm). Further, the flatness of the channel layer 10 is improved. For example, the arithmetic average roughness Ra of the channel layer surface is about 10 nm or less, preferably about 5 nm or less, more preferably about 1 nm or less (for example, about 0.5 nm). Below).
なお、図示していないが、チャネル層10の上に、少なくともチャネル層10を封止する別の保護層が形成されていてもよい。このような保護層があれば、封止工程によるチャネル層の損傷を防ぐことができ、バックチャネルの更なる安定化につながるので、トランジスタ特性の向上と安定とをより好適に図ることができる。かかる保護層の材質としては、例えばフッ素樹脂、ポリイミド樹脂のような熱硬化性樹脂や、SiO2、Al2O3などの酸化物、SiNなどの窒化物を使用できる。 Although not shown, another protective layer that seals at least the channel layer 10 may be formed on the channel layer 10. With such a protective layer, damage to the channel layer due to the sealing process can be prevented, leading to further stabilization of the back channel, so that transistor characteristics can be improved and stabilized more suitably. As a material for the protective layer, for example, a thermosetting resin such as a fluororesin or a polyimide resin, an oxide such as SiO 2 or Al 2 O 3 , or a nitride such as SiN can be used.
第3実施形態
図9(a)〜(f)を参照しながら、図8に示すような薄膜トランジスタ(TFT)100の製造プロセスについて例示する。上述した製造プロセスと同様の点については説明を省略する。
Third Embodiment With reference to FIGS. 9A to 9F, a manufacturing process of a thin film transistor (TFT) 100 as shown in FIG. 8 will be exemplified. A description of the same points as in the manufacturing process described above will be omitted.
まず、図9(a)に示すように、金属箔90を用意し、その上にゲート絶縁層30を形成する。マスクを用いた薄膜形成法(スパッタ法など)などによってゲート絶縁層30を形成してもよいし、あるいは、ゲート絶縁層用の金属塩含有組成物の塗布・加熱処理によってゲート絶縁層30を形成してもよい。 First, as shown in FIG. 9A, a metal foil 90 is prepared, and a gate insulating layer 30 is formed thereon. The gate insulating layer 30 may be formed by a thin film formation method using a mask (sputtering method, etc.), or the gate insulating layer 30 is formed by applying and heat-treating a metal salt-containing composition for the gate insulating layer. May be.
次いで、図9(b)に示すように、ソース電極40およびドレイン電極50をその両端がチャネル層10および金属箔90に接するように形成する。真空蒸着法やスパッタ法などによってソース電極・ドレイン電極を形成してよいし、あるいは、ソース電極・ドレイン電極用の金属塩含有組成物の塗布および加熱処理によってソース・ドレイン電極を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 9B, the source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed so that both ends thereof are in contact with the channel layer 10 and the metal foil 90. The source / drain electrodes may be formed by vacuum deposition or sputtering, or the source / drain electrodes may be formed by applying a metal salt-containing composition for the source / drain electrodes and heat treatment. .
次いで、図9(c)に示すように、「金属塩、有機溶媒および水を少なくとも含む金属塩含有組成物」を、ソース電極40およびドレイン電極50と接するようにゲート絶縁層30の上に塗布して、チャネル前駆体層11を形成する。そして、図9(d)に示すようにチャネル前駆体層11を「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下」で加熱する工程をもってチャネル層10を形成する。かかる工程は、上記「第1実施形態」で説明した態様で実施する。 Next, as shown in FIG. 9C, “a metal salt-containing composition containing at least a metal salt, an organic solvent and water” is applied on the gate insulating layer 30 so as to be in contact with the source electrode 40 and the drain electrode 50. Thus, the channel precursor layer 11 is formed. Then, as shown in FIG. 9 (d), the channel layer 10 is formed through a process of heating the channel precursor layer 11 under “atmosphere gas containing oxygen gas and inert gas”. This process is performed in the mode described in the above “first embodiment”.
次いで、図9(e)に示すように、チャネル層10、ゲート絶縁層30、ソース電極40およびドレイン電極50を覆うように、金属箔90の上面に封止層70を形成する。かかる封止層70は、実施形態2と同様の手法で形成してよい。 Next, as illustrated in FIG. 9E, a sealing layer 70 is formed on the upper surface of the metal foil 90 so as to cover the channel layer 10, the gate insulating layer 30, the source electrode 40 and the drain electrode 50. Such a sealing layer 70 may be formed by the same method as in the second embodiment.
最後に、図9(f)に示すように、支持体として機能していた金属箔90をエッチングすることによって、ゲート電極20、取出し電極80a、80bを形成して薄膜トランジスタ100を完成させる。 Finally, as shown in FIG. 9F, the metal foil 90 functioning as a support is etched to form the gate electrode 20 and the extraction electrodes 80a and 80b, thereby completing the thin film transistor 100.
得られた薄膜トランジスタ100は、図8に示すように、ゲート電極20と、チャネル層10と、ゲート絶縁層30と、ソース電極40と、ドレイン電極50と、封止層70と、取出し電極80a、80bとを有して成る。より具体的には、金属箔をエッチングすることによって形成されたゲート電極20および取出し電極80a、80bと、チャネル層10と、それらの間に形成されたゲート絶縁膜30と、チャネル層10および取出し電極80a、80bにそれぞれ接しているソース電極40およびドレイン電極50と、チャネル層10およびソース電極・ドレイン電極40,50を封止する封止層70とが設けられている。第3実施形態の薄膜トランジスタ100でも、チャネル層10が金属酸化物から成っており、かかる金属酸化物が上述の金属塩含有組成物から形成された酸化物となっている。上記金属塩含有組成物から上記雰囲気ガス下の加熱により形成されたことに特に起因して、チャネル層10では実質的にキャリア濃度が安定している。チャネル層10のキャリア濃度は1016cm−3以上かつ1018cm−3以下、好ましくは1017cm−3以上かつ1018cm−3以下となっている(その結果、オフ電流が小さく薄膜トランジスタとして好適になっている。ちなみに、“実質的に不活性ガス下の加熱”でない従来技術製法で得られるチャネル層のキャリア濃度は概ね1022cm−3である)。更に、第3実施形態の薄膜トランジスタ100でも、チャネル層10の金属酸化物が好ましくはアモルファス酸化物となっている。また、例えばIn(インジウム)、Ga(ガリウム)およびZn(亜鉛)から成る群から選択される1種以上の金属の塩を含んで成る金属塩含有組成物を用いてチャネル層が形成された場合、チャネル層10はIn、Gaおよび/またはZnを含んで成る金属酸化物から成る膜形態を有している。特にチャネル層10がIn、GaおよびZnを含んだ金属酸化物から形成された膜形態を有している場合、チャネル層10の密度が4.0〜5.5g/cm3程度、例えば4.3〜4.8g/cm3程度となり得る(膜厚さ10nm〜40nm程度)。また、チャネル層10の平坦性は向上したものとなっており、例えばチャネル層表面の算術平均粗さRaが約10nm以下、好ましくは約5nm以下、更に好ましくは約1nm以下(例えば約0.5nm以下)となっている。 As shown in FIG. 8, the obtained thin film transistor 100 includes a gate electrode 20, a channel layer 10, a gate insulating layer 30, a source electrode 40, a drain electrode 50, a sealing layer 70, an extraction electrode 80a, 80b. More specifically, the gate electrode 20 and the extraction electrodes 80a and 80b formed by etching the metal foil, the channel layer 10, the gate insulating film 30 formed therebetween, the channel layer 10 and the extraction. A source electrode 40 and a drain electrode 50 that are in contact with the electrodes 80a and 80b, respectively, and a sealing layer 70 that seals the channel layer 10 and the source / drain electrodes 40 and 50 are provided. Also in the thin film transistor 100 of the third embodiment, the channel layer 10 is made of a metal oxide, and the metal oxide is an oxide formed from the above-described metal salt-containing composition. The carrier concentration is substantially stable in the channel layer 10 particularly due to the fact that it is formed from the metal salt-containing composition by heating under the atmospheric gas. The carrier concentration of the channel layer 10 is 10 16 cm −3 or more and 10 18 cm −3 or less, preferably 10 17 cm −3 or more and 10 18 cm −3 or less (as a result, the off current is small and the thin film transistor is formed). Incidentally, the carrier concentration of the channel layer obtained by the prior art process which is not “substantially heated under inert gas” is approximately 10 22 cm −3 ). Furthermore, also in the thin film transistor 100 of the third embodiment, the metal oxide of the channel layer 10 is preferably an amorphous oxide. For example, when the channel layer is formed using a metal salt-containing composition containing a salt of one or more metals selected from the group consisting of In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc) The channel layer 10 has a film form made of a metal oxide containing In, Ga and / or Zn. In particular, when the channel layer 10 has a film form formed of a metal oxide containing In, Ga, and Zn, the density of the channel layer 10 is about 4.0 to 5.5 g / cm 3 , for example, 4. It can be about 3 to 4.8 g / cm 3 (film thickness is about 10 nm to 40 nm). Further, the flatness of the channel layer 10 is improved. For example, the arithmetic average roughness Ra of the channel layer surface is about 10 nm or less, preferably about 5 nm or less, more preferably about 1 nm or less (for example, about 0.5 nm). Below).
《画像表示装置》
図10に画像表示装置1000の一例を示す。図10では、画像表示装置1000の全体の外観が示されている。
<Image display device>
FIG. 10 shows an example of the image display apparatus 1000. FIG. 10 shows the overall appearance of the image display apparatus 1000.
画像表示装置1000は、例えば、有機ELディスプレイである。図示するように、画像表示装置1000は、TFT部1100と、ドライバ部(1200、1300)と、EL部1400とから構成されており、TFT部1100の各画素に上記実施形態1〜3に係る薄膜トランジスタ100が含まれている。 The image display apparatus 1000 is an organic EL display, for example. As shown in the figure, the image display apparatus 1000 includes a TFT unit 1100, a driver unit (1200, 1300), and an EL unit 1400. Each pixel of the TFT unit 1100 is related to the first to third embodiments. A thin film transistor 100 is included.
具体的には、薄膜トランジスタ100は、EL部1400が備える有機EL素子の下に形成されており、薄膜トランジスタ100を備える駆動用TFT素子のドレイン電極50は、有機EL素子に接続されている。なお、有機EL素子の上には、透明電極が形成されている。加えて、その上には、保護フィルム(例えば、PET、PENなどの樹脂フィルム)が形成されている。 Specifically, the thin film transistor 100 is formed under the organic EL element included in the EL portion 1400, and the drain electrode 50 of the driving TFT element including the thin film transistor 100 is connected to the organic EL element. A transparent electrode is formed on the organic EL element. In addition, a protective film (for example, a resin film such as PET or PEN) is formed thereon.
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art will readily understand that various modifications can be made.
例えば、本発明に係る薄膜トランジスタは、種々の形態で実現することができる。例示すれば、図11〜13に示すような形態の薄膜トランジスタ100を挙げることができる。
● 図11に示す薄膜トランジスタ100では、基板60の上にソース電極40およびドレイン電極50が形成されており、ソース電極40とドレイン電極50との間にチャネル層10がそれぞれに接するように形成されている。ゲート絶縁層30はチャネル層11およびソース電極・ドレイン電極40,50を覆うように形成されている。ゲート絶縁層30の上にはチャネル層10と対向する位置にゲート電極20が形成されている。チャネル層10、ゲート絶縁層30、ソース電極40およびドレイン電極50は上記実施形態1で説明した方法で形成することができる。
● 図12に示す薄膜トランジスタ100では、基板60の上にゲート電極20およびゲート絶縁膜30がこの順で形成されている。ゲート絶縁膜30上にはソース電極40およびドレイン電極50が形成されており、チャネル層10がソース電極40およびドレイン電極50に接するようにしてゲート絶縁膜30上のゲート電極20と対向する位置に形成されている。チャネル層10、ゲート絶縁層30、ソース電極40およびドレイン電極50は上記実施形態1で説明した方法で形成することができる。
● 図13に示す薄膜トランジスタ100では、基板60の上にチャネル層10が形成されており、その上にソース電極40およびドレイン電極50がチャネル層10に接するようにして形成されている。ゲート絶縁層30はチャネル層11およびソース電極・ドレイン電極40,50を覆うように形成されている。ゲート絶縁層30の上のチャネル層10と対向する位置にはゲート電極20が形成されている。チャネル層10、ゲート絶縁層30、ソース電極40およびドレイン電極50は上記実施形態1で説明した方法で形成することができる。
For example, the thin film transistor according to the present invention can be realized in various forms. For example, a thin film transistor 100 having a form as shown in FIGS.
In the thin film transistor 100 shown in FIG. 11, the source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed on the substrate 60, and the channel layer 10 is formed so as to be in contact with the source electrode 40 and the drain electrode 50, respectively. Yes. The gate insulating layer 30 is formed so as to cover the channel layer 11 and the source / drain electrodes 40 and 50. A gate electrode 20 is formed on the gate insulating layer 30 at a position facing the channel layer 10. The channel layer 10, the gate insulating layer 30, the source electrode 40, and the drain electrode 50 can be formed by the method described in the first embodiment.
In the thin film transistor 100 shown in FIG. 12, the gate electrode 20 and the gate insulating film 30 are formed in this order on the substrate 60. A source electrode 40 and a drain electrode 50 are formed on the gate insulating film 30, and the channel layer 10 is in a position facing the gate electrode 20 on the gate insulating film 30 so as to be in contact with the source electrode 40 and the drain electrode 50. Is formed. The channel layer 10, the gate insulating layer 30, the source electrode 40, and the drain electrode 50 can be formed by the method described in the first embodiment.
In the thin film transistor 100 shown in FIG. 13, the channel layer 10 is formed on the substrate 60, and the source electrode 40 and the drain electrode 50 are formed on the channel layer 10 so as to be in contact with the channel layer 10. The gate insulating layer 30 is formed so as to cover the channel layer 11 and the source / drain electrodes 40 and 50. A gate electrode 20 is formed on the gate insulating layer 30 at a position facing the channel layer 10. The channel layer 10, the gate insulating layer 30, the source electrode 40, and the drain electrode 50 can be formed by the method described in the first embodiment.
《金属酸化物薄膜の特性確認試験》
[実施例1]
硝酸亜鉛六水和物と3−メトキシ−3−メチル−1−ブタノール(MMB:製品名ソルフィットファイングレード、クラレ株式会社製)と純水(10重量%)とを混合し、超音波バスで5分〜30分間超音波処理して金属塩の含有量が0.3mol/Lの溶液を調製した。同様に、硝酸インジウムx水和物、硝酸ガリウムx水和物を用いて各金属塩の含有量が約0.3mol/Lの溶液を調製した。尚、調製に用いた3−メトキシ−3−メチル−1−ブタノール(MMB)は、水を0.05重量%程度含有していた。次に、調製した各溶液を混合し、In、GaおよびZnの各金属塩含有量が0.1mol/L、金属塩含有総量が0.3mol/Lとなるように「金属塩、有機溶媒および水を含んだ金属塩含有組成物」を調製した。
<Characteristic confirmation test of metal oxide thin film>
[Example 1]
Zinc nitrate hexahydrate, 3-methoxy-3-methyl-1-butanol (MMB: product name Solfit Fine Grade, manufactured by Kuraray Co., Ltd.) and pure water (10% by weight) are mixed, and an ultrasonic bath is used. Sonication was performed for 5 to 30 minutes to prepare a solution having a metal salt content of 0.3 mol / L. Similarly, a solution having a content of each metal salt of about 0.3 mol / L was prepared using indium nitrate x hydrate and gallium nitrate x hydrate. The 3-methoxy-3-methyl-1-butanol (MMB) used for the preparation contained about 0.05% by weight of water. Next, each prepared solution is mixed, and each of the metal salt contents of In, Ga, and Zn is 0.1 mol / L, and the total metal salt content is 0.3 mol / L. A “metal salt-containing composition containing water” was prepared.
調製した金属塩含有組成物をSiウェハ(100)上にスピンコート(4000rpm×30秒間)して試験基板を得た。引き続いて、ホットプレートにて100℃×10分間の条件で基板(金属塩含有組成物)を一次加熱し、次いで、管状炉の酸素濃度を10ppmとなるよう窒素および酸素ガス流量を調整しながら、2時間かけて550℃まで昇温した後、550℃×30分間の条件で同管状炉中にて基板(金属塩含有組成物)を二次加熱した(即ち、金属塩含有組成物を焼成に付した)。陽圧条件は、(加熱前)100Pa〜(加熱中)5kPaとした。基板表面に形成された金属酸化物膜は、約0.01μm〜約0.02μmの膜厚を有していた。 The prepared metal salt-containing composition was spin-coated (4000 rpm × 30 seconds) on a Si wafer (100) to obtain a test substrate. Subsequently, the substrate (metal salt-containing composition) is primarily heated on a hot plate at 100 ° C. for 10 minutes, and then the nitrogen and oxygen gas flow rates are adjusted so that the oxygen concentration in the tubular furnace becomes 10 ppm. After raising the temperature to 550 ° C. over 2 hours, the substrate (metal salt-containing composition) was secondarily heated in the same tube furnace under the condition of 550 ° C. × 30 minutes (that is, the metal salt-containing composition was fired) Attached). The positive pressure conditions were set to 100 Pa (before heating) to 5 kPa (before heating). The metal oxide film formed on the substrate surface had a thickness of about 0.01 μm to about 0.02 μm.
《基板表面の原子間力顕微鏡像》
金属酸化物膜について、膜平坦性を確認した。具体的には、実施例1で作製した金属酸化物膜について、AFM(原子間力顕微鏡)によって膜表面を観察した。装置としてはnano−R2(パシフィック・ナノテクノロジー社製)を使用した。
<< Atomic force microscope image of substrate surface >>
The flatness of the metal oxide film was confirmed. Specifically, the film surface of the metal oxide film produced in Example 1 was observed by AFM (atomic force microscope). As the apparatus, nano-R2 (Pacific Nanotechnology Co., Ltd.) was used.
AFMによる膜表面観察の結果を図14に示す。実施例1の基板表面は均一であり、緻密かつ平坦な金属酸化物膜が作製できていることがわかった。具体的には、金属酸化物膜についての表面の算術平均粗さRaは0.43nmとなっていた。尚、かかる算術平均荒さRaは、走査プローブイメージプロセッサ「SPIP」(イメージメトロロジー社製)を用いることによって算出された値である(“Ra”については図15も参照のこと)。 The result of film surface observation by AFM is shown in FIG. It was found that the substrate surface of Example 1 was uniform and a dense and flat metal oxide film could be produced. Specifically, the arithmetic average roughness Ra of the surface of the metal oxide film was 0.43 nm. The arithmetic average roughness Ra is a value calculated by using a scanning probe image processor “SPIP” (manufactured by Image Metrology Co., Ltd.) (see also FIG. 15 for “Ra”).
《膜密度の確認試験》
本発明にかかる金属酸化物膜について膜密度を確認した。具体的には、以下に示す条件において、金属塩含有組成物の塗布・加熱で得られた膜について密度を調べた。
・測定方法:XRR(X線反射率測定法)
・装置:X線回折装置(BRUKER製)、Cu−Kα線
・ソフトウェア(Leptos)によるフィッティングで膜密度を算出
・原料塗布液:In、GaおよびZnの金属塩(各0.1Mの等モル比:全濃度0.3M)、MMBおよび水10重量%を含んだ混合液
・金属酸化物膜:実施例1で作製した金属酸化物膜。具体的には、Si(100)ウエハ上に原料塗布液をスピンコート(4000rpm)し、100℃にて10分間の乾燥に付した後、管状炉の酸素濃度を10ppmとなるよう窒素および酸素ガス流量を調整しながら、2時間かけて550℃まで昇温した後、550℃×30分間、同管状炉中で二次加熱に付して得られた金属酸化物膜(陽圧条件:(加熱前)100Pa〜(加熱中)5kPa)。
《Membrane density confirmation test》
The film density of the metal oxide film according to the present invention was confirmed. Specifically, the density of the film obtained by applying and heating the metal salt-containing composition was examined under the following conditions.
Measurement method: XRR (X-ray reflectivity measurement method)
・ Apparatus: X-ray diffractometer (manufactured by BRUKER), Cu-Kα ray ・ Calculation of film density by fitting with software (Leptos) ・ Raw material coating solution: Metal salt of In, Ga and Zn (equal molar ratio of 0.1M each) : Total concentration 0.3M), mixed solution containing MMB and 10% by weight of water Metal oxide film: Metal oxide film prepared in Example 1. Specifically, a raw material coating solution is spin-coated (4000 rpm) on a Si (100) wafer, dried at 100 ° C. for 10 minutes, and then nitrogen and oxygen gas so that the oxygen concentration in the tubular furnace becomes 10 ppm. While adjusting the flow rate, the temperature was raised to 550 ° C. over 2 hours and then subjected to secondary heating in the tubular furnace at 550 ° C. for 30 minutes (positive pressure condition: (heating Before) 100 Pa to (during heating) 5 kPa).
X線反射率測定結果を図16に示す。本確認試験によって以下の事項を確認することができ、本発明に従って得られる金属酸化物膜(即ち、チャネル層など)が緻密なものであることが分かった。
・フィッティングで求めた膜の密度:4.748g/cm3(フィッティングで求めた膜の厚み:11.2nm)
・数ロットの塗布液を用いて検討した金属酸化物膜の密度:約4.5g/cm3〜約5.3g/cm3
《キャリア濃度の確認試験》
The X-ray reflectance measurement results are shown in FIG. The following items could be confirmed by this confirmation test, and it was found that the metal oxide film (that is, the channel layer, etc.) obtained according to the present invention was dense.
Film density determined by fitting: 4.748 g / cm 3 (film thickness determined by fitting: 11.2 nm)
-Density of metal oxide film examined using several lots of coating solution: about 4.5 g / cm 3 to about 5.3 g / cm 3
<Confirmation test of carrier concentration>
本発明にかかる金属酸化物膜についてキャリア濃度を確認した。具体的には、以下に示す条件において、金属塩含有組成物の塗布・加熱で得られた膜についてキャリア濃度を調べた。
・測定方法:ホール効果測定法
・装置:ホール測定装置(BIO-RAD製)
・原料塗布液:In、GaおよびZnの金属塩(各0.1Mの等モル比:全濃度0.3M)、MMBおよび水10重量%を含んだ混合液
・金属酸化物膜:実施例1で作製した金属酸化物膜。具体的には、Si(100)ウエハ上に原料塗布液をスピンコート(4000rpm)し、100℃にて10分間の乾燥に付した後、管状炉の酸素濃度を10ppmとなるよう窒素および酸素ガス流量を調整しながら、2時間かけて550℃まで昇温した後、550℃×30分間、同管状炉中で二次加熱に付して得られた金属酸化物膜(陽圧条件:(加熱前)100Pa〜(加熱中)5kPa)。
The carrier concentration of the metal oxide film according to the present invention was confirmed. Specifically, the carrier concentration of the film obtained by applying and heating the metal salt-containing composition was examined under the following conditions.
・ Measurement method: Hall effect measurement method ・ Device: Hall measurement device (manufactured by BIO-RAD)
Raw material coating solution: In, Ga and Zn metal salts (equal molar ratio of 0.1M each: total concentration 0.3M), mixed solution containing MMB and 10% by weight of water Metal oxide film: Example 1 Metal oxide film produced in Specifically, a raw material coating solution is spin-coated (4000 rpm) on a Si (100) wafer, dried at 100 ° C. for 10 minutes, and then nitrogen and oxygen gas so that the oxygen concentration in the tubular furnace becomes 10 ppm. While adjusting the flow rate, the temperature was raised to 550 ° C. over 2 hours and then subjected to secondary heating in the tubular furnace at 550 ° C. for 30 minutes (positive pressure condition: (heating Before) 100 Pa to (during heating) 5 kPa).
本確認試験によって以下の事項を確認することができた。
・金属酸化物膜のキャリア濃度:4.20×1017/cm3
・数ロットの塗布液を用いて検討した金属酸化物膜の密度:約3.7〜約4.8g/cm3
The following items were confirmed by this confirmation test.
-Carrier concentration of metal oxide film: 4.20 × 10 17 / cm 3
-Density of metal oxide film examined using several lots of coating solution: about 3.7 to about 4.8 g / cm 3
《トランジスタ特性の確認試験》
[実施例2]
本発明で得られるトランジスタの特性を確認するために、以下の手法に基づいて試験を行った(図17参照):
− 厚さ300nmの熱酸化膜付きSi基板上に、実施例1で用いた原料塗布液をスピンコート法(4000rpm)で塗布し、100℃にて10分間の乾燥に付した後、管状炉の酸素濃度を0.1、10、100ppmおよび20%となるよう窒素および酸素ガス流量を調整しながら、2時間かけて550℃まで昇温した後、550℃×30分間、同管状炉中で基板を二次加熱(焼成)した。550℃にて30分間の焼成に付すことによって半導体膜を形成した。
− アルミをマスク蒸着することによってソース電極・ドレイン電極を形成した。
− シリコン基板をゲート電極として半導体特性を測定した。
−半導体パラメータアナライザ(B1500A、アジレントテクノロジー株式会社製)を用いて半導体特性を測定した。
− ドレイン電圧(Vd)を10Vに設定して、ゲート電圧(Vg)を変化させたときのドレイン電流(Id)を測定した。
<Confirmation test of transistor characteristics>
[Example 2]
In order to confirm the characteristics of the transistor obtained by the present invention, a test was performed based on the following method (see FIG. 17):
-The raw material coating solution used in Example 1 was applied on a Si substrate with a thermal oxide film having a thickness of 300 nm by spin coating (4000 rpm), dried at 100 ° C for 10 minutes, and then subjected to a tube furnace. The temperature was raised to 550 ° C. over 2 hours while adjusting the nitrogen and oxygen gas flow rates so that the oxygen concentration was 0.1, 10, 100 ppm and 20%, and then the substrate was placed in the tube furnace at 550 ° C. for 30 minutes. Was subjected to secondary heating (firing). A semiconductor film was formed by baking at 550 ° C. for 30 minutes.
-Source and drain electrodes were formed by mask deposition of aluminum.
-Semiconductor characteristics were measured using a silicon substrate as the gate electrode.
-Semiconductor characteristics were measured using a semiconductor parameter analyzer (B1500A, manufactured by Agilent Technologies).
-The drain current (Id) when the drain voltage (Vd) was set to 10 V and the gate voltage (Vg) was changed was measured.
結果のグラフを図18に示す。図18のグラフから、本発明に従って「金属塩、有機溶媒、および水を含んだ金属塩含有組成物」を用いて「酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下の加熱」によって形成された半導体膜は、ノーマリーオフの特性を呈し、薄膜トランジスタのチャネル層として好適であることが分かった。 The resulting graph is shown in FIG. From the graph of FIG. 18, formed by “heating under an atmospheric gas containing oxygen gas and inert gas” using “a metal salt-containing composition containing a metal salt, an organic solvent, and water” according to the present invention. It was found that the formed semiconductor film exhibited normally-off characteristics and was suitable as a channel layer of a thin film transistor.
《二次加熱温度》
二次加熱は、200℃以上の温度とする必要があり、上記実施例では550℃とした。二次加熱の上限温度は基板の耐熱温度によって決めることが好ましい。例えば、スライドグラスより耐熱温度が低い基板であれば400℃に近い温度で二次加熱することが好ましく、逆にスライドグラスよりも耐熱温度が高い基板であれば、基板の耐熱温度に近い温度で二次加熱することが可能であるといえる。
《Secondary heating temperature》
The secondary heating needs to be a temperature of 200 ° C. or higher, and is 550 ° C. in the above example. The upper limit temperature of the secondary heating is preferably determined by the heat resistant temperature of the substrate. For example, if the substrate has a lower heat resistant temperature than the slide glass, it is preferable to perform secondary heating at a temperature close to 400 ° C. Conversely, if the substrate has a higher heat resistant temperature than the slide glass, the substrate is close to the heat resistant temperature of the substrate. It can be said that secondary heating is possible.
本発明の製造方法は、電界効果トランジスタの生産性に優れている。尚、得られる電界効果トランジスタは、各種画像表示部に用いることもでき、電子ペーパーやデジタルペーパー等にも用いることができる。例えば、図19に示すようなテレビ画像表示部、図20に示すような携帯電話やスマートフォンの画像表示部、図21に示すようなモバイル・パソコンまたはノート・パソコンの画像表示部、図22および図23に示すようデジタルスチルカメラおよびカムコーダーの画像表示部、ならびに、図24に示すような電子ペーパーの画像表示部などに用いることができる。更には、本発明の製造方法で得られるフレキシブル半導体装置は、現在、印刷エレクトロニクスで適用が検討されている各種用途(例えば、RF−ID、メモリ、MPU、太陽電池、センサなど)にも適応することができる。 The manufacturing method of the present invention is excellent in the productivity of field effect transistors. Note that the obtained field effect transistor can be used for various image display units, and can also be used for electronic paper, digital paper, and the like. For example, a television image display unit as shown in FIG. 19, an image display unit of a mobile phone or a smartphone as shown in FIG. 20, an image display unit of a mobile personal computer or notebook computer as shown in FIG. 21, FIG. 22 and FIG. The image display unit of a digital still camera and a camcorder as shown in FIG. 23 and the image display unit of electronic paper as shown in FIG. Furthermore, the flexible semiconductor device obtained by the manufacturing method of the present invention is also applicable to various uses (for example, RF-ID, memory, MPU, solar cell, sensor, etc.) currently being studied for printing electronics. be able to.
10 チャネル層
11 チャネル前駆体層
12 金属酸化物膜
20 ゲート電極
30 ゲート絶縁層(ゲート絶縁膜)
31 ゲート絶縁前駆体層
40 ソース電極
41、51 ソース電極・ドレイン電極の前駆体層
50 ドレイン電極
60 基板
70 封止層
80a、80b 取出し電極
90 金属箔
100 電界効果トランジスタ(例えば薄膜トランジスタ)
100’ 電界効果トランジスタ前駆体
200 管状炉
210 管状炉に設けられたヒーター
300 加熱炉(加熱チャンバー)
1000 画像表示装置
1100 TFT部
1200、1300 ドライバ部
1400 EL部
10 channel layer 11 channel precursor layer 12 metal oxide film 20 gate electrode 30 gate insulating layer (gate insulating film)
31 Gate insulating precursor layer 40 Source electrode 41, 51 Source electrode / drain electrode precursor layer 50 Drain electrode 60 Substrate 70 Sealing layer 80a, 80b Extraction electrode 90 Metal foil 100 Field effect transistor (for example, thin film transistor)
100 'field effect transistor precursor 200 tubular furnace 210 heater provided in the tubular furnace 300 heating furnace (heating chamber)
1000 Image display device 1100 TFT unit 1200, 1300 Driver unit 1400 EL unit
Claims (17)
金属塩、有機溶媒および水を含んで成る金属塩含有組成物を用いて前記チャネル層を形成し、
前記チャネル層の形成に際して、酸素ガスと不活性ガスとを含んで成る雰囲気ガス下で前記金属塩含有組成物を加熱処理することを特徴とする、電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a field effect transistor comprising a gate electrode, a source electrode, a drain electrode, a channel layer, and a gate insulating layer,
Forming the channel layer with a metal salt-containing composition comprising a metal salt, an organic solvent and water;
In forming the channel layer, the metal salt-containing composition is heat-treated in an atmospheric gas containing an oxygen gas and an inert gas.
(ii)前記ゲート電極を覆うように前記基板上に前記ゲート絶縁層を形成する工程、
(iii)前記金属塩含有組成物を前記ゲート絶縁層の上に供してチャネル前駆体層を形成し、該チャネル前駆体層を加熱してチャネル層を形成する工程、ならびに
(iv)前記チャネル層と接するように前記ソース電極および前記ドレイン電極を形成する工程
を含んで成り、
前記工程(iii)では、前記雰囲気ガス下で前記チャネル前駆体層の加熱処理を行うことを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製造方法。 (I) forming a gate electrode on the substrate;
(Ii) forming the gate insulating layer on the substrate so as to cover the gate electrode;
(Iii) providing the metal salt-containing composition on the gate insulating layer to form a channel precursor layer, and heating the channel precursor layer to form a channel layer; and (iv) the channel layer. Forming the source electrode and the drain electrode in contact with each other,
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1, wherein in the step (iii), the channel precursor layer is heat-treated under the atmospheric gas.
(ii)’前記金属箔上に前記ゲート絶縁層を形成する工程、
(iii)’ 前記金属塩含有組成物を前記ゲート絶縁層の上に供してチャネル前駆体層を形成し、該チャネル前駆体層を加熱してチャネル層を形成する工程、
(iv)’前記チャネル層と接するように前記ソース電極および前記ドレイン電極を形成する工程、
(v)’前記チャネル層、前記ソース電極および前記ドレイン電極を覆うように封止層を形成する工程、ならびに
(vi)’前記金属箔をエッチングして前記ゲート電極を形成する工程
を含んで成り、
前記工程(iii)’では、前記雰囲気ガス下で前記チャネル前駆体層の加熱処理を行うことを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製造方法。 (I) 'preparing a metal foil,
(Ii) 'forming the gate insulating layer on the metal foil;
(Iii) ′ providing the metal salt-containing composition on the gate insulating layer to form a channel precursor layer, and heating the channel precursor layer to form a channel layer;
(Iv) ′ forming the source electrode and the drain electrode in contact with the channel layer;
(V) ′ forming a sealing layer so as to cover the channel layer, the source electrode and the drain electrode; and (vi) ′ etching the metal foil to form the gate electrode. ,
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1, wherein in the step (iii) ′, the channel precursor layer is heat-treated in the atmosphere gas.
チャネル層、
ゲート電極、
前記チャネル層と前記ゲート電極との間に少なくとも位置するゲート絶縁層、および
前記チャネル層に接して配置されたソース電極およびドレイン電極
を有して成り、
前記チャネル層が金属酸化物を含んで成り、該金属酸化物が前記雰囲気ガス下の加熱によって前記金属塩含有組成物から形成された酸化物であって、前記チャネル層のキャリア濃度が1016/cm3〜1018/cm3となっていることを特徴とする、電界効果トランジスタ。 A field effect transistor obtained by the manufacturing method according to claim 1,
Channel layer,
Gate electrode,
A gate insulating layer positioned at least between the channel layer and the gate electrode; and a source electrode and a drain electrode disposed in contact with the channel layer,
The channel layer includes a metal oxide, and the metal oxide is an oxide formed from the metal salt-containing composition by heating under the atmospheric gas, and the carrier concentration of the channel layer is 10 16 / A field-effect transistor having cm 3 to 10 18 / cm 3 .
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