ミストを用いた薄膜成長法の開発とデバイス作製プロセスへの適用 Thin film fabrication technology development using mist, and its application to device fabrication process.

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せぴあすずがみね
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1 ミストを用いた薄膜成長法の開発とデバイス作製プロセスへの適用 Thin film fabrication technology development using mist, and its application to device fabrication process. 高知工科大学ナノテクノロジー研究所李朝暘, 川原村敏幸 1

2 薄膜作製に求められる条件高品質かつ均質な薄膜を作製する為に必要な条件供給する原料流の制御活性力の高い原料反応の単一化制御真空大気圧 2

3 非真空プロセスの利点プロセス装置 3.2% 3 mm 半導体工場の電力割合 Ref. 設備エネルギー削減研究会 (ISMI) % 真空ポンプ 56.6% 工場の設備や施設非真空プロセスの利点運転コスト削減設備投資メンテナンスの簡便さ電子デバイス作製プロセスの非真空プロセス転用のメリットは非常に大きい! 安定で蒸気圧の低い材料を用いて電子デバイスを構成する機能薄膜を作製する手法の開発 3

4 私の研究内容 A. 安定で蒸気圧の低い材料を搬送させる手法の開発 B. 薄膜の作製とその特性評価 C. デバイスの作製とその特性評価 LED 1 mm 1 mm TV 1 原料溶液をミスト化して 2 搬送し 3 薄膜化させる 4

5 ミストデポジション (MD) 法原料供給部成膜部希釈ガス (2) キャリアガスミスト (1) ミスト (3) 基板超音波熱排ガス 1. 原料溶液を何らかの方法で噴霧 2. キャリアガスによって成膜部に運ぶ 3. 熱分解により基板上に成膜させる簡単な方法 & 構成安全な材料の選択が可環境への負荷が少なく汎用性が高く酸化物を作製するための方法詳細 http//repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/handle/2433/5727 5

6 薄膜作製手法薄膜作製手法一覧気相成長法液相成長法 ( ソルーションプロセス ) 物理気相成長 (PVD) 化学気相成長 (CVD) 塗布法ゾルゲル法メッキ法真空蒸着法抵抗加熱電子ビーム電磁誘導加熱 MBE 法蒸着重合法イオンプレーティング法高周波ホロカソード (HCD) 反応性スパッタ法 DC RF マイクロ波マルチアークイオンビーム反応性プラズマCVD 容量結合誘導結合マイクロ波熱 CVD ALD MOCVD 川原村他, コンバーテック, Vol.39 No.6 (211) pp.111 スプレー法印刷法インクジェット法ミスト法スピンコートディップコート非平衡反応平衡反応活性力の高い原料気化しやすい原料安定な原料 6

7 List of metal oxide producible with mist CVD There is no thin film which was not grown in the past experiment. Fabricating thin films Non-metal element 7

8 ミスト法の装置群 Hot Wall type furnace heater Mist generator carrier gas dilution gas substrate Quartz tube Linear Source type linear source nozzle substrate curtain-like flow scan system mist solution ultrasonic generator Fine Channel type Solution mist gas mixing part Reaction space 1 mm height Exhaust gas substrate heater 8

UMG-21-1-3b-A4 超音波噴霧器と電源 Dilution gas (Air, Ar, N 2, O 2 )

carrier gas 概念図 dilution gas mist solution Ultrasonic generator

9 UMG b-A4 超音波噴霧器と電源 Dilution gas (Air, Ar, N 2, O 2 ) Power source TEXIO PA36-3B Carrier gas (Air, Ar, N 2, O 2 ) carrier gas 概念図 dilution gas mist solution Ultrasonic generator (Water bas) ultrasonic generator UMG b-A4 Made by T.K. in Japan 9

Exhaust gas substrate heater Fine Channel structure Ultrasonic generator

10 ファインチャネル式ミスト CVD システム Supplier Reactor carrier gas dilution gas mist solution ultrasonic generator Solution mist gas mixing part Reaction space 1 mm height Exhaust gas substrate heater Fine Channel structure Ultrasonic generator UMG b-A4 FCM-6 Power source TEXIO (PA36-3B) Heater Scalar 高知工科大学ナノテクノロジー研究所で実際に使用している装置 1

11 FC 式ミストシステムの膜厚分布 φ1 mm AlO x IGZO 35 C 6 ZnO 25 C The distribution of thickness AlO x almost uniform. IGZO ±1%. ZnO not uniform Thickness dramatically decrease from upper side to lower side. For getting uniform thin film, we must optimized the flow and reaction. 11

12 リニアソース式ミスト CVD の概略図 d.g. linear source nozzle c.g. substrate curtain-like flow scan system Suitable for large-area substrate and continuous deposition. 12

13 ホットウォール式ミスト CVD システム d.g. furnace heater c.g. Quartz tube substrate 京都大学にある装置 Thermocouple d.g. furnace c.g. Ultrasonic generator (ver.27) 13

14 透明導電性酸化亜鉛 (ZnO ) 薄膜 Al doped ZnO Zinc source Solvent 1 Solvent 2 Concentration Growth temperature Growth time Substrate Carrier gas (flow rate) Dilution gas (flow rate) Dopant source Dopant concentration ZnAc % *1 Methanol 9 ml *2 H 2 O 1 ml *3.5 mol/l 5 ºC 1 min Soda-glass *4 Ar (1 L/min) Ar (2 L/min) Al(acac) 3 *4, 1, 3, 5, 7, 9 % *1 Zinc acetic acid dehydrate (ZnAc 2 ) from Aldrich *2 Wako Pure Chemical Industries, Ltd.; the purity is over 99 % *3 Ion-exchange purified water from TRUSCO * mm 2 mitorika Glass Co. Ltd. *5 Aluminum Acetylacetonate, nacalai tesque resistivity [Ωcm] Trancemittance [%] glass energy [ev] 2. 7 % 5 % 3 % 1 % % % wavelength [nm] (a) Al conc. [%] carrier conc. [cm -3 ] mobility [c m 2 / Vs]

15 酸化ガリウム (Ga 2 O 3 ) 薄膜 Intensity [a.u.] ミスト CVD 法では α-ga 2 O 3 が作製できる β β(42) Sapphire (6) θ Cu Ka [degree] Transmittance [%] 4 C 程度 amorphous 5 C 程度単結晶化 β(63) Sapphire (9) 4 C 415 C 445 C 47 C 5 C (αhν) 2 [1 16 cm -2 ev 2 ] Intensity [a.u.] Intensity [a.u.]α ω Cu Kα 1 [degree] FWHM = 13 arcsec FWHM = 51 arcsec θ Cu Ka [degree] wavelength [nm] Energy [ev] Wavelength [nm] α-ga 2 O 3 (6) α-ala 2 O 3 (6) 励起子による吸収? 直線遷移型? Thickness (nm) ω FWHM (arcsec) Resistivity (Ωcm) Carrier Concentration (cm -3 ) Mobility (cm 2 V -1 s -1 ) ドーピングにも成功! undefined undefined Sn doping ratio (at.%) 15

16 IGZO 薄膜 Thickness (nm) Resistivity (Ωcm) Carrier Concentration (cm -3 ) Mobility (cm 2 V -1 s -1 ) 電子密度低下! O Temperature ( C) ST 4 Solute1 Indium acetylacetonate (In(acac) 3 ) Solute2 Gallium acetylacetonate (Ga(acac) 3 ) Solute3 Zinc acetylacetonate (Zn(acac) 2 ) Solvent Distillated water, Methanol (mixing ratio 1 9) Solution concentration.3 (111) mol/l Thickness 2 nm Substrate temperature 25-4 C, interval 25 C Substrate Quartz, Eagle XG Growth system φ1 mm ver. Fine Channel type mist CVD system Carrier gas / flow rate Air, 2.5 L/min 2 Dilution gas / flow rate Air, 1. L/min 2 Assistance gas / flow rate O 3 > 8 ppm in Air 1.5 L/min Ultrasonic transducer 2.4 MHz, 24 V.625 A, 6 (Frequency, Power, Number) O 3 支援により薄膜の結合状態の改善や酸素欠陥の量が改善する事により IGZO 薄膜の特性が向上! O 3 支援により改善 > 35ºC 凹凸により悪化 Toshio Kamiya, et al. Sci. Technol. Adv. Mater., 11 (211)

17 B. IGZO TFT の作製プロセス (1) ゲート電極形成基板 ( ガラス ) 電極 (Cr, ITO) SPT 法, 15ºC, 5 nm パターン形成 Wet etching, Dry etching (2) ゲート絶縁膜形成絶縁膜 (AlO x ) (3) チャネル層形成活性層 (IGZO ( 溶液中組成比 111)) (4) ソースドレイン電極形成電極 (ITO) 大気圧ミスト CVD 法, 43ºC, 1 nm 大気圧ミスト CVD 法, 35ºC, 5 nm パターン形成 Wet etching SPT 法, RT, 5 nm パターン形成 Wet etching ( リフトオフ ) (5) 活性層熱処理 H 2 (5%) + N 2, 35ºC, 1 h 17

18 改善してきた TFT 特性 Drain current, I D (A) Gate current, I G (A) 初期 V D = 2.1 V W/L = 3/45.1 V µ lin I G 1 2 Gate voltage, V G (V) -1 界面の改善 W/L = 2/45 V D = 2.1 V µ lin.1 V I G 1 2 Gate voltage, V G (V) -1 アルミナの低温化 V D = 2.1 V W/L = 45/45 µ lin.1 V I G 1 2 Gate voltage, V G (V) -1 IGZO 薄膜の改善 W/L = 2/45 1 V D = 2.1 V 8 µ lin.1 V I G 1 2 Gate voltage, V G (V) Mobility, µ (cm 2 V -1 s -1 ) Mobility μ (cm 2 V -1 s -1 ) Linear Saturate V GS at I DS = 1 na (V) S 1-1 pa Hysteresis ΔV H (V) I on /I off at V GS = 3/-1 V Gate leakage V G = 2V >1 8 < >1 8 < >1 8 < >1 8 <

19 まとめ - O 3 支援により改善したポイント (1) ゲート電極形成基板 ( ガラス ) (2) ゲート絶縁膜形成電極 (Cr, ITO) 絶縁膜 (AlO x ) 薄膜への効果 A. アルミナ (AlO x ) の特性改善 1. 低温化 2. 絶縁破壊電界向上 3. 誘電率向上 4. 密度の向上 5. 表面ラフネス改善 TFT への効果 A. 信頼性向上界面処理により信頼性の向上を確認 B. 後処理工程 N 2 で駆動を確認 (3) チャネル層形成活性層 (IGZO ( 溶液中組成比 111)) (4) ソースドレイン電極形成電極 (ITO) B. IGZO/AlO x 界面の改善 1. 界面の有機物除去 2. IGZO の特性改善? C. IGZO の特性改善 1. 表面ラフネスの向上 2. 電子密度が低下 3. 酸素欠陥の改善 4. 密度の向上? 5. 面内組成分布の改善 C. 面内組成均一性面内で均質 (5) 活性層熱処理 N 2, 35ºC, 1 h O 3 支援により真空プロセスで作製した IGZO TFT と同等性能の IGZO TFT を作製する事ができた! 19

20 C. 高配向酸化亜鉛ナノ構造体を用いた rf-spt 単結晶薄膜作製技術還元雰囲気熱処理ミスト CVD 43 ºC, ZnAcac 2, MeOH & H 2 O, Ar, 1 h ZnO 薄膜 /ZnO Nano Structure の作製条件溶質 ZnAcac 2 溶媒 ( 混合率 ) 蒸留水, メタノール (1 9) 濃度.2 mol/l 時間 6 min 基板温度 43 C 基板 Qz システム 3 mm 角 ver. FCシステムキャリアガス ( 流量 ) 空気, 2.5 L/min 希釈ガス ( 流量 ) 空気, 4.5 L/min 超音波 ( 波長出力数 ) 2.4 MHz, 24 V.625 A, 3 2

21 ナノストラクチャーの作製 As depo 熱処理後 FG 6h, O2 2h, FG, 8h Diameter (Head/Bottom) Height (nm) Density (cm -2 ) 熱処理後 16/

unit) 3 熱処理後 2 1 ZnO (2) 3 32 34 36 38 4

22 ナノ構造体の埋め込み CVD 後上面図 CVD 後断面図 1 nm 1 nm Intensity (arb. unit) 3 熱処理後 2 1 ZnO (2) θ Cu Κα (degree) 3 CVD 後 ZnO (2) θ Cu Κα (degree) 22

23 上り詰めてきたミスト CVD 法皆さん一緒に研究いたしませんか? 高品質かつ均質な薄膜を作製する為に必要な条件供給する原料流の制御活性力の高い原料反応の単一化制御ミスト CVD 法が抱えていた問題とその解決方法が徐々に分かってきた! さらに突き詰めるぞ! ミスト CVD 高度に発展してきた既存手法と同じ土台に立てるまでやっと上り詰めてきた! 大気圧 23

24 お問合せ先高知工科大学研究連携部社会連携課 Tel , Fax 高知工科大学ナノテクノロジー研究所 Web page http// 高知工科大学ナノテクノロジー研究所川原村 Web page http// 24

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untitled 213 74 AlGaN/GaN Influence of metal material on capacitance for Schottky-gated AlGaN/GaN 1, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1 1 AlGaN/GaN デバイス ① GaNの優れた物性値 ② AlGaN/GaN HEMT構造ワイドバンドギャップ半導体 (3.4eV) 絶縁破壊電界が大きい

ミストを用いた薄膜成長法の開発と デバイス作製プロセスへの適用 Thin film fabrication technology development using mist, and its application to device fabrication process.

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