JP2005072528A - 薄層電界効果トランジスター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】金属／絶縁体／半導体構造を有する薄層電界効果トランジスターにおいて、半導体層及び絶縁層を形成する物質が有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物であることを特徴とする薄層電界効果トランジスター。
【効果】本発明によれば、ＴＦＴの半導体層及び絶縁層材料の両者を高分子化合物とすることで、従来の金属系半導体及び絶縁体の使用における回路形成技術をフォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理をすることなく、ＴＦＴ欠陥の確率を減少させて、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、シリコン半導体や化合物半導体を利用した薄層電界効果トランジスター（ＴＦＴ）、特に液晶ディスプレイにおけるＴＦＴ及びその製造方法に関する。

シリコン半導体や化合物半導体を利用したＴＦＴは、一般的な集積回路以外にも、その利用分野は拡大している。特に、液晶ディスプレイにおけるＴＦＴの使用は常識化している。
特に近年、液晶ディスプレイは、ディスプレイの大型化とともに精細化も進みつつあり、従来以上に画素数に対応した多数のＴＦＴの組み込みが要求されるようになってきている。

しかし、従来から用いられている通常の金属系半導体では、基板上に回路を形成する際、フォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理から、画面上に形成されるＴＦＴに僅かの欠陥を生ずることが避けられなかった。しかも、これらの処理によりＴＦＴの製造コストを低減するには一定の限界があった。他の薄型ディスプレイ、即ちプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイにおいても、ＴＦＴを用いる場合には同様なことがいえる。
また、近年の大面積及び精細化傾向は、ＴＦＴの製造における欠陥の確率を高める傾向になっており、このＴＦＴ欠陥を最小限とする方法が強く望まれている。

一方、金属／絶縁体／半導体（ＭＩＳ）構造を有するＴＦＴにおいて、絶縁体及び半導体の材料を有機物とする試みがなされている。例えば、特表平５−５０８７４５号公報（特許文献１）では、絶縁層として比誘電率５以上の絶縁性有機高分子を、半導体層として重量平均分子量２，０００以下の多共役有機化合物を用いて作製されたデバイスが電界効果を示し、その移動度が１０^-2ｃｍ²Ｖ^-1ｓ^-1程度であることが記載されている。しかし、有機半導体材料としてα−セキシチエニルを用いて、蒸着により半導体層を形成することから、フォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理が必要となり、コストの低減が図られない。

特表平５−５０８７４５号公報

本発明者は、上記事情に鑑みなされたものであり、従来よりもキャリアー移動度が高く、欠陥を最小限に抑えた薄層電界効果トランジスター及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、金属／絶縁体／半導体（ＭＩＳ）構造を有するＴＦＴにおいて、半導体層及び絶縁層を形成する物質として有機溶剤に溶解可能な高分子化合物を用いた簡便な方法により、従来よりもキャリアー移動度を高めることができることを見出し、本発明を成すに至ったものである。

従って、本発明は、以下の薄層電界効果トランジスター及びその製造方法を提供する。
（１）金属／絶縁体／半導体（ＭＩＳ）構造を有する薄層電界効果トランジスター（ＴＦＴ）において、半導体層及び絶縁層を形成する物質が有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物であることを特徴とする薄層電界効果トランジスター。
（２）重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物を有機溶剤に溶解して、高分子溶液を塗着、乾燥させて半導体層及び絶縁層を形成することを特徴とする薄層電界効果トランジスターの製造方法。

本発明によれば、ＴＦＴの半導体層及び絶縁層材料の両者を高分子化合物とすることにより、従来の金属系半導体及び絶縁体の使用における回路形成技術でフォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理をすることなく、ＴＦＴ欠陥の確率を減少させて、製造コストの低減を図ることが可能となる。

本発明のＴＦＴは、例えば図１に示されているように、ＳｉＯ₂等の基板１上にゲート電極となる金属層２が形成され、その上に絶縁層３が形成され、更にその上に半導体層４が形成されると共に、この半導体層４上にソース電極５及びドレイン電極６が形成されたものである。この場合、金属層としては、一般的なＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜又は物理的気相蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や有機金属化学気相蒸着法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ：ＭＯＣＶＤ）によるＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等のの単独金属又はＡｕ／Ｔｉ、Ｃｕ／Ｔｉ、Ａｌ／Ｔｉ等の積層金属を使用することができるが、本発明の目的から印刷により作製できることが好ましいので、実用上問題がなければ導電性金属ペーストの使用が好ましい。

本発明のＴＦＴにおいて、絶縁層を形成する物質は、有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物、好ましくはシアノ基を有する絶縁性高分子化合物である。具体的にはシアノエチルプルラン、シアノエチルセルロース、シアノエチルポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル等が挙げられる。これらのシアノ基を有する絶縁性高分子化合物は、例えばシアノエチルプルランの場合、プルラン樹脂をアルカリ触媒存在下、アクリロニトリルと反応させることにより得られる（特公昭５９−３１５２１号公報参照）。この場合、本発明のシアノ基の置換率（シアノエチルプルランの場合、シアノエチル基の置換率）は８０モル％以上、好ましくは８５モル％以上が望ましい。これは、充分に向上した移動度を示すＴＦＴを得るためには、一定以上のシアノ基の極性基濃度が必要であるばかりでなく、残存水酸基量が多いとロスファクターである誘電正接が増加し、本発明の目的において好ましくない場合があるからである。

また、本発明のＴＦＴにおいて、半導体層は、有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物であれば特に限定されるものではないが、絶縁層が溶解しない有機溶媒に溶解する必要がある。これは、積層により半導体層及び絶縁層を形成しようとすると、一般的には界面状態が均一にならないと考えられているからである。

従来、有機ＴＦＴの検討においては、特表平５−５０８７４５号公報（特許文献１）にも記載されているように、有機絶縁膜上に有機半導体層を蒸着により形成する方法や無機系絶縁膜上に有機半導体層のみを形成する方法が採られていた。例えば、有機半導体材料及び有機絶縁材料共に同一の有機溶剤に溶解して用いた場合、塗着、乾燥により得られた有機絶縁層上に、有機半導体材料を溶解した溶解液を塗着した場合、その塗着界面において有機絶縁材料の微少な溶解を生じ、最終的に乾燥して得られた積層界面には乱れを生ずることとなる。しかし、本発明においては、半導体材料及び絶縁材料を溶解する有機溶剤種類を変えること、即ち、いずれかの材料がいずれかの有機溶媒に溶解しないものを用いることによって、この問題を回避することに成功した。具体的には、半導体層を形成する高分子化合物としては、ポリチオフェン類、ポリピロール類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリチェニレンビニレン類、ポリフェニレンビニレン類等が挙げられるが、有機溶媒への可溶性、良好な加工性及び安定性及び高いキャリアー移動度を考慮すると、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）等のポリチオフェン類が特に好ましい。

この場合、絶縁層を構成する高分子化合物を溶解する有機溶媒としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、アセトン、アセトニトリル、γ−ブチルラクトン等が使用され、一方、半導体層を構成する高分子化合物を溶解する有機溶媒としては、クロロホルム、トルエン、ヘキサン、アルコール類等が使用される。いずれの場合も１種又は２種以上を混合して用いることができる。

本発明において、金属層からなるゲート電極上に重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁層を形成後、絶縁層が溶解しない有機溶媒に溶解する半導体層を形成する薄層電界効果トランジスターの製造方法は、公知の方法を用いることができる。例えば、ガラス又は一般的なポリマーシート等から選択された基板上にゲート電極となる金属層をスパッタリングで形成するか、あるいは金属ペーストや導電性高分子等をスピンコート、スクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥して形成する。なお、一般的に入手可能なＩＴＯ膜付きガラスを用いてもよい。
形成されたゲート電極上に、絶縁層を形成する物質を有機溶媒に溶解した溶液をスピンコート、スクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥して絶縁層を形成する。

その後、上記絶縁性高分子化合物が溶解しない有機溶媒に半導体層を形成する物質を溶解した溶液を、絶縁層上にスピンコート、スクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥して半導体層を作製する。なお、この際に絶縁層−半導体層間の界面で半導体分子を配向させるために、絶縁層表面に公知のラビング処理等、物理的処理を行ってもよい。
最後に、半導体層上にソース及びドレイン電極をスパッタリングで形成するか、金属ペーストや導電性高分子等をスクリーン印刷、インクジェット印刷により塗布、乾燥する。

本発明のＴＦＴは、金属層からなるゲート電極上に絶縁層を設け、更にその上に半導体層を形成した構造であり、ゲートに電位が付加されることにより電場を形成し、電界効果により絶縁層近傍の半導体中に電荷を生じ、半導体層上にソース及びドレイン電極が形成されて、両電極間の半導体層中に導電性領域、いわゆるチャンネルを形成するものである。
これは、絶縁層と半導体層の界面状態が非常に重要であり、その界面が平坦である程、好ましいことを意味する。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
絶縁層材料として、シアノエチル基置換率が８５．２モル％であるシアノエチルプルラン（ＣｙＥＰＬ、信越化学工業（株）製、ＣＲ−Ｓ、重量平均分子量：４９，０００）を、有機半導体層材料としてポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ、ＡＬＤＲＩＣＨ社製、重量平均分子量：８７，０００）を用い、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）を溶解する有機溶媒としてシアノエチルプルランを溶解しないクロロホルムを用いて、下記に示す方法でＴＦＴを作製し、評価した。
ガラス（ＳｉＯ₂）基板上に、室温，背圧１０^-4Ｐａの条件でＲＦスパッタ法によりＴｉを５ｎｍ蒸着し、次いでＡｕを２０ｎｍ蒸着することでゲート電極を作製した。
次に、ゲート電極上に、絶縁層材料であるシアノエチルプルランのＮ−メチル−２−ピロリドン１５質量％の溶液を０．２μｍメンブランフィルターで濾過後、スピンコートして１００℃で１時間乾燥し、絶縁層を形成した。

形成された絶縁層上に、有機半導体層材料であるポリ（３−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム０．８質量％溶液を、０．２μｍメンブランフィルターで濾過後、スピンコートし、１００℃で１時間乾燥し、膜厚５０ｎｍの半導体層を形成した。
基板を−２０℃に冷却し、有機半導体層にメタルマスクを介して、背圧１０^-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法により、Ａｕを３００ｎｍ蒸着し、ソース及びドレインとなる５０μｍの間隔（図１においてＬ＝５０μｍ）で隔てられた４ｍｍ幅（図１においてＷ＝４ｍｍ）の二つの電極を作製した。

［比較例１］
絶縁層材料として、シアノエチル基置換率が８５．２モル％であるシアノエチルプルラン（ＣｙＥＰＬ、信越化学工業（株）製、ＣＲ−Ｓ）を用い、有機半導体層材料として銅フタロシアニンを用い、下記に示す製法でＴＦＴを作製し、評価した。
ガラス（ＳｉＯ₂）基板上に、室温，背圧１０^-4Ｐａの条件でＲＦスパッタ法によりＴｉを５ｎｍ蒸着し、次いでＡｕを２０ｎｍ蒸着することでゲート電極を作製した。
次に、ゲート電極上に、絶縁層材料であるシアノエチルプルランのＮ−メチル−２−ピロリドン１５質量％の溶液を、０．２μｍメンブランフィルターで濾過後、スピンコートし、１００℃で１時間乾燥し、絶縁層を形成した。

形成された絶縁層上に銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）を、室温，背圧１０^-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法により蒸着し、膜厚５０ｎｍの半導体層を形成した。
基板を−２０℃に冷却し、有機半導体層にメタルマスクを介して、背圧１０^-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法によりＡｕを３００ｎｍ蒸着し、ソース及びドレインとなる５０μｍの間隔で隔てられた４ｍｍ幅の二つの電極を作製した。

［比較例２］
絶縁層材料としてＳｉＯ₂を用い、有機半導体層材料として銅フタロシアニンを用いて、下記に示す製法でＴＦＴを作製し、評価した。
ｐ型ドープのシリコン基板をアニール炉で処理し、絶縁膜として３００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ₂）を作製した後、鏡面処理されていない裏面のみをフッ酸処理し、酸化膜を除去した。この処理した裏面のみを室温で、背圧１０^-4Ｐａの条件でＲＦスパッタ法によりＴｉを５ｎｍ蒸着し、次いでＡｕを２０ｎｍ蒸着することでゲート電極を作製した。

次いで、絶縁層となる酸化膜面上に、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）を室温で、背圧１０^-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法により蒸着し、膜厚５０ｎｍの半導体層を形成した。
基板を−２０℃に冷却し、有機半導体層にメタルマスクを介して、背圧１０^-5Ｐａ以下の条件でＲＦスパッタ法により、Ａｕを３００ｎｍ蒸着し、ソース及びドレインとなる５０μｍの間隔で隔てられた４ｍｍ幅の二つの電極を作製した。

［ＴＦＴ評価方法］
作製した素子を真空プローバ中で基板を５０℃に加熱し、真空中（１０^-4Ｔｏｒｒ以下）で１時間放置した後、プローバを用いて、真空中遮光下、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ社製半導体パラメータアナライザＳＣＳ４２００を用いてＴＦＴ特性を評価した。
結果を表１に示す。
また、実施例１の電界効果特性を示すＩ_SD−Ｖ_SD特性を図２に示す。

上記比較例１と２の結果より、ＣｙＥＰＬを有機絶縁層材料としたほうが、通常のＳｉＯ₂を用いるよりも移動度が向上している。更に、一般的には界面の乱れにより移動度が向上しないと考えられている方法、即ち、有機絶縁層及び有機半導体層ともに塗着、乾燥により作製した実施例１に示すＴＦＴの移動度が最も高い値を示している。本発明のＴＦＴの移動度の向上は、ゲートに電位が印加された時に絶縁層−半導体層の界面に極性基が配向することにより、チャンネルの形成が増長されることによると考察できる。

本発明のＴＦＴの一態様を示す斜視図である。 本発明の実施例のＴＦＴのＩ_SD−Ｖ_SD特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板
２ 金属層（ゲート電極）
３ 絶縁層
４ 半導体層
５ ソース電極
６ ドレイン電極

Claims (4)

1. 金属／絶縁体／半導体構造を有する薄層電界効果トランジスターにおいて、半導体層及び絶縁層を形成する物質が有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物であることを特徴とする薄層電界効果トランジスター。
2. 絶縁層を形成する高分子化合物が、シアノ基を有する絶縁性高分子化合物であることを特徴とする請求項１記載の薄層電界効果トランジスター。
3. 半導体層を形成する物質が、ポリチオフェン類であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄層電界効果トランジスター。
4. 金属層からなるゲート電極上に重量平均分子量２，０００を超え１，０００，０００以下の高分子化合物を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁層を形成後、絶縁層が溶解しない有機溶媒に溶解する半導体層を形成することを特徴とする薄層電界効果トランジスターの製造方法。
   

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