JP2006100618A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微粒子とこの微粒子に結合した有機半導体分子とによって導電路が形成され、その導電性が電界によって制御されるように構成された半導体装置及びその製造方法であって、デバイス構造を工夫することによって性能が向上した半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】 金などの微粒子１０と、この微粒子に結合した有機半導体分子１３との結合体を電極２の上に層状に形成し、電極２の反対側の結合体層の面上に電極６を設け、電極２と電極６との間の結合体層の膜厚方向に形成された導電路の導電性を、ゲート電極４を通じて制御する縦型電界効果トランジスタを形成する。上記結合体層では微粒子１０と有機半導体分子１３とが交互に結合したネットワーク型の導電路が形成される。この導電路では、有機半導体分子内の導電路が微粒子内の導電路によって連結され、有機半導体分子内の移動度を最大限に利用することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導体又は半導体からなる微粒子と有機半導体分子とによって導電路が形成されている導電体及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置及びその製造方法に関するものである。

薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；以下、ＴＦＴと略記する）は、電子回路、特にディスプレイ等のアクティブマトリックス回路におけるスイッチング素子として広く用いられている。

現在、大部分のＴＦＴは、半導体層（チャネル層）としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓi）または多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓi）を用いるＳi系無機半導体トランジスタである。これらの製造は、半導体層形成にプラズマＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長法）などを用いるため、プロセスコストが高い。また、３５０℃程度の高温での熱処理が必要であることから、プロセスコストが高くなるとともに、基板が制約される。

近年、スピンコーティングや浸漬などの低い温度下での低コストのプロセスで製造でき、プラスチック等の耐熱性のないフレキシブルな基板等へも製膜することができることから、有機半導体材料を用いた有機半導体トランジスタの開発が盛んに行われている。

しかしながら、有機半導体材料では、ＴＦＴの特性指標である移動度は、典型的な値として１０^-3〜１ｃｍ²／Ｖｓが得られているにすぎない（C.D.Dimitrakopoulosら, Adv. Mater., 14, 99 (2002)）。この値は、ａ-Siの移動度である数ｃｍ²／Ｖｓやｐｏｌｙ−Ｓiの移動度である約１００ｃｍ²／Ｖｓに比べて低く、ディスプレイ用ＴＦＴで要求される移動度１〜３ｃｍ²／Ｖｓに達していない。このため、移動度を改善することが有機半導体材料開発の大きな課題となっている。

有機半導体材料の移動度は、分子内の電荷移動及び分子間の電荷移動によって決定される。分子内の電荷移動は、π電子が非局在化して共役系を形成することによって可能となる。分子間の電荷移動は、分子間の結合、ファンデルワールス力による分子軌道の重なりによる伝導、又は、分子間のトラップ準位を介してのホッピング伝導によって行われる。

この場合、分子内での移動度をμ-intra、分子間の結合による移動度をμ-inter、分子間のホッピング伝導の移動度をμ-hopとすると、
μ-intra ≫ μ-inter ＞ μ-hop
の関係がある。有機半導体材料では、遅い分子間の電荷移動が全体としての移動度を制限しているため、電荷の移動度が小さくなっている。

そこで、後述の特許文献１では、導体または半導体からなる微粒子と、この微粒子と結合した有機半導体分子とによってネットワーク型の導電路を形成し、この導電路の導電性を電界によって制御できるように構成した半導体装置及びその製造方法が提案されている。

図８は、特許文献１に開示されている絶縁ゲート型電界効果トランジスタの断面図（ａ）と、要部拡大図（ｂ）と、電荷移動のイメージ図（ｃ）である。この電界効果トランジスタでは、ソース電極１０４とドレイン電極１０５との間に、金などの微粒子１０７と、４，４’−ビフェニルジチオールなどの有機半導体分子１０８とがネットワーク状に結合した結合体層によってチャネル層１０６が形成されている。

図８（ｂ）に示すように、上記の結合体層では、有機半導体分子１０８が両端にある官能基によって微粒子１０７と結合し、これによって微粒子１０７と有機半導体分子１０８とが交互に連結され、微粒子１０７内の導電路と有機半導体分子１０８内の導電路とが接続された導電路が形成される。

そして、微粒子１０７には多数の有機半導体分子１０８が結合できるので、図８（ｃ）に示すように、全体としては二次元または三次元網目状に連結されたネットワーク型の導電路１０９が形成される。チャネル層１０６における電気伝導は、このネットワーク型の導電路１０９を通じて行われ、チャネル層１０６の導電性はゲート電極１０２に印加する電圧によって制御される。

上記の導電路は、有機半導体分子内の導電路が微粒子内の導電路によって連結され、有機半導体分子内の移動度を最大限に利用することができるネットワーク型の導電路であり、高い移動度が期待される。

一方、電界効果トランジスタなどの半導体装置のデバイス構造を工夫することによって半導体装置としての性能改善をはかる提案もなされている。例えば、後述の特許文献２などでは、有機薄膜の縦方向、すなわち膜厚方向に電流を流す縦型有機電界効果トランジスタが提案されている。

図９は、特許文献２に開示されている縦型有機電界効果トランジスタの平面図（ａ）と、断面図（ｂ）とである。但し、断面図（ｂ）は、平面図（ａ）のＡ−Ａ’線の位置における断面図である。

この縦型有機電界効果トランジスタでは、絶縁体からなる基板１１１の上に、ソース電極１１３と有機半導体層１１６とドレイン電極１１４とが、基板１１１に垂直な方向に積層して形成され、これらの積層体の側部にゲート絶縁膜１１５を介してゲート電極１１２が設けられている。ゲート絶縁膜１１５はゲート電極１１２の上部にも形成され、その一部を貫通して設けられたゲート電極コンタクト１１７を通じてゲート電極１１２に電圧を印加するように構成されている。

このトランジスタの動作時には、ゲート電極１１２に印加された電圧によって、ゲート絶縁膜１１５と有機半導体層１１６との界面にチャネルが形成され、電流はゲート絶縁膜１１５に沿って有機半導体層１１６中を積層方向（膜厚方向）に流れる。

このような縦型有機電界効果トランジスタでは、チャネル長を有機半導体層１１６の厚さで制御でき、１μｍ以下のチャネルを容易に形成できる。また、ゲート電極と、ソースまたはドレイン電極との間の寄生容量が極めて小さくなるため、安定な動作が可能になることが指摘されている。

特開２００４−８８０９０号公報（第１１−１４頁、図１及び２） 特開２００４−１５００７号公報（第７−９頁、図１）

前述したように、特許文献１に開示されている導電路は、有機半導体分子内の導電路が微粒子内の導電路によって連結され、有機半導体分子内の移動度を最大限に利用することができるネットワーク型の導電路である。

しかしながら、特許文献１に開示されている絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、微粒子１０９と有機半導体分子１１２とがネットワーク状に結合した結合体層の横方向、すなわち結合体層を形成した基板面に平行な方向に電流を流す横型電界効果トランジスタの構造をとっている。

電界効果トランジスタを横型構造で作製する場合、ゲート長が数十ｎｍのものを作製しようとすると、複雑でコストのかかる微細加工技術を用いる製造工程が必要になる。更に、ゲート長を数ｎｍから数十ｎｍの範囲で所望の長さに制御することも容易ではない。

また、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５と結合体層１０６との接合部において、電極との間隔が有機半導体分子１０８の分子長より大きい微粒子１０７が存在すると、この微粒子１０７を有機半導体分子１０８で電極に連結することができなくなり、ソースおよびドレイン電極と結合体層１０６との電気的な接続が不十分になって、半導体装置としての性能が低下する。

また、後述するように、上記結合体層における縦方向の導電路の形成は微粒子１０９の固定化と同時に行われるのに対し、横方向の導電路は微粒子１０９を固定した後に有機半導体分子１１２を作用させることによって形成される。このため、有機半導体分子１１２によって微粒子１０９の間を連結する効果的なネットワークを形成するには、隣り合う微粒子の表面間の距離が有機半導体分子の分子長にほぼ等しく、かつ広い範囲で一定であるように固定しておく必要がある。しかしながらゲート絶縁膜１０３の表面は完全な平坦面ではなく、その上に固定化された微粒子間の間隔にばらつきが生じ、ネットワーク化の効率が落ちて、半導体装置の性能が低下してしまう可能性がある。また、種々の表面分析法を用いても、微粒子間のネットワーク化、すなわち有機半導体分子と微粒子の結合や導電路形成を直接的に確認すること自体が難しいという問題点がある。

これらの問題点は、電界効果トランジスタなどの半導体装置のデバイス構造を工夫することによって改善できる可能性がある。しかしながら、微粒子と有機半導体分子とによってネットワーク型の導電路を形成し、この導電路の導電性を電界によって制御できるように構成された半導体装置であって、横型電界効果トランジスタ以外のデバイス構造をとるものは、まだ提案されていない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、微粒子とこの微粒子に結合した有機半導体分子とによって導電路が形成され、その導電性が電界によって制御されるように構成された半導体装置及びその製造方法であって、デバイス構造を工夫することによって性能が向上した半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

即ち、本発明は、導体又は半導体からなる微粒子と、この微粒子に結合した有機半導体分子との結合体が第１電極に接して層状に形成され、前記第１電極とは反対側の前記結合体層の面上に第２電極が設けられ、かつ、前記結合体層を介して前記第１電極と前記第２電極との間に形成された導電路の導電性が、電界によって制御されるように構成された、半導体装置に係わり、また、前記半導体装置の製造方法であって、
基体上に前記第１電極を設ける工程と、
前記第１電極に接して、導体又は半導体からなる微粒子と、この微粒子に結合した有 機半導体分子との結合体を層状に形成する工程と、
前記第１電極とは反対側の前記結合体層の面上に第２電極を形成する工程と、
前記結合体層を介して前記第１電極と前記第２電極との間に形成された導電路の導電 性を、電界によって制御する制御部を形成する工程と
を有する、半導体装置の製造方法に係わるものである。

本発明の半導体装置によれば、導体又は半導体からなる微粒子と、この微粒子に結合した有機半導体分子との結合体が第１電極に接して層状に形成され、前記第１電極とは反対側の前記結合体層の面上に第２電極が設けられているので、前記微粒子が前記有機半導体分子によって三次元的に連結される。この結果、前記有機半導体分子内の導電路が前記微粒子内の導電路によって連結され、前記有機半導体分子内の移動度を最大限に利用することができるネットワーク型の前記導電路が形成される。

しかも、前記結合体層の膜厚方向に形成された前記導電路に沿って電流を流す縦型構造をとっているため、前記導電路の長さを前記結合体層の厚さによって制御できる。この結果、導電路をより短くすることが可能であり、かつ、その導電路の長さを容易に制御できるため、例えば数ｎｍ程度の短いゲート長（ソース電極とドレイン電極との間隔）の電界効果トランジスタを作製することが可能になり、半導体装置をより低電圧で高速に駆動できるなど、半導体装置の性能向上を達成できる。

また、前記結合体層が前記第１電極に接して層状に形成されるので、前記微粒子、とくに前記第１電極の表面近傍の前記微粒子は、前記第１電極の表面に沿って配列する。

従って、前記第１電極として、表面が原子レベルで平担な金単結晶薄膜などのような、平坦性に優れた金属単結晶などを用いる場合には、前記微粒子が前記第１電極の表面の平坦性を反映して規則正しく配列し、前記微粒子の配列がよくそろった、欠陥の少ない、微粒子が最密充填でパッキングされて固定された前記結合体層が形成され、伝導パスが増加し、半導体装置の性能や信頼性が向上する。一方、前記第１電極に凹凸や欠陥がある場合でも、表面付近の前記微粒子はその凹凸や欠陥に応じて配列するので、前記結合体層と前記第１電極との電気的な接続は良好に保たれる。

更に、前記第２電極が、前記第１電極とは反対側の前記結合体層の平坦な面上に沿って設けられるので、前記第２電極と前記結合体層との電気的な接続も良好になる。

本発明において、前記微粒子と前記有機半導体分子との結合体は、単一層又は複数層を成して前記導電路を形成しているのがよい。この際、前記微粒子の層の積層数によって前記結合体の厚さが制御されているのがよい。

具体的には、前記微粒子の層を形成した後に前記有機半導体分子を接触させる工程によって、前記結合体の層を形成し、この工程を１回行うことによって前記結合体の単一層を形成し、この工程を２回以上繰り返すことで複数層を形成する。このように、導電路が形成される前記結合体層を１層ずつ形成し、この繰り返しの回数を適切に選ぶことで、所望の厚さの前記結合体層を容易に形成することができる。実施の形態１において後述するように、前記結合体層における縦方向の導電路の形成は、前記微粒子の層を形成する工程と同時に行われるので、前記微粒子の配列における欠陥などの有無に関わりなく確実に行うことができ、半導体装置の製造歩留まりが向上する。

この際、前記結合体層の厚さが数ｎｍ〜数百ｎｍであるのがよい。このように短い導電路の長さは、横型のデバイス構造では容易に制御できない長さである。縦型のデバイス構造をとる本発明の半導体装置では、前記結合体層の１層分の厚さを単位として短い導電路の長さを容易に制御できるため、半導体装置をより低電圧で高速に駆動できるなど、半導体装置の性能向上を達成できる。

また、前記第１及び第２電極に接して前記微粒子との結合性の良い下地層がそれぞれ設けられ、これらの下地層に結合して前記微粒子の層が形成されているのがよい。前記下地層を構成する分子は、一方の端部で前記第１及び第２電極に結合できるとともに、もう一方の端部で前記微粒子と結合でき、前記微粒子を前記第１及び第２電極に固定する機能を有する分子である。

また、前記第１及び前記第２電極をソース及びドレイン電極とし、ゲート電極に印加された電圧による電界が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記導電路に作用する縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成されるのがよい。

この場合、前記ソース及び前記ドレイン電極が対向して設けられ、前記導電路からなるチャネル領域の側部に、ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極が設けられているのがよい。これは、縦型電界効果トランジスタの一般的な構造である。

或いは、前記ソース及び前記ドレイン電極が対向して設けられ、前記導電路からなるチャネル領域内に、ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極が埋め込まれているのがよい。これは、ＳＩＴ（静電誘導トランジスタ：Static Induction Transistor）型と呼ばれる構造で、優れた制御性が得られる構造である。

或いは、前記ソース及び前記ドレイン電極が、前記結合体層の面方向において対向する位置からずれた位置に設けられ、前記導電路からなるチャネル領域に接したゲート絶縁層を介して前記結合体層の外側位置に前記ゲート電極が設けられているのがよい。これは、トップ＆ボトムコンタクト型トランジスタと呼ばれる構造で、前記結合体層の厚さだけでなく、ソース電極とドレイン電極との横方向における位置ずれの大きさを変えることによってもチャネル長を制御することが可能な構造である。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。

実施の形態１
実施の形態１では、前記第１及び前記第２電極をソース及びドレイン電極とし、前記制御部としてゲート電極を設け、このゲート電極に印加された電圧による電界が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記導電路に作用する縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを形成する。この際、ソース電極およびドレイン電極を対向して設け、その間に微粒子と有機半導体分子との結合体からなる導電路を形成し、その導電路からなるチャネル領域の側部に、ゲート絶縁層を介してゲート電極を設ける。

図１は、実施の形態１に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを示す概略断面図であり、縦型電界効果トランジスタとしてよく用いられるデバイス構造を示している。このトランジスタを作製するには、公知の技術で基板１の上に、前記第１電極である電極２（例えば、ソース電極）、ゲート絶縁層３と５、およびゲート電極４を形成しておき、その上に微粒子１０と有機半導体分子１３との結合体からなる結合体層９を形成し、その上に前記第２電極である電極６（例えば、ドレイン電極）を形成するものである。なお、ここでは、後述する分子はんだ層は図示及び説明を省略している。

基板１としては、シリコン基板、例えばポリイミドやポリカーボネートやポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などのプラスチック基板、ガラス基板、または石英基板など、通常の基板材料をすべて用いることができる。プラスチック基板を用いると、例えば曲面形状をもつディスプレイのように、フレキシブルな形状の半導体装置を製造できる。

基板１上に形成されたトランジスタは、図１に示すように、個別化されたディスクリート部品として利用してもよいし、ディスプレイ装置に適用する場合のように、同一基板上に多数のトランジスタを集積したモノリシック集積回路として利用してもよい。

電極２および電極６の材料としては、例えば、金、パラジウム、白金、クロム、ニッケル、導電性高分子等の導電性物質、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。

ゲート電極４の材料としては、例えば、導電性高分子、金、白金、アルミニウム、ニッケル、チタン等の導電性物質、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。

ゲート絶縁膜３の材料としては、例えば、酸化ケイ素ＳiＯ₂ 、ポリメチルメタクリレート(ＰＭＭＡ)、スピンオンガラス(ＳＯＧ)、窒化ケイ素Ｓi₃Ｎ₄ 、金属酸化物高誘電絶縁膜など、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。

また、ゲート電極４の材料としてアルミニウムなど陽極酸化により絶縁性酸化物を生成するような金属を用いる場合には、ゲート電極４を陽極として陽極酸化することによって、ゲート絶縁層５を形成することができる。

本実施の形態によれば、作製工程における処理温度を２００℃以下に抑えることができるので、上記の材料をすべて有機化合物で構成することもでき、プラスチック基板のようなフレキシブルな基板の上に低コストで半導体装置を作製できる。

結合体層９は、微粒子１０と有機半導体分子１３とがネットワーク状に結合された結合体でによって形成されている。

微粒子１０は、粒子径１０ｎｍ以下の微粒子で、その材料としては、例えば、金、銀、白金等の導体や、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、シリコン等の半導体を用いることができる。

有機半導体１３としては、分子骨格に共役結合を有する有機半導体分子であって、分子の末端に微粒子１０と化学的に結合できる官能基、例えばチオール基−ＳＨ、アミノ基−ＮＨ₂、イソシアノ基−ＮＣ、チオアセトキシル基−ＳＣＯＣＨ₃ 、カシボキシル基−ＣＯＯＨ等を有するものを用いる。チオール基、アミノ基、イソシアノ基及びチオアセトキシル基は、金などの導体微粒子に結合する官能基であり、カシボキシル基は、半導体微粒子に結合する官能基である。

具体的には、有機半導体１３として、例えば、下記の４，４’−ビフェニルジチオールを挙げることができる。

結合体層９では、微粒子１０が有機半導体分子１３によって二次元または三次元的に結びつけられ、微粒子１０内の導電路と有機半導体分子１３内の分子骨格に沿った導電路とが連結したネットワーク型の導電路が形成されている。

図１（ｂ）の拡大図に示したように、上記の導電路では、有機半導体分子内の導電路が微粒子内の導電路によって連結され、しかも、分子内の電子移動は、分子骨格に沿って形成されたπ電子共役系を通じて行われるので、高い移動度が期待される。

結合体層９における電子伝導は、ネットワーク型の導電路を通って行われ、結合体層９の導電性はゲート電極４に印加する電圧によって制御される。

基板１上の結合体層９を作製する領域の表面には、結合体層９を形成する微粒子１０を１層分だけ固定するために働く分子はんだ層（図示していない）が設けられている。微粒子１０を固定する役割を担う分子としては、微粒子１０に結合できる官能基と、電極２や６に結合できる官能基とをあわせ持つ分子を用いる。

例えば、微粒子８と電極２および６が金でできている場合には、金に対して親和性のあるチオール基を有する４，４’−ビフェニルジチオールなどを用いる。

結合体層９の形成工程では、微粒子１０の層を１層形成した後に、微粒子１０に有機半導体分子１３を接触させ、微粒子１０と有機半導体分子１３との結合体を形成することにより、結合体の層が１層分形成される。このようにして結合体層９は、１層ずつ形成されるので、この工程を何回繰り返すかで、所望の厚さをもつ結合体層９を形成することができる。

結合体層９は、１層ずつ独立に形成されるので、各結合体層ごと又は複数の結合体層ごとに、微粒子１０を構成する材料や微粒子１０の粒子径又は有機半導体分子１３変えて、結合体層の特性をコントロールしてもよい。

図２と図３は、図１に示した縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を示すフロー図である。以下、微粒子１０として金微粒子を用い、電極２および電極６として金電極を用いることを想定して、その作製工程を説明する。

工程１
まず、図２（ａ）に示すように、公知の方法を用いて、基板１の上にソースまたはドレイン電極として用いる前記第１電極として電極２を形成する。

基板１としては、例えば、シリコン基板や、ポリイミドやポリカーボネートなどのプラスチック基板や、ガラス基板や、石英基板などを用いる。

基板１の上に金を蒸着して電極２を形成する。電極２の材料としては、金以外に、例えば、パラジウム、白金、クロム、ニッケルなどの金属や、導電性高分子などの導電性有機化合物を用いることができ、蒸着法、スパッタ法、メッキ法、スピンコート法、スクリーン印刷法、またはインクジェット法などの方法によって、導電性薄膜を形成し電極２とする。

工程２
次に、図２（ｂ）に示すように、電極２の上にゲート絶縁層３をパターニングして形成する。ゲート絶縁層３の材料としては、酸化ケイ素系材料、窒化ケイ素系材料、他の金属酸化物などの無機物系絶縁材料、あるいはポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリイミドなどの有機物系絶縁材料、あるいは有機物系材料と無機物系材料とを組み合わせた絶縁材料などを用いることができる。そして、ゲート絶縁層３を、その材料に応じて、ＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、メッキ法、スピンコート法、スクリーン印刷法、またはインクジェット法などによってパターニングして形成する。

工程３
次に、図２（ｃ）に示すように、ゲート絶縁層３の上にゲート電極４をパターニングして形成する。ゲート電極４の材料としては、金属や導電性有機化合物などを用いることができ、蒸着法、スパッタ法、メッキ法、スピンコート法、スクリーン印刷法、またはインクジェット法などによって、ゲート電極４をパターニングして形成する。金属としては、アルミニウムなど、陽極酸化により絶縁性酸化物を生成するような金属を含む。

工程４
次に、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極４を被覆するように、ゲート絶縁層５を形成する。ゲート絶縁層５の材料としては、酸化ケイ素系材料、窒化ケイ素系材料、他の金属酸化物などの無機物系絶縁材料、あるいはポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリイミドなどの有機物系絶縁材料、あるいは有機物系材料と無機物系材料とを組み合わせた絶縁材料などを用いる。そして、ゲート絶縁層５を、その材料に応じて、ＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、メッキ法、スピンコート法、スクリーン印刷法、またはインクジェット法などによってパターニングして形成する。

また、ゲート電極４の材料としてアルミニウムなど陽極酸化により絶縁性酸化物を生成するような金属を用いた場合には、ゲート電極４を陽極として陽極酸化することによって、ゲート絶縁層５を形成することができる。

それぞれソースまたはドレイン電極として用いる電極２および後述する電極６と、ゲート電極４との間のリーク電流が、装置の性能に悪影響を与えないよう程度に小さくなるように、ゲート絶縁層３およびゲート絶縁層５の厚さは十分な厚さとし、例えば、約２ｎｍ以上とする。この条件に加えて、絶縁層３とゲート電極４と絶縁層５とを合わせた厚さは、後述する結合体層９の厚さとほぼ等しくなるように形成する。

工程５
次に、図２（ｅ）に示すように、電極２の表面にリンカー分子８からなる分子はんだ層７を、浸漬法（自己組織化法）、スピンコート法、または蒸着法などによって形成する。分子はんだ層７は、前記下地層であり、電極２に結合していないリンカー分子８は溶媒による洗浄などによって除去することで、リンカー分子８の単分子層とする。

リンカー分子８としては、分子の両端にそれぞれ電極２および金微粒子１０と強固な結合を形成し得る官能基を有するものを用いる。例えば、金電極に対して強い結合力をもつ官能基は、チオール基、アミノ基およびシアノ基などである。導電性高分子の電極に対しては、高分子表面と共有結合を形成する官能基などがよい。電極２と金微粒子１０とをそれぞれ構成する材料に応じて、リンカー分子８の両端の官能基は同一であっても、異なっていてもよい。但し、電極２と結合体層９との間の導電性を妨げないように、リンカー分子８は、有機半導体分子１３と同様の導電性を有する半導体分子であるか、または、その分子長が十分に短いこと、例えば１ｎｍ程度以下であることが望ましい。

工程６
次に、図３（ｆ）に示すように、電極２の上のリンカー分子８からなる分子はんだ層７に金微粒子１０を結合させ、１層分の金微粒子１０からなる微粒子層１０ａを形成する。微粒子層１０ａの形成には、キャスティング法、浸漬法、スピンコーティング法、ラングミュア−ブロジェット法などを用いる。リンカー分子８に直接結合していない金微粒子１０は溶媒による洗浄で除去する。

なお、金微粒子１０は、その粒子径が１０ｎｍまたはそれ以下のコロイド粒子である。この金微粒子１０をトルエンやクロロフォルム等の溶媒に安定に分散させるためには、金微粒子同士が凝集して沈殿してしまうのを防止する保護膜分子を付着させ、保護膜１１で被覆した状態にしておく必要があり、分子はんだ層７の上にはこの状態で導入する。リンカー分子８はこの保護膜分子の一部を置換して金微粒子１０と結合するが、図３（ｆ）に示すように、保護膜分子の大部分は、まだ、金微粒子１０に結合したままである。

図４は、上記のようにして、リンカー分子８であるビフェニルジチオール分子の単分子層からなり、金電極２の表面に形成された分子はんだ層７の上に、浸漬法によって形成された金微粒子１０からなる微粒子層１０ａの走査型電子顕微鏡写真である。この写真中で明るく輝いているのは、直径が５〜８ｎｍ程度の大きさの金微粒子１０である。写真では、これらの明るい粒として観察される微粒子１０が、１つ１つ独立して（隣の微粒子１０と間隔を空けて）分散していることから、電極表面全体にわたって微粒子層１０ａはほぼ単一層であり、２層以上が重なった多層構造がほとんどできていないことがわかる。

工程７
次に、図３（ｇ）に示すように、１層分の金微粒子層１０ａが固定された基板１を有機半導体分子１３の溶液に浸漬し、有機半導体分子１３を金微粒子１０の表面に結合させる。このとき、金微粒子１０に結合している保護膜分子が有機半導体分子１３によって置換される。有機半導体分子１３としては、分子の両端に金微粒子１０と強固な結合を形成し得る官能基を有するものを用いる。例えば、金微粒子１０に対して強い結合力をもつ官能基は、チオール基、アミノ基およびシアノ基などである。この両端の官能基は同一であっても異なっていてもよい。また、有機半導体分子１３は、リンカー分子８と同一分子であってもよい。

微粒子層１０ａを構成している金微粒子１０には、１個の金微粒子１０に対して多数の有機半導体分子１３が表面を覆うように結合する。これらの有機半導体分子１３の一部は、もう一方の分子末端にある官能基を用いて隣接する他の金微粒子１０とも結合するため、金微粒子１０が有機半導体分子１３によって二次元ネットワーク状に連結された１層目の結合体層９ａが形成される。

この結合体層９ａの表面には、一方の分子末端にある官能基で金微粒子１０に結合し、他方の分子末端にある官能基が未反応である有機半導体分子１３が多数存在しているので、結合体層９ａの表面は、金微粒子１０に対して強い結合力を有している。

工程８
次に、図示省略するが、図３（ｆ）に示した工程６と同様にして金微粒子１０を導入し、１層目の結合体層９ａの上に金微粒子１０を結合させ、１層分の金微粒子１０からなる２層目の金微粒子層１０ｂを固定する。このとき、新たに導入された２層目の金微粒子１０は、一方の分子末端にある官能基によって、１層目の金微粒子１０に結合している有機半導体分子１３の、他方の分子末端にある官能基と結合する。この結果、１層目の金微粒子１０と２層目の金微粒子層１０とが有機半導体分子１３によって連結され、１層目の金微粒子層１０ａと２層目の金微粒子層とを上下に連結する縦方向の導電路が形成される。このように、新しい金微粒子層の形成と、その金微粒子層への縦方向の導電路の形成は同時に行われる。

なお、工程６と同様に、金微粒子１０が微粒子同士で凝集するのを防止するために、金微粒子１０は、保護膜１１で被覆した状態で結合体層９ａの上に導入する。保護膜分子の一部は上記の結合形成で有機半導体分子１３によって置換されるが、保護膜分子のかなりの部分は、まだ、金微粒子１０に結合したままである。

工程９
次に、図示省略するが、図３（ｇ）に示した工程７と同様にして、２層目の金微粒子層の金微粒子１０に有機半導体分子１３を結合させる。このとき、残存していた保護膜１１を形成している保護膜分子が有機半導体分子１３によって置換される。工程７と同様に、２層目の金微粒子層を形成する金微粒子１０に、多数の有機半導体分子１３が金微粒子１０の表面を包み込むように結合する。それらのうちの一部が、もう一方の分子末端にある官能基を用いて、隣接する他の金微粒子１０とも結合するため、有機半導体分子１３によって金微粒子１０がネットワーク状に連結された２層目の結合体層９ｂが形成される。ただし、金微粒子層を上下に連結する縦方向の導電路はかなりの部分が既に工程８で形成されているので、工程９では主として２層目の金微粒子層内の金微粒子１０を横方向に連結する導電路が形成される。

この後、工程８と工程９とを繰り返し行い、有機半導体分子１３によりネットワーク化された結合体層９の厚さ（ゲート長に相当）が所望の大きさになるまで、工程８と工程９とを繰り返し行う。

その後、結合体層９の表面にリンカー分子１５を結合させ、リンカー分子１５からなる分子はんだ層１４を形成する。リンカー分子１５としては、分子の両端にそれぞれ電極６および金微粒子１０と強固な結合を形成し得る官能基を有するものを用いる。例えば、金電極に対して強い結合力をもつ官能基は、チオール基、アミノ基およびシアノ基などである。導電性高分子の電極に対しては、高分子表面と共有結合を形成する官能基などがよい。電極６と金微粒子１０とをそれぞれ構成する材料に応じて、リンカー分子１５の両端の官能基は同一であっても、異なっていてもよい。但し、電極６と結合体層９との間の導電性を妨げないように、リンカー分子１５は、有機半導体分子１３と同様の導電性を有する半導体分子であるか、または、その分子長が十分に短いこと、例えば１ｎｍ程度以下であることが望ましい。

次に、図３（ｈ）に示すように、分子はんだ層１４の上に前記第２電極として、ドレインまたはソース電極となる電極６を、金属や有機物からなる導電性薄膜を蒸着法、スパッタ法、メッキ法、スピンコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法などによって形成して、縦型の電界効果トランジスタの作製を終了する。

図５は、実施の形態１に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの他の例を示す概略断面図である。このトランジスタは、結合体層９の両側にゲート絶縁膜を介して２つのゲート電極４を設けたダブルゲート型のデバイス構造を有している。ゲート電極４を二重に設けることにより制御性を向上させ、ゲート電極を駆動する駆動電圧を低減させ、リーク電流を低減させることができる。

以上に述べてきたように、本実施の形態によれば、結合体層９の膜厚方向に形成された導電路に沿って電流を流す縦型構造をとっているため、導電路の長さを結合体層９の厚さによって制御できる。すなわち、結合体層９を構成する微粒子層の一層分の厚さを単位として、微粒子層の積層数によって導電路の長さを制御できる。この結果、数ｎｍ程度の短いゲート長（ソース電極とドレイン電極との間隔）の電界効果トランジスタを作製することが可能になり、電界効果トランジスタをより低電圧で高速に駆動できるなど、半導体装置の性能向上を達成できる。

また、結合体層９が前記第１電極である電極２の上に層状に形成されるので、微粒子１０、とくに電極２の表面近傍の微粒子１０は、電極２の表面に沿って配列する。

従って、電極２として、表面が原子レベルで平担な金単結晶薄膜などのような、平坦性に優れた金属単結晶などを用いる場合には、微粒子１０が電極２の表面の平坦性を反映して規則正しく配列し、微粒子１０の配列がよくそろった、欠陥の少ない、微粒子が最密充填でパッキングされて固定された結合体層９が形成され、伝導パスが増加し、半導体装置の性能や信頼性が向上する。一方、電極２の表面に凹凸や欠陥がある場合でも、表面付近の微粒子１０はその凹凸や欠陥に応じて配列するので、結合体層９と電極２との電気的な接続は良好に保たれる。

更に、前記第２電極である電極６が、電極２とは反対側の結合体層９の平坦な面上に沿って設けられるので、電極６と結合体層９との電気的な接続も良好になる。

特許文献１に示されている従来の横型の半導体装置では、ゲート絶縁膜の上に微粒子層を形成した後に、有機半導体分子によって保護膜分子を置換して、電極と微粒子との電気的接続を形成する。これに対し、本実施の形態による縦型の半導体装置では、上記のように、微粒子層を電極２または６に固定する工程が、微粒子層を電極２または６に電気的な接続する工程を兼ねており、電極に微粒子を固定した時点で電極との電気的な接続も形成されるので、操作が簡便であり、かつ、微粒子層と電極との電気的接続を確実にとることができるというメリットがある。

また、従来の横型の半導体装置では、分子はんだ層または微粒子層に積層して１層分の微粒子を固定化する工程の後に、有機半導体分子で微粒子を横方向にネットワーク化し、導電路を形成する工程を行うため、効果的な導電路を形成するには、予め互いの距離を適切に保って微粒子を配置しておく必要があることは、従来技術の項において先述した通りである。これに対し、本実施の形態による縦型の半導体装置では、分子はんだ層または微粒子層に積層して１層分の微粒子を固定化する工程と同時に、有機半導体分子で微粒子を縦方向にネットワーク化し、導電路を形成する工程が自動的に行われる。したがって、微粒子の配列における欠陥構造の有無に関わらず、積層方向（縦方向）における微粒子間の導電路は確実に形成されるので、装置の信頼性と製造歩留まりが向上する。

実施の形態２
縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタには、ゲート電極の構造や配置の異なる、いくつかのデバイス構造がある。実施の形態２では、前記第１及び前記第２電極をソース及びドレイン電極とし、前記制御部としてゲート電極を設け、このゲート電極に印加された電圧による電界が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記導電路に作用する縦型電界効果トランジスタを形成する。この際、ソース電極およびドレイン電極を対向して設け、その間に微粒子と有機半導体分子との結合体からなる導電路を形成し、その導電路からなるチャネル領域内にゲート絶縁層を介してゲート電極を埋め込む。この構造は、ＳＩＴ型と呼ばれる構造で、優れた制御性が得られる構造である。

図６は、実施の形態２に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを示す概略断面図であり、ＳＩＴ型のデバイス構造を示している。このトランジスタでは、絶縁層１５で覆われたワイヤー状のゲート電極１４を電極２（例えば、ソース電極）と電極６（例えば、ドレイン電極）との間に適当な間隔で配置して構成する。なお、図６では分子はんだ層は図示省略しているが、電極２および電極６と結合体層９との界面に設けられている。

実施の形態３
実施の形態３では、前記第１及び前記第２電極をソース及びドレイン電極とし、前記制御部としてゲート電極を設け、このゲート電極に印加された電圧による電界が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記導電路に作用する縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを形成する。この際、ソース及びドレイン電極を、結合体層の面方向において対向する位置からずれた位置に設け、前記導電路からなるチャネル領域に接したゲート絶縁層を介して前記結合体層の外側位置にゲート電極を設ける。これは、トップ＆ボトムコンタクト型トランジスタと呼ばれる構造で、縦型電界効果トランジスタの特徴を生かして良好な特性が得られる構造である。

図７は、実施の形態３に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを示す概略断面図であり、トップ＆ボトムコンタクト型トランジスタのデバイス構造を示している。このトランジスタでは、ソースおよびドレイン電極の一方を結合体層９のボトムの位置に配置し、他方を結合体層９のトップの位置に配置している。したがって、結合体層の厚さだけでなく、ソース電極とドレイン電極との横方向における距離の大きさを変えることによってもチャネル長を制御することが可能である。

なお、図７では、分子はんだ層は図示省略しているが、電極２および電極６と結合体層９との界面や、ゲート絶縁膜３と結合体層９との界面に設けられている。この際、電極２の上に設けられる分子はんだ層と、ゲート絶縁膜３の上に設けられる分子はんだ層とは異なる材質のリンカー分子が設けられるが、両方に結合できる官能基を持つリンカー分子があれば、電極２からゲート絶縁膜３まで連続して分子はんだ層を設けてもよい。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

本発明の半導体装置及びその製造方法は、種々の電子回路、特にディスプレイのアクティブマトリックス回路などのスイッチング素子として広く用いられている薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの半導体装置及びその製造方法として用いられ、その低コスト化や、プラスチック等の耐熱性のないフレキシブルな基板への適用などの新規な用途の開発に貢献することができる。

本発明の実施の形態１に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 同、縦型電界効果トランジスタの作製工程を示すフロー図である。 同、縦型電界効果トランジスタの作製工程を示すフロー図である。 同、４，４’−ビフェニルジチオールの単分子膜上に固定された金微粒子層の走査型電子顕微鏡写真である。 同、他の縦型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に基づく縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 特許文献１に開示されている絶縁ゲート型電界効果トランジスタの断面図（ａ）と、要部拡大図（ｂ）と、電荷移動のイメージ図（ｃ）とである。 特許文献２に開示されている縦型有機トランジスタの平面図（ａ）と、断面図（ｂ）とである。

符号の説明

１…基板、２…ソース電極、３、５…ゲート絶縁膜、４…ゲート電極、
６…ドレイン電極、７…分子はんだ層、８…リンカー分子、９…結合体層、
９ａ…１層目の結合体層、９ｂ…２層目の結合体層、１０…金などの微粒子、
１０ａ…１層目の微粒子層、１０ｂ…２層目の微粒子層、１１…保護膜、
１３…４，４’−ビフェニルジチオールなどの有機半導体分子、１４…分子はんだ層、
１５…リンカー分子、１０１…基板、１０２…ゲート電極、１０３…ゲート絶縁膜、
１０４…ソース電極、１０５…ドレイン電極、１０６…結合体層（チャネル層）、
１０７…金などの微粒子、
１０８…４，４’−ビフェニルジチオールなどの有機半導体分子、
１０９…ネットワーク型の導電路、１１１…絶縁体基板、１１２…ゲート電極、
１１３…ソース電極、１１４…ドレイン電極、１１５…ゲート絶縁膜、
１１６…有機半導体層、１１７…ゲート電極コンタクト

Claims (18)

1. 導体又は半導体からなる微粒子と、この微粒子に結合した有機半導体分子との結合体が第１電極に接して層状に形成され、前記第１電極とは反対側の前記結合体層の面上に第２電極が設けられ、かつ、前記結合体層を介して前記第１電極と前記第２電極との間に形成された導電路の導電性が、電界によって制御されるように構成された、半導体装置。
2. 前記微粒子と前記有機半導体分子との結合体は、単一層又は複数層を成して前記導電路を形成している、請求項１に記載した半導体装置。
3. 前記微粒子の層の積層数によって前記結合体の厚さが制御されている、請求項２に記載した半導体装置の製造方法。
4. 前記結合体層の厚さが数ｎｍ〜数百ｎｍである、請求項３に記載した半導体装置の製造方法。
5. 前記第１及び第２電極に接して前記微粒子との結合性の良い下地層がそれぞれ設けられ、これらの下地層に結合して前記微粒子の層が形成されている、請求項１に記載した半導体装置。
6. 前記第１及び前記第２電極をソース及びドレイン電極とし、ゲート電極に印加された電圧による電界が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記導電路に作用する縦型電界効果トランジスタとして構成された、請求項１に記載した半導体装置。
7. 前記ソース及び前記ドレイン電極が対向して設けられ、前記導電路からなるチャネル領域の側部に、ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極が設けられている、請求項６に記載した半導体装置。
8. 前記ソース及び前記ドレイン電極が対向して設けられ、前記導電路からなるチャネル領域内に、ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極が埋め込まれている、請求項６に記載した半導体装置。
9. 前記ソース及び前記ドレイン電極が、前記結合体層の面方向において対向する位置からずれた位置に設けられ、前記導電路からなるチャネル領域に接したゲート絶縁層を介して前記結合体層の外側位置に前記ゲート電極が設けられている、請求項６に記載した半導体装置。
10. 請求項１に記載した半導体装置の製造方法であって、
    基体上に前記第１電極を設ける工程と、
    前記第１電極に接して、導体又は半導体からなる微粒子と、この微粒子に結合した有 機半導体分子との結合体を層状に形成する工程と、
    前記第１電極とは反対側の前記結合体層の面上に第２電極を形成する工程と、
    前記結合体層を介して前記第１電極と前記第２電極との間に形成された導電路の導電 性を、電界によって制御する制御部を形成する工程と
    を有する、半導体装置の製造方法。
11. 前記微粒子と前記有機半導体分子との結合体の単一層又は複数層によって前記導電路を形成する、請求項１０に記載した半導体装置の製造方法。
12. 前記微粒子の層を形成した後に前記有機半導体分子を接触させる工程によって、前記結合体の層を形成し、この工程を少なくとも１回行うことによって、前記結合体の単一層又は複数層を形成する、請求項１１に記載した半導体装置の製造方法。
13. 前記微粒子の層の積層数によって前記結合体層の厚さを制御する、請求項１２に記載した半導体装置の製造方法。
14. 前記第１及び第２電極に接して前記微粒子と結合性の良い下地層をそれぞれ設け、これらの下地層に結合して前記微粒子の層を形成する、請求項１０に記載した半導体装置の製造方法。
15. 前記第１及び前記第２電極をソース及びドレイン電極とし、前記制御部としてゲート電極を設け、このゲート電極に印加された電圧による電界が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記導電路に作用する縦型電界効果トランジスタを形成する、請求項１０に記載した半導体装置の製造方法。
16. 前記ソース及び前記ドレイン電極を対向して設け、前記導電路からなるチャネル領域の側部に、ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極を設ける、請求項１５に記載した半導体装置の製造方法。
17. 前記ソース及び前記ドレイン電極を対向して設け、前記導電路からなるチャネル領域内に、ゲート絶縁層を介して前記ゲート電極を埋め込む、請求項１５に記載した半導体装置の製造方法。
18. 前記ソース及び前記ドレイン電極を、前記結合体層の面方向において対向する位置からずれた位置に設け、前記導電路からなるチャネル領域に接してゲート絶縁層を設け、このゲート絶縁層を介して前記結合体層の外側位置に前記ゲート電極を設ける、請求項１５に記載した半導体装置の製造方法。