JP2006135327A - 電子デバイスのための誘電材料 - Google Patents

Abstract

【課題】溶液加工性で、薄膜トランジスタのゲート誘電体層を作製するのに使用することができる誘電材料組成物を提供する。
【解決手段】シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電材料、そのような誘電材料を含む薄膜トランジスタなどの電子デバイスを提供する。シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、例えば、シロキサンまたはシルセスキオキサンなどのシロキシ成分を含む。シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、溶液堆積技術を用いる薄膜トランジスタのための誘電体層の調製に用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明の開示は、様々な例示的な態様において、マイクロエレクトロニクスデバイスを含む電子デバイス（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）、及びそのようなデバイスにおいて使用するのに適した材料に関する。より特定的には、本発明の開示は、薄膜トランジスタのようなデバイスのために誘電体層においてシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物（ｈｙｂｒｉｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）または材料を組み入れたデバイスに関する。

薄膜トランジスタは、現代エレクトロニクス、例えば、センサ、画像形成装置および表示装置における基本構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）である。現在主流のシリコン技術を用いる薄膜トランジスタ回路は、コストがかかりすぎ、特に、高いスイッチング速度が不可欠ではないアクティブマトリクス液晶モニタまたはテレビのような表示用のバックプレーンスイッチング回路などの大面積装置用途ではコストがかかりすぎる。シリコンベースの薄膜トランジスタ回路の高いコストは、主に資本集約的なシリコン製造、ならびに厳密に制御された環境下での複雑な高温、高真空のフォトリソグラフィー製造プロセスによる。

従来のフォトリソグラフィープロセスを用いたシリコンベースの薄膜トランジスタ回路を製造するコスト及び複雑性のために、潜在的に溶液ベースパターニング及び堆積技術、例えば、スピンコーティング、溶液流延、浸漬コーティング、ステンシル／スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、ミクロ接触印刷、など、またはこれらのプロセスの組み合わせなどを使用して作製することができるプラスチック薄膜トランジスタに対する興味が増大している。そのようなプロセスは一般に、電子デバイスのためのシリコンベース薄膜トランジスタを作製する際に使用される複雑なフォトリソグラフィープロセスに比べ、一般に簡易で、コスト効率が高い。これらの溶液ベースのプロセスを、薄膜トランジスタ回路の製造で使用することができるようにするためには、溶液加工可能な材料が必要となる。

プラスチック薄膜トランジスタ用途では、全ての材料が溶液加工性であることが望ましい。約２００℃未満、特に１５０℃未満の温度でプラスチック基板上で材料を作製することがとりわけ好都合である。プラスチック基板を、可撓性の有機またはポリマートランジスタ構成要素と共に使用すると、剛性基板上の従来の薄膜トランジスタ回路を機械的に耐久性の増した、構造的に可撓性のプラスチック薄膜トランジスタ回路設計に変換することができる。可撓性薄膜トランジスタ回路は、機械的に強固で可撓性の電子デバイスを作製する際に有益である。

溶液加工性半導体及び導体構成要素以外に、溶液加工性の誘電材料が、プラスチックエレクトロニクス、特に可撓性大面積プラスチック電子デバイスにおいて使用するためのプラスチック薄膜トランジスタ回路の作製のための重要な構成要素である。

一般に、薄膜トランジスタにおいてゲート誘電体として機能する誘電体層はｉ）ピンホールのない滑らかで均一な層でなければならない、ｉｉ）薄膜トランジスタがより低い電圧で動作することができるように高い誘電率を有しなければならない、およびｉｉｉ）トランジスタ性能に悪影響を与えてはいけない。さらに、プラスチック基板上の可撓性集積回路のためは、誘電体層は、プラスチック基板の寸法安定性に悪影響を与えない温度、すなわち、一般的には約２００℃未満、好ましくは約１５０℃未満の温度で調製すべきである。

米国特許第６，６２１，０９９号明細書 米国特許第６，７７０，９０４号明細書 米国特許第６，７７４，３９３号明細書

そのため、溶液加工性で、薄膜トランジスタのゲート誘電体層を作製するのに使用することができる誘電材料組成物を提供することが望ましい。溶液プロセスにより薄膜トランジスタのためのゲート誘電体層を簡単に作製することができ、ピンホールがなく、高い誘電率を有し、デバイスの物理的および性能要求を満たす電気的及び機械的特性を示す誘電材料を提供することが同様に望ましい。プラスチックフィルムまたはシート上に可撓性薄膜トランジスタ回路を作製することができるように、プラスチック基板材料と同等の温度で加工することができる、薄膜トランジスタのための誘電体層を作製するための材料を提供することも望ましい。

本発明の開示は、様々な例示的な態様において、１つの観点では、薄膜トランジスタデバイスのようなマイクロエレクトロニクスデバイス用途に適した誘電材料を提供する。

別の観点では薄膜トランジスタなどの電子デバイスにおいて使用するのに適した溶液加工性誘電材料を提供する。

別の観点は、電子デバイスにおいて使用するためのシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物を含む誘電材料組成物に関する。

本発明の開示のさらに別の観点では、マイクロエレクトロニクス構成要素として有益で、塩化メチレン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、メシチレン、クロロベンゼンなどの溶媒中で少なくとも０．５重量％の良好な溶解度を有するシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物を提供する。このため、これらの構成要素は、スピンコーティング、溶液流延、浸漬コーティング、ステンシル／スクリーン印刷、フレキソグラフィー、グラビア印刷、オフセット印刷、ジェット印刷、ミクロ接触印刷など、およびこれらのプロセスの組み合わせなどの溶液プロセス介する電子デバイスのための誘電性構成要素を作製するのに使用することができる。

別の観点では、基板と、ゲート電極と、ゲート誘電体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、半導体層とを備える薄膜トランジスタを提供する。ここで、ゲート誘電体層は、シロキシ成分と金属酸化物成分とを有するシロキシ／金属酸化物組成物を含み、シロキシ成分はシロキサン類およびシルセスキオキサン類からなる群より選択される。

さらに別の観点では、ゲート電極と、誘電体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、半導体層とを備える薄膜トランジスタを提供する。誘電体層はシロキシ／金属酸化物組成物を含み、シロキシ組成物はシロキサン類、シルセスキオキサン類及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるシロキシ成分を含み、金属酸化物成分は、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ストロンチウム、イットリウム、ランタン、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される金属と、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシ、ｓｅｃ−ブトキシ、フェノキシ及びそれらの組み合わせからなる群より選択される酸素成分とを含む。誘電体層は約３．０を超える誘電率を有する。

基板と、ゲート電極と、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物を含むゲート誘電体層とを備える薄膜トランジスタもまた提供する。ここで、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、約５〜約９５重量％の量で存在するシロキシ成分と、約５〜約９５重量％の量で存在する金属酸化物成分とを含み、シロキシ成分と金属成分とを合わせた量は、組成物中に存在することがある溶媒の量を除き、１００重量％のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物に等しくなる。ソース電極、ドレイン電極、およびソース電極とドレイン電極に接触する半導体層もまた提供する。ここで、誘電体層は、約３を超える誘電率、及び約３ｎＦ／ｃｍ^２を超える容量を有する。

本発明の開示のこれらのおよび他の非制限的観点および／または特徴は下記でより特定的に記述する。

一般に、薄膜トランジスタは３つの電極（ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極）と、ゲート誘電体層（時として、絶縁層と呼ばれる）と、半導体層と、支持基板と、必要に応じて用いるカプセル化層と、を備える。

図１〜図４は、本発明の開示において使用するための適した薄膜トランジスタ構造の例示的な態様である。図１〜図４は薄膜トランジスタの様々な層に対する可能な構造の例示にすぎず、いかなる意味でも制限するものではない。

明確にするために、下記説明において特定の用語を使用するが、これらの用語は、図面に示すために選択した態様の特別な構造のみに言及するものであり、開示の範囲を規定または制限するものではない。

図１では、薄膜トランジスタ１０は、基板１２と、基板１２と接触するゲート電極１４と、前記基板および前記ゲート電極上に形成した誘電体層１６と、を含む。２つの金属コンタクト、ソース電極１８とドレイン電極２０は、誘電体層１６の上に堆積される。金属コンタクト１８および２０の上、それらの間に、半導体層２２が存在する。

図２では、薄膜トランジスタ構造２４は基板２６と、その上に形成された（applied）ゲート電極２８と、誘電体層３０とを含む。半導体層３２は、誘電体層３０上に堆積される。薄膜トランジスタ２４はまた、ソース電極３４とドレイン電極３６を含む。

図３では、薄膜トランジスタの別の態様を図示する。薄膜トランジスタ３８は基板４０と、ゲート電極４２と、ソース電極４４と、ドレイン電極４６と、半導体層４８と、誘電体層５０と、を含む。

図４では、薄膜トランジスタ５２は、多量にｎ−ドープしたシリコンウエハ５４（ゲート電極として作用する）と、前記ｎ−ドープシリコンウエハ上に配置された誘電体層５６と、半導体層５８と、前記半導体層５８上に配置されたソース電極６０およびドレイン電極６２と、を含む。

本発明の開示のいくつかの態様では、必要に応じて用いる保護層もまた、含んでもよい。例えば、そのような必要に応じて用いられる保護層は図１〜図４のトランジスタ構造の各々の上面に組み入れてもよい。

本発明の開示による薄膜トランジスタなどの電子デバイスは、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電材料を含む。本明細書で使用されるように、シロキシという用語は、ケイ素及び酸素原子を含む材料、例えば、シロキサン類及びシルセスキオキサン類を示す。一般に、シロキシ成分は非置換でもよく、または置換されてもよい。シロキシ成分は、複数の態様では、アルキル、アルケニル、アルコキシ、アリール、またはアリールオキシ置換シロキサンまたはシルセスキオキサンとしてもよい。

シロキシ成分として適した材料としては、シロキサン類及びシルセスキオキサン類が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で使用されるように、シロキサン類は、一般に、化学式（Ｒ_２ＳｉＯ）_ｎで表される繰り返しユニットを有する材料を示す。本明細書で使用されるように、シルセスキオキサン類は、一般に化学式（ＳｉＲ）_２ｎＯ_３ｎで表される材料を示す。シロキサン類およびシルセスキオキサン類に対する化学式の各々において、ｎは繰り返しユニットの数を表す。一般に、シロキサン類およびシルセスキオキサン類の各々に対するＲ基は、ハロゲン、アルキル、Ｃ_１〜Ｃ_２０脂肪族、Ｃ_４〜Ｃ_２０脂環族、アリールアルキル、アルケニル、アルコキシ、アリール、またはアリールオキシ、およびそれらの組み合わせからなる群より独立して選択されてもよい。適したシロキサン類の例としては、ヘキサメチルジシロキサンおよびオクタメチルトリシロキサンが挙げられるが、これらに限定されない。適したシルセスキオキサン類の非限定的例としては、水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、ヒドリド（hydride）−オルガノシルセスキオキサン（ＨＯＳＱ）など、およびそれらの組み合わせが挙げられる。

シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物の金属酸化物成分は、複数の態様では、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ストロンチウム、イットリウム、ランタン及びこれらの混合物の酸化物である。複数の態様では、金属酸化物の酸素含有部分は酸素のみを含んでもよい。適した金属酸化物の例としては、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２などが挙げられるが、これらに限定されない。他の態様では、酸素含有部分は、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、ペントキシ、フェノキシなど、およびそれらの組み合わせとしてもよい。いくつかの態様では、金属酸化物成分は対応する金属酸化物前駆体を加水分解することにより生成させる。例えば、ＴｉＯ_２成分は、チタンイソプロポキシドの対応する前駆体のインサイチュー（in-situ）加水分解によりシロキシ／金属酸化物組成物中に組み入れることができる。

シロキシ成分は、シロキシ／金属酸化物組成物中に、約５〜約９５重量％の量で存在し、金属酸化物成分は、約５〜約９５重量％の量で存在し、そのため、シロキシ及び金属酸化物成分を合わせた量は、組成物中に存在することがある溶媒の量を除き、１００重量％のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物に等しくなる。複数の態様では、組成物中の金属酸化物に対するシロキシの比率は約１９：１〜約１：１９である。

シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、薄膜トランジスタなどの電子デバイスのための誘電体層を作製する際に使用するのに適している。シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は溶液加工性であり、そのため、コストの低い溶液製造法により処理することができる。さらに、本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、約２００℃未満、複数の態様では、約１５０℃未満の温度で処理することができる。その結果、本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、多くの市販のプラスチック基板、例えばマイラー（ＭＹＬＡＲ、登録商標）、ペン（ＰＥＮ、登録商標）などと同等の温度で加工可能であり、可撓性薄膜トランジスタ回路の作製において使用することができる。

誘電体層は、薄膜トランジスタに使用するのに適した任意の厚さとすることができる。複数の態様では、誘電体層は約５０ｎｍ〜約２μｍの厚さを有する。他の態様では、誘電体層は約２００ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する。

本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から形成される誘電体層は多くの所望の特徴を示す。例えば、本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から形成される誘電体層には、一般にピンホールがない。さらに、誘電体層は高い誘電率を有し、そのため、降伏電圧が高い。一般に、本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製される誘電体層は約３．０を超える誘電率を有する。他の態様では、誘電率は約４．０を超える。これらの誘電率は、シロキサン組成物のみから調製される誘電体層の誘電率よりも高い。いずれの特別な理論にも縛られないが、誘電率の増加は、金属酸化物の混入により生じるものであると考えられる。かなり誘電率が高くなり、薄膜トランジスタはより低い動作電圧で動作できるようになる。誘電率は、組成物中のシロキシ成分及び金属酸化物成分の比率を調整することにより所望のように調節してもよい。

本明細書で記述されるようにシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から形成される誘電体層は、薄膜トランジスタで使用するのに適した電気的および機械的特性を示す。複数の態様では、誘電体層は、約３ｎＦ／ｃｍ^２を超える容量を有する。他の態様では、誘電体層は、約６ｎＦ／ｃｍ^２を超える容量を有する。別の態様では、誘電体層は、約１０ｎＦ／ｃｍ^２を超える容量を有する。さらに別の態様では、誘電体層は、約１５〜約２５ｎＦ／ｃｍ^２の容量を示す。誘電体層の容量は誘電材料の厚さの関数である。誘電率が一定に維持される場合、容量は誘電体層の厚さの増加に伴い減少する。しかしながら、同様の厚さの誘電体層は、個々の材料の誘電率に基づき異なる容量を示す。一般に、同じ厚さでは、誘電体層の容量は誘電率の増加に伴い増加する。

本明細書で記述されるようにシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から形成される誘電体層は、非常に滑らかな表面を有する。前記誘電体層の表面粗さは、例えば、１つの態様では約５０ｎｍ未満、別の態様では１０ｎｍ未満、およびさらに別の態様では約１ｎｍ未満であってもよい。

シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、当技術分野で周知の任意の適した方法により調製してもよい。一般に、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、溶液中で調製され、薄膜トランジスタなどの電子デバイスにおいて使用するための誘電体層を作製するための「プレポリマー」として使用される。複数の態様では、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物はケトン類、エステル類、アルコール類、エーテルなどの一般的な溶媒中で良好な溶解性を有する。複数の態様では、組成物はゾル−ゲル化学に基づき調製される。特に、複数の態様では、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は、最初にシロキシ成分を酸性溶液中で反応させ、続いて金属酸化物成分と反応させることにより調製される。１つの態様では、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は混合溶媒中で合成される。複数の態様では、組成物は溶媒から単離されないが、誘電体層を作製するための溶液として使用される。

本明細書で記述したようにシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は溶液加工性であり、溶液堆積技術により誘電体層を作製する際に使用することができる。そのような溶液堆積技術としては、スピンコーティング、溶液流延、浸漬コーティング、ステンシル／スクリーン印刷、フレキソグラフィー、グラビア印刷、オフセット印刷、ジェット印刷、ミクロ接触印刷、これらのプロセスの組み合わせ、などが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の薄膜トランジスタにおける基板は、対象とする用途により、シリコンウエハ、ガラス板、プラスチックフィルムまたはシートなどを含む（これらに限定されない）任意の適した材料としてもよい。他の適した材料としては、セラミック箔、コート金属箔、アクリル類、エポキシ類、ポリアミド類、ポリカーボネート類、ポリイミド類、及びポリケトン類が挙げられる。構造的に可撓性の電子デバイスのためには、プラスチック基板、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドシート、などを使用してもよい。基板の厚さは約１０μｍ〜１０ｍｍ以上としてもよく、ただし、対象とする用途に対し必要とされる機械的特性が満たされることが要求される。複数の態様では、基板は約５０〜約１００μｍである。ガラスやシリコンなどの剛性基板を用いる態様では、基板は約１〜約１０ｍｍである。

誘電体層の組成および形成について本明細書で記述する。

ゲート電極はいかなる意味においても限定されるものではなく、任意の有益な導電材料としてもよい。ゲート電極は金属薄膜、導電性ポリマー膜、導電性インクまたはペーストから作製した導電性膜、または基板自体（例えば、大量にドープしたシリコン）としてもよい。適したゲート電極材料の例としては、アルミニウム、クロム、銅、金、銀、ニッケル、パラジウム、白金、タンタル、チタン、インジウム、酸化スズ、導電性ポリマー、例えばポリスチレンスルホネートドープポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＳＳ−ＰＥＤＯＴ）、ポリマーバインダ中のカーボンブラック／グラファイトまたはコロイド銀分散物からなる導電性インク／ペースト、例えばアチェソンコロイドカンパニー（Ａｃｈｅｓｏｎ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能なエレクトロダグ（ＥＬＥＣＴＲＯＤＡＧ、登録商標）およびノエルインダストリー（Ｎｏｅｌｌｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）から入手可能な銀を添加した電気伝導性の熱可塑性インクなどが挙げられるが、これらに限定されない。ゲート電極は、例えば、金属または導電性金属酸化物の蒸着またはスパッタリングにより調製してもよい。ゲート電極はまた、スピンコーティング、流延（ｃａｓｔｉｎｇ）または印刷により、導電性ポリマー溶液または導電性インクから調製することができる。複数の態様では、ゲート電極は約１０ｎｍ〜約１０μｍの厚さを有する。別の態様では、例えば、ゲート電極は金属薄膜であり、ゲート電極は一般に約１０〜約２００ｎｍの範囲である。さらに別の態様では、例えば、ゲート電極はポリマー導電体であり、ゲート電極の厚さは約１〜約１０μｍである。

ソースおよびドレイン電極層は、半導体層への抵抗の低いオーム接触を提供する材料から作製してもよい。ソースおよびドレイン電極として使用するための材料には、ゲート電極して適した材料が含まれ、例えば、金、ニッケル、アルミニウム、白金、導電性ポリマー、及び導電性インクが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの態様では、ソースおよびドレイン電極層は約４０ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する。別の態様では、ソースおよびドレイン電極層の厚さは約１００〜約４００ｎｍである。ソース及びドレイン電極は、任意の適した方法により塗布または堆積させてもよく、そのような方法としては、真空蒸着、金属または導電性金属酸化物のスパッタリング、または溶液堆積技術、例えばスピンコーティング、流延または印刷が挙げられるが、これらに限定されない。

複数の態様では、本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層を含む電子デバイスは、有機半導体層を含む薄膜トランジスタである。有機半導体層として使用するのに適した材料としては、アセン類、例えばアントラセン、テトラセン、ペンタセン、及び置換ペンタセン類、ペリレン類、フラーレン類、フタロシアニン類、オリゴチオフェン類、及びそれらの置換誘導体が挙げられる。複数の態様では、有機半導体層は溶液加工性材料から形成される。

半導体は任意の適した手段により形成してもよく、そのような手段としては、真空蒸着、スピンコーティング、溶液流延、浸漬コーティング、ステンシル／スクリーン印刷、フレキソグラフィ、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、ミクロ接触印刷、これらのプロセスの組み合わせ、などが挙げられるが、これらに限定されない。複数の態様では、半導体層は、約１０ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する。別の態様では、有機半導体層は約３０〜約１５０ｎｍの厚さを有する。別の態様では、基板層は約４０〜約１００ｎｍの厚さを有する。

シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層を含む薄膜トランジスタは、例えば、約１μｍ〜約５ｍｍの半導体チャネル長、及び約５０μｍ〜約１０ｍｍのチャネル幅を有する。複数の態様では、半導体チャネル長は約１μｍ〜約１ｍｍとしてもよい。別の態様では、半導体チャネル長は約１μｍ〜約５００μｍである。別の態様では、チャネル長は約５μｍ〜約２００μｍである。本明細書で記述されるように、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製される誘電体層を含む薄膜トランジスタは、例えば、約１〜約１０，０００のチャネル幅対チャネル長の比率を有する。他の態様では、チャネル幅対チャネル長の比率は例えば約１〜約１，０００である。

本明細書で記述されるように、トランジスタは、本明細書で記述されるように個々の層を形成することにより形成または作製してもよく、所望の構造を有するトランジスタが提供される。

本発明の開示によるシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層を使用する薄膜トランジスタは満足のいく薄膜トランジスタ特性を示す。複数の態様では、トランジスタの電流オン／オフの比率は約１，０００を超え、別の態様では、約１０，０００を超える。トランジスタは約１ｎＡ未満の漏れ電流を示し、複数の態様では、約５０ｐＡ未満の漏れ電流を示す。トランジスタはまた、約１０^−１０Ａの低い残留電流を示す。本発明の開示によるシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層を使用するトランジスタは、複数の態様では、約０．００１ｃｍ^２／Ｖ・Ｓを超える、別の態様では約０．０１ｃｍ^２／Ｖ・Ｓを超える移動度を有する。

［好ましい態様］
本発明によるシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層は、約６またはそれ以上の誘電率を有する。

実施例１
１）シロキシ／酸化チタン前駆体の調製
シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物を、シロキシ成分としてメチルトリメトキシシラン、および金属酸化物成分としてチタンイソプロポキシドを使用し、下記のように調製した。

０．８８ｇの０．１ｗｔ％塩酸水溶液と５．１３ｇのテトラヒドロフランの混合物を、氷浴で冷却した３つ口フラスコ中の４．０８ｇのメチルトリメトキシシランと９．２４ｇのメチルイソブチルケトンの混合物に、３０分間にわたり、激しく撹拌しながら、乾燥雰囲気下で、滴下した。得られた混合物を室温まで温め、５分間そのまま保持し、その後、６０℃まで加熱し、そのまま３時間保持した。その後、１２．８ｇのテトラヒドロフランに溶解した５．６８ｇのチタンイソプロポキシドの溶液を添加し、反応混合物を６０℃でさらに１時間維持した。最後に、１８．０ｇのテトラヒドロフランおよび０．０８１ｇの蒸留水の混合物を反応混合物に添加し、その後、室温まで冷却し、その後、誘電体層の作製において使用した。

２）薄膜トランジスタの作製及びキャラクタリゼーション
上記メチルトリメトキシシラン／チタンイソプロポキシド組成物を最初に、２０ｇのメチルイソブチルケトンで希釈し、０．２μｍフィルタを通して濾過した。その後、ｎ−ドープシリコンウエハ上に、３０００ｒｐｍの速度で１分間スピンコートした。堆積膜を１５０℃の温度で硬化させると、約２００ｎｍ（表面形状メータで測定）の厚さを有する誘電体膜が得られた。誘電体膜は非常に滑らかな表面特性を示し、表面粗さは約１ｎｍ未満と低かった。

容量を測定するために、金電極層を誘電体層上面に真空蒸着させた。キャパシタメータ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｍｅｔｅｒ）を使用して、容量を測定すると約２２ｎＦ／ｃｍ^２であった。誘電体膜の誘電率を計算すると、約５．０であった。

上記のように調製した誘電体膜を有する薄膜トランジスタを下記のように作製した。

ポリチオフェン半導体層（ＰＱＴ）を、スピンコーティングによりｎ−ドープシリコン基板上の誘電体層の上面に堆積させた。半導体層を真空オーブン内、約８０℃〜約１４５℃で３０分間、乾燥、アニールさせ、その後、室温まで冷却した。その後、１組のソース／ドレイン電極対を、シャドウ・マスクを介して、得られた半導体層上面に真空蒸着し、様々な寸法の一連の薄膜トランジスタを形成させた。

得られたトランジスタを、ケイスリー（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）４２００半導体キャラクタリゼーションシステムを用いて評価した。約６０μｍのチャネル長及び約１０００μｍのチャネル幅を有する薄膜トランジスタのキャラクタリゼーションを、出力曲線および増幅特性曲線を測定することにより実施した。デバイスは約０ボルトで作動し、０．０７６ｃｍ^２／Ｖ・ｓの電界効果移動度および約５，５００の電流オン／オフ率を示した。

実施例２
１）シロキシ／酸化アルミニウム前駆体の調製
シロキシ／酸化アルミニウムハイブリッド組成物を、シロキシ成分としてメチルトリメトキシシラン、および金属酸化物成分としてアルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシドを使用し、下記のように調製した。

２．４６ｇのアルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシドを、３つ口フラスコ中の４．０８ｇのメチルトリメトキシシランと９．２４ｇのメチルイソブチルケトンの混合物に、乾燥雰囲気下で添加した。混合物を氷浴で冷却し、その後、０．８８ｇの０．１ｗｔ％塩酸水溶液と２０ｍＬのテトラヒドロフランの混合物を３０分間にわたり、激しく撹拌しながら添加した。３０分後、反応混合物を氷浴から取り除き、６０℃まで加熱し、その後この温度で３時間撹拌した。その後、０．０８１ｇの蒸留水と２０ｍＬのテトラヒドロフランの混合物を滴下した。反応混合物をさらに２時間撹拌し、その後使用前に室温まで冷却した。

２）薄膜トランジスタの作製及びキャラクタリゼーション
実施例１の手順に従い、上記シロキシ／アルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシドハイブリッド組成物から誘電体層を調製した。得られた誘電体層は、厚さが１８０ｎｍであり、その容量を測定すると約２０ｎＦ／ｃｍ^２であり、誘電率を計算すると、約４．１であった。誘電体層の作製においてシロキシ／アルミニウムトリ−ｓｅｃ−ブトキシドハイブリッド組成物を使用したことを除き、実施例１と同じ手順を用い薄膜トランジスタを作製した。チャネル長が約６０μｍであり、チャネル幅が約１０００μｍの薄膜トランジスタのキャラクタリゼーションを、出力曲線および増幅特性曲線を測定することにより実施した。デバイスは約０ボルトで作動し、０．０９ｃｍ^２／Ｖ・ｓの電界効果移動度および約２５，０００の電流オン／オフ率を示した。

実施例３
１）シロキシ／ジルコニウムブトキシド前駆体の調製
シロキシ／ジルコニウムブトキシドハイブリッド組成物を、シロキシ成分としてメチルトリメトキシシラン、および金属酸化物成分としてジルコニウムブトキシドを使用し、下記のように調製した。

０．８８ｇの０．１ｗｔ％塩酸水溶液と５．１３ｇのテトラヒドロフランの混合物を、氷浴で冷却した３つ口フラスコ中の４．０８ｇのメチルトリメトキシシランと１０ｇのメチルイソブチルケトンの混合物に、激しく撹拌しながら、乾燥雰囲気下で、滴下した。混合物を室温まで温め、その後、６０℃まで３時間加熱した。その後、８０ｗｔ％ジルコニウムを含有するブトキシド溶液を６．１６６ｇと１２．８ｇのテトラヒドロフランの混合物を３０分間にわたり滴下した。１８．０ｇのテトラヒドロフランを添加した後、混合物を６０℃で３時間撹拌し、その後、室温まで冷却し、その後、誘電体層の作製において使用した。

２）薄膜トランジスタの作製及びキャラクタリゼーション
実施例１の手順に従い、上記シロキシ／ジルコニウムブトキシドハイブリッド組成物から誘電体層を調製した。得られた誘電体層は、厚さが１７０ｎｍであり、その容量を測定すると約２５ｎＦ／ｃｍ^２であり、誘電率を計算すると、約４．８であった。誘電体層の作製においてシロキシ／ジルコニウムブトキシドハイブリッド組成物を使用したことを除き、実施例１と同じ手順を用い薄膜トランジスタを作製した。チャネル長が約６０μｍであり、チャネル幅が約１０００μｍの薄膜トランジスタのキャラクタリゼーションを、出力曲線および増幅特性曲線を測定することにより実施した。デバイスは約０ボルトで作動し、０．１ｃｍ^２／Ｖ・ｓの電界効果移動度および約１０，０００の電流オン／オフ率を示した。

上記例示的な実施例により、本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物が、薄膜トランジスタのための誘電体層の作製に有益であることが示される。本発明の開示に従いシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層により、望ましい高性能特性を有する薄膜トランジスタの作製が可能になる。本発明のシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物は溶液加工性であり、溶液堆積プロセスを用い、低コストの可撓性薄膜トランジスタのための誘電体層を作製する際に使用することができる。

本発明の開示の１つの態様による薄膜トランジスタの概略を示した断面図である。 本発明の開示の第２の態様による薄膜トランジスタの概略を示した断面図である。 本発明の開示の第３の態様による薄膜トランジスタの概略を示した断面図である。 本発明の開示の第４の態様による薄膜トランジスタの概略を示した断面図である。

符号の説明

１０ 薄膜トランジスタ、１２ 基板、１４ ゲート電極、１６ 誘電体層、１８ ソース電極、２０ ドレイン電極、２２ 半導体層。

Claims (3)

1. シロキシ成分と金属酸化物成分とを含み、シロキシ成分はシロキサン類、シルセスキオキサン類及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、電子デバイスの誘電体構成要素の作製に使用するのに適したシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物。
2. ゲート電極と、
   シロキサン類、シルセスキオキサン類及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるシロキシ成分と、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ストロンチウム、イットリウム、ランタン及びそれらの組み合わせからなる群より選択される金属と酸素、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシ、ｓｅｃ−ブトキシ、フェノキシおよびこれらの組み合わせからなる群より選択される酸素成分とを含む金属酸化物成分と、を含むシロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製した誘電体層と、
   ソース電極と、
   ドレイン電極と、
   半導体層と、
   を備え、
   前記誘電体層は約３．０を超える誘電率を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。
3. 基板と、
   ゲート電極と、
   約５〜約９５重量％のシロキシ成分と、約５〜約９５重量％の金属酸化物成分と、を含み、前記シロキシ成分と金属酸化物成分とを合わせた量は、前記シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物中に存在することがある溶媒の量を除き、１００重量％に等しくなる、シロキシ／金属酸化物ハイブリッド組成物から調製されたゲート誘電体層と、
   ソース電極と、
   ドレイン電極と、
   前記ソース及びドレイン電極と接触する半導体層と、
   を備え、
   前記誘電体層は約３を超える誘電率および約３ｎＦ／ｃｍ^２を超える容量を有することを特徴とする薄膜トランジスタ。

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