JP2006278639A - 半導体素子の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体素子Sは、絶縁層14を挟んでゲート電極12に対向する半導体層20と、絶縁層14と半導体層20との間に介在する特性制御層22とを有する。半導体層20は、ペンタセンなどの有機半導体材料からなる。特性制御層22は、半導体素子Sの閾値電圧Vthを制御するための膜体である。この半導体素子Sを製造する方法は、各々の分子鎖長が相違する複数の材料のなかから当該半導体素子Sの閾値電圧Vthに応じた分子鎖長の材料を選定する工程と、ここで選定した材料によって特性制御層22を形成する工程とを含む。
【選択図】 図1
Description
[半導体素子の構造]
図1は、本実施形態に係る半導体素子の構造を示す断面図である。同図に示されるように、半導体素子Sは、基板10の表面に形成されたゲート電極12と、ゲート電極12の表面に形成された絶縁層14と、絶縁層14の表面に形成されたソース電極16およびドレイン電極18と、絶縁層14を挟んでゲート電極12に対向するように有機半導体材料によって形成された半導体層20と、半導体層20と絶縁層14との間に介在する特性制御層22とを有する。すなわち、本実施形態における半導体層20は、ゲート電極12の電位に応じて半導体層20にチャネルが誘起される絶縁ゲート構造(本実施形態では特にMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造)の電界効果トランジスタ(薄膜トランジスタ)である。
次に、半導体素子Sを製造する方法の具体例を説明する。もっとも、半導体素子Sの各部の材料や寸法および形成の方法は以下の例示に何ら限定されない。
有機半導体材料を利用した半導体素子Sに関する様々な試験の結果、本願発明者は、半導体素子Sの閾値電圧Vthが特性制御材料の分子鎖長に応じて変化するという知見を得るに至った。この試験の結果について詳述すると以下の通りである。なお、この試験に使用された試料は、N型の単結晶基板(ゲート電極12)の表面を加熱により酸化して300nmの絶縁層14を形成し、この絶縁層14の表面に金(Au)によって100nm程度の膜厚のドレイン電極18およびソース電極16を形成したものである。そして、絶縁層14の表面に、各々の分子鎖長が相違する特性制御材料からなる特性制御層22をCVD法によって形成した。成膜中の基板10の温度は約110℃である。
(a)[(CH3)3Si]2NH(図5の特性「C1」−以下では「C1化合物」という)
(b)CH3(CH2)7Si(OC2H5)3 (図5の特性「C8」−以下では「C8化合物」という)
(c)CH3(CH2)11Si(OC2H5)3 (図5の特性「C12」−以下では「C12化合物」という)
(c)CH3(CH2)17Si(OC2H5)3 (図5の特性「C18」−以下では「C18化合物」という)
(a)C1化合物:Vth≒-23[V]
(b)C8化合物:Vth≒-13[V]
(c)C12化合物:Vth≒-10[V]
(d)C18化合物:Vth≒-5[V]
すなわち、特性制御材料の分子鎖長が長いほど(すなわち自然数mが大きいほど)半導体素子Sの閾値電圧Vthは増大する。この結果から、特性制御層22となる材料の分子鎖長を適宜に選定することによって半導体素子Sの閾値電圧Vthを精細に調整できることが判る。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本実施形態のうち第1実施形態と同様の要素については共通の符号を付してその説明を適宜に省略する。
図7の特性G1は、特性制御層22の成膜の程度とその密度Dとの関係を示すグラフである。同図においては、CVD法による成膜の開始点を「0」とした経過時間(CVD処理時間)が成膜進行度を示す指標として横軸に示され、特性制御層22の密度D(g/cm3)が縦軸に示されている。同図に示されるように、特性制御層22の密度Dは、成膜が開始された当初はその進行に伴って増大していくが、その進行が特定の段階に到達するとその後は略一定の数値(1.6g/cm3程度)を維持する(すなわち飽和する)。したがって、密度Dが飽和する前の状態においては特性制御層22の密度Dを成膜進行度に応じて任意に制御することができる。
図7の特性G2は、特性制御層22のCVD処理時間とその膜厚との関係を示すグラフである。この特性G2に関しては特性制御層22の膜厚(nm)が縦軸に示されている。同図に示されるように、特性制御層22の膜厚は、成膜が開始された当初はその進行に伴って増大していくが、その進行が特定の段階に到達すると略一定の数値(1.4nm程度)に飽和する。したがって、飽和前の状態においては特性制御層22の膜厚を成膜進行度に応じて任意に制御することができる。なお、特性制御層22の膜厚が成膜進行度に対して飽和し始める時点は、トリフルオロメチル基やメチル基といった末端基R1が特性制御層22の表面に規則的に配列するに至った時点であると考えられる。すなわち、この段階で特性制御層22の膜厚が飽和するのは、末端基R1が表面に配列することによって反応性の高い部分(X基やR2基)が表面に露出しなくなったためである。
次に、図9(a)は、特性制御層22のCVD処理時間とその表面における水の接触角(以下「水接触角」という)θbとの関係を示すグラフである。同図においては、図7と同様にCVD処理時間が横軸に示され、水接触角θb(°)が縦軸に示されている。なお、水接触角θbは、図9(b)に示されるように、特性制御層22の表面に滴下された水滴Wの表面と特性制御層22の表面との仰角である。図9(a)に示されるように、特性制御層22の水接触角θbは、成膜が開始された当初はその進行に伴って増大していくが、その進行が特定の段階に到達すると略一定の数値(110°程度)に飽和する。
(a)D=1.6[g/cm3]:Vth≒5[V]
(b)D=0.7[g/cm3]:Vth≒-5[V]
(c)D=0.6[g/cm3]:Vth≒-30[V]
(d)untreated(特性制御層なし):Vth≒-40[V]
すなわち、特性制御層22の密度Dが増加するほど半導体素子Sの閾値電圧Vthは増大する。この結果から、特性制御層22の密度Dを制御することによって半導体素子Sの閾値電圧Vthを精細に調整できることが判る。
次に、特性制御層22の密度Dを制御するための具体的な方法について説明する。以上に説明したように特性制御層22の密度Dは成膜進行度が特定の段階に到達すると略一定の数値に飽和するから、所望の閾値電圧Vthに対応するように密度Dを制御するためには、飽和状態に達していない状態(以下「非飽和状態」という)の特性制御層22を作成する必要がある。この非飽和状態の特性制御層22を作成する方法としては、特性制御層22を成膜する過程における途中の段階(すなわち飽和状態に到達する以前の段階)で成膜を終了する方法(以下「第1の密度制御方法」という)と、いったん飽和状態に到達するまで成膜を進行させてから特性制御層22に所定の処理を施して密度Dを低下させる方法(以下「第2の密度制御方法」という)とがある。各方法の具体例は以下の通りである。
第1の密度制御方法においては、特性制御層22を成膜する過程のうち飽和状態に到達する段階(以下「飽和開始点」という)よりも前の段階にて成膜を終了する。この飽和開始点は、特性制御層22の成膜進行度と当該特性制御層22の密度Dとの関係を予め試験的に測定することによって特定される。例えば、事前の試験によって図7に特性G1として示した結果が得られた場合には、飽和開始点を60分程度と見積もることができる。したがって、この場合には、半導体素子Sを実際に製造する工程のうち特性制御層22を成膜する工程において、CVD処理時間がその開始から約60分を経過する前の時点で成膜を終了することによって所望の密度Dの特性制御層22を形成することができる。
第2の密度制御方法においては、いったん飽和状態まで成膜が進行した特性制御層22に所定の処理を施して密度Dを低下させる。この処理の具体例としては、特性制御層22を加熱する処理と、特性制御層22に光線を照射する処理と、特性制御層22を所定の液体(以下「密度制御薬液」という)に浸漬する処理とがある。これらの処理の具体的な内容は以下の通りである。なお、以下に示す複数の処理を組み合わせて実施してもよい。
図12は、飽和状態にある特性制御層22を加熱したときの密度Dの変化の様子を示すグラフである。同図においては、加熱時の特性制御層22の温度が横軸に示され、特性制御層22の密度Dが縦軸に示されている。同図に示されるように、飽和状態にある特性制御層22の密度Dは、図12に示される所定値Taよりも温度が低い場合には略一定値を維持するが、所定値Taよりも高い温度に加熱されるとその温度に応じて連続的に低下していく。したがって、いったん飽和状態とされた特性制御層22を所定値Taよりも高い温度に加熱することにより、特性制御層22の密度Dをその温度に応じた所望の数値に制御することができる。なお、図12においては特性制御層22の温度に対する密度Dの変化を例示したが、特性制御層22の密度Dは、その加熱の時間によっても同様に変化する。したがって、特性制御層22の加熱の時間を調整することによって密度Dを制御してもよい。
飽和状態にある特性制御層22に紫外線などの光線を照射すると、その照射の時間や光線の強度または波長に応じて密度Dが低下していく。すなわち、光線が照射される時間が長いほど特性制御層22の密度Dは大きく低下し、光線の強度が高く波長が短いほど特性制御層22の密度Dは大きく低下するといった具合である。したがって、いったん飽和状態とされた特性制御層22に対して所望の密度Dに応じた光線を適宜な時間にわたって照射することによって特性制御層22の密度Dを所期値に制御することができる。
図13は、飽和状態にある特性制御層22をアルカリ性の密度制御薬液に浸漬したときの密度Dの変化の様子を示すグラフである。同図においては、浸漬の時間が横軸に示され、特性制御層22の密度Dが縦軸に示されている。同図に示されるように、飽和状態にある特性制御層22の密度Dは、密度制御薬液に対する浸漬の時間が所定値Tbを越えるとその時間に応じて連続的に低下していく。したがって、いったん飽和状態とされた特性制御層22を所定値Tbよりも長い時間長にわたって密度制御薬液に浸漬することにより、特性制御層22の密度Dをその浸漬の時間に応じた所期の数値に制御することができる。この処理において使用される密度制御薬液のpHは10ないし12程度であることが望ましく、その具体例としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH:Tetramethyl ammonium hydroxide)、あるいは水酸化ナトリウム(NaOH)や水酸化カリウム(KOH)などの水溶液がある。なお、図13においては密度制御薬液に対する浸漬の時間に対する密度Dの変化を例示したが、特性制御層22の密度Dは、密度制御薬液のpHによっても同様に変化する。したがって、密度制御薬液のpHを調整することによって特性制御層22の密度Dを制御してもよい。
次に、各実施形態に係る半導体素子Sを利用した半導体装置について説明する。この半導体装置は、例えば、画素に印加される電圧を制御するために画素ごとに形成されたスイッチング素子や画素を駆動するための駆動回路のスイッチング素子として各実施形態の半導体素子Sを利用した表示パネル(例えばアクティブマトリクス方式の液晶パネル)である。ただし、半導体装置の構成や用途は任意に変更される。
各実施形態に対しては様々な変形を加えることができる。具体的な変形の態様を例示すれば以下の通りである。なお、以下に示す各態様を適宜に組み合わせてもよい。
図15に示されるように、図1に示した半導体層20とゲート電極12との位置関係を逆転させてもよい。図15の構成においては、基板10に形成された半導体層20の表面に特性制御層22が形成され、半導体層20および特性制御層22を被覆する絶縁層14を挟んで半導体層20と対向するようにゲート電極12が形成される。この構成によれば、基板10の表面にゲート電極12および絶縁層14が形成される図1の構成と比較して、基板10を形成する材料の選択の自由度が大きいという利点がある。
各実施形態においては特性制御層22の密度Dや分子鎖長に応じて半導体素子Sの閾値電圧Vthを調整する方法を例示したが、これに加え、特性制御層22の他の特性を制御することによって閾値電圧Vthを調整してもよい。例えば、特性制御層22の膜厚や材料を適宜に選定することによっても閾値電圧Vthを所期値に調整することが可能である。
各実施形態においては、絶縁層14と半導体層20とが相互に対向する領域の全域にわたって特性制御層22が形成された構成を例示したが、半導体素子Sについて所望のスイッチング特性が得られるのであれば、この領域のうち特定の部分のみに選択的に特性制御層22が形成された構成としてもよい。また、半導体素子Sのスイッチング特性に実用上の問題がなければ、絶縁層14と半導体層20とが対向する領域以外の部分(例えばソース電極16やドレイン電極18の表面上)に特性制御層22が形成されていてもよい。
Claims (4)
- 絶縁層を挟んでゲート電極に対向する有機半導体層と前記絶縁層との間に当該半導体素子の閾値電圧を制御するための特性制御層が介在する半導体素子を製造する方法であって、
各々の分子鎖長が相違する複数の材料のなかから当該半導体素子の閾値電圧に応じた分子鎖長の材料を選定する選定工程と、
前記選定工程にて選定した材料によって前記特性制御層を形成する成膜工程と
を有する半導体素子の製造方法。 - 前記選定工程においては、各々の分子鎖長が相違する複数のシラン化合物のなかから当該半導体素子の閾値電圧に応じた材料を選定する
請求項1に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記選定工程においては、R1(CH2)mSiR2 nX3-n(mは自然数、nは0,1,2)の化学式のうち自然数mが相違する複数のシラン化合物のなかから当該半導体素子の閾値電圧に応じた材料を選定する
請求項2に記載の半導体素子の製造方法。 - 絶縁層を挟んでゲート電極に対向する有機半導体層と、前記絶縁層と前記有機半導体層との間に形成された特性制御層とを各々が有する第1および第2の半導体素子を具備し、
前記第1の半導体素子の前記特性制御層の材料と前記第2の半導体素子の前記特性制御層の材料とは分子鎖長が相違し、この分子鎖長の相違に応じて前記第1の半導体素子の閾値電圧と前記第2の半導体素子の閾値電圧とは相違する
半導体装置。
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