JP2006520101A - 電子配列の製作方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の装置は、有機半導体材料の薄膜トランジスタを有する。この半導体材料は、第1の保護層、およびその後のフォトレジストの設置によって、パターン化される。本発明のトランジスタ（A）は、従来技術のトランジスタ（B、C）に比べて、極めてリーク電流が小さく、閾値電圧の低いことが結果として示されている。
Description
本発明は、有機半導体材料を有する活性層を備える薄膜トランジスタを有する電子配列を製作する方法に関し、当該方法は、前記活性層を基板上に設置するステップと、フォトレジストを設置し、露光し、定着させるステップと、前記定着されたフォトレジストのパターンと合致するように、前記活性層をパターン化するステップと、を有する。
さらに本発明は、チャンネルによって相互に分離されたソース電極およびドレイン電極と、誘電体材料によって前記チャンネルから分離されたゲート電極と、を備える薄膜トランジスタを有する電子配列に関し、当該配列は基板を有し、該基板の片側には、有機半導体材料を有し、前記チャンネルが設置される活性層と、前記ソース電極および前記ドレイン電極が定形される第1の電極層と、誘電体材料の中間層と、前記ゲート電極が定形される第2の電極層であって、前記ゲート電極は、前記第1の電極層上に垂直に設置された場合、実質的に前記チャンネルと重なる、第2の電極層と、が設けられる。
そのような配列およびそのような方法は、H. E. A. Huitemaら、ネイチャー、414巻、599号（2001年）に示されている。従来の配列は、液晶材料の電気−光学層を有する表示装置である。隣接トランジスタ間の電流リークを防ぐため、活性層が構成される。従来の配列における活性層は、半導体材料としてポリテニレン（polythenylene）−ビニレンを有し、さらに金／PEDOT電極を有する。
実験の結果から、構造化活性層を備える薄膜トランジスタは、非構造化活性層を有する薄膜トランジスタとは異なる特性を示す。20V以上のゲート電圧でのトランジスタ間のリーク電流は、実質的に抑制されるが、これは著しく大きな閾値電圧である。実実上、これは、装置の作動のためには、極めて大きなゲート電圧を常時印加しなければならないことを意味する。これは、電力消費の観点からは大きな問題であり、特に携帯型装置の場合は深刻である。
H. E. A. Huitemaら、ネイチャー、414巻、599号、2001年
H. E. A. Huitemaら、ネイチャー、414巻、599号、2001年
本発明の第1の課題は、導入部で示したような方法を提供することであり、これにより表示の際の隣接薄膜トランジスタ間でのリーク電流が小さく、閾値電圧の低い配列が可能になる。
本発明の第2の課題は、リーク電流が小さく閾値電圧の低い、導入部で示した種類の配列を提供することである。
第1の課題は、活性層上に保護層を設け、その上にフォトレジストを設けることによって、およびフォトレジストに定形されたパターンに合致するように、保護層と活性層をパターン化することによって可能となる。
意外なことに、保護層を設けた場合、リーク電流および閾値電圧がともに低い配列が得られることが明らかとなっている。従来技術のトランジスタの測定では、閾値電圧の上昇が生じることに対する第1の仮説は、フォトレジスト内の導電体が、活性層にドーピングされるというものである。活性層へのドーピングは、主として導電性の増大につながる。これによってさらに、向上した導電性を抑制するため、より高いゲート電極電圧が必要となる。しかしながら本発明の配列では、保護層は極めて薄い層であり、アモルファス構造となっている。従って、フォトレジスト内の導電体は、拡散してこの保護層を通過してしまう。これは、フォトレジストの硬化が高温下で行われる場合に、特に顕著である。特に、表示装置の製作プロセスの別のステップにおいても、高温下での処理が行われる。従って、1または2以上の不明な効果が生じる。次に、フォトレジストパターンが追加の未制御の電極として作用することが推察される。本発明の装置では、保護層の存在によりこの電極と活性層の間に接触は生じないため、この電極は活性にはならない。対象の保護層は極めて薄くできることから、これによる弊害は生じない。
ここで最も重要なトランジスタの正確な動作を確保するため、保護層は、非電気伝導性の材料である。好適な材料は、半導体材料または電気絶縁材料である。特に好適な材料は、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリビニルクロライド、ポリエステル、ポリエーテル、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、エポキシド、ガラス充填高分子および無機誘電体等である。また保護層材料は、活性層の半導体材料が溶解せずあるいはわずかにしか溶解しない溶媒にも、添加できるという利点がある。実際には、フォトレジストの溶媒に溶けない材料を選択することが優位である。さらに、保護層のフォトレジストへの耐溶解性は、活性層上に同じ材料を設置した後に材料を硬化させることにより、得ることができる。溶解度上の観点から必要であれば、保護層を、2種類の異なる材料からなる部分層で構成しても良いことは明らかであろう。
本発明の方法の利点は、1つの単一の加熱ステップで、異なる層の熱処理を行うことができることである。そのような熱処理は、例えば前駆体材料を有機半導体材料に変換するとき、およびフォトレジストを硬化させるときに必要となる。
好適な有機半導体の例は、ポリテニレン（polythenylene）-ビニレン、ポリ−3−ペンチルチオフェン、ポリ−3−ヘキシルチオフェン、ポリ−3−ヘプチルチオフェンのようなポリ−3−アルキルチオフェン；ペンタセン、フタロシアニン、ベンゾジチオフェン、テトラシアノナフトキノン、テトラキスメチルアニモエチレン、オリゴチオフェン、ポリアリルアミン、ポリフェニレン−ビニレン、ポリフラニレン−ビニレン、ポリピロール、ポリフェニレン、ポリフルオレン、ポリアセチレン、ポリフラン（polyfurane）、ポリアニリン、機能性バッキーボール（bucky ball）、これらの共重合体および化合物、制限された共役長さの半導体が内部に一体化された共重合体などである。さらに、これらの高分子材料の置換変異形を利用しても良い。置換の例は、アルキルおよびアルコキシ基ならびにアルキレンジオキシ基のような環状基である。その中で好適な選択は、C1乃至C10のアルキル、アルコキシまたはアルキレン基である。
好適実施例では、活性層は、キャリア材料と半導体材料の混合物を有する。この場合、保護層と活性層との密着性が改善され得ることは、明らかであろう。実際に、ある半導体材料、特にペンタセンやオリゴチオフェンのようなオリゴマーは、密着性に乏しく、機械的安定性が悪いことが示されている。少量または多量のキャリア材料を添加することにより、この機械的安定性は、著しく改善される。これは、スピンコート法によって、活性層がより簡単に設置できること、およびこれらの活性層上に層を容易に成膜することができることを意味する。そのような活性層は、未公開出願第PCT-IB02/03940(PHL010691)号に示されている。そのような化合物を保護層と組み合わせて用いることにより、そのようなオリゴマーで半導体材料の活性層を構成することができる。現在までのところ、これは、産業的に実現可能な方法で行うことは難しい。ここでキャリア材料は、保護層の材料として用いられる溶媒に溶解しないことが重要である。
別の好適実施例では、活性層および保護層は、ドライエッチング法によって構成される。ドライエッチング法では、溶媒を用いない反応性イオンエッチングが知られている；この方法では、こぶ状化のような好ましくない影響が回避される。さらに別の好適実施例では、エッチング停止層として作用する金属電極層が、活性層と基板の間に設置される。この層に好適な金属は、金または銀のような貴金属である。
ある好適実施例では、活性層が設置される前に、薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極が、第1の電極層に定形される。さらに誘電体からなる中間層が設置され、薄膜トランジスタのゲート電極が、電気導電性材料からなる第2の電極層に定形される。この方法では、底部ゲート構造の薄膜トランジスタが得られる。これとは別の上部ゲート構造では、ゲート電極は、保護層またはフォトレジストの上部に設置される。これは、保護層がゲート誘電体としても好適に使用できなければならないという制約を与える。またこの場合、中間層は、半導体層と同じパターンを有し、垂直方向の相互接続の抵抗が大きくなる。さらにフォトレジストの設置前にゲート電極が設置される場合、垂直方向の相互接続が可能となるように、電気伝導性材料の追加層を使用しなければならない。ゲート電極がフォトレジストの設置後に設置される場合、2層の誘電体が形成される。
本発明の方法を利用すると、一度に多数の薄膜トランジスタを得ることができる。また、既に国際公開第WO01／15233に示されているように、薄膜トランジスタで、表示装置の一部を構成することができるという利点が得られる。液晶電気光学層の代わりに、電気泳動層のような、異なる種類の電気−光学層を用いても良い。
本発明の第2の課題は、リーク電流が小さく閾値電圧の低い、導入部で示した種類の配列を提供することである。この課題は、活性層の基板から遠い側を、保護層と接するようにすることにより達成できる。これにより前記層が同じパターンで構成できる。本発明の方法によって得られるこの構造では、好ましい特性が得られる。
ある好適実施例では、薄膜トランジスタは底部ゲート構造を有する。この場合、第2の電極層は、第1の電極層と基板の間に設置される。これには前述の利点がある。さらに別の実施例では、後の過程で除去する必要のないフォトレジストが、構造化の前に、同じパターンで使用される。これは、薄膜トランジスタの寿命に好適な影響を及ぼし得る。また、ソースおよびドレイン電極が、いわゆる相互嵌め合い構造を有する場合に、有意である。これらの電極および干渉チャンネルの好適な解像度は、0.5乃至5μmの範囲にある。薄膜トランジスタは多数存在し、所望のパターンで相互接続され、集積回路が形成されることが好ましい。
特に好適な実施例では、薄膜トランジスタは、第1の表示素子の構成要素であり、薄膜トランジスタを備える別の表示素子が存在し、前記第1および別の表示素子は、マトリクスに配置される。この場合、配列は、画素としても知られる、いくつかの表示素子を備える表示装置となる。表示装置では、隣接トランジスタ間のリーク電流が十分に小さいことが、特に重要である。
本発明のこれらのおよび他の態様は、意向の実施例を参照することにより明らかとなろう。
図1に正確なスケールではなく、概略的に示されている薄膜トランジスタ10は、電気絶縁基板1を有し、この基板上には、ソース電極21およびドレイン電極22があり、前記電極21、22は、チャンネル23によって相互に分離された状態で、第1の電極層2に定形されている。また基板1上には、第2の電極層3があり、この層にはゲート電極24が定形される。ゲート電極24が第1の電極層2と平行に伸びている場合、ゲート電極24は、実質的にチャンネル23と重なりあう。また中間層4および活性層5が存在し、これらは半導体材料を有する。
前記層2、3、4、5は、第2の電極層3、中間層4、第1の電極層2および活性層5の順番で基板1上に存在する。基板の平坦化のため、図示されていない、ポリビニルアルコール製の絶縁性平坦化層が設けられる。第2の電極層3は金を有し、必要に応じて、露光定着感光性レジストを用いた既知の方法によってパターン化される。図示されていないが、第2の電極層3と中間層4の間には、CH3-(CH2)15-SHの単層が設置され、中間層4内でのピンホールの形成が回避される。中間層4は、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、ポリビニルフェノールのような光活性有機誘電体またはフォトレジストを有する。この場合、フォトレジストは、フォトレジストHPR504である。第1の電極層2は、この場合、金を有する。第1の電極層2は、蒸着および写真転写パターン化法のような従来の方法により設置される。第1の電極層2の上には、ポリ−3−ヘキシルチオフェンの活性層5が設置され、その厚さは50nmである。半導体層5の少なくとも一部は、チャンネル23内にある。
本発明では、活性層5上には保護層6があり、この例では保護層は、ポリメチルメタクリレート（PMMA）を有し、その厚さは40nmである。活性層がクロロホルムのスピン法によって設置された場合、保護層の溶媒として、エチルメチルケトンが使用される。フォトレジスト7は、この場合CK6020Lであり、スピンコート法によって保護層に設置される。これは、自己溶媒方式で提供される。UV照射（λ＝365nm）によるフォトレジスト7の露光後に、フォトレジストは90℃で乾燥される。120℃で1分間の乾燥ステップ後に、保護層6および活性層5が、反応性イオンエッチングによってパターン化される。この場合、第1の電極層2は、エッチング停止層として作用する。
図2には、ソース電極とゲート電極21、22の間の電流Id（単位A）を、ゲート電極24の電圧の関数としてプロットしたグラフを示す。有機半導体材料はp型特性のため、ゲート電極に負の電圧が印加された際に電流が流れる。別の実施例では、n型半導体材料、または未公開出願第EP03100177.9（PHNL030112）号に示されているような、n型およびp型特性の活性層を使用することも可能である。実線は元の特性を示し、粗い破線は保護層6がない場合の結果を示し、細かい破線は保護層6がある場合の結果を示す。
図3には、材料が異なる場合の、図2と同様のグラフを示す。この場合、半導体材料にはペンタセンが用いられている。（離脱基としてのテトラ−クロロシクロヘキサジン結合を有する）この前駆体材料が、キャリア材料としてポリスチレンを有する活性層に用いられる。この材料は、その後200℃でペンタセンに変換される。保護層として、シクロヘキサンを溶媒に有する、市販の材料ゼオネックス（Zeonex）がスピン法により設置される。フォトレジストには、HPR504が用いられる。これには、キャリア材料が1重量パーセント含まれている。使用される溶媒は、ジクロロメタンである。実線は、構造化されず上部層を有さない場合の元の特性を示す。グラフの最も右側の破線は、保護層6が使用されない場合の結果を示している。別の破線は、活性層が構成されたときの結果を示している。
Claims (10)
- 有機半導体材料を有する活性層を備える薄膜トランジスタを有する電子配列を製作する方法であって、
当該方法は、
前記有機半導体材料または該有機半導体材料の前駆体材料を有する前記活性層を、基板上に設置するステップと、
前記保護層を前記活性層上に設置するステップと、
フォトレジストを設置し、露光し、定着させるステップと、
前記保護層および前記活性層を、前記フォトレジストのパターンと合致するようにパターン化するステップと、
を有する方法。 - 前記活性層は、キャリア材料および有機半導体材料の化合物を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記有機半導体材料は、ペンタセンであることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記保護層および前記活性層は、ドライエッチング法の援用により、一つのステップで構成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記活性層と前記基板の間には、エッチング停止層として作用する金属電極層があることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記活性層の設置前に、
第1の電極層に、前記薄膜トランジスタのソース電極およびドレイン電極を定形するステップ、
誘電体材料からなる中間層を設置するステップ、および
電気伝導性材料からなる第2の電極層に、前記薄膜トランジスタのゲート電極を設置するステップ、
が実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - チャンネルによって相互に分離されたソース電極およびドレイン電極と、誘電体材料によって前記チャンネルから分離されたゲート電極と、を備える薄膜トランジスタを有する電子配列であって、
当該配列は基板を有し、該基板の片側には、
有機半導体材料を有し、前記チャンネルが設置される活性層と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極が定形される第1の電極層と、
誘電体材料の中間層と、
前記ゲート電極が定形される第2の電極層であって、前記ゲート電極は、前記第1の電極層上に垂直に設置された場合、実質的に前記チャンネルと重なる、第2の電極層と、
が設けられ、
前記活性層の前記基板から遠い側は、保護層と接触し、前記遠い側には、同様のパターンで層が構成されることを特徴とする、電子配列。 - 前記活性層は、キャリア材料と、有機材料からなる前記保護層を有し、前記キャリア材料および前記有機材料は、相互に異なることを特徴とする請求項7に記載の電子配列。
- 前記第2の電極層は、前記基板と前記第1の電極層との間に設置されることを特徴とする請求項7に記載の電子配列。
- 前記薄膜トランジスタは、第1の表示素子の構成要素であり、薄膜トランジスタを備える別の表示素子が存在し、第1および別の表示素子は、マトリクスに配置されることを特徴とする請求項7に記載の電子配列。
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