JP2007115807A

JP2007115807A - トランジスタ

Info

Publication number: JP2007115807A
Application number: JP2005304088A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ito; 学伊藤
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】酸化物半導体を活性層として、プラスチック基材からの脱水蒸気現象の影響を受けることなく、優れた特性を持つ薄膜トランジスタを提供すること。
【解決手段】可撓性プラスチック基材１上にトランジスタ素子を備えるトランジスタであって、トランジスタ素子が、ゲート電極２と、ゲート絶縁膜４と、酸化物半導体から構成された半導体活性層５と、ソース電極８及びドレイン電極７とを備えるものであり、ゲート絶縁膜として水蒸気透過度が１ｇ／ｍ²／ｄａｙ以下である無機化合物を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物半導体を活性層とするトランジスタに関し、特に安価なフィルムを基材として、優れた特性を有し、しかも経時劣化を防止したトランジスタに関するものである。

一般に電子デバイスの駆動用トランジスタとして、従来、アモルファスシリコンや多結晶シリコン等を用いた薄膜トランジスタが用いられてきた。しかしながら、高品質なアモルファスシリコンや多結晶シリコンの作成には２００℃以上の成膜温度を必要とするため、安価なポリマーフィルムを基材として用いてフレキシブルデバイスを実現することは困難であった。

また近年、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタが盛んに研究されている。有機半導体材料は真空プロセスを用いず印刷プロセスで膜形成ができるため、大幅にコストを下げられる可能性があり可撓性のプラスチック基材上に設けられる等の利点を有する。しかしながら、有機半導体材料の移動度は極めて低く、また経時劣化にも弱いという難点があり未だ広範な実用に至っていない。

以上のような状況を受け、透明酸化物半導体が近年注目を浴びている。透明酸化物半導体は低温で作成しても高い移動度を示す上に基材、電極、絶縁膜等に透明材料を用いれば透明なデバイスを実現できる等、従来の材料になかった特性を持つ。透明酸化物半導体として例えば非晶質Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ材料を用いた電界効果型トランジスタが提案されている。
K. Nomura et al. Nature, 432, 488 (2004) この文献によれば、上記材料を用いたアモルファス酸化物半導体を半導体活性層として用いることで、野村らは室温でPET基板上に移動度１０ｃｍ2／Ｖｓ前後の優れた特性を持つ透明電界効果型トランジスタの作成に成功している。

しかしながら、酸化物半導体をスパッタ法等で膜形成する場合、得られる半導体活性層の特性は成膜雰囲気下での酸素濃度によって極めて敏感に影響される。例えば上記のアモルファス−ＩｎＧａＺｎＯ薄膜をスパッタ法で作製する場合、酸素流量１%(アルゴン流量９９%)で膜作成すると１（Ｓ／ｃｍ）を超える導電率が得られるが、酸素流量５０%とすると導電率が１×１０^-13（Ｓ／ｃｍ）以下の完全な絶縁体へと変化する。特に酸素流量濃度が３%前後の良好な半導体特性が得られる成膜条件下では酸素流量に対して指数関数的に導電率は変化する。そのため、優れた半導体特性を再現性よく得るためには、成膜雰囲気時の酸素濃度の制御が極めて重要となってくる。ここで基材としてガラス等の無機材料を使用した場合には成膜中の基材からの脱ガスがほとんど無視しうる範囲内であるため、酸素濃度の制御は比較的容易であるが、プラスチック基材を使用すると基材から発生する水蒸気が膜質に深刻な影響を与える。また発生する水蒸気量を決定するプラスチック基材の含水量は季節や日々の天候の変化によって大きく変化するため、製造工程において再現性よく薄膜トランジスタを作製することは極めて難しくなる。

また酸化物半導体は経時変化に対して物性値が変化しないと考えられてきたが、実際にはデバイスを作製後、基材中に含有している水分が酸化物半導体へ拡散し、半導体特性へ悪影響を及ぼすことがある。

そこで、本発明者らは、かかる従来の酸化物半導体作製時のプラスチック基材からの脱水蒸気現象を解消せんと鋭意検討の結果、本発明に達した。本発明では、酸化物半導体を活性層として、プラスチック基材からの脱水蒸気現象の影響を受けることなく、優れた特性を持つ薄膜トランジスタを提供することを課題としている。

すなわち、本発明は、可撓性プラスチック基材と、この基材上に設けられたトランジスタ素子とを備えるトランジスタであって、
前記トランジスタ素子が、前記基材上に設けられたゲート電極と、このゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられ、酸化物半導体から構成された半導体活性層と、この半導体活性層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記半導体活性層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極とを備え、前記ゲート電極に印加する電圧の有無によって、前記ソース電極とドレイン電極との導通をオン又はオフするトランジスタ素子であり、
前記ゲート絶縁膜の水蒸気透過率が１ｇ／ｍ²／ｄａｙ以下であるトランジスタである。

本発明によれば、プラスチック基材上に水蒸気バリア性能の高い材料をゲート絶縁膜として使用し、ボトムゲート型の構造をとることで、酸化物半導体から構成された半導体活性層が形成される前にほぼ基板全体をゲート絶縁膜が覆い尽くすため、可撓性プラスチック基材からの脱ガスが抑制され、半導体活性層を安定して再現性良く製造することができる。また水蒸気透過率の低いゲート絶縁膜を使用することで、経時劣化も防止できる。

次に、図面を参照して本発明を説明する。図１に本発明の一例として、酸化物半導体を活性層とするボトムゲート型薄膜トランジスタの一例を図示した。図１のFETでは、可撓性プラスチック基材１上にトランジスタ素子が設けられている。トランジスタ素子は、基材１上に設けられたゲート電極２および補助コンデンサー電極３と、これらゲート電極２および補助コンデンサー電極３を被覆して設けられたゲート絶縁膜４と、このゲート絶縁膜４上に設けられ、酸化物半導体から構成された半導体活性層５と、この半導体活性層５に電気的に接触して配列されたソース電極８と、前記半導体活性層５に電気的に接触すると共に前記ソース電極８に離隔して配列されたドレイン電極７とで構成されており、ゲート電極２に電圧を印加することによりソース電極８とドレイン電極８とを導通させ、また、ゲート電極２の電圧を解除することによりソース電極８とドレイン電極８とを絶縁させる。なお、ソース電極８には画素電極６が接続されており、この画素電極６は、ゲート絶縁膜４を介して、前記補助コンデンサー電極３と容量結合して、これら画素電極６、ゲート絶縁膜４及び補助コンデンサー電極３の三者でコンデンサを構成している。

なお、図に示す例においては、基材１側から見て、ゲート絶縁膜４上に半導体活性層５が設けられ、この半導体活性層５上にドレイン電極７とソース電極８が設けられているが、これに限られず、ゲート絶縁膜４上にドレイン電極７とソース電極８を配置し、この両電極７，８上に半導体活性層５を設けても良い。

本発明に用いる可撓性プラスチック基材１は透明であっても不透明であってもかまわない。但し、透過型ディスプレー用薄膜トランジスタとして使用する場合は透明であることが望ましい。具体的にはポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン
、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、ポリイミド、透明性ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂などを使用することができるが、これらに限定されるわけではない。これらは単独の基材として使用してもよいが、二種以上を積層した複合基材を使用することもできる。

次に、ゲート絶縁膜４は、半導体活性層５を再現性良くかつ安定した条件で作製するため、水蒸気透過率が１ｇ／ｍ²／ｄａｙ以下である必要がある。より好ましくは０．５ｇ／ｍ²／ｄａｙ以下である。ゲート絶縁層に上記の値の水蒸気バリア性を付与することで酸化物からなる半導体活性層５をより安定的にかつ再現良く製造することができる。

このようなゲート絶縁膜４に用いる絶縁材料は、特に限定しないが、無機酸化物および無機窒化物もしくは無機酸化-窒化物(オキシナイトライド)から成ることが望ましい。酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニアなどのいずれかの単独、もしくは二種以上の混合系や二層以上積層したものなどが使用できるがこれらに限定されるものではない。金属電極間のリーク電流を抑えるためには、絶縁材料の抵抗率は１０¹²(W・cm)以上であることが好ましい。

また、ゲート絶縁層は非晶質の膜であることが望ましい。多結晶である場合は結晶粒界の影響で絶縁性が悪化したり、ガスバリア性能が劣化することがある。ここで非晶質というのは、完全な非晶質および結晶粒が10nm以下の結晶粒が非晶質構造中に散在したような系をも含む概念である。

ゲート絶縁層は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD (Chemical Vapor Deposition)法、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、ゾルゲル法などの方法を用いて形成される。絶縁層の厚さは４０ｎｍ〜１mｍであることが望ましいがこれらに限定されるものではない。

本発明に係る半導体活性層５に用いる酸化物半導体材料は亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウム、カドミウム、鉛及びアンチモンのうち一種類以上の元素を含む酸化物である、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛ガリウムインジウム等公知の材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶/アモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであってもかまわない。半導体活性層５の膜厚は少なくとも２０ｎｍ以上が望ましい。半導体活性層５はスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MBE (Molecular Beam Epitaxy)法、ゾルゲル法などの方法を用いて形成されるが、好ましくはスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法である。スパッタ法ではRFマグネトロンスパッタ法、DCスパッタ法、真空蒸着では加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング法、CVD法ではホットワイヤーCVD法、プラズマCVD法などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。

また、本発明に係るゲート電極２、補助コンデンサー電極３、ドレイン電極７及びソース電極８は、いずれの電極も、金、白金、銀、パラジウム、銅、アルミニウム、ニクロム、クロム、チタン、インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化カドミウム、酸化ガリウム、導電性ポリマーなどを使用して構成することができる。これら電極２，３，７，８は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーシ
ョン法、プラズマCVD法、光CVD法、ホットワイヤーCVD法等で形成することができる。また、導電性ペーストを用いてスピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、インクジェッット、平版印刷などで形成することも可能である。酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ等の透明導電性酸化物を使用して、前記電極２，３，７，８を透明とする場合には、ドーパントを混入させることでこれら透明電極２，３，７，８の導電率を上げることが望ましい。例えば酸化亜鉛ではガリウム、アルミニウム、ボロンなどをドーパントとし、酸化スズではフッ素、アンチモンなどをドーパントとし、また、酸化インジウムではスズ、亜鉛、チタン、セリウム、ハフニウム、ジルコニアなどをドーパントとして、これらドーパントを混入させて前記透明電極２，３，７，８を縮退させることが好ましい。また電極の材料として、半導体活性層５に用いる酸化物半導体材料と同じ材料を母材料とし、ドーパント濃度だけを高くすることもまた生産効率増加のために望ましい。電極の膜厚は少なくとも１５ｎｍ以上である必要がある。また、これら電極２，３，７，８の材料は、全て同じものとしてもよく、異なるものとしても良い。

本発明の酸化物トランジスタは液晶ディスプレー、有機ELディスプレー、光書き込み型コレステリック液晶型ディスプレー、Twisting Ball 方式ディスプレー、トナーディスプレー方式ディスプレー、可動フィルム方式ディスプレー、センサーなどのデバイスに使用することができる。

（実施例）
実施例として図1に示したトランジスタを作成した。まず、プラスチック基材1には三菱ダイヤホイル社製のポリエチレンテレフタレート(PET)Ｔ−６０（厚さ１００μｍ]を使用した。この基材１上にアルミニウムをスパッタで５０ｎｍの厚さに積層し、エッチング法でゲート電極２および補助コンデンサー電極３をパターニングした。

次に、ターゲットとしてＳｉＮの焼結体を用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法（Ａｒ：４０ＳＣＣＭ、酸素：０．２ＳＣＣＭ）により、上記電極２，３を被覆してＳｉＯＮを２２０ｎｍの厚さに積層してゲート絶縁膜４を形成した。なお、ここでゲート絶縁膜４が走査電極および信号電極の電極取り出し部を被覆することのないよう、取り出し部をテープで覆って前記ゲート絶縁膜４を形成した。

次に、ターゲットとしてＺｎＯの焼結体を用いＲＦマグネトロンスパッタ法（スパッタガスはＡｒ１９．７ＳＣＣＭ、酸素０．３ＳＣＣＭ（酸素流量比１．５％））によって４０ｎｍの膜厚を有する半導体活性層を作製し、エッチング法によりパターニングして、半導体活性層５を形成した。なお、この半導体活性層５は、図１に示すように、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２と対向する位置に設けた。

続いてスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）からなる画素電極６、ソース電極８およびドレイン電極７をRFマグネトロンスパッタ法で形成した。膜厚は、いずれの電極も８０ｎｍである。パターニングはリフトオフ法を用いた。また、チャネル長は５０mｍ、チャネル幅は５０mｍで形成した。表1に作製条件をまとめて示す。

また、プラスチック基材1上にゲート電極２およびゲート絶縁膜４を形成した中間製品を作製し、米国モコン(Mocon)社製のガスバリア性測定器(機種名：パーマトランPERMATRAN)を使用して温度４０℃、湿度９０％ＲＨの条件で測定すると水蒸気透過率は０．２ｇ／ｍ²／ｄａｙであった。上記実施例による効果を確認するため、作製した薄膜トランジスタの特性評価を行った。ＯＮ／ＯＦＦ比は２×１０⁸、移動度３．７ｃｍ²／Ｖｓの良好な薄膜トランジスタ特性が確認された。

（比較例１）
実施例と同様に、PET基材１上に、酸化物からなる半導体活性層５、ソース電極８およびドレイン電極７、ゲート絶縁層４、ゲート電極２の順にトップゲート型の薄膜トランジスタを作製した。各層の成膜条件は実施例と同じである。その特性を評価したところ、ＯＮ／ＯＦＦ比は９×１０⁸、移動度０．５ｃｍ²／ＶＳであった。

（比較例２）
ゲート絶縁膜４以外の膜は上記実施例と全く同一でボトムゲート型トランジスタを作製した。ゲート絶縁膜の作製方法はＥＢ蒸着法で、原材料としては粒状ＳｉＯ₂を用い、成膜時に酸素を２０ＳＣＣＭ導入し、実施例と同様に２２０ｎｍ成膜した。

また、プラスチック基材1上にゲート電極２およびゲート絶縁膜４を形成した中間製品を作製し、米国モコン(Mocon)社製のガスバリア性測定器(機種名：パーマトランPERMATRAN)を使用して温度４０℃、湿度９０％ＲＨの条件で測定すると水蒸気透過率は２．９ｇ／ｍ²／ｄａｙであった。上記実施例による効果を確認するため、作製した薄膜トランジスタの特性評価を行った。ＯＮ／ＯＦＦ比は約７×１０⁷、移動度０．６ｃｍ²／Ｖｓであった。

実施例及び比較例の結果から、実施例のトランジスタは優れた薄膜トランジスタ特性を有することが分かる。

本発明の薄膜トランジスタの一例の断面構造を示す説明図である。

符号の説明

１基材
２ゲート電極
３補助コンデンサー電極
４ゲート絶縁膜
５半導体活性層
６画素電極
７ドレイン電極
８ソース電極

Claims

可撓性プラスチック基材と、この基材上に設けられたトランジスタ素子とを備えるトランジスタであって、
前記トランジスタ素子が、前記基材上に設けられたゲート電極と、このゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられ、酸化物半導体から構成された半導体活性層と、この半導体活性層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記半導体活性層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極とを備え、前記ゲート電極に印加する電圧の有無によって、前記ソース電極とドレイン電極との導通をオン又はオフするトランジスタ素子であり、
前記ゲート絶縁膜の水蒸気透過率が１ｇ／ｍ²／ｄａｙ以下であるトランジスタ。