JP2013162056A - 薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板やゲート絶縁膜などのポリマー上に金属を成膜すると、ポリマー内に金属が入り込み、ダメージ層が出来るため、そこからリークパスが形成され、特性低下が起きる。また、電極のテーパー角が一定しないなど加工性にも問題がある。
【解決手段】本発明の薄膜トランジスタは、基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体層、ソース及びドレイン電極を備え、有機材料で構成された基板及びゲート絶縁膜にイオンビームを照射することで形成される、低抵抗の変質層を電極として使用する。
【選択図】図１

Description

本発明はフレキシブル、ベンダブルデバイスである薄膜トランジスタに関するもので、特にポリマーにイオン注入をすることで導電性を持たせ、それを電極に使用した薄膜トランジスタ、及びその製造方法に関するものである。

従来技術として、フレキシブル用薄膜トランジスタ、ＣＭＯＳ、センサー等の電極は、Ｓｉ系や他の化合物半導体と同様に、金属をスパッタまたは抵抗加熱蒸着やＥＢ蒸着などで成膜し、その後フォトリソグラフィーを用いてパターニングを行い、電極を形成する技術が主に用いられてきた。

また、銀のナノペーストインクを代表とする金属ナノ粒子ペーストをインクジェットで成膜し、その後加熱処理することで電極形成をする方法も提案されている。

また別の研究では、カーボンナノチューブにイオン液体を混合したインクを作成し、特殊なインクジェット装置を開発して、微細な電極パターンを形成する研究も報告されている。

図１０は代表的な有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の断面を模式的に示すものである（非特許文献１）。

基板９１上にゲート電極９３、およびゲート絶縁膜９２を形成した後に、ゲート絶縁膜９２上にわずかな間隙で隣接させたソース及びドレイン電極９４を形成し、その間に有機半導体層５４を形成した積層配置した構造となっている。ゲート電極９３に印加する電圧により有機半導体層５４の導電率が変化することから、ゲート電圧を調整することによりソース及びドレイン電極９４間の電流を制御することができる。ゲート電極９３、ソース及びドレイン電極９４は、金属で形成されている。

特開２００７−１２８１５号公報

Ｔ． Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．， Ａｄｖ． Ｍａｔｅｒ．， ２００５ １７ ２１８０ Ｔ． Ｓｅｋｉｔａｎｉ ｅｔ ａｌ．， Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒ．， ８ （２００９） ４９４ Ｓ． Ｓｈｉｂａｔａ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ， ＶＯＬ． ２４， ＮＯ． ３， ８ （２０１１） ４５５ Ｔ．Ｓｅｋｉｔａｎｉ， ｅｔ ａｌ．， Ｓｃｉｅｎｃｅ， ３２１（２００８） １４６８

しかしながら、前記従来の構成では、有機物で出来たゲート絶縁膜や基板上にスパッタやＥＢ蒸着などの物理蒸着法で金属膜を成膜する方法を用いるため、金属粒子の持つエネルギーが高く、その高いエネルギーによって有機物の結合が切れ、金属が有機膜の中に入り、電荷が膜の中に入るといったダメージ層が形成される。その結果有機層にリークパスが形成されるためにデバイス特性の低下を招くという課題を有していた。

また、低ダメージ法として用いられている金属ナノペーストをインクジェット法で成膜をし、その後加熱処理によって電極を形成する方法がある。この方法では、微細加工が難しく、また電極のエッジのパターンがきれいに得られないという加工性の課題がある。

さらに加熱処理の温度によって、ナノペーストが金属としての電導度を得られないか、または高温にすると下地のポリマーのガラス転移温度を超えてしまい、ナノペーストと有機界面が混合するという課題を有していた。

一方、フォトレジスト等の有機材料に荷電粒子を照射（Ｓｉプロセスではイオン注入）することで、有機材料中の分子結合が結合エネルギーの小さいところから切断され、カーボンのラジカルが生成される。照射量を増加させていく過程の中で、最終的にそのカーボンラジカル同士の結合比率か高まり、炭化層（変質層）が形成されることが明確にされつつある（非特許文献３）。Ｓｉ半導体プロセスにおいては、フォトレジストはイオン注入後、除去する必要がある。そのため有機材料上に形成される変質層は、除去性を悪化させる主要因とみなされ、その除去法の検討が盛んに行われてきた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、有機層にダメージを与える金属を用いることなく電極を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のフレキシブル、ベンダブルデバイスの薄膜トランジスタは、荷電粒子を有機材料に照射することで形成される変質層を電極として使用する。

本構成によって、基板やゲート絶縁膜に用いたポリマーなどの有機層をそのまま電極として使用できる。

本発明の荷電粒子照射することで形成される変質層を電極として用いることで、基板やゲート絶縁膜に用いたポリマーをそのまま電極としても使用することが出来るため、有機層にダメージ層が出来ず、また金属の成膜・パターニングや、金属を含む溶液をインクジェットプリンタで新たにパターニングする工程が省くことができる。そのため簡便なプロセスで高性能なフレキシブル、ベンダブルデバイスを提供することが出来る。

実施形態１における有機材料、ポリマー中の電極の形成方法を示す図 変質層膜厚（電極）のイオン注入（荷電粒子）エネルギー依存性を示す図 変質層の電圧電流測定方法を示す図 変質層の電圧−電流特性の図 本発明の実施の形態１におけるフレキシブル薄膜トランジスタの製造方法を示す図、（ａ）はフォトレジストを塗布する図、（ｂ）はゲート電極を形成する図、（ｃ）は有機ゲート絶縁膜を形成する図、（ｄ）はレジストを塗布する図、（ｅ）はイオン注入により変質層のソース電極、ドレイン電極を形成する図、（ｆ）は変質していないレジストを除去する図、（ｇ）は半導体層を成膜する図 本発明の実施の形態１におけるフレキシブル薄膜トランジスタの図 本発明の実施の形態２におけるフレキシブル薄膜トランジスタの図 本発明の実施の形態３におけるフレキシブル薄膜トランジスタの図 本発明の実施の形態４におけるフレキシブル薄膜トランジスタの図 従来のフレキシブル薄膜トランジスタの図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態１における有機材料、ポリマー中の電極の形成方法である。ポリマーとは、１種または数種の原子あるいは原子団が互いに多く繰り返し連結し、主骨格（主鎖）が炭素から出来ていることを特徴とする分子からなる物質のことである。ポリマーを更に詳述すれば、有機半導体に用いられる高分子系の材料で、分子量が１０００以上を意味する。

図１において、有機材料あるいはポリマーで構成された基板１１上に荷電粒子１２を照射することで、変質層１３が形成される。

この変質層１３の物理的特性は、照射する荷電粒子１２の種類や、照射条件（照射量、照射エネルギー）に依存する。

図２に変質層１３の膜厚のイオン注入（荷電粒子）エネルギー依存性を示す。

図２はＳｉ基板上に塗布された厚い有機膜１１であるフォトレジスト上の変質層１３を、ＳＡＩＣＡＳ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）法、及び分光エリプソメトリ（ＳＥ）で測定したものである。

入量は全てのサンプルで５Ｅ^１５／ｃｍ２、イオン種はＡｓ、Ｐ、Ｂの３種類である。注入エネルギーはＡｓが２０ｋｅＶ〜５０ｋｅＶ、Ｐが２５ｋｅＶ〜５０ｋｅＶ、Ｂが９ｋｅＶである。注入不純物は同一注入エネルギーでも原子の大きさに依存して進入深さが変わる。そこで、グラフの横軸はそれぞれのイオン種の各エネルギーにおける平均飛程（Ｐｒｏｉｅｃｔ Ｒａｎｇｅ：Ｒｐ）に換算している。

△はＰイオンで、ＳＡＩＣＡＳで測定したデータ、黒塗りの三角印はＰイオンで、分光エリプソメトリ（ＳＥ）で測定したデータを示す。□はＡｓイオンで、ＳＡＩＣＡＳで測定したデータ、■はＡｓイオンで、分光エリプソメトリ（ＳＥ）で測定したデータを示す。○はＢイオンで、ＳＡＩＣＡＳで測定したデータを示す。

分光エリプソメトリ（ＳＥ）で測定した、Ｐイオンの黒塗りの三角印のデータ、Ａｓイオンの■のデータは、初期の膜厚からの収縮率を考慮した数値としている。収縮率は約７５％〜９０％の範囲である。

本データのフォトレジストは、ＫｒＦレジストを用いたが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。近似曲線２１に示すように変質層１３の膜厚は、イオン注入エネルギーに強く依存するため、この厚みはイオン注入エネルギーにより簡単に制御することができる。

例えば、Ａｓイオンを有機材料上１２に加速エネルギー４０ｋｅＶで照射量５×１０^１５／ｃｍ２で照射した場合、有機材料表面に約１００ｎｍの膜厚の変質層１３が形成される。この数値は、図２においては、加速エネルギー４０ｋｅＶを平均飛程Ｒｐに換算して、約６０ｎｍの点に該当する。

図２において、３種のイオンＰ、Ａｓ、Ｂの測定値がほぼ同一のリニアな直線上に示されており、変質層の膜厚とイオン注入エネルギーとの相関性は、平均飛程Ｒｐに換算するとイオン種に依らないことが分かる。ただしイオン種により臨界注入量や、変質に伴う収縮率が異なる（非特許文献３を参照）。

図３に示すナノプローブを用いて測定した、変質層１３の電圧−電流特性の結果を図４に示す。荷電粒子の照射条件はＡｓ、４０ｋｅＶ、５×１０^１５／ｃｍ２である。測定の具体的イメージを図３に示す。シリコン基板３１上に塗布したフォトレジスト１１上に形成された変質層１３の表面に、プローブ３２を直接接触させて測定をおこなった。図４の直線４１より、電流に依存して電圧がリニアに増加していることが分かる。この結果は完全な絶縁体であるフォトレジストの表面が、導電体に変化したことを示している。さらにこの測定結果を基にシート抵抗を算出すると２×１０^９〜６×１０^９Ωとなり、カーボン材料のシート抵抗値とほぼ一致している。このことより、表面の変質層１３は完全な炭化層であることがわかる。更に、シート抵抗の抵抗値とほぼ一致する低い抵抗値を示すことに基づき、変質層１３を低抵抗変質層１３と記述する。本明細書において、低抵抗は絶縁体ではないという広い意味で用いている。一般的には、絶縁体の定義としては、抵抗率が１０^６Ω・ｍ以上となる。

（実施の形態１）
図５（ａ）〜図５（ｇ）を用いて、本発明のフレキシブル薄膜トランジスタを形成するフローを説明する。

図５（ａ）において、ポリイミドなど高熱耐性ポリマーからなる有機基板５１上に、フォトレジストを１００〜２００ｎｍ、塗布する。

図５（ｂ）において、上述したイオン注入の方法により低抵抗変質層（第１の低抵抗変質層）を形成し、ゲート電極５２を作成する。

図５（ｃ）において、変質層によるゲート電極５２の上に、誘電率が２以上のクロスリンクタイプのポリマー（架橋性ポリマー）を２００〜４００ｎｍ、塗布することで有機ゲート絶縁膜５３を形成する。

図５（ｄ）において、有機ゲート絶縁膜５３の上部へレジストを１００ｎｍ、塗布する。

図５（ｅ）において、上述したイオン注入の方法で、低抵抗変質層（第２の低抵抗変質層）によるソース電極５５及びドレイン電極５５を作成する。

図５（ｆ）において、変質していないレジストを除去する。

図５（ｇ）において、半導体層５４を、抵抗加熱蒸着法で低分子系有機膜、または高分子系ポリマー膜をスピンコート法またはインクジェット法で５０ｎｍ、成膜することで、薄膜トランジスタを作成した。

図６に、図５（ａ）〜図５（ｇ）のプロセスを用いて作成した薄膜トランジスタの全体構成を示す。半導体層は有機物でなくても良く、無機酸化物をスパッタで成膜することで作成しても良い。薄膜トランジスタのチャネル幅Ｗおよびチャネル長Ｌは、それぞれ１０ｍｍ、および１０ｍｍとした。

ソース電極及びドレイン電極間の抵抗Ｒ_ｓｐを式１から求めることができる。

Ｒ_ｓｐ＝（２ρ_ｊ／πＷ）ｌｎ（０．７５（ｘ_ｊ／ｘ_ｃ）） （式１）
ここでρ_ｊは抵抗率、Ｗはチャンネル幅、ｘ_ｊは接合の深さ、ｘ_ｃはコンダクタンスの長さを表している。深さが十分に深いため式１の抵抗率ρ_ｊは無視できる。今回の実施例１では、Ｗは１０ｍｍであり、一般的にｘ_ｊ／ｘ_ｃ?４０と見積もれるので、Ｒ_ｓｐは２．２ｘ１０^９Ωとなる。

図４から求められるシート抵抗は２．０ｘ１０^９Ω／□〜６．０ｘ１０^９Ω／□となり、Ｗ，Ｌを１０ｍｍとすると２．０ｘ１０^９Ω〜６．０ｘ１０^９Ωであり、式１から導きだされるＲ_ｓｐ＝２．２ｘ１０^９Ωを達成することができる。

以上説明したように、イオン注入エネルギーを変化させることにより低抵抗の変質層の膜厚を簡便かつ高精度に制御し、変質層を電極に用いることが可能となる。本実施の形態において、ポリマーは２種類を使用したが、このポリマーは同じポリマーであっても構わない。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の薄膜トランジスタの図である。図２において、有機基板５１上に実施の形態１の低抵抗変質層によるゲート電極５２を作成する。ゲート電極５２の上に有機ゲート絶縁膜５３を形成する。有機ゲート絶縁膜５３に荷電粒子を照射することで、低抵抗変質層によるソース電極５５及びドレイン電極５５を形成した後、半導体層５４を成膜した薄膜トランジスタを構成している。実施の形態１における変質層によるゲート電極５２に加えて、本実施の形態２においては、変質層によるソース電極５５及びドレイン電極５５を、有機層に荷電粒子を照射することで容易にかつ高精度に作成することが可能である。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３の薄膜トランジスタの図である。実施の形態３の薄膜トランジスタは、実施の形態１、２の薄膜トランジスタとは、ゲート電極に対するソース電極とドレイン電極の物理的位置が、上下逆向きになっている。

図８において、有機基板５１上に有機層を形成し、そこに荷電粒子を照射して実施の形態１で説明した低抵抗変質層によるソース電極５５及びドレイン電極５５を作成する。次に、半導体層５４をソース電極５５、ドレイン電極５５の間に形成し、その上に有機ゲート絶縁膜５３を作成する。さらに有機ゲート絶縁膜５３に荷電粒子を照射することで、変質層によるゲート電極５２を形成する。実施の形態１あるいは２で定義した、第１の低抵抗変質層はゲート電極５２対応したが、本実施の形態３では、第１の低抵抗変質層はソース電極５５及びドレイン電極５５に対応する。同様に、実施の形態１あるいは２では、第２の低抵抗変質層は、ソース電極５５及びドレイン電極５５に対応したが、本実施の形態３では、ゲート電極５２に対応する。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４の薄膜トランジスタの図である。実施の形態４の薄膜トランジスタは、実施の形態１のゲート電極５２が、有機基板５１に埋め込まれた構造となっている。図９において、有機基板５１上に荷電粒子を照射し、実施の形態１で説明した変質層によるゲート電極５２を作成する。ゲート電極５２の上に、有機ゲート絶縁膜５３を形成し、有機ゲート絶縁膜５３に荷電粒子を照射することで変質層によるソース電極５５及びドレイン電極５５を形成する。最後に、半導体層５４を成膜して、薄膜トランジスタを形成する。変質層によるゲート電極５２、ソース電極５５、及びドレイン電極５５は有機層に荷電粒子を照射することで容易にかつ高精度に作成することが可能である。

なお、低抵抗の変質層を形成するのに、有機材料にイオン注入（荷電粒子）。

本発明のイオン注入により変質層を形成し、導電性を持たせたポリマーを用いた電極を持つデバイスは、今後発展していくフレキシブル、ベンダブルデバイスの電極等として有用である。またそれらを応用してフレキシブルディスプレイを始めとした、フレキシブルセンサーなど様々なフレキシブルデバイス等の用途にも応用できる。さらに、電極形成時のプロセスが簡便となるため大幅なコスト削減となるため、産業上利用する価値はかなり高い。

１１ 有機材料基板
１２ 荷電粒子
１３ 変質層
２１ 近似曲線
３１ シリコン基板
３２ プローブ
４１ 直線
５１ 有機基板
５２ 変質層ゲート電極
５３ 有機ゲート絶縁膜
５４ 半導体層
５５ 変質層ソース電極及びドレイン電極
９１ 基板
９２ ゲート絶縁膜
９３ ゲート電極
９４ ソース電極及びドレイン電極

Claims (11)

1. 有機材料からなる層にビーム照射を行うことにより形成される、低抵抗変質層から構成された電極を備えた、薄膜トランジスタ。
2. 前記ビーム照射は、イオンビーム照射、電子ビーム照射、レーザ照射のいずれか１つである、請求項１記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記有機材料は、ポリマーである、請求項１記載の薄膜トランジスタ。
4. 有機材料からなる基板上にビームを部分的に照射し、形成される第１の低抵抗変質層から構成したゲート電極と、
   前記ビームが照射されていない部分から構成される基板と、
   前記ゲート電極と、前記ビームを照射されていない基板との上部にポリマーを塗布し、形成したゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に架橋性ポリマー、レジストを順に塗布した後、部分的にビームを照射して第２の低抵抗変質層を形成し、前記ビームが照射されていないレジストを除去し、前記第２の低抵抗変質層から構成したソース電極及びドレイン電極と、
   前記ゲート絶縁膜上で、前記ソース電極及びドレイン電極間に形成した半導体層と、
   を備えた薄膜トランジスタ。
5. 有機材料からなる基板上にビームを部分的に照射し、形成される第１の低抵抗変質層から構成したゲート電極と、
   前記ビームが照射されてない部分から構成される基板と、
   前記ゲート電極と、前記ビームを照射されていない基板との上部にポリマーを塗布し、形成したゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に、部分的にビームを照射して第２の低抵抗変質層を形成し、前記第２の低抵抗変質層から構成したソース電極及びドレイン電極と、
   前記ゲート絶縁膜および前記ソース電極及びドレイン電極上に形成した半導体層と、
   を備えた薄膜トランジスタ。
6. 有機材料からなる基板上にビームを部分的に照射し、形成される第１の低抵抗変質層から構成したソース電極及びドレイン電極と、
   前記ビームが照射されてない部分から構成される基板と、
   前記ソース電極及びドレイン電極間に形成した半導体層と、
   前記ソース電極及びドレイン電極、及び半導体層の上部にポリマーを塗布し、形成したゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に、部分的にビームを照射して第２の低抵抗変質層を形成し、前記第２の低抵抗変質層から構成したゲート電極と、
   を備えた薄膜トランジスタ。
7. 前記ビーム照射は、イオンビーム照射、電子ビーム照射、レーザ照射のいずれか１つである、請求項４、５，６のいずれか１つに記載の薄膜トランジスタ。
8. 前記有機材料は、ポリマーである、請求項４、５，６のいずれか１つに記載の薄膜トランジスタ。
9. 薄膜トランジスタの製造方法であって、
   有機材料からなる基板上にビームを部分的に照射し、形成される第１の低抵抗変質層からゲート電極を作成するステップと、
   前記ゲート電極と、前記ビームを照射されていない基板との上部にポリマーを塗布し、ゲート絶縁膜を作成するステップと、
   前記ゲート絶縁膜上に架橋性ポリマー、レジストを順に塗布するステップと、
   前記ゲート絶縁膜に部分的にビームを照射し、形成される第２の低抵抗変質層からソース電極及びドレイン電極を作成するステップと、
   前記ゲート絶縁膜上で、前記ソース電極及びドレイン電極間に半導体層を形成するステップと、
   を備えた薄膜トランジスタの製造方法。
10. 前記ビーム照射は、イオンビーム照射、電子ビーム照射、レーザ照射のいずれか１つである、請求項９記載の薄膜トランジスタの製造方法。
11. 前記有機材料は、ポリマーである、請求項９記載の薄膜トランジスタの製造方法。

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