JP2013531884A - 光活性有機材料を用いる強化半導体素子及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
方法及び装置は、光活性材料から内部に分子、陽子及び／またはイオン、等が拡散されている半導体層、半導体層上または内に配置されたチャネル、半導体層上または内に配置されたソース、半導体層上または内に配置されたドレイン、及び半導体層に電気的に結合されたゲートを有する、トランジスタを提供する。
Description
本出願は２０１０年５月２８日に出願された米国特許出願第１２/７９０１１３号の優先権の恩典を主張する。
本開示は、トランジスタ、半導体実装抵抗器、ダイオード、等のような、半導体素子の作製に関する。そのようなトランジスタには、ＯＬＥＤ、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)、光起電力素子、集積回路、等を含む、エレクトロニクス用途のような、多くの技術分野において有用である、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)がある。
電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)のような、トランジスタは、用いられる基板技術のタイプ、作製プロセスの複雑さ、及びトランジスタの所望の機能及び特性に依存する様々なアーキテクチャを用いて作製することができる。フラットパネルディスプレイ工業においては、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)のそれぞれのピクセルのスイッチングのためのディスクリートトランジスタとして用いるため、または有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)ディスプレイのそれぞれのピクセルの駆動に用いられるディスクリートトランジスタのためを含む、いくつかの目的のためにＴＦＴが用いられる。もちろん、ディスプレイ技術には、アレイ制御回路、駆動回路及び検査回路のような、ディスクリートピクセル回路に関する回路を含む、ＴＦＴの他の多くの用途があり、そのような回路の多くはピクセルディスプレイ領域の周縁に配置することができる。
ＦＥＴは無機材料及び／または有機材料で形成することができる。従来の有機トランジスタは一般に、フィルム上または可撓性基板上に横方向に形成される。トランジスタの構造は、ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を、また有機半導電性層及び電気絶縁層(ゲート誘電体)も有する。有機半導電性層は、正孔、電子、または同時二極性電荷の輸送チャネルとして機能する。電極は、熱プロセス、電子ビーム蒸着、またはスパッタリングによって被着され、電極には通常、金属、金属化合物、導電性透明酸化物または導電性有機材料が用いられる。
トランジスタ性能に影響する２つの重要な要因：
(ａ)半導電性層の電界効果チャネル易動度、及び
(ｂ)ドレイン／ソース電極からチャネルへのキャリアの電荷注入効率、
に関してＦＥＴの電気特性を向上させることが望ましい。
(ａ)半導電性層の電界効果チャネル易動度、及び
(ｂ)ドレイン／ソース電極からチャネルへのキャリアの電荷注入効率、
に関してＦＥＴの電気特性を向上させることが望ましい。
トランジスタ性能の確立に重要な要因には、
(ａ)半導体層の電界効果チャネル易動度、及び
(ｂ)ドレイン／ソース電極からチャネルへのキャリアの電荷注入効率、
がある。電荷注入効率は電極／チャネル界面に沿って確立される接触抵抗によって測られる。高性能トランジスタは高易動度を、小閾下スイング、小接触抵抗及び大ＯＮ/ＯＦＦ比とともに、有するべきである。
(ａ)半導体層の電界効果チャネル易動度、及び
(ｂ)ドレイン／ソース電極からチャネルへのキャリアの電荷注入効率、
がある。電荷注入効率は電極／チャネル界面に沿って確立される接触抵抗によって測られる。高性能トランジスタは高易動度を、小閾下スイング、小接触抵抗及び大ＯＮ/ＯＦＦ比とともに、有するべきである。
いくつかの方法がトランジスタの電界効果チャネル易動度を高めるに有効であることが示されている。既知の方法の１つは、バッファ層の挿入による、チャネルとゲート誘電体の間の界面トラップまたは欠陥の低減である。このバッファ層は、誘電体の表面準位と反応するかまたは表面準位をパッシベートして、酸化シリコンの表面の水酸基のような、いくつかの表面化学準位の電荷トラップ性を最小限に抑えることができる、バッファ層は、自己組織化モノ(またはマルチ)レイヤー層または(ヘキサメチレンジシラザンまたはヘキサメチレンジシロキサン-ＨＭＤＳ-のような)小分子または(フルオロポリマーのような)ポリマーの層とすることができる。しかし、この手法はチャネルの真性易動度をさらに高めることはなく、易動度は依然としてチャネル材料のバルク特性によって決定される。
別の既知の方法において、強酸を用いるチャネルへの化学ドーピングによって電界効果易動度に外因的に影響を与えることができる。このドーピングは導電度の意図的な増大をもたらすことができるが、ゲート変調の実質的な減少及びＯＮ/ＯＦＦ比の低下も生じさせる。したがって、既知の方法による、易動度を高め、ＯＮ/ＯＦＦ比を毀損しない、外因性ドープトチャネルの達成は未だ開発途上である。
電極(ドレイン、ソース)と有機(または無機)半導電性層の間の接触抵抗は、材料不整合により、ほぼｋΩのオーダーにあるかまたはさらに高く、チャネル長(ドレイン電極とソース電極の間の距離)が縮小された素子において電荷注入を大きく制限すると考えられる。ドレイン／ソース電極からチャネルへの電荷注入を向上させるためのいくつかの手法が文献により知られている。自己組織化モノレイヤー(ＳＡＭ)が、トランジスタの性能を向上させるように誘電体またはコンタクトの表面を改変するために用いられる。そのようなモノレイヤーはある誘電体基板または導電性基板の上でしか組織化されることはなく、溶液処理された有機材料に撥水問題を生じ得る。さらに、Ｆ４ＴＣＮＱのような、強く酸化／還元する小分子を、接触抵抗を低減するためにドレイン／ソース電極とチャネルの間に挿入することができる。しかし、ＳＡＭ被着は通常、いくつかの表面化学官能基を有する金属または金属酸化物の表面上に用いることができる、自己制限プロセスである。したがって、ＳＡＭ被着は、ＳＡＭ被着の前にドレイン／ソース電極があらかじめ被着され、あらかじめパターニングされる、底面コンタクト構造をもつトランジスタへの適用に適する。しかし、有機チャネルの表面上の分子組織化は自明ではないから、上面コンタクト構造をもつトランジスタへの適用には適していない。金属ドレイン／ソース電極の他に、導電性ポリマーがチャネルとの低接触抵抗界面を形成すると思われるが、上面電極としての導電性ポリマーのパターニングには特定のフォトレジスト族及び処理／現像溶剤が必要である。レーザ干渉パターニングは、有機トランジスタで短チャネル長を達成するために導電性ポリマーをパターニングするための別法である。
ドレイン電極及びソース電極に対する接触抵抗低減に加えて、有機チャネルの上面の高導電度電極のパターニングが強く要求されている。例えば、サブミクロンチャネル／上面コンタクト有機トランジスタを作製することが望ましいであろう。ポリ(アクリル酸)またはポリ(４-スチレンスルホン酸)内に水中でカーボンナノチューブを分散させると、やはり光パターニングが可能な、高導電度電極を得ることができる。シャドウマスク法で約５μｍまで短くしたチャネル長を達成することができるが、そのようなプロセスはチャネルがさらに短い素子の作製では実用にならない。侵襲性有機溶剤及び強塩基性現像液を含む、従来のフォトレジスト系も、化学的損傷により、有機チャネルの上面の上面コンタクトのパターニングには適合しない。
これまで、リソグラフィ制御(処理)によりチャネルの半導電性状態を直接に導電状態に転換することで、高導電性の、高解像度パターニングされた電極を形成できる、汎用方法はなかった。
本明細書に開示される実施形態例は、トランジスタベース素子の作製に関連する技術におけるこれらの技術的不備を克服する。本明細書に説明され、開示される方法及び装置は、光酸発生体によって選択またはパターニングされた領域上に、有機トランジスタ及び対応する電子デバイスにおける高易動度有機チャネル及び／または高導電度有機オーミックコンタクトを提供する。
一実施形態例において、トランジスタ素子は、基板、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極、誘電体層、及び有機半導電性チャネル層を有する。これらの層は横型または縦型のトランジスタ素子を形成するため、様々な順序で積層することができる。有機半導電性チャネル層は、小分子、オリゴマーまたは、チオフェンまたはその他の半導電性ユニットを含めることができる、ポリマーを含むことができる。この有機技術の本質は、選択的に
(ａ)有機半導電性チャネルの電界効果易動度の工学的操作、及び
(ｂ)光酸発生体(ＰＡＧ)を用いる、パターニング可能な、チャネルとのオーミックコンタクトの形成、
を可能にする。
(ａ)有機半導電性チャネルの電界効果易動度の工学的操作、及び
(ｂ)光酸発生体(ＰＡＧ)を用いる、パターニング可能な、チャネルとのオーミックコンタクトの形成、
を可能にする。
電界効果易動度を高める場合、ＰＡＧは有機半導電性チャネル内に取り入れられるかまたはチャネルの表面上に被着される。チャネルとの有機オーミックコンタクトを形成する場合、ＰＡＧは、単体または、レジストのような、他の担体との混合物として、コンタクトドレイン／ソース領域上に被着される。これらのＰＡＧは、チャネルの処理領域を定めるため、リソグラフ法によって光子または電子で活性化させることができる。ＰＡＧの活性化または不活性化のプロセスを調節するために、またＰＡＧの拡散を制御するためにも、レーザまたは熱輻射のような、熱エネルギーを素子に選択的に印加することができる。ＰＡＧの活性化を調節または抑制するため、ＨＭＤＳのような塩基性化合物を配することができる。
本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがえば、方法及び装置は、光活性有機材料から内部に拡散された陽子を含む半導体層、半導体層上または内に配置されたチャネル、半導体層上または内に配置されたソース、半導体層上または内に配置されたドレイン、及び半導体層に電気的に結合されたゲートを有する、トランジスタを提供する。
本明細書に開示される１つないしさらに多くの別の実施形態にしたがえば、方法及び装置は、半導体層、半導体層上または内に配置されたチャネル、半導体層上または内に配置されたソース、半導体層上または内に配置されたドレイン、及び半導体層に電気的に結合されたゲートを有し、ソース、ドレイン及びゲートの内の１つないしさらに多くに光酸材料がドープされている、トランジスタを提供する。
本明細書に開示される１つないしさらに多くのまた別の実施形態にしたがえば、方法及び装置は、半導体層、半導体層上または内に配置されたチャネル、半導体層に電気的に結合されたソース、半導体層に電気的に結合されたドレイン、半導体層に電気的に結合されたゲート、及び、
(ｉ)ソースとチャネルの間、及び
(ii)ドレインとチャネルの間、
の内の少なくとも１つに配置された光酸材料の層を有する、トランジスタを提供する。
(ｉ)ソースとチャネルの間、及び
(ii)ドレインとチャネルの間、
の内の少なくとも１つに配置された光酸材料の層を有する、トランジスタを提供する。
本明細書に開示される１つないしさらに多くのまた別の実施形態にしたがえば、トランジスタを形成する方法は、半導体層上または内にチャネルを形成する工程、半導体層に接触させて光活性有機材料を被着する工程、及び光活性有機材料からチャネル内に陽子が拡散するように光活性有機材料を露光する工程を含む。
その他の態様、特徴、利点、等は、当業者には、本明細書の実施形態の説明を添付図面とともに読めば明らかになるであろう。
本明細書に開示される実施形態の様々な態様を説明する目的のため、現在好ましい形態が図面に示されるが、開示される実施形態が示される精確な構成及び手段に限定されないことは当然である。
同様の参照数字が同様の要素を示す、図面を参照すれば、１つないしさらに多くの実施形態にしたがうトランジスタ１００の側面図が図１に示されている。トランジスタ１００は、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)のような、ＦＥＴトランジスタの形態にあることができ、ＬＣＤ、ＯＬＥＤディスプレイのような、ディスプレイ及び／またはその他の技術における使用に対する用途がある。トランジスタ１００は半導体層１０２を有する。ゲートコンタクト及び／または電極(または単に「ゲート」)１０４が半導体層上または内に配置され、ドレインコンタクト及び／または電極(または単に「ドレイン」)１０６及びソースコンタクト及び／または電極(または単に「ソース」)１０８も同様である。ゲート１０６は絶縁(または誘電体)層１１０に重ねて配置され、したがって、絶縁(誘電体)層はゲート１０４と半導体層１０２の間にある。ゲート誘電体層１１０は、酸化物層、有機層、無機層、またはその他のタイプの層のような、何らかの形態の絶縁層である。本説明の目的のため、誘電体層１１０はゲート酸化物層１１０と称されることがある。ゲート酸化物１１０の下の半導体層１０２の領域はトランジスタ１００のチャネル１０３である。ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極は、技術上周知の手法を用いて、透明導電性酸化物、導電性ポリマー、化学的にドープされた有機層または金属で形成することができる。
本明細書に開示され、説明される実施形態には、(トランジスタ、抵抗器、ダイオード、集積回路、等のような)半導体素子に、特に有機半導体素子に、特定の用途がある。しかし、無機のトランジスタ、抵抗器、ダイオード、集積回路、等のような、その他のいずれかのタイプの半導体素子にも本発明の方法及び装置の使用が有益であり得ることに注意されたい。
本明細書に開示され、説明される実施形態例は、光活性材料の使用によりトランジスタ１００の性能を向上させるという特徴を有する。例えば、光活性材料の使用により、チャネル１０３の電界効果易動度が向上することが分かっており、少なくともドレイン１０６及びソース１０８に付随する電気コンタクトの導電性が向上し得る。図１に簡略に示されるように、トランジスタ１００は、要素１２０として簡略に示される光活性材料を有する。光活性材料１２０は半導体層１０２，ゲート１０４，ドレイン１０６及び／またはソース１０８の内にまたは上に配することができる。光活性材料は、光酸発生体、光塩基発生体及び光ラジカル発生体の内の１つを含むことができる。本明細書に用いられるように、語句「光酸発生体」はいずれかの有機光酸材料または感光性酸性材料を指す。光酸発生体は、光子、電子ビームまたはＸ線エネルギーのような、輻射エネルギーによって選択的に除去され得る、(ターシャリー(第三級)ブトキシカルボニル基(t-Ｂｏｃ基)に限定されない)少なくとも１つの開裂基を有することができる。しかし、光酸発生体はいずれかの特定の波長のエネルギーで照射される必要はないことに注意されたい。
例として、多くの光活性材料を示す図２Ａ〜２Ｂを参照すれば、光酸発生体はイオン性(オニウム塩)化合物及び非イオン性化合物からなる群からとられる少なくとも１つの化合物を含むことができる。光酸発生体がイオン性(オニウム塩)化合物を含む場合、そのような化合物は、金属材料、スルホン酸塩材料、スルホニルイミド材料及びスルホニルメチド材料からなる群からとることができる。光酸発生体が非イオン性化合物を含む場合、そのような化合物は、有機ハロゲン化物材料、スルホン酸エステル材料、スルホン酸塩材料及びスルホン材料からなる群からとることができる。光酸発生体がスルホン酸エステル材料を含む場合、そのような材料は、２-ニトロベンジルエステル材料、芳香族スルホン酸塩材料、オキシムスルホン酸塩材料、Ｎ-スルホニルオキシイミド材料、スルホニルオキシケトン材料及びＤＮＱ ４-スルホン酸塩材料からなる群からとることができる。光酸発生体がスルホン材料を含む場合、そのような材料は、ジスルホン材料、ケトスルホン材料及びスルホニルジアゾメタン材料からなる群からとることができる。
特定の有機トランジスタまたは無機トランジスタの実施形態の文脈における(光酸発生体のような)光活性材料の使用に関するさらなる詳細は、別の図面を参照して与えられるであろう。半導体層１０２のチャネルの移動度を高めるため、本明細書における広範な態様の実施形態が、
(ｉ)半導体層１０２に隣接し、半導体１０２と接触して、または
(ii)半導体層１０２内に、
光活性材料が配されることを考えていることは当然である。本明細書に説明される実施形態、特徴及び有益な結果はいずれの特定の動作理論にも限定されないが、光活性材料１２０の光子照射が光活性材料１２０からの分子の半導体層１０２内への拡散及び半導体層１０２内での陽子(及び対イオン)の放出を生じさせると考えられる。光活性材料１２０の分解フラグメントが半導体層１０２内に拡散するかまたは半導体層１０２と相互作用して所望の結果が達成されるとすることも可能である。
(ｉ)半導体層１０２に隣接し、半導体１０２と接触して、または
(ii)半導体層１０２内に、
光活性材料が配されることを考えていることは当然である。本明細書に説明される実施形態、特徴及び有益な結果はいずれの特定の動作理論にも限定されないが、光活性材料１２０の光子照射が光活性材料１２０からの分子の半導体層１０２内への拡散及び半導体層１０２内での陽子(及び対イオン)の放出を生じさせると考えられる。光活性材料１２０の分解フラグメントが半導体層１０２内に拡散するかまたは半導体層１０２と相互作用して所望の結果が達成されるとすることも可能である。
光活性材料１２０が半導体層１０２内に配されている場合、光活性材料１２０を半導体層１０２内に均一に分布させることができ、あるいは不均一に分布させることができる。半導体層１０２内の光活性材料１２０の分布は、例えば、光活性材料の源からの陽イオン(及び／または、対イオンのような、その他のイオン)を、光エネルギーに応答して半導体層１０２内に拡散させることで、達成することができる。光活性材料１２０が、半導体層１０２に隣接し、半導体１０２と接触して、配されている場合、光活性材料１２０はそのような陽子またはその他のイオンの源としてはたらくことができる。
図３Ａ〜３Ｄを参照すれば、光活性材料１２０が半導体層１０２内に配されている(有機トランジスタまたは無機トランジスタとすることができる)トランジスタの様々な構成が示される。
図３Ａに示されるように、底面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ａは、半導体層１０２の一方の側(底面)上に被着された誘電体層１１０を有することができ、ゲート電極１０４が誘電体層１１０上に配置されている。ドレイン電極１０６及びソース電極１０８が半導体層１０２の反対側(上面)上に配置される。光酸発生体(及び／または光酸発生体から拡散される、陽子、または対イオン、等)のような、光活性材料１２０が半導体層１０２内に、好ましくはチャネル内に及び／またはチャネルに隣接して、配される。
図３Ｂに示されるように、底面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｂは、半導体層１０２の一方の側(底面)上に配置されたドレイン電極１０６及びソース電極１０８を有することができ、誘電体層１１０も半導体層１０２の同じ側の上に配置されている。ゲート電極１０４が誘電体層１１０上に配置される。この場合も、光酸発生体(及び／または光酸発生体から拡散される、陽子、対イオン、等)のような、光活性材料１２０が半導体層１０２内に、好ましくはチャネル内に及び／またはチャネルに隣接して、配される。
図３Ｃに示されるように、上面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｃは、(ガラス材料またはガラス-セラミック材料のような)基板１１２を有することができ、ドレイン電極１０６及びソース電極１０８が基板１１２上に被着される。半導体層１０２が、ドレイン電極１０６，ソース電極１０８及び基板１１２の上に被着される。誘電体層１１０が半導体層１０２の対向側(上面)上に被着され、ゲート電極１０４が誘電体層１１０上に配置される。この場合も、光酸発生体のような、光活性材料１２０が半導体層１０２内に、好ましくはチャネル内に及び／またはチャネルに隣接して、配される。
図３Ｄに示されるように、上面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ｄは、半導体層１０２がその上に被着されている、基板１１２を有することができる。ドレイン電極１０６，ソース電極１０８及び基板１１２の上に被着され、誘電体層１１０が、ドレイン電極１０６，ソース電極１０８及び半導体層１０２に重ねて被着される。ゲート電極１０４が誘電体層１１０上に配置される。やはり、光酸発生体(及び／または光酸発生体から拡散される、陽子、対イオン、等)のような、光活性材料１２０が半導体層１０２内に、好ましくはチャネル内に及び／またはチャネルに隣接して、配される。
トランジスタ構造１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄの(例えば光エネルギーの印加による)光子照射は、光活性材料１２０を活性化して、チャネル電荷輸送に寄与するような態様で半導体層１０２のチャネル内に陽子を放出するためにはたらくことができることに注意されたい。本明細書で後にさらに論じられるであろうように、光子照射はドレイン電極１０６及び／またはソース電極１０８の被着の前または後に、及び／または誘電体層１１０の被着の前または後に、実施することができる。
図４Ａ〜４Ｄを参照すれば、光活性材料１２０が半導体層１０２に隣接し、半導体層１０２に接触して、配されているトランジスタの様々な構成が示される。例えば、光活性材料１２０は、半導体層１０２の上及び／または下に被着することができ、及び／または半導体層１０の横側面上にまたは横側面に隣接して被着することができる。
図４Ａに示されるように、底面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ａを作製することができ、光活性材料は、半導体層１０２の、ドレイン１０６及びソース１０８が配置されている側に被着される。さらに詳しくは、ゲート１０４が半導体層１０２の第１の側に、絶縁性酸化物層１１０を介して、結合される。(源とみなすことができる)光活性材料１２２が半導体層１０２の、第１の側と表裏をなす、第２の側に隣接し、第２の側と接触して配される。光活性材料源１２２は、直接被着、フォトリソグラフパターニング、等のような、既知の方法によって被着することができる。
下向き矢印で示されるように、(光エネルギー、光子エネルギー、電子ビームエネルギー及び／またはＸ線エネルギーのような)輻射エネルギーが中間構造に、陽子、対イオン、等が光活性材料源１２２から半導体層１０２(特に、半導体材料層１０２のチャネルに)拡散及び輸送されるように、印加される。光子照射中に、光活性材料源１２２からチャネル内への分子(または、陽子、対イオン、等)の拡散及びこれに続く陽子の放出を補助するため、熱エネルギー及び／またはその他の外部エネルギーを(同じく矢印で示されるように)印加することができる。
さらに、光活性材料源１２２が他の層で覆われていない場合、光活性材料源１２２からの陽子の放出を制御するため、追加の塩基性化合物層を用いることができる。例えば、ヘキサメチレンジシラザンまたはヘキサメチレンジシロキサン(ＨＭＤＳ)のような、塩基性化合物を、光活性材料源１２２及び／または半導体層１０２内に拡散する分子の活性化を調節及び／または抑制するために配することができる。ＨＭＤＳは、技術上周知であるように、例えばスピンコート及びこれに続く熱ベーキングプロセスによって、被着することができる。
図４Ｂに示されるように、底面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｂを作製することができ、光活性材料は、半導体層１０２の、ゲート１０４，ドレイン１０６及びソース１０８が配置されている側と表裏をなす側に被着される。さらに詳しくは、ゲート１０４が半導体層１０２の第１の側に、絶縁性酸化物層１１０を介して、結合される。光活性材料源１２２が半導体層１０２の、第１の側と表裏をなす、第２の側に隣接し、第２の側と接触して配される。この場合も、分子、陽子、対イオン、等が光活性材料源１２２から半導体層１０２(特に半導体層１０２のチャネル)内に拡散及び輸送されるような、中間構造への輻射エネルギー(及び、おそらくは熱エネルギー及び／またはその他の外部エネルギー)の印加を下向き矢印が示す。やはり、光活性材料源１２２が他の層で覆われていない場合、光活性材料源１２２からの陽子の放出を制御するため、追加の塩基性化合物層を用いることができる。
図４Ｃに示されるように、上面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｃを作製することができ、光活性材料は半導体材料層１０２の横側面上に被着される。例えば、ゲート１０４が半導体層１０２の第１の側に、絶縁性酸化物層１１０を介して、結合される。光活性材料源１２２が半導体層１０２の、第１の側に直交する及び／または第１の側の横なる、第２の側に隣接し、第２の側と接触して配される。先の実施形態と同様に、分子、陽子、対イオン、等が光活性材料源１２２から半導体層１０２内に拡散及び輸送されるような、中間構造への輻射エネルギー(及び、おそらくは熱エネルギー及び／またはその他の外部エネルギー)の印加を下向き矢印が示す。
図４Ｄに示されるように、上面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ｄを作製することができ、光活性材料は絶縁層(例えば誘電体層または酸化物層)１１０と半導体層１０２の間に被着される。例えば、半導体層１０２が基板１１２上に被着される。ドレイン電極１０６及びソース電極１０８が半導体層１０２の第１の側に被着される。光活性材料源１２２が半導体層１０２に隣接し、半導体層１０２に接触するように、及び光活性材料源１２２が絶縁層１１０と半導体層１０２の第１の面の間になるように、光活性材料源１２２がドレイン１０６，ソース１０８及び半導体材料層１０２に重ねて被着される。ゲート電極１０４が誘電体層１１０上に配置される。先の実施形態と同様に、分子、陽子、対イオン、等が光活性材料源１２２から半導体層１０２内に拡散及び輸送されるような、中間構造への輻射エネルギー(及び、おそらくは熱エネルギー及び／またはその他の外部エネルギー)の印加を下向き矢印が示す。
図５Ａ〜５Ｄを参照すれば、金属を含まない、ゲート１０４Ａ，ドレイン１０６Ａ及び／またはソース１０８Ａのコンタクト(好ましくは有機コンタクト)が作製中に光活性材料を用いて形成される、様々なトランジスタ構成が示される。例えば、半導体層１０２の上に、下に、及び／または少なくともある程度は中に、光活性材料源１２２を被着することができる。その後、半導体層１０２内に(特にチャネルの領域に)拡散して(ドープされて)、ドレイン１０６Ａ及びソース１０８Ａの電極を形成する、分子、陽子、対イオン、等が輻射エネルギーの印加により光活性材料源１２２から放出される。
図５Ａに示されるように、底面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ｅを作製することができ、光活性材料は半導体層１０２の、ドレイン１０６Ａ及びソース１０８Ａが配置されるべき、第１の側上に被着される。さらにまたはあるいは、ゲート１０４Ａを形成するため、半導体層１０２の、ドレイン１０６Ａ及びソース１０８Ａが配置されるべき第１の側と表裏をなす、第２の側上に光活性材料を被着することができる。光活性材料と半導体層１０２の第２の側の中間に酸化物層１１０を被着することができる。この場合も、光活性材料源１２２は、直接被着、フォトリソグラフパターニング、等のような、既知の方法によって被着することができる。
下向き矢印で示されるように、(光エネルギー、光子エネルギー、電子ビームエネルギー及び／またはＸ線エネルギーのような)輻射エネルギーが、光活性材料源１２２の導電度が制御されるように中間構造に印加される。適切な(及び周知の)マスク手法により、それぞれドレイン電極及びソース電極として機能する、独立領域１０６Ａ，１０８Ａを形成することができる。そのような電極１０６Ａ，１０８Ａは、金属を含まない有機コンタクト、例えば有機導電体として機能することができる。電極１０６Ａ，１０８Ａの導電度は
(ｉ)光活性材料源１２２の組成、及び(ii)輻射エネルギーが印加されている露光時間の内の１つないしさらに多くにより、作製中に制御することができる。同様に、ゲート電極１０４Ａを形成するため、半導体層１０２の第１の側上の光活性材料源１２２の導電度に作用することができる。そのようなゲート電極１０４Ａも、金属を含まない有機コンタクト、例えば有機導電体として機能することができる。
(ｉ)光活性材料源１２２の組成、及び(ii)輻射エネルギーが印加されている露光時間の内の１つないしさらに多くにより、作製中に制御することができる。同様に、ゲート電極１０４Ａを形成するため、半導体層１０２の第１の側上の光活性材料源１２２の導電度に作用することができる。そのようなゲート電極１０４Ａも、金属を含まない有機コンタクト、例えば有機導電体として機能することができる。
中間構造への輻射エネルギーの印加は、分子、陽子、対イオン、等の(半導体層１０２の第１の側上に被着されている)光活性材料源１２２から半導体層１０２(特に半導体層１０２のチャネル)内への拡散及び輸送もおこさせることができる。これは半導体層１０２内の要素１２０によって簡略に示される。
先に説明した実施形態と同様に、光子照射中の、光活性材料源１２２からチャネル内への分子、等の拡散、及びこれに続く陽子の放出を補助するため、(同じく矢印で示されるように)熱エネルギー及び／またはその他の外部エネルギーを印加することができる。
上述した手法は他の、(ｉ)底面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｆ、(ii)上面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｇ，及び(iii)上面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ｈをそれぞれ示す、図５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄのトランジスタ構成にも適用することができる。これらの構成のそれぞれにおいて、ゲート１０４Ａ，ドレイン１０６Ａ及びソース１０８Ａの内の１つないしさらに多くは、金属を含まない有機コンタクト、例えば有機導電体として機能することができる。さらに、中間構造への輻射エネルギーの印加は、やはり半導体層１０２内の要素１２０によって簡略に示されるように、分子、陽子及び／またはイオン、等の(ドレイン１０６Ａ及びソース１０８Ａに用いられる)光活性材料源１２２から半導体層１０２(特に半導体層１０２のチャネル)内への拡散及び輸送もおこさせることができる。
図６Ａ〜６Ｄを参照すれば、金属のゲート１０４，ドレイン１０６及び／またはソース１０８の電極が用いられ、作製中に光活性材料が電荷注入を向上させるために用いられる、様々なトランジスタ構成が示される。例えば、半導体層１０２の上に、下に、及び／または少なくともある程度は中に、光活性材料源１２２を被着することができる−ここで、光活性材料源１２２は、(ｉ)ソース１０８とチャネル(または半導体層１０２)の間、及び(ii)ドレイン１０６とチャネル(または半導体層１０２)の間の少なくとも一方に配される。その後、輻射エネルギーの印加によって、光活性材料源１２２から分子、陽子及び／またはイオン、等が放出されて、半導体層１０２内に(特にチャネルの領域に)拡散する(ドープされる)。拡散(ドープ)領域は要素１２０によって簡略に示される。上述した手法は、(ｉ)底面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ｉ，(ii)底面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｊ，(iii)上面ゲート／底面コンタクトトランジスタ１００Ｋ，及び(iv)上面ゲート／上面コンタクトトランジスタ１００Ｌをそれぞれ示す、図６Ａ，６Ｂ，６Ｃ及び６Ｄのトランジスタ構成に適用することができる、
１つないしさらに多くの別の実施形態にしたがえば、(前述したトランジスタのような)半導体素子の作製中の光活性材料１２０及び／または光活性材料源１２２の使用は、チャネルパターニングとドーピングを同時に実施するためにフォトリソグラフプロセスと組み合わせることができる。本明細書の実施形態のいずれもそのような組合せプロセスにしたがって作製することができるが、議論の目的のため、移動度が高められた、短チャネル／上面コンタクト／リフトオフトランジスタ１００Ｍを示す、図７を参照する。全般に、プロセスは、半導体層１０２上または内にチャネルを形成する工程、半導体層１０２と接触させて光活性材料１２４を被着する工程及び光活性材料１２４からチャネルに分子、陽子及び／またはイオン、等が拡散するように、光活性材料１２４を露光する工程、を含む。
１つないしさらに多くの別の実施形態にしたがえば、(前述したトランジスタのような)半導体素子の作製中の光活性材料１２０及び／または光活性材料源１２２の使用は、チャネルパターニングとドーピングを同時に実施するためにフォトリソグラフプロセスと組み合わせることができる。本明細書の実施形態のいずれもそのような組合せプロセスにしたがって作製することができるが、議論の目的のため、移動度が高められた、短チャネル／上面コンタクト／リフトオフトランジスタ１００Ｍを示す、図７を参照する。全般に、プロセスは、半導体層１０２上または内にチャネルを形成する工程、半導体層１０２と接触させて光活性材料１２４を被着する工程及び光活性材料１２４からチャネルに分子、陽子及び／またはイオン、等が拡散するように、光活性材料１２４を露光する工程、を含む。
さらなる詳細は、半導体層１０２の一方の側上の酸化物層１１０の配置及び酸化物層１１０上のゲート電極１０４の配置を示す、図７の(ａ)を含む。図７の(ｂ)は、光活性材料１２４を含むフォトレジストが作製されて半導体層１０２上に(例えば半導体層１０２のチャネルに重ねて)コーティングされることを示す。フォトレジスト／光活性材料１２４上のドレイン及びソースが配置されるべき領域への(矢印で示される)光子の透過及び照射を可能にするため、(要素１５０として簡略に示される)適するマスクが用いられる。図７の(ｃ)を参照すれば、フォトリソグラフプロセスによる、光子照射の適用が、(要素１２０で示されるように)光活性材料１２４から半導体層１０２内への分子の拡散及び半導体層１０２内での陽子の放出をおこさせると考えられる。光活性材料１２４の分解フラグメントが半導体層１０２内に拡散し、半導体層１０２と相互作用して、所望の結果が達成されることもあり得る。陽子だけでなく、対イオンも機構に影響することがあり得る。図７の(ｄ)は、引き続く、フォトリソグラフィプロセスによるフォトレジスト／光活性材料１２４の現像で得られた、フォトレジスト／光活性材料１２４がエッチング除去されたかまたは別の手段で除去された領域及びフォトレジスト／光活性材料１２４が残っている他の領域を示す。図７の(ｅ)は、金属のドレイン１０６及びソース１０８のコンタクト／電極を形成するための、半導体層１０２の露出面への金属膜被着の適用を示す。図７の(ｆ)は、残りのフォトレジスト／光活性材料１２４のリフトオフによる、パターンが形成された(チャネルを含む)半導体層１０２の形成を示す。
これまでに示され、説明された構造は簡略化されていることが当業者には理解されるであろうが、ディスクリートトランジスタ構造の設計上の微妙な詳細の多くをそのような半導体構造の作製における使用に利用できることは当然である。ただし、そのような詳細は簡潔及び明解の目的のため、本明細書には示されておらず、説明されていない。
１つないしさらに多くの実施形態において、上記実施形態で論じた層１０２の半導体材は厚さが約１０〜２００ｎｍ程度の実質的単結晶材料の形態にあり得る。用語「実質的」は、半導体材料が通常は、格子欠陥または少しの結晶粒界のような、本質的に含まれるかまたは意図的に加えられた内部欠陥または表面欠陥を少なくともいくらかは含むという事実を考慮するために用いられる。議論の目的のため、半導体層１０２はシリコンで形成されるとする。しかし、半導体材料を、III-Ｖ族半導体(すなわち、ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，等)、IV-IV族半導体(すなわち、ＳｉＧｅ，ＳｉＣ)、元素半導体(すなわち、Ｇｅ)またはII-VI族半導体(すなわち、ＺｎＯ、ＺｎＴｅ，等)のような、シリコンベース半導体またはその他のいずれかのタイプの半導体とし得ることは当然である。
実施例１
上述した構造、材料及びプロセスの内のいくつかを用いて、２つの高易動度上面コンタクトトランジスタを作製した。それぞれについて、チオフェンコポリマーのような、有機半導電性材料の薄層を絶縁基板上に配した。例えば、３ｍｇ/ミリリットルのＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の１,２-ジクロロベンゼン溶液をｎ＋＋Ｓｉ<１００>/ＳｉＯ２(３０ｎｍ厚)ウエハ上にスピンコートした。脱水のため、酸化物ウエハをＮ２環境内でプリベークした。次いで(純度が９９％より高い)ＨＭＤＳを３０００ｒｐｍでスピンコートし、さらにＮ２環境内において１５０℃で１５分ベークした。３ｍｇ/ミリリットルのＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の１,２-ジクロロベンゼン溶液を１ｋｒｐｍでＳｉＯ２ウエハ上にスピンコートして、２０〜３０ｎｍ厚の薄膜を形成した。添加量が２０重量％より多いフッ素化光酸発生体(非イオン性ＰＡＧ)と混合したフッ素化カリクスアーレンを含む、新規のネガタイプｉ線フォトレジストをＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４層上にスピンコートした(この結果、図７の(ａ)に示した構造と同様の構造が得られた)。フォトレジストを標準型ｉ線ステッパを用いて３６５ｎｍ光子照射で選択的に露光し、ハイドロフルオロエーテル溶剤を用いて現像して、Ａｕ蒸着によってドレイン電極及びソース電極を形成するための２つの開口領域を形成した。この結果、図７の(ｂ)，(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)の構造と同様の構造が得られた。次いでフォトレジストを除去し、ハイドロフルオロエーテル：ＨＭＤＳ(９：１)の溶剤を用いてリフトオフを実施することでチャネルを形成した。この結果、図７の(ｆ)に示される構成と同様の構成のトランジスタが得られた。
上述した構造、材料及びプロセスの内のいくつかを用いて、２つの高易動度上面コンタクトトランジスタを作製した。それぞれについて、チオフェンコポリマーのような、有機半導電性材料の薄層を絶縁基板上に配した。例えば、３ｍｇ/ミリリットルのＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の１,２-ジクロロベンゼン溶液をｎ＋＋Ｓｉ<１００>/ＳｉＯ２(３０ｎｍ厚)ウエハ上にスピンコートした。脱水のため、酸化物ウエハをＮ２環境内でプリベークした。次いで(純度が９９％より高い)ＨＭＤＳを３０００ｒｐｍでスピンコートし、さらにＮ２環境内において１５０℃で１５分ベークした。３ｍｇ/ミリリットルのＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の１,２-ジクロロベンゼン溶液を１ｋｒｐｍでＳｉＯ２ウエハ上にスピンコートして、２０〜３０ｎｍ厚の薄膜を形成した。添加量が２０重量％より多いフッ素化光酸発生体(非イオン性ＰＡＧ)と混合したフッ素化カリクスアーレンを含む、新規のネガタイプｉ線フォトレジストをＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４層上にスピンコートした(この結果、図７の(ａ)に示した構造と同様の構造が得られた)。フォトレジストを標準型ｉ線ステッパを用いて３６５ｎｍ光子照射で選択的に露光し、ハイドロフルオロエーテル溶剤を用いて現像して、Ａｕ蒸着によってドレイン電極及びソース電極を形成するための２つの開口領域を形成した。この結果、図７の(ｂ)，(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)の構造と同様の構造が得られた。次いでフォトレジストを除去し、ハイドロフルオロエーテル：ＨＭＤＳ(９：１)の溶剤を用いてリフトオフを実施することでチャネルを形成した。この結果、図７の(ｆ)に示される構成と同様の構成のトランジスタが得られた。
いくつかの性能特性を下の表に示す。
実施例２
上述した構造、材料及びプロセスの内のいくつかを用いて、光酸発生体を用いた有機オーミックコンタクトを有するトランジスタ素子を作製した。チオフェンのような、有機半導電性材料の薄層を絶縁基板上に溶液流延することでトランジスタを作製した。例えば、３ｍｇ/ミリリットルのＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の１,２-ジクロロベンゼン溶液をｎ＋＋Ｓｉ<１００>/ＳｉＯ２(２００ｎｍ厚)ウエハ上にスピンコートした。脱水のため、酸化物ウエハをＮ２環境内でプリベークした。次いで(純度が９９％より高い)ＨＭＤＳを３０００ｒｐｍでスピンコートし、さらにＮ２環境内において１５０℃で１５分ベークした。Ｐ２ＴＤＣ１７ＦＴ４溶液を１ｋｒｐｍでスピンコートして、２０〜３０ｎｍ厚の薄膜を形成した。それぞれが約４０ｎｍ厚の、２つのＡｕ上面電極をシャドウマスクを介してポリマー層上に真空蒸着した。５０〜２００μｍのチャネル長及び０.８〜１.８ｍｍのチャネル幅を有するトランジスタ素子は、０.０５ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１のＦＥＴ易動度代表値を示し、閾電圧は〜−１０Ｖ，ＯＮ/ＯＦＦ比は＞１０６であった。ハイドロフルオロエーテル：ＰＧＭＥＡ補助溶剤(４：１重量％)内に溶解させた光酸発生体(非イオン性ＰＧＡ)をトランジスタ素子の上面に(１ｋｒｐｍで)スピンコートし、あるいは滴下流延した。２つの上面Ａｕ電極間に有機オーミックコンタクトを形成するため、トランジスタチャネルを、標準型ｉ線ステッパまたはシャドウマスクを用いるフォトリソグラフィプロセスにより波長が３６５ｎｍのＵＶ光の下で選択的に露光した。ドレイン電極とソース電極の間の電流−電圧特性は直線になり、電極間のオーミック伝導の形成を示した。さらに、０〜−９０Ｖの範囲の様々なゲート電圧においてゲート変調は見られなかった。
上述した構造、材料及びプロセスの内のいくつかを用いて、光酸発生体を用いた有機オーミックコンタクトを有するトランジスタ素子を作製した。チオフェンのような、有機半導電性材料の薄層を絶縁基板上に溶液流延することでトランジスタを作製した。例えば、３ｍｇ/ミリリットルのＰ２ＴＤＣ１７ＦＴ４の１,２-ジクロロベンゼン溶液をｎ＋＋Ｓｉ<１００>/ＳｉＯ２(２００ｎｍ厚)ウエハ上にスピンコートした。脱水のため、酸化物ウエハをＮ２環境内でプリベークした。次いで(純度が９９％より高い)ＨＭＤＳを３０００ｒｐｍでスピンコートし、さらにＮ２環境内において１５０℃で１５分ベークした。Ｐ２ＴＤＣ１７ＦＴ４溶液を１ｋｒｐｍでスピンコートして、２０〜３０ｎｍ厚の薄膜を形成した。それぞれが約４０ｎｍ厚の、２つのＡｕ上面電極をシャドウマスクを介してポリマー層上に真空蒸着した。５０〜２００μｍのチャネル長及び０.８〜１.８ｍｍのチャネル幅を有するトランジスタ素子は、０.０５ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１のＦＥＴ易動度代表値を示し、閾電圧は〜−１０Ｖ，ＯＮ/ＯＦＦ比は＞１０６であった。ハイドロフルオロエーテル：ＰＧＭＥＡ補助溶剤(４：１重量％)内に溶解させた光酸発生体(非イオン性ＰＧＡ)をトランジスタ素子の上面に(１ｋｒｐｍで)スピンコートし、あるいは滴下流延した。２つの上面Ａｕ電極間に有機オーミックコンタクトを形成するため、トランジスタチャネルを、標準型ｉ線ステッパまたはシャドウマスクを用いるフォトリソグラフィプロセスにより波長が３６５ｎｍのＵＶ光の下で選択的に露光した。ドレイン電極とソース電極の間の電流−電圧特性は直線になり、電極間のオーミック伝導の形成を示した。さらに、０〜−９０Ｖの範囲の様々なゲート電圧においてゲート変調は見られなかった。
いくつかの性能特性を下の表に示す。
特定の特徴及び態様を参照して実施形態を本明細書に説明したが、これらの実施形態が例示のためでしかないことは当然である。したがって、例示実施形態に数多くの改変がなされ得ること及び本開示の精神及び範囲を逸脱せずに他の構成が案出され得ることは当然である。
１００ トランジスタ
１０２ 半導体層
１０３ チャネル
１０４ ゲート
１０６ ドレイン
１０８ ソース
１１０ 絶縁(誘電体)層
１１２ 基板
１２０ 光活性材料
１２２ 光活性材料源
１０２ 半導体層
１０３ チャネル
１０４ ゲート
１０６ ドレイン
１０８ ソース
１１０ 絶縁(誘電体)層
１１２ 基板
１２０ 光活性材料
１２２ 光活性材料源
Claims (6)
- トランジスタにおいて、
半導体層、
前記半導体層の上または内に配置されたチャネル、
前記半導体層の上または内に配置されたソース、
前記半導体層の上または内に配置されたドレイン、
前記半導体層と電気的に結合されたゲート、及び
光活性材料であって、
(ａ)前記半導体層に隣接し、前記半導体層と接触して、
(ｂ)前記半導体層内に、または
(ｃ)前記ソース、前記ドレイン及び前記ゲートの１つないしさらに多くの内に、
配された光活性材料、
を有し、
分子、陽子及び／またはイオンが前記光活性材料から前記半導体材料内に拡散する、
ことを特徴とするトランジスタ。 - 前記半導体層が有機半導体材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
- 前記光活性材料が、光酸発生体、光塩基発生体及び光ラジカル発生体の内の１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
- 前記光活性材料が、イオン性(オニウム塩)化合物及び非イオン性化合物からなる群からとられる少なくとも１つの化合物を含む、光酸発生体を含むことを特徴とする請求項３に記載のトランジスタ。
- トランジスタを形成する方法において、
半導体層の上または内にチャネルを形成する工程、
前記半導体層と接触させて光活性材料を被着する工程、及び
分子、陽子及び／またはイオンが前記光活性材料から前記チャネル内に拡散するように前記光活性材料を露光する工程、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記半導体層が有機半導体材料であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
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