JP2015179765A - 電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】薄膜トランジスタの特性を改善すると共に、微細なスルーホールが形成できる高性能な電子デバイスをローコストに製造できる製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に、ナノ粒子導電材料からなる下部電極９、ソース電極３、及びドレイン電極４を備え、ソース電極３とドレイン電極４間に半導体層５を備え、半導体層５上にゲート絶縁層を介してゲート電極８を備える電子デバイスの製造方法において、半導体層５上及び下部電極９上に、ゲート絶縁層としての非感光性樹脂層を形成する工程と、非感光性樹脂層上に、ゲート絶縁層としての感光性樹脂層を形成する工程と、下部電極９上の感光性樹脂層にスルーホールを形成する工程とを備える。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、有機半導体を用いた薄膜トランジスタを有する電子デバイス及びその製造方法に関するものである。
大面積の基板上に電子デバイスを形成する方式として、薄膜トランジスタ（thin film transistor：ＴＦＴ）を基板上に形成し、アクティブマトリクスや回路などを構成することが知られている。特に、有機半導体を用い、印刷技術で電極や半導体などのパターン形成を行うことで、低温でフレキシブル基板上にローコストで電子デバイスを形成できるようになることが期待されている。
有機薄膜トランジスタの構造として、ソース、ドレイン電極を下層に、その上に半導体層を形成した後に、ゲート絶縁層を形成し、さらにゲート電極を形成したトップゲートボトムコンタクト構造は、半導体を挟んでゲート電極とソース、ドレイン電極を配置するスタッガ構造のため、ＴＦＴ特性が得やすいと考えられている。
アクティブマトリクスで液晶や電気泳動粒子、有機ＥＬなどを駆動する場合、トップゲートボトムコンタクト構造ではソース、ドレイン電極がゲート絶縁層の下にあるため、ゲート絶縁層を開口して層間で電気接続する必要がある。また、シフトレジスタなど電子回路を構成するには、ゲート電極とソース、ドレイン電極の間の接続が必要となり、ゲート絶縁層へのスルーホール形成と層間接続が必要になる。
絶縁層にスルーホールを形成するには、レジストを露光現像し、レジストをマスクにして加工するいわゆるリソグラフィ法（特許文献１）、溶剤を針などで供給して絶縁層を局所的に溶解して接続する方法（特許文献２）などが提案されている。
しかし、リソグラフィ法では工程が複雑になり、コストアップになる問題があった。特許文献１に記載された手法では、ゲート電極をマスクにゲート絶縁層をＲＩＥ(reactive ion etching)加工するため、ゲート電極層とソース、ドレイン電極層の接続を行うには別の電極層を形成する必要があった。さらに、ゲート電極のエッジ部とゲート絶縁層のパターンエッジが共通となるため、ソース、ドレイン電極との絶縁性に問題があり、新たに側面を覆う絶縁層を付加するなどの対応が必要であった。また、溶剤を針で供給して溶解する方法では、微細な開口ができず、表示部周辺などの粗いパターンにしか適用できない問題があった。
薄膜トランジスタの特性を改善すると共に、微細なスルーホールが形成できる高性能な電子デバイス、及び前記電子デバイスをローコストに製造できる製造方法を提供する。
一実施態様の電子デバイスの製造方法は、基板上に、ナノ粒子導電材料からなる下部電極、ソース電極、及びドレイン電極を備え、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に有機半導体層を備え、前記有機半導体層上にゲート絶縁層を介してゲート電極を備える電子デバイスの製造方法において、前記有機半導体層上及び前記下部電極上に、前記ゲート絶縁層としての非感光性樹脂層を形成する工程と、前記非感光性樹脂層上に、前記ゲート絶縁層としての感光性樹脂層を形成する工程と、前記下部電極上の前記感光性樹脂層にスルーホールを形成する工程とを備える。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電子デバイスの断面図である。
図１は、第１の実施形態の電子デバイスの断面図である。
第１の実施形態の電子デバイス１００は、基板１に形成された薄膜トランジスタ１０１及び層間接続部１０２を備える。層間接続部１０２は、薄膜トランジスタ１０１に接続されている。基板１は、例えばガラスやプラスチックフィルムなどで構成されている。
基板１上には樹脂層２が形成され、樹脂層２上にはソース電極３、ドレイン電極４及び下部電極９が形成されている。これらのソース電極３、ドレイン電極４及び下部電極９は、ナノ粒子導電材料で構成されている。例えば、ナノ粒子導電材料としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどのナノ粒子が適用できる。基板１上には、ドレイン電極４と下部電極９を電気的に接続する接続配線１３が形成されている。接続配線１３も、ソース電極３、ドレイン電極４及び下部電極９と同じナノ粒子導電材料で形成すればよい。ソース電極３、ドレイン電極４及び下部電極９のそれぞれの膜厚としては、下部電極９がソース電極３、ドレイン電極４より厚いのが望ましい。
ソース電極３上、ドレイン電極４上、及びソース電極３とドレイン電極４間には、半導体層５が形成されている。半導体層５は有機半導体が好適であるが、有機-無機混合材料などでもよい。有機半導体としては、低分子系でも高分子系でも低分子と高分子のブレンド系でもよい。ここでは、半導体層５として高分子系の有機材料を用いた。
半導体層５上には、半導体層５を覆う第１のゲート絶縁層６が形成されている。第１のゲート絶縁層６には、非感光性樹脂を用いる。非感光性樹脂としては誘電率が２〜３で、特に分極成分（極性基）が少ない材料が望ましい。ここでは、非感光性樹脂としてポリスチレン系、部分フッ素系などを用いる。特に、非感光性樹脂として光酸発生剤を含まない材料を用いれば、ＴＦＴの電気特性、界面特性、バリア性などで良好な絶縁層を形成できる。光酸発生剤は、光が照射されると酸が発生する。バリア性とは、半導体層５とゲート絶縁層との間で材料等の拡散を遮断することを意味する。
第１のゲート絶縁層６上には、第２のゲート絶縁層７が形成されている。第２のゲート絶縁層７には感光性樹脂を用いる。感光性樹脂としては、特に、光照射部に光酸発生剤から酸が発生して、酸と反応することで溶解性が変化する化学増幅型の感光性樹脂が好適である。化学増幅型にすることで、高感度で微細なパターンを形成することが可能である。光酸発生剤としては、トリアリールスルホニウム塩系、ナフタレンイミド系、チオキサントン誘導体、トリアジン、ニトロベンジルエステル、ジアゾメタン、オニウム塩などのうち少なくともいずれか１つを含むものを用いることができる。感光性樹脂は、ポジ型が良いが、ネガ型でもよい。解像度が低くてもよいデバイスの場合では、感光性樹脂として光硬化樹脂を用いてもよい。光硬化樹脂を用いた場合、未硬化部を溶剤で除去してパターン形成する。
第２のゲート絶縁層７上には、ゲート電極８が形成されている。ゲート電極８はナノ粒子導電材料で形成するのが望ましい。
層間接続部１０２では、下部電極９上に第１のゲート絶縁層６が形成され、第１のゲート絶縁層６上に第２のゲート絶縁層７が形成されている。下部電極９上の第１のゲート絶縁層６及び第２のゲート絶縁層７内にはスルーホール１０Ａが形成され、スルーホール１０Ａ内にはスルーホール導電膜１０が形成されている。第２のゲート絶縁層７上には、上部電極１１が形成されている。上部電極１１は、スルーホール導電膜１０を介して下部電極９と電気的に接続される。上部電極１１はナノ粒子導電材料で形成するのが望ましい。
第１の実施形態では、下部電極９と第２のゲート絶縁層７との間に第１のゲート絶縁層６を配置した構造により、印刷に適したナノ粒子導電材料を下部電極９（及びソース電極３、ドレイン電極４）に用いても、下部電極９とスルーホール導電膜１０との間に良好なコンタクトが得られると共に、ＴＦＴの特性を良好に維持することができる。
前述したトップゲートボトムコンタクト構造により、ゲート電界により、ソース電極３上の半導体層５にキャリアが蓄積されてソース電極３からのキャリア注入が促進されて電気的なコンタクト抵抗が低減し、オン電流が増加するため、ＴＦＴ特性の向上が得られる。特に、半導体層５として有機半導体を用いているため、コンタクト抵抗が高くなりやすく、ＴＦＴ特性を安定的に向上させるにはスタッガ構造がよい。半導体層（有機半導体）５とゲート絶縁層（感光性樹脂）７との間にゲート絶縁層（非感光性樹脂）６を配置することにより、半導体層５とゲート絶縁層６との界面の特性（トラップ準位など）が改善すると共に、感光性樹脂中の感光性を付与する成分の影響が、有機半導体とゲート絶縁層との界面および有機半導体に及ぶのを抑制して性能を向上できる。
次に、第１の実施形態の構成と効果を詳細に示すために、第１の実施形態の電子デバイスの製造工程を詳述する。図２−図６は、電子デバイスの構造を実現する製造方法の断面図および平面図を示す。なお、断面図は平面図中のＡ−Ｂ線に沿った断面を示す。
ガラスやプラスチックフィルムなどの基板１上に、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、樹脂層２を形成する。樹脂層２は、基板１上に樹脂を塗布し、樹脂を硬化して形成すればよい。樹脂層２としては、電気特性および表面平滑性が良好なものがよく、後述の親撥パターン形成に適した材料が望ましい。ここでは、後述の非感光性樹脂と同一のポリスチレン系を用いた。他にポリイミドなども使用でき、基板材料がポリイミドなどの場合は省略することも可能である。
次に、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、樹脂層２上に撥液層１５を形成する。撥液層１５は、後述する導電インク１８，１９に対して接触角が大きく、７０度以上を示すものを用いた。撥液層１５としては、フッ素を含むガスを放電分解して樹脂層２上に撥液層を形成したフッ素系撥液層が好適である。フッ素を含むガスとしては、フロオロカーボンが良く、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、などが使用できる。水接触角は９５度以上の撥液層が得られた。また、フッ素を含むガスとしてＣＨＦ３なども用いることができる。撥液層１５はプラズマにより形成してもよいし、フッ素を含む材料の溶液を塗布して形成してもよい。また、アモルファスフッ素樹脂も撥液層１５として利用できる。
フッ素を含む撥液層１５を形成した後、図２（ｅ）、図２（ｆ）に示すように、導電性インクを乗せたい箇所の撥液層を除去する。ソース電極３、ドレイン電極４、及び下部電極９等が後の工程で形成されるパターン１６にある撥液層を除去し、下地の樹脂層２を露出させる。撥液層１５を除去する方法としては、レーザーアブレーションが好適である。短波長のエキシマレーザを光源に光学系でマスクパターンを結像させるか、光学変調素子を通して描画するなどして、所定のパターンで照射するようにすればよい。ここでは、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを使用した。
下地の樹脂層２には、照射するレーザ波長を吸収して、アブレーションする材料を選択する。下地の材料でのインクの接触角が低いと良いが、高い場合でも撥液層をマスクにＵＶ／Ｏ３処理をすることで親液化させればよい。フッ素系の撥液層では低圧水銀ランプの１８５ｎｍ波長のＵＶ光および発生するオゾンへの耐性が高く、下地の樹脂層２が親液化するのに必要な処理時間の間で撥液性を維持できた。親液化処理としては、プラズマ処理やディープＵＶ光照射などを用いてもよい。撥液層１５を加工するのに、レジストを塗布して露光及び現像し、レジストをマスクに酸素プラズマ等で加工する方法も適用できる。レジストは高感度にしやすく、基板変形を計測し補正露光する直描露光機や、倍率変換投影型露光機などを用いることができる。
図２（ｅ）示した親撥パターン１６が得られた基板に、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、導電インク１９を塗布する。塗布方法としては、アプリケータ１７と基板１の間に導電インク１８を保持して導電インク１９を塗布するアプリケータコートや、Ｄｉｐコート、キャピラリーコートなどのコーティングが適用できる。フレキソ印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷などを用いてもよい。ここでは、アプリケータ１７に導電インク１８のメニスカスを基板１との間で形成して移動させてコートした。
導電インクとしては、水系インクがインクの接触角が大きくなり、好適である。例えば、導電インク中にＡｇナノ粒子を分散したナノ粒子導電材料を用いれば、微細パターンと低抵抗を実現して良好である。導電インク１８には、乾燥性や表面張力などの調整のために溶剤が含まれていてもよい。塗布により撥液層１５上のインクは移動し、親液部（親撥パターン１６）に導電インク１９が残る。
次に、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、導電インク１９を焼成してソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３を得る。さらに、これら電極を形成する工程で信号線３Ａなども形成される。撥液層１５は残しておいてもよく、プラズマ処理などで除去してもよい。
このように、導電インクを、親撥パターンを利用して塗布すると、パターンの幅や周囲のレイアウトによって導電インクの膜厚を制御することができる。下部電極９、ソース電極３、ドレイン電極４の厚さは厚めにするのが望ましい。下部電極９の膜厚としては、１００〜１０００ｎｍとするとよく、好ましくは、３００ｎｍ以上にするとよい。特に、接続配線１３に比べて下部電極９を厚くするとよい。図３（ｄ）に示すレイアウトでは、接続配線１３、ドレイン電極４に対して下部電極９の幅を広くしている。これにより、下部電極９の膜厚が接続配線１３よりも厚く形成される。
図３（ｃ）、図３（ｄ）に示したパターンを形成するのに、親撥パターン１６に導電インクを印刷する方法（親撥印刷）を用いたが、本実施形態ではこの方式に限定されない。この他、ブランケットにインクを塗布し、乾燥して、凹版にコンタクトさせて版に接触した半乾燥のインクをブランケット上から除去し、残ったインクを基板に転写する、いわゆる反転印刷を用いることもできる。反転印刷では、アルコール系のインクを用いて乾燥制御する。
これらの印刷で用いたナノ粒子を分散した導電インクは、抵抗率が低く、微細なパターンができるので好適である。ここで用いるナノ粒子には、そのナノ粒子の外周部に粒子同士が付着し凝集しないように保護層を形成している。保護層は低温で除去できる有機材料（長鎖分子を含む）が使用される。
また、導電インク１８中のナノ粒子の分散を安定化させる添加剤なども導電インクの溶媒に含まれる。これらの成分を完全に除去できるのが本来望ましいが、特に１５０℃以下程度の低温焼成タイプのインクでは、残留成分が発生することが避けられない。そこで、その影響が問題にならないように、デバイスの構成を考える必要がある。後述の課題の発見に対する対策が本願の提供するものの１つである。
次に、図３（ｅ）、図３（ｆ）に示すように、ソース電極３上、ドレイン電極４上、及びソース電極３とドレイン電極４間に半導体層５を形成する。ここでは、高分子系有機半導体をインクジェットで塗布した。高分子系ではベーク後に溶剤耐性が向上でき、半導体層５上のゲート絶縁層の形成の選択肢が増加する。半導体層５とゲート絶縁層との組合せを適切にすれば、半導体層５には低分子系でも、高分子−低分子ブレンド系でも適用できる。半導体層５の形成には、フレキソ印刷など別の方法を用いてもよい。
図３（ｅ）、図３（ｆ）に示した構造上に、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第１のゲート絶縁層６を形成する。第１のゲート絶縁層６は非感光性樹脂であり、絶縁層材料としてポリスチレン系であることが好適である。第１のゲート絶縁層６の誘電率は２〜３程度のやや低いほうがよい。この程度の誘電率の絶縁層であれば、分極が少なく、トラップ準位が少ない、良好な絶縁特性を示す。第１のゲート絶縁層６はフッ素を含んだ材料でも良い。ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）などが適用できる。
また、第１のゲート絶縁層６には、ポリイミド、部分フッ素化樹脂などを用いることもできる。半導体層５に高分子系有機半導体を用いることで、第１のゲート絶縁層６にＰＧＭＥＡ溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を用いることができ、材料の選択肢やインクの調整がしやすく、プロセス適用性が良好にできた。溶媒で希釈して固形成分を調整し、ダイコートなどで塗布し、乾燥、ベークすることで、１００ｎｍの薄膜で良好に塗布することができた。第１のゲート絶縁層６は、５０〜２００ｎｍの膜厚にするのが適切である。半導体層５が含む半導体材料によってダメージが出ない溶媒を用いればよく、フッ素系溶媒を用いることもできる。非感光性樹脂としては、特に光酸発生剤を含まないことが良い。
第１のゲート絶縁層６上に、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように、第２のゲート絶縁層７を形成する。第２のゲート絶縁層７には感光性樹脂を用いる。ここでは、感光性樹脂をダイコートまたはスピンコート等で塗布、乾燥した。続いて、感光性樹脂に紫外光を照射し、現像して、図４（ｅ）、図４（ｆ）に示すように、スルーホール１０Ａを形成した。感光性樹脂としては、特に、光照射で酸を発生させる光酸発生剤を用い、発生した酸で反応させてアルカリ現像液で溶解させる化学増幅型が良い。光酸発生剤としては、前述の材料を用いることができる。感光性樹脂には、光照射した露光部が現像液に溶解するポジ型が好適である。ポジ型は、半導体層への紫外線ダメージがない、解像度が高い、感度を高くできる、などの特徴がある。なお、ネガ型を用いても構わない。
さて、発明者は、ナノ粒子導電材料の下部電極上に化学増幅型の感光性樹脂を直接形成し、感光性樹脂を露光現像した際にスルーホールが下部電極面まで達しないことがあることを確認した。ナノ粒子導電材料としては、Ａｇナノ粒子で水系、アルコール系の低温焼成タイプのインクを用いると、この現象が顕著であることが分かった。これは、前述のナノ粒子導電材料の原料として含まれる保護材料や分散安定化材料の残留物が感光性樹脂内に拡散して、光化学反応（光酸発生反応およびその後の現像溶解性を得るための加熱等による反応）を阻害するためであることが分かった。
本願では、下部電極（ナノ粒子導電材料）９と第２のゲート絶縁層（感光性樹脂）７との間に第１のゲート絶縁層６を挿入している。これにより、第１のゲート絶縁層６がナノ粒子導電材料からの反応阻害物質の拡散をブロックし、図４（ｅ）、図４（ｆ）に示すように、第１のゲート絶縁層６までのスルーホール１０Ａが形成できることが分かった。さらに、第１のゲート絶縁層６を挿入することにより、光酸発生剤を必要以上に混入させて第２のゲート絶縁層７の絶縁特性を劣化させたり、有機半導体からなる半導体層５への悪影響が出ることを抑制することができる。
続いて、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、第２のゲート絶縁層７上及びスルーホール１０Ａ内に撥液層１４を形成する。ここでは、第２のゲート絶縁層７上及びスルーホール１０Ａ内に、フッ素を含むガスを放電分解してフッ素を含む撥液層１４を形成するのが好適である。このとき、第１のゲート絶縁層６によって下部電極９は覆われているので、腐食することがない。特に、Ａｇの場合は腐食が顕著であり、その保護に有効である。フッ化物が残留すると、後の上部電極１１の印刷形成で、ナノ粒子を含む導電インクを塗布した際に異常反応が起きて盛り上がるなどの問題があった。また、フッ素プラズマの前に酸素プラズマにより樹脂層２の表面をライトエッチした方が良好な撥液層１５が形成しやすく、その場合などではソース電極３、ドレイン電極４、及び下部電極９の表面の酸化も問題となる。第１のゲート絶縁層６を設けることでこれらの電極表面の酸化も抑制することができる。なお、フッ素を含むガスのプラズマ形成膜の他に、フッ素を含む樹脂、例えば、アモルファスフッ素樹脂などを塗布して形成することも可能である。
次に、撥液層１４を所定のパターンで加工して、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、撥液層１４を除去する。ゲート電極８に対応した親撥パターン２１、上部電極１１に対応した親撥パターン２２を形成する。親撥パターン２１，２２は撥液層１４を除去したパターンである。撥液層１４の除去には、レーザーアブレーションが好適である。ここでは、２４８ｎｍ波長のＫｒＦエキシマレーザの照射により、第２のゲート絶縁層７をわずかに削りつつ、撥液層１４をアブレーション除去した。
前述と同様に、レジストマスクを用いて撥液層１４を加工することもできる。第２のゲート絶縁層表面の導電インクの接触角が高い場合には、撥液層１４をマスクにＵＶ／Ｏ３等で親液化処理をすると良い。フッ素を含む撥液層は、１８５ｎｍの紫外光では分解されにくく、Ｏ３にも耐性があるので、撥液層の導電インクの接触角を大きく下げることなく、パターン２１，２２の表面を親液化することができた。下層電極９を形成した時のプロセスを同様に行うことができる。
また、アブレーションで下部電極９の表面の第１のゲート絶縁層６が除去されるので、スルーホールが完成する。下部電極９は導電材料であり、２４８ｎｍ波長の光を吸収するので、下部電極９の表面領域が削れて凹み１２が形成される。下部電極９の厚さを厚くしておくことで貫通しないように設定できるが、貫通しても側面での接続が可能となる。なお、レーザの波長は、アブレーションに適していれば、撥液層１４の材料に合せて短波長あるいは長波長としても構わない。
次に、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示した構造上に導電インク２０を印刷塗布する。塗布方法としては、アプリケータ１７と基板１の間に導電インク１８を保持して導電インクを塗布するアプリケータコートや、Ｄｉｐコート、キャピラリーコートなどのコーティングが適用できる。フレキソ印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷などを用いてもよい。ここでは、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、アプリケータ１７に導電インク１８のメニスカスを基板１との間で形成して移動させてコートした。
撥液層１４の水接触角は９０°以上、導電インクに対しても７０°以上の接触角が得られた。親液部（親撥パターン２１，２２）の接触角は３０度以下が得られた。導電インク１８としては、水系インクがインクの接触角が大きくなり、好適である。例えば、導電インク中にＡｇナノ粒子を分散したナノ粒子導電材料を用いれば、微細パターンと低抵抗を実現して良好である。導電インク１８には、乾燥性や表面張力などの調整のために溶剤が含まれていてもよい。塗布により撥液層１４上のインクは移動し、親液部（親撥パターン２１，２２）に導電インク２０が残る。
導電インク１８は液体状で塗布するので、スルーホール１０Ａに入り込み、下部電極９の凹み１２の側面での接続も確保される。導電インクとしては、ナノ粒子分散系が微細なパターンや微細なスルーホールでも良好な電気接続が得られるので好適である。
次に、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、導電インク２０を焼成してゲート電極８、上部電極１１、及びゲート線８Ａなどの導電パターンを形成する。このようにして、第１の実施形態の構造が実現される。
本実施形態の効果について図７−図９を用いて説明する。比較のために、第１の実施形態のＴＦＴ１００と、第１のゲート絶縁層がない構造のＴＦＴ５００も形成した。図７（ａ）は第１の実施形態のＴＦＴ１００の断面図、図７（ｂ）は第１のゲート絶縁層６を除いた比較例のＴＦＴ５００の断面図である。
これらの構造に対するＴＦＴ特性の評価を図８、図９に示す。図８は第１の実施形態と比較例のＩｄ−Ｖｇｓ特性（伝達特性）を示す。第１の実施形態の構造では、比較例に比べて大きなオン電流が得られることが分かった。
図９は、第１の実施形態と比較例における飽和領域の移動度を算出してグラフにしたものである。第１の実施形態の構造における移動度は０.２〜０.６ｃｍ２／Ｖsが得られるのに対して、比較例の構造では移動度が1／３〜１／５に低下することが分かった。これは、感光性樹脂に含まれる感光性を付加する材料成分が特性を劣化させているものと考えられる。
また、ナノ粒子導電材料からなるソース電極、ドレイン電極を用いた場合、ナノ粒子分散のための材料成分と感光性付与の材料成分との相互作用も特性に影響すると考えられる。第１の実施形態では、第１のゲート絶縁層６が１００ｎｍ程度と薄く、誘電率が２.４〜２.７と低いが、第２のゲート絶縁層７の誘電率は３.３〜３.８と大きくなっている。このため、全体のゲート容量は大きくなり、第１のゲート絶縁層のみで同じ膜厚のゲート絶縁層を形成した場合よりもオン電流を増加させることができ、電流駆動能力が高いトランジスタを得ることができる。
また、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に、第１の実施形態及び比較例においてスルーホールを形成した場合の形状をそれぞれ示す。比較例１００の場合、すなわち下部電極９上に、第１のゲート絶縁層（非感光性樹脂）６を設けず、第２のゲート絶縁層（化学増幅型の感光性樹脂）７だけを設け、スルーホール１０Ａを形成した場合、図１０（ｂ）に示すような形状となった。このように比較例１００では、スルーホールが開口した深さはゲート絶縁層の膜厚の４０〜５０％にとどまっており、不完全な開口になった。
なお、下部電極９をスパッタによりＡｇで成膜した場合には、スルーホール１０Ａが不完全な開口になることはなく、下部電極９上に直接、感光性樹脂を形成した場合でも、下部電極９の表面まで開口することから、現像を阻害するのは、ナノ粒子導電材料を用いたためであることが確認されている。導電インクの種類、導電インクの製造メーカによってスルーホールの開口の深さが変わり、ある材料の場合には全く開口しない所までの影響を与えることも分かった。第１の実施形態では、下部電極とゲート絶縁層（感光性樹脂）との間にゲート絶縁層（非感光性樹脂）を配置することにより、そのような場合でも非感光性樹脂に達するまで露光及び現像でスルーホールを開口することができた。
第１のゲート絶縁層の膜厚は、ナノ粒子導電材料からの拡散物を抑制するに必要な膜厚であり、２０〜２００ｎｍがよい。第２のゲート絶縁層の感光性樹脂の膜厚は１００ｎｍ〜３μｍとすることができる。第１のゲート絶縁層と第２のゲート絶縁層の膜厚比率は１：２以上取るとよく、１：２〜１：２０とするとよい。下部電極（ナノ粒子導電材料）の膜厚は５０〜１０００ｎｍとするとよく、下部電極の膜厚が厚くなった場合、第１のゲート絶縁層の膜厚を厚くした方が拡散物の抑制に有効となる。
以上説明したように第１の実施形態によれば、半導体層とゲート絶縁層との界面特性が良好になり、薄膜トランジスタの特性、特にオン電流を改善することができる。さらに、下部電極と上部電極を接続する層間接続の微細なスルーホールが形成でき、高性能な電子デバイスをローコストに製造できる。
（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態の電子デバイスの断面図である。
図１１は、第２の実施形態の電子デバイスの断面図である。
第２の実施形態では、樹脂層２上にソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３を形成する場合に、撥液層１５をパターニングする工程においてアブレーションを用いた場合の構造を示す。第１の実施形態と共通の構成については、共通する参照符号を付しその説明は省略する。
図１１に示すように、樹脂層２上には撥液層１５のパターンが形成され、撥液層１５が配置されていない樹脂層２表面にはアブレーションで形成された凹みができている。さらに、スルーホール導電膜１０下方の樹脂層２にはアブレーションで形成された更なる凹みが存在している。更なる凹み部は別工程のアブレーションで形成すればよい。撥液層１５が形成されていない樹脂層２の凹みには、ソース電極３、ドレイン電極４、及び下部電極９が形成されている。下部電極９は、さらにスルーホール１０Ａに対応する樹脂層２の更なる凹み部分に下層部９Ａを有する。その他の構成は前述した第１の実施形態と同様である。
第１の実施形態と同様に、ソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３は導電インクの印刷により形成される。印刷方法としては、前述のメニスカス塗布やキャピラリー塗布を用いることができる。このとき、導電インクが前記電極を形成する部分に残りやすいようにレイアウトを工夫すると良い。これにより、下部電極９の厚さがさらに厚くなり、上部電極１１を形成するために撥液層１５を加工するアブレーションで、下部電極９の凹み１２が下部電極９を貫通しないように設定することができる。
ソース電極３とドレイン電極４間には撥液層１５が残してあり、これによりＴＦＴのバックチャネル側の特性を制御できるため、オフ電流の低減の効果が得られる。なお、ソース電極３とドレイン電極４間の撥液層１５は除去しても構わない。
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、半導体層とゲート絶縁層との界面特性が良好になり、薄膜トランジスタの特性、特にオン電流を改善することができる。さらに、下部電極と上部電極を接続する層間接続の微細なスルーホールが形成でき、高性能な電子デバイスをローコストに製造できる。さらに、下部電極９の厚さを厚くできるため、上部電極１１を形成するために撥液層１５を加工するアブレーションで、下部電極９の凹み１２が下部電極９を貫通しないように設定できる。
（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態の電子デバイスの断面図である。
図１２は、第３の実施形態の電子デバイスの断面図である。
第３の実施形態では、樹脂層２上にソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３を形成する工程において、これらソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３を反転印刷で形成した場合の構造を示す。第１の実施形態と共通の構成については、共通する参照符号を付しその説明は省略する。
図１２に示すように、樹脂層２上には、ソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３が反転印刷で形成されている。このため、これらソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３が形成された樹脂層２の表面には凹みが形成されていない。反転印刷は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のブランケット上にインクを塗布し、インクを半乾燥した後に凹凸版に接触させて接触面のインクをブランケット上から除去する。そして、ブランケットに残ったインクを基板に転写する印刷方法である。
反転印刷では、ソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３の膜厚が均一にできるため、リソグラフィによる電極形成に類似した断面形状を得ることができる。一方で、膜厚はあまり厚くすることができず、上部電極１１形成の際の撥液層１４のアブレーションにより、下部電極９がスルーホール１０Ａで貫通する場合がある。
図１２はそのような形状を示しており、下部電極９を貫通するスルーホール１０Ａができている。この場合でも、導電インクを塗布して上部電極１１を形成することで、スルーホール１０Ａ内に導電インクが入り、スルーホール１０Ａ側面のスルーホール導電膜１０によるコンタクトによって下部電極９と上部電極１１間の電気的な接続が得られる。
第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、半導体層とゲート絶縁層との界面特性が良好になり、薄膜トランジスタの特性、特にオン電流を改善することができる。さらに、下部電極と上部電極を接続する層間接続の微細なスルーホールが形成でき、高性能な電子デバイスをローコストに製造できる。
なお、ソース電極３、ドレイン電極４、下部電極９、及び接続配線１３の形成には、反転印刷の他にグラビア印刷またはグラビアオフセット印刷などを用いてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…基板、２…樹脂層、３…ソース電極、３Ａ…信号線、４…ドレイン電極、５…半導体層、６…第１のゲート絶縁層、７…第２のゲート絶縁層、８…ゲート電極、８Ａ…ゲート線、９…下部電極、９Ａ…下層部、１０…スルーホール導電膜、１０Ａ…スルーホール、１１…上部電極、１２…凹み、１３…接続配線、１４，１５…撥液層、１６…パターン、１７…アプリケータ、１８，１９，２０…導電インク、２１，２２…親撥パターン、１００…電子デバイス、１０１…薄膜トランジスタ、１０２…層間接続部。
Claims (15)
- 基板上に、ナノ粒子導電材料からなる下部電極、ソース電極、及びドレイン電極を備え、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に有機半導体層を備え、前記有機半導体層上にゲート絶縁層を介してゲート電極を備える電子デバイスの製造方法において、
前記有機半導体層上及び前記下部電極上に、前記ゲート絶縁層としての非感光性樹脂層を形成する工程と、
前記非感光性樹脂層上に、前記ゲート絶縁層としての感光性樹脂層を形成する工程と、
前記下部電極上の前記感光性樹脂層にスルーホールを形成する工程と、
を具備することを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 前記スルーホールを形成する工程は、前記感光性樹脂層を露光、現像、及び硬化する工程であることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記感光性樹脂層にスルーホールを形成する工程の後、
前記感光性樹脂層上及び前記非感光性樹脂層上に撥液層を形成する工程と、
前記撥液層をパターニングして前記ゲート電極及び上部電極が形成される領域の前記撥液層、及び前記スルーホール底部の前記非感光性樹脂層を前記撥液層と共に除去する工程と、
前記感光性樹脂層上、前記スルーホール内、及び撥液層上に導電インクを印刷することにより、前記ゲート電極を形成すると共に、前記下部電極上の前記感光性樹脂層上に前記上部電極を形成する工程と、
を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記下部電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極の形成は、
前記基板上の樹脂層上に撥液層を形成し、撥液層をパターニングする工程と、
前記撥液層をマスクに用いて前記樹脂層を親液化した後、前記樹脂層上に導電インクを印刷し、前記下部電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。 - 前記感光性樹脂層は、光が照射されると酸が発生する光酸発生剤を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記光酸発生剤は、トリアリールスルホニウム塩系、ナフタレンイミド系、チオキサントン誘導体、トリアジン、ニトロベンジルエステル、ジアゾメタン、オニウム塩のいずれかを含むことを特徴とする請求項５に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記撥液層は、フッ素を含むガスを放電分解して形成することを特徴とする請求項３または４に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記撥液層のパターニングは、レーザーアブレーションにより行うことを特徴とする請求項３または４に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記ナノ粒子導電材料は、Ａｇナノ粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電子デバイスの製造方法。
- 基板上に形成されたナノ粒子導電材料からなる、下部電極、ソース電極、及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成された有機半導体層と、
前記有機半導体層上及び前記下部電極上に形成された非感光性樹脂層と、前記非感光性樹脂層上に形成された感光性樹脂層とを含むゲート絶縁層と、
前記有機半導体層上の前記ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、
前記下部電極上の前記感光性樹脂層上に形成された上部電極と、
前記下部電極上の前記ゲート絶縁層内に形成され、前記下部電極と前記上部電極とを電気的に接続する導電膜と、
を具備することを特徴とする電子デバイス。 - 前記感光性樹脂層は、光が照射されると酸が発生する光酸発生剤を有することを特徴とする請求項１０に記載の電子デバイス。
- 前記光酸発生剤は、トリアリールスルホニウム塩系、ナフタレンイミド系、チオキサントン誘導体、トリアジン、ニトロベンジルエステル、ジアゾメタン、オニウム塩のいずれかを含むことを特徴とする請求項１１に記載の電子デバイス。
- 前記上部電極は、ナノ粒子導電材料を含むことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載の電子デバイス。
- 前記ナノ粒子導電材料は、Ａｇナノ粒子を含むことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の電子デバイス。
- 前記上部電極は、前記ゲート絶縁層上の撥液層をパターニングして前記ゲート絶縁層の表面に親撥パターンを形成し、前記親撥パターンに導電インクを塗布して形成された導電パターンであることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の電子デバイス。
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