JP2015197633A

JP2015197633A - 薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法

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Publication number: JP2015197633A
Application number: JP2014076280A
Authority: JP
Inventors: 亮平松原; Ryohei Matsubara
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-11-09

Abstract

【課題】光が照射された場合においても良好なトランジスタ特性を有する薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法を提供する。【解決手段】薄膜トランジスタアレイは、基板と、基板上に少なくともゲート電極と、ゲート絶縁膜と、ソース・ドレイン電極と、ソース・ドレイン電極間に形成された半導体層と、層間絶縁膜と、上部画素電極とを有する複数の薄膜トランジスタと、ゲート電極が接続されるゲート配線と、ソース電極が接続されるソース配線とを備え、隣り合う上部画素電極どうしは絶縁性を有する上部画素電極間絶縁層を挟んで重なり合うことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法に関する。

情報技術の目覚しい発展により、現在ではノート型パソコンや携帯情報端末などでの情報の送受信が頻繁に行われている。近い将来、場所を選ばずに情報をやり取りできるユビキタス社会が来るであろうことは周知の事実である。そのような社会においては、より軽量、薄型の情報端末が望まれる。

現在半導体材料の主流はシリコン系であり、製造方法としてはフォトリソグラフィーを用いたものが一般的である。

近年、印刷技術を用いて電子部材を製造するプリンタブルエレクトロニクスが注目されている。印刷技術を用いることで、フォトリソグラフィーよりも装置や製造コストが下がり、真空や高温を必要としないことからプラスチック基板が利用できるなどのメリットが挙げられる。また、印刷法は材料利用効率が高いこと、現像やエッチング工程を用いないために廃液が少ないなどの特長を有し、環境負荷が少ないプロセスであると言える。

しかしながら、印刷法はフォトリソグラフィーと比較してパターン精細度やアライメント精度が低いことが多い。特に数マイクロメートル以上の厚膜を必要とする場合にはスクリーン印刷が用いられることが多いが、ペーストの流動性などの観点から高精細パターンの形成は困難であった。

薄膜トランジスタにおいては、光の照射により半導体特性が変化することが知られているため、遮光層を設ける必要があると考えられているが、印刷法により遮光層を形成する場合において高精細パターンが形成できない場合や高いアライメント精度が実現できない場合には、遮光性が不十分となり薄膜トランジスタが正常に動作しないことが懸念される。

スクリーン印刷よりも解像性が高い印刷方法として、グラビアオフセット印刷が挙げられる（例えば特許文献１）。グラビアオフセット印刷の場合、シリコーンブランケットを介してパターン形成されるが、ペーストが凹版からシリコーンブランケット上に転移された際に溶媒がブランケットに吸収されることで流動性が低下するため、解像性が向上する。

しかしながら、上部画素電極パターンのようなパターン形成領域が非形成領域に比べて広くなる場合には、シリコーンブランケットに吸収される溶媒量も増加し、流動性が低下するまでの時間が変化することや、シリコーンブランケットの膨潤によるアライメント精度の低下を引き起こす。

特開２０１１−３７９９９号公報

本発明は、印刷法により上部画素電極を形成した場合においても、光の照射による異常動作を引き起こさない薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法を提供する。

上記課題を解決する本発明の一局面は、基板と、基板上に少なくともゲート電極と、ゲート絶縁膜と、ソース・ドレイン電極と、ソース・ドレイン電極間に形成された半導体層と、層間絶縁膜と、上部画素電極とを有する複数の薄膜トランジスタと、ゲート電極が接続されるゲート配線と、ソース電極が接続されるソース配線とを備え、隣り合う上部画素電極どうしは絶縁性を有する上部画素電極間絶縁層を挟んで重なり合う薄膜トランジスタアレイである。

また、上部画素電極の光学濃度が、波長３００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域において、膜厚１μｍあたり０．２以上であってもよい。

また、上部画素電極の膜厚が５μｍ以上であってもよい。

また、薄膜トランジスタアレイを平面視した場合の隣り合う上部画素電極の重なり合う幅が５μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。

また、上部画素電極間絶縁層の膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。

また、本発明の他の局面は、上述の薄膜トランジスタの製造方法であって、上部画素電極をスクリーン印刷法により形成する工程を含む、薄膜トランジスタの製造方法である。

また、本発明の他の局面は、上述の薄膜トランジスタの製造方法であって、上部画素電極間絶縁層をスクリーン印刷法により形成する工程を含む、薄膜トランジスタの製造方法である。

以上説明したように、本発明によれば、隣り合う上部画素電極が上部画素電極間絶縁層を挟んで重なり合うことにより、上部画素電極間からの光の透過が抑制され、薄膜トランジスタ部に到達する光が緩和されるので、安定した薄膜トランジスタの動作が可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る薄膜トランジスタアレイの概略模式図図１の１画素分の拡大図図２のａ−ｂ線に沿った断面模式図比較例１の実施形態に係る薄膜トランジスタアレイの概略模式図図４の１画素分の拡大図図３のｃ−ｄ線に沿った断面模式図

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について、図１〜３を用いて説明する。
図１は薄膜トランジスタアレイ１０００の概略模式図であり、図２は図１の１画素分の拡大図であり、図３は図２のａ−ｂ線に沿った断面模式図である。

図１〜３に示すように、薄膜トランジスタアレイ１０００は、基板１０と、基板１０上に少なくともゲート電極２１と、ゲート絶縁膜１１と、ソース電極２７と、ドレイン電極２６と、ソース電極２７とドレイン電極２６の間に形成された半導体層１２と、層間絶縁膜１４と、上部画素電極２９とを有する複数の薄膜トランジスタと、ゲート電極２１に接続されるゲート配線２２と、ソース電極２７に接続されるソース配線２８とを備え、上部画素電極２９と隣り合う上部画素電極３０は絶縁性を有する上部画素電極間絶縁層１５を挟んで重なり合うように形成されている。図１には隣り合う上部画素電極が重なる領域を斜線のハッチングで示す。

尚、本実施形態では、更に、封止層１３と、ビア部１６と、キャパシタ電極２３と、キャパシタ配線２４と、画素電極２５が設けられているが、これらの構成は必要に応じて設ければよい。
以下、薄膜トランジスタアレイ１０００の各構成要素について順に説明する。

絶縁性の基板１０は、フレキシブルな基板を用いることが望ましい。一般的に用いられる材料として、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネートなどのプラスチック材料が挙げられる。石英、ガラス基板やシリコンウェハなども絶縁性の基板として用いることは可能であるが、薄型化、軽量化、フレキシブル化を考慮するとプラスチック基板が好ましい。また、各製造プロセスに用いられる温度などを考慮すると、基板としてＰＥＮやポリイミドなどを用いることが望ましい。

ゲート電極２１、ソース電極２７、ドレイン電極２６、ゲート配線２２およびソース配線２８の材料として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般的に用いられる材料には金、白金、ニッケルなどの金属の薄膜、および、インジウム錫酸化物などの酸化物の薄膜、および、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）、ポリアニリンなどの導電性高分子、および、金、銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液、および、銀などの金属粒子を導電材料として用いた厚膜ペーストなどがある。

また、ゲート電極２１、ソース電極２７、ドレイン電極２６、ゲート配線２２およびソース配線２８の形成方法としては特に限定されるものではなく、蒸着やスパッタなどの乾式成膜法であってもよい。しかしながら、フレキシブル化、低コスト化などを考慮するとスクリーン印刷、反転オフセット印刷、凸版印刷、インクジェット法などの湿式成膜法により形成することが望ましい。

上部画素電極２９の材料については、薄膜トランジスタ部を遮光する必要性があることから、遮光性を有する材料であることが望ましく、遮光性の指標としては光学濃度（ＯＤ値）が波長３００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域において膜厚１μｍあたり０．２以上であることが望ましい。なお、ＯＤ値は顕微分光器（大塚電子製ＭＣＰＤ２０００）を用いて測定を行い、下記の関係式（式１）より求めることができる。
ＯＤ値＝ｌｏｇ_１０（Ｉ０／Ｉ）（式１）
ここで、Ｉ０；入射光強度、Ｉ；透過光強度である。

上部画素電極２９の形成方法としては特に限定されるものではないが、フレキシブル化、低コスト化などを考慮するとスクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、反転オフセット印刷、凸版印刷、インクジェット法などの湿式成膜法により形成することが好ましく、ビア埋めなどを考慮すると、厚膜の上部画素電極２９を形成できるスクリーン印刷やグラビアオフセット印刷が好適である。

また、上部画素電極２９の膜厚は５μｍ以上であることが好ましい。上部画素電極２９の膜厚が厚い方が光の透過は抑制され、上述のように光学濃度が０．２であった場合でもトランジスタ部に到達する光は１０％に抑制される。

ゲート絶縁膜１１として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般的に用いられる材料にはポリビニルフェノール、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、エポキシ樹脂などの樹脂、並びにアルミナやシリカゲルなどの粒子を分散させた無機化合物などがある。また、ＰＥＴやＰＥＮ、ＰＥＳなどの薄膜フィルムをゲート絶縁膜１１として用いてもよい。

ゲート絶縁膜１１の形成方法としては特に限定されるものではなく、蒸着やスパッタなどの乾式成膜法であってもよい。しかしながら、フレキシブル化、低コスト化などを考慮するとスクリーン印刷、反転オフセット印刷、凸版印刷、およびインクジェット法などの湿式成膜法により形成することが望ましい。

半導体層１２として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料にはアモルファスシリコンなどのシリコン系半導体材料、ＩｎＧａＺｎＯなどの酸化物半導体材料、ポリチオフェン、ポリアリルアミン、フルオレンビチオフェン共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子系有機半導体材料、およびペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、ペリレン、およびそれらの誘導体のような低分子系有機半導体材料などが挙げられる。しかしながら、低コスト化、フレキシブル化、大面積化を考慮すると印刷法が適用できる有機半導体材料を用いることが望ましい。また、カーボンナノチューブあるいはフラーレンなどの炭素化合物や半導体ナノ粒子分散液なども半導体材料として用いてもよい。

半導体層１２を形成する印刷方法としては、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷およびインクジェット法など、公知の方法を用いることが出来る。一般的に、上記の有機半導体材料は、溶媒に対する溶解度が低いため、低粘度溶液の印刷に適した凸版印刷、反転オフセット印刷、インクジェット法、ディスペンサを用いることが望ましい。特に凸版印刷は、印刷時間が短くインク使用量が少ないので最も好ましく、且つストライプの形状の印刷に適している。半導体層をストライプ形状とすることで、アニロックスの凹凸による膜厚のばらつきの分布がストライプ形状内では平均化されて半導体層の膜厚が一定となり、ＴＦＴ特性を均一化できる。

層間絶縁膜１４として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料にはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、有機・無機ハイブリッド樹脂などが挙げられる。また、形成方法としてはスクリーン印刷やグラビア印刷、グラビアオフセット印刷などの各種印刷方法のほか、フォトリソグラフィーによる形成方法も挙げられるが、低コスト化や大面積化の観点から印刷方法の方が好ましく、比較的厚膜で微細なパターンを形成可能なグラビアオフセット印刷法が最も好適である。

上部画素電極間絶縁層１５として用いられる材料は、絶縁性を有しているものであれば特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料にはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、有機・無機ハイブリッド樹脂などが挙げられる。また、形成方法としてはスクリーン印刷やグラビア印刷、グラビアオフセット印刷などの各種印刷方法のほか、フォトリソグラフィーによる形成方法も挙げられるが、低コスト化や大面積化の観点から印刷方法の方が好ましく、比較的厚膜でパターン形成可能なスクリーン印刷が最も好適である。

また、上部画素電極間絶縁層１５の膜厚は１μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。膜厚が１μｍ未満の場合は、隣り合う上部画素電極２９、３０と間に形成されるキャパシタの容量が大きくなるため、例えば薄膜トランジスタアレイを用いてディスプレイを駆動する場合においてクロストークが生じ、表示不良を引き起こすことが懸念される。また、２０μｍを超える厚膜になると上部画素電極を上部画素電極間絶縁層１５の上方に形成する際にパターン不良を引き起こすことが懸念される。

また、上部画素電極間絶縁層１５は遮光性を有していても良い。上部画素電極間絶縁層１５の膜厚を厚くすること等によって遮光性を付与することができる。上部画素電極間絶縁層１５が遮光性を有する場合、上部画素電極間絶縁層１５からの光の透過を抑制することができる。

また、上部画素電極２９は薄膜トランジスタアレイ１０００の外周部で薄膜トランジスタが形成されていない領域にダミーパターンを設けても良いが、その場合にはダミー領域の隣り合う上部画素電極２９、３０が上部画素電極間絶縁層１５を挟んで重なり合っていてもいなくても良い。また、各上部画素電極および上部画素電極間絶縁層の形成パターンは、隣り合う上部画素電極が絶縁できれば、限定されない。

また、薄膜トランジスタアレイ１０００を平面視した場合の隣り合う上部画素電極２９、３０の重なり合う幅は５μｍ以上５０μｍ以下とし、上部画素電極間絶縁層１５をこの幅以上とすることが望ましい。５μｍ未満であると、特に印刷法により上部画素電極２９、３０および上部画素電極間絶縁層１５を形成する際に位置合わせずれなどにより隣り合う上部画素電極間２９、３０でショートする懸念がある。また、５０μｍを超えると上述のように隣り合う上部画素電極２９、３０間に形成されるキャパシタの容量が大きくなるため、例えば薄膜トランジスタアレイを用いてディスプレイを駆動する場合においてクロストークが生じ、表示不良を引き起こすことが懸念される。

尚、薄膜トランジスタアレイ１０００には、必要に応じて封止層やガスバリア層、平坦化膜などを形成してもよい。特に半導体層１２として有機半導体材料を用いる場合には、層間絶縁膜１４の材料によっては半導体層１２が溶剤などによりダメージを受けることがあるため、図３に示すように封止層１３を設けることが好ましい。

また、薄膜トランジスタアレイ１０００において、ソース・ドレインの呼称は便宜上のものであり、逆に呼んでもよい。本実施形態においては、ソース配線２８に接続された電極をソース電極２７とし、画素電極２５に接続された電極をドレイン電極２６と呼んでいる。

本実施形態において、薄膜トランジスタの構造は特に限定されるものではなく、トップゲート型、ボトムゲート型などの構造が挙げられる。

（実施例１）
本実施例では、第１の実施形態で説明したボトムゲート・ボトムコンタクト型薄膜トランジスタアレイ１０００を製造した。
基板１０としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムを用いた。銀ナノ粒子を分散させたインキを用い、インクジェット法でゲート電極２１、ゲート配線２２、キャパシタ電極２３、キャパシタ配線２４を形成した。ゲート絶縁膜として、ポリイミドをダイコーターにより塗布し、１８０℃で１時間乾燥させてゲート絶縁膜１１を形成した。

次に、銀ナノ粒子を分散させたインキを用い、インクジェット法でソース電極２７、ドレイン電極２６およびソース配線２８、画素電極２５を形成した。
半導体材料として、６，１３−ビス（トリイソプロピルシリルエチニル）ペンタセン（ＴＩＰＳ−ペンタセン）（Ａｌｄｒｉｃｈ製）を用いた。テトラリンに２重量％で溶解させたものをインキとして用いた。また、凸版として感光性樹脂凸版を用いて、１５０線のアニロックスロールを用いて凸版印刷によりストライプ形状の半導体を印刷し、１００℃で６０分乾燥させて半導体層１２を形成した。

次に、封止材料としてサイトップ（登録商標）（旭硝子製）を用い、スクリーン印刷により印刷、１００℃で９０分乾燥させて封止層１３とした。

次に、層間絶縁材料としてエポキシ樹脂をダイコーターにより塗布し、露光、現像により層間絶縁膜１４およびビア部１６を形成した。

次に、上部画素電極材料として銀ペーストを用い、スクリーン印刷法により上部画素電極２９を１０μｍの膜厚で形成した。このとき、上部画素電極２９の光学濃度（ＯＤ値）は波長３００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域において膜厚１μｍあたり１であった。

次に、上部画素電極間絶縁材料としてアクリル樹脂を用い、スクリーン印刷法により上部画素電極間絶縁層３０を１０μｍの膜厚で形成した。

上述の上部画素電極形成と上部画素電極間絶縁層形成を繰り返すことにより、薄膜トランジスタアレイ１０００を形成した。このとき、薄膜トランジスタアレイ１０００を平面視した場合の隣り合う上部画素電極の重なり合う幅は２５μｍであった。

薄膜トランジスタアレイ１０００にソーラーシミュレーターを用いて１ＳＵＮの光を照射しながらトランジスタ特性を測定した結果、閾値電圧の変化やＯｎ・Ｏｆｆ電流の増加などの異常動作は確認されなかった。

（実施例２）
本実施例では、上部画素電極間絶縁層１５に遮光性を有する絶縁材料を用い、上部画素電極間絶縁層の膜厚が２０μｍであった以外は実施例１と同様である。

上部画素電極間絶縁材料としてカーボンブラックを含有したノボラック樹脂を用い、スクリーン印刷法により上部画素電極間絶縁層１５を２０μｍの膜厚で形成した。

（比較例１）
図４は、本比較例に係る薄膜トランジスタアレイ２０００の概略模式図、図５は図４の１画素分の拡大図であり、図６は図５のｃ−ｄ線に沿った断面模式図である。本比較例は、上部画素電極間絶縁層１５を用いず、且つ隣り合う上部画素電極２９が所定の間隔を隔てて離間している以外は実施例１と同様である。

本比較例に係る薄膜トランジスタアレイ２０００にソーラーシミュレーターを用いて１ＳＵＮの光を照射しながらトランジスタ特性を測定した結果、閾値電圧は光を照射しない場合と比較してプラス側に１０Ｖシフト、Ｏｎ電流は２倍に増加、Ｏｆｆ電流は１０倍に増加し、異常動作を示した。

（比較例２）
本比較例に係る薄膜トランジスタアレイは、上部画素電極の光学濃度が、波長３００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域において、膜厚１μｍあたり０．１で、上部画素電極の膜厚が５μｍである以外は実施例１と同様である。

本比較例に係る薄膜トランジスタアレイにソーラーシミュレーターを用いて１ＳＵＮの光を照射しながらトランジスタ特性を測定した結果、閾値電圧は光を照射しない場合と比較してプラス側に４Ｖシフト、Ｏｎ電流は１．５倍に増加、Ｏｆｆ電流は５倍に増加し、異常動作を示した。

（比較例３）
本比較例に係る薄膜トランジスタアレイは、上部画素電極の光学濃度が、波長３００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域において、膜厚１μｍあたり０．２で、上部画素電極の膜厚が２μｍである以外は実施例１と同様である。

（比較例４）
本比較例に係る薄膜トランジスタアレイは、隣り合う上部画素電極の重なり合う幅が３μｍである以外は実施例１と同様である。

本比較例に係る薄膜トランジスタアレイを用いて反射型ポリマーネットワーク液晶ディスプレイを駆動した結果、一部で隣り合う画素間のショートに起因した表示不良が確認された。

（比較例５）
本比較例に係る薄膜トランジスタアレイは、隣り合う上部画素電極の重なり合う幅が８０μｍである以外は実施例１と同様である。

本比較例に係る薄膜トランジスタアレイを用いて反射型ポリマーネットワーク液晶ディスプレイを駆動した結果、一部でクロストークによる表示不良が確認された。

（比較例６）
本比較例に係る薄膜トランジスタアレイは、上部画素電極間絶縁層の膜厚が０．５μｍである以外は実施例１と同様である。

（比較例７）
本比較例に係る薄膜トランジスタアレイは、上部画素電極間絶縁層の膜厚が４０μｍである以外は実施例１と同様である。

隣り合う上部画素電極を上部画素電極間絶縁層の上方に形成する際にパターン不良が確認された。

以上の結果から、本発明に係る薄膜トランジスタアレイの安定した動作が確認できた。

本発明の薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法は、例えば、ディスプレイ関連の技術分野に効果的に適用可能である。特に、フレキシブルディスプレイの分野に有用である。

１０基板
１１ゲート絶縁膜
１２半導体層
１３封止層
１４層間絶縁膜
１５上部画素電極間絶縁層
１６ビア部
２１ゲート電極
２２ゲート配線
２３キャパシタ電極
２４キャパシタ配線
２５画素電極
２６ドレイン電極
２７ソース電極
２８ソース配線
２９上部画素電極
３０隣接上部画素電極
１０００、２０００薄膜トランジスタアレイ

Claims

基板と、前記基板上に少なくともゲート電極と、ゲート絶縁膜と、ソース・ドレイン電極と、前記ソース・ドレイン電極間に形成された半導体層と、層間絶縁膜と、上部画素電極とを有する複数の薄膜トランジスタと、前記ゲート電極が接続されるゲート配線と、前記ソース電極が接続されるソース配線とを備え、隣り合う上部画素電極どうしは絶縁性を有する上部画素電極間絶縁層を挟んで重なり合う、薄膜トランジスタアレイ。
前記上部画素電極の光学濃度が、波長３００ｎｍから１０００ｎｍの波長領域において、膜厚１μｍあたり０．２以上である、請求項１に記載の薄膜トランジスタアレイ。
前記上部画素電極の膜厚が５μｍ以上である、請求項１または２に記載の薄膜トランジスタアレイ。
前記薄膜トランジスタアレイを平面視した場合の前記隣り合う上部画素電極の重なり合う幅が５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１乃至３の何れかに記載の薄膜トランジスタアレイ。
前記上部画素電極間絶縁層の膜厚が１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１乃至４の何れかに記載の薄膜トランジスタアレイ。
請求項１乃至５の何れかに記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記上部画素電極をスクリーン印刷法により形成する工程を含む、薄膜トランジスタの製造方法。
請求項１乃至５の何れかに記載の薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記上部画素電極間絶縁層をスクリーン印刷法により形成する工程を含む、薄膜トランジスタの製造方法。