JP2017034024A - 薄膜トランジスタシート - Google Patents

Abstract

【課題】層間絶縁膜を薄くしても良好なステップカバレッジ性が得られ、ゲートバスラインとソースバスライン間のリーク電流を低減した薄膜トランジスタを有する薄膜トランジスタシートを提供する。
【解決手段】絶縁基板上に少なくともゲート電極１１、ゲート絶縁層１２、ソース電極１３、ドレイン電極１４、ゲートバスライン１７、ソースバスライン１８を備えている薄膜トランジスタシート１６であって、ゲートバスライン１７を凹版インキング法を用いることにより、周縁部を盛り上げ、中央部をへこんだ形状にことにし、ゲートバスライン１７の、周縁部の最も高い部分から、ゲートバスライン１７の内側および外側に向って、テーパー形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機半導体を半導体層とした薄膜トランジスタを有する、薄膜トランジスタシートに関する。

現在、一般的な平面薄型画像表示装置は非晶質シリコンや多結晶シリコンを半導体層に用いた薄膜トランジスタのアクティブマトリックスにより駆動されている。

一方、近年、平面薄型画像表示装置のさらなる薄型化、軽量化、耐破損性の向上を求めて、ガラス基板の替わりに樹脂基板を用いる試みが近年なされている。

しかし、上述のシリコンを用いる薄膜トランジスタシートの製造は、比較的高温の熱工程を要し、一般的に耐熱性の低い樹脂基板上に直接形成することは困難である。

そこで、低温形成が可能な有機半導体を用いた薄膜トランジスタシートの開発が活発に行われている。

また、有機半導体は、印刷法によってパターニングが可能であるという長所を有し、有機半導体を用いた薄膜トランジスタシートは半導体層だけでなく、電極やゲート絶縁層やバスラインも印刷法によって形成可能な材料を選択することにより、薄膜トランジスタを有する薄膜トランジスタシートを構成する層を、全て印刷法により形成することも可能にできる利点がある。

印刷法を用いて製造した薄膜トランジスタシートの製造コストは、真空成膜・フォトリソグラフィーにより製造されるシリコン系薄膜を用いた薄膜トランジスタシートの製造コストより大幅な削減が期待される。

薄膜トランジスタの電極材料としては銀が用いられることが最も一般的である（非特許文献１、２）。

そして、平面薄型画像表示装置の高機能化には、薄膜トランジスタの性能をさらに向上させる必要があり、高機能化のため、駆動電圧を低減する一方で、さらにＯＮ電流を増加させるためには、ゲート絶縁膜の薄膜化が必要である。

図７および図８は、従来の薄膜トランジスタシートのゲートバスラインにおけるステップカバレージ性の問題点を示しており、ゲート絶縁膜の薄膜化により、ゲート絶縁膜と同層の層間絶縁膜も薄膜化するため、図７に示すように、ゲートバスラインの上面のエッジ（周縁端部）のステップカバレッジ性が悪くなり、ゲートバスラインとソースバスライン間のリーク電流増大の原因となる。

また、図８に示すように、ゲートバスラインとソースバスライン間のリーク電流増大の原因となる、ゲートバスライン１７上面の、周縁端部にリーク箇所２０が発生することがある。

ゲートバスラインとソースバスライン間のリーク電流増大の原因となる欠陥を抑制しなければ、ゲート絶縁膜の薄膜化は不可能であり、ひいては薄膜トランジスタのスイッチング特性が現れず、デバイスを動作させる上で所望の特性が得られないこととなる。

この問題解決のために、銀電極、特にゲートバスラインにテーパーを設けることは有効な方法であることが知られている。例えば、インクジェット法によりゲートバスラインを製造する技術が報告されている（特許文献１）。

しかしながら、インクジェット法を用いて、ゲートバスラインのテーパーを製造する場合、液滴の液だれ（以後、液滴だれ、と称する。）等の問題があり、所望のテーパー形状を製造することが難しいという欠点がある。

特開２００５−１８３８８９号公報

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｖｏｌ．１５ Ｎｏ．１３、４９７６（２００８） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９５、２５３３０２（２００９）

本発明は、上記問題点を鑑みて、全て印刷法を使用した製造工程にて、層間絶縁膜を薄くしても良好なステップカバレッジ性が得られ、ゲートバスラインとソースバスライン間のリーク電流を低減した薄膜トランジスタを有する薄膜トランジスタシートを提供することにある。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、絶縁基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、ゲートバスライン、ソースバスラインを備えている薄膜トランジスタシートであって、
前記ゲートバスラインの作製に凹版インキング法を用いることにより、周縁部を盛り上げ、中央部をへこんだ形状にし、ゲートバスラインの、周縁部の最も高い部分から、ゲートバスラインの内側および外側に向って、テーパー形成したことを特徴とする薄膜トランジスタシートである。

また、請求項２に記載の発明は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタシートである。

また、請求項３に記載の発明は、前記有機半導体層ゲートバスラインが、銀、銅、金のうち少なくとも一種類の超微粒子金属材料を含有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜トランジスタシートである。

また、請求項４に記載の発明は、前記有機半導体層ゲートバスラインを構成する主成分が銀であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタシートである。

また、請求項５に記載の発明は、前記絶縁基板上に設けられる、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体層ゲートバスライン、ソースバスラインが、印刷法により設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタシートである。

また、請求項６に記載の発明は、前記ゲートバスラインの内側および外側に向って形成されるテーパーが、凹版インキング法により形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタシートである。

本発明によれば、ゲートバスラインを凹版インキング法を用いることにより、周縁部を盛り上げ、中央部をへこんだ形状にし、ゲートバスラインの、周縁部の最も高い部分から、ゲートバスラインの内側および外側に向って、テーパーが形成できる。これにより全て印刷法を使用した製造工程で、ゲートバスラインとソースバスライン間で生じるリーク電流を低減することができ、安定したスイッチング特性を持つ薄膜トランジスタシートが得られる。

本発明の薄膜トランジスタシートの構成を示した断面概略図である。 本発明の薄膜トランジスタシートの構成を示した断面概略図である。 本発明の薄膜トランジスタシートの構成を示した断面概略図である。 本発明のートバスラインにテーパーを設け、特性が良好なＶｇs−Ｉｄs特性グラフである。 テーパーを設けず、特性が悪いＶｇs−Ｉｄs特性グラフである。 凹版インキング法の印刷方法を示した概念図である。 従来の薄膜トランジスタシートのゲートバスラインにおけるステップカバレージ性の問題点を模式的に示した概略図である。 従来の薄膜トランジスタシートのゲートバスラインにおけるステップカバレージ性の問題点を模式的に示した概略図である。

以下本発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。本発明は、ゲートバスラインに、液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパーを設け、その層は、ゲートバスラインに対するゲート絶縁膜のステップカバレッジ性を向上させ、ゲートバスライン-ソースバスライン間リークの原因となる欠陥を抑制し、ゲート絶縁膜のさらなる薄膜化が可能な層である。

本発明の薄膜トランジスタシートの形態は、図１、図２、図３に示すように、絶縁基板１０上に、ゲート電極１１と、ゲート電極１１上にゲート電極１１を覆うように形成されたゲート絶縁層１２と、ゲート絶縁層１２上のソース電極１３及びドレイン電極１４と、ソース電極１３及びドレイン電極１４に接続された有機半導体層１５とを備えた、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタ１６で、その周辺にゲートバスライン１７とソースバスライン１８を有する薄膜トランジスタシートである。

そしてゲートバスライン１７は、凹版インキング法により液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパー形成であり、そのテーパーの所望の形状は、凹版インキング法で用いる版の深さと幅で調整することができる。

ゲートバスラインに、凹版インキング法（後述）による液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパーを設け、ゲートバスラインに対する層間絶縁膜のステップカバレッジ性を向上させることで、ゲートバスライン-ソースバスライン間リーク電流の原因となるクラックなどの欠陥が抑制される。

それにより、層間絶縁膜と同層のゲート絶縁膜の薄膜化が可能になり、高いオン電流が得られる良好な特性のトランジスタシートを提供することが可能となる。

図６に示すように、凹版インキング法は、インクジェットヘッド１から吐出したインク２を、版胴５上に設けられた凹版４の溝８にインキング３を実施して、凹版４の溝８からコーヒーステイン形状パターン９を基材７に転写６する印刷方法である。凹版インキング法は、通常の印刷法に比べて、版洗浄を必要としないことから、インク等の材料利用効率が格段に向上する。

本発明の薄膜トランジスタシートを形成するための絶縁基板１０としてガラス基板または樹脂基板を用いることができ、樹脂基板の場合、例えば、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、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（ＰＥＳ）、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（ＰＥＮ）、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、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、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂等を使用することができる。これらの基板は単独で使用することもでき、二種以上を積層した複合基板を使用することもできる。

本発明の同層のゲート電極１１及びゲートバスライン１７は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの低抵抗金属材料のうち、少なくとも一種類の金属の超微粒子を含有するインクジェット用のインク２をインクジェット装置を用いて版銅５の凹部４の凹部（溝部８）にインキングしたものを基材７に印刷（凹版インキング法）し、焼成することにより形成することができる。金属の超微粒子は、出発材料としてこれらの金属材料の合金を使用して作製された超微粒子であっても良い。

上記の三種類の金属は、それらを合計した量が主成分として含有されていれば良く、また、その他の成分を含有しても良いが、とりわけ低抵抗なゲートバスラインを形成するためには、Ａｇを主成分としたインクジェット用インクを用いて形成することが好ましい。

また低抵抗であることと併せて、その他の特性を付加する場合には、ＡｇあるいはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕなどのいずれかまたはそれらを組合わせた材料に他の材料を添加しても良く、液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパー２１は、凹版インキング法により形成できる。

ここで言う液滴だれの無いコーヒーステイン形状とは、直方体状の印刷物の上面部の周縁端部が中央部に比べて緩やかに高く、ピーク高さを過ぎてから印刷物の中央部と端部の両側に向けて低く、印刷物の端部側には、基板表面に至る切り立った側面を形成する形状を指している（図２のゲートバスライン１７を参照）。

こうしてゲートバスライン１７の周縁部の最も高い部分から、ゲートバスライン１７の内側と外側に向って、テーパー２１が形成されている。テーパー２１の所望の形状は、凹版インキング法で用いる版の深さと幅で調整することができる。

またＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチフェン）等の導電性有機材料を用いることもできる。ゲートバスライン１７の膜厚として、０．０１μｍ以上１μｍ以下が好ましく、またコーヒーステイン形状の中央部（凹部）と端部（凸部）の膜厚の比として、９：１０程度が好ましい。

本発明の同層のゲート絶縁層１２及び層間絶縁膜１９としては、例えば、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、パリレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などの高分子溶液、アルミナやシリカゲル等の粒子を分散させた溶液、または酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、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、酸化ジルコニウム、酸化チタン等の無機材料の前駆体溶液を、スピンコート法やスリットダイコート法等を用いて塗布し、焼成することにより形成することができる。

本発明の同層のソース電極１３及びドレイン電極１４及びソースバスライン１８としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの低抵抗金属材料をインキ状、ペースト状にしたものを転写法で印刷し、焼成することにより形成することができ、特にＡｇをインキ状またはペースト状にしたものが、低抵抗および低コストという観点から好ましい。

本発明の有機半導体層１５の材料としては、ポリチオフェン、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、およびそれらの誘導体のような低分子有機半導体材料を用いることができる。

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層の材料として用いることができるが、これらに限定されるものでは無い。これらの有機半導体材料はトルエンなどの芳香族系の溶媒に溶解または分散させてインキ状の溶液または分散液として用いることができる。溶媒に適当な分散剤や安定剤等の添加剤を加えてもよい。

本発明の有機半導体層１５には金属イオンと結合する化合物を含有する。例えばベンゾトリアール系またはトリアジン系の化合物が挙げられる。

ベンゾトリアゾール系は、ベンゾトリアールが基本形であり、他にメタノールの付加物である１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メタノールや、トリアゾール側にアルキル基を付加したものや、ベンゼン側にアルキル基を付加したものが挙げられる。

トリアジンの基本骨格を持つものも有効であり、２、４−ジアミノ−６−ビニル−Ｓ−トリアジンが好適である。

有機半導体層１５の形成方法としては、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できる。一般に、上記の有機半導体に関しては、溶剤に対する溶解度が低いため、低粘度溶液の印刷に適したフレキソ印刷、転写印刷、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。

以下、本発明に係る薄膜トランジスタシートの具体的な実施例及び比較例について説明する。なお、本発明は各実施例に限るものでは無い。

＜実施例１＞
実施例１では図１、図２、図３に示すような薄膜トランジスタシートを作製した。絶縁基板１０となるポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム上に、凹版インキング法により、ナノ銀インキを用いて液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパー２１を設けた同層のゲート電極１１及びゲートバスライン１７を形成した。

テーパー２１の所望の形状は、凹版インキング法で用いる凹版の深さと幅で調整し、１８０℃で１時間ベーク後、膜厚２００ｎｍのゲート電極１１及びゲートバスライン１７を作製した。

次に、同層のゲート絶縁層１２及び層間絶縁膜１９となるポリビニルフェノールを、同層のゲート電極１１及びゲートバスライン１７を含む絶縁基板１０上にスピンコート法により成膜し、１８０℃で1時間ベーク後、膜厚１μｍの同層のゲート絶縁層１２及び層間絶縁膜１９を得た。

続いて、同層のゲート絶縁膜１２及ぶ層間絶縁膜１９上に、同層のソース電極１３及びドレイン電極１４、ソースバスライン１８としてナノ銀インキを転写法を用いて形成した。１８０℃で１時間ベーク後、膜厚２００ｎｍの同層のソース電極１３及びドレイン電極１４、ソースバスライン１８を得た。

さらにソース電極１３及びドレイン電極１４上にペンタフルオロチオフェノールをイソプロピルアルコールで１重量％に希釈した溶液に３０分浸漬させ、自己組織化単分子膜を形成した。

最後に有機半導体材料である６，１３−ビス（トリイソプロピルシリルエチニル）ペンタセンをテトラリンで２重量％になるように溶解させた溶液に、ベンゾトリアゾール系化合物を半導体材料（固形分）と重量比１．５：１として添加し、凸版印刷法を用いて、ソース電極１３及びドレイン電極１４上の一部を覆うようにしてソース・ドレイン電極間に印刷し、１００℃で６０分乾燥させて、膜厚５０ｎｍの有機半導体層１５を形成した。

作製したトランジスタのチャネル長は２０μｍ、チャネル幅は１８０μｍである。

ゲートバスラインに液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパーを設けることにより想定されるオン電流が変化する。図４にゲートバスラインに液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパーを設けたＴＦＴを作製した場合のトランジスタのゲート電圧Ｖｇsとソース・ドレイン電流Ｉｄsの特性を示す。ゲート電圧は−４０Ｖから＋２０Ｖ、ソース・ドレイン電圧−１５Ｖで測定を行っている。

＜比較例１＞
テーパーを設けない以外は、実施例１と同じ条件で薄膜トランジスタシートを作製した。テーパーを設けない同層のゲート電極１１及びゲートバスライン１７は、絶縁基板１０となるポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム上に、転写法により、ナノ銀インキを用いて形成した。図５に、トランジスタのゲート電圧Ｖｇsとソース・ドレイン電流Ｉｄsの特性を示す。

実施例１では、電圧の上りが良く、オン電流も高い良好な特性を示した。これは、ゲートバスラインに対するゲート絶縁膜と同層の層間絶縁膜のステップカバレッジ性が向上し、ゲートバスラインとソースバスライン間のリーク電流増大の原因となる欠陥が抑制され、ゲート絶縁膜のさらなる薄膜化が可能になったことを示している。

比較例１は、オン電流が得られなかった。

絶縁基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極及びドレイン電極、有機半導体層、ゲートバスライン、ソースバスライン、層間絶縁膜を有する薄膜トランジスタシートであって、該ゲート電極及ぶ該ゲートバスラインは少なくとも一種以上の金属から構成される。

ゲートバスラインの作製に、凹版インキング法を用いることにより、周縁部を盛り上げ
、中央部をへこんだ形状にし、ゲート電極およびゲートバスラインのエッジが液滴だれの無いコーヒーステイン形状のテーパーになることで、ゲートバスラインに対する層間絶縁膜のステップカバレッジ性が良くなり、ゲート絶縁膜の薄膜化が可能になる。

本発明により、高いオン電流が得られる良好な特性の薄膜トランジスタシートを提供することができる。このような薄膜トランジスタシートは、フレキシブル電子ペーパー、圧力センサ等のスイッチング素子として利用できる。

１・・・インクジェットヘッド
２・・・インク
３・・・インキング
４・・・凹版
５・・・版胴
６・・・転写
７・・・基材
８・・・溝
９・・・コーヒーステイン形状パターン
１０・・・絶縁基板
１１・・・ゲート電極
１２・・・ゲート絶縁層
１３・・・ソース電極
１４・・・ドレイン電極
１５・・・有機半導体層
１６・・・薄膜トランジスタ
１７・・・ゲートバスライン
１８・・・ソースバスライン
１９・・・層間絶縁膜
２０・・・想定されるリーク箇所
２１・・・テーパー

Claims (6)

1. 絶縁基板上に少なくともゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、ゲートバスライン、ソースバスラインを備えている薄膜トランジスタシートであって、
   前記ゲートバスラインを凹版インキング法を用いることにより、周縁部を盛り上げ、中央部をへこんだ形状にし、ゲートバスラインの、周縁部の最も高い部分から、ゲートバスラインの内側および外側に向って、テーパー形成したことを特徴とする薄膜トランジスタシート。
2. ボトムゲート・ボトムコンタクト型であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタシート。
3. 前記有機半導体層ゲートバスラインが、銀、銅、金のうち少なくとも一種類の超微粒子金属材料を含有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜トランジスタシート。
4. 前記有機半導体層ゲートバスラインを構成する主成分が銀であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタシート。
5. 前記絶縁基板上に設けられる、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体層ゲートバスライン、ソースバスラインが、印刷法により設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタシート。
6. 前記ゲートバスラインの内側および外側に向って形成されるテーパーが、凹版インキング法により形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタシート。