JP4085420B2

JP4085420B2 - Field effect semiconductor device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4085420B2
Application number: JP2002192778A
Authority: JP
Inventors: 真野田; 正雄小田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004039763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界効果トランジスタとして好適な電界効果半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、多くの電子機器に用いられているＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型を含む絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、例えば、Ｓｉ基板にチャネル層を設け、この上にゲート絶縁層としてのＳｉＯ₂層を介して例えばＡｕ／Ｔｉゲート電極等が配置される構成となっている。
【０００３】
こうした電界効果トランジスタは、基板面方向に沿ってチャネルが存在する横型トランジスタが主流を占めているが、基板の縦方向にチャネルが存在する縦型トランジスタも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フレキシブルディスプレイの実現が望まれる今日において、フレキシブルディスプレイにおけるスイッチング素子又は駆動回路を構成するトランジスタのフレキシブル化が望まれているが、この要求を十二分に満たすデバイスは未だ見い出されていない。また、半導体製造工程で使用されるリソグラフィ装置等の高価な装置の使用を極力少なくし、低コストの製造工程を実現する必要が生じている。
【０００５】
そして、これらの要求と同時に、映像デバイスに組み込まれることから、トランジスタの高速動作（即ち、映像信号を随時必要なデータに変換し、さらにＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作を高速で行えるトランジスタ性能）の実現が必要とされている。
【０００６】
特開平８−２２８０３４、特開平１０−２７０７１２、特開２０００−２６９５１５、特開２０００−３０７１７２、特開２００２−９２９０等の各公報には、有機材料でチャネル領域を形成したＭＯＳ型電界効果トランジスタが示されている。
【０００７】
しかしながら、これらはいずれも、トランジスタの主要構成部分のうち例えばソース電極、ドレイン電極やゲート絶縁膜などは金属、金属酸化物等の無機物で形成されているために、デバイスのフレキシビリティ（フレキシブル性）に欠けており、また無機物層の加工にフォトリソグラフィ装置が必要であって低コスト化が困難である。しかも、トランジスタは横型であるために、加工プロセス上、チャネル長を短かくすることが難しく、映像信号のデータ変換やスイッチング動作の高速化に限界がある。
【０００８】
本発明の目的は、デバイスのフレキシブル性の向上と共に、その製造コストの低減、更には高速動作も実現することができるＭＯＳ型電界効果トランジスタ等の電界効果半導体装置、及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、支持体上に絶縁体層が所定パターンに形成され、この絶縁体層を除く前記支持体上に導電性有機材料からなるソース電極又はドレイン電極が形成され、前記絶縁体層上に第２の絶縁体層が積層されると共に、この第２の絶縁体層と同一材料からなる絶縁体層が前記ソース電極又はドレイン電極上にゲート電極パターンに形成され、このゲート電極パターンの絶縁体層上に導電性有機材料からなるゲート電極が形成され、このゲート電極を覆うように絶縁性有機材料からなるゲート絶縁膜が形成され、このゲート絶縁膜で覆われた前記ゲート電極を埋設するように半導電性有機材料からなる半導体層が形成され、この半導体層上から前記第２の絶縁体層上にかけて導電性有機材料からなるドレイン電極又はソース電極が形成されていることを特徴とする電界効果半導体装置に係るものである。
【００１０】
本発明はまた、本発明の電界効果半導体装置の製造方法として、
支持体上に親水性領域と疎水性領域とを形成するために、これらのいずれかの領域をなす絶縁体層を前記支持体上に所定パターンに形成する工程と、
導電性有機材料、特に溶媒に溶かした溶液を塗布して、前記絶縁体層を除く前記支持体上にソース電極又はドレイン電極を形成する工程と、
前記絶縁体層上に第２の絶縁体層を積層すると共に、この第２の絶縁体層と同一材料からなる絶縁体層を前記ソース電極又は前記ドレイン電極上にゲート電極パターンに形成する工程と、
導電性有機材料、特に溶媒に溶かした溶液を塗布して、前記ゲート電極パターンの絶縁体層上にゲート電極を形成する工程と、
絶縁性有機材料、特に溶媒に溶かした溶液を塗布して、前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
半導電性有機材料、特に溶媒に溶かした溶液を塗布して、前記ゲート絶縁膜で覆われた前記ゲート電極を埋設する半導体層を形成する工程と、
導電性有機材料、特に溶媒に溶かした溶液を塗布して、前記半導体層上から前記第２の絶縁体層上にかけてドレイン電極又はソース電極を形成する工程と
を有する、電界効果半導体装置の製造方法も提供するものである。
【００１１】
ここで、上記の「塗布」とは、スピンコートやインクジェット等による場合だけでなく、印刷による有機材料の付着も含む概念である。
【００１２】
本発明の電界効果半導体装置及びその製造方法によれば、少なくともソース電極、半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極及びドレイン電極がそれぞれ有機物からなる積層構造をなしているので、デバイスの主たる構成部分のすべてが有機材料で構成され、デバイスのフレキシブル性を向上させることができ、フレキシブルディスプレイ等におけるスイッチング素子や駆動回路を構成する上で有利である。
【００１３】
そして、有機材料を用いることから、デバイスの製造工程において、チャネル形成時にフォトリソプロセスは不要であり、チャネルも含めて電極や半導体層をスピンコートやインクジェットなどによる溶液の直接塗布によって形成することができ、低コスト化を図ることができる。
【００１４】
しかも、上記の積層構造によって、半導体層の膜厚によりチャネル長を制御することができる縦型構造となるため、フォトリソグラフィーでは不可能な短チャネルの形成が可能となり、スイッチング動作等の高速化も実現することができる。
更に、ソース又はドレイン電極の側方に形成された絶縁体層上に第２の絶縁体層が積層されているので、この第２の絶縁体層の厚み分によって半導体層上から延びるドレイン又はソース電極をより平坦化することができ、その段切れを防止して段差被覆性を向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の電界効果半導体装置及びその製造方法においては、前記ソース電極と前記ドレイン電極と前記ゲート電極とがそれぞれ導電性を示す有機材料からなり、前記半導体層が半導電性を示す有機材料からなり、前記絶縁体が絶縁性を示す有機材料からなるが、更に、支持体も有機物からなり、全体がフレキシブルに形成されているのが望ましい。
【００１６】
また、前記ソース電極又は前記ドレイン電極と前記半導体層（或いはゲート電極）との間に、半導電性を示す有機材料からなる第２の半導体層が、有機材料を溶媒に溶かした溶液の塗布によって形成されているのがよい。この第２の半導体層は省略してもよいが、形成するときには、この半導体層によって上下のソース電極−ドレイン電極間の接触（短絡）を防止し易くなる。
【００１７】
本発明の電界効果半導体装置は、特に縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成され、例えば前記ゲート電極が複数に分割され、マルチチャネルタイプで動作可能であってよい。
【００１８】
本発明の製造方法では、前記支持体を親水性の有機材料で形成し、この上に疎水性の有機材料層を所定パターンに形成して前記疎水性領域としての前記絶縁体層となした後、この疎水性領域が存在しない前記支持体の親水性表面に、導電性有機材料を溶媒に溶かした溶液を塗布して前記ソース電極又は前記ドレイン電極を形成し、次いでこの電極上に、絶縁性有機材料を溶媒に溶かした溶液を塗布して前記絶縁体層上に前記第２の絶縁体層を積層すると共に前記ソース電極又はドレイン電極上にゲート電極パターンの絶縁体層を形成し、このゲート電極パターンの絶縁体層上に、導電性有機材料を溶媒に溶かした溶液を塗布して前記ゲート電極を形成した後、このゲート電極を覆うように、絶縁性有機材料を溶媒に溶かした溶液を塗布して前記ゲート絶縁膜を形成し、このゲート絶縁膜で覆われた前記ゲート電極を埋設するように、半導電性有機材料を溶媒に溶かした溶液を塗布して前記半導体層を形成し、更に導電性有機材料を溶媒に溶かした溶液を塗布して前記ドレイン電極又は前記ソース電極を形成するのがよい。
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態による絶縁ゲート型電界効果トランジスタをその製造プロセスに沿って図面参照下に説明する（以下の各図では、断面図と共にその平面図も併せて示す）。但し、本発明は、以下に示す例に限定されるものではない。
【００２０】
まず、図２（ａ）に示すように、電界効果トランジスタを形成する領域と形成しない領域とを形成するために、基板１上に親水性領域２Ａと疎水性領域２Ｂとを形成する。例えば、ポリエチレングリコールを主成分とする親水性に優れたバイオコンタクトＮ（日清紡績（株）製）からなる基板１上に感光性ポリイミドをスピンコート、インクジェット等により塗布した後、必要あれば露光及び現像を行い、所定パターンの疎水性ポリイミド層３を形成する。この時、ポリイミド層３で形成されている領域２Ｂは疎水性であり、それ以外の基板１が表面に出ている領域２Ａは親水性であるため、基板上に所望のパターンで親水性領域２Ａと疎水性領域２Ｂとを形成することができる。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、導電性を示す親水性有機材料を溶かした水溶液を塗布することにより、基板１上の親水性領域２Ａにソース電極４を形成する。このとき、ポリイミド層３で形成されている疎水性領域２Ｂ上に親水性有機材料が広がることはなく、親水性の基板１の露出面にのみソース電極４が形成される。このソース電極４は、例えばポリスチレンスルホン酸（polystyrene sulfonic acid）を混ぜたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン(poly(3，4-ethylenedioxythiophene))：ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳをインクジェット等により塗布することにより形成することができる。
【００２２】
次に、図２（ｃ）に示すように、半導電性を示す親水性有機材料を溶かした水溶液を所定パターンに塗布することにより、ソース電極４上にのみ半導体層５を所定パターンに形成することができる。このとき、ポリイミド層３で形成されている疎水性領域上に半導体層５の親水性有機材料が広がることはない。この半導体層５は、例えばポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ビチオフェン（poly(9,9-dioctylfluorene-bithiophene)）：Ｆ８Ｔ２をインクジェット等により塗布することにより形成することができる。
【００２３】
次に、図３（ｄ）に示すように、感光性ポリイミド６を基板１上の全面にスピンコート等で塗布した後、露光及び現像を行い、図３（ｅ）に示すように、所望のパターンのポリイミド層６を複数に分割して形成する。このとき、下地のポリイミド層３上にポリイミド６がスピンコートで全面塗布されるので、下地の影響なしに塗布できる。そして、塗布後にパターニングされるが、ソース電極４の一方の側（図面右側）に存在するポリイミド層３上にはポリイミド層６を残しておく。
【００２４】
続いて、導電性を示す疎水性有機材料、例えばポリアセチレンを溶かした溶液をインクジェット等によりポリイミド層６上にこれと同一パターンに塗布することにより、図３（ｆ）に示すように、ゲート電極７を複数に分割して形成する。このとき、下地は疎水性であるため、ゲート電極材料の塗布は容易となる。
【００２５】
次に図４（ｇ）に示すように、感光性ポリイミド層８をゲート電極７を含む全面にスピンコートで塗布し、ゲート電極７を完全にポリイミド層８で覆う。
【００２６】
この場合、ポリイミド層８をスピンコートするときは、下地が親水性であっても支障なしに塗布することができる。そして、図４（ｈ）に示すように、露光及び現像によってゲート電極７の外面のみにポリイミド層８を残すが、インクジェットによるときはパターニング工程なしに所定パターンに直接形成することができる。また、いずれの場合も、各ゲート電極７の端部は露出し、コンタクトホール１１を形成するようにポリイミド層８のパターニング又は塗布を行う。ゲート電極７は、これを被覆する上面及び側面のポリイミド層８及び下面のポリイミド層６によって半導体層９（更には５）に対し絶縁分離される。
【００２７】
このポリイミド層８は、その塗布後におよそ１００℃程度の温度でベーキングすることにより、ゲート電極７を覆う高抵抗化されたポリイミド層、即ちゲート絶縁膜８となる。上記のスピンコートの際の回転数、インクジェットで塗布する際の溶液の濃度及び粘度を調整することにより、ゲート絶縁膜８の膜厚を制御する。また、電界効果トランジスタを構成する基板１とソース電極４の材料と半導体層５の材料とゲート電極７の材料の特性をそれ程変化させない条件下、例えば１００℃以下の低温雰囲気においてある程度の真空下又は窒素雰囲気下といった低酸素濃度下で、上記のベーキングを行うことが望ましい。
【００２８】
次に、図４（ｉ）に示すように、半導電性を示す親水性有機材料、例えば上記のＦ８Ｔ２を溶かした水溶液をインクジェット等により塗布し、ソース電極４上に形成されている半導体層５上に、ポリイミド層８で被覆されたゲート電極７を埋設するように半導体層９を所定パターンに形成する。この半導体層９は、下地の半導体層５上に容易に形成される。
【００２９】
次に、図５（ｊ）に示すように、導電性を示す親水性有機材料、例えば上記のＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを溶かした水溶液をインクジェット等により塗布し、半導体層５上からポリイミド層６上にかけてドレイン電極１０を所定パターンに形成する。このドレイン電極材料は、下地が親水性の半導体層９であるために、容易に形成される。そして、図１（Ａ）に示すように、各電極に端子電極Ｓ、Ｄ、Ｇ及びその配線を形成して絶縁ゲート型電界効果トランジスタ１２を完成する。
【００３０】
上述のようにして作成した電界効果トランジスタ１２においては、図１（Ａ）に示すように、上部電極（ドレイン電極１０）と下部電極（ソース電極４）との間に流れる電流を、半導体層９中に設けられたゲート電極７により変調することができる。
【００３１】
この縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ１２によれば、支持体としての基板１も含めて、ソース電極４、半導体層９（更には５）、ゲート絶縁膜８（更にはポリイミド層６及び３）、ゲート電極７及びドレイン電極１０がそれぞれ有機物からなる積層構造をなしているので、デバイスの主たる構成部分のすべてが有機材料で構成され、デバイスのフレキシブル性を向上させることができ、フレキシブルディスプレイ等におけるスイッチング素子や駆動回路を構成する上で有利である。
【００３２】
そして、有機材料を用いることから、デバイスの製造工程において、チャネル形成時にフォトリソプロセスは不要であり、チャネルも含めて電極や半導体層をスピンコートやインクジェットなどによる溶液の直接塗布により形成することができ、低コスト化を図ることができる。ゲート電極７は、この塗布方法によって複数個に分割して容易に形成でき、マルチチャネルのトランジスタが得られる。
【００３３】
しかも、上記の積層構造によって、半導体層９（更には５）の膜厚によりチャネル長を制御することができるマルチチャネルの縦型構造となるため、フォトリソグラフィーでは不可能な短チャネルの形成が可能となり、スイッチング動作等の高速化も実現することができる。
【００３４】
なお、ソース電極４と半導体層９との間に第２の半導体層５が形成されているので、この半導体層５によって上下のソース電極４−ドレイン電極１０間の接触（短絡）を防止し易くなる。但し、この接触防止が保証されれば、図１（Ｂ）に示すように、半導体層５は形成しなくても差支えない。
【００３５】
また、ソース電極４の側方において、疎水性ポリイミド層３上にポリイミド層６を積層して形成しているので、このポリイミド層６の厚み分によってドレイン電極１０をより平坦化することができ、その段切れを防止して段差被覆性を向上させることができる。
【００３６】
以上に述べた実施の形態は本発明の技術的思想に基づいて種々に変形可能である。
【００３７】
例えば、上述した例においては、主成分がポリエチレングリコールからなるバイオコンタクトＮを基板１の構成材料としたが、これに限定されるものではなく、親水性に優れた有機物であってフレキシブル性の高い材料であれば、他の有機物からなる基板も同様に使用可能である。
【００３８】
また、ソース電極やドレイン電極材料としてＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを用いたが、これに限定されるものではなく、他の親水性有機材料も同様に使用してもよい。これはゲート電極材料についても同様である。
【００３９】
また、半導体材料としてＦ８Ｔ２を用いたが、これに限定されるものではなく、半導体材料として他の親水性有機材料も同様に適用することができる。その他、ゲート絶縁膜等の絶縁体についても同様である。
【００４０】
ここに、使用可能な電極材料、半導体材料、絶縁体材料を例示する。
電極材料（導電体）（導電率１０^-2／Ω・ｍ以上）：
ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）親水性
／ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）
ポリアセチレン疎水性
ポリピロール親水性又は疎水性
【００４１】
半導体材料（導電率１０^-9〜１０^-2／Ω・ｍ）：
ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）親水性
ポリチオフェン親水性又は疎水性
ポリ−ｐ−フェニレン親水性又は疎水性
トランスポリアセチレン親水性又は疎水性
フタロシアニン親水性又は疎水性
シスポリアセチレン親水性又は疎水性
ポリフルオレン親水性又は疎水性
ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）親水性又は疎水性
【００４２】
絶縁体材料（導電率１０^-9／Ω・ｍ以下）：
ポリイミド疎水性
ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）親水性又は疎水性
アントラセン親水性又は疎水性
ポリエステル親水性又は疎水性
ポリエチレン疎水性
テフロン（登録商標）親水性又は疎水性
ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）親水性又は疎水性
【００４３】
なお、上記において「親水性又は疎水性」とは、次のように定義する。即ち、例えば、１〜３０の炭素原子を有する直鎖状又は分枝状のアルキル基を側鎖として修飾（導入）することにより疎水性にすることができ、他方、側鎖として−Ｒ−ＣＯＯＮＨ₄（Ｒは１〜３０の炭素原子を有する直鎖状又は分枝状のアルキル基またはエーテル基）を修飾すると親水性にすることができる。これらは、主鎖の電子状態を変えることなく反応を進めることができるため、そのもの本来のもつ物性を大きく変えることはない。
【００４４】
また、本発明の電界効果トランジスタは、ゲート電極材料と半導体材料との組み合せの選択によって、デバイス動作としてノーマリオフかノーマリオンを決めることができる。例えば、ゲート電極材料が上述したポリアセチレン又はＰＥＤＯＴ／ＰＰＳ、半導体材料が上述したＦ８Ｔ２であると、ノーマリオフの動作となる。この場合、ポリアセチレンに対するドーピング濃度により、ポリアセチレンの伝導度が大きく変わり、非常に高い濃度でドーピングを行ったときは、導電体の領域まで伝導度が上昇することもあり、この場合にはノーマリオンで動作させることも可能である。なお、ゲート電極材料がＡｌ、半導体材料が銅フタロシアニンであれば、ノーマリオンの動作となる。
【００４５】
また、上述した電界効果トランジスタの構成材料をはじめ、層構成や層厚、各部のパターン、その形成方法等は様々に変更してよい。例えば、上述したソース電極とドレイン電極の位置は上下逆としてよい。
【００４６】
【発明の作用効果】
本発明は上述したように、少なくともソース電極、半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極及びドレイン電極がそれぞれ有機物からなる積層構造をなしているので、デバイスの主たる構成部分のすべてが有機材料で構成され、デバイスのフレキシブル性を向上させることができる。
【００４７】
そして、有機材料を用いることから、デバイスの製造工程において、チャネル形成時にフォトリソプロセスは不要であり、チャネルも含めて電極や半導体層を溶液の直接塗布によって形成することができ、低コスト化を図ることができる。
【００４８】
しかも、上記の積層構造によって、半導体層の膜厚によりチャネル長を制御することができる縦型構造となるため、フォトリソグラフィーでは不可能な短チャネルの形成が可能となり、高速動作も実現することができる。
更に、ソース又はドレイン電極の側方に形成された絶縁体層上に第２の絶縁体層が積層されているので、この第２の絶縁体層の厚み分によって半導体層上から延びるドレイン又はソース電極をより平坦化することができ、その段切れを防止して段差被覆性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による縦型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの断面図と平面図（Ａ）と、その変形例の同様の断面図（Ｂ）である。
【図２】同、電界効果トランジスタの製造プロセスを工程順に示す各断面図である。
【図３】同、電界効果トランジスタの製造プロセスを工程順に示す各断面図である。
【図４】同、電界効果トランジスタの製造プロセスを工程順に示す各断面図である。
【図５】同、電界効果トランジスタの製造プロセスの一工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２Ａ…親水性領域、２Ｂ…疎水性領域、３、６…ポリイミド層、
４…ソース電極、５…半導体層、７…ゲート電極、
８…ポリイミド層（ゲート絶縁膜）、９…半導体層、１０…ドレイン電極、
１２…絶縁ゲート型電界効果トランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field effect semiconductor device suitable as a field effect transistor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Insulated gate field effect transistors including MOS (Metal Oxide Semiconductor) type currently used in many electronic devices are provided with a channel layer on a Si substrate, for example, and a SiO ₂ layer as a gate insulating layer thereon. For example, an Au / Ti gate electrode is arranged.
[0003]
In such a field effect transistor, a horizontal transistor having a channel along the substrate surface direction dominates, but a vertical transistor having a channel in the vertical direction of the substrate is also known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the present day when it is desired to realize a flexible display, it is desired to make a transistor constituting a switching element or a driving circuit in the flexible display flexible. However, a device that satisfies this requirement has not yet been found. In addition, there is a need to realize a low-cost manufacturing process by minimizing the use of an expensive apparatus such as a lithography apparatus used in the semiconductor manufacturing process.
[0005]
At the same time as these requirements, it is incorporated into the video device, so that high-speed operation of the transistor (that is, transistor performance that converts the video signal into necessary data at any time and can perform ON / OFF switching operation at high speed) is realized. Is needed.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-228034, 10-270712, 2000-269515, 2000-307172, 2002-9290, etc. describe a MOS field effect transistor in which a channel region is formed of an organic material. It is shown.
[0007]
However, since all of these components, for example, the source electrode, the drain electrode, and the gate insulating film are formed of an inorganic material such as a metal or a metal oxide, the device flexibility (flexibility). In addition, a photolithography apparatus is required for processing the inorganic layer, and it is difficult to reduce the cost. In addition, since the transistor is a horizontal type, it is difficult to shorten the channel length in the processing process, and there is a limit to the speed of data conversion and switching operation of the video signal.
[0008]
An object of the present invention is to provide a field effect semiconductor device such as a MOS field effect transistor, which can improve the flexibility of a device, reduce its manufacturing cost, and realize high-speed operation, and a method for manufacturing the same. It is in.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the present invention , an insulator layer is formed in a predetermined pattern on a support, and a source electrode or a drain electrode made of a conductive organic material is formed on the support excluding the insulator layer, and the insulator layer A second insulator layer is laminated thereon, and an insulator layer made of the same material as the second insulator layer is formed on the source electrode or the drain electrode in a gate electrode pattern. A gate electrode made of a conductive organic material is formed on the insulator layer, a gate insulating film made of an insulating organic material is formed so as to cover the gate electrode, and the gate electrode covered with the gate insulating film is embedded Thus, a semiconductor layer made of a semiconductive organic material is formed, and a drain electrode or a source electrode made of a conductive organic material is formed over the semiconductor layer and the second insulator layer. Tei is Rukoto relates to field-effect semiconductor device according to claim.
[0010]
The present invention also provides a method for producing the field effect semiconductor device of the present invention.
To form a support on a hydrophilic region and a hydrophobic region, and forming a predetermined pattern an insulator layer which forms one of these regions on the support,
Applying a conductive organic material, particularly a solution dissolved in a solvent, to form a source electrode or a drain electrode on the support excluding the insulator layer ; and
Step wherein with laminating a second insulation layer on the insulator layer, to form formed on the gate electrode pattern an insulator layer made of the second insulator layer and the same material to the source electrode or the drain electrode on the When,
Conductive organic material, the solution is applied to the particular dissolved in a solvent, forming a gate electrode on the insulation layer on the gate electrode pattern,
Applying an insulating organic material, particularly a solution dissolved in a solvent, to form a gate insulating film covering the gate electrode;
Applying a semiconductive organic material, particularly a solution dissolved in a solvent, to form a semiconductor layer embedded in the gate electrode covered with the gate insulating film ;
Conductive organic material, the solution is applied to the particular dissolved in a solvent, and a step of forming a drain electrode or the source electrode from the semiconductor layer over the second insulator layer, the field effect semiconductor device A manufacturing method is also provided.
[0011]
Here, the above “coating” is a concept including not only the case of spin coating or ink jetting but also the adhesion of an organic material by printing.
[0012]
According to the field effect semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, since at least the source electrode, the semiconductor layer, the gate insulating layer, the gate electrode, and the drain electrode each have a laminated structure made of an organic material, All are made of an organic material, and the flexibility of the device can be improved, which is advantageous in configuring a switching element and a drive circuit in a flexible display or the like.
[0013]
In addition, since an organic material is used, a photolithographic process is not required at the time of channel formation in the device manufacturing process, and electrodes and semiconductor layers including the channel can be formed by direct application of a solution by spin coating or ink jet. Cost reduction can be achieved.
[0014]
In addition, the stacked structure described above provides a vertical structure in which the channel length can be controlled by the film thickness of the semiconductor layer, so that it is possible to form a short channel, which is impossible with photolithography, and to increase the speed of the switching operation and the like. Can be realized.
Furthermore, since the second insulator layer is laminated on the insulator layer formed on the side of the source or drain electrode, the drain or source extending from the semiconductor layer by the thickness of the second insulator layer. The electrode can be further flattened, the step breakage can be prevented, and the step coverage can be improved.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the field effect semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode are each made of an organic material showing conductivity, and the semiconductor layer is made of an organic material showing semiconductivity. The insulator is made of an organic material exhibiting insulating properties, and the support is also preferably made of an organic material and is formed flexibly as a whole.
[0016]
Further, a second semiconductor layer made of an organic material exhibiting semiconductivity is applied between the source or drain electrode and the semiconductor layer (or gate electrode) by applying a solution in which the organic material is dissolved in a solvent. It is good that it is formed. This second semiconductor layer may be omitted, but when formed, this semiconductor layer makes it easy to prevent contact (short circuit) between the upper and lower source electrodes and drain electrodes.
[0017]
The field effect semiconductor device of the present invention is particularly configured as a vertical insulated gate field effect transistor. For example, the gate electrode may be divided into a plurality of parts and be operable in a multi-channel type.
[0018]
In the production method of the present invention, the support is formed by a hydrophilic organic material, it and the insulator layer and said hydrophobic region to form a hydrophobic organic material layer in a predetermined pattern on the After that, the source electrode or the drain electrode is formed on the hydrophilic surface of the support without the hydrophobic region by applying a solution obtained by dissolving a conductive organic material in a solvent, and then on the electrode, Applying a solution in which an insulating organic material is dissolved in a solvent and laminating the second insulator layer on the insulator layer and forming an insulator layer of a gate electrode pattern on the source electrode or drain electrode; the insulator layer of the gate electrode pattern, after forming the gate electrode of the conductive organic material by applying a solution in a solvent, so as to cover the gate electrode, was dissolved insulating organic material in a solvent Before applying the solution The gate insulating film is formed, the gate so as to bury the gate electrode covered with an insulating film, a semi-conductive organic material by coating a solution prepared by dissolving in a solvent to form the semiconductor layer, further conductive organic The drain electrode or the source electrode may be formed by applying a solution in which a material is dissolved in a solvent.
[0019]
Hereinafter, an insulated gate field effect transistor according to a preferred embodiment of the present invention will be described along a manufacturing process thereof with reference to the drawings (the following drawings also show a plan view as well as a sectional view). However, the present invention is not limited to the examples shown below.
[0020]
First, as shown in FIG. 2A, a hydrophilic region 2A and a hydrophobic region 2B are formed on a substrate 1 in order to form a region where a field effect transistor is formed and a region where a field effect transistor is not formed. For example, after applying photosensitive polyimide by spin coating, ink jet or the like on the substrate 1 made of Biocontact N (manufactured by Nisshinbo Industries, Inc.), which has polyethylene glycol as a main component and excellent in hydrophilicity, exposure and Development is performed to form a hydrophobic polyimide layer 3 having a predetermined pattern. At this time, since the region 2B formed of the polyimide layer 3 is hydrophobic and the other region 2A where the substrate 1 is exposed on the surface is hydrophilic, the hydrophilic region 2A in a desired pattern on the substrate. And the hydrophobic region 2B can be formed.
[0021]
Next, as shown in FIG. 2B, the source electrode 4 is formed in the hydrophilic region 2 </ b> A on the substrate 1 by applying an aqueous solution in which a hydrophilic organic material having conductivity is dissolved. At this time, the hydrophilic organic material does not spread on the hydrophobic region 2 </ b> B formed of the polyimide layer 3, and the source electrode 4 is formed only on the exposed surface of the hydrophilic substrate 1. The source electrode 4 is formed by, for example, applying poly (3,4-ethylenedioxythiophene): PEDOT / PSS mixed with polystyrene sulfonic acid by inkjet or the like. Can be formed.
[0022]
Next, as shown in FIG. 2C, the semiconductor layer 5 is formed in a predetermined pattern only on the source electrode 4 by applying an aqueous solution in which a hydrophilic organic material exhibiting semiconductivity is applied to the predetermined pattern. be able to. At this time, the hydrophilic organic material of the semiconductor layer 5 does not spread on the hydrophobic region formed of the polyimide layer 3. The semiconductor layer 5 can be formed, for example, by applying poly (9,9-dioctylfluorene-bithiophene): F8T2 by inkjet or the like.
[0023]
Next, as shown in FIG. 3 (d), photosensitive polyimide 6 is applied to the entire surface of substrate 1 by spin coating or the like, and then exposed and developed, as shown in FIG. 3 (e). The polyimide layer 6 having a pattern is divided into a plurality of parts. At this time, since the polyimide 6 is applied on the entire surface of the underlying polyimide layer 3 by spin coating, it can be applied without the influence of the underlying. Then, although patterned after application, the polyimide layer 6 is left on the polyimide layer 3 existing on one side (right side of the drawing) of the source electrode 4.
[0024]
Subsequently, a hydrophobic organic material having conductivity, for example, a solution in which polyacetylene is dissolved is applied onto the polyimide layer 6 in the same pattern by ink jet or the like, thereby forming the gate electrode 7 as shown in FIG. Is divided into a plurality. At this time, since the base is hydrophobic, the gate electrode material can be easily applied.
[0025]
Next, as shown in FIG. 4G, the photosensitive polyimide layer 8 is applied to the entire surface including the gate electrode 7 by spin coating, and the gate electrode 7 is completely covered with the polyimide layer 8.
[0026]
In this case, when the polyimide layer 8 is spin-coated, it can be applied without hindrance even if the base is hydrophilic. As shown in FIG. 4 (h), the polyimide layer 8 is left only on the outer surface of the gate electrode 7 by exposure and development. However, when ink jet is used, it can be directly formed in a predetermined pattern without a patterning step. In either case, the end portion of each gate electrode 7 is exposed, and the polyimide layer 8 is patterned or applied so as to form the contact hole 11. The gate electrode 7 is insulated and separated from the semiconductor layer 9 (and 5) by the upper and side polyimide layers 8 and the lower polyimide layer 6 covering the gate electrode 7.
[0027]
The polyimide layer 8 is baked at a temperature of about 100 ° C. after the coating, thereby forming a highly resistive polyimide layer covering the gate electrode 7, that is, the gate insulating film 8. The film thickness of the gate insulating film 8 is controlled by adjusting the rotation speed at the time of spin coating and the concentration and viscosity of the solution at the time of application by inkjet. Further, under a condition that does not change the characteristics of the material of the substrate 1 and the source electrode 4, the material of the semiconductor layer 5, and the material of the gate electrode 7 constituting the field effect transistor, for example, in a certain degree of vacuum in a low temperature atmosphere of 100 ° C. or lower. It is desirable to perform the above baking under a low oxygen concentration such as a nitrogen atmosphere.
[0028]
Next, as shown in FIG. 4 (i), a semiconducting hydrophilic organic material, for example, an aqueous solution in which the above F8T2 is dissolved is applied by inkjet or the like, and the semiconductor layer 5 formed on the source electrode 4. A semiconductor layer 9 is formed in a predetermined pattern so as to bury the gate electrode 7 covered with the polyimide layer 8 thereon. The semiconductor layer 9 is easily formed on the underlying semiconductor layer 5.
[0029]
Next, as shown in FIG. 5 (j), a hydrophilic organic material exhibiting conductivity, for example, an aqueous solution in which the above-mentioned PEDOT / PSS is dissolved is applied by inkjet or the like, and drained over the semiconductor layer 5 to the polyimide layer 6. The electrode 10 is formed in a predetermined pattern. This drain electrode material is easily formed because the base is the hydrophilic semiconductor layer 9. Then, as shown in FIG. 1A, terminal electrodes S, D, and G and wirings thereof are formed on each electrode to complete the insulated gate field effect transistor 12.
[0030]
In the field effect transistor 12 produced as described above, as shown in FIG. 1A, the current flowing between the upper electrode (drain electrode 10) and the lower electrode (source electrode 4) is supplied to the semiconductor layer 9. Modulation can be performed by the gate electrode 7 provided therein.
[0031]
According to this vertical insulated gate field effect transistor 12, including the substrate 1 as a support, the source electrode 4, the semiconductor layer 9 (further 5), the gate insulating film 8 (further, the polyimide layers 6 and 3). ) Since the gate electrode 7 and the drain electrode 10 each have a laminated structure made of an organic material, all of the main components of the device are made of an organic material, which can improve the flexibility of the device, such as a flexible display This is advantageous in configuring a switching element and a driving circuit.
[0032]
In addition, since an organic material is used, a photolithography process is not necessary when forming a channel in the device manufacturing process, and electrodes and semiconductor layers including the channel can be formed by direct application of a solution by spin coating or ink jet. Cost reduction can be achieved. The gate electrode 7 can be easily divided into a plurality of parts by this coating method, and a multi-channel transistor can be obtained.
[0033]
Moreover, the stacked structure described above provides a multi-channel vertical structure in which the channel length can be controlled by the film thickness of the semiconductor layer 9 (and 5), so that it is possible to form a short channel that is impossible with photolithography. Thus, the switching operation and the like can be speeded up.
[0034]
Since the second semiconductor layer 5 is formed between the source electrode 4 and the semiconductor layer 9, the semiconductor layer 5 can easily prevent contact (short circuit) between the upper and lower source electrodes 4 and the drain electrode 10. Become. However, if this contact prevention is guaranteed, the semiconductor layer 5 may not be formed as shown in FIG.
[0035]
Further, since the polyimide layer 6 is formed on the hydrophobic polyimide layer 3 on the side of the source electrode 4, the drain electrode 10 can be further planarized by the thickness of the polyimide layer 6. The step breakage can be prevented and the step coverage can be improved.
[0036]
The embodiment described above can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
[0037]
For example, in the above-described example, the biocontact N whose main component is made of polyethylene glycol is used as the constituent material of the substrate 1. However, the material is not limited to this, and is an organic substance excellent in hydrophilicity and highly flexible. If it is a material, the board | substrate which consists of another organic substance can be used similarly.
[0038]
Moreover, although PEDOT / PSS was used as a source electrode or a drain electrode material, it is not limited to this, You may use another hydrophilic organic material similarly. The same applies to the gate electrode material.
[0039]
Moreover, although F8T2 was used as a semiconductor material, it is not limited to this, Other hydrophilic organic materials can be applied similarly as a semiconductor material. The same applies to insulators such as gate insulating films.
[0040]
Here, usable electrode materials, semiconductor materials, and insulator materials are exemplified.
Electrode material (conductor) (conductivity 10 ⁻² / Ω · m or more):
Poly (3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) Hydrophilic / Polystyrenesulfonic acid (PSS)
Polyacetylene hydrophobic polypyrrole hydrophilic or hydrophobic
Semiconductor material (conductivity 10 ⁻⁹ to 10 ⁻² / Ω · m):
Poly (9,9-dioctylfluorene-bithiophene) (F8T2) hydrophilic polythiophene hydrophilic or hydrophobic poly-p-phenylene hydrophilic or hydrophobic transpolyacetylene hydrophilic or hydrophobic phthalocyanine hydrophilic or hydrophobic cis polyacetylene hydrophilic or Hydrophobic polyfluorene Hydrophilic or hydrophobic polyphenylene vinylene (PPV) Hydrophilic or hydrophobic
Insulator material (conductivity 10 ^-9 / Ω ・ m or less):
Polyimide Hydrophobic polyvinylphenol (PVP) Hydrophilic or hydrophobic anthracene Hydrophilic or hydrophobic polyester Hydrophilic or hydrophobic polyethylene Hydrophobic Teflon (registered trademark) Hydrophilic or hydrophobic polyvinyl alcohol (PVA) Hydrophilic or hydrophobic ]
In the above, “hydrophilic or hydrophobic” is defined as follows. That is, for example, it can be rendered hydrophobic by modifying (introducing) a linear or branched alkyl group having 1 to 30 carbon atoms as a side chain, while -R-COONH as a side chain. ₄ (R is a linear or branched alkyl group or ether group having 1 to 30 carbon atoms) can be modified to make it hydrophilic. Since they can proceed without changing the electronic state of the main chain, they do not significantly change the original physical properties.
[0044]
The field effect transistor of the present invention can determine normally-off or normally-on as a device operation by selecting a combination of a gate electrode material and a semiconductor material. For example, when the gate electrode material is the above-mentioned polyacetylene or PEDOT / PPS and the semiconductor material is the above-described F8T2, the normally-off operation is performed. In this case, the conductivity of polyacetylene varies greatly depending on the doping concentration with respect to polyacetylene, and when doping is performed at a very high concentration, the conductivity may increase up to the region of the conductor. It is also possible to operate. When the gate electrode material is Al and the semiconductor material is copper phthalocyanine, the operation is normally on.
[0045]
In addition to the constituent materials of the field effect transistor described above, the layer configuration, the layer thickness, the pattern of each part, the formation method thereof, and the like may be variously changed. For example, the positions of the source electrode and the drain electrode described above may be upside down.
[0046]
[Effects of the invention]
As described above, since the present invention has a laminated structure in which at least the source electrode, the semiconductor layer, the gate insulating layer, the gate electrode, and the drain electrode are each made of an organic material, all the main components of the device are made of an organic material. The flexibility of the device can be improved.
[0047]
In addition, since an organic material is used, a photolithographic process is not required at the time of channel formation in the device manufacturing process, and electrodes and semiconductor layers including the channel can be formed by direct application of a solution, thereby reducing costs. be able to.
[0048]
In addition, the stacked structure described above provides a vertical structure in which the channel length can be controlled by the thickness of the semiconductor layer, so that it is possible to form a short channel, which is impossible with photolithography, and to achieve high-speed operation. it can.
Furthermore, since the second insulator layer is laminated on the insulator layer formed on the side of the source or drain electrode, the drain or source extending from the semiconductor layer by the thickness of the second insulator layer. The electrode can be further flattened, the step breakage can be prevented, and the step coverage can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view (A) of a vertical insulated gate field effect transistor according to an embodiment of the present invention, and a similar cross-sectional view (B) of a modified example thereof.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the field effect transistor in the order of steps.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the field effect transistor in the order of steps.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the field effect transistor in the order of steps.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step of the manufacturing process of the field effect transistor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2A ... Hydrophilic area | region, 2B ... Hydrophobic area | region, 3, 6 ... Polyimide layer,
4 ... Source electrode, 5 ... Semiconductor layer, 7 ... Gate electrode,
8 ... polyimide layer (gate insulating film), 9 ... semiconductor layer, 10 ... drain electrode,
12 ... Insulated gate field effect transistor

Claims

An insulator layer is formed in a predetermined pattern on the support, a source electrode or a drain electrode made of a conductive organic material is formed on the support excluding the insulator layer, and a second insulation is formed on the insulator layer. A body layer is laminated, and an insulator layer made of the same material as the second insulator layer is formed in a gate electrode pattern on the source electrode or drain electrode, and a conductive layer is formed on the insulator layer of the gate electrode pattern A gate electrode made of a conductive organic material is formed, a gate insulating film made of an insulating organic material is formed so as to cover the gate electrode, and the gate electrode covered with the gate insulating film is semiconductive semiconductor layer made of an organic material is formed, especially that you have the drain electrode or the source electrode made of a conductive organic material toward the second insulator layer from the semiconductor layer is formed Field-effect semiconductor device according to.

The field effect semiconductor device according to claim 1, wherein a second semiconductor layer made of a semiconductive organic material is formed between the source electrode or the drain electrode and the gate electrode .

The field effect semiconductor device according to claim 1, wherein the support is also made of an organic material and is formed flexibly as a whole.

The field effect semiconductor device according to claim 1, wherein the field effect semiconductor device is configured as a vertical insulated gate field effect transistor.

The field effect semiconductor device according to claim 4 , wherein the gate electrode is divided into a plurality of parts and is operable in a multi-channel type.

For on a support to form a hydrophilic region and a hydrophobic region, and forming a predetermined pattern an insulator layer forming the regions of these have Zureka on the support,
Applying a conductive organic material to form a source electrode or a drain electrode on the support excluding the insulator layer ; and
Step wherein with laminating a second insulation layer on the insulator layer, to form formed on the gate electrode pattern an insulator layer made of the second insulator layer and the same material to the source electrode or the drain electrode on the When,
Applying a conductive organic material to form a gate electrode on the insulator layer of the gate electrode pattern; and
Applying an insulating organic material to form a gate insulating film covering the gate electrode;
The semiconductive organic material is applied, forming a semiconductor layer you buried the gate electrode covered with the gate insulating film,
Conductive organic material is a coating, a step of forming a drain electrode or a source electrode over the second insulating layer from the semiconductor layer, a method of manufacturing a field effect semiconductor device.

After the support is formed by a hydrophilic organic material and no with the insulator layer in between the hydrophobic region to form a hydrophobic organic material layer in a predetermined pattern thereon, the hydrophobic region The source electrode or the drain electrode is formed by applying a solution in which a conductive organic material is dissolved in a solvent to the hydrophilic surface of the support, where the insulating organic material is used as a solvent. The dissolved solution is applied and the second insulator layer is laminated on the insulator layer, and an insulator layer of a gate electrode pattern is formed on the source electrode or the drain electrode, and the gate electrode pattern is insulated. On the body layer, after applying a solution in which a conductive organic material is dissolved in a solvent to form the gate electrode, a solution in which an insulating organic material is dissolved in a solvent is applied so as to cover the gate electrode. form the gate insulating film Was dissolved so as to bury the gate electrode covered with the gate insulating film, a semi-conductive organic material by coating a solution prepared by dissolving in a solvent to form the semiconductor layer, a further conductive organic material in a solvent The method of manufacturing a field effect semiconductor device according to claim 6 , wherein the drain electrode or the source electrode is formed by applying a solution.

The field effect semiconductor device according to claim 6 , wherein a second semiconductor layer is formed between the source electrode or the drain electrode and the gate electrode by applying a solution in which a semiconductive organic material is dissolved in a solvent. Production method.

The method for manufacturing a field effect semiconductor device according to claim 6 , wherein the support is also formed of an organic material, and is formed flexibly as a whole.

The method for manufacturing a field effect semiconductor device according to claim 6 , wherein a vertical insulated gate field effect transistor is manufactured.

11. The method of manufacturing a field effect semiconductor device according to claim 10 , wherein the gate electrode is divided into a plurality of parts to manufacture a field effect transistor operable in a multi-channel type.