JP4296788B2 - 有機電界効果トランジスタおよびその製造方法、集積回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機電界効果トランジスタおよびその製造方法、集積回路装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造における半導体層の材料として有機半導体材料を用いた有機電界効果トランジスタが知られている(例えば、特許文献1、2など参照)。
【0003】
また、有機電界効果トランジスタを利用した回路の一例として、図12に示すように2個のスイッチング素子S1,S2の直列回路であって電源の両端間に接続して用いられるインバータが知られている。ここに、図12に示す回路構成のインバータは、例えば、ハイサイドのスイッチング素子S1をpチャネル有機電界効果トランジスタにより構成するとともに、ローサイドのスイッチング素子S2をnチャネル有機電界効果トランジスタにより構成し、両有機電界効果トランジスタを同一基板上に集積化した集積回路装置により実現できる。なお、図12に示す回路構成のインバータでは、電源の高電位側に接続される端子Vddと、電源の低電位側(グランド側)に接続される端子GNDと、制御入力用の端子Vinと、出力用の端子Voutとを備えている。
【0004】
この種の集積回路装置は、図13に示すように、1つの絶縁性基板1’の一表面側において、ハイサイドのスイッチング素子S1を構成するpチャネル有機電界効果トランジスタTp’とローサイドのスイッチング素子S2を構成するnチャネル有機電界効果トランジスタTn’とが並設されている。なお、絶縁性基板1’としては、表面をシリコン酸化膜などの絶縁膜により覆われたシリコン基板のような無機基板や、絶縁性を有する有機材料(例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイトなど)製の有機基板などが用いられている。
【0005】
上記集積回路装置は、絶縁性基板1’の上記一表面上にpチャネル有機電界効果トランジスタTp’のゲート電極Gp’とnチャネル有機電界効果トランジスタTn’のゲート電極Gn’とが離間して形成され、絶縁性基板1’の上記一表面側の全面に両ゲート電極Gp’,Gn’を覆うように絶縁性を有する有機材料(例えば、ポリイミドなど)からなる絶縁膜2’が形成されており、絶縁膜2’のうちゲート電極Gp’に重なる部分がpチャネル有機電界効果トランジスタTp’のゲート絶縁膜2p’を構成し、ゲート電極Gn’に重なる部分がnチャネル有機電界効果トランジスタTn’のゲート絶縁膜2n’を構成している。なお、各ゲート電極Gp’,Gn’は、金属材料(例えば、Auなど)により形成されている。
【0006】
また、pチャネル有機電界効果トランジスタTp’は、絶縁膜2’上においてソース電極Sp’とドレイン電極Dp’とが離間して形成されるとともに、ソース電極Sp’とドレイン電極Dp’とゲート絶縁膜2p’とを覆うようにp形有機半導体材料からなるp形有機半導体層3p’が形成され、nチャネル有機電界効果トランジスタTn’は、絶縁膜2’上にソース電極Sn’とドレイン電極Dn’とが離間して形成されるとともに、ソース電極Sn’とドレイン電極Dn’とゲート絶縁膜2n’とを覆うようにn形有機半導体材料からなるn形有機半導体層3n’が形成されている。
【0007】
ここに、pチャネル有機電界効果トランジスタTp’は、p形有機半導体層3p’のうちソース電極Sp’とドレイン電極Dp’との間に介在する部分が絶縁性基板1’の厚み方向においてゲート絶縁膜2p’およびゲート電極Gp’に重なっている。同様に、nチャネル有機電界効果トランジスタTn’は、n形有機半導体層3n’のうちソース電極Sn’とドレイン電極Dn’との間に介在する部分が絶縁性基板1’の厚み方向においてゲート絶縁膜2n’およびゲート電極Gn’に重なっている。また、pチャネル有機電界効果トランジスタTp’とnチャネル有機電界効果トランジスタTn’とはゲート電極Gp’,Gn’の並設方向においてドレイン電極Dp’,Dn’同士が隣接し電気的に接続されている。なお、各ソース電極Sp’,Sn’および各ドレイン電極Dp’,Dn’は、構成材料が同じ金属材料であり、製造時に同時形成されている。
【0008】
また、上記集積回路装置は、絶縁膜2’上に4つのパッド4’が形成されており、pチャネル有機電界効果トランジスタTp’のソース電極Sp’に図13(a)の左上の金属配線5’を介して電気的に接続されたパッド4’が上記端子Vddを構成し、nチャネル有機電界効果トランジスタTn’のソース電極Sn’に図13(a)の右下の金属配線5’を介して電気的に接続されたパッド4’が上記端子GNDを構成し、両ゲート電極Gp’,Gn’に図13(a)の左下の金属配線5’を介して電気的に接続されたパッド4’が上記端子Vinを構成し、両ドレイン電極Dp’,Dn’に図13(a)の右上の金属配線5’を介して電気的に接続されたパッド4’が上記端子Voutを構成している。ここに、両ゲート電極Gp’、Gn’は、平面形状が短冊状に形成されており、絶縁膜2’において各ゲート電極Gp’,Gn’それぞれの長手方向の一端部に対応する部位に開孔したコンタクトホール21’,21’に図13(a)の左下の金属配線5’の一部を埋め込むことで金属配線5’と電気的に接続されている。
【0009】
以上説明した有機電界効果トランジスタTp’,Tn’は、ゲート電極Gp’,Gn’への印加電圧(ゲート電圧)を制御して有機半導体層3p’,3n’に形成されるチャネルの広がりを調整することにより、ソース電極Sp’,Sn’−ドレイン電極Dp’,Dn’間を流れる電流を制御することができる。
【0010】
以下、上述の集積回路装置の製造方法について図14〜図22を参照しながら説明する。
【0011】
まず、絶縁性基板1’の上記一表面側にゲート電極Gn’,Gp’をパターン形成するためのシャドウマスクM11(図16参照)を通して金属材料(例えば、Auなど)を蒸着することでゲート電極Gn’,Gp’を形成する(図14(a)および図16参照)。
【0012】
その後、絶縁性基板1’の上記一表面側に絶縁性を有する有機材料(例えば、ポリイミドなど)を回転塗布することで絶縁性基板1’の上記一表面側の全面に絶縁膜2’を形成する(図14(b)および図17参照)。
【0013】
次に、フォトリソグラフィ技術を利用して絶縁膜2’において各ゲート電極Gp’,Gn’それぞれの長手方向の上記一端部に重なる部分をエッチングすることでゲート電極Gp’,Gn’の上記一端部表面を露出させたコンタクトホール21’,21’を形成する(図14(c)および図18参照)。
【0014】
その後、絶縁性基板1’の上記一表面側にソース電極Sp’,Sn’とドレイン電極Dp’,Dn’と各金属配線5’と各パッド4’とを同時にパターン形成するためのシャドウマスクM12(図19参照)を通して金属材料(例えば、Auなど)を蒸着することでソース電極Sp’,Sn’およびドレイン電極Dp’,Dn’および各金属配線5’および各パッド4’を形成する(図15(a)、図19、図20参照)。
【0015】
次に、絶縁性基板1’の上記一表面側にp形有機半導体層3p’をパターン形成するためのシャドウマスクM13(図21参照)を通してp形有機半導体材料(例えば、ペンタセンなど)を蒸着することでp形有機半導体層3p’を形成し(図15(b)および図21参照)、続いて、絶縁性基板1’の上記一表面側にn形有機半導体層3n’をパターン形成するためのシャドウマスクM14(図22参照)を通してn形有機半導体材料(例えば、フッ素化銅フタロシアニンなど)を蒸着することでn形有機半導体層3n’を形成する(図15(c)および図22参照)。
【0016】
【特許文献1】
米国特許第5,347,144号明細書(第6欄)
【特許文献2】
特表平5−508745号公報(第3頁、第5頁および第6頁)
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記集積回路装置を製造するにあたっては、絶縁性基板1’の上記一表面側にゲート電極Gp’,Gn’を形成した後、絶縁性を有する有機材料を回転塗布することで絶縁性基板1’の上記一表面側の全面に絶縁膜2’を形成しているので、ゲート電極Gp’,Gn’と金属配線5’との電気的接続を得るために、絶縁膜2’の一部を開口してコンタクトホール21’,21’を形成してから金属配線5’を形成する必要があり、製造コストの低減を図る一つの手段として、より簡単な製造プロセスで製造可能な有機電界効果トランジスタの構造の開発が望まれていた。
【0018】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べてより簡単な製造プロセスで製造可能な有機電界効果トランジスタおよびその製造方法および集積回路装置を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成されたソース電極と、絶縁性基板の前記一表面上においてソース電極から離間して形成されたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間でソース電極およびドレイン電極それぞれと離間して絶縁性基板の前記一表面上に形成されたゲート電極と、絶縁性基板の前記一表面上においてソース電極に電気的に接続された第1の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面上においてドレイン電極に電気的に接続された第2の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面上においてゲート電極に電気的に接続された第3の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面側においてゲート電極における絶縁性基板との界面および第3の金属配線との界面を除いてゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、絶縁性基板の前記一表面側においてソース電極とゲート絶縁膜とドレイン電極とに跨って被着された有機半導体層とを備え、ゲート電極が、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線それぞれの金属材料よりも酸化されやすい金属材料により形成され、ゲート絶縁膜は、ゲート電極を構成する金属材料の酸化物からなり、且つ、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線の形成後にゲート電極における前記各界面を除いた露出表面を酸化することにより形成されてなることを特徴とする。この請求項1の発明の構成によれば、ゲート電極と第3の金属配線とを電気的に接続するために従来のようなコンタクトホールを形成する必要がなく、しかも、製造時に、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線を形成した後で、ゲート電極の一部を選択的に酸化することでゲート絶縁膜を形成することが可能となるので、従来に比べてより簡単な製造プロセスで製造可能となる。なお、請求項1の発明の構成では、ゲート電極に電圧を印加することによって有機半導体層にチャネルが形成されソース電極とドレイン電極との間を電流が流れるので、ゲート電極に印加する電圧を制御してチャネルの広がりを調整することによってソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を制御することができる。
【0020】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記ゲート絶縁膜は、比誘電率が9よりも大きいことを特徴とする。この請求項2の発明の構成によれば、従来のようにゲート絶縁膜の材料としてポリイミドのような比誘電率が9よりも小さい材料を採用している場合に比べて、前記有機半導体層に形成されるチャネルの広がりを大きくすることができ、大電流化を図ることができる。
【0022】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記ゲート電極の金属材料は、Al,Zr,Ta,Laの群から選択されることを特徴とする。この請求項3の発明の構成によれば、前記ゲート電極を蒸着法などの一般的な半導体製造プロセスで形成することができる。
【0023】
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法であって、絶縁性基板の前記一表面上にソース電極およびドレイン電極および第1の金属配線および第2の金属配線および第3の金属配線を同時形成し、絶縁性基板の前記一表面上にソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線それぞれの金属材料よりも酸化されやすい金属材料からなるゲート電極を当該ゲート電極の一部が第3の金属配線に接触するように形成してから、ゲート絶縁膜を形成するようにし、ゲート絶縁膜の形成にあたっては、ゲート電極の露出表面を酸化する酸化工程を行うことによりゲート電極を構成する金属材料の酸化物からなるゲート絶縁膜をゲート電極における絶縁性基板との界面および第3の金属配線との界面を除いてゲート絶縁膜を覆うように成膜することを特徴とする。この請求項4の発明の製造方法によれば、ゲート電極と第3の金属配線とを電気的に接続するために従来のようなコンタクトホールを形成する必要がなく、しかも、ソース電極およびドレイン電極および第1ないし第3の金属配線およびゲート電極を形成した後で、ゲート電極の一部を選択的に酸化することでゲート絶縁膜を形成することができるので、従来に比べてより簡単な製造プロセスで有機電界効果トランジスタを製造することができる。
【0024】
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記酸化工程では、酸化種を含む雰囲気中で前記ゲート電極の露出表面を酸化することで前記ゲート絶縁膜を成膜することを特徴とする。この請求項5の発明の製造方法によれば、前記ゲート絶縁膜を容易に形成することができる。
【0025】
請求項6の発明は、請求項4の発明において、前記酸化工程では、陽極酸化法により前記ゲート電極の露出表面を酸化することで前記ゲート絶縁膜を成膜することを特徴とする。この請求項6の発明の製造方法によれば、前記ゲート絶縁膜を室温で成膜することができるので、前記絶縁性基板として耐熱温度が比較的低いポリエチレンテレフタレートやポリカーボネイトなどの有機基板を採用することができる。
【0026】
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタを回路の一部として前記絶縁性基板の前記一表面上に集積化した回路を有することを特徴とする。この請求項7の発明の構成によれば、従来に比べてより簡単な製造プロセスで製造可能となる。
【0027】
【発明の実施の形態】
本実施形態では、上述の図12に示したインバータを集積化した集積回路装置について図1を参照しながら説明する。なお、本実施形態の集積回路装置においても、従来例と同様に、インバータのハイサイドのスイッチング素子S1をpチャネル有機電界効果トランジスタTpにより構成し、ローサイドのスイッチング素子S2をnチャネル有機電界効果トランジスタTnにより構成している。
【0028】
本実施形態の集積回路装置は、絶縁性基板1の一表面上にpチャネル有機電界効果トランジスタTpとnチャネル有機電界効果トランジスタTnとが形成されている。なお、絶縁性基板1としては、例えば、表面をシリコン酸化膜などの絶縁膜により覆われたシリコン基板のような無機基板や、絶縁性を有する有機材料(例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイトなど)からなる有機基板を用いればよく、有機基板として絶縁性を有するフレキシブルなプラスチック基板を用いてもよい。
【0029】
各有機電界効果トランジスタTp,Tnは、絶縁性基板1の上記一表面上に耐酸化性を有する金属材料(例えば、Au,Ptなど)からなるソース電極Sp,Snと耐酸化性を有する金属材料(例えば、Au,Ptなど)からなるドレイン電極Dp,Dnとが規定距離だけ離間して形成され、絶縁性基板1の上記一表面上においてソース電極Sp,Snとドレイン電極Dp,Dnとの間に、酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する金属材料(例えば、Ta,Al,Zr,Laなど)からなるゲート電極Gp,Gnが形成されている。
【0030】
ここに、ゲート電極Gp,Gnは、ソース電極Sp,Snとドレイン電極Dp,Dnとの並び方向において、ソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnと離間して形成されている。なお、pチャネル有機電界効果トランジスタTpのドレイン電極Dpとnチャネル有機電界効果トランジスタTnのドレイン電極Dnとは上記並び方向において連続している。つまり、pチャネル有機電界効果トランジスタTpとnチャネル有機電界効果トランジスタTnとはゲート電極Gp,Gnの並設方向においてドレイン電極Dp,Dn同士が隣接し電気的に接続されている。また、各ソース電極Sp,Snおよび各ドレイン電極Dp,Dnは、構成材料が同じ金属材料であり、製造時に同時形成されている。
【0031】
また、各有機電界効果トランジスタTp,Tnは、ゲート電極Gp,Gnにおいて絶縁性基板1との界面と後述の金属配線5との界面を除いた表面(図1(b)における上面および左右両側面など)を覆うゲート絶縁膜2p,2nが形成されている。ここに、ゲート絶縁膜2p,2nは、上記並び方向において、ソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnと離間して形成されている。また、ゲート絶縁膜2p,2nは、ゲート電極2p,2nと同一の金属材料を構成元素として含み且つ絶縁性を有する酸化物である金属酸化物(例えば、Ta2O5,Al2O3,ZrO2,La2O3など)により形成されている。なお、Ta2O5,Al2O3,ZrO2,La2O3は、従来例におけるゲート絶縁膜2p’,2n’の構成材料であるポリイミドや、MOSFETにおけるゲート絶縁膜の構成材料であるSiO2やSi3N4に比べて比誘電率が比較的大きな高誘電率材料である。ここに、各材料の比誘電率は、ポリイミドが3.5程度、SiO2が3.8程度、Si3N4が7.4程度、Ta2O5が25程度、Al2O3が9.3程度、ZrO2が12.5程度、La2O3が27程度である。要するに、例示した金属酸化物は、比誘電率が9よりも大きい。言い換えれば、ゲート電極Gp,Gnの構成材料として例示した金属材料は、その酸化膜が高誘電率となる金属材料である。
【0032】
また、上記集積回路装置は、上述の図12の回路構成を有するものであって、絶縁性基板1の上記一表面上に耐酸化性を有する金属材料(例えば、Au,Ptなど)からなる4つのパッド4が設けられている。
【0033】
本実施形態では、各ソース電極Sp,Snおよび各ドレイン電極Dp,Dnおよび各ゲート電極Gp,Gnがそれぞれ帯板状に形成され、絶縁性基板1の平面形状が矩形状であって絶縁性基板1の上記一表面上の四隅にパッド4が1つずつ配設されており、pチャネル有機電界効果トランジスタTpのソース電極Spの長手方向の一端部(図1(a)における上端部)に金属配線5を介して電気的に接続されたパッド4が上記端子Vdd(図12参照)を構成し、nチャネル有機電界効果トランジスタTnのソース電極Snの長手方向の一端部(図1(a)における下端部)に金属配線5を介して電気的に接続されたパッド4が上記端子GND(図12参照)を構成し、両ゲート電極Gp,Gnの長手方向の各一端部(図1(a)における各下端部)に金属配線5を介して電気的に接続されたパッド4が上記端子Vin(図12参照)を構成し、ドレイン電極Dnの長手方向の一端部(図1(a)における上端部)に金属配線5を介して電気的に接続されたパッド4が上記端子Vout(図12参照)を構成している。ここに、両ゲート電極Gp,Gnは、長手方向の一端部と絶縁性基板1の上記一表面との間に金属配線5の一部が介在している。したがって、両ゲート電極Gp,Gnは、従来例のようなコンタクトホール21,21(図13参照)を通すことなく、金属配線5と電気的に接続されている。要するに、集積回路装置の製造プロセスにおいて、従来のようにフォトリソグラフィ技術によってコンタクトホールを形成する工程をなくすことできる。なお、製造プロセスについては後述する。
【0034】
また、pチャネル有機電界効果トランジスタTpは、絶縁性基板1の上記一表面側においてソース電極Sp、ゲート絶縁膜2p、ドレイン電極Dp、ソース電極Spに接続された金属配線5の一部、ゲート電極Gp,Gnに接続された金属配線5の一部などを覆うようにp形有機半導体材料(例えば、ペンタセンなど)からなるp形有機半導体層3pが形成され、nチャネル有機電界効果トランジスタTnは、絶縁性基板1の上記一表面側においてソース電極Sn、ゲート絶縁膜2n、ドレイン電極Dn、ソース電極Snに接続された金属配線5の一部、ゲート電極Gnに接続された金属配線5の一部、ドレイン電極Gnに接続された金属配線5の一部などを覆うようにn形有機半導体材料(例えば、フッ素化銅フタロシアニンなど)からなるn形有機半導体層3nが形成されている。要するに、本実施形態では、p形有機半導体層3pが、絶縁性基板1の上記一表面側においてソース電極Spとゲート絶縁膜2pとドレイン電極Dpとに跨って被着され、n形有機半導体層3nが、絶縁性基板1の上記一表面側においてソース電極Snとゲート絶縁膜2nとドレイン電極Dnとに跨って被着されており、p形有機半導体層3pとn形有機半導体層3nとが隣接している。なお、p形有機半導体材料およびn形有機半導体材料は特に限定するものではない。
【0035】
以上説明した有機電界効果トランジスタTp,Tnは、ゲート電極Gp,Gnへの印加電圧(ゲート電圧)を制御して有機半導体層3p,3nに形成されるチャネルの広がりを調整することにより、ソース電極Sp,Sn−ドレイン電極Dp,Dn間を流れる電流を制御することができる。なお、本実施形態では、ソース電極Sp,Snに電気的に接続された金属配線5が第1の金属配線を構成し、ドレイン電極Dp,Dnに電気的に接続された金属配線5が第2の金属配線を構成し、ゲート電極Gp,Gnに電気的に接続された金属配線5が第3の金属配線を構成している。
【0036】
ここにおいて、本実施形態では、ゲート電極Gp,Gnと第3の金属配線5とを電気的に接続するために従来のようなコンタクトホール21,21を形成する必要がなく、しかも、ゲート電極Gp,Gnの一部を酸化することでゲート絶縁膜2p,2nを形成することが可能となるので、従来に比べてより簡単な製造プロセスで製造可能となる。また、ソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnおよび各金属配線5および各パッド4が耐酸化性を有する金属材料により形成され、ゲート電極Gp,Gnが酸化されやすく且つその酸化物が絶縁性を有する金属材料により形成されているので、製造時に、ソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnおよび各金属配線5および各パッド4およびゲート電極Gp,Gnを形成した後で、ゲート電極Gp,Gnの一部を酸化することによりゲート絶縁膜2p,2nを形成するようなプロセスを採用したとしても、ゲート絶縁膜2p,2nの形成時にソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnおよび各金属配線5および各パッド4が酸化されるのを防止することができる。また、ゲート電極Gp,Gnの金属材料として、Al,Zr,Ta,Laの群から選択される金属材料を採用すれば、ゲート電極Gp,Gnを蒸着法などの一般的な半導体製造プロセスで形成することができるという利点がある。
【0037】
ところで、図2(b)はゲート絶縁膜2p,2nとして上述の高誘電率材料を採用した場合においてチャネル6が形成される領域を模式的に示したものであり、ゲート絶縁膜2p,2nとして比誘電率が9よりも大きな上述の高誘電率材料を採用した場合には、図2(a)に示すようにゲート絶縁膜2p,2nとして比誘電率が比較的小さな材料を採用した場合に比べてチャネル6の広がりが大きくなる。要するに、図2(a)におけるチャネル6の深さをd1、図2(b)におけるチャネル6の深さをd2とすれば、d1<d2となる。
【0038】
したがって、ゲート絶縁膜2p,2nとして高誘電率材料を採用することにより、誘電率が比較的小さな材料を採用した場合に比べて、電流の経路であるチャネル6の広がりが大きくなるので、大電流化を図ることができ、高い電流駆動能力が期待できる。
【0039】
以下、本実施形態の集積回路装置の製造方法について図3〜図9を参照しながら説明する。
【0040】
まず、絶縁性基板1の上記一表面上にソース電極Sp,Snとドレイン電極Dp,Dnと各金属配線5と各パッド4とを同時にパターン形成するためのシャドウマスクM1(図5参照)を通して耐酸化性を有する金属材料(例えば、Au,Ptなど)を蒸着することでソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnおよび各金属配線5および各パッド4を形成する(図3(a)および図5参照)。なお、一例として金属材料にAuを採用した場合には、ソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnおよび各金属配線5および各パッド4の膜厚を50nm程度に設定している。
【0041】
次に、ゲート電極Gn,Gpをパターン形成するためのシャドウマスクM2(図6参照)を通して金属材料(例えば、Ta,Al,Zr,Laなど)を蒸着することでゲート電極Gn,Gpを形成する(図3(b)および図6参照)。なお、一例として金属材料にTaを採用した場合には、各ゲート電極Gp,Gnの膜厚を300nm程度に設定している。また、シャドウマスクM2は、各ゲート電極Gn,Gpの各一端部が金属配線5に重なるようにパターン設計されている。
【0042】
その後、ゲート電極Gn,Gpの露出表面(絶縁性基板1との界面および金属配線5との界面を除いた面)を酸化工程において酸化することで金属酸化物からなるゲート絶縁膜2p,2nを形成する(図3(c)および図7参照)。酸化工程としては、酸化種を含む雰囲気中(例えば、酸素雰囲気中)で熱酸化する熱酸化法、陽極酸化法などを採用することができる。ただし、熱酸化法によりゲート絶縁膜2p,2nを形成する場合においては絶縁性基板1を加熱する必要があり(例えば、Taを酸化してTa2O5を形成する場合には500℃程度に加熱する必要があり)、絶縁性基板1として表面をシリコン酸化膜などの絶縁膜により覆われたシリコン基板を採用している場合には問題ないが、絶縁性基板1としてポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイトなどの有機材料からなる有機基板を採用している場合には絶縁性基板1が熱変形する恐れがあるので、金属酸化物からなるゲート絶縁膜2p,2nを室温で成膜できる陽極酸化法を採用することが望ましい。ここに、ゲート電極Gp,GnがTaにより形成されている場合に陽極酸化法を採用する際には、例えば、絶縁性基板1を濃度が1%程度のリン酸からなる電解液中に浸漬し、ゲート電極Gp,Gnを陽極とし、電解液中において陽極にPtからなる陰極を対向配置して、陽極と陰極との間に適当な電界をかけることによって、Ta膜からなるゲート電極Gp,Gnの露出表面にTa2O5膜からなるゲート絶縁膜2p,2nを形成する。ここにおいて、ゲート電極Gp,Gnの露出表面では、下記の反応が起こっていると考えられる。
2Ta5++5O2−→Ta2O5
なお、ゲート電極Gp,Gnの材料としてTaを採用していた場合には、酸化工程において金属酸化物としてTa2O5が形成されるが、金属配線5およびパッド4は耐酸化性を有する金属材料により構成されているので、この酸化工程において酸化されることはない。また、金属酸化物としてTa2O5を採用した場合には、ゲート絶縁膜2p,2nの膜厚を50nmに設定してある。
【0043】
上述のゲート絶縁膜2p,2nを形成した後、p形有機半導体層3pをパターン形成するためのシャドウマスクM3(図8参照)を通してp形有機半導体材料(例えば、ペンタセンなど)を蒸着することでp形有機半導体層3pを形成し(図4(a)および図8参照)、続いて、n形有機半導体層3nをパターン形成するためのシャドウマスクM4(図9参照)を通してn形有機半導体材料(例えば、フッ素化銅フタロシアニンなど)を蒸着することでn形有機半導体層3nを形成する(図4(b)および図9参照)。なお、p形有機半導体材料の一例であるペンタセンは図10に示すような分子構造を有し、n形有機半導体材料の一例であるフッ素化銅フタロシアニンは図11に示すような分子構造を有している。
【0044】
以上説明した製造方法によれば、絶縁性基板1の上記一表面上にソース電極Sp,Snおよびドレイン電極Dp,Dnおよび各金属配線5および各パッド4を形成し、絶縁性基板1の上記一表面上にゲート電極Gp,Gnを当該ゲート電極Gp,Gnの一部が第3の金属配線5に接触するように形成してから、ゲート絶縁膜2p,2nを形成するようにし、ゲート絶縁膜2p,2nの形成にあたっては、ゲート電極Gp,Gnの露出表面を酸化する酸化工程を行うことにより金属酸化物からなるゲート絶縁膜2p,2nを成膜するので、ゲート電極Gp,Gnと第3の金属配線5とを電気的に接続するために従来のようなコンタクトホール21,21を形成する必要がなく、しかも、ゲート電極Gp,Gnの一部を酸化することでゲート絶縁膜2p,2nを形成することができるから、従来に比べてより簡単な製造プロセスで有機電界効果トランジスタTp,Tnおよび集積回路装置を製造することができる。
【0045】
ここにおいて、酸化工程では、酸化種を含む雰囲気中でゲート電極Gp,Gnの露出表面を酸化することでゲート絶縁膜2p,2nを成膜するようによれば、ゲート絶縁膜2p,2nを容易に形成することができる。また、酸化工程において、陽極酸化法によりゲート電極Gp,Gnの露出表面を酸化することでゲート絶縁膜2p,2nを成膜するようにすれば、ゲート絶縁膜2p,2nを室温で成膜することができるので、絶縁性基板1として耐熱温度が比較的低いポリエチレンテレフタレートやポリカーボネイトなどの有機基板を採用することができる。
【0046】
【発明の効果】
請求項1の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成されたソース電極と、絶縁性基板の前記一表面上においてソース電極から離間して形成されたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間でソース電極およびドレイン電極それぞれと離間して絶縁性基板の前記一表面上に形成されたゲート電極と、絶縁性基板の前記一表面上においてソース電極に電気的に接続された第1の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面上においてドレイン電極に電気的に接続された第2の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面上においてゲート電極に電気的に接続された第3の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面側においてゲート電極における絶縁性基板との界面および第3の金属配線との界面を除いてゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、絶縁性基板の前記一表面側においてソース電極とゲート絶縁膜とドレイン電極とに跨って被着された有機半導体層とを備え、ゲート電極が、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線それぞれの金属材料よりも酸化されやすい金属材料により形成され、ゲート絶縁膜は、ゲート電極を構成する金属材料の酸化物からなり、且つ、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線の形成後にゲート電極における前記各界面を除いた露出表面を酸化することにより形成されてなるものであり、ゲート電極と第3の金属配線とを電気的に接続するために従来のようなコンタクトホールを形成する必要がなく、しかも、製造時に、ソース電極およびドレイン電極および第1ないし第3の金属配線およびゲート電極を形成した後で、ゲート電極の一部を選択的に酸化することでゲート絶縁膜を形成することが可能となるので、従来に比べてより簡単な製造プロセスで製造可能となるという効果がある。
【0047】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記ゲート絶縁膜は、比誘電率が9よりも大きいので、従来のようにゲート絶縁膜の材料としてポリイミドのような比誘電率が9よりも小さい材料を採用している場合に比べて、前記有機半導体層に形成されるチャネルの広がりを大きくすることができ、大電流化を図ることができるという効果がある。
【0049】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記ゲート電極の金属材料は、Al,Zr,Ta,Laの群から選択されるので、前記ゲート電極を蒸着法などの一般的な半導体製造プロセスで形成することができるという効果がある。
【0050】
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法であって、絶縁性基板の前記一表面上にソース電極およびドレイン電極および第1の金属配線および第2の金属配線および第3の金属配線を同時形成し、絶縁性基板の前記一表面上にソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線それぞれの金属材料よりも酸化されやすい金属材料からなるゲート電極を当該ゲート電極の一部が第3の金属配線に接触するように形成してから、ゲート絶縁膜を形成するようにし、ゲート絶縁膜の形成にあたっては、ゲート電極の露出表面を酸化する酸化工程を行うことによりゲート電極を構成する金属材料の酸化物からなるゲート絶縁膜をゲート電極における絶縁性基板との界面および第3の金属配線との界面を除いてゲート絶縁膜を覆うように成膜するので、ゲート電極と第3の金属配線とを電気的に接続するために従来のようなコンタクトホールを形成する必要がなく、しかも、ソース電極およびドレイン電極および第1ないし第3の金属配線およびゲート電極を形成した後で、ゲート電極の一部を選択的に酸化することでゲート絶縁膜を形成することができるので、従来に比べてより簡単な製造プロセスで有機電界効果トランジスタを製造することができるという効果がある。
【0051】
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記酸化工程では、酸化種を含む雰囲気中で前記ゲート電極の露出表面を酸化することで前記ゲート絶縁膜を成膜することを特徴とする。この請求項5の発明の製造方法によれば、前記ゲート絶縁膜を容易に形成することができるという効果がある。
【0052】
請求項6の発明は、請求項4の発明において、前記酸化工程では、陽極酸化法により前記ゲート電極の露出表面を酸化することで前記ゲート絶縁膜を成膜することを特徴とする。この請求項6の発明の製造方法によれば、前記ゲート絶縁膜を室温で成膜することができるので、前記絶縁性基板として耐熱温度が比較的低いポリエチレンテレフタレートやポリカーボネイトなどの有機基板を採用することができるという効果がある。
【0053】
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタを回路の一部として前記絶縁性基板の前記一表面上に集積化した回路を有することを特徴とする。この請求項7の発明の構成によれば、従来に比べてより簡単な製造プロセスで製造可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態における集積回路装置を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A’断面図、(c)は(a)のB−B’断面図である。
【図2】同上の動作説明図である。
【図3】同上の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図4】同上の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図5】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図6】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図7】同上の説明方法を説明する図であって、(a)は図3(c)のA−A’断面図、(b)は図3(c)のB−B’断面図である。
【図8】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図9】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図10】同上において採用するp形有機半導体材料の一例の分子構造図である。
【図11】同上において採用するn形有機半導体材料の一例の分子構造図である。
【図12】従来例におけるインバータの回路図である。
【図13】従来例における集積回路装置を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A’断面図、(c)は(a)のB−B’断面図である。
【図14】同上の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図15】同上の製造方法を説明するための主要工程平面図である。
【図16】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図17】同上の製造方法を説明する図であって、図14(b)のA−A’断面図である。
【図18】同上の説明方法を説明する図であって、(a)は図14(c)のA−A’断面図、(b)は図14(c)のB−B’断面図である。
【図19】同上の製造方法を説明する図であって、図15(a)のA−A’断面図である。
【図20】同上の製造方法を説明する図であって、図15(a)のB−B’断面図である。
【図21】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図22】同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【符号の説明】
1 絶縁性基板
2p ゲート絶縁膜
2n ゲート絶縁膜
3p p形有機半導体層
3n n形有機半導体層
4 パッド
5 金属配線
Dp ドレイン電極
Dn ドレイン電極
Gp ゲート電極
Gn ゲート電極
Sp ソース電極
Sn ソース電極
Tp pチャネル有機電界効果トランジスタ
Tn nチャネル有機電界効果トランジスタ
Claims (7)
- 絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成されたソース電極と、絶縁性基板の前記一表面上においてソース電極から離間して形成されたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間でソース電極およびドレイン電極それぞれと離間して絶縁性基板の前記一表面上に形成されたゲート電極と、絶縁性基板の前記一表面上においてソース電極に電気的に接続された第1の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面上においてドレイン電極に電気的に接続された第2の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面上においてゲート電極に電気的に接続された第3の金属配線と、絶縁性基板の前記一表面側においてゲート電極における絶縁性基板との界面および第3の金属配線との界面を除いてゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、絶縁性基板の前記一表面側においてソース電極とゲート絶縁膜とドレイン電極とに跨って被着された有機半導体層とを備え、ゲート電極が、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線それぞれの金属材料よりも酸化されやすい金属材料により形成され、ゲート絶縁膜は、ゲート電極を構成する金属材料の酸化物からなり、且つ、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線の形成後にゲート電極における前記各界面を除いた露出表面を酸化することにより形成されてなることを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
- 前記ゲート絶縁膜は、比誘電率が9よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の有機電界効果トランジスタ。
- 前記ゲート電極の金属材料は、Al,Zr,Ta,Laの群から選択されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の有機電界効果トランジスタ。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法であって、絶縁性基板の前記一表面上にソース電極およびドレイン電極および第1の金属配線および第2の金属配線および第3の金属配線を同時形成し、絶縁性基板の前記一表面上にソース電極、ドレイン電極および第1ないし第3の金属配線それぞれの金属材料よりも酸化されやすい金属材料からなるゲート電極を当該ゲート電極の一部が第3の金属配線に接触するように形成してから、ゲート絶縁膜を形成するようにし、ゲート絶縁膜の形成にあたっては、ゲート電極の露出表面を酸化する酸化工程を行うことによりゲート電極を構成する金属材料の酸化物からなるゲート絶縁膜をゲート電極における絶縁性基板との界面および第3の金属配線との界面を除いてゲート絶縁膜を覆うように成膜することを特徴とする有機電界効果トランジスタの製造方法。
- 前記酸化工程では、酸化種を含む雰囲気中で前記ゲート電極の露出表面を酸化することで前記ゲート絶縁膜を成膜することを特徴とする請求項4記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
- 前記酸化工程では、陽極酸化法により前記ゲート電極の露出表面を酸化することで前記ゲート絶縁膜を成膜することを特徴とする請求項4記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の有機電界効果トランジスタを回路の一部として前記絶縁性基板の前記一表面上に集積化した回路を有することを特徴とする集積回路装置。
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