JP4733767B2 - 半導体装置とその製造方法および画像表示装置 - Google Patents
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Description
1つは、スパッタリング等、真空チャンバーを要する真空系内での製造プロセスを何度も繰り返して各層を形成する必要があり、装置コスト、ランニングコストが非常に膨大なものとなっていた。例えば、各層の形成のために真空蒸着、ドープ、フォトリソグラフ、現像等の工程を何度も繰り返す必要があり、何十もの工程を経て素子を基板上に形成している。スイッチング動作の要となる半導体部分に関しても、p型、n型等、複数種類の半導体層を積層している。こうした従来のSi半導体による製造方法では、真空チャンバー等の製造装置の大幅な設計変更が必要とされる等の理由からディスプレイ画面の大型化のニーズに対応した設備の変更も容易ではない。
Si材料を用いたTFT素子の形成には例えば500〜1000℃と高い温度に加熱する工程が含まれるため、基板材料はこの高い工程温度でも使用できる材料に制限され、実際上はガラスを用いざるをえない。このため先に述べた電子ペーパあるいはデジタルペーパといった薄型ディスプレイを、Si半導体を用いたTFT素子を利用して構成した場合、ガラス基板のためにそのディスプレイは重く、柔軟性に欠け、落下等の衝撃で比較的容易に割れ等の破損が生じる。すなわち、ガラス基板上にTFT素子を形成して得られるディスプレイ装置では、携帯用薄型ディスプレイへのニーズを満たすことが困難である。
また、樹脂フィルムが可撓性を有し、その内部に半導体素子を形成することから可撓性を有する半導体装置(フレキシブル半導体装置)を得ることができる。
この半導体装置を用いることで、薄型化等の小型化、軽量化を実現し、さらに可撓性を有する画像表示装置の提供も可能となる。
図1は本発明の実施形態1に係る半導体装置200の断面構成を模式的に示す部分断面図である。半導体装置200では、スルーホール17内に有機半導体部30を設けている。すなわち半導体装置200は、スルーホール17が形成されている樹脂フィルム(フレキシブル基材)12を有し、スルーホール17の内部には、その壁面(内壁)17aに形成されたソース電極20およびドレイン電極20dと、有機半導体部30とを備えている。樹脂フィルム12は、一方の表面にソース電極20sまたはドレイン電極20dと電気的に接続されている導電層10を備えている。また、半導体装置200は、他方の面にスルーホール17を塞ぐように設けられた絶縁層22を備え、その絶縁層22はゲート絶縁膜として機能する。本明細書において、スルーホール17に面する絶縁層22の表面を、スルーホール17の底面17bという。さらに、絶縁層22の上にはゲート電極20gおよびゲート電極20gと電気的に接続されている導電層10が配置されている。そして、有機半導体部30は、ソース電極20s及びドレイン電極20dに接触し、さらにソース電極20sとドレイン電極20dが分離された部分で絶縁層22と接触している。
半導体装置100,200において、ゲート電極20gに電圧を加えると,ゲート電極近傍の有機半導体部30内で加えた電圧の極性に反発する電荷のキャリアが追い払われ(空乏層が発生し)、さらに、ある一定以上の電圧を加えると、絶縁層(ゲート絶縁膜)22と有機半導体部30の界面にゲート電極20gに印加した電圧の極性に引き合う電荷のキャリアが誘起され蓄積される。このような状態でソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電圧を加えると、上記界面に蓄積されたキャリアはソース電極―ドレイン電極間の電界によって移動してドレインに吸収され、ソース電極―ドレイン電極間を電流が流れることになる。
樹脂フィルム12(12a、12b)は、例えば、ポリイミド樹脂(PI)、ポリアミド樹脂(PA)、ポリエチレンナフタレート樹脂(PEN)、またはアラミド樹脂から構成されており、これらの樹脂材料は、耐熱性、寸法安定性、ガスバリア性の性質に優れており、半導体装置100、200におけるフレシキブル基材(樹脂フィルム)12の材料として好ましい。樹脂フィルム12の厚さは、例えば、1〜38μmである。
しかし、延在部24s、24dを設けることにより、チャンネル長(ソース−ドレイン間の距離)を短くすることが可能となり、そのソース−ドレイン間の有機半導体部30にチャンネルが構成される。すなわち、チャンネル長の短いFETを形成できる点で、ソース電極20sおよびドレイン電極20dは、ぞれぞれの延在部24sおよび延在部24dを有することが好ましい。
このことは、従来の半導体装置1000においてゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を含む配線層120、150をインクジェット方式等の印刷方式を用いて形成することにより生じていた以下の問題を解消できることを意味する。
図3は半導体装置100の変形例である半導体装置101を示す断面図である。半導体装置101の有機半導体部30Mは、内壁17a及び底面17bに沿って設けられ、有機半導体部30Mに囲まれた中空部が形成されている。このような中空構造は、例えば、有機半導体材料を溶媒に分散させてスルーホール17内に塗布した後、当該溶媒を消失(気化)させて、有機半導体材料をスルーホール17の内壁17a、底面17b(絶縁層22上)、ソース電極20sおよびドレイン電極20dに残すことによって形成できる。また、有機半導体材料をスルーホール17の内壁17a、底面17b(絶縁層22上)、ソース電極20sおよびドレイン電極20dに蒸着させることによっても形成できる。
図4(a)に示すように、両面に導電層10が形成された樹脂フィルム12(12a)を用意する。例えば、厚さ4μmのアラミド樹脂フィルムを用いることができる。また、他の樹脂フィルム(例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂)を用いてもよい。
図4(b)に示すように、樹脂フィルム12a上面の導電層10のうち、ゲート電極20gとなる部位の上に、ゲート絶縁膜22を形成する。ゲート絶縁膜22の形成は、例えば、絶縁材料を塗布することによって行うことができる。また、ゲート絶縁膜22を形成する方法は、例えば、電着塗膜を形成する電着塗装法、スプレーコータを用いたスプレー法、インクジェット方式を用いることができる。
図4(c)に示すように、上面に導電層(金属層)10が形成された樹脂フィルム12bの下面と、ゲート絶縁膜22が形成された樹脂フィルム12aの上面とを対向して配置する。そして、樹脂フィルム12bの下面と、ゲート絶縁膜22を覆うよう樹脂フィルム12aの上面とを接合(ラミネート)する。このように、樹脂フィルム12aと樹脂フィルム12bとを接着(積層)して、多層樹脂基板15を形成する。
図5(a)に示すように、ゲート絶縁膜22が露出するように樹脂フィルム12bに、スルーホール17を形成する。図5(a)に示す実施形態では、スルーホール17の形成は、レーザを照射することによって実行しているが、スルーホール17の形成は、他の方法(例えば、エッチングなど)を用いてもよい。また図5(a)に示す実施形態では、樹脂フィルム12の上方から見たスルーホール17の形状は、円形であるが、他の形状(楕円形、長円形、矩形など)にすることも可能である。
図5(b)に示すように、スルーホール17の内壁17aおよびゲート絶縁膜22(スル−ホール17の底面17bの部分)に対して金属メッキを行って、金属層20を形成する。例えば、銅メッキによって金属層20を形成する。金属層20は、導電層10と接続するように形成される。
図5(c)に示すように、スルーホール17の底面17bに位置する金属層20の一部を除去することにより、金属層20を分割してソース電極20sとドレイン電極20dとを形成する。この金属層20の除去は、例えば、レーザ照射によって行うことができる。
図6に示すように、スルーホール17内に有機半導体を含む材料を充填し、スルーホール17内に有機半導体部30を形成する。
本実施形態の有機半導体部30を構成する有機半導体材料としては、上記説明と重複する内容もあるが、例えば、次のようなものを挙げることができる。(1)ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセンおよびそれらの誘導体からなる群から選択されるアセン分子材料、(2)フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物およびペリレン系化合物からなる群から選択される顔料およびその誘導体、(3)ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、スチルベン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物およびトリアリールアミン化合物からなる群から選択される低分子化合物およびその誘導体、(4)ポリ−N−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−N−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ピレンホルムアルデヒド樹脂およびエチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される高分子化合物である。あるいは、有機半導体材料は、フルオレノン系、ジフェノキノン系、ベンゾキノン系、インデノン系、ポルフィリン系、ポリ
チオフェン系およびポリフェニレン系化合物であってもよい
また、有機半導体が低分子有機半導体(例えば、ペンタセン)の場合、蒸着プロセスによって有機半導体部30を形成することが好ましいことが多い。
以上の工程1〜7により半導体装置100を得ることができる。
従来は全印刷方式で、有機半導体部と共に導電層(配線)も形成することがあり、この場合、配線線は金属ナノペーストによって形成することが多い。しかし、金属ナノペーストは高価であり、また、金属ナノペーストによって作製された配線は、典型的な銅配線よりも高抵抗であることが多い。本実施形態の手法によれば、高価な金属ナノペーストを用いなくても、典型的な銅配線パターンを簡便に作製することができ、それゆえ、技術的価値が大きい。
これにより半導体装置100、200では、インクジェット方式で、各層を形成する従来の半導体装置1000が有する以下の問題を生じない。
工程3の積層工程を行った後、工程4、5に代えて樹脂フィルム12bの上面に形成された金属層(導電層)10を、ゲート絶縁膜22に接触するように押入しスルーホール17を形成する。スルーホールの形成条件を適宜選択することで、スルーホール17の形成過程で導電層10が変形し、スルーホール17の内壁17aおよび底面17b(絶縁層の上部)に延在する。
次いで、ゲート絶縁膜22を露出するように、絶縁層22上の金属層10の一部を除去する。この金属層10の一部を除去する工程は、上述した工程6と同じように、レーザを用いて行うことができる。
この変形例では、工程4、5を大幅に簡略化された上述の別工程に置き換えることができる。
次に、図8を参照しながら、本発明の実施形態2に係る半導体装置102について説明する。
図10(a)に示すように、図4(a)と同様に、両面に導電層10が形成された樹脂フィルム12aを用意する。
図10(b)に示すように、樹脂フィルム12aの上面の導電層10のゲート電極となる部位20gを覆うように、樹脂フィルム12aの上方に樹脂フィルム12bを配置する。その後、樹脂フィルム12aと樹脂フィルム12bとを接合し、多層樹脂基板15を形成する。この積層(ラミネート工程)は、例えば、80℃で2分間、0.5MPaの圧力で行うことができる。
図10(c)に示すように、多層樹脂基板15の樹脂フィルム12bに、ゲート電極20gが露出するようにスルーホール17を形成する。本実施形態では、例えばCO2レーザによって直径300μm(樹脂フィルム12b上面での直径)のスルーホール17を形成する。
図11(a)に示すように、スルーホール17の内壁17a、ゲート電極20g(スルーホール17の底面部)を含めた樹脂フィルム12bの上面に絶縁層22Mを形成する。本実施形態では、樹脂フィルム12bの上面の全面に、Bステージ樹脂(例えば、エポキシ樹脂)をスピンコートし、80℃で乾燥し、その後、200℃で熱処理して熱硬化を完了し、絶縁層22Mを形成する。
図11(b)に示すように、絶縁層22Mの上に導電層10を形成する。ここでは、樹脂フィルム12bの上面の全面に銅メッキを施して、絶縁層22Mの上に導電層10を形成する。
図11(c)に示すように、スルーホール17内の絶縁層22上の導電層10から、ソース電極20sとドレイン電極20dを形成する。本実施形態では例えば、スルーホール部17内に位置する導電層10の所定部位をレーザによって除去することによってソース電極20sとドレイン電極20dとを分離する。樹脂フィルム12bの上面に位置する導電層10をエッチングすることによってパターニングしソース電極20sおよびドレイン電極20dと電気的に接続された配線層を形成する。
図11(d)に示すように、スルーホール17内に有機半導体を導入することによって、スルーホール17内に有機半導体部30を形成する。キシレンで溶解した有機半導体をイングジェット方式によりスルーホール17内に塗布し、次いで、熱処理(例えば、200℃で30分)を行って、有機半導体の溶剤を飛散させ、有機半導体を結晶化して有機半導体部30を形成してもよい。このようにして、図8に示した半導体装置102を作製することができる。
図12は本発明にかかる画像表示装置(有機ELディスプレイ装置)500を示す切り取り斜視図である。画像表示装置500は、複数の発光素子80を規則的に配列した発光層600と、前記発光素子を駆動(ON/OFFの制御)するための半導体装置300が複数配置されている駆動回路層700と、駆動回路層700にデータライン92とスイッチングライン94を介して電流を供給するドライバ部800、850とを有している。
半導体装置300は、画像装置500の一部を構成する半導体装置である。画像表示装置500の画素1つに対応する有機EL素子(発光素子)80を1つ有し、この発光素子80の発光を制御する発光素子制御装置であり、従って画像装置500の画素数に相当する数の半導体装置300が画像装置500に含まれている。以下に図13を参照しながら、半導体装置300について説明する。
12,12a,12b 樹脂フィルム
13 ビアホール(スルーホール)
14 層間接続部材(ビア)
15 多層樹脂基板(多層配線基板)
17 スルーホール
20s,20Ms ソース電極
20d,20Md ドレイン電極
20g ゲート電極
22 絶縁層(ゲート絶縁膜)
22g ゲート絶縁膜
22M 絶縁層
24s ソース電極の延在部
24d ドレイン電極の延在部
30,30M 有機半導体部
35 間隙
50 層間接続部材(ビア)
80 発光素子有機EL素子
82 透明電極
86 補強フィルム
92 データライン
94 選択ライン
100,101,102,103,200,300 半導体装置
100A スイッチングトランジスタ
100B ドライバトランジスタ
110 樹脂基板
120 配線層
120d ドレイン電極
120s ソース電極
130 有機半導体層
140 絶縁膜
150 配線層
150g ゲート電極
500 画像表示装置
1000 半導体装置
Claims (25)
- 一方の面から他方の面に貫通するスルーホールを有する樹脂フィルムと、
前記スルーホールの内壁に沿って設けられたソース電極と、
前記スルーホールの内壁に沿って設けられたドレイン電極と、
前記スルーホールに対向して前記樹脂フィルムの他方の面に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極上に設けられ、前記スルーホール内の底部に位置する絶縁層と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極とに接触するように前記スルーホールの内部に配置された有機半導体と、を備え、
前記有機半導体は、前記スルーホール内の底部において前記絶縁層の少なくとも一部と接触し、その接触した絶縁層の近傍の有機半導体にチャンネルが形成されることを特徴とする半導体装置。 - 前記樹脂フィルムの他方の面に接合された第2樹脂フィルムを更に有する請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2樹脂フィルムが第2スルーホールと該第2スルーホールに形成された導電性組成物とからなるビアを有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ソース電極が前記絶縁層上に延在するソース電極延在部を有し、前記ドレイン電極が前記絶縁層上に延在するドレイン電極延在部を有し、前記ソース電極延在部と前記ドレイン電極延在部の間で前記有機半導体が前記絶縁体と接触していることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体装置。
- 前記ソース電極延在部と前記ドレイン電極延在部とは櫛形形状を有し、互いに噛み合うように対向離間して配置されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記絶縁層が、前記スルーホールの底部から延在して前記スルーホールの内壁を覆うように形成され、前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記絶縁層を介して前記スルーホールの内壁に沿って形成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の半導体装置。
- 前記有機物半導体が中空部を有することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の半導体装置。
- 前記有機半導体の前記中空部に絶縁材料が充填されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 前記有機半導体が高分子有機半導体から成ることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の半導体装置。
- 前記有機半導体が低分子有機半導体から成ることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の半導体装置。
- 前記樹脂フィルムが、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂およびアラミド樹脂から成る群より選択される何れか一つであることを特徴とする請求項1〜10の何れかに記載の半導体装置。
- 前記ソース電極及び前記ドレイン電極が、貴金属であることを特徴とする請求項1〜11の何れかに記載の半導体装置。
- 発光素子を配列した表示部と、該表示部に用いられる前記発光素子を駆動する駆動回路層とを具備し、前記駆動回路層は、請求項1〜12の何れかに記載の半導体装置を含むことを特徴とする画像表示装置。
- 請求項1〜12の何れかに記載の半導体装置の半導体素子を、ON/OFFするスイッチングトランジスタとして用いたことを特徴とする請求項13記載の画像表示装置。
- 請求項1〜12の何れかに記載の半導体装置の半導体素子を前記発光素子の発光を駆動するドライバトランジスタとして用いたことを特徴とする請求項13または14に記載の画像表示装置。
- 前記発光素子が、有機エレクトロルミネッセンス発光素子であることを特徴とする請求項13〜15の何れかに記載の画像表示装置。
- (1)樹脂フィルムの一方の面に絶縁層と該絶縁層の上に配置されるゲート電極とを形成し、前記樹脂フィルムの他方の面から前記絶縁層に至るスルーホールを形成する工程と、
(2)前記スルーホールの内壁にソース電極とドレイン電極とを形成する工程と、
(3)前記ゲート電極と前記ドレイン電極と前記絶縁層とに接触するようにスルーホール内部に有機半導体を配置する工程と、
を含み、前記有機半導体が前記絶縁層との接触部近傍にチャンネルを形成するように前記ソース電極と前記ドレイン電極とを配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記工程(1)が、表面に配置されたゲート電極と該ゲート電極の上に配置された絶縁層とを有する第2樹脂フィルムの上に前記樹脂フィルムの一方の面を配置する工程を含むことを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(1)のスルーホールを、予めスルーホールを設けた樹脂フィルムを前記第2樹脂フィルムの絶縁層上に配置して形成することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(2)において、前記ソース電極に前記絶縁層上を延在するソース電極延在部を設け、前記ドレイン電極に前記絶縁層上を延在するドレイン電極延在部を設け、前記ソース電極延在部と前記ドレイン電極延在部との間で前記有機半導体と前記絶縁層とを接触させることを特徴とする請求項17〜19の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- (1)樹脂フィルムの一方の面にゲート電極を形成し、前記樹脂フィルムの他方の面から前記ゲート電極に至るスルーホールを形成する工程と、
(2)前記スルーホールの内壁および前記スルーホールより露出する前記ゲート電極を絶縁層で覆う工程と、
(3)前記スルーホールの内壁に沿って前記絶縁層の上にソース電極とドレイン電極とを形成する工程と、
(4)前記ゲート電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲート電極を覆う前記絶縁層と、に接触するようにスルーホール内部に有機半導体を配置する工程と、
を含み、前記有機半導体が前記ゲート電極を覆う前記絶縁層との接触部近傍にチャンネルを形成するように前記ソース電極と前記ドレイン電極とを配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記工程(1)が、表面に配置されたゲート電極を有する第2樹脂フィルムの上に前記樹脂フィルムの一方の面を配置する工程を含むことを特徴とする請求項21に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(1)のスルーホールを、予めスルーホールを設けた樹脂フィルムを前記第2樹脂フィルムのゲート電極上に配置して形成することを特徴とする請求項22に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(3)において、前記ソース電極に前記ゲート電極を覆う前記絶縁層上を延在するソース電極延在部を設け、前記ドレイン電極に前記ゲート電極を覆う前記絶縁層上を延在するドレイン電極延在部を設け、前記ソース電極延在部と前記ドレイン電極延在部の間で前記有機半導体と前記ゲート電極を覆う前記絶縁層とを接触させることを特徴とする請求項21〜23の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(1)のスルーホールが前記樹脂フィルムへのレーザ照射により形成されることを特徴とする請求項17〜24の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
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