JP5098159B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。

近年、電子ペーパーやＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ等の電子部品装置が注目されており、低コスト化、フレキシブル化、軽量化などが必要とされている。これらの観点から、半導体層としてシリコンなどの無機半導体材料に代わる有機半導体材料の研究が盛んに行われている。一般に、有機半導体材料を用いる場合、液体でのプロセスが可能となるため大面積化、印刷法の適用、プラスチック基板の利用などといった利点が挙げられる（非特許文献１参照）。

このため印刷法を用いたトランジスタ、特には有機トランジスタが注目されている。この方法が、注目されているのは、以下の理由による。

低温でのプロセス加工が可能であるので基材に樹脂フィルムを用いることが可能である。

また、半導体材料が有機物である場合、この有機物を溶媒に溶解した溶液を用いて半導体層のパターンを形成することが可能であるため、高温、高真空プロセスが不要となり、低コストでトランジスタを作製することが可能となる。

前記溶液から半導体層を形成するには、スピンコート法やディップ法、インクジェット法などの方法が挙げられる。スピンコート法やディップ法ではトランジスタを複数配置したトランジスタアレイにおいて、ソース電極とドレイン電極の素子間の半導体層中を電流が流れてしまうため、オフ状態での電流値が大きくなり、オンオフ比が低下してしまう問題がある。

このため、例えば特許文献１においてはインクジェット法を用いて所望の場所に半導体層を形成することにより、素子分離の問題を回避している。また、例えば特許文献２においてはソース電極、ドレイン電極の間のチャネル部に半導体材料溶液を注入することによって素子分離の問題を回避している。

また、例えば特許文献３のようにインクジェット法を用いてソース電極、ドレイン電極の間のチャネル部のみに半導体材料溶液を吐出することにより半導体層を形成して、素子分離の問題を回避している。

しかしながら、特許文献１の方法では半導体層の膜厚が、ソース電極およびドレイン電極より厚くなることにより、オフ電流が大きくなるという問題がある。また、特許文献２および３の方法ではチャネル部のみに半導体層が存在し、且つソース電極及びドレイン電極の厚みよりも半導体層の厚みの方が薄いため、半導体層と電極との接触面積が小さく、オフ電流は小さくなるが接触抵抗が大きくなるために電荷の注入が効果的ではない。

一方、有機トランジスタの場合、半導体層内での膜厚が均一である必要がない。

以下に公知文献を記す。
特開２００５−２１００８６号公報 特開２００４−８００２６号公報 特開２００３−３０９２６５号公報 Ｇａｒｎｉｅｒ他 Ｓｃｉｅｎｃｅ 第２６５巻１８８４ページから１８８６ページ（１９９４年）

本発明の課題は、薄膜トランジスタのソース・ドレイン電極間のチャネル部で形成した半導体層では、その膜厚がソース及びドレイン電極の膜厚より厚い場合にはソース電極とドレイン電極の素子間の半導体層中を電流が流れて、オフ状態での電流値が大きくなり、オンオフ比が低下するため、また反対に薄い場合にはソース電極及びドレイン電極との接触面積が小さく、接触抵抗が大きくなるために電荷の注入が低下するため、半導体層の膜厚を最適化により、オフ状態での電流を小さく保ちながら接触抵抗を小さくすることを可能にする薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することである。

本発明の請求項１記載の発明は、絶縁性の基板上に、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を形成する薄膜トランジスタの製造方法において、ソース電極とドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極のうち少なくとも一つが印刷法で形成され、前記半導体層が、乾燥過程における液滴の端と中央との乾燥速度の差を利用することにより、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。

本発明の請求項２記載の発明は、絶縁性の基板上に、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を形成する薄膜トランジスタの製造方法において、ソース電極とドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成する薄膜トランジスタの製造方法であって、前記ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極のうち少なくとも一つが印刷法で形成され、前記半導体層が、ソース及びドレイン電極とゲート絶縁膜の表面エネルギーの差を利用することにより、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。

本発明の請求項３記載の発明は、前記印刷法が、スクリーン印刷、反転オフセット印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷法のいずれかの一つの印刷法で電極を形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタの製造方法である。

本発明の請求項４記載の発明は、前記半導体層が、インクジェット印刷で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法によれば、ソース・ドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなっていることにより、オフ電流を小さく保ちながら接触抵抗を小さくすることができる薄膜トランジスタを作製できる。

本発明の薄膜トランジスタ及びその製造方法を一実施形態に基づいて以下説明する。

本発明の実施形態における半導体層の膜厚分布を得る方法としては、溶液を用いたパターニング法においては特に限定されるものではなく、半導体材料溶液をパターニング後に乾燥することで、所謂「コーヒーのしみ」として知られている現象を利用することが出来る。即ち、乾燥過程において液滴の端と中央とで乾燥速度が異なり、乾燥が早い端から膜となるために中央から端に向かって溶媒及び半導体材料が移動する。そのため、中央に比べて液滴の端に半導体材料が多く存在することとなり、結果液滴の端、即ちソース電極及びドレイン電極の上若しくは近傍での膜厚が厚くなる。この方法以外にも、ソース及びドレイン電極とゲート絶縁膜の表面エネルギーの差を利用する方法や、乾式法により成膜した半導体層をフォトリソグラフィー法によりパターニングすること等により所望の膜厚分布を得ることができる。表面エネルギーの差を利用する場合、ゲート絶縁膜よりもソース及びドレイン電極の表面エネルギーを大きくする必要がある。即ち、ゲート絶縁膜表面に対する半導体材料溶液の接触角よりも電極表面に対する接触角のほうが小さいことが必要である。

図１（ｄ）は、本発明の薄膜トランジスタの一実施例の部分拡大した側断面図である。本発明の薄膜トランジスタは、絶縁性の基板１１上に、少なくともゲート電極１２、ゲート絶縁膜１３、ソース電極とドレイン電極１４、半導体層１５を有し、前記半導体層１５の形状に特徴がある。図１（ｄ）の薄膜トランジスタでは、ソース電極とドレイン電極１４との間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央で薄く、チャネル部両端で厚くなっている。本発明の半導体層においては、ソース電極とドレイン電極１４の先端部では半導体層の膜厚が厚くし、中央部では薄く形成し、厚い部位では、電極と半導体層の接触抵抗を抑えて、薄い部位では、層中の漏れ電流を抑える形状にした。

本発明の実施形態におけるトランジスタの構造としては、ボトムコンタクト型であれば特に限定されるものではなく、ボトムゲート・ボトムコンタクト（プレーナ）型、トップゲートボトムコンタクト（スタガー）型の基本構造に用いることが出来る。

本発明の実施形態における基板に用いる材料は、特に限定されるものではなく、一般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フレキシブルなプラスチック材料、石英などのガラス基板やシリコンウェハなどがある。しかしながら、フレキシブル化や各プロセス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。

本発明の実施形態において、電極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、一般に用いられる材料には金、白金、ニッケル、インジウム錫酸化物などの金属、又は酸化物の薄膜、若しくはポリ（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）やポリアニリンなどの導電性高分子や金、銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液、又は銀などの金属粒子を導電材料として用いた厚膜用の金属ペーストなどがある。

また、電極の形成方法としては、特に限定されるものではなく、蒸着、スパッタなどの
乾式成膜法も考えられる。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、フレキソ印刷、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。スクリーン印刷により電極を形成する場合、一般的に電極の膜厚は厚くなるが、このような場合において本発明の効果は顕著である。即ち、電極が厚膜であるため接触面積を大きくすることが出来る一方、チャネル部中央の半導体層膜厚が薄いためオフ電流を小さく保つことが出来る。

本発明の実施形態において、ゲート絶縁膜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などの高分子溶液、アルミナやシリカゲルなどの粒子を分散させた溶液などがある。また、ＰＥＴやＰＥＮ、ＰＥＳなどの薄膜フィルムをゲート絶縁膜として用いることも出来る。

本発明の実施形態において、半導体層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の共重合体、又はそれらの誘導体の高分子有機半導体材料材料、ペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、ペリレン、又はそれらの誘導体の低分子有機半導体材料を用いることができるが、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材料ナノ粒子分散液なども半導体材料として用いることができる。

有機半導体材料の印刷方法としては、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷、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。一般に、上記の有機半導体材料に関しては、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反転オフセット印刷、フレキソ印刷、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、本発明の実施例について説明する。

実施例１では、ボトムゲート・ボトムコンタクト型素子の薄膜トランジスタの製造方法である。図１は、ソース・ドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなっているボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、基板１１（ポリイミド：宇部興産（株）製）上に電極材料（住友電工（株）製）２１をスクリーン印刷機３１とスキージ３２を用いて印刷した。次いで、１５０℃で３０分乾燥してゲート電極１２を形成した。

次いで、ゲート絶縁材料２２（ポリビニルフェノール：Ａｌｄｒｉｃｈ（株）製）をダイコーター３３により塗布し、２００℃で３０分乾燥させてゲート絶縁膜１３を形成した（図１（ｂ）参照）。

次いで、図１（ｃ）に示すように、電極材料２１をスクリーン印刷機とスキージを用いて印刷し、ソース・ドレイン電極１４を形成した。

次いで、図１（ｄ）に示すように、インクジェット装置３４を用いて半導体材料２３（ポリ（３−ヘキシルチオフェン）：Ａｌｄｒｉｃｈ（株）製）を印刷、１００℃で１時間乾燥させて半導体層１５とした。

次いで、接触式膜厚計を用いて半導体層の断面形状を測定した。チャネル部は０．５μｍ、電極上での膜厚は１．８μｍであった。この結果、ソース・ドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなっているボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタ１０を製造した。

実施例２では、トップゲート・ボトムコンタクト型素子の薄膜トランジスタの製造方法である。図２は、ソース・ドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなっているトップゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの製造方法の一例を示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、基板１１（ポリイミド：宇部興産（株）製）上に電極材料（住友電工（株）製）２１をスクリーン印刷機３１とスキージ３２を用いて印刷、１５０℃で３０分乾燥してソース・ドレイン電極１４を形成した。

次いで、インクジェット装置３５を用いて半導体材料２３（ポリ（３−ヘキシルチオフェン）：Ａｌｄｒｉｃｈ（株）製）を印刷、１００℃で１時間乾燥させて半導体層１５を形成した。

次いで、接触式膜厚計を用いて半導体層の断面形状を測定した。チャネル部は０．４μｍ、電極上での膜厚は１．７μｍであった。その結果、電極上の半導体層の膜厚はチャネル部中央より厚かった。

次いで、図２（ｃ）に示すように、ゲート絶縁材料２２（ポリビニルフェノール：Ａｌｄｒｉｃｈ（株）製）をダイコーター３３により塗布し、２００℃で３０分乾燥させてゲート絶縁膜１３を形成した。

次いで、電極材料２１をスクリーン印刷機３１とスキージ３２を用いて印刷、１５０℃で３０分乾燥してゲート電極１２を形成した（図２（ｄ）参照）。

この結果、ソース・ドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の膜厚が、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなっているトップゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタ２０を製造した。

本発明のボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの製造方法の一実施例の工程を説明する側断面図である。 本発明のトップゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタの製造方法の一実施例の工程を説明する側断面図である。

符号の説明

１０…ボトムゲート・ボトムコンタクト型薄膜トランジスタ
２０…トップゲート・ボトムコンタクト型薄膜トランジスタ
１１…基板
１２…ゲート電極
１３…ゲート絶縁膜
１４…ソース・ドレイン電極
１５…半導体層
２１…電極材料
２２…ゲート絶縁材料
２３…半導体材料
３１…スクリーン印刷機
３２…スキージ
３３…ダイコーター
３４…インクジェット装置

Claims (4)

1. 絶縁性の基板上に、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を形成する薄膜トランジスタの製造方法において、ソース電極とドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成する薄膜トランジスタの製造方法であって、
   前記ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極のうち少なくとも一つが印刷法で形成され、
   前記半導体層が、乾燥過程における液滴の端と中央との乾燥速度の差を利用することにより、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
2. 絶縁性の基板上に、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極、半導体層を形成する薄膜トランジスタの製造方法において、ソース電極とドレイン電極間のチャネル部を形成する半導体層の厚みが、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成する薄膜トランジスタの製造方法であって、
   前記ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極のうち少なくとも一つが印刷法で形成され、
   前記半導体層が、ソース及びドレイン電極とゲート絶縁膜の表面エネルギーの差を利用することにより、チャネル部中央よりもチャネル部両端で厚くなるように形成されることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
3. 前記印刷法が、スクリーン印刷、反転オフセット印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷法のいずれかの一つの印刷法で電極を形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜トランジスタの製造方法。
4. 前記半導体層が、インクジェット印刷で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。