JP5636626B2 - 半導体薄膜の形成方法および薄膜半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体薄膜の形成方法および薄膜半導体装置の製造方法に関し、特には加熱による特性劣化を抑えることが可能な有機半導体薄膜の形成方法およびこの形成方法を行う薄膜半導体装置の製造方法に関する。

有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）のような有機半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の製造においては、塗布・印刷プロセスを適用した有機半導体薄膜の成膜が可能である。例えば、有機半導体材料を溶媒に溶かした溶液を基板上に塗布し、これを乾燥させることにより、単一構成の有機半導体材料からなる有機半導体薄膜を得ることができる。このため、従来のシリコン（Ｓｉ）等の無機半導体材料を用いた半導体装置と比較して、基板の大型化や製造コストの低減を図ることができる。また、塗布・印刷プロセスなどはプロセス温度が低いため、プラスチック基板上への形成が可能であり、可撓性を有する半導体装置としても期待されている。このような一例として、プラスチック基板上に有機ＴＦＴを設けたバックプレーンを作製し、これを用いて液晶表示装置やＯＬＥＤ表示装置のようなフラットパネル型の表示装置を作製した報告が成されている。

有機半導体薄膜を構成する材料としては、例えば、ポリチオフェン、ぺンタセン、ルブレンなどの幅広い材料が研究されており、アモルファスシリコンからなる半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置と同程度以上の移動度を有するものもあると報告されている（例えば、下記非特許文献1参照）。

「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、{ HYPERLINK "http://scitation.aip.org/dbt/dbt.jsp?KEY=APPLAB&Volume=69" ,Ｖｏｌｕｍｅ６９}，Ｉｓｓｕｅ２６，１９９６年、ｐ．４１０８−４１１０

しかしながら、有機半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置は、加熱によって移動度が劣化する問題があった。実際の実験においては、加熱前に移動度０．１４ｃｍ²／Ｖｓあったものが、窒素雰囲気下において１８０℃にまで加熱した状態では、移動度６×１０^-4ｃｍ²／Ｖｓとなり、加熱によって移動度が１／１００以下にまで劣化することが確認されている。尚、窒素雰囲気下での加熱であるため有機半導体材料が酸化しているわけではないこと、さらに用いた有機半導体材料そのものは１８０℃にまで加熱しても熱分解しないことから、このような加熱による移動度の劣化は有機半導体材料自体の変質に起因するものではないことが分かっている。

そこで本発明は、加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化を抑制可能で、耐熱性の向上が図られた半導体薄膜をより簡便な手順によって得ることが可能な半導体薄膜の形成方法を提供すること、およびこの方法を適用した薄膜半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明の半導体薄膜の形成方法および薄膜半導体装置の製造方法は、低分子半導体材料および高分子絶縁材料を含む有機材料を混合した溶液を基板上に塗布または印刷して薄膜を形成し、この薄膜を乾燥させる過程で低分子半導体材料と高分子絶縁材料とを相分離させることにより、低分子半導体材料からなる少なくとも２層の半導体層と高分子絶縁材料からなると共に２層の半導体層間に挟持された中間層とを含む積層構造の半導体薄膜を形成することを特徴とする。有機材料の相分離は、溶液を構成する高分子絶縁材料の分子量を調整することによって実現する。

このような方法において得られる積層構造の半導体薄膜は、以降の実施例で説明するように、単層構造の半導体薄膜と比較して加熱による移動度劣化が小さく抑えられることが実験によって確認された。このため、この半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置は、加熱による特性劣化が防止されたものとなる。このような移動度劣化の抑制は、１つの要因として、半導体薄膜の加熱による膨張が積層構造としたことによって抑えられていることが考えられる。そして、特に以上の形成方法では、積層構造の半導体薄膜が1回の塗布工程で形成される。

以上説明したように本発明によれば、半導体薄膜とこれを用いた薄膜半導体装置においての加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化を抑制可能な積層構造の半導体薄膜を、極めて簡便な手順によって得ることが可能になる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて、次に示す順に実施の形態を説明する。
１．半導体薄膜の構成
２．半導体薄膜の形成方法
３．薄膜半導体装置−１（ボトムコンタクトボトムゲート）
４．薄膜半導体装置−２（ボトムコンタクトボトムゲートの他の例）
５．薄膜半導体装置−３（トップコンタクトボトムゲート）
６．薄膜半導体装置−４（トップコンタクトトップゲート）
７．薄膜半導体装置−５（ボトムコンタクトトップゲート）
８．薄膜半導体装置−６（ボトムコンタクトトップゲートの他の例）
９．薄膜半導体装置−７（ボトムコンタクトトップゲートのさらに他の例）
１０．表示装置
１１．電子機器

１．＜半導体薄膜の構成＞
図１は、本発明の形成方法を適用して得られる半導体薄膜の一構成例を示す断面図である。この図に示す半導体薄膜１は、積層構造中に少なくとも２層の半導体層ａ，ａ’を含んでいるいわゆる半導体複合薄膜であることを特徴としている。

これらの半導体層ａ，ａ’は、図示したように２層の半導体層ａ−ａ’間にさらに異なる材料を主成分とする中間層ｂを挟持する状態で配置されていても良い。この場合、２層の半導体層ａ，ａ’は異なる材料で構成されていても良く、同一材料で構成されていても良い。

中間層ｂは、２層の半導体層ａ，ａ’とは異なる材料からなり、この中間層ｂを含む半導体薄膜１が全体として所望の半導体性を備えれば良い。このため、中間層ｂは、例えば２層の半導体層ａ，ａ’よりも導電性が低い絶縁性材料で構成されて良く、また２層の半導体層ａ，ａ’と同程度の導電性の半導体材料で構成されていても良い。また中間層ｂの他の例としては、２層の半導体層ａ，ａ’よりも導電性が高い導電性材料で構成されていても良い。またこの中間層ｂ自体が、積層構造で構成されていても良い。また混合材料で中間層ｂを形成している場合、構成材料として半導体層ａ，ａ’の材料が含まれていてもよい。

以上の他にも、半導体薄膜１は、２層の半導体層ａ，ａ’が直接積層されている構成であっても良い。この場合、２層の半導体層ａ，ａ’は異なる材料で構成されていることとする。さらに、この半導体薄膜１は、２層の半導体層ａ，ａ'のうちの一方が半導体薄膜１の片側の表面を構成していれば、半導体層ａ，ａ’のうちの他方の外側にさらに別の層が設けられていても良い。

以上のような半導体薄膜１における半導体層ａ，ａ’さらには半導体材料からなる中間層ｂを構成する半導体材料としては、有機半導体材料や、シリコンなどの無機半導体材料が用いられる。有機半導体材料としては、アセン化合物、オリゴチオフェン誘導体，フタロシアニン誘導体，ペリレン誘導体等の低分子半導体材料が好適に用いられる。共役低分子材料は多結晶または結晶であることとする。また有機半導体材料は、poly(3-hexyl-thiophene)のような高分子有機半導体材料でもよい。特に半導体層ａ，ａ’を構成する材料は共役系低分子材料で有ることが好ましい。一方、中間層ｂは、高分子材料を用いて構成されることが好ましく、高分子材料は非晶質であっても良い。

また中間層ｂを構成する絶縁性材料としては、有機絶縁性材料や酸化シリコンなどの無機絶縁性材料が用いられる。有機絶縁性材料は、低分子材料でも高分子材料でもよく、架橋反応が可能な場合か架橋していてもよく架橋していなくてもよい。好ましくは高分子絶縁材料であることとする。このような材料としては、ポリスチレン，ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン、ナイロン、ポリイミド，環状オレフィン・コポリマー，エポキシポリマー、セルロース、ポリオキシメチレン、ポリオレフィン系ポリマー、ポリビニル系ポリマー、ポリエステル系ポリマー、ポリエーテル系ポリマー、ポリアミド系ポリマー、フッ素系ポリマー、生分解性プラスチック、フェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、及び各種ポリマーユニットを組み合わせたコポリマー等が用いられる。

尚、以上の積層構造を形成する各層は単一組成で形成されていてもよく、複数の材料が混合した混合材料で層を形成していてもよい。さらに、各層間が完全に分離している状態に限定されることはなく、各層を構成する材料が界面付近で混在していても良い。また各層の成分は異なる成分比で別層に存在していても良い。例えば半導体層ａ，ａ’の半導体材料が、中間層ｂに存在していても良い。その場合組成比、構成材料比などが異なり半導体層ａ，ａ’と中間層ｂは別層と区別できるものとする。

そして特に好ましい半導体薄膜１の例としては、多結晶または結晶性の共役系低分子半導体材料を用いた半導体層ａ／非晶質の高分子材料を用いた絶縁性の中間層ｂ／多結晶または結晶性の共役系低分子材料を用いた半導体層ａ’の積層構造が例示される。また半導体薄膜１の他の例としては、高分子系半導体材料を用いて構成された半導体層ａ−ａ’間に、半導体層ａ，ａ’とは異なる種類の高分子半導体材料で構成された中間層ｂを挟持した積層構造が例示される。

以上のような積層構造の半導体薄膜１は、これらを構成する複数材料の混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値を示すように材料選択されたものであることが好ましい。これにより次に説明する半導体薄膜１の形成において、有機材料を自発的に相分離させた半導体薄膜１を得ることが可能になる。尚、この様な各層を構成する複数材料の選択は、材料の分子構造および分子量を選択因子として行なわれる。

一例として、半導体層ａが、共役系低分子材料であるＴＩＰＳペンタセン(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene）を用いて構成されている場合であれば、中間層ｂは、高分子材料であるポリアルファメチルスチレン（poly(alpha-methylstyrene)：ＰａＭＳ)、ポリスチレン（polystyrene：ＰＳ)、または環状オレフィン・コポリマーを用いて構成される。この場合、混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値を示すように、高分子材料は、重量混合比が１：１のときは、数平均分子量および重量平均分子量が５０００以上、好ましくは２万以上のものが適用される。

以上のように構成された積層構造の半導体薄膜１は、以降の実施例で説明するように、単層構造の半導体薄膜と比較して加熱による移動度劣化が小さく抑えられることが実験によって確認された。

２．＜半導体薄膜の形成方法＞
次に、以上のような積層構造の半導体薄膜１の形成方法として、本発明を適用して塗布または印刷によって形成した薄膜中において有機材料を自発的に相分離させる半導体薄膜の形成方法を説明する。

先ず、上述した半導体層ａ，ａ’を構成する有機半導体材料を含む複数種類の有機材料を、溶媒に溶解させて混合した溶液を作製する。この際、例えば上記中間層ｂを構成する有機材料(例えば上述した有機絶縁性材料）も同様の溶媒に溶解させて混合する。

ここで、積層構造の半導体薄膜１における各層を形成するための複数種類の有機材料は、混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値を示すように材料選択されたものを用いることとする。この様な各層を構成する材料の選択は、材料の分子構造および分子量を選択因子として行なわれる。そしてこのような材料選択を行なうことにより、各構成材料は、溶媒に溶解させて混合して塗布した状態において相分離を示すようになる。

つまり、統計熱力学において混合系を考えると、複数種類の材料が混合するか否かは、系全体のギブスエネルギー（Ｇ）、すなわち下記式（６）に示す混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）によって決まる。混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が負である場合には、混合している方がより低エネルギーで安定しているため、系が混合する。これに対して、混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正である場合には、混合系ではエネルギーが高く不安定であるため、系は混合せずに相分離するのである。

ここで、上記式（６）に示す系のエンタルピー差（ΔＨｍ）は、混合する材料種で決まり、高分子の分子量に依存しない量である。これに対して、上記式（１）に示すエントロピーサ差（ΔＳｍ）は、高分子の分子量に依存する量である。このため、同一の材料種および同一の混合比であっても、高分子の分子量が異なると混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が異なることがわかる。したがって、各層を構成する材料の選択因子として、材料の分子構造と共に分子量も重要となることが分かる。

また特に高分子材料を含む系の混合系においては、複数種類の材料が混合するか否かは、格子モデルを用いた統計熱力学によるFlory-Huggins理論によって求めることができる。このうち、高分子材料と低分子材料とで構成された混合系については、下記式（1）のFlory-Huggins理論における混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）を適用することができ、この値が正であれば系は混合せずに相分離する。

ただし式（１）は、有機溶剤と高分子との混合系についてのFlory-Huggins理論である。このため、低分子材料（低分子半導体材料）と高分子材料との混合系について式（１）のFlory-Huggins理論を適用するには、低分子半導体材料の分子量の大きさにあわせ式（１）における高分子ユニット数ｘを調整すれば良い。

ここで、上記式（１）のFlory-Huggins理論び混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値になるためには、式（1）を構成するパラメータのうち、χ₁₂、φ₁、φ₂、ｘの４つのパラメータの値に依存する。このうち、φ₁、φ₂は、それぞれ低分子の分子数、高分子の分子数、および高分子ユニット数ｘに依存する値である。したがって、この式（１）からも、各層を構成する材料の選択因子として、混合する材料の分子構造と共に分子量も重要となることが分かる。

そして、上記（１）から抽出された以上の４つのパラメータで構成される下記式（２）が満たされるように、材料選択を行なうことで、低分子と高分子とで構成された系が混合せずに相分離するのである。

一方、複数種類の高分子材料のみで構成された混合系については、下記式（３）のFlory-Huggins理論における混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）を適用することができ、この値が正であれば系は混合せずに相分離する。

式（３）のFlory-Huggins理論び混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値になるためには、式（３）を構成するパラメータのうち、χ₁₂、φ₁、φ₂、ｘ₁、ｘ₂の５つのパラメータの値に依存する。このうちφ₁、φ₂、は、それぞれの高分子の分子数、および高分子ユニット数ｘ₁、ｘ₂に依存する値である。したがって、この式（３）からも、各層を構成する材料の選択因子として、混合する材料の分子構造と共に分子量も重要となることが分かる。

そして、上記（３）から抽出された以上の５つのパラメータで構成される下記式（４）が満たされるように、材料選択を行なうことで、複数種類の高分子材料で構成された系が混合せずに相分離するのである。

一例として図２には、上記式（１）のFlory-Huggins理論によって求めた、ＴＩＰＳペンタセンとポリアルファメチルスチレン（ＰａＭＳ）混合系におけるＰａＭＳの分子量と混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）との関係を示す。混合比は１:１とした。尚、ＴＩＰＳペンタセンは、半導体層ａ，ａ’を構成する共役系低分子半導体材料である。またをＰａＭＳは、中間層ｂを構成する高分子絶縁材料である。

図２のグラフに示すように、同一の混合材料種および同一の混合比であっても、高分子（ＰａＭＳ）の分子量が異なると混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が異なることがわかる。具体的には、高分子（ＰａＭＳ）の分子量が１万ぐらいで混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が０になり、分子量が１万を下回る範囲では混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）はマイナス、分子量が１万を下回る範囲では混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）はプラスになっている。

また、ある程度分子量が大きくなると、混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）の変化はほとんどなくなってくることが分る。このことから、当然ではあるが、エントロピーの寄与だけでなくエンタルピーの寄与も大きく、この二つの兼ね合いによって、材料の分子構造および分子量を因子とした材料選択がなされる。

そして以上のような観点から混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値を示すように選択された材料の中から、さらに層状に相分離が発生する組み合わせを選択し、溶媒に溶解させて混合した溶液を作製する。ただし、エントロピー差（ΔＳｍ）には温度（Ｔ）がかかっているので、系を形成するときの温度も重要である。したがって、実用的な温度範囲−２０℃〜２００℃程度の範囲のいずれかの温度において、混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値を示すように選択された材料の中から、さらに層状に相分離が発生する組み合わせを選択すれば良い。尚、実用的な温度範囲−２０℃〜２００℃とは、例えば薄膜半導体装置を形成する基板がプラスチック基板である場合の基板耐熱温度である。

一例としては、半導体材料として共役系低分子材料であるＴＩＰＳペンタセンを用いる場合、高分子材料としてポリアルファメチルスチレン（ＰａＭＳ）、ポリスチレン（ＰＳ）、または環状オレフィン・コポリマーが用いられることは、上述した通りである。この場合、混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が正の値を示すように、高分子材料は、分子量が５０００以上、好ましくは２万以上のものが適用される。

次に、作製した溶液をスピンコート法、印刷法、さらにはインクジェット法のような塗布法によって基板上に塗布または印刷して薄膜を形成する。尚、ここでは印刷法も塗布法の一種で有ると捕らえ、以下においては印刷法を含む塗布法によって形成した薄膜を塗布膜と称する。

次に、塗布膜を乾燥させることにより塗布膜中の溶媒を除去すると共に、塗布膜中に含有される複数種類の有機材料を自発的に層状に相分離させる。

以上により、各有機材料が相分離し、有機半導体材料が積層された半導体層ａ，ａ’を含む積層構造の半導体薄膜が得られる。また、塗布膜中に有機絶縁性材料が含有されていれば、この有機絶縁性材料からなる絶縁層が積層された半導体薄膜が得られる。この際、例えば、塗布膜の界面側に有機半導体材料が析出して半導体層を構成し、これらの２層の半導体層ａ，ａ’の間に絶縁層が中間層ｂとして挟持された半導体薄膜１が得られる。この場合、例えば２層の半導体層ａ，ａ’は、同一の材料で構成されるようになる。

尚、以上のような塗布膜の乾燥過程においての塗布膜中における有機材料の自発的な相分離は、上述したように、塗布膜（すなわち溶液）を構成する複数種類の有機材料においての各分子量を調整することによって実現される。また、塗布膜（すなわち溶液）を構成する複数種類の有機材料自体の組み合わせによって実現される。

以上のような形成方法では、1回の塗布成膜によって積層構造の半導体薄膜を得ることが可能である。しかも、層上層の成膜の際に下地となる下層が侵食される問題が発生することもない。

また特に、有機半導体材料を含む複数種類の有機材料を溶媒に溶解させて混合した溶液を用いて塗布（印刷）成膜することにより、以降の実施例で説明するように、塗布・印刷性が向上し、得られる半導体薄膜の面内均一性が向上することも分かった。例えば有機半導体材料として低分子材料を用いる場合、この有機材料を溶解させた溶液は塗布成膜のために必要とする粘度を得ることが困難であり、また塗布・乾燥後は凝集しやすいことが多かった。凝集することによって膜は不連続化をおこし、結果として面内均一な半導体薄膜を得ることが困難であった。

そこで、上述したように有機半導体材料を含む複数種類の有機材料を溶媒に溶解させる際、有機半導体材料と組み合わせて用いる他の有機材料として、高分子材料(例えば高分子絶縁材料）を用いることにより、十分な粘度の溶液を調整することができ、またスピンコートやインクジェットなどで塗布した後の乾燥工程にて凝集し難く、面内均一な半導体薄膜が得られることが確認された。

尚、以上の式（１）および式（３）の各混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）＜０であっても、各混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）を下記式（５）に示す変数φの関数としてみたときに、図３に示すように２つ以上の極小点ａ１，ａ２を持つような材料を組み合わせることによっても、相分離がなされる場合がある。

図３のグラフにおける上に凸の領域というのは極小点ａ１，ａ２よりもエネルギーが高い。このため、極小点ａ１，ａ２の領域に行こうとして不要なものは系外に出し系がよりエネルギーの低い混合比に進むため相分離がなされる場合がある。

３．＜薄膜半導体装置−１＞
図４は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第１例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-1は、ボトムコンタクトボトムゲート（ＢＣＢＧ）型の薄膜トランジスタであり、電界効果トランジスタである。この薄膜半導体装置１０-1は、基板１１上にゲート電極１３がパターン形成されている。またこのゲート電極１３を覆う状態でゲート絶縁膜１５が設けられており、このゲート絶縁膜１５上にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄがパターン形成されている。これらのソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄは、ゲート電極１３の両脇となる位置にゲート電極１３を挟む状態で対向するように設けられている。ゲート電極とソース及びドレイン電極の間には，オーバーラップする領域があっても良い.そして、ソース電極１７ｓ−ドレイン電極１７ｄ間にわたって、ゲート絶縁膜１５、ソース電極１７ｓ、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で、上述した積層構造の半導体薄膜１が設けられている。

そして特に本第１例においては、上述した半導体薄膜１を構成する少なくとも２層の半導体層のうちの一つが、ソース電極１７ｓ、ゲート絶縁膜１５、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で設けられていることとする。ここでは、例えば半導体層ａ−ａ’間に中間層ｂを狭持してなる３層構造の半導体薄膜１が、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄが形成されたゲート電極１５上を覆う状態で設けられており、このうちの半導体層ａが、ソース電極１７ｓ、ゲート絶縁膜１５、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で設けられていることとする。このような半導体薄膜１は、上述した第１例または第２例の形成方法で形成されていることとする。

ここで、半導体薄膜１を構成する全ての層が有機材料からなる場合には、印刷法を適用した低温プロセスによって半導体薄膜１を得ることが可能である。このため、基板１１としてプラスチック基板を用いることが可能になる。この場合、ゲート絶縁膜１５も有機材料で構成することにより、印刷法を適用した低温プロセスでの形成が可能である。さらに、ゲート電極１３、ソース電極１７ｓ、およびドレイ電極１７ｄは、従来のスパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法、蒸着法による金属電極の形成に加え、Ａｕ、Ａｇ等のナノ粒子分散液，金属錯体溶液、さらには導電性分子溶液を用いたインクジェット法，マイクロコンタクト法，スクリーン印刷法等の印刷法を適用することで、低温プロセスでの形成が可能である。

そしてこのような構成の薄膜半導体装置１０-1においては、図1を用いて説明した半導体薄膜１が活性層として用いられることにより、単層構造の半導体薄膜を活性層として用いた構成と比較して、加熱による移動度劣化が小さく抑えられることが実験によって確認された。この結果、加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化が抑制され、耐熱性の向上を図ることが可能になる。

次にこの薄膜半導体装置１０-1の製造工程を、図５の断面工程図を用いて説明する。

先ず、図５（１）に示すように、少なくとも表面が絶縁材料で構成された基板１１を用意する。そしてこの上部に、ゲート電極１３を形成する。この場合、例えば先ず、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属材料膜を、スパッタリング法、蒸着法、あるいはめっき法によって成膜する。その後、フォトリソグラフィーにより金属材料膜上にレジストパターン(図示省略）を形成し、これをマスクにして金属材料膜をエッチングする。これにより、基板１１上にゲート電極１３をパターン形成する。また別の方法としては、金（Ａｕ）微粒子や銀（Ａｇ）微粒子等を含有するインクペーストを用いたインクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷等の印刷技術によってゲート電極１３をパターン形成しても良い。

以上の後には、図５（２）に示すように、ゲート電極１３を覆う状態で基板１１上に有機絶縁層としてのゲート絶縁膜１５を成膜する。この際例えば、ポリビニルフェノール、ＰＭＭＡ、ポリイミド、フッ素樹脂等の有機高分子材料を塗布法や印刷法によって成膜する。ゲート絶縁膜１５は、酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機材料をＣＶＤ法やスパッタ法によって成膜したり、上記の方法を組み合わせて有機高分子材料と無機材料の多層膜を形成してもよい。

次に、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄをパターン形成する。これらのソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの形成は、ゲーと電極１３の形成と同様に行って良い。また必要に応じて、パターン形成されたソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの表面処理を行うことにより、低オーミック接合を形成する金属材料層をソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの表面に形成しても良い。

次に、図５（３）に示すように、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄが形成されたゲート絶縁膜１５上に、有機半導体材料を含む複数種類の有機材料を溶媒に溶解させて混合した溶液を塗布または印刷した塗布膜２０を形成する。この塗布膜２０を構成する溶液は、半導体層（ａ，ａ’）を構成するための有機半導体材料と共に、中間層（ｂ）を構成するための有機絶縁性材料とを、溶媒に溶解させたものである。これらの複数種類の有機材料は、上記＜半導体薄膜の形成方法−２＞で述べたように選択されたものを用いることとする。また溶媒は、選択された材料を溶解するものであれば良い。

またこのような溶液を用いた塗布膜２０の形成は、作製した溶液をスピンコート法、印刷法、さらにはインクジェット法のような塗布法によって基板上に塗布または印刷することによって行なう。

次に、図５（４）に示すように、塗布膜（２０）を乾燥させることにより塗布膜（２０）中の溶媒を除去すると共に、塗布膜（２０）中に含有される複数種類の有機材料を自発的に層状に相分離させる。これにより、各有機材料が相分離し、有機半導体材料が積層された半導体層ａ，ａ’を含む積層構造の半導体薄膜１を形成する。また、塗布膜（２０）中に有機絶縁性材料が含有されていれば、この有機絶縁性材料からなる絶縁層が積層された半導体薄膜１が得られる。

この際、例えば、塗布膜の界面側に有機半導体材料が析出して半導体層ａを構成し、これらの２層の半導体層ａ，ａ’の間に絶縁層が中間層ｂとして挟持された半導体薄膜１が得られる。この場合、例えば２層の半導体層ａ，ａ’は、同一の材料で構成されるようになる。

尚、以上のような塗布膜の乾燥過程においての有機材料の自発的な相分離は、塗布膜（すなわち溶液）を構成する複数種類の有機材料においての各分子量、または複数種類の有機材料自体の組み合わせによって実現されることは上記＜半導体薄膜の形成方法−２＞で述べたとおりである。

以上のようにして、図４で説明したと同様のボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタが、薄膜半導体装置１０-1として得られる。

尚、基板１１上に複数の薄膜トランジスタを形成する場合には、半導体薄膜１をパターニングすることによって素子分離を行なう。この場合、半導体薄膜１を形成した後にこれをパターニングしても良い。また、予め、半導体薄膜１の形成部を囲む形状のバンク（土手：図示を省略）をパターン形成しておき、その後、塗布膜（２０）の形成と相分離を行うことによってパターニングされた状態の半導体薄膜１を形成しても良い。

尚、トランジスタの信頼性，耐環境性を向上させるために、ポリビニルアルコール、パリレン、窒化シリコン、または酸化シリコン等からなる保護膜によって薄膜トランジスタ１ｂを覆うことが好ましい。

また少なくとも２層の半導体層ａ，ａ’を備えた半導体薄膜１の形成は、上記＜半導体薄膜の形成方法−１＞で述べたように、各層を下層側から順に個別に成膜しても良い。

４．＜薄膜半導体装置−２＞
図６は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第２例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-2も、ボトムコンタクトボトムゲート（ＢＣＢＧ）型の薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）であり、図４に示す薄膜トランジスタ（１０-1）と同一の構成要素には同一の符号を付している。

この図に示す第２例の薄膜半導体装置１０-2が、図４に示した第１例の薄膜トランジスタ（１０-1）と異なるところは、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄのパターン段差において半導体薄膜１が分断されている構成にあり、他の構成は第１例と同様であることとする。

このような構成であっても、ソース電極１７ｓ−ドレイン電極１７ｄ間にわたって、ゲート絶縁膜１５、ソース電極１７ｓ、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で、上述した半導体薄膜１が設けられて、また３層構造の半導体薄膜１のうちの半導体層ａがソース電極１７ｓ、ゲート絶縁膜１５、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で設けられた状態となる。ただし、半導体層ａとソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄとの接触は、半導体層ａの端面のみとなる。

そしてこのような構成の薄膜半導体装置１０-2であっても、図1を用いて説明した半導体薄膜１が活性層として用いられることにより、第１例と同様に加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化が抑制され、耐熱性の向上を図ることが可能になる。

このような構成の薄膜半導体装置１０-2の製造は、薄膜半導体装置１０-1の製造における塗布膜２０の形成において、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの膜厚に対して塗布膜２０の膜厚を十分に薄くすれば良い。これにより、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの段差において塗布膜２０が分断されるため、これを相分離させた半導体薄膜１がソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの上部と下部とで分断されたものとなる。

５．＜薄膜半導体装置−３＞
図７は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第３例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-3は、トップコンタクトボトムゲート（ＴＣＢＧ）型の薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）であり、図４に示す薄膜トランジスタ（１０-1）と同一の構成要素には同一の符号を付している。

この図に示す第３例の薄膜半導体装置１０-3が、図４に示した第１例の薄膜トランジスタ（１０-1）と異なるところは、半導体薄膜１とソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄとの積層順であり、他の構成は第１例と同様であることとする。

すなわち、基板１１上のゲート電極１３を覆うゲート絶縁膜１５上には、半導体薄膜１を介してソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄがパターン形成されている。これにより、ソース電極１７ｓ−ドレイン電極１７ｄ間にわたって、ゲート絶縁膜１５、ソース電極１７ｓ、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で、上述した半導体薄膜１が設けられている。

このような第３例の薄膜半導体装置１０-3においては、上述した半導体薄膜１を構成する複数の半導体層のうちの一方（ここでは半導体層ａ）にゲート絶縁膜１５が接し、他方（ここでは半導体層ａ’）にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄに接する状態で設けられていることとする。

そしてこのような構成の薄膜半導体装置１０-3であっても、図１を用いて説明した半導体薄膜１が活性層として用いられることにより、第１例と同様に加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化が抑制され、耐熱性の向上を図ることが可能になる。

このような構成の薄膜半導体装置１０-3の製造は、薄膜半導体装置１０-1の製造において、ゲート絶縁膜１５を成膜した後で、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄを形成する前に、半導体薄膜1を形成する手順とすれば良い。

６．＜薄膜半導体装置−４＞
図８は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第４例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-4は、トップコンタクトトップゲート（ＴＣＴＧ）型の薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）であり、図４に示す薄膜トランジスタ（１０-1）と同一の構成要素には同一の符号を付している。

この図に示す第４例の薄膜半導体装置１０-4が、図４に示した第１例の薄膜トランジスタ（１０-1）と異なるところは、構成要素の積層順が逆であるところにあり、他の構成は第１例と同様であることとする。

すなわち、基板１１上には半導体薄膜１を介してソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄがパターン形成され、これを覆う状態でゲート絶縁膜１５が設けられている。このゲート絶縁膜１５上におけるソース電極１７ｓ−ドレイン電極１７ｄ間に挟まれた位置にゲート電極１３がパターン形成されている。

このような構成では、第１例と同様に、ソース電極１７ｓ−ドレイン電極１７ｄ間にわたって、ゲート絶縁膜１５、ソース電極１７ｓ、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で上述した半導体薄膜１が設けられ、また３層構造の半導体薄膜１のうちの一方の半導体層ａ’が、ソース電極１７ｓ、ゲート絶縁膜１５、およびドレイン電極１７ｄに接する状態で設けられた状態となる。

そしてこのような構成の薄膜半導体装置１０-4であっても、図1を用いて説明した半導体薄膜１が活性層として用いられることにより、第１例と同様に加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化が抑制され、耐熱性の向上を図ることが可能になる。

このような構成の薄膜半導体装置１０-4の製造は、基板１１上に半導体薄膜1を形成し、さらにソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄを形成した後に、ゲート絶縁膜１５およびゲート電極１３をこの順に形成する手順とすれば良い。各部分の形成は、薄膜半導体装置１０-1の製造と同様であって良い。

７．＜薄膜半導体装置−５＞
図９は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第５例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-5は、ボトムコンタクトトップゲート（ＢＣＴＧ）型の薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）であり、図４および図８に示す薄膜トランジスタ（１０-1）と同一の構成要素には同一の符号を付している。

この図に示す第５例の薄膜半導体装置１０-5は、図８に示した第４例の薄膜トランジスタ（１０-4）において、半導体薄膜１とソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄとの積層順であり、他の構成は第４例と同様であることとする。

すなわち、基板１１上にはソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄがパターン形成され、これを覆う状態で半導体薄膜１が設けられている。この半導体薄膜１上にゲート絶縁膜１５が設けられ、さらにこのゲート絶縁膜１５上におけるソース電極１７ｓ−ドレイン電極１７ｄ間に挟まれた位置にゲート電極１３がパターン形成されている。

このような第５例の薄膜半導体装置１０-5においては、上述した半導体薄膜１を構成する複数の半導体層のうちの一方（ここでは半導体層ａ’）にゲート絶縁膜１５が接し、他方（ここでは半導体層ａ）にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄに接する状態で設けられていることとする。

そしてこのような構成の薄膜半導体装置１０-5であっても、図１を用いて説明した半導体薄膜１が活性層として用いられることにより、第１例と同様に加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化が抑制され、耐熱性の向上を図ることが可能になる。

このような構成の薄膜半導体装置１０-5の製造は、基板１１上にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄを形成し、さらに半導体薄膜1を形成した後に、ゲート絶縁膜１５およびゲート電極１３をこの順に形成する手順とすれば良い。各部分の形成は、薄膜半導体装置１０-1の製造と同様であって良い。

８．＜薄膜半導体装置−６＞
図１０は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第６例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-6は、第５例のボトムコンタクトトップゲート（ＢＣＴＧ）型の薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）の第１変形例であり、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄの表面が基板１１の表面と同一面を構成しているとろにおいてのみ、第５例と異なる。

このような構成の薄膜半導体装置１０-6の製造は、先ず、基板１１の表面側に溝パターン形成し、これを埋め込む状態でソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄを形成する。この際、電極材料膜を成膜し、溝パターン内のみに電極材料膜を残すように研磨を行なうことにより、溝パターン内にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄを埋め込み形成する。その後、半導体薄膜1を形成し、次にゲート絶縁膜１５およびゲート電極１３をこの順に形成する手順とすれば良い。これらの形成は、薄膜半導体装置１０-1の製造と同様であって良い。

９．＜薄膜半導体装置−７＞
図１１は、本発明を適用して形成した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の第７例を示す断面構成図である。この図に示す薄膜半導体装置１０-7は、第５例のボトムコンタクトトップゲート（ＢＣＴＧ）型の薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）の第２変形例であり、半導体薄膜1を構成する半導体層ａがソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄのパターン段差を埋め込んで表面平坦に成膜されているとろにおいてのみ、第５と異なる。

尚、以上説明した実施形態の薄膜半導体装置は、さらに必要に応じた層間絶縁膜やパシベーション膜で覆われ、配線されて用いられる。

このような構成の薄膜半導体装置１０-7の製造は、先ず、基板１１の表面側にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄを形成する。その後、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄのパターン段差を埋め込む膜厚で、第１層目の半導体層ａを形成する。次に、この上層の中間層ｂおよび半導体層ａ’を成膜して半導体薄膜１を形成する。次に、ゲート絶縁膜１５およびゲート電極１３をこの順に形成する手順とすれば良い。これらの形成は、薄膜半導体装置１０-1の製造と同様であって良い。

１０．＜表示装置＞
次に、上述の実施形態で説明した本発明の製造方法を適用して得られた薄膜半導体装置を用いた表示装置の一例として、有機電界発光素子ＥＬを用いたアクティブマトリックス型の表示装置を説明する。

図１２には、表示装置３０の回路構成図を示す。

この図に示すように、表示装置３０の基板１１上には、表示領域１１ａとその周辺領域１１ｂとが設定されている。表示領域１１ａには、複数の走査線３１と複数の信号線３３とが縦横に配線されており、それぞれの交差部に対応して１つの画素ａが設けられた画素アレイ部として構成されている。また周辺領域１１ｂには、走査線３１を走査駆動する走査線駆動回路３５と、輝度情報に応じた映像信号（すなわち入力信号）を信号線３３に供給する信号線駆動回路３７とが配置されている。

走査線３１と信号線３３との各交差部に設けられる画素回路は、例えばスイッチング用の薄膜トランジスタＴｒ１、駆動用の薄膜トランジスタＴｒ２、保持容量Ｃｓ、および有機電界発光素子ＥＬで構成されている。尚、これらの薄膜トランジスタＴｒ１,Ｔｒ２として、上述した薄膜トランジスタ１０-1〜1０-7が用いられる。

そして、走査線駆動回路３５による駆動により、スイッチング用の薄膜トランジスタＴｒ１を介して信号線３３から書き込まれた映像信号が保持容量Ｃｓに保持され、保持された信号量に応じた電流が駆動用の薄膜トランジスタＴｒ２から有機電界発光素子ＥＬに供給され、この電流値に応じた輝度で有機電界発光素子ＥＬが発光する。尚、駆動用の薄膜トランジスタＴｒ２は、共通の電源供給線（Ｖｃｃ）３９に接続されている。

尚、以上のような画素回路の構成は、あくまでも一例であり、必要に応じて画素回路内に容量素子を設けたり、さらに複数のトランジスタを設けて画素回路を構成しても良い。また、周辺領域１１ｂには、画素回路の変更に応じて必要な駆動回路が追加される。

図１３には、以上のような回路構成の表示装置３０における１画素分の断面図として、薄膜トランジスタＴｒ２，Ｔｒ１および容量素子Ｃｓと、有機電界発光素子ＥＬとが積層された部分の断面図を示す。

この図に示すように、各画素には薄膜トランジスタＴｒ２，Ｔｒ１として、例えば図４で示したボトムコンタクトボトムゲート構造の薄膜トランジスタ（１０-1）が設けられている。

薄膜トランジスタＴｒ１のソース電極１７ｓと、薄膜トランジスタＴｒ２のゲート電極１３とは、ゲート絶縁膜１５に設けられた接続孔１５ａを介して接続されている。また、薄膜トランジスタＴｒ２のゲート電極１３を延設した部分と、ソース電極１７ｓを延設した部分との間にゲート絶縁膜１５を挟持させて容量素子Ｃｓが構成されている。また、図１２の回路図にも示したように、薄膜トランジスタＴｒ１のゲート電極１３は走査線（３１）に、薄膜トランジスタＴｒ１のドレイン電極１７ｄは信号線（３３）に、薄膜トランジスタＴｒ２のソース電極１７ｓは電源供給線（３９）にそれぞれ延設される。

以上の薄膜トランジスタＴｒ１,Ｔｒ２および容量素子Ｃｓは、例えば保護膜を介して層間絶縁膜４１で覆われている。この層間絶縁膜４１は、平坦化膜として構成されることが好ましい。この層間絶縁膜４１には、薄膜トランジスタＴｒ２のドレイン電極１７ｄに達する接続孔４１ａが設けられている。

そして、層間絶縁膜４１上の各画素に、接続孔４１ａを介して薄膜トランジスタＴｒ２に接続された有機電界発光素子ＥＬが設けられている。この有機電界発光素子ＥＬは、層間絶縁膜４１上に設けられた絶縁性パターン４３で素子分離されている。

この有機電界発光素子ＥＬは、層間絶縁膜４１上に設けられた画素電極４５を備えている。この画素電極４５は、各画素毎に導電性パターンとして形成され、層間絶縁膜４１に設けられた接続孔４１ａを介して薄膜トランジスタＴｒ２のドレイン電極１７ｄに接続されている。このような画素電極４５は、例えば陽極として用いられるものであり、光反射性を有して構成されていることとする。

そして、この画素電極４５の周縁が、有機電界発光素子ＥＬを素子分離するための絶縁性パターン４３で覆われている。この絶縁性パターン４３は、画素電極４５を広く露出させる開口窓４３ａを備えており、この開口窓４３ａが有機電界発光素子ＥＬの画素開口となる。このような絶縁性パターン４３は、例えば感光性樹脂を用いて構成され、リソグラフィー法を適用してパターニングされたものであることとする。

そして、このような絶縁性パターン４３から露出する画素電極４５上を覆う状態で、有機層４７が設けられている。この有機層４７は、少なくとも有機発光層を備えた積層構造からなり、必要に応じて陽極（ここでは画素電極４５）側から順に、正孔注入層、正孔輸送層、有機発光層、電子輸送層、電子注入層、さらには他の層を積層してなる。また有機層５７は、例えば各有機電界発光素子ＥＬで発生させる発光光の波長毎に、少なくとも有機発光層を含む層が画素毎に異なる構成でパターン形成されていることとする。また、各波長の画素で共通の層を有していても良い。さらに、この有機電界発光素子ＥＬが、微小共振器構造として構成されている場合、各有機電界発光素子ＥＬから取り出す波長に合わせて有機層５７の膜厚が調整されていることとする。

以上のような有機層４７を覆い、画素電極４５との間に有機層４７を狭持する状態で、共通電極４９が設けられている。この共通電極４９は、有機電界発光素子ＥＬの有機発光層で発生させた光を取り出す側の電極であり、光透過性を有する材料で構成されていることとする。またここでは、画素電極４５が陽極として機能するものであるため、この共通電極４９は、少なくとも有機層４７に接する側が陰極として機能する材料を用いて構成されていることとする。さらに、この有機電界発光素子ＥＬが、微小共振器構造として構成されている場合、この共通電極４９は、半透過半反射性を有する構成であることとする。尚、図１２の回路図にも示したように、この共通電極４９はＧＮＤに設置されている。

そして、以上のような画素電極４５と共通電極４９との間に有機層４７が挟持された各画素部分が、有機電界発光素子ＥＬとして機能する部分となる。

またここでの図示は省略したが、各有機電界発光素子ＥＬの形成面側は、光透過性材料からなる封止樹脂で覆われ、さらにこの封止樹脂を介して光透過性材料からなる対向基板が張り合わされた状態で表示装置３０が構成されている。

以上のような構成の表示装置３０によれば、トランジスタ特性の良好な薄膜トランジスタ（１０-1）を用いて画素回路を構成しているため、画素電極を安定して駆動することができ、これにより表示特性の向上を図ることが可能になる。

尚、上述した実施形態においては、図４を用いて説明したボトムコンタクトボトムゲート構造の薄膜トランジスタ１０-1を用いた表示装置を説明した。しかしながら、上述した表示装置には、薄膜トランジスタ１０-1に換えて上述した薄膜トランジスタ１０-2〜１０-7の何れを用いても良く、同様の効果を得ることができる。さらに上述した実施形態においては、薄膜トランジスタを備えた表示装置の一例として、有機電界発光素子ＥＬを用いたアクティブマトリックス型の表示装置を例示した。しかしながら本発明の表示装置は、薄膜トランジスタを搭載した表示装置に広く適用可能であり、例えば液晶表示装置や電気泳動型ディスプレイに適用できる。

１１．＜電子機器＞
本発明の電子機器の実施形態としては、上述した薄膜トランジスタ１０-1〜１０-7を搭載し、これに導電性パターンを接続させた電子機器に広く適用可能である。例えば、ＩＤタグ、センサー等の電子機器への適用が可能であり、同様の効果を得ることができる。また、本発明の電子機器の実施形態としては、上記表示装置を搭載した電子機器に広く適用化能である。例えば、電子ペーパー、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯端末装置、ビデオカメラなど、電子機器に入力された映像信号、若しくは、電子機器内で生成した映像信号を、画像若しくは映像として表示するあらゆる分野の表示装置を搭載した電子機器に適用することが可能である。

≪半導体薄膜の作製−１≫：ポリアルファメチルスチレン
有機半導体材料としてＴＩＰＳペンタセンを用い、これと異なる有機材料としてポリアルファメチルスチレン（poly(alpha-methylstyrene)：ＰａＭＳ)を用い、これらをメシチレンに混合して溶かした溶液を作製した。尚、ＴＩＰＳペンタセンは共役系低分子系の有機半導体材料として用いた。また、ＰａＭＳは高分子絶縁材料として用いた。

ここでは、高分子絶縁材料であるＰａＭＳとして、下記表１の＜サンプル１〜５＞に示す各分子量のものを用い、ＴＩＰＳペンタセン：ＰａＭＳ＝１：１の混合比で溶液を作製した。

また表１に示すように、ＰａＭＳは、数平均分子量（Ｍｎ）と重量平均分子量（Ｍｗ）との値が近く、重量平均分子量（Ｍｗ）／数平均分子量（Ｍｎ）がほぼ１である分子量分布が狭い物を用いた。

次に、架橋したＰＶＰ（ポリビニルフェノール）を主成分とした有機絶縁膜で表面が構成された基板上に、作製した溶液をスピンコートによって塗布して塗布膜を形成した。形成した塗布膜を、窒素雰囲気下６０℃で１時間乾燥させて半導体薄膜を得た。

＜移動度＞
得られた各半導体薄膜に付いて移動度を測定した。図１４には、ＰａＭＳの分子量（Ｍｗ）と、得られた半導体薄膜に付いて測定した移動度（mobility)との関係を示す。図１４のグラフに示すように、用いる高分子（ＰａＭＳ）の分子量が大きいほど高い移動度を示すことが分かる。これは、図２を用いて説明したように、高分子（ＰａＭＳ）の分子量が大きいほど混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が高くなる結果と良く一致している。そして、図１４から、分子量が５０００以上、好ましくは２万以上の高分子（ＰａＭＳ）を用いて半導体材料と混合することにより、十部に高い移動度の半導体薄膜が得られることが確認された。

＜濃度プロファイル＞
得られた各半導体薄膜について、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにて深さ方向の濃度プロファイルを測定した。この結果を図１５に示す。尚、図１５中のＣＮ，Ｏは、基板の表面を構成する有機絶縁膜の成分である。

図１５（１）は、分子量が２万以上であるＰａＭＳ（Ｍｗ＝108,000、Ｍｎ＝106,000）を用いて作製した＜サンプル４＞の半導体薄膜の濃度プロファイルである。この図に示すように、ＴＩＰＳペンタセンに含まれるＳｉのピークが、表面近傍と絶縁層（基板）界面近傍との２ヶ所に間隔を開けて検出された。このことから、上述した塗布液の乾燥過程において、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンと有機絶縁材料であるＰａＭＳが相分離し、図１に示したように、Ｓｉを含むＴＩＰＳペンタセンで構成された半導体層ａ−ａ’間に、ＰａＭＳを主成分とする間層ｂが挟持された積層構成の半導体薄膜１が得られていることが確認された。

一方、図１５（２）は、分子量が２万以下であるＰａＭＳ（Ｍｗ＝2,200、Ｍｎ＝1,960）を用いて作製した＜サンプル１＞の半導体薄膜の濃度プロファイルである。この図に示すように、ＴＩＰＳペンタセンに含まれるＳｉは、極表面においれわずかに偏在しているものの、ＣＮとＯとが高濃度で検出されている絶縁層（基板）よりも表面側においてほぼ均等に検出された。このことから、＜サンプル１＞の半導体薄膜においてにおいては、上述した塗布膜の乾燥過程において、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンと有機絶縁材料であるＰａＭＳとの相分離が生じず、薄内においてこれらがほぼ均等に混在した単層構造の薄膜しか得ることができていないことが確認された。

＜Ｘ線回折スペクトル＞
得られた各半導体薄膜について、Ｘ線回折スペクトルを測定した。この結果を図１６に示す。

図１６（１）は、分子量が２万以上であるＰａＭＳ（Ｍｗ＝108,000、Ｍｎ＝106,000）を用いて作製した＜サンプル４＞のスペクトルである。図１６（２）は、分子量が５０００以下であるＰａＭＳ（Ｍｗ＝2,200、Ｍｎ＝1,960）を用いて作製した＜サンプル１＞の半導体薄膜のＸ線回折スペクトルである。

また図１６（３）は、＜比較例１＞として、有機絶縁性材料を用いずにＴＩＰＳペンタセン(有機半導体材料）のみをメシチレンに溶解した溶液を用いて、同様の手順で作製した半導体薄膜のスペクトルである。

図１６（１）に示すように、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンが有機絶縁性材料であるＰａＭＳと相分離している＜サンプル４＞の半導体薄膜は、図１６（３）のＴＩＰＳペンタセンのみで構成された単層構造の＜比較例１＞と同様の回折スペクトルを示している。このことから、相分離している＜サンプル４＞の半導体薄膜１においては、半導体層ａ，ａ’においてのＴＩＰＳペンタセンの配列状態が、比較例１で作製されたＴＩＰＳペンタセンからなる単層構造内においての配列状態と同じに保たれていることが確認された。

これに対して、図１６（２）に示すように、ＴＩＰＳペンタセンとＰａＭＳとがほぼ均等に混在した単層構造の＜サンプル１＞の半導体薄膜は、Ｘ線回折スペクトルにピークが発生せず、膜内においてＴＩＰＳペンタセンが配向できずに分子配列が乱れてしまっていることが分かる。

尚、上述した＜サンプル１〜４＞とは別に、数平均分子量（Ｍｎ）と重量平均分子量（Ｍｗ）の差が大きいＰａＭＳ（Ｍｎ＝５００、Ｍｗ＝１５，０００）、つまり分子量分布が大きいＰａＭＳを用いて同様の膜形成を行った。得られた膜について移動度を測定したところ、極端に小さい移動度を示した。このことから、用いる高分子材料には、２，０００以下の分子量のものが存在していないことが好ましいことが分かった。

≪半導体薄膜の作製−２≫：ポリスチレン
有機半導体材料としてＴＩＰＳペンタセンを用い、これと異なる有機材料としてポリスチレン（polystyrene：ＰＳ)を用い、これらをメシチレンに混合して溶かした溶液を作製した。尚、ＴＩＰＳペンタセンは共役系低分子系の有機半導体材料として用いた。また、ＰＳは高分子絶縁材料として用いた。

ここでは、高分子絶縁材料であるＰＳとして、下記表２の＜サンプル６〜１１＞に示す各分子量のものを用い、重量でＴＩＰＳペンタセン：ＰＳ＝１：１の混合比で溶液を作製した。

また表２に示すように、ＰＳは、数平均分子量（Ｍｎ）と重量平均分子量（Ｍｗ）との値が近く、重量平均分子量（Ｍｗ）／数平均分子量（Ｍｎ）がほぼ１である分子量分布が狭い物を用いた。

次に、架橋したＰＶＰ（ポリビニルフェノール）を主成分とした有機絶縁膜で表面が構成された基板上に、作製した溶液をスピンコートによって塗布して塗布膜を形成した。形成した塗布膜を、窒素雰囲気下６０℃で１時間乾燥させて半導体薄膜を得た。

＜移動度＞
得られた各半導体薄膜に付いて移動度を測定した。図１７には、ＰＳの分子量と、得られた半導体薄膜に付いて測定した移動度（mobility)との関係を示す。図１７のグラフに示すように、用いる高分子（ＰＳ）の分子量が大きいほど高い移動度を示すことが分かる。これは、図２に示したように高分子（ＰＳ）の分子量が大きいほど混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）が高くなる結果と良く一致している。そして、この図１７からも、分子量が５０００以上、さらには２万以上の高分子（ＰＳ）を用いて半導体材料と混合することにより、十部に高い移動度の半導体薄膜が得られることが確認された。

≪半導体薄膜の作製−３≫：環状オレフィン・コポリマー
以下のようにして図１に示す半導体薄膜を形成した。先ず、ＴＩＰＳペンタセン（有機半導体材料）と、環状オレフィン・コポリマー（有機絶縁性材料)とを、メシチレンに混合して溶かした溶液を作製した。混合比は重量で１：１とした。次に、架橋したＰＶＰ（ポリビニルフェノール）を主成分とした有機絶縁膜を有する基板上に、作製した溶液をスピンコートによって塗布して塗布膜を形成した。形成した塗布膜を、窒素雰囲気下６０℃で１時間乾燥させて薄膜を得た。

＜濃度プロファイル＞
得られた薄膜について、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにて深さ方向の濃度プロファイルを測定した。この結果を図１８に示す。この図に示すように、ＴＩＰＳペンタセンに含まれるＳｉのピークが、表面近傍と絶縁層（基板）界面近傍との２ヶ所に間隔を開けて検出された。このことから、上述した塗布膜の乾燥過程において、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンと有機絶縁材料である環状オレフィン・コポリマーとが相分離し、図１に示したように、Ｓｉを含むＴＩＰＳペンタセンで構成された半導体層ａ−ａ’間に、環状オレフィン・コポリマーからなる中間層ｂが挟持された積層構成の半導体薄膜１が得られていることが確認された。

また先のＰａＭＳを用いて得られた半導体薄膜との比較から、有機半導体材料と有機絶縁性材料との塗布膜中における相分離は、有機絶縁性材料としてＰａＭＳのような芳香族炭化水素化合物を用いた場合に限定されず、芳香環を持ち合わせていないオレフィン系の高分子材料であっても生じることが確認された。

≪比較例２の膜の作製≫：ポリイソブチルメタクリレート
以下のようにして＜比較例２＞の膜を作製した。先ず、低分子有機半導体材料としてＴＩＰＳペンタセンと、高分子絶縁材料としてポリイソブチルメタクリレート（Ｍｗ＝300,000、Ｍｎ＝140,000）とをメシチレンに混合して溶かした溶液を作製した。混合比は重量で１：１とした。次に、架橋したＰＶＰ（ポリビニルフェノール）を主成分とした有機絶縁膜を有する基板上に、作製した溶液をスピンコートによって塗布して塗布膜を形成した。形成した塗布膜を、窒素雰囲気下６０℃で１時間乾燥させて＜比較例２＞の膜を得た。

＜濃度プロファイル＞
得られた比較膜について、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにて深さ方向の濃度プロファイルを測定した。この結果を図１９に示す。この図に示すように、ＴＩＰＳペンタセンに含まれるＳｉのピークが、ＣＮとＯとが高濃度で検出されている絶縁層（基板）よりも表面側においてほぼ均等に検出された。このことから、ここで作製された＜比較例２＞の膜は、上述した塗布膜の乾燥過程において、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンと有機絶縁材料であるポリイソブチルメタクリレートとの間で相分離が生じておらず、単層構造であることが確認された。

この系の混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）は、ΔＧｍ＜０になることがFlory-Huggins理論より求まる。すなわち相分離するよりも混合しているほうがエネルギー的に有利であるため、ＰａＭＳなどを用いたときと異なり、相分離しない。よって半導体分子であるＴＩＰＳペンタセンが配向せず、十分な移動度が得られていないと考えられる。実際Ｘ線回折による分析では、ＴＩＰＳペンタセンが配向したときのような回折パターンは得られなかった。

≪薄膜半導体装置の作製≫
各分子量のＰａＭＳを用いた＜サンプル１＞および＜サンプル４＞の半導体薄膜の作製を適用し、以下のようにして、図４を用いて説明したボトムコンタクトボトムゲート（ＢＣＢＧ）型の薄膜トランジスタを作製した。

先ず、３ｉｎｃｈのＳｉウエハを共通のゲート電極１３とし、この上部に有機絶縁膜からなるゲート絶縁膜１５を形成し、このゲート絶縁膜１５上にソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄのパターンを８７個以上形成した。次いで、ソース電極１７ｓおよびドレイン電極１７ｄが形成されたゲート絶縁膜１５の上方に、上述したサンプル１の半導体薄膜とサンプル４の半導体薄膜とを形成した。これにより、図４に示したボトムコンタクトボトムゲート型の各薄膜トランジスタを得た。

＜装置の評価−１＞
得られた各薄膜トランジスタについて、窒素雰囲気下において加熱温度による移動度（Mobility)の変化を測定した。この結果を図２０に示す。この図に示すように、相分離している＜サンプル４＞の半導体薄膜を備えた薄膜トランジスタでは、初期の移動度０．２ｃｍ²／Ｖｓが、加熱によって低下するものの、１８０℃にまで加熱しても移動度０．０８ｃｍ²／Ｖｓ程度に維持されている。これに対して、相分離しない＜サンプル１＞の半導体薄膜を備えた薄膜トランジスタでは、初期の移動度０．０９ｃｍ²／Ｖｓが、加熱によって低下し、１８０℃では移動度６×１０^-4ｃｍ²／Ｖｓにまで劣化している。

これにより、相分離していない半導体薄膜を備えた薄膜トランジスタと比較して、本発明が適用された相分離している半導体薄膜を備えた薄膜トランジスタは、初期の移動度も高く、かつ１８０℃にまで加熱した状態であっても移動度の低下が小さく抑えられていることが分かる。

これにより、本発明を適用して半導体薄膜１を積層構造とすることにより、加熱による移動度の低下とこれによる特性劣化を抑制可能であり、耐熱性の向上が図られた半導体薄膜および薄膜半導体装置が得られることが確認された。

尚、このような移動度劣化の抑制は、１つの要因として、半導体薄膜の加熱による膨張が積層構造としたことによって抑えられていることが考えられる。すなわち、熱を加えることによって起こる物理的変化の一つとして、熱による膨張伸縮があげられる。薄膜トランジスタは、異なる材質の有機物を重ね合わせた構造をしていると見ることができ、それぞれの層が異なる熱膨張係数を有し、熱が加わることで各層と層の間でストレスが生じている可能性がある。例えば、熱膨張係数の異なる金属Ｍａと金属Ｍｂを張り合わせた場合、室温で平坦なものが高温になると反り返ることが知られている。これは上下で膨張率が異なるために起こる現象である。しかしこの反り返りはＭａ−Ｍｂ−Ｍａといったサンドイッチ構造にすることで回避することができる場合がある。これは、金属Ｍａ−Ｍｂ間で熱膨張によるストレスが生じているものの、一枚の板としてみたときサンドイッチ構造をとることで熱膨張によるストレスが上下で緩和されているからだと考えることができる。

また、半導体薄膜を塗布にて作製する場合、溶媒の乾燥工程が薄膜トランジスタとしての特性の性能を大きく左右することが知られている。例えば、より高沸点の塗布溶媒を用いることにより、高い移動度の薄膜トランジスタを得ることができると報告されている（「Chem.Mater.」，16(23),2004年,p.4772-4776参照）。これは、高沸点の塗布溶媒を用いたことにより、乾燥工程における塗布溶媒の乾燥速度を遅くなるためと考えられる。

そして、以上の＜サンプル４＞および＜サンプル１＞のように、半導体薄膜の形成に同一の塗布溶媒（メシチレン)を用いた場合には、＜サンプル４＞における塗布溶媒の乾燥速度が、＜サンプル１＞よりも遅くなることが目視にて確認できている。これは、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンに対して、これよりも十分に分子量が大きな高分子材料であるＰａＭＳ（Ｍｗ＝108,000、Ｍｎ＝106,000）を混合することで塗布溶媒の揮発が阻害され、この結果として乾燥が遅くなったためと考えられる。そしてこのような乾燥速度の低下も一因となって、より移動度高められた薄膜トランジスタが得られたと考えられる。

＜装置の評価−２＞
また、＜サンプル４＞および＜サンプル１＞を適用して作製した複数の薄膜トランジスタのうち、各８７個ずつの薄膜トランジスタについて、オン電流のバラツキを測定した。この結果、相分離している＜サンプル４＞を適用して作製した薄膜トランジスタのオン電流のバラツキは１１．３％であった。一方、相分離していない＜サンプル１＞を適用して作製した薄膜トランジスタのオン電流のバラツキは５４．７％であった。

これにより、スピンコート法を適用した半導体薄膜の形成においては、自発的な相分離によって積層構造の半導体薄膜を形成するようにすることで、単一の有機半導体材料を用いて半導体薄膜を形成する場合と比較して、ＯＮ電流のバラつきを約１／５にまで抑える効果も確認された。

＜装置の評価−３＞
また、＜サンプル４＞および＜サンプル１＞を適用して作製した複数の薄膜トランジスタのうち、各８７個ずつの薄膜トランジスタについて、ゲート電圧Ｖｇ−ドレイン電流Ｉｄ特性を測定した。この結果を図２１に示す。この結果からも、相分離している＜サンプル４＞を適用して作製した薄膜トランジスタの特性バラツキは、相分離しない＜サンプル１＞を適用して作製した薄膜トランジスタの特性バラツキよりも小さいことが確認された。

以上の＜装置の評価−２＞と＜装置の評価−３＞の結果から、有機半導体材料であるＴＩＰＳペンタセンに対して、これよりも十分に分子量が大きな高分子材料であるＰａＭＳ（Ｍｗ＝108,000、Ｍｎ＝106,000）を混合することにより、塗布用の溶液に対してある程度の粘度を得ることが可能となって塗布性が向上し、さらに塗布膜の乾燥過程による凝集が防止されることで、面内均一な半導体薄膜が得られていることが確認された。

本発明の形成方法を適用して得られる半導体薄膜の断面図である。 Flory-Huggins理論によって求めた、ＴＩＰＳペンタセンとＰａＭＳ混合系におけるＰａＭＳの分子量と混合ギブスエネルギー（ΔｍＧ）との関係を示す図である。 各混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）を式（６）に示す変数φの関数としてみた場合の一例を示す図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第１例を示す断面構成図である。 本発明を適用した第１例の薄膜半導体装置の製造手順を示す断面工程図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第２例を示す断面構成図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第３例を示す断面構成図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第４例を示す断面構成図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第５例を示す断面構成図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第６例を示す断面構成図である。 本発明を適用して得られる薄膜半導体装置の第７例を示す断面構成図である。 実施形態の表示装置の回路構成図である。 実施形態の電子機器として表示装置の一例を示す断面図である。 ＰａＭＳの分子量と得られた半導体薄膜に付いて測定した移動度との関係を示す図である。 各分子量のＰａＭＳを用いて作製したサンプル１，４の半導体薄膜におけるＳＩＭＳプロファイルである。 各分子量のＰａＭＳを用いて作製したサンプル１，４の各半導体薄膜、およびＴＩＰＳペンタセンのみを用いて作製した比較例１の半導体薄膜におけるＸＲＤスペクトルである。 ＰＳの分子量と得られた半導体薄膜に付いて測定した移動度との関係を示す図である。 環状オレフィン・コポリマーを用いて作製した半導体薄膜のＳＩＭＳプロファイルである。 ポリイソブチルメタクリレートを用いて作製した比較膜のＳＩＭＳプロファイルである。 サンプル１およびサンプル４を適用して作製した各薄膜トランジスタの加熱温度による移動度の変化を示すグラフである。 サンプル１およびサンプル４を適用して作製した各薄膜トランジスタのゲート電圧Ｖｇ−ドレイン電流Ｉｄ特性を示すグラフである。

符号の説明

１…半導体薄膜、１０-1，１０-2，１０-3，１０-4，１０-5，１０-6，１０-7…薄膜半導体装置、ａ，ａ’…半導体層、ｂ…中間層

Claims (11)

1. 低分子半導体材料および分子量が２０００より大きな高分子からなる高分子絶縁材料を含む有機材料を混合した溶液を基板上に塗布又は印刷して薄膜を形成する工程と、
   前記薄膜を乾燥させる過程で前記低分子半導体材料と前記高分子絶縁材料とを相分離させることにより、積層構造の半導体薄膜を形成する工程とを含み、
   前記低分子半導体材料および前記高分子絶縁材料には、前記相分離させることにより、前記低分子半導体材料からなる少なくとも２層の半導体層と前記高分子絶縁材料からなると共に前記２層の半導体層間に挟持された中間層とを含む積層構造が形成できるものを用いる
   半導体薄膜の形成方法。
2. 前記低分子半導体材料には多結晶または結晶性の材料を、前記高分子絶縁材料には非晶質の材料を用いる
   請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
3. 前記高分子絶縁材料の分子量を調整することにより、前記有機材料を相分離させる
   請求項１または２に記載の半導体薄膜の形成方法。
4. 前記有機材料の混合ギブスエネルギーが正の値を示す
   請求項１〜３の何れかに記載の半導体薄膜の形成方法。
5. 下記式（1）で示されるFlory-Huggins理論における高分子材料を含む材料系の混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）から抽出される関数が、下記式（２）を満たす
   請求項４に記載の半導体薄膜の形成方法。
   

   
6. 前記積層構造を構成する複数材料が、下記式（１）を下記式（５）で表されるφの式として混合ギブスエネルギー（ΔＧｍ）を求めたとき２つ以上の極小点をもつ
   請求項１〜３の何れかに記載の半導体薄膜の形成方法。
   

   

   
7. 前記高分子絶縁材料として、数平均分子量および重量平均分子量が５０００以上の高分子材料を用いる
   請求項１〜６の何れかに記載の半導体薄膜の形成方法。
8. 前記高分子絶縁材料は、ポリアルファメチルスチレン、ポリスチレン、または環状オレフィン・コポリマーである
   請求項７に記載の半導体薄膜の形成方法。
9. 前記低分子半導体材料はアセン系材料である
   請求項１〜８の何れかに記載の半導体薄膜の形成方法。
10. 前記低分子半導体材料はＴＩＰＳペンタセンである
    請求項１〜９の何れかに記載の半導体薄膜の形成方法。
11. 低分子半導体材料および分子量が２０００より大きな高分子からなる高分子絶縁材料を含む有機材料を混合した溶液を基板上に塗布又は印刷して薄膜を形成する工程と、
    前記薄膜を乾燥させる過程で前記低分子半導体材料と前記高分子絶縁材料とを相分離させることにより、積層構造の半導体薄膜を形成する工程とを行い、
    前記低分子半導体材料および前記高分子絶縁材料には、前記相分離させることにより、前記低分子半導体材料からなる少なくとも２層の半導体層と前記高分子絶縁材料からなると共に前記２層の半導体層間に挟持された中間層とを含む積層構造が形成できるものを用いる
    薄膜半導体装置の製造方法。

Images