JP6257027B2 - 有機薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機半導体を活性層に用いた有機薄膜トランジスタに関し、特に、トップコンタクト構造を有する短チャネル長の有機薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。

高移動度で化学的に安定な有機半導体の開発により、有機半導体を活性層に用いた有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の性能の向上は著しい。有機ＴＦＴは、製造に非常に高温のプロセスを必要とせず、低価格、低環境負荷の製造装置で素子を製造できるという利点も有する。従って有機ＴＦＴは、高速のフレキシブルディスプレイの画素駆動用アクティブマトリクス素子やドライバ回路、フレキシブルなＲＦＩＤタグ等、新しい電子技術を担う半導体素子として期待されている。

有機ＴＦＴの高速化には、高移動度と短チャネル長の両立は本質的である。最大駆動周波数は、トランスコンダクタンスに比例し、チャネル長に反比例するからである。従って、ソース、ドレイン電極間の最小分離の限界は、オン・オフスイッチングの高速化の障害となる。

ところで、有機ＴＦＴの素子構造は、一般的に、トップコンタクト構造とボトムコンタクト構造の２種類に大別される。従来の有機ＴＦＴでは通常、微細加工の容易さからボトムコンタクト構造が採用されている。しかし、ボトムコンタクト構造の場合は、段差を持った異なる面、すなわち、ソース、ドレイン電極上と、電極間の絶縁層上の双方の面に有機半導体層が形成されることに起因する問題がある。すなわち、金属電極による段差の近傍に発生する分子不整に起因して、有機半導体層の特性や電極の接触抵抗に限界があることである。不整領域の規模は、典型的には数μｍに及び、デバイス性能を支配する低移動度領域となる。また、自己組織化単分子層の採用、あるいは電極表面の改質により、接触抵抗を低減することが試みられているが、自己組織化単分子層の化学的不安定性等のために、再生不可能及び長期信頼性の低さという問題がある。

これに対して、トップコンタクト構造の場合には、均一な絶縁層上に有機半導体層を形成できるため、ボトムコンタクト構造の場合に比べて、良好な状態の有機半導体層を形成することが容易である。また、ソース及びドレイン電極を有機半導体層上に蒸着により形成するので、密着性が良く、安定で低い接触抵抗が容易に得られる。これらにより、高移動度を得ることが可能である。

しかし、トップコンタクト構造の場合、従来は、短チャネル化が困難であり、３０μｍ程度が限界であった。その理由は、ソース及びドレイン電極のパターニングに、シャドーマスクを用いた蒸着を採用せざるを得なかったためである。チャネル長を数μｍ程度まで短く高精度で制御するためには、フォトリソグラフィによる微細加工プロセスを採用する必要がある。フォトリソグラフィーは、シリコン半導体において使用され、確立された技術であるが、トップコンタクト構造の有機ＴＦＴでは殆ど使用されない。トップコンタクト構造の製造プロセスでは、有機半導体層を作製した後にフォトリソグラフィプロセスを行うことになり、半導体層上において導電膜をエッチングする必要があるためである。従来の有機半導体層は、通常のウェットプロセスに用いられるエッチング液によって深刻なダメージを受けることが知られている。

一方、ボトムコンタクト構造の有機ＴＦＴの作製には、フォトリソグラフィーを容易に用いることができる。有機半導体層の形成以前に電極パターニングが終了するため、エッチング液による有機半導体層のダメージは発生し得ないからである。しかし、ボトムコンタクト構造の有機ＴＦＴには上述のとおり、有機半導体層の特性や電極の接触抵抗に限界があるため、トップコンタクト構造を採用することが望ましい。

トップコンタクト構造における、フォトリソグラフィの工程における有機半導体層のダメージを回避するための構成例が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された有機薄膜トランジスタでは、半導体層上のソース電極およびドレイン電極に対向する第１および第２の領域に、還元反応により導電性が変化する酸化物層が設けられている。酸化物層は、ソース電極およびドレイン電極に対向する領域において導電性を示し、チャネル領域では絶縁性を示すように処理される。これにより、酸化物層を、半導体層とソースおよびドレイン電極とのコンタクト層として機能させる。また、トップコンタクト構造の形成プロセスにおいて、半導体層上のエッチングストッパ層として機能させることができる。これにより、製造プロセスにおける半導体層のダメージを軽減することが可能となる。

特開２０１３−８４８４５号公報

しかし、特許文献１に開示された構造の場合、還元反応により導電性が変化する酸化物層を有機半導体上に設けるため、ソースおよびドレイン電極部分の構造が複雑である。そのため、ソースおよびドレイン電極を有機半導体上に直接成膜した場合と同等の接触抵抗を得ることは困難である。また、導電性が変化する酸化物層の還元反応の処理が必要であることも含めて、ソースおよびドレイン電極部分の製造プロセスは煩雑である。

従って本発明は、ソース及びドレイン電極の微細加工により得られた高精度で短チャネルのトップコンタクト構造を有し、簡素な構成で高移動度と短チャネル長を両立させることが可能な有機薄膜トランジスタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の有機薄膜トランジスタは、基板上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を覆って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された有機半導体膜と、前記有機半導体膜上にチャネル領域を設けて形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、前記有機半導体膜がｐ型半導体の場合は、その酸化還元電位は、前記ソース電極及びドレイン電極を形成している導電材料よりも高く、前記有機半導体膜がｎ型半導体の場合は、その酸化還元電位は、前記ソース電極及びドレイン電極を形成している導電材料よりも低いことを特徴とする。

本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法は、上記構成の有機薄膜トランジスタを製造する方法であって、前記基板上に設けられた前記ゲート電極を覆って前記ゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上に前記有機半導体膜を形成し、前記有機半導体膜上に、前記チャネル領域を形成するための間隔を設けて前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を備え、前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程では、前記有機半導体膜上に導電材料層を成膜し、前記導電材料層上に形成したフォトレジスト膜のパターンをマスクとして前記導電材料層をエッチングする工程を含み、前記有機半導体膜がｐ型半導体の場合は、前記エッチングに用いるエッチング液は、その酸化還元電位が、前記有機半導体材料と前記導電材料の中間の値であり、前記有機半導体膜がｎ型半導体の場合は、前記エッチングに用いるエッチング液は、その酸化還元電位が、前記導電材料よりも高い値であることを特徴とする。

上記構成の有機薄膜トランジスタ及びその製造方法によれば、有機半導体膜と導電材料の酸化還元電位が適切な相互関係を有するため、ソースおよびドレイン電極のパターニングにウェットエッチングを施しても、有機半導体材料の半導体特性の劣化を回避あるいは軽減することが可能である。従って、フォトリソグラフィーによる微細加工プロセスを採用して、トップコンタクト構造の利点を活かした高移動度と短チャネル長を両立させることが可能である。

実施の形態１における有機ＴＦＴの構造及び製造工程を示す断面図 エッチング液に対する各種有機半導体材料の安定度を示す図 従来例であるペンタセンを活性層とする有機ＴＦＴの伝達特性を示す図 Ｃ₁₀−ＤＮＴＴを活性層とする有機ＴＦＴの伝達特性を示す図 Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴを活性層とする有機ＴＦＴの伝達特性を示す図 本実施の形態における有機ＴＦＴのゲート電圧Ｖ_Gとドレイン電流Ｉ_Dの関係を、種々のチャネル長Ｌの場合について示す図 同有機ＴＦＴのチャネル長Ｌに対する全抵抗Ｒｔの関係を、種々のゲート電圧Ｖ_Gの場合について示す図 同有機ＴＦＴの規格化した全抵抗ＷＲｃの値とゲート電圧Ｖ_Gの関係を示す図 実施の形態２における有機ＴＦＴの構造及び製造工程を示す断面図

本発明の有機薄膜トランジスタは上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記有機半導体膜と前記導電材料の酸化還元電位の差は、０．１Ｖ以上である構成とすることができる。

また、前記ソース電極及びドレイン電極は、前記導電材料がフォトリソグラフィーによりパターニングされた構成とすることができる。

また、前記基板は、その主面に対して段差を持った凸面を有して前記主面に対して縦方向を向いた側壁面を形成する段差構造部を備え、前記ゲート電極は前記側壁面に沿った領域を有し、前記有機半導体膜は、前記側壁面に沿った前記ゲート絶縁膜上に位置する領域を有し、前記ソース電極及びドレイン電極の一方は、前記段差構造部の凸面の上部に配置され、他方は、前記基板の前記主面の上部の前記側壁面に隣接した位置に配置されて、前記側壁面に沿って前記チャネル領域が形成される構成とすることができる。

また、本発明の有機薄膜トランジスタの上記製造方法において、前記基板は、その主面に対して段差を持った凸面を有して前記主面に対して縦方向を向いた側壁面を形成する段差構造部を備え、前記ゲート電極を前記側壁面に沿った領域を有するように形成し、前記有機半導体膜を、前記側壁面に沿った前記ゲート絶縁膜上に位置する領域を有するように形成し、前記ソース電極及びドレイン電極の一方は、前記段差構造部の凸面の上部に配置し、他方は、前記基板の前記主面の上部の前記側壁面に隣接した位置に配置することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
［有機ＴＦＴの構造及び製造方法］
実施の形態１における有機ＴＦＴの構造及び製造方法について、図１を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は製造方法の各工程を示す断面図であり、作製された有機ＴＦＴの構造が図１（ｄ）に示される。

図１（ｄ）に示す有機ＴＦＴでは、絶縁性の基板１上にゲート電極２が設けられ、ゲート電極２を覆ってゲート絶縁膜３が形成されている。ゲート絶縁膜３上に順次、有機半導体膜４、ソース電極５ａ及びドレイン電極５ｂが設けられて、トップコンタクト構造を成している。ソース電極５ａ及びドレイン電極５ｂは、有機半導体膜４上に直接設けられ、両電極間に位置する部分の有機半導体膜４がチャネル領域４ａとなる。

基板１は、ガラス等の硬質の材料、あるいは、プラスティックのようなフレキシブルな材料等、いずれによって構成してもよい。また、基板１としてドープされたＳｉ基板を用い、ゲート電極２として機能させることもできる。その場合は、基板１の上面を覆って直接、ＳｉＯ₂等のゲート絶縁膜３が形成される。

この有機ＴＦＴの製造方法について、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。先ず図１（ａ）に示すように、基板１上にゲート電極２を形成し、ゲート電極２を覆ってゲート絶縁膜３を形成する。更に、ゲート絶縁膜３上に順次、有機半導体膜４及び導電材料層５を形成する。次に図１（ｂ）に示すように、導電材料層５上にフォトレジスト層６を形成し、以下のようにフォトリソグラフィによって導電材料層５をパターニングする。

すなわち、先ず、シャドーマスク（不図示）を用いた露光及び現像の工程を行い、フォトレジスト層６を図１（ｃ）に示すようにパターニングして、マスクパターン６ａを形成する。次に、このマスクパターン６ａを介してウェットエッチングを行うことにより、導電材料層５を図１（ｄ）に示したようにパターニングして、ソース電極５ａ及びドレイン電極５ｂを形成する。

このように、有機半導体膜４上に直接成膜された導電材料層５をフォトリソグラフィーによってパターニングすることで、ソース電極５ａとドレイン電極５ｂの間隔を高精度で微細加工できる。これにより、容易に数μｍ程度までの短チャネル化を図ることが可能となる。従来、トップコンタクト構造の形成には不適当であったフォトリソグラフィーの採用は、本実施の形態によれば、有機半導体膜４及び導電材料層５を下記のとおり構成することにより可能となる。

すなわち、本実施の形態の特徴は、有機半導体膜４の材料の酸化還元電位と、導電材料層５の材料の酸化還元電位の関係が一定の条件を充足するように、各材料を選択する点にある。有機半導体膜４がｐ型半導体である場合は、その酸化還元電位が、導電材料層５よりも高くなるように材料を選択する。一方、有機半導体膜４がｎ型半導体である場合は、その酸化還元電位が、導電材料層５よりも低くなるように各材料を選択する。有機半導体膜４と導電材料層５の酸化還元電位の差は、０．１Ｖ以上であることが望ましい。

このような酸化還元電位の関係を有する材料の組合わせを用い、エッチング液を適切に選択すれば、ウェットエッチングにより導電材料層５をパターニングする際に、エッチング液から受ける作用による有機半導体材料の半導体特性の劣化を回避し、あるいは実用上問題の無い程度に軽減することが可能となる。すなわち、有機半導体膜４がｐ型半導体である場合は、有機半導体膜４と導電材料層５の中間の酸化還元電位を有するエッチング液を用いる。一方、有機半導体膜４がｎ型半導体である場合は、導電材料層５よりも高い酸化還元電位を有するエッチング液を用いる。このようにすれば、ｐ型半導体の場合は、エッチング液による酸化作用を受け難い条件に設定され、ｎ型半導体の場合は、エッチング液による還元作用を受け難い条件に設定される。

従って、フォトリソグラフィーによる微細加工プロセスを採用して、トップコンタクト構造の利点を活かした高移動度と短チャネル長を両立させることが可能となる。このような効果は、有機半導体膜と導電材料の酸化還元電位の関係に０．１Ｖ以上の差を設ければ確実に得ることができる。温度によって電子を励起できるエネルギーの上限値が０．１ｅＶであるため、酸化還元電位に０．１Ｖ以上の差があれば、温度の影響を受け難くなるからである。

以下に、ｐ型半導体の場合を例として、有機半導体材料と導電材料の酸化還元電位の関係を上述のように設定することによる作用について、より具体的に説明する。ｎ型半導体の場合の、酸化還元電位の関係に基づいたエッチング液による還元作用を受け難くする作用については、同様に考えることができる。また、ソース、ドレイン電極５ａ、５ｂを形成するための導電材料として、ｐ型半導体の場合に典型的に用いられる金（Ａｕ）を用い、ヨウ素系エッチング溶液を用いた場合を例として説明する。Ａｕ層のウェットエッチングは、ヨウ化物／ヨウ素の酸化還元反応によって支配されるので、この反応に対して強固である有機半導体材料を用いることは、フォトリソグラフィーの採用を可能とするために必須である。

［エッチング耐性の評価］
Ａｕ層をウェットエッチングする際の、有機半導体材料の耐久性を確保するための条件を検討する実験を行った。評価対象の有機半導体材料としては、ペンタセンを比較例とした。また、本実施の形態に使用可能な実施例として、
実施例１：2,9-alkyl-dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene（Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ）、及び
実施例２：3,11-didecyldinaphtho[2,3-b:2',3'-d']benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene（Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴ）
を用いた。Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、及びＣ₁₀−ＤＮＢＤＴは、ＨＯＭＯが低エナジーレベルであることに基づき耐酸化の優れた安定性を示し、両材料とも、単結晶トランジスタの形態で、１０ｃｍ²／Ｖｓを超える高移動度を示した。

評価のための実験では、Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板上に真空蒸着によって、ペンタセン、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、及びＣ₁₀−ＤＮＢＤＴからなる有機半導体層を形成し、その上にソース、ドレイン電極からなるトップコンタクト電極を形成した。トップコンタクト電極の形成工程では、シャドーマスク有の真空蒸着（従来技術）、及びシャドーマスク無しの真空蒸着により、半導体層上にＡｕ層を成膜した。シャドーマスク無しで成膜したＡｕ層については、フォトリソグラフィーによりパターニングを施した。作製したすべてのＴＦＴ素子は、同一のチャネルサイズ（Ｌ＝５０μｍ、Ｗ＝１０００μｍ）、ゲート絶縁膜厚（ｄ＝１００ｎｍ）とした。

Ａｕ層のエッチング溶液としては、ヨウ化アンモニウム系のヨウ素溶液であるAurum S-50790（関東化学株式会社製）を用いた。このエッチング液では、還元半反応（Ｉ₃ ^-＋２ｅ^-＝３Ｉ^-）が金の溶解に寄与している。Ａｕ層のパターニング処理では、活性層の有機半導体層が直接エッチング液に曝される。そのため、有機半導体層は、酸化剤であるＩ₃ ^-の酸化作用に対して安定であることが要求される。この点から、より深いＨＯＭＯレベルをもった半導体材料は、電子が強い安定性を有する故に望ましい。

先ず、上記３種のｐ型有機半導体のＨＯＭＯレベルを比較して、電気化学的な安定性の観点から、フォトリソグラフィーによる電極パターニングへの適合性について検討する。図２に、ペンタセン、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴ、及びAurum S-50790の酸化還元電位を示す。この図から、Aurum S-50790に対するペンタセン、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、及びＣ₁₀−ＤＮＢＤＴの安定度が判る。

ここでは、電子供与可能であり従って酸化され得るような、中性状態にあるｐ型半導体の酸化について考える。半導体が酸化される電極電位は、報告されているイオン化ポテンシャルから概算した。また、Aurum S-50790の還元電位は、サイクリックボルタンメトリの結果から得た。すべての電位値は、標準カロメル参照電極（ＳＣＥ）に関連させて調整した。以下の説明では、簡単のために、熱力学的な安定性についてのみ述べる。

Aurum S-50790における酸化剤Ｉ₃ ^-の酸化還元電位を明確にするために、Aurum S-50790原液のサイクリックボルタンメトリ測定を行った。還元波から、酸化剤Ｉ₃ ^-の還元電位を図２に示すように０．７４Ｖとした。酸化還元反応は、低電極電位によって酸化半反応の方向に進むので、０．７４Ｖ未満の酸化還元電位を持った中性のｐ型半導体は、熱力学的にはAurum S-50790によって酸化される可能性がある。この可能性がある範囲を、図２の安定度図においてドットが付されたグレー領域で示す。上記３種の半導体の中で、ペンタセンのみが、その酸化電位が０．５８Ｖにあるため、エッチング液によって酸化される。一方、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴの電極電位は十分に高く、安定であることが期待できる。

［ＦＥＴ特性］
半導体層とAurum S-50790の間のエネルギー関係は、有機ＴＦＴの電子的特性に明らかな影響を及ぼす。上述のとおり作製した各ＴＦＴ素子について、トランジスタ特性を比較した。図３〜図５は、各々、ペンタセン、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴを活性層とする有機ＴＦＴの伝達特性を示す図である。

各図において、横軸はゲート電圧Ｖ_G（Ｖ）、左側の縦軸はドレイン電流の絶対値の平方根（１０^-3Ａ^1/2）、右側の縦軸はドレイン電流Ｉ_D（Ａ）を対数スケールで示す。各図に示された曲線Ａ１、Ａ２はドレイン電流の絶対値の平方根であり、Ｂ１、Ｂ２はドレイン電流Ｉ_D（Ａ）である。また、曲線Ａ１、Ｂ１は、ソース、ドレイン電極がエッチングによりパターニングされた素子に対応する。曲線Ａ２、Ｂ２は、ソース、ドレイン電極がシャドーマスクを介した蒸着によりパターニングされた素子に対応する。

図３から判るように、ペンタセンを用いたＴＦＴ素子は、電極がエッチングによりパターニングされた場合には、電極がシャドーマスク蒸着によりパターニングされた場合と比べて、相当に大きなオフ時電流を示す。これは、ペンタセンとAurum S-50790の間の電位の関係によって生じる、ペンタセンのＨＯＭＯからエッチング液の酸化剤への電子の顕著な喪失を示す。

エッチングプロセスは、ペンタセンを用いたＴＦＴ素子のトランジスタ特性に対して、他の不都合な影響も及ぼす。伝達特性の傾斜から推定される移動度は、電極がシャドーマスク蒸着によりパターニングされた素子の場合が０．６５ｃｍ²／Ｖｓであるのに対して、電極がエッチングによりパターニングされた素子の場合は０．１７ｃｍ²／Ｖｓに過ぎない。

一方、図４、図５から判るように、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴを用いたＴＦＴ素子では、ペンタセンを用いた素子とは異なり、電極がエッチングによりパターニングされた場合であっても、オフ時電流は、１０^-11Ａ程度と、電極がシャドーマスク蒸着によりパターニングされた場合と同等のオーダーの特性を示す。また、伝達特性の傾斜から推定される移動度も、電極がエッチングによりパターニングされた場合であっても顕著な低下は見られない。

従って、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴを用いたＴＦＴ素子では、エッチングによって大きな影響を受けてはいないことが判る。これは、Aurum S-50790と比べて、より高い酸化還元電位から予期されるものである。従って、エッチングによる電極パターニングは、十分に高い酸化還元電位を有する有機半導体に同様に適用できる。具体的には、有機半導体材料がｐ型半導体である場合は、その酸化還元電位が、導電材料の酸化還元電位に対して、０．１Ｖ以上高ければ、エッチングによって、実用上、不都合な影響を受けることはない。

［接触抵抗の評価］
本実施の形態の有機ＴＦＴは、接触抵抗Ｒｃが十分に小さく、短チャネル高速デバイスの実現に有利である。以下に、様々なチャネル長Ｌのデバイスの特性を比較して接触抵抗Ｒｃを求めた結果について説明する。先ず、有機ＴＦＴのソース−ドレイン間の全抵抗Ｒｔを、下記の式により求めた。

全抵抗Ｒｔ＝接触抵抗Ｒｃ＋チャネル抵抗Ｒ_L
（Ｒｃはチャネル長とは無関係、Ｒ_Lはチャネル長に比例）
図６は、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴを活性層とする本実施の形態の有機ＴＦＴに関し、チャネル長Ｌの異なるデバイスのゲート電圧Ｖ_Gとドレイン電流Ｉ_Dの関係を示す。ドレイン電圧Ｖ_Dとして一定電圧−１Ｖを加えているので、Ｖ_D／Ｉ_Dによって、各チャネル長Ｌ（＝４、６、１０、２０、５０μｍ）に対応する全抵抗Ｒｔが求められる。

このようにして求めた全抵抗Ｒｔに基づき、様々なゲート電圧Ｖ_Gの場合について比較した、チャネル長Ｌに対する全抵抗Ｒｔの関係を図７に示す。横軸は、１／Ｌであり、縦軸は、全抵抗Ｒｔにチャネル幅Ｗをかけて規格化し、チャネル長Ｌで割った値（ＷＲｔ／Ｌ）である。各特性線は、ゲート電圧Ｖ_Gが、−２Ｖ、−４Ｖ、−６Ｖ、−８Ｖ、−１０Ｖの場合を示す。

Ａを比例係数として、
ＷＲｔ＝Ｒｃ＋Ｒ_L（＝Ａ×Ｌ）
なので、
ＷＲｔ／Ｌ（縦軸）＝ＷＲｃ／Ｌ＋Ａ
となる。グラフの傾きからＷＲｃを求める。

そのようにして求めたＷＲｃの値と、ゲート電圧Ｖ_Gの関係を図８に示す。ゲート電圧が十分に加わっているｏｎ状態では、ＷＲｃ＝２００Ωｃｍという小さい値になっている。

［アクティブマトリクスＬＣＤへの適用例］
本発明の有機ＴＦＴの適用例として、有機ＴＦＴ駆動のアクティブマトリクスＬＣＤを作製した。Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ活性層を有するトップコンタクト有機ＴＦＴを、６０×１２８ピクセルＬＣＤの駆動に用いた。ソース／ドレイン電極、ピクセル電極、データ電極は、エッチング液を用いた連続的なパターニング工程により作製した。個々のＴＦＴ構造は、Ｃｒ／Ａｌ₂Ｏ₃／Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ／Ａｕからなる。Ａｕ層は、それがエッチングされてチャネル領域をパターン形成するまでは、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ活性層の例えば酸素プラズマに対する保護層としても機能する。

ゲート電極は、熱蒸着されたＣｒ／Ａｕ／Ｃｒ金属（７／５０／７ｎｍ）に、通常のフォトリソグラフィーとリフトオフプロセスを施して形成した。Ａｌ₂Ｏ₃ゲート絶縁膜（１００ｎｍ）は、１５０度Ｃでの原子層堆積（ＡＬＤ）により成膜した。ＡＬＤプロセスの後、基板を２−プロパノールによる２ｍＭ溶液中に一晩中浸漬することにより、ゲート絶縁膜の表面を、テトラデシルホスホン酸の自己組織化単分子膜によって処理した。

処理したゲート絶縁膜上に有機半導体層として、ペンタセン（３０ｎｍ）、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ（３０ｎｍ）、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴ（２０ｎｍ）の活性層を、それぞれ６０度Ｃ、８０度Ｃ、１４０度Ｃに加熱する基板を用いた熱蒸着により、シャドーマスクを通して、０．０５ｎｍ／ｓｅｃの成膜速度で形成した。活性層の全面に、蒸着によりＡｕ層（５０ｎｍ）を成膜した。Aurum S-50790を用いたＡｕ層のフォトリソグラフィーとウェットエッチングにより、ソース／ドレイン電極を形成した。

ここで、ＦＥＴ特性におけるｐ型ドープ現象を検討するために、有機半導体材料の酸化反応に注目してみる。図２から判るように、ペンタセン、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴのうち、ペンタセンは、エッチング液の酸化剤によって強く酸化され得る。これは、エッチング形成した電極を有するペンタセン使用のＴＦＴに現れる大きなオフ電流の説明になる。酸化反応により、電極電位のエネルギー差に基づく作用よって、ホールがペンタセンのＨＯＭＯにドープされることが原因である。

一方、Ｃ₁₀−ＤＮＴＴ、Ｃ₁₀−ＤＮＢＤＴの電極電位はより高く、従って、エッチング液の酸化反応に対して安定であって、オフ電流の増加が観察されなかった。この電極パターニング法は、十分に高い酸化還元電位を持った有機半導体に同様に適用できる。

＜実施の形態２＞
図１に示した実施の形態１の有機ＴＦＴはチャネルが横方向に延びる横型構造であるが、本発明の構成は、チャネルが縦方向に延びる縦型構造の有機ＴＦＴへも適用可能である。本実施の形態における縦型の有機ＴＦＴの構造及び製造方法について、図９を参照して説明する。図９（ａ）〜（ｄ）は製造方法の各工程を示す断面図であり、作製された有機ＴＦＴの構造が図９（ｄ）に示される。

図９（ｄ）に示すように、この有機ＴＦＴが形成される絶縁性の基板１１は、段差構造部１２を有する。段差構造部１２は、基板１１の主面１１ａに対して段差を持ち主面１１ａと平行な凸面１２ａを有する。また、段差構造部１２により、主面１１ａに対して縦方向を向いた側壁面１２ｂが形成されている。ゲート電極１３が、段差構造部１２の凸面１２ａ及び側壁面１２ｂ、及び基板１１の主面１１ａに亘って設けられている。但し、ゲート電極１３は、少なくとも側壁面１２ｂに沿った領域を有するように形成されればよい。

ゲート電極１３を覆ってゲート絶縁膜１４が、段差構造部１２の凸面１２ａ及び側壁面１２ｂ、及び基板１１の主面１１ａに亘って設けられている。ゲート絶縁膜１４上には、有機半導体膜１５が設けられている。但し、有機半導体膜１５は、少なくとも側壁面１２ｂに沿ったゲート絶縁膜１４上に位置する領域を有するように形成されればよい。段差構造部１２の凸面１２ａの上部にソース電極１６ａが配置され、基板１１の主面１１ａの上部の側壁面１２ｂに隣接した位置にドレイン電極１６ｂが配置されている。

この構成の有機ＴＦＴでは、側壁面１２ｂに沿ってチャネル領域１５ａが形成される。従って、チャネル長は、段差構造部１２の厚さに対応する。段差構造部１２の厚さは十分に薄くすることが可能であるため、チャネル長を十分に短くすることが可能である。これにより、フォトリソグラフィ等の微細加工技術の加工分解能の限界を超えた短チャネルデバイスを作製可能である。

この有機ＴＦＴの製造方法について、図９（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。先ず、図９（ａ）に示すように、絶縁性の基板１１の上面に段差構造部１２を作製した後、段差構造部１２を含む基板１１の表面領域の全てにゲート電極１３を形成する。次に、ゲート電極１３を覆ってゲート絶縁膜１４を形成し、ゲート絶縁膜１４の上に順次、有機半導体膜１５及び導電材料層１６を形成する。次に図９（ｂ）に示すように、導電材料層１６上にフォトレジスト層１７を形成し、フォトリソグラフィにより導電材料層１６をパターニングする。

すなわち、先ず、シャドーマスク（不図示）を用いた露光及び現像の工程を行い、フォトレジスト層１７を図９（ｃ）に示すようにパターニングして、マスクパターン１７ａを形成する。マスクパターン１７ａは、段差構造部１２の側壁面１２ｂを覆った領域が削除された形状にする。次に、このマスクパターン１７ａを介してウェットエッチングを行うことにより、導電材料層１６を図９（ｄ）に示したようにパターニングして、ソース電極１６ａ及びドレイン電極１６ｂを形成することにより、有機ＴＦＴが完成する。

この縦型構造においても、ソース電極１６ａ及びドレイン電極１６ｂはトップコンタクト構造を形成している。また、有機半導体膜１５及びソース／ドレイン電極１６ａ、１６ｂの材料は、上述の横型構造の場合と同様に選択される。

すなわち、有機半導体膜１５がｐ型半導体である場合は、その酸化還元電位が、導電材料層１６よりも高くなるように材料を選択する。一方、有機半導体膜１５がｎ型半導体である場合は、その酸化還元電位が、導電材料層１６よりも低くなるように各材料を選択する。有機半導体膜１５と導電材料層１６の酸化還元電位の差は、０．１Ｖ以上であることが望ましい。これにより、導電材料層１６のパターニングのフォトリソグラフィーを用いることができる。従って、縦型構造による短チャネル長を十分に活かすように、ソース／ドレイン電極１６ａ、１６ｂを高精度で微細加工することができる。

段差構造部１２は、図示されるように基板１１と一体であっても、基板１１の平坦面上に別体として形成されてもよい。基板１１あるいは段差構造部１２の材料としては、絶縁体であって上記構成に適した形状を形成できるものであれば任意のものを使用することができる。例えば、ガラス等の酸化物をエッチングしたもの、フォトレジスト、或いは２層以上のフォトレジストを積層したもの等を用いることができる。

さらに、ゲート電極１３を、実質的に、チャネル領域１５ａに対応する範囲である側壁面１２ｂに沿った領域にのみ残して、他の部分を削除した構造にすることができる。その場合、ゲート電極１３に対して、ソース電極１６ａ及びドレイン電極１６ｂは互いに直交する関係でのみ配置されるので、互いに平行な面的に対向する領域を持たず、ゲート電極１３による寄生容量を非常に小さくすることができ、高速応答性能が飛躍的に向上する。

本発明の有機薄膜トランジスタは、簡素な構成で高移動度と短チャネル長を両立させることが可能であり、高速のフレキシブルディスプレイの画素駆動用アクティブマトリクス素子やドライバ回路、プラスチック上に作製可能な論理回路、低コストのＲＦ−ＩＤタグ等、フレキシブルセンサの信号処理素子、高速応答が可能な圧力センサ等に有用である。

１、１１ 基板
２、１３ ゲート電極
３、１４ ゲート絶縁膜
４、１５ 有機半導体膜
４ａ、１５ａ チャネル領域
５、１６ 導電材料層
５ａ／５ｂ、１６ａ／１６ｂ ソース電極／ドレイン電極
６、１７ フォトレジスト層
６ａ、１７ａ マスクパターン
１１ａ 主面
１２ 段差構造部
１２ａ 凸面
１２ｂ 側壁面

Claims (5)

1. 基板上にゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極を覆ってゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にｐ型の有機半導体材料からなる有機半導体膜を形成する工程と、
   前記有機半導体膜上に、チャネル領域を形成する間隔を設けてソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含む有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
   前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記有機半導体膜上に形成された導電材料層を、当該導電材料層上に形成されたフォトレジスト膜のパターンをマスクとするウェットエッチングにより形成され、
   前記ウェットエッチングに用いるエッチング液は、その酸化還元電位が、前記有機半導体材料の酸化還元電位と前記導電材料の酸化還元電位との間の値であることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
2. 前記基板は、その主面に対して段差を持った凸面を有して前記主面に対して縦方向を向いた側壁面を形成する段差構造部を備え、
   前記ゲート電極を前記側壁面に沿った領域を有するように形成し、
   前記有機半導体膜を、前記側壁面に沿った前記ゲート絶縁膜上に位置する領域を有するように形成し、
   前記ソース電極及びドレイン電極の一方は、前記段差構造部の凸面の上部に配置し、他方は、前記基板の前記主面の上部の前記側壁面に隣接した位置に配置する請求項１に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
3. 前記エッチング液が、ヨウ素溶液である請求項１または２に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
4. 前記有機半導体材料が、Ｃ ₁₀ −ＤＮＴＴ、または、Ｃ ₁₀ −ＤＮＢＤＴである請求項１〜３のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
5. 前記間隔が、４μｍ以上２０μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。

Images