JP7115610B1 - 薄膜トランジスタ、および、薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
薄膜トランジスタ、および、薄膜トランジスタの製造方法の第1実施形態を以下に示す。まず、薄膜トランジスタの多層構造を説明し、次に薄膜トランジスタの各層について構成材料と寸法とを説明し、次に薄膜トランジスタの製造方法を説明する。
図1が示すように、薄膜トランジスタの第1例は、ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタである。薄膜トランジスタは、可撓性基板11、ゲート電極層12、第1ゲート絶縁膜21、第2ゲート絶縁膜22、半導体層13、ソース電極層14、および、ドレイン電極層15を備える。第1ゲート絶縁膜21、および、第2ゲート絶縁膜22が、ゲート絶縁層を構成する。
半導体層13の下面の第1部分は、第2ゲート絶縁膜22に接する。半導体層13の下面の第2部分は、チャンネル長方向Xにおいて、ソース電極層14とドレイン電極層15との間を埋めるチャンネル領域Cを構成する。
可撓性基板11は、上面において絶縁性を有する。可撓性基板11は、透明基板でもよいし、不透明基板でもよい。可撓性基板11は、絶縁性を有したフィルムでもよいし、支持面11Sに絶縁性を付与された金属箔でもよいし、支持面11Sに絶縁性を付与された合金箔でもよいし、可撓性を有した薄板ガラスでもよい。
電極層12,14,15は、それぞれ単層構造体でもよいし、多層構造体でもよい。各電極層12,14,15が多層構造体である場合、電極層12,14,15は、それぞれ電極層12,14,15の下層との密着性を高める最下層、および、電極層12,14,15の上層との密着性を高める最上層を有することが好ましい。
第1ゲート絶縁膜21を構成する材料は、有機高分子化合物である。有機高分子化合物は、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリビニルアルコール、アクリルポリマー、エポキシポリマー、アモルファスフッ素ポリマーを含むフッ素系ポリマー、メラミンポリマー、フランポリマー、キシレンポリマー、ポリアミドイミドポリマー、シリコーンポリマー、シクロオレフィンポリマーからなる群から選択される少なくとも一種である。第1ゲート絶縁膜21の耐熱性を高める観点では、有機高分子化合物は、ポリイミド、アクリルポリマー、フッ素系ポリマーからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。
(条件1)第1ゲート絶縁膜21の厚さが100nm以上1500nm以下の範囲内に含まれ、かつ、第1ゲート絶縁膜21の厚さとヤング率との積が300nm・GPa以上30000nm・GPa以下の範囲内に含まれる。
半導体層13を構成する材料は、無機半導体でもよいし、有機半導体でもよい。無機半導体は、酸化物半導体でもよいし、非単結晶シリコンでもよいし、化合物半導体でもよい。なお、非単結晶シリコンは、アモルファスシリコンおよび多結晶シリコンを含む。酸化物半導体は、インジウム、および、亜鉛の少なくとも一方を含む。
半導体層13のヤング率は、100GPa以上150GPa以下であることが好ましい。半導体層13のヤング率が100GPa以上であることによって、半導体層13の膜質の低下が抑えられ、これによって、薄膜トランジスタの移動度の低下が抑えられる。半導体層13のヤング率が150GPa以下であることによって、耐屈曲性の低下が抑えられる。半導体層13のヤング率は、第1ゲート絶縁膜21のヤング率と同様に、ISO14577に準拠した方法によって測定された値である。
(条件3)半導体層13の厚さが15nm以上50nm以下の範囲内に含まれ、かつ、厚さとヤング率との積が1500nm・GPa以上7500nm・GPa以下の範囲内に含まれる。
ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタの製造方法は、可撓性基板11にゲート電極層12を形成する第1工程、ゲート電極層12に第1ゲート絶縁膜21を積層する第2工程、および、第1ゲート絶縁膜21に第2ゲート絶縁膜22を積層する第3工程を含む。また、ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタの製造方法は、第2ゲート絶縁膜22に半導体層13を積層する第4工程、および、半導体層13にソース電極層14とドレイン電極層15とを積層する第5工程を含む。
[実施例1‐1]
実施例1‐1では、図1が示す構造を有したボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタを得た。
・ターゲット組成比 :Al(at%):Nd(at%)=98:2
・スパッタガス :アルゴン
・スパッタガス流量 :100sccm
・成膜圧力 :1.0Pa
・ターゲット電力 :200W(DC)
・基板温度 :室温
<アクリルポリマー膜の成膜条件>
・基板回転速度 :420rpm/30秒
・焼成温度 :220℃
・焼成時間 :1時間
<窒化珪素膜の成膜条件>
・反応ガス :シラン/アンモニア/水素/窒素
・反応ガス流量 :10sccm(シラン)、70sccm(アンモニア)
5000sccm(水素)、2000sccm(窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :1000W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :90秒
<InGaZnO膜の成膜条件>
・ターゲット組成比 :原子質量% In:Ga:Zn:O=1:1:1:4
・スパッタガス :アルゴン/酸素
・スパッタガス流量 :50sccm(アルゴン)、0.2sccm(酸素)
・成膜圧力 :1.0Pa
・ターゲット電力 :450W
・ターゲット周波数 :13.56MHz
・基板温度 :室温
・成膜時間 :25分
<AlNd膜の成膜条件>
・ターゲット組成比 :Al(at%):Nd(at%)=98:2
・スパッタガス :アルゴン
・スパッタガス流量 :100sccm
・成膜圧力 :1.0Pa
・ターゲット電力 :200W(DC)
・基板温度 :室温
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更し、焼成温度を200℃に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐2の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは1500nmであり、ヤング率は10GPaであった。
・基板回転速度 :440rpm/30秒
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐2の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは700nmであり、ヤング率は20GPaであった。
・基板回転速度 :1250rpm/30秒
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更し、第1ゲート絶縁膜21の焼成温度を180℃に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐4の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは1500nmであり、ヤング率は3GPaであった。
・基板回転速度 :460rpm/30秒
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成するアクリルポリマー溶液を希釈溶媒であるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで3倍に希釈し、スピンコート条件を以下のように変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐5の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは100nmであり、ヤング率は20GPaであった。
・基板回転速度 :2800rpm/30秒
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を、ALD装置を用いて成膜した酸化アルミニウム膜を用いて形成した以外は、実施例1‐1と同様の方法で実施例1‐6の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは30nmであり、ヤング率は250GPaであった。
<酸化アルミニウム膜の成膜条件>
・反応ガス :トリメチルアルミニウム/水蒸気
・パージガス :窒素
・成膜圧力 :40Pa
・サイクル数 :330回
・基板温度 :200℃
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を、プラズマCVD装置を用いて成膜した酸化窒化珪素膜を用いて形成した以外は、実施例1‐1と同様の方法で実施例1‐7の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは30nmであり、ヤング率は150GPaであった。
<酸化窒化珪素膜の成膜条件>
・反応ガス :シラン/アンモニア/水素/一酸化二窒素
・反応ガス流量 :50sccm(シラン)、100sccm(アンモニア)
1000sccm(水素)、500sccm(一酸化二窒素)
・成膜圧力 :300Pa
・高周波電力 :900W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :110秒
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を30秒に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐8の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは10nmであり、ヤング率は300GPaであった。
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を、プラズマCVD装置を用いて成膜した酸化珪素膜を用いて形成した以外は、実施例1‐1と同様の方法で実施例1‐9の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは30nmであり、ヤング率は50GPaであった。
<酸化珪素膜の成膜条件>
・反応ガス :シラン/一酸化二窒素
・反応ガス流量 :65sccm(シラン)、500sccm(一酸化二窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :500W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :120秒
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を6秒に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐10の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは2nmであり、ヤング率は300GPaであった。
実施例1‐9において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を8秒に変更した以外は、実施例1‐9と同様の方法で、実施例1‐11の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは2nmであり、ヤング率は50GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を成膜する際のターゲット電力を350Wに変更し、成膜時間を35分に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐12の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは30nmであり、ヤング率は300GPaであった。半導体層13の厚さは50nmであり、ヤング率は120GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を成膜する際のターゲット電力を250Wに変更し、成膜時間を50分に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐13の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは50nmであり、ヤング率は100GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際の成膜時間を15分に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐14の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは30nmであり、ヤング率は150GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際の成膜時間を7.5分に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐15の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは15nmであり、ヤング率は150GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際の成膜時間を15分に変更し、かつ、ターゲット電力を250Wに変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐16の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは15nmであり、ヤング率は100GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際のターゲット電力を500Wに変更し、成膜時間を23分に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐17の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは50nmであり、ヤング率は160GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際の成膜時間を30分に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐18の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは60nmであり、ヤング率は150GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際の成膜時間を17分に変更し、かつ、ターゲット電力を200Wに変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐19の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは15nmであり、ヤング率は90GPaであった。
実施例1‐1において、半導体層13を形成する際の成膜時間を9分に変更し、かつ、ターゲット電力を400Wに変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、実施例1‐20の薄膜トランジスタを得た。半導体層13の厚さは10nmであり、ヤング率は140GPaであった。
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成するアクリルポリマー溶液を希釈溶媒であるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで3倍に希釈し、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、比較例1‐1の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは90nmであり、ヤング率は20GPaであった。
・基板回転速度 :3300rpm/30秒
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更した以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1‐2の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは1600nmであり、ヤング率は20GPaであった。
・基板回転速度 :380rpm/30秒
実施例1において、第1ゲート絶縁膜21を形成するアクリルポリマー溶液を希釈溶媒であるプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで3倍に希釈し、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更し、焼成温度を180℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1‐3の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは100nmであり、ヤング率は2GPaであった。
・基板回転速度 :2840rpm/30秒
実施例1‐1において、第1ゲート絶縁膜21を形成する際のスピンコート条件を以下のように変更し、焼成温度を230℃に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、比較例1‐4の薄膜トランジスタを得た。第1ゲート絶縁膜21の厚さは1100nmであり、ヤング率は30GPaであった。
・基板回転速度 :630rpm/30秒
実施例1‐9において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を3秒に変更し、かつ、高周波電力を1000Wに変更した以外は、実施例1‐9と同様の方法で、比較例1‐5の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは1nmであり、ヤング率は90GPaであった。
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を120秒に変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、比較例1‐6の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは40nmであり、ヤング率は300GPaであった。
実施例1‐9において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を10秒に変更し、かつ、高周波電力を450Wに変更した以外は、実施例1‐9と同様の方法で、比較例1‐7の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは2nmであり、ヤング率は40GPaであった。
実施例1‐1において、第2ゲート絶縁膜22を形成する際の成膜時間を85秒に変更し、かつ、高周波電力を1200Wに変更した以外は、実施例1‐1と同様の方法で、比較例1‐8の薄膜トランジスタを得た。第2ゲート絶縁膜22の厚さは30nmであり、ヤング率は320GPaであった。
実施例1‐1から1‐20、および、比較例1‐1から1‐8の薄膜トランジスタについて、半導体パラメータアナライザ(B1500A、アジレント・テクノロジー(株)製)を用いることによって、伝達特性を測定した。そして、移動度およびオンオフ比を算出した。この際に、移動度における有効数字を小数点第1位に設定し、かつ、オンオフ比の有効数字を1の位に設定した。
図3および図4を参照して、評価結果を説明する。図3は、実施例1‐1から1‐20の薄膜トランジスタについて、第1ゲート絶縁膜21の厚さT1(nm)、ヤング率E1(GPa)、および、厚さT1とヤング率E1との積T1E1(nm・GPa)を示している。また、図3は、実施例1‐1から1‐20の薄膜トランジスタについて、第2ゲート絶縁膜22の厚さT2(nm)、ヤング率E2(GPa)、および、厚さT2とヤング率E2との積T2E2(nm・GPa)を示している。そして、図3は、実施例1‐1から1‐20の薄膜トランジスタについて、半導体層13の厚さT3(nm)、ヤング率E3(GPa)、および、厚さT3とヤング率E3との積T3E3を示している。さらに、図3は、実施例1‐1から1‐20の薄膜トランジスタについて、移動度、移動度の減少率、屈曲試験前のオンオフ比の桁数、および、オンオフ比の差分値の桁数を示している。
(1‐1)上述した条件1および条件2を満たす構成であれば、薄膜トランジスタが屈曲した際に、第1ゲート絶縁膜21および第2ゲート絶縁膜22そのものが劣化すること、および、第1ゲート絶縁膜21と第2ゲート絶縁膜22との界面の状態が劣化することが抑えられる。これによって、薄膜トランジスタの屈曲による移動度の減少率が低められる。結果として、可撓性基板11の曲げに対する薄膜トランジスタの電気的な耐久性が高められる。
図5から図11を参照して、薄膜トランジスタ、および、薄膜トランジスタの製造方法の第2実施形態を説明する。第2実施形態の薄膜トランジスタは、保護層を備える点において第1実施形態の薄膜トランジスタと異なっている。以下では、第2実施形態における第1実施形態との相違点を詳しく説明する一方で、第2実施形態において第1実施形態と共通する構成には、第1実施形態と同一の符号を付すことによって、当該構成の詳しい説明を省略する。
図5が示すように、薄膜トランジスタの第3例は、トップゲート・ボトムコンタクト型トランジスタである。以下では、当該トップゲート・ボトムコンタクト型トランジスタのうち、ボトムゲート・ボトムコンタクト型トランジスタ、すなわち薄膜トランジスタの第1例と異なる構成について主に説明する。
図6が示すように、薄膜トランジスタの第4例は、トップゲート・ボトムコンタクト型トランジスタである。以下では、当該トップゲート・ボトムコンタクト型トランジスタのうち、ボトムゲート・ボトムコンタクト型トランジスタ、すなわち薄膜トランジスタの第1例と異なる構成について主に説明する。
本開示の保護層31は、薄膜トランジスタの製造過程において、半導体層13を、保護層31を形成した後の工程において保護する機能を有する。薄膜トランジスタの製造過程において、半導体層13を形成した後に、ソース電極層14およびドレイン電極層15が形成される。ソース電極層14およびドレイン電極層15は、例えば、各電極層14,15を形成するための金属膜を形成し、次いで、金属膜をエッチングすることによって形成される。
(条件4)厚さが40nm以上1000nm以下の範囲内に含まれ、かつ、厚さとヤング率との積が120nm・GPa以上20000nm・GPa以下の範囲内に含まれる。
(条件5)厚さが40nm以上60nm以下の範囲内に含まれ、かつ、厚さとヤング率との積が2000nm・GPa以上9000nm・GPa以下の範囲内に含まれる。
保護層31を有するボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタの製造方法における一例を説明する。ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタの製造方法は、可撓性基板11にゲート電極層12を形成する第1工程、ゲート電極層12に第1ゲート絶縁膜21を積層する第2工程、および、第1ゲート絶縁膜21に第2ゲート絶縁膜22を積層する第3工程を含む。また、ボトムゲート・トップコンタクト型トランジスタの製造方法は、第2ゲート絶縁膜22に半導体層13を積層する第4工程、半導体層13上に保護層31を積層する第5工程、および、保護層31の積層後に、ソース電極層14とドレイン電極層15とを積層する第6工程を含む。
[実施例2‐1]
実施例2‐1では、図5が示す構造を有したトップゲート・ボトムコンタクト型トランジスタを得た。
ゲート電極層12として80nmの厚さを有したAlNd膜を形成した。この際に、DCマグネトロンスパッタ装置を用いて、AlNd膜を室温成膜した後に、フォトリソグラフィー法を用いてAlNd膜上にレジストパターンを形成した。次いで、AlNd膜をウェットエッチングし、そして、レジストパターンをAlNd膜から剥離することによって、ゲート電極層12を得た。AlNd膜の成膜条件を以下に示す。
・ターゲット組成比 :Al(at%):Nd(at%)=98:2
・スパッタガス :アルゴン
・スパッタガス流量 :100sccm
・成膜圧力 :1.0Pa
・ターゲット電力 :200W(DC)
・基板温度 :室温
<アクリルポリマー膜の成膜条件>
・基板回転速度 :420rpm/30秒
・焼成温度 :220℃
・焼成時間 :1時間
<窒化珪素膜の成膜条件>
・反応ガス :シラン/アンモニア/水素/窒素
・反応ガス流量 :10sccm(シラン)、70sccm(アンモニア)
5000sccm(水素)、2000sccm(窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :1000W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :90秒
<InGaZnO膜の成膜条件>
・ターゲット組成比 :原子質量% In:Ga:Zn:O=1:1:1:4
・スパッタガス :アルゴン/酸素
・スパッタガス流量 :50sccm(アルゴン)、0.2sccm(酸素)
・成膜圧力 :1.0Pa
・ターゲット電力 :450W
・ターゲット周波数 :13.56MHz
・基板温度 :室温
・成膜時間 :25分
<感光性アクリルポリマー膜の成膜条件>
・基板回転速度 :1580rpm/30秒
・焼成温度 :190℃
・焼成時間 :1時間
・ターゲット組成比 :Al(at%):Nd(at%)=98:2
・スパッタガス :アルゴン
・スパッタガス流量 :100sccm
・成膜圧力 :1.0Pa
・ターゲット電力 :200W(DC)
・基板温度 :室温
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液の希釈倍率を3倍に変更し、かつ、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐2の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは50nmであり、保護層31のヤング率は5GPaであった。
・基板回転速度 :3400rpm/30秒
・焼成条件 :200℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液の希釈倍率を3倍に変更し、かつ、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐3の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは100nmであり、保護層31のヤング率は10GPaであった。
・基板回転速度 :1080rpm/30秒
・焼成条件 :200℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液の希釈倍率を2倍に変更し、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐4の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは300nmであり、保護層31のヤング率は10GPaであった。
・基板回転速度 :2640rpm/30秒
・焼成条件 :200℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液の希釈倍率を2倍に変更し、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐5の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは500nmであり、保護層31のヤング率は15GPaであった。
・基板回転速度 :1120rpm/30秒
・焼成条件 :210℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液の希釈倍率を2倍に変更し、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐6の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは800nmであり、保護層31のヤング率は15GPaであった。
・基板回転速度 :510rpm/30秒
・焼成条件 :210℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液を希釈せず、かつ、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例21と同様の方法で、実施例27の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは1000nmであり、保護層31のヤング率は15GPaであった。
・基板回転速度 :1090rpm/30秒
・焼成条件 :210℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー溶液を希釈せず、かつ、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐8の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは1000nmであり、保護層31のヤング率は20GPaであった。
・基板回転速度 :1070rpm/30秒
・焼成条件 :220℃
実施例2‐1において、保護層31を1000nmの厚さを有した感光性シクロオレフィンポリマー膜に変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐9の薄膜トランジスタを得た。
<感光性シクロオレフィンポリマー膜の成膜条件>
・基板回転速度 :1200rpm/30秒
・焼成温度 :230℃
・焼成時間 :1時間
実施例2‐8において、薄膜トランジスタの構造を図6が示す構造に変更した以外は、実施例2‐8と同様の方法で、実施例2‐10の薄膜トランジスタを得た。
実施例2‐1において、第1ゲート絶縁膜21と保護層31を厚さ500nmの感光性ポリメチルシルセスキオキサンで形成した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐11の薄膜トランジスタを得た。
<感光性ポリメチルシルセスキオキサン膜の成膜条件>
・基板回転速度 :1000rpm/30秒
・焼成温度 :200℃
・焼成時間 :1時間
実施例2‐1において、第1ゲート絶縁膜21と保護層31とを、500nmの厚さを有した有機無機複合材料製の膜に変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐12の薄膜トランジスタを得た。なお、有機無機複合材料として、アクリルポリマーに酸化珪素から形成されたナノ粒子を分散させた材料を用いた。
<アクリルポリマー膜の焼成条件>
・焼成温度 :250℃
・焼成時間 :1時間
実施例2‐1において、基板の回転速度を以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐13の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは30nmであり、保護層31のヤング率は3GPaであった。
・基板回転速度 :2530rpm/30秒
実施例2‐1において、保護層31を形成する感光性アクリルポリマー溶液を希釈せず、かつ、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐14の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは1200nmであり、保護層31のヤング率は20GPaであった。
・基板回転速度 :800rpm/30秒
・焼成温度 :220℃
実施例2‐1において、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐15の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは40nmであり、保護層31のヤング率は2GPaであった。
・基板回転速度 :1600rpm/30秒
・焼成温度 :180℃
実施例2‐1において、保護層31を形成する感光性アクリルポリマー溶液を希釈せず、感光性アクリルポリマー膜を形成する際の基板の回転速度と、焼成条件とを以下のように変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐16の薄膜トランジスタを得た。なお、保護層31の厚さは1000nmであり、保護層31のヤング率は30GPaであった。
・基板回転速度 :1170rpm/30秒
・焼成温度 :230℃
実施例2‐1において、保護層31を40nmの厚さを有した酸化珪素膜に変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐17の薄膜トランジスタを得た。
・反応ガス :シラン/一酸化二窒素
・反応ガス流量 :65sccm(シラン)、500sccm(一酸化二窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :500W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :160秒
実施例2‐1において、保護層31を40nmの厚さを有した窒化珪素膜に変更した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐18の薄膜トランジスタを得た。
・反応ガス :シラン/アンモニア/水素/窒素
・反応ガス流量 :10sccm(シラン)、70sccm(アンモニア)
5000sccm(水素)、2000sccm(窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :1000W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :120秒
実施例2‐1において、保護層31を60nmの厚さを有した窒化珪素で形成した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、実施例2‐19の薄膜トランジスタを得た。
・反応ガス :シラン/アンモニア/水素/窒素
・反応ガス流量 :10sccm(シラン)、70sccm(アンモニア)
5000sccm(水素)、2000sccm(窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :1000W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :180秒
実施例2‐1において、保護層31を150nmの厚さを有した酸化珪素膜で形成した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、比較例2‐1の薄膜トランジスタを得た。
・反応ガス :シラン/一酸化二窒素
・反応ガス流量 :80sccm(シラン)、800sccm(一酸化二窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :600W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :260秒
実施例2‐1において、保護層31を80nmの厚さを有した窒化珪素膜で形成した以外は、実施例2‐1と同様の方法で、比較例2‐2の薄膜トランジスタを得た。
・反応ガス :シラン/アンモニア/水素/窒素
・反応ガス流量 :10sccm(シラン)、70sccm(アンモニア)
5000sccm(水素)、2000sccm(窒素)
・成膜圧力 :200Pa
・高周波電力 :1000W
・高周波電力周波数 :13.56MHz
・基板温度 :200℃
・成膜時間 :240秒
実施例2‐1から2‐19、および、比較例2‐1,2‐2の薄膜トランジスタについて、半導体パラメータアナライザ(B1500A、アジレント・テクノロジー(株)製)を用いることによって、伝達特性を測定し、移動度とオンオフ比とを算出した。なお、移動度の減少率およびオンオフ比の差分値を、第1実施形態における実施例において説明した方法と同様の方法によって算出した。
図7から図11を参照して、評価結果を説明する。図7は、実施例2‐1から2‐16の薄膜トランジスタについて、第1ゲート絶縁膜21の厚さT1(nm)、ヤング率E1(GPa)、および、厚さT1とヤング率E1との積T1E1(nm・GPa)を示している。また、図7は、実施例2‐1から2‐16の薄膜トランジスタについて、第2ゲート絶縁膜22の厚さT2(nm)、ヤング率E2(GPa)、および、厚さT2とヤング率E2との積T2E2(nm・GPa)を示している。さらに、図7は、実施例2‐1から2‐16の薄膜トランジスタについて、保護層31の厚さT4(nm)、ヤング率(E4)、および、厚さT4とヤング率E4との積T4E4(nm・GPa)を示している。
図7から図11が示すように、実施例2‐1から2‐19の薄膜トランジスタでは、屈曲試験前の移動度が10.2以上10.9以下の範囲内に含まれ、かつ、屈曲試験後における移動度の減少率が0.0%以上1.9%以下の範囲内に含まれることが認められた。これに対して、比較例2‐1,2‐2の薄膜トランジスタでは、屈曲試験前の移動度が10.3以上10.5以下の範囲内に含まれる、すなわち実施例の薄膜トランジスタと同程度であることが認められた。一方で、比較例2‐1,2‐2の薄膜トランジスタでは、屈曲試験後における移動度の減少率が、69.6%以上であって、実施例における移動度の減少率に比べて大幅に高いことが認められた。
(2‐1)薄膜トランジスタが半導体層13を覆う保護層31を備えることによって、保護層31を形成する後の工程において、保護層31が半導体層13を保護する。また、薄膜トランジスタが製造された後において、保護層31は、薄膜トランジスタが配置される雰囲気から半導体層13を保護する。
L…チャンネル長
11…可撓性基板
11S…支持面
11S1…第1部分
11S2…第2部分
12…ゲート電極層
13…半導体層
13S…上面
13S1…第1領域
13S2…第2領域
14…ソース電極層
15…ドレイン電極層
21…第1ゲート絶縁膜
22…第2ゲート絶縁膜
31…保護層
Claims (8)
- 支持面を有した可撓性基板と、
前記支持面の第1部分に位置するゲート電極層と、
前記支持面の第2部分と前記ゲート電極層とを覆うゲート絶縁層と、
前記ゲート電極層と半導体層とによって前記ゲート絶縁層を挟む前記半導体層と、
ソース電極層と前記半導体層との間には絶縁性を有する層が位置しない状態で、前記半導体層の第1端部に接する前記ソース電極層と、
ドレイン電極層と前記半導体層との間には絶縁性を有する層が位置しない状態で、前記半導体層の第2端部に接する前記ドレイン電極層と、を備え、
前記ゲート絶縁層は、
有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成され、前記第2部分と前記ゲート電極層とを覆う第1ゲート絶縁膜と、
酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、および、酸化アルミニウムから構成される群から選択されるいずれか一種によって構成され、前記第1ゲート絶縁膜と前記半導体層とに挟まれた第2ゲート絶縁膜と、から構成され、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、100nm以上1500nm以下であり、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、300nm・GPa以上30000nm・GPa以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さが、2nm以上30nm以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、100nm・GPa以上9000nm・GPa以下である
薄膜トランジスタ。 - 支持面を有した可撓性基板と、
前記支持面の第1部分に位置するゲート電極層と、
前記支持面の第2部分と前記ゲート電極層とを覆うゲート絶縁層と、
前記ゲート電極層と半導体層とによって前記ゲート絶縁層を挟む前記半導体層と、
前記半導体層の上面における第1領域と第2領域とが保護層から露出するように前記半導体層を覆う前記保護層と、
前記第1領域に接するソース電極層と、
前記第2領域に接するドレイン電極層と、を備え、
前記保護層は、有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成され、
前記ゲート絶縁層は、
有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成され、前記第2部分と前記ゲート電極層とを覆う第1ゲート絶縁膜と、
酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、および、酸化アルミニウムから構成される群から選択されるいずれか一種によって構成され、前記第1ゲート絶縁膜と前記半導体層とに挟まれた第2ゲート絶縁膜と、から構成され、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、100nm以上1500nm以下であり、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、300nm・GPa以上30000nm・GPa以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さが、2nm以上30nm以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、100nm・GPa以上9000nm・GPa以下である
薄膜トランジスタ。 - 前記保護層の厚さは、40nm以上1000nm以下であり、
前記保護層の厚さとヤング率との積が、120nm・GPa以上20000nm・GPa以下である
請求項2に記載の薄膜トランジスタ。 - 支持面を有した可撓性基板と、
前記支持面の第1部分に位置するゲート電極層と、
前記支持面の第2部分と前記ゲート電極層とを覆うゲート絶縁層と、
前記ゲート電極層と半導体層とによって前記ゲート絶縁層を挟む前記半導体層と、
前記半導体層の上面における第1領域と第2領域とが保護層から露出するように前記半導体層を覆う前記保護層と、
前記第1領域に接するソース電極層と、
前記第2領域に接するドレイン電極層と、を備え、
前記保護層は、酸化珪素、窒化珪素、または、酸化窒化珪素によって構成され、
前記ゲート絶縁層は、
有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成され、前記第2部分と前記ゲート電極層とを覆う第1ゲート絶縁膜と、
酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、および、酸化アルミニウムから構成される群から選択されるいずれか一種によって構成され、前記第1ゲート絶縁膜と前記半導体層とに挟まれた第2ゲート絶縁膜と、から構成され、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、100nm以上1500nm以下であり、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、300nm・GPa以上30000nm・GPa以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さが、2nm以上30nm以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、100nm・GPa以上9000nm・GPa以下であり、
前記保護層の厚さが、40nm以上60nm以下であり、
前記保護層の厚さとヤング率との積が、2000nm・GPa以上9000nm・GPa以下である
薄膜トランジスタ。 - 前記半導体層の厚さは、15nm以上50nm以下であり、
前記半導体層の厚さとヤング率との積が、1500nm・GPa以上7500nm・GPa以下である
請求項1から4のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。 - 前記半導体層は、インジウムを含有する酸化物半導体層である
請求項1から5のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ。 - 可撓性基板の支持面における第1部分にゲート電極層を形成すること、
前記支持面の第2部分と前記ゲート電極層とを覆うようにゲート絶縁層を形成すること、
前記ゲート電極層と半導体層とによって前記ゲート絶縁層を挟むように前記半導体層を形成すること、および、
ソース電極層と前記半導体層との間には絶縁性を有する層が位置しない状態で、前記半導体層の第1端部に接する前記ソース電極層、および、ドレイン電極層と前記半導体層との間には絶縁性を有する層が位置しない状態で、前記半導体層の第2端部に接する前記ドレイン電極層を形成すること、を含み、
前記ゲート絶縁層を形成することは、
前記第2部分と前記ゲート電極層とを覆う有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成された第1ゲート絶縁膜を塗布法で形成すること、および、前記第1ゲート絶縁膜と前記半導体層とに挟まれて酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、および、酸化アルミニウムから構成される群から選択されるいずれか一種によって構成された第2ゲート絶縁膜を形成すること、を含み、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、100nm以上1500nm以下であり、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、300nm・GPa以上30000nm・GPa以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さが、2nm以上30nm以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、100nm・GPa以上9000nm・GPa以下である
薄膜トランジスタの製造方法。 - 可撓性基板の支持面における第1部分にゲート電極層を形成すること、
前記支持面の第2部分と前記ゲート電極層とを覆うようにゲート絶縁層を形成すること、
前記ゲート電極層と半導体層とによって前記ゲート絶縁層を挟むように前記半導体層を形成すること、
前記半導体層の上面における第1領域と第2領域とが保護層から露出するように、有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成された保護層を形成すること、および、
前記第1領域に接するソース電極層、および、前記第2領域に接するドレイン電極層を形成すること、を含み、
前記ゲート絶縁層を形成することは、
前記第2部分と前記ゲート電極層とを覆う有機高分子化合物または有機無機複合材料によって構成された第1ゲート絶縁膜を塗布法を形成すること、および、前記第1ゲート絶縁膜と前記半導体層とに挟まれて酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、および、酸化アルミニウムから構成される群から選択されるいずれか一種によって構成された第2ゲート絶縁膜を形成すること、を含み、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、100nm以上1500nm以下であり、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、300nm・GPa以上30000nm・GPa以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さが、2nm以上30nm以下であり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さとヤング率との積が、100nm・GPa以上9000nm・GPa以下である
薄膜トランジスタの製造方法。
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