JPWO2016067591A1 - 薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

トランジスタ特性の均一性が高い薄膜トランジスタアレイを提供する。ゲート絶縁層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、ゲート絶縁層上であってソース電極およびドレイン電極の間に形成された半導体層とを含む複数の薄膜トランジスタを基板上にマトリクス状に配置した薄膜トランジスタアレイであって、半導体層は、複数の薄膜トランジスタにまたがりストライプ形状に形成され、ストライプの長軸方向とトランジスタのチャネル幅方向が一致しており、ストライプの短軸方向の断面膜厚形状において膜厚が半導体ストライプの中央から外側に向かって徐々に薄くなっている形状である。

Description

本発明は、薄膜トランジスタアレイおよびその製造方法に関する。
情報技術の目覚しい発展により、現在ではノート型パソコンや携帯情報端末などでの情報の送受信が頻繁に行われている。近い将来、場所を選ばずに情報をやり取りできるユビキタス社会が来るであろうことは周知の事実である。そのような社会においては、より軽量、薄型の情報端末が望まれる。
現在半導体材料の主流はシリコン系であり、製造方法としてはフォトリソグラフィーを用いたものが一般的である。
近年、印刷技術を用いて電子部材を製造するプリンタブルエレクトロニクスが注目されている。印刷技術を用いることで、フォトリソグラフィーよりも装置や製造コストが下がり、真空や高温を必要としないことからプラスチック基板が利用できるなどのメリットが挙げられる。また、印刷法は材料利用効率が高いこと、現像やエッチング工程を用いないために廃液が少ないなどの特長を有し、環境負荷が少ないプロセスであると言える。
しかしながら、印刷法はフォトリソグラフィーと比較してパターン内の膜厚均一性が低いことが多い。例えば特許文献1のようにトランジスタにおける半導体層を印刷法で形成する場合、特許文献1に記載はないが、印刷条件によって様々な印刷状態を呈し、それに伴ってトランジスタ特性も様々なものが得られる。また、トランジスタアレイにおいては半導体膜厚により電流値が異なり、それぞれのトランジスタ特性の均一性が低くなる場合がある。
特開2006−63334号公報
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、トランジスタ特性の均一性が高い薄膜トランジスタアレイを提供することである。
上記課題を解決するための本発明の一局面は、ゲート絶縁層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、ゲート絶縁層上であってソース電極およびドレイン電極の間に形成された半導体層とを含む複数の薄膜トランジスタを基板上にマトリクス状に配置した薄膜トランジスタアレイであって、半導体層は、複数の薄膜トランジスタにまたがりストライプ形状に形成され、ストライプの長軸方向とトランジスタのチャネル幅方向が一致しており、ストライプの短軸方向の断面膜厚形状において膜厚が半導体ストライプの中央から外側に向かって徐々に薄くなっている形状である、薄膜トランジスタアレイである。
また、半導体層のストライプの短軸方向の断面形状は、膜厚が最も厚い部分と前記チャネル領域のチャネル長方向の中心との距離が10μm以下であってもよい。
また、半導体層の膜厚が最も厚い部分の厚さが、25nm以上150nm以下であってもよい。
また、半導体層のストライプの短軸方向の断面形状は、膜厚が中央から外側に向かって徐々に薄くなり、さらに半導体層の両端に中心部の膜厚よりも薄いサブピークを有していてもよい。
また、半導体層の両端のサブピークは、平面視においてソース電極およびドレイン電極と重なり合っていてもよい。
本発明の他の局面は、半導体層を、凸版印刷法により形成する工程を含む、上述の薄膜トランジスタアレイの製造方法である。
本発明によれば、ストライプ状半導体層の断面膜厚形状において最も膜厚が厚い部分とチャネルの中心とを概略重ね合わせることにより、薄膜トランジスタアレイにおけるトランジスタ特性の均一性および特性の高い薄膜トランジスタアレイを提供することが可能となる。
図1は、実施形態に係る薄膜トランジスタアレイの平面模式図である。 図2は、一例に係る薄膜トランジスタの平面模式図および断面模式図である。 図3は、他の例に係る薄膜トランジスタの平面模式図および断面模式図である。 図4は、薄膜トランジスタの半導体層の断面形状を示す拡大断面模式図である。 図5は、比較例に係る薄膜トランジスタを示す平面模式図および断面模式図である。 図6は、一例に係る薄膜トランジスタの平面模式図および断面模式図である。 図7は、実施例に係る薄膜トランジスタの半導体膜厚最大値とオン電流、オフ電流の関係を示す図である。 図8は、実施例に係る薄膜トランジスタの半導体幅を変えた場合の、半導体膜厚最大位置とチャネル中心との距離と移動度の関係を示す図である。 図9は、実施例に係る薄膜トランジスタのチャネル長を変えた場合の、半導体膜厚最大位置とチャネル中心との距離と移動度の関係を示す図である。
本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタアレイについて、図面を参照して説明する。
図1は、薄膜トランジスタアレイ1を示す平面模式図である。図2は、薄膜トランジスタアレイ1を構成する薄膜トランジスタの一例に係る薄膜トランジスタ2の平面模式図およびそのa−b間の断面模式図である。
薄膜トランジスタ2は、図2に示すように、ゲート電極21、ゲート配線22およびキャパシタ電極23と、これらの上に形成されたゲート絶縁層11と、ゲート絶縁層11上に形成された画素電極25、ドレイン電極26、ソース電極27およびソース配線28と、ゲート絶縁層11上のソース電極27およびドレイン電極26の間に形成された半導体層121とを含む。薄膜トランジスタアレイ1は、図1に示すように、複数の薄膜トランジスタ2を絶縁性の基板10上にマトリクス状に配置して形成される。また、ゲート電極21およびゲート配線22、ソース電極27およびソース配線28、画素電極25およびドレイン電極26は、それぞれ接続されている。
半導体層121は、図1、図2に示すように、複数の薄膜トランジスタ2にまたがりストライプ状に形成され、ストライプの長軸方向とトランジスタのチャネル幅方向が一致しており、ストライプ半導体層の短軸方向における半導体層121の膜厚が最も厚い部分(厚膜部)12Mとチャネルの中心29との平面視における距離dが10μm以下となるように形成される。
このように構成された薄膜トランジスタ2は、半導体層121を形成する際に、半導体層121がチャネル長と同程度の位置ずれがあったとしても半導体層121の厚膜部がチャネル領域に一致するため、高いトランジスタ特性が得られる。特に半導体層121の膜厚と所定の電圧におけるトランジスタのオン電流値との関係をプロットした場合、所定の膜厚d1を境にオン電流値が飽和する傾向があり、チャネル領域の半導体層121の膜厚がその閾値(膜厚d1)よりも厚い場合には、薄膜トランジスタアレイにおけるトランジスタ特性の均一性が向上する。また、半導体層121の膜厚とオフ電流値の関係をプロットした場合、所定の膜厚d2を超えるとオフ電流値が上昇する傾向がある。
また、ストライプ状半導体層121の短軸方向における断面形状は、図2の(b)に示すように、膜厚が半導体ストライプ領域の中央から両方向に向かって徐々に薄くなっていてもよい。なお、ここでいう半導体層121の膜厚は、半導体層121の高さではない。即ち、ソース電極27・ドレイン電極26上での半導体層121の膜厚は、半導体層121の高さからソース電極27またはドレイン電極26の高さを差し引いたものである。図2の(b)では半導体層121の膜厚の最大値12Mはソース電極27・ドレイン電極26の膜厚より大きく記載されているが、半導体層121の膜厚の最大値12Mはソース電極27・ドレイン電極26の膜厚より小さくてもよいし、同等でもよい。
このように構成された薄膜トランジスタ2は、チャネル領域以外のドレイン電流に直接寄与しない半導体層121を薄くすることが出来るため、使用量が少なくコストを低減することが可能になる。ただしチャネル領域以外のソース電極27・ドレイン電極26上の半導体層121は、ソース電極27・ドレイン電極26とコンタクトする役割を有し、間接的にドレイン電流に寄与しており、ある程度の幅(例えば15μm以上)で重なっていることが望ましい。
図3は、薄膜トランジスタアレイ1を構成する薄膜トランジスタの一例に係る薄膜トランジスタ3の平面模式図およびそのc−d間の断面模式図である。なお、薄膜トランジスタ2と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して適宜説明を省略する。
薄膜トランジスタ3のストライプ状半導体層122の短軸方向における断面形状は、図3の(b)に示すように、膜厚が半導体ストライプ領域のチャネル長方向の中央から両方向に向かって徐々に薄くなり、さらに半導体層122の両端において中心部の膜厚12Mよりは薄いサブピーク13を有している。
このように構成された薄膜トランジスタ3は、半導体層122形成時にチャネル長と同程度の位置ずれがあったとしても半導体層122の厚膜部がチャネル領域に一致するため、高いトランジスタ特性が得られる。
また、サブピーク13は、図3の(b)に示すように、平面視においてソース電極27およびドレイン電極26と重なり合っていてもよい。
このように構成された薄膜トランジスタ3は、半導体層122とソース電極27およびドレイン電極26との接触抵抗を低減させることが出来るため、高いトランジスタ特性を得ることが出来る。例えば、コンタクト幅(半導体層122がソース電極27またはドレイン電極26の表面と接触する長さ)を5μm程度にしても良好な特性が得られる。
半導体層121、122の断面形状を図4に示す。図4の(a)、(b)は、薄膜トランジスタ2の半導体層121の例である。いずれも、膜厚が、短軸方向の幅方向(図4の紙面左右方向)に向かって徐々に薄くなっている。図4の(c)は、薄膜トランジスタ3の半導体層122の例である。半導体層122は、膜厚が短軸方向の幅方向(図4の紙面左右方向)に向かって徐々に薄くなり、両端において膜厚が増加し、中心部の膜厚(h1)よりも薄い(h2)サブピーク13を有している。
絶縁性の基板10としてはフレキシブルな基板を用いることが望ましい。一般的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プラスチック材料が挙げられる。石英などのガラス基板やシリコンウェハなども絶縁性の基板10として用いることは可能であるが、薄型化、軽量化、フレキシブル化を考慮するとプラスチック基板が好ましい。また、各製造プロセスに用いられる温度などを考慮すると、基板10としてPENやポリイミドなどを用いることが望ましい。
各電極に用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般的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あるい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や銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液若しくは銀などの金属粒子を導電材料として用いた厚膜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、蒸着やスパッタなどの乾式成膜法であってもよい。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、凸版印刷、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。
ゲート絶縁層11に用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般的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、エポキシ樹脂などの高分子溶液、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層11として用いてもよい。
半導体層121、122に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共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子系有機半導体材料、およびペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、ペリレン、およびそれらの誘導体のような低分子系有機半導体材料を用いてもよい。しかしながら、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ナノ粒子分散液なども半導体材料として用いてもよい。有機半導体層を形成する印刷方法としては、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷および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。一般的に、上記の有機半導体材料は、溶媒に対する溶解度が低いため、低粘度溶液の印刷に適した凸版印刷、反転オフセット印刷、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。特に凸版印刷は、印刷時間が短くインク使用量が少ないのでインキの使用効率を上げることでコストを低減することができ、フォトリソグラフィーと比較して環境負荷を低減することができ好ましく、且つ、ストライプの形状を有する半導体層121、122の印刷に適している。また、半導体層121、122をストライプ形状とすることで、アニロックスの凹凸による膜厚のばらつきの分布がストライプ形状内では平均化されて半導体層121、122の膜厚が一定となり、TFT特性を均一化できる。また、凸版印刷法を用いて印刷条件を最適化することで半導体層121、122の断面膜厚形状を容易に得ることが出来る。
尚、本発明の薄膜トランジスタアレイ1には、必要に応じて封止層30やガスバリア層(図示せず)、平坦化膜(図示せず)、層間絶縁膜31、上部画素電極32などを形成してもよい(図6)。図6は、図2に示す薄膜トランジスタ2上に、さらに半導体層121を覆う封止層30、画素電極25上に開口を有する層間絶縁膜31、該開口を介して画素電極25に接続された上部画素電極32を有する薄膜トランジスタ5である。平面模式図およびそのg−h間の断面模式図を示している。特に半導体層121、122として有機半導体材料を用いる場合には、層間絶縁膜31の材料によっては半導体層121、122が溶剤などによりダメージを受けることがあるため、半導体層121、122と層間絶縁膜31(半導体層121、122、ソース電極27、ドレイン電極26上に形成する絶縁膜層)の間に封止層30を設けることが好ましい。
図6は図2の薄膜トランジスタ2上に封止層30、層間絶縁膜31、上部画素電極32を有する例であるが、図3の薄膜トランジスタ3上に封止層30、層間絶縁膜31、上部画素電極32を設けてもよい。また、図2、図3、図6のような薄膜トランジスタアレイと、対向電極を有する対向基板との間に表示媒体を挟みこんでディスプレイとすることができ、図2や図3では画素電極25が表示媒体に電圧を印加して表示に寄与し、図6では上部画素電極32が表示媒体に電圧を印加して表示に寄与する。この場合、図2や図3の薄膜トランジスタアレイは、さらに封止層30を有し、該封止層30は半導体層121だけでなくソース電極27やソース配線28も覆っていることが望ましい。あるいは図2や図3の薄膜トランジスタアレイは、さらに封止層30および層間絶縁膜31を有し、該封止層30は少なくとも半導体層121を覆い、層間絶縁膜31はソース電極27やソース配線28を覆っていることが望ましい。
また、薄膜トランジスタアレイにおいて、ソース・ドレインの呼称は便宜上のものであり、逆に呼んでもよい。本発明においては、ソース配線に接続された電極をソース電極とし、画素電極に接続された電極をドレイン電極と呼んでいる。
以下、実施例を説明する。
なお、本発明において、電子ペーパー等の表示装置の電子デバイスに十分適用できるキャリア移動度[cm/Vs]は目安としては0.1以上を有することが好ましい。またオン電流0.5μA以上、オフ電流0.5pA以下が望ましい。
実施例1について説明する。本実施例では、図1、図2(拡大図、断面図)に示すようなボトムゲート・ボトムコンタクト型薄膜トランジスタ2を用いた薄膜トランジスタアレイを製造した。基板10としてポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムを用いた。銀ナノ粒子を分散させたインキを用い基板10上に、インクジェット法でゲート電極21、ゲート配線22、キャパシタ電極23、キャパシタ配線24を形成した。ゲート絶縁層11として、ポリイミドをダイコーターにより塗布し、180℃で1時間乾燥させてゲート絶縁層11を形成した。次に銀ナノ粒子を分散させたインキを用いゲート絶縁層11上に、インクジェット法でソース電極27、ドレイン電極26およびソース配線28、画素電極25を形成した。半導体材料として、ポリ[2、5−ビス(3−テトラデシルチオフェン−2−イル)チエノ[3、2−b]チオフェン]を用いた。予備実験としてスピンコート法により膜厚を変化させて半導体層を形成した薄膜トランジスタのドレイン電流を測定したところ、半導体層の膜厚の増加に伴いドレイン電流が増加したが、50nm以上でドレイン電流が飽和した。次に、ジクロロベンゼンに0.5重量%で溶解させたものをインキとして用いた。また凸版として感光性樹脂凸版を用いて凸版印刷によりストライプ形状の半導体を印刷し、180℃で60分乾燥させて半導体層121を形成した。このとき、ストライプ状半導体層121の断面膜厚形状は中央部が厚く両側に向かって徐々に薄くなる形状であり、最も膜厚が厚い部分12Mの厚さは70nmであった。また、ストライプ状半導体層の最も膜厚が厚い部分12Mとチャネル領域の中心29との平面視における距離dは5μmであった。その結果、高いトランジスタ特性が得られたとともに、薄膜トランジスタアレイにおけるトランジスタ特性の均一性も高かった。
実施例1と同様の方法によって、ストライプ半導体層121(中央部が厚く両側に向かって徐々に薄くなる形状)の素子を作製した。チャネル長10μm、半導体層の幅100μm、最大膜厚を15nm、25nm、50nm、70nm、100nm、150nm、200nm、最大膜厚部とチャネルの中心との距離d=0μmの場合の、Vd=−15V、Vg=−20VでのIdをオン電流、Vd=−15V、Vg=+20VでのIdをオフ電流とした時、それらの値をプロットしたのが、図7である。最大膜厚25nm以上でオン電流が0.5μA以上になり、最大膜厚150nm以下でオフ電流が0.5pA以下になっている。いずれもトランジスタ特性の均一性は高かった。
実施例1と同様の方法によって、ストライプ半導体層121(中央部が厚く両側に向かって徐々に薄くなる形状)の素子を作製した。チャネル長10μm、最大膜厚70nm、半導体層の幅を50μm、70μm、100μm、150μm、最大膜厚部とチャネルの中心との距離d=0μm、5μm、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μmの場合の、移動度をプロットしたのが、図8である。最大膜厚部とチャネル中心との距離dが10μm以下で移動度0.1cm/Vs以上が得られている。いずれもトランジスタ特性の均一性は高かった。
実施例1と同様の方法によって、ストライプ半導体層121(中央部が厚く両側に向かって徐々に薄くなる形状)の素子を作製した。最大膜厚70nm、半導体層の幅を100μm、チャネル長を5μm、10μm、20μm、30μm、40μmとし、最大膜厚部とチャネルの中心との距離d=0μm、5μm、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μmの場合の、移動度をプロットしたのが、図9である。最大膜厚部とチャネル中心との距離dが10μm以下で移動度0.1cm/Vs以上が得られている。いずれもトランジスタ特性の均一性は高かった。
実施例5について説明する。本実施例では、図1、図3(拡大図、断面図)に示すようなボトムゲート・ボトムコンタクト型薄膜トランジスタ3を用いた薄膜トランジスタアレイを製造した。半導体層122形成時においてインキが基板10に転写される状態からの押し込み量を実施例1よりも20μm大きくした以外は実施例1と同様である。このとき、ストライプ状半導体層122の断面膜厚形状は中央部が厚く両側に向かって徐々に薄くなり、さらにサブピーク13を有する形状であって、最も膜厚が厚い部分12Mの厚さは70nm、ストライプ状半導体層のチャネル長方向断面の両端におけるサブピークの膜厚は40nmであった。また、最も膜厚が厚い部分12Mとチャネル領域の中心29との平面視における距離dは5μmであった。その結果、高いトランジスタ特性が得られたとともに、薄膜トランジスタアレイにおけるトランジスタ特性の均一性も高かった。
実施例5と同様の方法によって、ストライプ半導体層122(中央部が厚く両側に向かって徐々に薄くなり、さらにサブピークを有する形状)の素子を作製した。チャネル長10μm、最大膜厚70nm、サブピーク膜厚40nm、半導体層の幅が50μmまたは100μm、最大膜厚部とチャネルの中心との距離d=0μm、5μm、10μm、15μm、20μm、30μm、40μmの場合の、移動度をプロットしたのが、図8の白抜きである。ソース・ドレイン電極と半導体層幅の重なりが5μm〜15μmにて、実施例3よりも高移動度が得られている。いずれもトランジスタ特性の均一性は高かった。
(比較例)
比較例について説明する。本比較例は、実施例1において、印刷条件を変更して、半導体層の断面膜厚形状が、中央部から両側に向かって薄くならず、サブピークも形成されないようにした以外は、実施例1と同様である。このような印刷条件では、半導体層の膜厚が不均一で、チャネル部の電流特性がばらつき、本比較例においては、トランジスタ特性の均一性が低かった。
以上の結果から、実施例に係る薄膜トランジスタアレイのトランジスタ特性の均一性をを確認できた。また、とくに、半導体層の膜厚が最も厚い部分とチャネル領域のチャネル長方向の中心との距離が10μm以下であれば、より高いトランジスタ特性が得られることも確認できた。
本発明に係る薄膜トランジスタアレイに有用であり、これを用いた電気泳動ディスプレイ、液晶ディスプレイ等に有用である。
1 薄膜トランジスタアレイ
2、3、4 薄膜トランジスタ
10 基板
11 ゲート絶縁層
121、122、123 半導体層
12M 半導体層の膜厚の最大部
13 サブピーク
21 ゲート電極
22 ゲート配線
23 キャパシタ電極
24 キャパシタ配線
25 画素電極
26 ドレイン電極
27 ソース電極
28 ソース配線
29 チャネルの中心線
30 封止層
31 層間絶縁膜
32 上部画素電極

Claims (6)

  1. ゲート絶縁層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
    前記ゲート絶縁層上であって前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に形成された半導体層とを含む複数の薄膜トランジスタを基板上にマトリクス状に配置した薄膜トランジスタアレイであって、
    前記半導体層は、複数の前記薄膜トランジスタにまたがりストライプ形状に形成され、ストライプの長軸方向とトランジスタのチャネル幅方向が一致しており、ストライプの短軸方向の断面膜厚形状において膜厚が半導体ストライプの中央から外側に向かって徐々に薄くなっている形状である、薄膜トランジスタアレイ。
  2. 半導体層の膜厚が最も厚い部分と前記チャネル領域のチャネル長方向の中心との距離が10μm以下である、請求項1記載の薄膜トランジスタアレイ。
  3. 前記半導体層の膜厚が最も厚い部分の厚さが、25nm以上150nm以下であることを特徴とする請求項1または2記載の薄膜トランジスタアレイ。
  4. 前記半導体層のストライプの短軸方向の断面形状は、膜厚が中央から外側に向かって徐々に薄くなり、前記半導体層の両端に中心部の膜厚よりも薄いサブピークをさらに有している、請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタアレイ。
  5. 前記半導体層の両端の前記サブピークは、平面視において前記ソース電極および前記ドレイン電極と重なり合っている、請求項4に記載の薄膜トランジスタアレイ。
  6. 請求項1乃至5のいずれかに記載の薄膜トランジスタアレイの製造方法であって、前記半導体層を、凸版印刷法により形成する工程を含む、薄膜トランジスタアレイの製造方法。
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