WO2015044980A1 - 有機半導体素子及びそれを備えたcmis半導体装置 - Google Patents

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WO2015044980A1
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organic semiconductor
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active layer
region
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大見　忠弘
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国立大学法人東北大学
大見　忠弘
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/80—Constructional details
    • H10K10/82—Electrodes
    • H10K10/84—Ohmic electrodes, e.g. source or drain electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an organic semiconductor element and a CMIS semiconductor device including the same.
  • Organic semiconductors generally have superiority in flexibility, lightness, impact resistance, thinness, low cost, and large area, except for carrier mobility, compared to silicon single crystal semiconductors. ing. Particularly, in terms of area cost, the advantage becomes more remarkable as the area becomes larger. For this reason, it is suitable for large-area electronic devices such as self-luminous display devices and solar cells, so the industry has high expectations.
  • TFT Thin Film Transistor
  • organic semiconductors are not materials of n-type semiconductors and p-type semiconductors, but most of them are genuine (i-type) semiconductors or similar materials.
  • impurities are added (doping) like ordinary inorganic semiconductors such as silicon (Si) to make the semiconductor itself n-type / p-type, and n-type semiconductor operation / p-type semiconductor operation
  • the n-type operation and the p-type operation are performed by controlling the electrode / organic semiconductor interface and the insulator / organic semiconductor interface. The reason is that n-type and p-type organic semiconductors that can be effectively doped and can be used practically like inorganic semiconductors have not yet been realized.
  • the electrode is made of a material having a large work function so that it matches the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) of the selected organic semiconductor material as much as possible.
  • HOMO Highest Occupied Molecular Orbital
  • the electrode is composed of a material with a small work function so as to match the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Molecular) of the selected organic semiconductor material as much as possible, and electron injection into the LUMO of the organic semiconductor material is performed. Make it easier to do.
  • pentacene which is one of ambipolar organic semiconductor materials
  • the carrier mobility is about 0.1 to 1 cm 2 / Vsec, which is equivalent to amorphous silicon (hereinafter sometimes abbreviated as “A-Si”)
  • A-Si amorphous silicon
  • electrons Is as small as 0.05 cm 2 / Vsec.
  • pMOSTr pMOS transistor
  • nMOSTr nMOS transistor
  • Non-patent Document 1 a metal layer with a small work function such as Ca (calcium) (2.8 eV) is introduced as an electron supply layer at the interface between the active layer region made of pentacene and the gate insulating film.
  • a metal layer with a small work function such as Ca (calcium) (2.8 eV) is introduced as an electron supply layer at the interface between the active layer region made of pentacene and the gate insulating film.
  • Ca calcium
  • Oxidide (Ca) reacts with oxygen, water, and carbon dioxide when left in the air and corrodes. Especially, it reacts violently with water to generate hydrogen, and it reacts directly with halogen in the gas phase.
  • chemical reactivity such as generation of halides
  • handling on the production line tends to become complicated.
  • the present invention has been made by diligent research in view of the above points, and an object thereof is to improve n-type operating characteristics of an organic semiconductor element.
  • Another object of the present invention is to improve the n-type operating characteristics of pentacene, to provide an organic semiconductor element having an n-type operating characteristic equivalent to or higher than that of a p-type operating electronic element using pentacene, and the element as a constituent electronic element
  • One aspect of the present invention is an organic semiconductor device comprising a source electrode portion, a drain electrode portion, an organic semiconductor active layer region, a gate insulating film, and a gate electrode portion, wherein the source electrode portion has a multilayer structure. And each layer is composed of a material having a work function close to the work function of the material constituting the active layer region from the lowermost layer region in contact with the active layer region to the outermost layer region. It exists in an organic semiconductor element (first invention).
  • Another aspect of the present invention is the organic semiconductor device according to the first invention, wherein the lowermost layer region is composed of lanthanum boride (LaB 6 ) (second invention).
  • LaB 6 lanthanum boride
  • Another aspect of the present invention is an organic semiconductor device comprising a source electrode portion, a drain electrode portion, an organic semiconductor active layer region, a gate insulating film, and a gate electrode portion, wherein the organic semiconductor is pentacene.
  • a layer region (A) containing lanthanum boride (hereinafter also referred to as “LaB 6 ”) on the gate insulating film side in contact with the active layer region, and the source electrode portion has a multilayer structure.
  • each layer is formed in order from a material having a work function close to the work function of the material constituting the active layer region from the lowermost layer region in contact with the active layer region to the outermost layer region. It exists in an organic semiconductor element (third invention).
  • Still another aspect of the present invention resides in the organic semiconductor device according to the second and third inventions, wherein the lowermost layer region contains nitrogen (fourth invention).
  • Yet another aspect of the present invention is the organic semiconductor element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the organic semiconductor element is an organic semiconductor element exhibiting n-type operating characteristics. (Fifth invention).
  • Still another aspect of the present invention is that, in a CMIS semiconductor device having a CMIS circuit configuration, an n-type operation electronic element constituting the CMIS circuit is the organic semiconductor element of the fifth invention.
  • the CMIS semiconductor device is characterized (sixth invention).
  • Yet another aspect of the present invention is an organic semiconductor device comprising a source electrode portion, a drain electrode portion, an organic semiconductor active layer region, a gate insulating film, and a gate electrode portion, wherein the source electrode portion is Each layer is composed of a material having a multilayer structure and having a work function close to the work function of the material constituting the active layer region from the lowermost layer region in contact with the active layer region to the outermost layer region. (7th invention) in the organic-semiconductor element which shows the p-type operation characteristic characterized by these.
  • Yet another aspect of the present invention resides in an organic semiconductor element according to the seventh invention, wherein the lowermost layer region is composed of lanthanum boride (LaB6) (eighth invention). ).
  • LaB6 lanthanum boride
  • an organic semiconductor element and a CMIS semiconductor device having high device operation characteristics and excellent operation stability, high production efficiency of device manufacture, and suitable for mass production.
  • an organic semiconductor element and a CMIS semiconductor device that can be driven at a high speed and a low voltage can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic structural explanatory view for explaining the structure of an nMOSTr which is one of preferred embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural explanatory view for explaining the structure of a semiconductor device having a CMOS circuit structure which is one of preferred embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the semiconductor device of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic structural explanatory diagram for explaining the structure of an nMOSTr which is one of the preferred embodiments of the present invention.
  • the nMOSTr 100 of FIG. 1 shows n-type conduction characteristics, and a gate electrode 102, a gate insulating film 103, an active layer region 104 of an organic semiconductor (preferably pentacene), a source electrode region 105, and a drain electrode region 106 are formed on a substrate 101.
  • the stacked structure is superposed in this order.
  • the feature is that the layer region (A) including lanthanum boride (hereinafter also referred to as “LaB 6 ”) sandwiched between the active layer region 104 and the gate insulating film 103 in contact with the active layer region 104. 107 is provided.
  • this layer region (A) 107 is provided as a preferred embodiment example as required, but is not an essential requirement of the present invention.
  • the layer region (A) 107 has a function of increasing the mobility of the active layer region 104 by supplying electrons to the active layer region 104 when the nMOS Tr 100 operates. That is, the layer region (A) 107 functions as an electron supply layer.
  • Lanthanum boride (LaB 6 ) is a low work function material by itself, but the work function can be further reduced by adding nitrogen (N) during the manufacturing process of the active layer region 104.
  • the nMOSTr 100 in FIG. 1 has the above-described structure as a basic structure, but if necessary, a first interface control layer is provided between the gate insulating film 103 and the layer region (A) 107 according to the purpose. 108 is provided. Furthermore, the source electrode portion 105 and the drain electrode portion 106 are provided with a second interface control layer 109 on the active layer region 104 side so as to be in direct contact with the active layer region 104.
  • the interface control layer 108 is provided as necessary to improve the characteristics of the interface between the gate insulating film 103 and the active layer region 104 (particularly, to improve the generation of interface states).
  • the interface control layers 108 and 109 are preferably made of a heat resistant material in consideration of the process temperature in the subsequent manufacturing process.
  • a material polyvinylphenol (hereinafter sometimes abbreviated as “PVPh”) may be mentioned as a material suitably employed in the present invention.
  • the threshold voltage can be stabilized by providing the interface control layer 108.
  • the interface control layer 108 is formed by vapor deposition of PVPh, the layer thickness can be made extremely thin without pinholes, and the threshold voltage can be stabilized and the operating voltage can be greatly reduced.
  • the interface control layer 109 is provided as necessary in order to improve the interface characteristics between the source electrode portion 105 / drain electrode portion 106 and the active layer region 104.
  • the interface control layer 109 is composed of vapor deposition type PVPh, the interface state that causes carrier trapping can be greatly reduced. Therefore, in the present invention, the setting of the interface control layer 109 of PVPh is performed. Is a preferred embodiment.
  • the interface control layer 109 is preferably made of a heat resistant material in consideration of the process temperature in the subsequent manufacturing process.
  • a planarization region 110 (110a) is formed with a resin or the like so as to be flat with the upper surface 111 of the gate electrode 102. 110b).
  • the planarization region 110 is made of a resin, it is desirable to use a heat-resistant resin so that high-temperature treatment can be easily applied in the subsequent process steps.
  • various materials can be used as the substrate 101, but heat-resistant plastic, glass, metal, ceramics, etc. are preferably employed.
  • examples of such materials include quartz, blue plate glass, alkali metal-less glass, silicon (silicon) substrate, metal substrate such as aluminum and stainless steel, semiconductor substrate such as gallium arsenide (GaAs), and thermoplastic or thermosetting.
  • GaAs gallium arsenide
  • thermoplastic or thermosetting A plastic substrate or the like is used. If heat resistance is not so required (process temperature 200 ° C.
  • polyolefin such as polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), cyclic polyolefin, modified Polyolefin, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyamide, polyimide, polyamideimide, polycarbonate, poly- (4-methylbenten-1), ionomer, acrylic resin, polymethyl methacrylate, acrylic-styrene copolymer (AS Resin), butadiene-styrene copolymer, polio copolymer (EVOH), polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, precyclohexane terephthalate (PCT), etc.
  • polyolefin such as polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA
  • thermoplastic elastomers such as resin, styrene, polyolefin, polyvinyl chloride, polyurethane, fluoro rubber, chlorinated polyethylene, epoxy resin, phenol resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester, silicone resin
  • the plastic substrate material include polyurethane and the like, copolymers and blends mainly composed of these, and polymer alloys.
  • stacked 2 or more types of the said material can also be used.
  • the electrode material constituting the gate electrode 102 almost any material can be adopted as long as it is a material normally used in the semiconductor field.
  • the substrate 101 is required to have a heat resistance of a certain level or more. Material selection is made.
  • the electrode material constituting the gate electrode 102 is desirably selected from the following conductor materials.
  • the following conductor materials For example, Cr, Al, Ta, Mo, Nb, Cu, Ag, Au (4.9 eV), Pt, Pd, In, Ni, Nd, Ca, Ti, Ta, Ir, Ru, W And metals such as Mo and Ru-Mo alloys and alloys of these metals.
  • conductive oxides such as InO 2 , SnO 2 , ITO, conductive nitrides such as TiN and TaN, conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, or polyacetylene, graphene, carbon nanotubes, charge transfer complexes Molecular conductors such as those, and their laminated structure members.
  • dopants such as acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, Lewis acids such as PF 6 , AsF 5 , FeCl 3 , halogen atoms such as iodine, and metal atoms such as sodium and potassium are added to the conductive polymer.
  • a thing may be used.
  • a conductive composite material in which carbon black or metal particles are dispersed may be used.
  • the gate electrode 102 be formed as thin as possible within a range in which an electrode function is exhibited in consideration of flatness of a layer (or film) formed thereon and no pinhole is generated. Specifically, it is desirable that the film is formed with a thickness of usually 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 10 nm or less.
  • the planarization region 110 is preferably made of a heat-resistant material, but if the heat resistance is not required so much (process temperature of 200 ° C. or less), the material preferably selected as the material constituting the planarization region 110 The selection range is further expanded.
  • a resin material having excellent coating properties is desirable.
  • a resin most resins can be used as long as they are solvent-soluble among thermoplastic resins, thermosetting resins, and photocurable resins.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PAR polyarylate
  • PAR polysulfone or polysulfone
  • PES polyethersulfone
  • PEI polyetherimide
  • PAI polyamideimide
  • PEEK polyetheretherketone
  • LCP liquid crystal polyester
  • PP polypropylene
  • PVDC polyvinylidene chloride
  • PET polyethylene terephthalate
  • PC polycarbonate
  • fluororesin PTFE
  • melamine resin melamine resin
  • PF phenol resin
  • Examples thereof include an epoxy resin (EP), an unsaturated polyester resin (UP), and polyvinylphenol (PVPh).
  • heat resistant temperature is more than 150 ° C
  • resins with higher heat resistance include polyarylate (PAR), polysulfone (PSF), polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), A polyimide resin, a fluororesin, etc. are preferable.
  • Polyamideimide (PAI), polyetheretherketone (PEEK) and the like are particularly preferable materials in the present invention because they have a heat resistance of 250 ° C. or more and can be used for a long time.
  • polyvinylphenol (PVPh) that can form an ultra-thin film without pinholes is also a particularly preferable material in the present invention.
  • the planarization region 110 is made of resin, and is made of an inorganic insulating material such as silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiNO), or silicon carbonitride (SiCN). Also good.
  • the gate insulating film 103 needs to be formed by selecting a material and a manufacturing process that can ensure gate capacitance and leakage current prevention.
  • the gate insulating film 103 is preferably made of a heat-resistant material so that high-temperature processing can be performed in a process step applied after film formation. Examples of such materials include inorganic insulating materials such as silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiNO), and silicon carbonitride (SiCN).
  • the gate insulating film 103 should be selected from a material having a higher dielectric constant and excellent electrical matching with the adjacent layer (low interface state). It is desirable to form with an appropriate manufacturing process and manufacturing conditions. As such a material, there is a material called a so-called high-k material, and it is desirable to select and use the material according to the design requirements of the electronic device.
  • high-k materials include oxides of transition metals such as HfO 2 and ZrO 2 from the viewpoint of leakage current, mobility, heat resistance, defects in the film and interface, impurity diffusion, and the like.
  • Silicate HfSi x O y , ZrSi x O y
  • Al 2 O 3 and their complex oxides Hf 1-x Al x O y , Zr 1-x Al x O y
  • mixed oxides composed of various elements of Si, Hf, Ti and La, rutile type TiO 2 (relative permittivity about 80), (Ba, Sr) TiO 3 (perovskite), SrBi 4 Ti 4 O 15 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , Ta 2 O 3 , La 2 O 3 , Dy 2 O 3 , rare earth oxides based on La 2 O 3 , HfSiON, and the like can also be used.
  • the gate insulating film 103 may be formed of a laminated structure member having a structure in which a plurality of these materials are appropriately selected and each is laminated in a layered form.
  • a laminated structure member for example, a two-layer structure such as HfSiON / SiO 2 , HfO 2 / Al 2 O 3 , TiO 2 / La 2 O 3 , HfLaSiO / SiO 2 , HfO 2 / Y 2 O 3 / al 2 O 3, TiO 2 / HfSiO / SiO 2, include a three-layer structure such as.
  • the present invention is suitable for forming the gate insulating film 103 in the present invention. Material.
  • the gate insulating film 103 is preferably a film made of an Hf-based material.
  • the Hf-based high-k film can add La to shift the effective work function of the metal electrode to the low energy side.
  • the addition amount of La and the distribution in the film thickness direction are important, it is desirable to form the film with sufficient consideration in this respect in the film design.
  • increasing the amount of La added is promising because it approaches the La-based oxide and the dielectric constant increases to about 27.
  • the La-based oxide is hygroscopic and reacts with moisture in the atmosphere, it is vacuum. Therefore, it is necessary to consider the use of integrated production without breaking the process, or placing it in a rare gas atmosphere such as Ar or He in the process of forming an electronic device.
  • the gate insulating film 103 for adding La, it is desirable to form the gate insulating film 103 by co-sputtering using an HfTi target and an HfLa target.
  • the amount of La added may be adjusted by changing the composition ratio of La in the HfLa target as desired.
  • the amount of La added in the gate insulating film 103 can be adjusted by intermittently shielding the HfLa target from the plasma.
  • HfO 2 is a preferable material for forming the gate insulating film 103 because the dielectric constant can be significantly improved by adding yttrium (Y) and silicon (Si).
  • the gate insulating film 103 a self-assembled monolayer (SAM) can be used.
  • the gate insulating film 103 may be formed of the SAM itself or may have a multilayer structure of SAM.
  • the multilayer structure film of SAM include a Langmuir film.
  • it can be adopted as a film having a composite laminate structure of an Al 2 O 3 thin film and n-octadecylphosphonic acid SAM.
  • a preferable combination of materials constituting the gate electrode 102 and the gate insulating film 103 can be appropriately selected from the materials described above.
  • Mo / HfSiON / SiO 2 , Mo / O-Hf / HfSiON / SiO 2 and other Metal / HfLaSiO / SiO 2 combinations, TiN / HfSiON combinations, Metal / HfSiO / TiO 2 combinations, TiN / TiO 2 / A combination of HfSiO and the like can be given.
  • the interface characteristics between the gate electrode 102 and the gate insulating film 103 have a great influence on the device (semiconductor element) characteristics. Therefore, it is preferable to form the gate electrode 102 and the gate insulating film 103 by caution and contrivance more than selection of materials so as to suppress formation of an interface state for trapping carriers and formation of an energy barrier. .
  • the gate electrode 102 and the gate insulating film 103 are formed in a consistent vacuum.
  • the vacuum consistent interfacial solid phase reaction method is a solid phase interface reaction (SPIR) method based on physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition) (H. Watanabe et al., Appl. , 449, 2004.).
  • SPIR solid phase interface reaction
  • the layer region (A) 107 is composed of lanthanum boride (LaB 6 : lanthanum hexaboride), and is preferably composed of nitrogen-containing lanthanum boride (LaB 6 (N)). Is desirable.
  • a more preferable LaB 6 (N) film employed for the layer region (A) 107 has a crystal structure and contains 0.3 to 0.5 atomic% of nitrogen atoms, In the crystal, the proportion of crystals in the particle size range of 10 to 250 nm is 20 to 90%, and the crystallinity of the film is 20% or more. More preferable is a film in which the maximum peak of the crystal grain size distribution in the range of 10 to 250 nm is in the range of 15 to 150 nm.
  • the inventors presume that by setting the above numerical range, not only a LaB 6 film having a low work function of 2.4 eV but also an interface affinity with the active layer region 104 is excellent. It seems that the film has good characteristics and good adhesion. Therefore, the desired adhesion is maintained even when the cumulative usage time of the device is considerably long, and a LaB 6 film excellent in resistance to change with time can be obtained without causing film floating or film peeling.
  • the proportion of the crystals in the particle size range of 10 to 250 nm in all the crystals in the film is preferably in the above numerical range, more preferably 50 to 90%, still more preferably 80%. It is desirable to be ⁇ 90%. Even more preferably, the proportion of crystals in the particle size range of 30 to 200 nm is desirably 50 to 90%. Further, it is particularly desirable that the proportion of crystals in the particle size range of 50 to 150 nm is 50 to 90%.
  • the crystallinity of the film is also important.
  • the degree of crystallinity is preferably 20% or more as described above, more preferably 30% or more, and still more preferably 50% or more.
  • the peak position of the crystal grain size distribution is also an important parameter for obtaining a more suitable LaB 6 (N) film of the present invention.
  • the maximum of the grain size distribution peak in the range of 10 to 250 nm is desirably within 15 to 150 nm, more preferably 15 to 120 nm, and still more preferably 20 It is desirable to be in the range of ⁇ 100 nm.
  • the source electrode portion 105 and the drain electrode portion 106 are made of a material appropriately selected in relation to the material constituting the active layer region 104 so that the contact with the active layer region 104 is electrically smooth. desirable. That is, in the case of the nMOSTr 100, since the active layer region 104 has n-type operating characteristics, at least the layer region in direct contact with the active layer region 104 should be made of a material having a work function as small as possible. preferable. In the present invention, the source electrode portion 105 also has a function of an electrical contact with the outside of the nMOS Tr 100. Therefore, in selecting a material constituting at least the outermost layer region, matching with the material of the external electrical contact is required. Sex needs to be considered.
  • the source electrode portion 105 has a laminated structure of, for example, an upper electrode region 105a made of an inexpensive and easy-to-handle material and a lower electrode region 105b made of a material having a small work function.
  • the lower electrode region 105b in order to make electrical contact between the upper electrode region 105a and the active layer region 104 electrically smooth, has a multilayer structure and is in direct contact with the active layer region 104.
  • Each layer region is composed of a material having a work function close to the work function of the material constituting the active layer region 104 from the lowermost layer region (MUDL) to the outermost layer region (MUPL).
  • the entire laminated structure is sometimes referred to as a “transition layer”).
  • the lowermost layer region is as consistent as possible with pentacene LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 3.2 eV. It is desirable that the material is appropriately selected. As a result, it becomes easier to inject electrons from the source electrode portion 105 into the LUMO of the material constituting the active layer region 104.
  • the upper electrode region 105a is made of a metal such as Al or Cu
  • the lowermost layer region (MUDL) of the lower electrode region 105b is made of a material having a low work function such as lanthanum boride.
  • the lowermost layer region (MUDL) of the lower electrode region 105b is preferably composed of LaB 6 (N) having the characteristics described above.
  • the lowermost layer region (MUDL) is made of the same material as that described above as LaB 6 (N) constituting the layer region (A) 107.
  • a material having a low work function used in the present invention a material having a low work function of 3 eV or less is preferably selected.
  • the low work function material used in the present invention is barium (Ba), LaB 6 , CeB 6 , W—Cs, W—Ba, WO—Cs, WO—Ba, Examples include 12CaO ⁇ 7Al 2 O 3 (C12A7) electride.
  • N (nitrogen) -containing LaB 6 is a preferable material because of its excellent chemical stability. Even more preferable is about 0.4% nitrogen-added LaB 6 (2.4 eV).
  • the lower electrode region 105b is a transition layer having a six-layer structure
  • the lowermost layer region (MUDL) is made of N (nitrogen) -added LaB 6 (“LaB 6 (N)”) (2.4 eV)
  • the upper electrode region 105 a is made of aluminum (Al) (4.28).
  • MUDL lowermost layer region
  • Al aluminum
  • a preferable example in the case of comprising eV includes the following 6-layer transition layer.
  • LaB 6 (N) layer lower transition layer
  • Sm or Pr (2.7 eV) layer first) from the lowest layer region (MUDL) (lower transition layer) side composed of LaB 6 (N) One intermediate transition layer
  • Er (3.1 eV) layer second intermediate transition layer
  • La (3.5 eV) layer third intermediate transition layer
  • Hf (3.8 eV) layer fourth intermediate transition layer
  • Zr ( 4.1 eV) layer outermost transition layer.
  • the lowermost layer region (MUDL) is composed of N (nitrogen) added LaB 6 (“LaB 6 (N)”) (2.4 eV), and the upper electrode region 105 a is made of copper (Cu) (4.6 A preferable example in the case of comprising eV) is a transition layer having the following seven-layer structure.
  • LaB 6 (N) layer lower transition layer
  • Sm or Pr (2.7 eV) layer first intermediate transition layer
  • Er (3.1 eV) layer second intermediate transition layer
  • La (3.5 eV) layer third intermediate transition layer
  • Hf (3.8 eV) layer fourth intermediate transition layer
  • Zr (4.1 eV) layer fifth intermediate transition layer
  • Al (4.3 eV) layer ixth intermediate transition layer
  • copper (Cu) (4.6 eV) layer (outermost transition layer).
  • the upper electrode region 106a is preferably made of Al and the lower electrode region 106b is preferably made of Ni.
  • an organic semiconductor element having p-type operating characteristics is also used. Therefore, it is desirable that materials constituting the source electrode portion and the drain electrode portion in that case are appropriately selected from the following viewpoints. That is, when the active layer region 104 is made of an organic semiconductor material and has p-type operating characteristics, the organic semiconductor material HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) (5.0 eV in the case of pentacene) is matched as much as possible. The material is appropriately selected so that the properties can be obtained.
  • HOMO Highest Occupied Molecular Orbital
  • a film forming method in the case of forming a film with an organic material, various film forming methods are adopted depending on the characteristics and application of the electronic element to be formed and the film forming material to be used.
  • the film forming method that can be employed in the present invention include a coating method, a vacuum deposition method, CVD (Chemical Vapor Deposition), PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition), and the like.
  • the coating method include spin coating, casting, and printing.
  • the printing method include offset printing, letterpress printing, intaglio printing, gravure printing, screen printing, ink jet printing, and micro contact printing.
  • ink jet printing or micro contact printing In the case of fineness of 10 ⁇ m or less, it is preferable to employ ink jet printing or micro contact printing.
  • ink jet printing or micro contact printing In particular, in an organic TFT, it is known that the switching characteristics of the element are improved by reducing the distance between the source electrode and the drain electrode (channel length: L). It is desirable to employ microcontact printing that allows area patterning.
  • the present invention is not limited to this, and any electronic device can be used as long as the electron supply layer provided in direct contact with the active layer region is lanthanum boride. Applies to For example, it can be applied to a top gate type nMOSTr.
  • FIG. 2 is a schematic structural explanatory diagram for explaining the structure of a semiconductor device having a CMOS circuit structure which is one of preferred embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the semiconductor device of FIG.
  • the CMOS semiconductor device 200 includes nMOSTr 201 and pMOSTr 202.
  • the nMOSTr 201 has the same configuration as that of the nMOSTr 100 shown in FIG.
  • the CMOS semiconductor device 200 has input terminals 203 a and 203 b and an output terminal 204. As shown in FIG. 3, the input terminals 203a and 203b are connected on the input upstream side.
  • the nMOSTr 201 operates when an “L” level signal is input
  • the pMOSTr 202 operates when an “H” level signal is input.
  • the first common interface control layer 209 and the second common interface control layer 212 are provided in a more preferred embodiment example, and the interface with the common active layer region 211 has sufficient characteristics in device design. If there is, it is not necessarily provided.
  • the electron supply layer region 210 is provided only on the nMOSTr 201 side as shown in the drawing, and supplies electrons to a portion of the active layer region on the nMOSTr 201 side of the common active layer region 211.
  • the electron supply layer region 210 is the same as the layer region (A) 107 and is formed by the same material and manufacturing method as described in the layer region (A) 107.
  • Flattened regions 207a, 207b, and 207c are provided on both sides of the gate electrodes 206a and 206b as in the case of FIG.
  • the source electrode portion 213 is essentially the same as the source electrode portion 105 shown in FIG. 1, the upper electrode region 217 is essentially the same as the upper electrode region 105a, and the lower electrode region 216 is essentially the same as the lower electrode region 105b. .
  • the source electrode portion 215 is essentially the same as the drain electrode portion 106 shown in FIG. 1, the upper electrode region 223 is essentially the same as the upper electrode region 106a, and the lower electrode region 222 is essentially the same as the lower electrode region 106b. .
  • the drain electrode portion 214 is provided with a structure in which the drain electrode portion of the nMOSTr 201 and the drain electrode portion of the pMOSTr 202 are partially separated. That is, the lower electrode region 218 of the drain electrode portion of the nMOSTr 201 and the lower electrode region 219 of the drain electrode portion of the pMOSTr 202 are electrically separated by the separation region 220.
  • the lower electrode region 218 is made of Ni, for example, like the lower electrode region 106b.
  • the lower electrode region 219 is made of a low work function material, for example, lanthanum boride, like the lower electrode region 105b. In particular, it is desirable to use LaB 6 (N) having the characteristics described above.
  • the upper electrode region 221 is made of, for example, a metal such as Al.
  • the common active layer region 211 is the same as the active layer region 104, and is formed by the same material and manufacturing method as described in the active layer region 104.
  • the substrate 205 is the same as the substrate 101.
  • the gate insulating film 208 is the same as the gate insulating film 103.
  • the gate electrodes 206a and 206b are the same as the gate electrode 102.
  • the first common interface control layer 209 and the second common interface control layer 212 are the same as the first interface control layer 108 and the second interface control layer 109, respectively.

Landscapes

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Abstract

　本発明の課題の一つは、有機半導体素子のn型動作特性の改善を図ることにある。本発明の課題の中の別な課題は、ペンタセンのn型動作特性の改善を図り、ペンタセンを使用するp型動作電子素子と同等以上のn型動作特性を有する有機半導体素子並びにその素子を構成電子素子として備えたCMIS回路構成、特にCMOS回路構成を有する半導体装置を提供することである。　本発明の課題解決手段の一つは、ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記ソース電極部が多層構造を有し、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されている有機半導体素子にある。

Description

有機半導体素子及びそれを備えたCMIS半導体装置
　本発明は、有機半導体素子及びそれを備えたCMIS半導体装置に関するものである。
　有機半導体は、一般にシリコン単結晶半導体に比べ、キャリア移動度の点を除けば、可撓性、軽量性、耐衝撃性、薄型性、低コスト性、大面積性に於いて優位性を有している。特に、面積コストにおいては、面積が大きくなればなるほどその優位性は顕著になる。その為、自発光表示装置、太陽電池などの大面積エレクトロニクスデバイスに向くので産業界の期待は大きい。
　しかし、一方、有機半導体には、それなりのホール移動度を有するものもあるが、大概は単結晶のものであり、有機半導体の特徴である大面積化（大面積に亘って多数の薄膜トランジスタ（以後「Thin Film Transistor：TFT」と記すこともある）を活かしきれない状況にある。
　しかも、有機半導体の場合は、n型半導体・p型半導体という材料ではなく其の殆どが真正（i型）半導体若しくはそれに近いものである。即ち、有機半導体の場合は、シリコン（Si）のような一般的な無機半導体のように不純物を添加（ドーピング）して半導体そのものをn型・p型にしてn型半導体動作・p型半導体動作をさせるものではなく、電極／有機半導体の界面及び絶縁体／有機半導体の界面を制御することによりn型動作・p型動作をさせるようにしているのが実情である。その理由は、無機半導体のように効率よくドーピングして実用に耐えるn型・p型の有機半導体がまだ実現されていないことにある。
　有機半導体をn型動作・p型動作させるには、次のようなことが考えられ研究レベルでは一部実現している。即ち、p型動作させるためには、選択した有機半導体材料のHOMO（Highest Occupied  Molecular Orbital）と出来るだけ整合するように仕事関数の大きな材料で電極を構成し、該有機半導体材料のHOMOへの正孔注入をしやすくする。n型動作させるためには、選択した有機半導体材料のLUMO（Lowest　Unoccupied Molecular Orbital）と出来るだけ整合するように仕事関数の小さな材料で電極を構成し、該有機半導体材料のLUMOへの電子注入をしやすくする。
　しかし、大面積化に向く薄膜状（非晶質若しくは多結晶、微結晶）のものとなると、一般に、伝導特性がp型動作のものに比べ、n型動作のものには実用に十分供される移動度（移動度そのものを大きくするのではなく、電極より注入されるキャリア濃度を十分とすることで、キャリア蓄積層にキャリアを十分に蓄積することで、移動度を見掛け上大きくする）を安定的に有するものがないのが実情である。況してや、電子移動度とホール移動度が実用に供される値を有する両極性の材料となると皆無である。そのため、CMOS回路構成に代表されるCMIS回路構成の半導体装置を作成するとなると、p型とn型で材料を別々に選択しなければならず、製造プロセスの煩雑さに加え工数増を招き生産の効率低下とコスト向上という不都合が生ずる。
　その中でも、両極性有機半導体材料の一つであるペンタセンは、有望視されている材料の一つである。しかし、そのキャリア移動度が、ホールの場合は、アモルファスシリコン（以後「A-Si」と略記することもある）並みの0.1～1cm2/Vsec程度が得られているのに対し、電子の場合は、精々0.05cm2/Vsec程度と極めて小さい。そのために、消費電力の点で優れているCMOS半導体装置へ適用しようとすると、pMOSトランジスタ（以後「pMOSTr」と記すこともある）とnMOSトランジスタ（以後「nMOSTr」と記すこともある）との間で特性上の極端な不整合性が生じ、有機半導体の優位性を十分活かしきれていない。
　この課題を解決するために、ペンタセンからなる活性層領域とゲート絶縁膜の界面に、電子供給層としてCa（カルシウム）(2.8eV)などの仕事関数の小さい金属層を導入して見掛け上の電子の移動度を向上させる（実際は、活性領域をソース側からドレイン側に流れる電流を増大させる）ことで、ペンタセンのn型動作特性の改善を図るという報告がある（非特許文献１）。
Japanese Journal of Applied Physics 51 (2012) 04DK01.
　しかし、Caなどの金属は酸化しやすく、デバイス動作特性及びデバイス製造の生産効率・量産性に課題が存在している。特にカルシウム（Ca）は、空気中で放置すると酸素・水・二酸化炭素と反応して腐食する、殊に水とは激しく反応して水素を発生する、また、ハロゲンとは気相中で直接反応し、ハロゲン化物を生成する、など化学反応性に富むため生産ラインでの取り扱いも煩雑になる傾向にある。
　本発明は上記点に鑑み鋭意研究することによりなされたものであって、その目的は、有機半導体素子のn型動作特性の改善を図ることにある。
　本発明のもう一つの目的は、ペンタセンのn型動作特性の改善を図り、ペンタセンを使用するp型動作電子素子と同等以上のn型動作特性を有する有機半導体素子並びにその素子を構成電子素子として備えたCMIS回路構成、特にCMOS回路構成を有する半導体装置を提供することである。
　本発明の一つの側面は、ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記ソース電極部が多層構造を有し、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されていることを特徴とする有機半導体素子にある（第一の発明）。
　本発明の別な側面は、前記第一の発明において、前記最下層領域が硼化ランタン（LaB6）で構成されていることを特徴とする有機半導体素子にある（第二の発明）。
　本発明のもう一つ別な側面は、ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記有機半導体はペンタセンであり、前記活性層領域に接して前記ゲート絶縁膜側に硼化ランタン（以後「LaB6」と記すこともある）を含む層領域（A）を有し、前記ソース電極部が多層構造であって、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されていることを特徴とする有機半導体素子にある（第三の発明）。
　本発明の更にもう一つの側面は、上記第二、三の発明に於いて、前記最下部層領域が窒素を含むことを特徴とする有機半導体素子にある（第四の発明）。
本発明の更にもう一つ別な側面は、上記第一乃至第四の発明に於いて、前記有機半導体素子がn型動作特性を示す有機半導体素子であることを特徴とする有機半導体素子にある（第五の発明）。
　本発明の更に別なもう一つの側面は、CMIS回路構成を備えたCMIS半導体装置において、前記CMIS回路を構成するn型動作の電子素子が、前記第五の発明の有機半導体素子であることを特徴とするCMIS半導体装置にある（第六の発明）。
　本発明の更に別なもう一つの側面は、ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記ソース電極部が多層構造を有し、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されていることを特徴とするp型動作特性を示す有機半導体素子にある（第七の発明）。
　本発明の更に別なもう一つの側面は、前記第七の発明において、前記最下層領域が硼化ランタン（LaB6）で構成されていることを特徴とする有機半導体素子にある（第八の発明）。
　本発明によれば、デバイス動作特性が高く動作安定性に優れ、デバイス製造の生産効率が高く量産に向いた有機半導体素子及びCMIS半導体装置が得られる。又、本発明によれば、高速で低電圧駆動できる有機半導体素子及びCMIS半導体装置が得られる。
　本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
　添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
図１は、本発明の好適な実施態様例の一つであるnMOSTrの構造を説明するための模式的構造説明図である。 図２は、本発明の好適な実施態様例の一つであるCMOS回路構造を備えた半導体装置の構造を説明するための模式的構造説明図である。 図３は、図２の半導体装置の回路図である。
　図１は、本発明の好適な実施態様例の一つであるnMOSTrの構造を説明するための模式的構造説明図である。
　図１のnMOSTr１００は、n型伝導特性を示し、基体１０１上に、ゲート電極１０２、ゲート絶縁膜１０３、有機半導体（好ましくはペンタセン）の活性層領域１０４、ソース電極領域１０５、ドレイン電極領域１０６が、この順で重畳された積層構造を有する。そして、その特徴は、前記活性層領域１０４に接して該活性層領域１０４とゲート絶縁膜１０３に挟持され、硼化ランタン（以後「LaB6」と記すこともある）を含む層領域（A）１０７が設けられた構造を有していることである。本発明においては、この層領域（A）１０７は、必要に応じて好ましい実施態様例として設けられるが、本発明の必須要件ではない。
　前記層領域（A）１０７は、前記nMOSTr１００が動作する際、前記活性層領域１０４に電子を供給して前記活性層領域１０４の移動度を高める機能を有する。即ち、層領域（A）１０７は、電子供給層として機能する。硼化ランタン（LaB6）は、それだけでも低仕事関数の材料であるが、前記活性層領域１０４の製造プロセス過程で窒素（N）を添加することで仕事関数をより小さくすることができる。
　図１のnMOSTr１００は、上記の構造が基本構造であるが、更に必要であれば、その目的に応じて、ゲート絶縁膜１０３と層領域（A）１０７の間には、第一の界面制御層１０８が設けられる。更には、ソース電極部１０５・ドレイン電極部１０６には、活性層領域１０４側に、該活性層領域１０４に直接接して第二の界面制御層１０９が設けられる。界面制御層１０８は、ゲート絶縁膜１０３と活性層領域１０４との界面の特性向上（特に界面準位の発生抑制の向上）のために必要に応じて設けられる。
　界面制御層１０８、１０９は、その後の製造プロセスにおけるプロセス温度を考慮して耐熱性の材料で構成するのが望ましい。その様な材料として、本発明に於いて好適に採用される材料には、ポリビニルフェノール（以後、「PVPh」と略記することもある）が挙げられる。
　ゲート絶縁膜１０３と活性層領域１０４との界面の特性は、特にnMOSTr１００の閾値電圧の安定化に影響を及ぼすが、界面制御層１０８を設けることで閾値電圧の安定化を図ることが出来る。特に、界面制御層１０８を、PVPhの蒸着によって形成すれば、その層厚をピンホールなく極薄化することができ、閾値電圧の安定化と動作電圧の低減化を大幅に図ることが出来る。
　また、界面制御層１０９は、ソース電極部１０５・ドレイン電極部１０６と活性層領域１０４との間の界面特性を改善するために必要に応じて設けられる。特に、界面制御層１０９を蒸着系のPVPhで構成することで、キャリアトラップの元になる界面準位を大いに低減させることが出来るので、本発明に於いては、PVPhの界面制御層１０９の設定は好ましい態様である。界面制御層１０９についても、界面制御層１０８と同様、その後の製造プロセスにおけるプロセス温度を考慮して耐熱性の材料で構成するのが望ましい。
　基体１０１上に設けたゲート電極１０２の周囲には、ゲート電極１０２上にゲート絶縁膜１０３を設けるために、ゲート電極１０２の上面１１１と平坦にするために、樹脂などで平坦化領域１１０（１１０ａ、１１０ｂ）が設けられる。平坦化領域１１０を樹脂で構成する場合は、その後のプロセス工程で高温処理が適用され易くするために耐熱性樹脂を用いるのが望ましい。
　本発明に於いて基体１０１としては、様々な材料を用いることが可能であるが、好ましく採用されるのは、耐熱プラスチック、ガラス、金属、セラミックスなどである。その様な材料としては、例えば、石英、青板ガラス、アルカリ金属レスガラス、シリコン（ケイ素）基板、アルミニウム、ステンレス等の金属基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体基板、及び熱可塑性又は熱硬化性のプラスチック基板等が用いられる。また、耐熱性がそれ程要求されない（プロセス温度２００℃以下）のであれば、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体、エチレン－酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリ－（４－メチルベンテン－１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリル－スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン－スチレン共重合体、ポリオ共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、プリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、変形ポリフェニレンオキシド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体やブレンド体、ポリマーアロイ等がプラスチック基板の材料として挙げられる。また、上記材料のうちの２種以上を積層した複合積層体とした基体も用いることができる。
　ゲート電極１０２を構成する電極材料としては、半導体分野で通常に使用されている材料であれば、大概の材料が採用され得る。
　図１に示すようなボトムゲートタイプの電界効果トランジスタ（以後「FET」と記す場合もある）の場合は、基体１０１はある程度以上の耐熱性を要求されるので、設計上の所望の耐熱性に従って材料の選択がなされる。
　本発明に於いてゲート電極１０２を構成する電極材料として望ましくは、以下の導電体材料から選択されるのが好ましい。その導電体材料としては、例えば、Cr、Al、Ta、Mo、Nb、Cu、Ag、Au(4.9eV)、Pt、Pd、In、Ni、Nd、Ca、Ti、Ta、Ir、Ru、W、Mo、Ru-Mo合金などの金属及びこれら金属の合金が挙げられる。その他、InO2、SnO2、ITO等の導電性の酸化物、TiN、TaNなどの導電性窒化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、またはポリアセチレン等の導電性高分子、グラフェン、カーボンナノチューブ、電荷移動錯体などの分子性導体、それらの積層構造部材が挙げられる。また、上記導電性高分子に塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、PF6、AsF5、FeCl3等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウムやカリウム等の金属原子等のドーパントを添加したものを用いてもよい。更に、カーボンブラックまたは金属粒子を分散した導電性の複合材料を用いてもよい。
　ゲート電極１０２は、その上に形成される層（又は膜）の平坦性を考慮して電極機能が発揮され、ピンホールが発生しない範囲に於いて出来る限り薄く形成されるのが望ましい。具体的には、通常は１００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以下、より好ましくは、１０ｎｍ以下の厚さで形成されるのが望ましい。
　平坦化領域１１０は、好ましくは、耐熱材料で構成するのが望ましいが、耐熱性がそれ程要求されない（プロセス温度２００℃以下）のであれば、平坦化領域１１０を構成する材料として好ましく選択される材料の選択範囲は、一段と拡大される。
　平坦化領域１１０を構成する材料としては、好ましくは、塗膜性に優れた樹脂材料が望ましい。そのような樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂の中で溶媒可溶性であれば大概の樹脂が使用できる。具体的には、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリアリレート（PAR）、ポリサルフォン又はポリスルホン（PSF）、ポリエーテルサルフォン（PES）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリアミドイミド（PAI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、液晶ポリエステル（LCP）、ポリプロピレン（PP）、ポリ塩化ビニリデン（PVDC）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリカーボネート（PC）、フッ素樹脂（PTFE）、メラミン樹脂（MF）、フェノール樹脂（PF）、エポキシ樹脂（EP）、不飽和ポリエステル樹脂（UP）、ポリビニルフェノール（PVPh）等が挙げられる。これらの樹脂の中で、耐熱温度が150℃以上もあり、より高い耐熱性をもつ樹脂として、ポリアリレート（PAR）、ポリスルホン（PSF）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などが好ましい。ポリアミドイミド（PAI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などは、250℃以上の耐熱性があり、しかも長時間の使用も可能であるので、本発明に於いては、特に好ましい材料である。この他、ピンホールなく超極薄化膜の形成ができるポリビニルフェノール（PVPh）も、本発明に於いて特に好ましい材料である。平坦化領域１１０は樹脂で構成される他、酸化シリコン（SiO2）、窒化シリコン（Si3N4）、酸窒化シリコン（SiNO）、炭窒化シリコン（SiCN）などの無機絶縁材料で構成しても良い。
　ゲート絶縁膜１０３は、ゲート容量とリーク電流防止を担保できる材料と製造プロセスが選択されて形成される必要がある。また、ゲート絶縁膜１０３は、成膜後に適用されるプロセス工程で高温処理が出来るように望ましくは耐熱性の材料で構成するのが好ましい。その様なものとしては、例えば、酸化シリコン（SiO2）、窒化シリコン（Si3N4）、酸窒化シリコン（SiNO）、炭窒化シリコン（SiCN）などの無機絶縁材料が挙げられる。
　電子素子のより微細化・高性能化を実現するためには、ゲート絶縁膜１０３は、より高誘電率で隣接層との電気的整合性（低界面準位）に優れた材料を選択して適切な製造プロセスと製造条件で形成するのが望ましい。そのような材料としては、所謂、high-k材料として呼ばれている材料があり、その中から電子素子の設計上の所望に応じて選択して使用するのが望ましい。その様なhigh-k材料としては、リーク電流、移動度、耐熱性、膜中や界面に於ける欠陥、不純物拡散などの観点から、HfO2やZrO2などの遷移金属の酸化物、及びそれらのシリケート（HfSixOy、ZrSixOy）、Al2O3やそれらの複合酸化物（Hf1-xAlxOy、Zr1-xAlxOy）などが挙げられる。これらの他には、Si、Hf、Ti、Laの多種元素からなる混合酸化物、ルチル型TiO2（比誘電率約８０）、（Ba、Sr）TiO3（ペロブスカイト）、SrBi4Ti4O15、SrBi2Ta2O9、Ta2O3、La2O3、Dy2O3、La2O3をベースにした希土類酸化物、HfSiON、なども使用し得る。
　また、これらの材料の中から複数を適宜選択して夫々を層状にして積層（スタック）した構造の積層構造部材でゲート絶縁膜１０３を構成しても良い。そのよう積層構造部材としては、例えば、HfSiON/SiO2、HfO2/Al2O3、TiO2/La2O3、HfLaSiO/SiO2、などの２層構造、HfO2/Y2O3/Al2O3、TiO2/HfSiO/SiO2、などの３層構造のものが挙げられる。
　上記に挙げた材料の大半は、EOT（Equivalent Oxide Thickness：酸化膜換算膜厚）1nm以下においてリーク電流を大幅に低減することができるので、本発明において、ゲート絶縁膜１０３を構成するのに好適な材料である。
　本発明においては、その中でも、ゲート絶縁膜１０３としては、Hf系の材料で構成する膜が好ましい。Hf系high-k膜は、Laを添加してメタル電極の実効仕事関数を低エネルギー側にシフトさせることが出来る。この方法は、Laの添加量と膜厚方向の分布が重要であるので、膜設計においてはこの点を十分配慮して膜形成するのが望ましい。また、Laの添加量を多くするとLa系酸化物に近づき比誘電率が約２７と高くなるので有望となるが、La系酸化物は吸湿性がるため大気中の水分と反応するので、真空を破ることなく一貫生産を採用するなり、あるいは電子素子形成過程では、Ar、Heなどの希ガス雰囲気中に置くなどの配慮が必要である。
　また、Laの添加には、HfTiターゲットとHfLaターゲットを使用してコスパッタ（Co-sputter）することで、ゲート絶縁膜１０３を形成するのが望ましい。その際のLaの添加量の調節は、HfLaターゲト中のLaの組成比を所望に従って変えれば良い。また、HfLaターゲットをプラズマから断続的に遮蔽したりして成膜することでゲート絶縁膜１０３中の、Laの添加量を調整することが出来る。
　HfO2は、イットリウム（Y）、シリコン（Si）を添加することで誘電率を大幅に改善できるので、ゲート絶縁膜１０３を形成するには好ましい材料である。
　ゲート絶縁膜１０３に、自己組織化単分子膜（Self-Assembled Monolayer：SAM）を採用することも出来る。その場合、ゲート絶縁膜１０３をSAMそのもので構成しても良いし、SAMの多層構造としても良い。SAMの多層構造膜としては、例えば、Langmuir膜なども挙げられる。或いは、例えば、Al2O3薄膜とn－オクタデシルホスホン酸のSAMの複合積層構造の膜として採用することも出来る。
　本発明において、ゲート電極１０２とゲート絶縁膜１０３を構成する好ましい材料の組み合わせは、前述した材料の中から適宜選択することが出来る。譬えば、Mo/HfSiON/SiO2、Mo-O-Hf/HfSiON/SiO2などのMetal/HfLaSiO/SiO2の組合せ、TiN/HfSiONの組合せ、Metal/HfSiO/TiO2の組合せ、TiN/TiO2/HfSiOの組合せ、などが挙げられる。
　ゲート電極１０２とゲート絶縁膜１０３の界面特性は、デバイス（半導体素子）特性に影響大である。従って、キャリアをトラップする界面準位の形成やエネルギー障壁の形成が抑制されるように、ゲート電極１０２とゲート絶縁膜１０３の形成には材料の選択以上の注意と工夫により製膜するのが好ましい。例えば、好ましくは、ゲート電極１０２とゲート絶縁膜１０３を真空一貫形成するのは望ましい。更に、例えば、TiN/HfSiOのような場合には、真空一貫界面固相反応法で形成するのも好ましい。真空一貫界面固相反応法は、物理蒸着（Physical Vapor Deposition）をベースとした界面固相反応（Solid Phase Interface Reaction：SPIR）法である（H.Watanabe et al., Appl. Phys. Lett. 85, 449, 2004.参照）。
　層領域（A）１０７は、前述したように、硼化ランタン（LaB6：六硼化ランタン）で構成されるが、好ましくは、窒素含有硼化ランタン（LaB6(N)）で構成するのが望ましい。
　本発明において、層領域（A）１０７に採用されるより好ましいLaB6(N)膜は、結晶構造を有すると共に窒素原子を０．３～０．５原子％含み、且つ、該膜中における全結晶中の１０～２５０ｎｍの粒径範囲にある結晶の割合が２０～９０％であって、該膜の結晶化度が２０％以上である膜である。更に好ましいのは、粒径が１０～２５０ｎｍの範囲における結晶粒径分布のピークの最大が、１５～１５０ｎｍの範囲にある膜である。
　本発明者等が推測するには、上記の数値範囲とすることで、２．４ｅＶという低仕事関数のLaB6膜とすることだけでなく、活性層領域１０４との界面親和性に優れるため界面特性が良好で、且つ密着性も良い膜になるものと思われる。そのため、デバイスの累積使用時間がかなり長時間になっても所期の密着性が維持され、膜の浮きや膜剥がれを起こさず経時変化対抗特性に優れたLaB6膜が得られる。
　膜中における全結晶中の１０～２５０ｎｍの粒径範囲にある結晶の割合は、好ましくは、上記の数値範囲であるのが望ましいが、より好ましくは、５０～９０％、更により好ましくは、８０～９０％であるのが望ましい。より一層好ましくは、３０～２００ｎｍの粒径範囲にある結晶の割合が５０～９０％であるのが望ましい。更には、５０～１５０ｎｍの粒径範囲にある結晶の割合が５０～９０％であるのが格段に望ましいものである。
　本発明において、より良好な窒素含有六硼化ランタン（LaB6(N)）膜を得るには、膜の結晶化度も重要である。結晶化度としては、好ましくは、上記した様に２０％以上であるのが望ましいが、より好ましくは３０％以上、更により好ましくは、５０％以上であるのが望ましい。
　結晶粒径分布のピーク位置も本発明のより好適なLaB6(N)膜を得るには重要なパラメーターである。本発明に於いては、粒径が１０～２５０ｎｍの範囲における結晶粒径分布のピークの最大が、１５～１５０ｎｍ内にあるのが望ましく、より好ましくは、１５～１２０ｎｍ、より一層好ましくは、２０～１００ｎｍの範囲にあるのが望ましい。
　ソース電極部１０５とドレイン電極部１０６は、活性層領域１０４とのコンタクトが電気的にスムーズになるように活性層領域１０４を構成する材料との関係において適宜選択される材料で構成されるのが望ましい。即ち、nMOSTr１００の場合、活性層領域１０４はn型動作特性とされるため、ソース電極部１０５は、少なくとも活性層領域１０４と直接コンタクトする層領域は、なるべく仕事関数の小さな材料で構成するのが好ましい。本発明においては、ソース電極部１０５は、nMOSTr１００の外部との電気的接点の機能も有するので、少なくても最表層領域を構成する材料の選択には、外部の電気的接点の材料との整合性も考慮される必要がある。
　図１に示すnMOSTr１００の場合、ソース電極部１０５は、例えば、安価で取り扱い易い材料で構成した上部電極領域１０５ａと仕事関数の小さな材料で構成した下部電極領域１０５ｂとの積層構造とされている。本発明に於いては、上部電極領域１０５ａと活性層領域１０４とのコンタクトが電気的にスムーズになるようするために、下部電極領域１０５ｂは、多層構造を有し、活性層領域１０４に直接接する最下層領域（ＭＵＤＬ）から最表層領域（ＭＵＰＬ）に亘って、活性層領域１０４を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層領域が構成される（以後、これらの層領域の積層構造体全体を指して「遷移層」と呼ぶ時もある）。
　前記最下層領域（ＭＵＤＬ）は、例えば、活性層領域１０４をペンタセンで構成しn型動作特性とする場合は、ペンタセンのLUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）３．２ｅＶとできる限り整合性が取れるように材料の選択が適宜されるのが望ましい。その結果、ソース電極部１０５から活性層領域１０４を構成する材料のLUMOへの電子の注入をしやすくする。
　具体的には、例えば、上部電極領域１０５ａは、Al、Cuなどの金属で、下部電極領域１０５ｂの最下層領域（ＭＵＤＬ）は、硼化ランタンなどの仕事関数の小さい材料で構成される。下部電極領域１０５ｂの最下層領域（ＭＵＤＬ）は、好ましくは、前述した特性のLaB6(N)で構成するのが望ましい。特に、好ましくは、層領域（A）１０７を構成するLaB6(N)として前述した材料と同等の材料で最下層領域（ＭＵＤＬ）を構成するのが望ましい。
　本発明に於いて使用される低仕事関数の材料としては、３ｅＶ以下の低仕事関数の材料が選択されるのが望ましい。本発明に於いて使用される低仕事関数の材料として好ましいのは、具体的には、バリウム（Ba）、LaB6、CeB6、W-Cs、W-Ba、W-O-Cs、W-O-Ba、12CaO・7Al2O3（C12A7）エレクトライドなどが挙げられる。化学的安定性に優れることからも、特に、N（窒素）含有のLaB6は好ましい材料である。より一層好ましいのは、０．４％程度窒素添加LaB6(2.4eV)である。
　下部電極領域１０５ｂを６層構造の遷移層とした場合の具体的例示を以下に記す。第一の例として、例えば、最下層領域（ＭＵＤＬ）をN（窒素）添加LaB6（「LaB6(N)」）(2.4eV)で構成し、上部電極領域１０５ａをアルミニウム（Al）(4.28eV)で構成する場合の好ましい一例には、以下の６層構造の遷移層が挙げられる。即ち、LaB6(N)で構成される最下層領域（ＭＵＤＬ）（最下遷移層）側から順に、LaB6(N)層（最下遷移層）、Sm or Pr(2.7eV)層（第一中間遷移層）、Er(3.1eV)層（第二中間遷移層）、La(3.5eV)層（第三中間遷移層）、Hf(3.8eV)層（第四中間遷移層）、Zr(4.1eV)層（最表遷移層）の６層構造である。
　第二の例として、例えば、最下層領域（ＭＵＤＬ）をN（窒素）添加LaB6（「LaB6(N)」）(2.4eV)で構成し、上部電極領域１０５ａを銅（Cu）(4.6eV)で構成する場合はの好ましい一例には、以下の７層構造の遷移層が挙げられる。即ち、最下層領域（ＭＵＤＬ）（最下遷移層）側から順に、LaB6(N)層（最下遷移層）、Sm or Pr(2.7eV)層（第一中間遷移層）、Er(3.1eV)層（第二中間遷移層）、La(3.5eV)層（第三中間遷移層）、Hf(3.8eV)層（第四中間遷移層）、Zr(4.1eV)層（第五中間遷移層）、Al(4.3eV)層（第六中間遷移層）、銅（Cu）(4.6eV)層（最表遷移層）の７層構造である。
　ドレイン電極部１０６は、例えば、上部電極領域１０６ａをAlで、下部電極領域１０６ｂをNiで構成するのが好ましい。
　後述するCMOS半導体装置の場合は、p型動作特性の有機半導体素子も使用されるので、その場合のソース電極部とドレイン電極部を構成する材料は以下の視点で適宜選択されるのが望ましい。即ち、活性層領域１０４を有機半導体材料で構成しp型動作特性とする場合は、該有機半導体材料のHOMO（Highest Occupied  Molecular Orbital）（ペンタセンの場合は、5.0eV）とできる限りエネルギーレベルの整合性が取れるように材料の選択が適宜される。
　本発明に於いて、有機材料で製膜する場合の製膜法には、形成する電子素子の特性や用途、採用する成膜材料に応じて種々の製膜法が採用される。本発明に於いて採用され得る製膜法には、塗布法、真空蒸着法、CVD（Chemical Vapor Deposition）、PCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition）などが挙げられる。塗布法としては、スピンコート法、キャスト法、印刷法などが挙げられる。印刷法としては、オフセット印刷、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、インクジェットプリント、マイクロコンタクトプリントなどが挙げられる。精細度において、１０μｍ以下の場合は、インクジェットプリント、マイクロコンタクトプリントを採用するのが好ましい。特に、有機ＴＦＴにおいては、ソース電極とドレイン電極の間隔（チャネル長：Ｌ）を小さくすることで、素子のスイッチング特性が良くなることが知られているので、好ましくは、サブμｍオーダーでの大面積パターニングも可能なマイクロコンタクトプリントの採用が望ましい。
　図１では、ボトムゲートタイプのnMOSTrで説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、活性層領域に直接接して設けられた電子供給層が硼化ランタンであればすべての電子素子に適用される。例えば、トップゲートタイプのnMOSTrにも適用出来る。
　図２には、本発明の好適な実施態様例の一つであるCMOS回路構造を備えた半導体装置の構造を説明するための模式的構造説明図が示される。図３は、図２の半導体装置の回路図である。
　CMOS半導体装置２００は、nMOSTr２０１、pMOSTr２０２で構成されている。nMOSTr２０１は、図１に示すnMOSTr１００と同等の構成をしている。
　CMOS半導体装置２００は、入力端子２０３ａ、２０３ｂ、出力端子２０４を有している。入力端子２０３ａ、２０３ｂは、図３に示す様に、入力上流側で結線されている。
　図２に示すCMOS半導体装置２００は、「L」レベルの信号が入力されると、nMOSTr２０１が動作し、「H」レベルの信号が入力されるとpMOSTr２０２が動作する。
　基体２０５上には、ゲート電極２０６ａ、２０６ｂ、ゲート絶縁膜２０８、第一の共通界面制御層２０９、電子供給層領域２１０、共通活性層領域２１１、第二の共通界面制御層２１２、ソース電極部２１３、２１５、共通ドレイン電極部２１４のそれぞれが重畳されている。第一の共通界面制御層２０９、第二の共通界面制御層２１２は、より好ましい実施態様例において設けられるもので、共通活性層領域２１１との界面が素子設計上の特性を十分備えているのであれば、必ずしも設けられるものではない。
　電子供給層領域２１０は、図示のようにnMOSTr２０１側のみに設けられるもので、共通活性層領域２１１のnMOSTr２０１側に於ける部分の活性層領域に電子を供給する。電子供給層領域２１０は、層領域（A）１０７と同様のもので、層領域（A）１０７で説明したのと同様の材料、製法で作成される。
　ゲート電極２０６ａ、２０６ｂの両サイドには、図１の場合と同じように平坦化領域２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃが設けてある。
　ソース電極部２１３は、図１に示すソース電極部１０５と本質的に同じであり、上部電極領域２１７は上部電極領域１０５ａと、下部電極領域２１６は下部電極領域１０５ｂとそれぞれ本質的に同じである。ソース電極部２１５は、図１に示すドレイン電極部１０６と本質的に同じであり、上部電極領域２２３は上部電極領域１０６ａと、下部電極領域２２２は下部電極領域１０６ｂとそれぞれ本質的に同じである。
　ドレイン電極部２１４には、nMOSTr２０１のドレイン電極部とpMOSTr２０２のドレイン電極部とを構造的に一部分離した構造が設けられている。即ち、nMOSTr２０１のドレイン電極部の下部電極領域２１８とpMOSTr２０２のドレイン電極部の下部電極領域２１９は、分離領域２２０で電気的空間的に分離されている。
　下部電極領域２１８は、下部電極領域１０６ｂと同様、例えば、Niで構成される。下部電極領域２１９は、下部電極領域１０５ｂと同様、低仕事関数の材料、例えば、硼化ランタンで構成される。特に、好ましくは、前述した特性のLaB6(N)で構成するのが望ましい。上部電極領域２２１は、上部電極領域１０６ａと同様に、例えば、Alなどの金属で構成される。共通活性層領域２１１は、活性層領域１０４と同様のもので、活性層領域１０４で説明したのと同様の材料、製法で作成される。
　基体２０５は、基体１０１と同様のものである。また、ゲート絶縁膜２０８は、ゲート絶縁膜１０３と同様のものである。また、ゲート電極２０６ａ、２０６ｂはゲート電極１０２と同様のものである。さらに、第一の共通界面制御層２０９及び第二の共通界面制御層２１２はそれぞれ、第一の界面制御層１０８及び第二の界面制御層１０９と同様のものである。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
１００　　　nMOSTr
１０１、２０５　　　基体
１０２、２０６　　　ゲート電極
１０３、２０８　　　ゲート絶縁膜
１０４　　　活性層領域
１０５、２１３、２１５　　　ソ－ス電極部
１０６、２１４　　　ドレイン電極部
１０７、２１０　　　電子供給層領域
１０８、１０９、２０９、２１２　　　界面制御層
１１０、２０７　　　平坦化領域
２００　　　CMOS半導体装置
２０１　　　nMOSTr
２０２　　　pMOSTr
２０３　　　入力端子
２０４　　　出力端子
２１１　　　共通活性層領域
２１６、２１８、２１９、２２２　　　下部電極領域
２１７、２２１、２２３　　　上部電極領域
２２０　　　分離領域

Claims (9)

  1. 　ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記ソース電極部が多層構造を有し、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されていることを特徴とする有機半導体素子。
  2. 　前記最下層領域が硼化ランタン（LaB6）で構成されている請求項１に記載の有機半導体素子。
  3. 　ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記有機半導体はペンタセンであり、前記活性層領域に接して前記ゲート絶縁膜側に硼化ランタン（LaB6）を含む層領域（A）を有し、前記ソース電極部が多層構造であって、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されていることを特徴とする有機半導体素子。
  4. 　前記最下層領域が窒素を含む請求項２又は３に記載の有機半導体素子。
  5. 　前記有機半導体素子がn型動作特性を示す請求項１乃至４の何れか１項に記載の有機半導体素子。
  6. 　CMIS回路構成を備えたCMIS半導体装置において、前記CMIS回路を構成するn型動作の電子素子が、請求項５に記載の有機半導体素子であることを特徴とするCMIS半導体装置。
  7. 　ソース電極部、ドレイン電極部、有機半導体の活性層領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極部、を備えた有機半導体素子に於いて、前記ソース電極部が多層構造を有し、前記活性層領域に接する最下層領域から最表層領域に亘って、前記活性層領域を構成する材料の仕事関数に近い仕事関数を有する材料で順に各層が構成されていることを特徴とするp型動作特性を示す有機半導体素子。
  8. 　前記最下層領域が硼化ランタン（LaB6）で構成されている請求項７に記載の有機半導体素子。
  9. 　前記硼化ランタン（LaB6）には窒素が添加されている請求項８に記載の有機半導体素子。
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