JP2009224689A - 有機トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機ゲート絶縁膜の密着性を高めることができ、トランジスタ特性を向上させることができる有機トランジスタ及びその製造方法を得る。
【解決手段】基板１と、基板１上に設けられるゲート電極２と、ゲート電極２上に設けられる有機材料からなるゲート絶縁膜４と、ゲート絶縁膜４上に設けられる有機半導体層８と、有機半導体層８にチャネル領域を形成するため有機半導体層に接するように設けられるドレイン電極６及びソース電極７とを備え、ゲート電極４が、ゲート電極２上に設けられたフルオロカーボン膜３の上に形成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機材料からなるゲート絶縁膜及び有機半導体層を備える有機トランジスタ及びその製造方法に関するものである。

近年、従来の無機系材料に替えて、有機材料を活性材料として用いる有機薄膜素子への注目が集まっている。有機薄膜素子の代表例としては、有機薄膜トランジスタや、有機ＥＬ素子等が挙げられる。有機薄膜素子は、印刷法で成膜ができ、シリコン系等の無機半導体系素子に比べて低温での膜形成が可能であり、超軽量、薄型でフレキシブルなプラスチック基板上にも形成が可能であるため、新しいデバイスの創出や、低コスト化面での期待が高い。

有機半導体を用いた有機薄膜トランジスタの代表例として、高分子系材料であるポリチオフェンを用いた電界効果型トランジスタ（非特許文献１）や、低分子系材料であるペンタセンを用いた電界効果型トランジスタ（非特許文献２）などが報告されている。いずれもチャネル領域が基板に対して水平に設けられた、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）構造が用いられているが、動作電圧が２０〜３０Ｖ程度と高く、十分なドレイン電流も得られていなかった。

有機薄膜トランジスタのドレイン電流は、飽和領域において次の式で表される。

Ｉ_Ｄ＝Ｗε_０ε_ｒμ（Ｖ_Ｇ−Ｖ_ｔｈ）^２／（２ｄＬ）
（但し、Ｉ_Ｄ:ドレイン電流、Ｗ：チャネル幅、ε_０：真空の誘電率、ε_ｒ：比誘電率、μ：電界効果移動度、Ｖ_Ｇ：ゲート電圧、Ｖ_ｔｈ：しきい値電圧、ｄ：ゲート絶縁膜厚み、Ｌ：チャネル長）
ドレイン電流を増加させるためには、チャネル幅Ｗを増加させることが有効であるが、チャネル幅を増やせば、その分、有機薄膜トランジスタの占有面積が増大し、高集積化ができなくなる。

そこで、ドレイン電流を増加させるためのもう一つの方法として、チャネル長を短くする方法が考えられた。従来のＭＯＳ−ＦＥＴではリソグラフィー技術の解像度に依存するため、短チャネル化に限界があったが、チャネルを縦方向に設け、膜厚でチャネル長を制御することにより、より短いチャネルを再現性良く形成することが可能となる。例えば、銅フタロシアニンの２００ｎｍ程度の薄膜を有機半導体として用い、薄膜の上下にソース／ドレイン電極を設け、薄膜の中間に半透明あるいは櫛型のＡｌゲート電極を設ける方法等が報告されており（非特許文献３）、飛躍的な駆動電圧の低減が図られた。

また、四角形または三角形のゲート電極を用い、チャネル領域を縦方向に設けた縦型の電界効果トランジスタが開示されている（特許文献１、特許文献２）。この方法によると、高精度にかつ容易に短いチャネル長を得ることができ、しかも、ソース／ドレイン電極とゲート電極とが自己整合的に形成することができると記載されている。

上述のように、短チャネル化によりドレイン電流を増加することができるが、ゲート絶縁膜を四角形のゲート電極側面に垂直方向に均一に成膜する必要があり、ゲート絶縁膜の膜厚のバラツキがドレイン電流のバラツキとして現れる（上記式を参照）。そこで、ゲート電極の形状に依存しないで均一な膜形成（コンフォーマルコーティング）が可能なゲート絶縁膜が用いられている。例えば、パラキシリレン系樹脂からなる材料を重合したポリパラキシレレン膜が用いられる。しかしながら、ポリパラキシレン膜を絶縁膜として用いた縦型トランジスタを、ディスプレイ等の高集積化デバイスに用いたとき、ゲート絶縁膜のパターニングやコンタクトホールの形成などでゲート絶縁膜に開口部を形成すると、開口部付近でゲート絶縁膜の剥離が見られる。また、開口部を設けた後に溶液の塗布や洗浄を行うと、基板とゲート絶縁膜の間に溶液が入り込み、デバイスの特性を低下させる問題がある。これは、ポリパラキシリレン膜が基板と結合して成膜されているのではなく、基板を包み込むことで密着していることが原因と考えられる。

有機トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜を積層した構造としては、特許文献３では、ゲート絶縁膜を陽極酸化で作製した金属酸化膜上に、ポリマーや無機酸化物などのゲート絶縁膜を成膜した構造が開示されている。ポリマーのゲート絶縁膜をフッ素含有化合物ガスで形成することが記載されている。特許文献４では、高誘電率材料上に、有機活性層に親和的な有機高分子の絶縁層、例えばポリビニルフェノール、ポリアクリレート、ポリビニルアルコールなどを用いた構造が開示されている。更に、特許文献５では、有機半導体の下地層に、ＣＦ_４ガスまたはＣ_３Ｆ-_８ガスのようなフッ素系ガスを用いてプラズマ処理する方法が開示されている。

密着性改善にフルオロカーボン層を用いた例として、特許文献６では、酸化シリコン/有機ポリマーの間にＣＦｘ系ポリマーからなる密着膜を形成した構造が記載されている。また、有機ポリマーとしてフッ素が添加されたポリパラキシリレンが記載されている。特許文献７においては、フルオロカーボン膜は、絶縁膜又は金属膜との密着性が非常に悪く、フルオロカーボン膜と絶縁膜又は金属膜との間には、密着層を形成することが不可欠であることが記載されている。

しかしながら、上記従来の技術においては、有機ゲート絶縁膜の密着性を高めるため、フルオロカーボン膜を下地層として用いる技術について何ら開示されていない。
特開２００４−３４９２９２号公報 特開２００５−１９４４６号公報 特開２００４-１２１８１２４号公報 特開２００５-２６６９８号公報 特開２００６-３３２６４５号公報 特開平１０-２０９２７５号公報 特開２００７-８８５０６号公報 A. Tsumura, H. Koezuka, and T. Ando, Appl. Phys. Lett., Vol. 49, p. 1210, 1986 D. J. Gundlach, Y. Y. Lin, T. N. Jackson, S. F. Nelson, and D. G. Schlom, IEEE Electron Device Lett., Vol. 18, p. 87, 1997 K. Kudo, M. Iizuka, S. Kuniyoshi, and K. Tanaka, Thin Solid Films, Vol. 393, p. 362, 2001

本発明の目的は、有機ゲート絶縁膜の密着性を高めることができ、トランジスタ特性を向上させることができる有機トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、基板と、基板上に設けられるゲート電極と、ゲート電極上に設けられる有機材料からなるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられる有機半導体層と、有機半導体層にチャネル領域を形成するため有機半導体層に接するように設けられるドレイン電極及びソース電極とを備え、ゲート絶縁膜が、ゲート電極上に設けられたフルオロカーボン膜の上に形成されていることを特徴としている。

本発明においては、ゲート絶縁膜が、ゲート電極上に設けられたフルオロカーボン膜の上に形成されている。このため、ゲート絶縁膜を、ゲート電極の上に直接形成する場合に比べ、ゲート絶縁膜の密着性を著しく高めることができる。従って、ゲート絶縁膜に開口部等を形成するためパターンニングを施した際においても、ゲート絶縁膜の剥れを抑制することができる。このため、ディスプレイのような高集積基板の作製が可能となる。また、トランジスタのオフ電流を低下させることができ、オン／オフ比を向上させ、トランジスタ特性を向上させることができる。

本発明に従い、ゲート電極の上にフルオロカーボン膜を設けることにより、ゲート絶縁膜を形成する下地層の疎水化処理を行うことができるので、有機材料からなるゲート絶縁膜の膜成長を均一に行うことができ、ピンホールの少ない緻密なゲート絶縁膜を形成することができる。また、ゲート絶縁膜の下にフルオロカーボン膜を設けることにより、２層構造の絶縁性の膜を形成することができ、これによってもピンホールを減少させることができ、オフ電流を低下させることができる。

本発明におけるフルオロカーボン膜の厚みは、１０ｎｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは、２０ｎｍ以上である。フルオロカーボン膜の厚みをこのような厚みとすることにより、上記ゲート絶縁膜の密着性をより高めることができる。フルオロカーボン膜の厚みが厚くなりすぎると、ドレイン電流の低下を生じるおそれがあるので、フルオロカーボン膜の厚みは、１０００ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは、１００ｎｍ以下である。

本発明において、チャネル領域は、基板の表面に対して略垂直方向である縦方向に形成されていてもよいし、基板の表面に対して略平行な方向である横方向に形成されていてもよい。

チャネル方向が縦方向に形成されている、いわゆる縦型の電界効果トランジスタとしては、ゲート電極が基板上に凸部を形成させる電極形状を有し、ゲート絶縁膜が凸部の上面及び側面上に形成され、有機半導体層が凸部の側面上のゲート絶縁膜上に少なくとも形成され、凸部の上面上のゲート絶縁膜の上に設けられた第１の電極と、凸部の側面の下方の基板上に設けられた第２電極との間でチャネル領域が形成されている電界効果トランジスタが挙げられる。このような縦型の電界効果トランジスタにおいては、第１の電極がドレイン電極及びソース電極のうちの一方の電極またはフローティング電極であり、第２の電極がドレイン電極及びソース電極のうちの他方の電極である。

このように縦型の電界効果トランジスタとすることにより、上述のように凸部の高さを利用してチャネルを形成し、チャネル長を短くすることができ、ドレイン電流を増加させることができる。

本発明において、フルオロカーボン膜は、基板表面及びゲート電極の上に連続的に形成することができる。

本発明におけるフルオロカーボン膜は、一般的なフルオロカーボン膜の形成方法により形成することができる。例えば、フッ素系ガスを用いたプラズマ重合法に形成することができる。フッ素系ガスとしては、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_１０、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_４及びＣ_４Ｆ_８-からなる群より選ばれた一元気体源を使用するか、あるいは、Ｆ／Ｃ比の高いフルオロカーボンガスの一種（例えば、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ-_４）と、重合のためのＦ／Ｃ比を低下させる水素もしくは炭化水素のガスの一種とを含む二元気体源を使用することができる。

本発明におけるゲート絶縁膜は、有機材料から形成することができる。ゲート絶縁膜を形成するための有機材料としては、例えばパリレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリエステル樹脂、変性エーテル型ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂、フェノキシ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、セルロース樹脂、尿素樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、ポリビニルフェノール樹脂及びポリビニルアルコール樹脂などの有機材料や、これらの共重合体や架橋体などが利用できる。

また、ゲート絶縁膜の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法などのＰＶＤ法、各種のＣＶＤ法、スピンコート法、スクリーン印刷法及びインクジェット印刷法などの印刷法、各種コーティング法、浸漬法、キャスティング法、スプレー法などが挙げられる。

本発明における有機半導体層を形成するための有機材料としては、電子受容性機能を有する材料（ｎ型半導体）と、電子供与性機能を有する材料（ｐ型半導体）を用いる。例えば、以下に例示するような材料が利用できる。

上記電子受容性機能を有する材料としては、例えば、ピリジンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、キノリンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ベンゾフェナンスロリン類およびその誘導体によるラダーポリマー、シアノ− ポリフェニレンビニレンなどの高分子、フッ素化無金属フタロシアニン、フッ素化金属フタロシアニン類およびその誘導体、ペリレンおよびその誘導体（ＰＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＩなど）、ナフタレン誘導体（ ＮＴＣＤＡ、ＮＴＣＤＩなど） 、バソキュプロインおよびその誘導体などの低分子有機化合物が利用できる。また、電子供与性機能を有する材料にフッ素基を置換した材料は電子受容性を示すので、これらフッ素基を導入した材料も利用できる。

電子供与性機能を有する材料としては、チオフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、フェニレン− ビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、フルオレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ベンゾフランおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、チエニレン− ビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、トリフェニルアミンなどの芳香族第３級アミンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、カルバゾールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ビニルカルバゾールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、イソチアナフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマーなどの高分子、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ルブレン、ペンタセンなどのアセン類およびその誘導体、ポルフィリン、テトラメチルポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、テトラベンズポルフィリン、モノアゾテトラベンズポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィン、トリアゾテトラベンズポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、オクタアルキルチオポルフィラジン、オクタアルキルアミノポルフィラジン、ヘミポルフィラジン、クロロフィル等の無金属ポルフィリンや金属ポルフィリンおよびそれらの誘導体、シアニン色素、メロシアニン色素、スクアリリウム色素、キナクリドン色素、アゾ色素、アントラキノン、ベンゾキノン、ナフトキノン等のキノン系色素などの低分子有機化合物が利用できる。金属フタロシアニンや金属ポルフィリンの中心金属としては、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、アルミニウム、ケイ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、スズ、白金、鉛などの金属、金属酸化物、金属ハロゲン化物などを用いることができる。

有機半導体層としては、上記材料を単体で用いてもよいが、上記材料が適当なバインダ材料に分散混合されたものを用いてもよい。また、適当な高分子有機化合物の主鎖中や側鎖に、上記低分子有機化合物を組み込んだ材料を用いてもよい。バインダ材料あるいは主鎖となる高分子有機化合物としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルフェノール樹脂、ポリエステル樹脂、変性エーテル型ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂、フェノキシ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、セルロース樹脂、尿素樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂などや、これらの共重合体や架橋体、あるいは、ポリビニルカルバゾールやポリシランなどの光導電性ポリマーなどが用いられる。

有機半導体層の形成方法として、有機半導体層を構成する材料にもよるが、真空蒸着法やスパッタリング法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、各種の化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、スピンコート法； スクリーン印刷法やインクジェット印刷法などの印刷法；エアドクタコーター法、ブレードコーター法、ロッドコーター法、ナイフコーター法、スクイズコーター法、リバースロールコーター法、トランスファーロールコーター法、グラビアコーター法、キスコーター法、キャストコーター法、スプレーコーター法、スリットオリフィスコーター法、カレンダーコーター法、浸漬法などの各種コーティング法、スプレー法等を挙げることができる。

また、本発明におけるゲート電極を構成する材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）等の金属、これらの金属元素を含む合金、これらの金属から成る導電性粒子、あるいは、これらの金属を含む合金の導電性粒子を挙げることができる。また、透明な電極に形成する場合、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）やフッ素ドープされた酸化スズ、酸化亜鉛および酸化錫などの金属酸化物が用いられる。更には、上述した各種の導電性高分子を挙げることもできる。電極材料は、半導体層との間の電気的性質（ オーミック性やショットキー性など）によっても選択される。ゲート電極は、ゲート電極を構成する材料にもよるが、真空蒸着法やスパッタリング法に例示されるＰＶＤ法とエッチング技術との組合せ、各種のＣＶＤ法とエッチング技術との組合せ、スピンコート法とエッチング技術との組合せ、導電性ペーストや上述した各種の導電性高分子の溶液を用いたスクリーン印刷法やインクジェット印刷法といった印刷法、リフトオフ法、シャドウマスク法、上述した各種コーティング法とエッチング技術との組合せ及び、スプレー法とエッチング技術との組合せを挙げることができる。

本発明における基板としては、各種ガラス基板や、表面に絶縁層が形成された各種ガラス基板、石英基板、表面に絶縁層が形成された石英基板、表面に絶縁層が形成されたシリコン基板を挙げることができる。さらには、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミドに例示される高分子材料から構成されたプラスチックフィルムやプラスチックシート、プラスチック基板を挙げることができる。このような可撓性を有する高分子材料から構成された基板を使用すれば、例えば曲面形状を有するディスプレイ装置や電子機器への電界効果型トランジスタの組込みあるいは一体化が可能となる。

本発明の製造方法は、上記本発明の有機トランジスタを製造することができる方法であり、基板上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極及び基板上にフルオロカーボン膜を形成する工程と、ゲート電極上のフルオロカーボン膜の上にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜の上に有機半導体層を形成する工程と、有機半導体層と接するようにドレイン電極及びソース電極を形成する工程とを備えることを特徴としている。

本発明に製造方法によれば、上記本発明の有機トランジスタを効率良く生産することができる。従って、有機ゲート絶縁膜の密着性が高く、トランジスタ特性に優れた有機トランジスタを効率良く製造することができる。

本発明によれば、有機ゲート絶縁膜の密着性を高めることをでき、トランジスタ特性を向上させることができる。

以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明に従う一実施形態の有機トランジスタを示す断面図である。本実施形態は、縦型の電界効果トランジスタの実施形態である。

図１に示すように、絶縁性のガラス基板１の上には、アルミニウムからなるゲート電極２（高さ１μｍ、幅１０μｍ）が形成されている。このゲート電極２は、図１に示すように、基板１の上に凸部を形成している。ゲート電極２は、蒸着法またはスパッタリング法などによりアルミニウム金属膜を形成し、このアルミニウム金属膜を、レジストのマスクを用い、ウェットエッチングでパターニングすることにより形成することができる。

ゲート電極２を形成した後、イソプロパノール（ＩＰＡ）中で超音波洗浄した。

次に、図１に示すように、基板１及びゲート電極２の上にフルオロカーボン膜３を形成する。フルオロカーボン膜３は、ロータリポンプを使用して、チャンバー内を５０ｍＴｏｒｒの圧力まで排気し、その後、チャンバー内にＣＨＦ_３ガスを５０ｓｃｃｍで導入し、チャンバー内の圧力を１３０ｍＴｏｒｒに調整し、ＲＦ１００Ｗでプラズマ重合することにより形成した。フルオロカーボン膜３の厚みは、２０ｎｍであった。

以上のようにして、フルオロカーボン膜３を、ゲート電極２の上面２ａ、及び側面２ｂ及び２ｃ、並びに基板１の上に形成した。次に、このようにして形成したフルオロカーボン膜３の上に、ゲート絶縁膜４を形成した。ゲート絶縁膜４は、パリレンＣを蒸着重合することにより形成した。ゲート絶縁膜４の厚みは、２５０ｎｍであった。

次に、ゲート絶縁膜４の上に、基板１を回転させながら蒸着法により、金の薄膜を厚さ１００ｎｍとなるように形成した。また、チャネル幅が３ｍｍとなるようにマスクを用いて成膜した。

次に、ゲート電極２の側面２ｂ及び２ｃ上のゲート絶縁膜４に付着した金の蒸着膜をエッチングにより除去した。エッチャント液としては、関東化学社製ＡＵＲＵＭ３０２を用いた。このエッチェングにより、金の蒸着膜をパターンニングし、図１に示すように第１の電極５、第２の電極６及び第３の電極７を形成した。第１の電極５は、ゲート電極２の上面２ａ上のゲート絶縁膜４の上に形成されている。第２の電極６は、ゲート電極２の側面２ｂの下方の基板１上のゲート絶縁膜４の上に形成されている。第３の電極７は、ゲート電極２の側面２ｃの下方の基板１の上のゲート絶縁膜４の上に形成されている。

次に、図１に示す有機半導体層８を、ペンタセンを用い、基板を回転させながら１２０ｎｍの厚みとなるように蒸着法により形成した。有機半導体層８は、ゲート電極２の側面２ｂ及び２ｃ上のゲート絶縁膜４を覆うように形成する必要があるので、図７に示す装置を用いて形成した。

図７は、有機半導体層８を形成するための装置を示す模式図である。図７に示すように基板１を所定の角度となるように傾斜してセットし、蒸着源２１を基板１の中心から離した場所に設置する。蒸着源２１と、基板１のゲート電極２の側面が垂直と近い角度となるようにすることにより、ゲート電極２の側面に成膜することができる。また、基板１と蒸着源２１との距離とを短くすることにより、さらに角度をつけることも可能である。ゲート電極２の両側の側面に蒸着する場合には、基板１の角度を変えて２回蒸着する必要がある。片方の側面にのみ蒸着する場合には、１回でよい。

図８は、有機半導体層８を蒸着する他の装置の例を示す模式図である。図８に示す装置では、蒸着チャンバー２０内において、基板１を水平方向にセットし、基板１を回転しながら蒸着を行う。蒸着源２１は、図７に示す装置と同様に、基板１の中心から離した場所に設置する。基板１を回転しながら蒸着するので、ゲート電極２の両側の側面に蒸着させることができ、１回の蒸着で、ゲート電極の両側面への蒸着が可能となる。

本実施例では、有機半導体層８を、真空蒸着法により形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、スピンコート法、スプレーコート法、ブレートコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法などの塗布方法、及び印刷やインクジェット等のパターニングなどのウェットプロセスによっても有機半導体層８を形成することができる。

以上のようにして、有機半導体層８をゲート電極２の側面２ｂ及び２ｃのゲート絶縁膜４の上に形成することにより、有機トランジスタを完成させることができる。

図１に示す有機トランジスタにおいて、第１の電極５をフローティング電極とする場合、第２の電極６及び第３の電極７のうちの一方をソース電極とし、他方の電極をドレイン電極とする。これにより、第１の電極５の端部５ａと第２の電極６の端部６ａの間、及び第１の電極５の端部５ｂと第３の電極７の端部７ａの間の領域が、チャネル領域となる。

また、第１の電極５をソース電極及びドレイン電極の一方の電極とする場合、第２の電極６または第３の電極７をドレイン電極及びソース電極のうちの他方の電極とすることにより、第１の電極５の端部５ａまたは５ｂと第２の電極６の端部６ａまたは第３の電極７の端部７ａとの間をチャネル領域とすることができる。ゲート電極２の側面２ｂ及び２ｃのうちの一方においてチャネル領域を形成しない場合には、チャネル領域を形成しない側において、第１の電極５と第２の電極６または第３の電極７とを連続して形成し、一体化した電極としてもよい。

［密着性の評価］
フルオロカーボン膜の厚みと密着性との関係について検討するため、成膜時間を調整することにより、フルオロカーボン膜の厚みを１０ｎｍ、２５ｎｍ、３５ｎｍ、４５ｎｍ、１１０ｎｍ、１６０ｎｍ及び３４０ｎｍに変化させる以外は、実施例１と同様にして有機トランジスタを作製した。また、フルオロカーボン膜を形成せずに、基板１上にゲート絶縁膜４を形成した有機トランジスタについても作製した。

上記のようにして作製した有機トランジスタにおける基板とフルオロカーボン膜の剥離状態、フルオロカーボン膜とゲート絶縁膜の剥離状態を評価し、評価結果を表１に示した。また、実施例１のフルオロカーボン膜の厚さ２０ｎｍについても評価し、評価結果を表１に示した。

表１に示すように、フルオロカーボン膜の厚みを１０ｎｍ以上とすることにより、フルオロカーボン膜とゲート絶縁膜の剥離が抑制されることがわかった。また、フルオロカーボン膜の厚みを２０ｎｍ以上とすることにより、基板とフルオロカーボン膜の剥離が抑制されることがわかった。

以上のことから、フルオロカーボン膜の厚みは、１０ｎｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは２０ｎｍ以上であることがわかった。

［オフ電流の評価］
（実施例２）
フルオロカーボン膜の厚みを１０ｎｍとする以外は、実施例１と同様にして作製した有機トランジスタを実施例２の有機トランジスタとした。

（比較例１）
フルオロカーボン膜を形成せずに、基板１の上に直接ゲート絶縁膜４を形成したものを比較例１の有機トランジスタとした。

（比較例２）
基板１の上にゲート絶縁膜４を形成し、ゲート絶縁膜４の上にフルオロカーボン膜３を形成する以外は、実施例１と同様にして有機トランジスタを作製した。この有機トランジスタを比較例２とした。従って、比較例２の有機トランジスタにおいては、フルオロカーボン膜３とゲート絶縁膜４が実施例１と逆の順序に積層されている。なお、フルオロカーボン膜の厚みは、２０ｎｍである。

実施例１、実施例２、比較例１、及び比較例２の有機トランジスタについて、オフ電流を測定した。測定結果を図９に示す。

図９に示すように、実施例１では、比較例１に比べ、オフ電流は約１／２０に低下した。これは、ゲート電極２と有機半導体層８との間に介在する絶縁膜がフルオロカーボン膜３とゲート絶縁膜４の２層構造になることによりピンホールなどがなくなったことによるものと考えられる。ピンホールの減少は、フルオロカーボン膜３とゲート絶縁膜４の２層構造にすることによる絶縁膜の膜厚の増加と、ゲート絶縁膜４の下地層をフルオロカーボン膜３とし、疎水性にすることにより、ゲート絶縁膜４の膜成長が均一に行われたためであると考えられる。比較例２に示すように、ゲート絶縁膜４とフルオロカーボン膜３の順序を入れ換えた比較例２では、ドレイン電流が低下し、図９に示すようにオフ電流が比較例１に比べ約９０倍増加している。これは、フルオロカーボン膜を成膜するときのプラズマダメージにより、ゲート絶縁膜４に劣化やピンホールが生じたためと考えられる。

また、実施例２においては、フルオロカーボン膜の厚みを１０ｎｍにしているが、比較例１に比べ、オフ電流は、約１／８に低下している。この結果から、オフ電流の低減には、フルオロカーボン膜の膜厚が１０ｎｍ以上であればよいことがわかる。

［集積化による効果確認］
図２に示す４５０μｍ×４５０μｍ画素のアクティブ型ディスプレイ用基板に、本発明の有機トランジスタを用いた。

図２に示すように、縦方向に電源線１０及び信号線１１が平行して設けられており、電源線１０の上には、層間絶縁膜１５が設けられ、信号線１１の上には、層間絶縁膜１４が設けられ、この層間絶縁膜１４及び１５の上に横方向に伸びる走査線１３が設けられている。電源線１０及び信号線１１と走査線１３により囲まれる画素内には、ゲート電極２、透明電極１６、及び保持容量電極１７が設けられている。

図２に示すように層間絶縁膜１４には、コンタクトホール１４ａが形成され、このコンタクトホール１４ａを通り、層間絶縁膜１４の下の信号線１１と接続可能なようにされている。

また、層間絶縁膜１５には、コンタクトホール１５ａが形成されており、このコンタクトホール１５ａを通り、層間絶縁膜１５の下の電源線１０と接続可能なようにされている。

図３は、図２に示す配線構造の上に、縦型の有機トランジスタを形成した状態を示す平面図である。

図３に示すように２つの縦型有機トランジスタ３０及び３１が形成されている。有機トランジスタ３０は、走査線１３をゲート電極とし、走査線１３の上にフルオロカーボン膜及びゲート絶縁膜を介して設けたフローティング電極２０と、ソース電極１８とドレイン電極１９から構成されている。ソース電極１８は、層間絶縁膜１４のコンタクトホール１４ａを介して、信号線１１と接続されている。ドレイン電極１９は、ゲート電極２の上のフルオロカーボン膜及びゲート絶縁膜に形成されたコンタクトホール２ａを介して，ゲート電極２と接続されており、さらに下方に延びて保持容量電極１７との間で保持容量を形成している。

また、有機トランジスタ３１は、ゲート電極２と、ゲート電極２の上にフルオロカーボン膜及びゲート絶縁膜を介して設けられたフローティング電極５と、ソース電極７と、ドレイン電極６から構成されている。ソース電極７は、層間絶縁膜１５に形成されたコンタクトホール１５ａを介してその下方の電源線１０と接続されている。ドレイン電極６は、透明電極１６と接続されている。

図４は、図２に示すａ−ａ線に沿う断面図であり、縦型の有機トランジスタを形成する工程を示している。

図４（ａ）に示すように、基板１の上には電源線１０及びゲート電極２が形成されている。

次に、図４（ｂ）に示すように、ゲート電極２及び電源線１０を覆うように、フルオロカーボン膜３及びゲート絶縁膜４がこの順序で形成される。電源線１０上のフルオロカーボン膜３及びゲート絶縁膜４が、図２及び図３に示す層間絶縁膜１５となる。

次に、図４（ｃ）に示すように、電源線１０上の層間絶縁膜、すなわちフルオロカーボン膜３及びゲート絶縁膜４を取り除くことにより、コンタクトホール１５ａが形成される。

次に、図４（ｄ）に示すように、全体を覆うように電極膜２３が形成される。

次に、図４（ｅ）に示すように、電極膜２３がパターニングされる。これにより、ゲート電極２の側面２ｂ及び２ｃ上のゲート絶縁膜の上に付着している電極膜２３が除去される。これによって、フローティング電極５、ドレイン電極６、ソース電極７が形成される。

次に図４（ｆ）に示すように、ゲート電極２の側面２ｂ及び２ｃ上のゲート絶縁膜４を覆うように有機半導体層８が形成される。

以上のようにして、縦型の有機トランジスタが形成される。

図３に示す有機トランジスタ３０も、図４と同様にして形成することができる。

以上のように、フルオロカーボン膜３を形成し、このフルオロカーボン膜３の上にゲート絶縁膜４を形成した本発明に従う実施例では、電源線１０や信号線１１の上の層間絶縁膜、すなわちフルオロカーボン膜及びゲート絶縁膜を除去してパターニングしても、このパターニングによるゲート絶縁膜の剥れや浮きは認められなかった。このため、この実施例のトランジスタのことを確認することができた。

比較として、上記比較例１のように、フルオロカーボン膜３を形成せずに、直接ゲート絶縁膜４をゲート電極２の上に形成した。この比較例では、ゲート絶縁膜をパターニングしてコンタクトホールを形成する際、ゲート絶縁膜４の剥れや浮きが多く見られた。この比較例のトランジスタは、正常に駆動させることができなかった。

以上のことから、本発明に従い、フルオロカーボン膜を形成し、このフルオロカーボン膜の上にゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜をパターニングする際に、ゲート絶縁膜の剥れや浮きを防止することができ、良好なトランジスタ特性を有するトランジスタを形成できることが確認された。

上記実施例では、チャネル領域が縦方向である縦型有機トランジスタを例にして説明したが、本発明は縦型のトランジスタに限定されるものではなく、チャネル領域が基板の表面に対して略平行な方向である横方向に形成された横型のトランジスタにも適用することができる。

図５は、本発明を横型トランジスタに適用した場合の実施例を示す断面図である。図５に示すように、基板１の上にはゲート電極２が形成されており、ゲート電極２の上及び基板１の上にフルオロカーボン膜３が形成されている。このフルオロカーボン膜３の上にゲート絶縁膜４が形成されている。ゲート電極２を挟み、その両側のゲート絶縁膜４の上に、第１のソース／ドレイン電極３６と、第２のソース／ドレイン電極３７が形成されている。ゲート電極２の上には、フルオロカーボン膜３及びゲート絶縁膜４を介して有機半導体層８が形成されており、第１のソース／ドレイン電極３６と第２のソース／ドレイン電極３７の間の有機半導体層８に、チャネル領域が形成されている。

図６は、本発明を横型トランジスタに適用した他の実施例を示す断面図である。

図６に示すように、基板１の上にはゲート電極２が設けられており、ゲート電極２及び基板１を覆うように、フルオロカーボン膜３が形成され、フルオロカーボン膜３の上にゲート絶縁膜４が形成されている。

本実施例では、ゲート絶縁膜４の全体の上に有機半導体層８が設けられている。有機半導体層８の上には、ゲート電極２を挟んで対向するように第１のソース／ドレイン電極３６と第２のソース／ドレイン電極３７が設けられている。第１のソース／ドレイン電極３６と第２のソース／ドレイン電極３７の間の有機半導体層８にチャネル領域が形成されている。

図５及び図６に示す横型トランジスタの場合においても、ゲート絶縁膜４の密着性を高めることができ、トランジスタ特性を向上させることができる。

本発明に従う一実施形態の縦型トランジスタを示す断面図。 本発明に従う実施例におけるアクティブ型ディスプレイ用基板において、縦型トランジスタを形成する前の状態を示す平面図。 本発明に従う実施例におけるアクティブ型ディスプレイ用基板において、縦型トランジスタを形成した後の状態を示す平面図。 図２に示すａ−ａ線に沿う断面図であり、縦型トランジスタを製造する工程を示す断面図。 本発明に従う他の実施形態の横型トランジスタを示す断面図。 本発明に従うさらに他の実施形態の横型トランジスタを示す断面図。 本発明の実施例において有機半導体層を蒸着法により形成する装置の一例を示す模式図。 本発明の実施例において有機半導体層を蒸着法により形成する装置の他の例を示す模式図。 本発明に従う実施例及び比較例のオフ電流の相対比を示す図。

符号の説明

１…基板
２…ゲート電極
２ａ…ゲート電極の上面
２ｂ，２ｃ…ゲート電極の側面
３…フルオロカーボン膜
４…ゲート絶縁膜
５…第１の電極（フローティング電極）
５ａ…端部
５ｂ…端部
６…第２の電極（ドレイン電極）
６ａ…端部
７…第３の電極（ソース電極）
７ａ…端部
８…有機半導体層
１０…電源線
１１…信号線
１３…走査線
１４，１５…層間絶縁膜
１４ａ，１５ａ…コンタクトホール
１６…透明電極
１７…保持容量電極
１８…ソース電極
１９…ドレイン電極
２０…蒸着チャンバー
２１…蒸着源
２２…フローティング電極
２３…電極膜
３０…有機トランジスタ
３１…有機トランジスタ
３６…第１のソース／ドレイン電極
３７…第２のソース／ドレイン電極

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられるゲート電極と、
   前記ゲート電極上に設けられる有機材料からなるゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に設けられる有機半導体層と、
   前記有機半導体層にチャネル領域を形成するため前記有機半導体層に接するように設けられるドレイン電極及びソース電極とを備え、
   前記ゲート絶縁膜が、前記ゲート電極上に設けられたフルオロカーボン膜の上に形成されていることを特徴とする有機トランジスタ。
2. 前記チャネル領域が、前記基板の表面に対して略垂直方向である縦方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機トランジスタ。
3. 前記ゲート電極が前記基板上に凸部を形成する電極形状を有し、前記ゲート絶縁膜が前記凸部の上面及び側面上に形成され、前記有機半導体層が前記凸部の前記側面上の前記ゲート絶縁膜の上に少なくとも形成され、前記凸部の前記上面上の前記ゲート絶縁膜の上に設けられた第１の電極と、前記凸部の前記側面の下方の前記基板上に設けられた第２の電極との間で前記チャネル領域が形成されており、前記第１の電極が前記ドレイン電極及び前記ソース電極のうちの一方の電極またはフローティング電極であり、前記第２の電極が前記ドレイン電極及び前記ソース電極のうちの他方の電極であることを特徴とする請求項２に記載の有機トランジスタ。
4. 前記第１の電極が前記フローティング電極である場合において、前記凸部の前記側面と対向する側面の下方における前記基板上に第３の電極が設けられており、前記第３の電極が前記ドレイン電極及び前記ソース電極のうちの一方の電極であることを特徴とする請求項３に記載の有機トランジスタ。
5. 前記チャネル領域が、前記基板の表面に対して略平行な方向である横方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機トランジスタ。
6. 前記フルオロカーボン膜の厚みが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
7. 前記フルオロカーボン膜が、前記基板の表面及び前記ゲート電極の上に連続的に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の有機トランジスタ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の有機トランジスタを製造する方法であって、
   前記基板上に前記ゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極及び前記基板上に前記フルオロカーボン膜を形成する工程と、
   前記ゲート電極上の前記フルオロカーボン膜の上に前記ゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜の上に前記有機半導体層を形成する工程と、
   前記有機半導体層と接するように前記ドレイン電極及び前記ソース電極を形成する工程とを備えることを特徴する有機トランジスタの製造方法。

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