(57)【要約】【課題】漏洩電流を最小化することができ、高い電界効果移動度と低いターンオン電圧を有する有機薄膜トランジスタを提供する。【解決手段】前記有機薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）基板の上部にゲート電極を形成した後、上部面の全体にゲート絶縁層を形成するステップと、（ｂ）前記ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御した後、前記ゲート絶縁層の上部に有機半導体物質を用いて半導体チャネル層を形成するステップと、（ｃ）前記半導体チャネル層の上部にソース電極及びドレイン電極を形成するステップとを含む。【選択図】図３ｄ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板の上部にゲート電極を形成した後、上部面の全体にゲート絶縁層を形成するステップと、
（ｂ）前記ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御した後、前記ゲート絶縁層の上部に有機半導体物質を用いて半導体チャネル層を形成するステップと、
（ｃ）前記半導体チャネル層の上部にソース電極及びドレイン電極を形成するステップと
を含む表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記（ｂ）半導体チャネル層を形成するステップは、前記ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御するために、前記ゲート絶縁層の表面に所定時間、紫外線を照射するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記（ｂ）半導体チャネル層を形成するステップは、前記ゲート絶縁層の表面に所定時間、紫外線を照射し、前記ゲート絶縁層の極性が前記半導体チャネル層と同一の極性に変化されるようにするステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記（ｂ）半導体チャネル層を形成するステップは、前記ゲート絶縁層の表面に所定時間、紫外線を照射し、前記ゲート絶縁層と前記半導体チャネル層との表面エネルギーの差異が１乃至１０ｄｙｎ／ｃｍ2以下になるようにするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記ゲート絶縁層は、無機物または有機物からなることを特徴とする請求項１に記載の表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記半導体チャネル層は、無機物または有機物からなることを特徴とする請求項１に記載の表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記（ｂ）半導体チャネル層を形成するステップは、前記ゲート絶縁層と前記半導体チャネル層との間に３次元に整列されようとする性質を有するオクタデシルトリクロロシラン（octadecyltrichlorosilane：OTS）またはヘキサメチルジシラザン（Hexamethyldisilazane：HMDS）をスピンコーティングし、自己整列層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法に関し、より詳細には、ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御し、漏洩電流の発生を最小化することができ、高い電界効果移動度と低いターンオン電圧を有する有機薄膜トランジスタを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機薄膜トランジスタは、１層以上の薄膜が有機物からなる素子であって、低温工程が可能であり、プラスチックなどの軽量且つ可撓性の基板を使用することができ、生産コストが低い長点を有していて、次世代の電子素子技術として多くの関心を寄せている。特に、ディスプレイ分野において薄型及び軽量のディスプレイに対する要求が増大するにしたがって、柔軟性ある有機薄膜トランジスタ素子及びアレイ技術に対する関心がますます増加している。
【０００３】
図１ａ及び図１ｂは、ボトムゲート構造の有機薄膜トランジスタの構成を示す図であり、図１ａは、上部コンタクト型構造を示し、図１ｂは、下部コンタクト型構造を示す。
【０００４】
このように構成された有機薄膜トランジスタの電気的な特性は、ゲート絶縁層１３０と半導体チャネル層１５０との間の界面特性に大きい影響を受けるようになり、特に漏洩電流、電界効果移動度、ターンオン電圧などを決定づける非常に重要な役目をする。
【０００５】
したがって、ゲート絶縁層１３０の特性によってその上に蒸着される半導体チャネル層１５０の成長過程と薄膜特性に大きい影響を及ぼすので、ゲート絶縁層１３０と半導体チャネル層１５０との間の界面特性が非常に重要である。
【０００６】
これにより、半導体チャネル層１５０が蒸着される表面をプラズマ処理して改質する方法、または、３次元に整列されようとする性質を有する自己整列層（ＳＡＭ：Self-Assembled Monolayer）を形成し、その上に蒸着される半導体チャネル層１５０の特性を向上させる方法が開示されている。
【０００７】
しかし、未だに有機薄膜トランジスタは、漏洩電流、電界効果移動度、ターンオン電圧、耐久性の面において実用化要求水準まで到逹せず、商用化が一部分に制限されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第6,946,676号明細書
【特許文献２】米国特許第7,132,678号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開2007/0087489号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明は、前述したような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、漏洩電流を最小化することができ、高い電界効果移動度と低いターンオン電圧を有する有機薄膜トランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明による表面エネルギー制御を利用した有機薄膜トランジスタの製造方法は、（ａ）基板の上部にゲート電極を形成した後、上部面の全体にゲート絶縁層を形成するステップと、（ｂ）前記ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御した後、前記ゲート絶縁層の上部に有機半導体物質を用いて半導体チャネル層を形成するステップと、（ｃ）前記半導体チャネル層の上部にソース電極及びドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御するために、前記ゲート絶縁層の表面に所定時間、紫外線を照射することが好ましい。前記ゲート絶縁層の表面に所定時間、紫外線を照射すれば、前記ゲート絶縁層の極性が上部に形成される半導体チャネル層と同一の極性に変化し、前記ゲート絶縁層と前記半導体チャネル層との表面エネルギーの差異が１乃至１０ｄｙｎ／ｃｍ2以下になる。したがって、ゲート絶縁層の上部に半導体チャネル層が一層良好に成長することができるようになり、前記ゲート絶縁層と半導体チャネル層との界面特性が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ゲート絶縁層の表面エネルギーを制御することによって、ゲート絶縁層と半導体チャネル層との界面特性が向上し、これにより、漏洩電流の発生を最小化することができ、高い電界効果移動度と低いターンオン電圧を有する有機薄膜トランジスタを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１ａ】ボトムゲート構造の有機薄膜トランジスタの構成を示す図である。
【図１ｂ】ボトムゲート構造の有機薄膜トランジスタの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための流れ図である。
【図３ａ】本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図３ｂ】本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図３ｃ】本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図３ｄ】本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図４】従来の有機薄膜トランジスタと本発明による有機薄膜トランジスタの電界効果移動度を測定した結果を示す図である。
【図５】従来の有機薄膜トランジスタと本発明による有機薄膜トランジスタのドレイン電流を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための流れ図である。
【図７ａ】本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図７ｂ】本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図７ｃ】本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図７ｄ】本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【図８】本発明によって製造された下部コンタクト型構造の有機薄膜トランジスタを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。しかし、後述する実施例は、様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が後述する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当分野における通常の知識を有する者に本発明を一層完全に説明するために提供されるものである。なお、実施例において、同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。膜または領域の大きさまたは厚さは、明細書の明確性のために誇張されたものである。
【００１５】
（第１の実施例）
図２は、本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための流れ図であり、図３ａ乃至図３ｄは、本発明の第１の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【００１６】
以下、図２の流れ図に基づいて図３ａ乃至図３ｄの製造工程を説明する。まず、図３ａを参照すれば、基板１１０上にチタニウム（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）を順次に蒸着した後、リソグラフィ工程でパターニングし、ゲート電極１２０を形成した後、上部面の全体にゲート絶縁層１３０を形成する（Ｓ２１０）。
【００１７】
ここで、基板１１０としては、シリコン単結晶、透明ガラス、透明なプラスチックなどを使用するが、ｐ型トランジスタの場合、ｎ型イオンがドーピングされた基板を使用する。また、ゲート絶縁層１３０は、オルトケイ酸テトラエチル（Tetraethyl Orthosilicate：TEOS）のような無機物、またはポリイミド、アクリル系物質のような有機物を３０００Åの厚さで蒸着して形成する。
【００１８】
次に、図３ｂを参照すれば、ゲート絶縁層１３０の表面に所定時間、紫外線を照射する（Ｓ２２０）。この際、紫外線の照射時間及び出力パワーは、実施例によって当業者が当然に変更可能である。
【００１９】
このようにゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射すれば、ゲート絶縁層１３０上でピンホールの発生が抑制され、表面荒さが向上し、これにより、ゲート絶縁層１３０と上部に形成される半導体チャネル層１５０との接触角の差異が小さくなる。
【００２０】
また、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線が照射されることによって、紫外線による化学反応によってゲート絶縁層１３０の極性が上部に形成される半導体チャネル層１５０と同一の極性に変化する。これについてさらに詳しく説明すれば、次の通りである。
【００２１】
まず、親水性を示すゲート絶縁層１３０の上部に疎水性を示す半導体チャネル層１５０を形成する場合、界面での接着力が問題になる。
【００２２】
しかし、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射した後、上部に半導体チャネル層１５０を形成する場合、ゲート絶縁層１３０の極性が親水性から疎水性に変化し、これにより、これら２層の表面エネルギーの差異が１〜１０ｄｙｎ／ｃｍ2程度と小さくなるようになる。
【００２３】
すなわち、本発明では、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射し、ゲート絶縁層１３０の表面エネルギーを制御することによって、ゲート絶縁層１３０の上部に半導体チャネル層１５０が一層良好に成長することができるようにし、これにより、ゲート絶縁層１３０と半導体チャネル層１５０との界面特性が向上する。
【００２４】
したがって、本発明によれば、ゲート絶縁層１３０と半導体チャネル層１５０との界面特性が向上することによって、漏洩電流の発生が最小化されると共に、電界効果移動度が大きく改善される。これについてさらに詳しく説明すれば、次の通りである。
【００２５】
図４は、従来の有機薄膜トランジスタと本発明による有機薄膜トランジスタの電界効果移動度を測定した結果を示す図であり、ゲート絶縁層としては、オルトケイ酸テトラエチル（Tetraethyl Orthosilicate：TEOS）を使用した。図４で、サンプル１は、従来の有機薄膜トランジスタ、サンプル２は、ゲート絶縁層の表面に紫外線を照射して得られた本発明の有機薄膜トランジスタ、サンプル３は、絶縁層の表面に紫外線を照射した後、自己整列層を塗布した本発明の有機薄膜トランジスタをそれぞれ示す。
【００２６】
図４から分かるように、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射して得られた本発明の有機薄膜トランジスタは、従来の有機薄膜トランジスタと比較して電界効果移動度が大きく改善されたことが分かり、自己整列層を塗布することによって、電界効果移動度をさらに向上させることもできる。
【００２７】
一方、ゲート絶縁層１３０と半導体チャネル層１５０との界面特性が向上することによって、ターンオン電圧が低くなって低電力駆動が可能になる。これについてさらに詳しく説明すれば、次の通りである。
【００２８】
図５は、従来の有機薄膜トランジスタと本発明による有機薄膜トランジスタのドレイン電流を示す図であり、ゲート絶縁層としては、ポリイミドを使用した。図５で、点線は、従来の有機薄膜トランジスタのドレイン電流を示し、実線は、本発明による有機薄膜トランジスタのドレイン電流を示す。
【００２９】
図５から分かるように、ゲート絶縁層の表面に紫外線を照射して得られた本発明の有機薄膜トランジスタは、従来の有機薄膜トランジスタと比較してドレイン電流が約６倍程度増加することが分かり、これにより、電界効果移動度が増加し、ターンオン電圧が減少し、低電力駆動が可能になる効果を得ることができる。
【００３０】
次に、図３ｃを参照すれば、紫外線の照射工程が施されたゲート絶縁層１３０の上部に半導体チャネル層１５０を形成する（Ｓ２３０）。
【００３１】
ここで、半導体チャネル層１５０は、有機単分子半導体物質や有機高分子半導体物質からなることが好ましい。具体的に、ｐ型有機単分子半導体物質としては、ペンタセン、アルファ−６Ｔ（alpha-sexithiophene）などを使用することができ、ｎ型有機単分子半導体物質としては、Ｆ１６ＣｕＰｃ（hexadecafluoro  copper phthalocyanine）などを使用することができ、ｐ型有機高分子半導体物質としては、Ｐ３ＨＴ（poly（3-hexylthiophene））、Ｐ３ＯＴ（poly（3-octylthiophene））、Ｐ３ＡＴ（poly（3-alkylthiophene））などを使用することができる。
【００３２】
次に、図３ｄを参照すれば、半導体チャネル層１５０の上部にイオンビーム蒸着法でチタニウム（Ｔｉ）を５０Åの厚さで蒸着し、熱蒸着法で金(Ａｕ)を１０００Åの厚さで蒸着した後、リソグラフィ工程でパターニングし、ソース電極１６０及びドレイン電極１７０をそれぞれ形成する（Ｓ２４０）。
【００３３】
すなわち、前述のような工程により製造された本発明の有機薄膜トランジスタは、紫外線照射工程を通じてゲート絶縁層１３０と半導体チャネル層１５０との界面特性が向上し、これにより、漏洩電流の発生を最小化することができると共に、電界効果移動度が大きく改善され、ターンオン電圧を低減することができる効果を有するようになる。
【００３４】
（第２の実施例）
図６は、本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を説明するための流れ図であり、図７ａ乃至図７ｄは、本発明の第２の実施例による有機薄膜トランジスタの製造方法を工程別に示す断面図である。
【００３５】
以下、図６の流れ図に基づいて図７ａ乃至図７ｄの製造工程を説明する。まず、図７ａを参照すれば、基板１１０上にチタニウム（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）を順次に蒸着した後、リソグラフィ工程でパターニングし、ゲート電極１２０を形成した後、上部面の全体にゲート絶縁層１３０を形成する（Ｓ６１０）。
【００３６】
ここで、基板１１０としては、シリコン単結晶、透明ガラス、透明なプラスチックなどを使用するが、ｐ型トランジスタの場合、ｎ型イオンがドーピングされた基板を使用する。また、ゲート絶縁層１３０は、オルトケイ酸テトラエチル（Tetraethyl Orthosilicate：TEOS）のような無機物、またはポリイミド、アクリル系物質のような有機物を３０００Åの厚さで蒸着して形成する。
【００３７】
次に、図７ｂを参照すれば、ゲート絶縁層１３０の表面に所定時間、紫外線を照射する（Ｓ６２０）。この時、紫外線の照射時間及び出力パワーは、実施例によって当業者が当然に変更可能である。
【００３８】
次に、図７ｃを参照すれば、紫外線の照射工程が施されたゲート絶縁層１３０の上部に３次元に整列されようとする性質を有するオクタデシルトリクロロシラン（octadecyltrichlorosilane：OTS）、ヘキサメチルジシラザン（Hexamethyldisilazane：HMDS）などをスピンコーティングし、自己整列層（self-assembled monolayer）１４０を形成する（Ｓ６３０）。
【００３９】
次に、自己整列層１４０の上部に半導体チャネル層１５０を形成する（Ｓ６４０）。
【００４０】
このように自己整列層１４０を形成し、上部に半導体チャネル層１５０を形成する場合、自己整列層１４０の３次元に整列されようとする性質によってその上に形成される半導体チャネル層１５０が一層良好に成長され、且つ自己整列層１４０と半導体チャネル層１５０との界面特性が向上する。
【００４１】
ここで、半導体チャネル層１５０を形成する前に、自己整列層１４０の表面に紫外線を照射し、自己整列層１４０と半導体チャネル層１５０との界面特性を向上させることも可能である。
【００４２】
次に、図７ｄを参照すれば、半導体チャネル層１５０の上部にイオンビーム蒸着法でチタニウム（Ｔｉ）を５０Åの厚さで蒸着し、熱蒸着法で金（Ａｕ）を１０００Åの厚さで蒸着した後、リソグラフィ工程でパターニングし、ソース電極１６０及びドレイン電極１７０をそれぞれ形成する（Ｓ６５０）。
【００４３】
すなわち、前述のような工程により製造された本発明の有機薄膜トランジスタは、ゲート絶縁層１３０の表面エネルギー制御工程を通じてゲート絶縁層１３０と自己整列層１４０との界面特性が向上する。また、自己整列層１４０によってその上に形成される半導体チャネル層１５０の結晶性が向上しつつ、自己整列層１４０と半導体チャネル層１５０との界面特性も向上する。
【００４４】
したがって、本発明によって製造された有機薄膜トランジスタは、漏洩電流の発生を最小化することができると共に、次の表１のように、電界効果移動度が改善され、ターンオン電圧が低くなる効果を得ることができる。
【００４５】
【表１】
2010034565.tif 000003
【００４６】
表１から分かるように、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射して製造された本発明の有機薄膜トランジスタの場合、従来の有機薄膜トランジスタに比べて電界効果移動度が約７倍程度向上し、素子のスイチング特性を左右するＩon／Ｉoff比率も１００倍程度改善されたことを確認することができる。また、しきい電圧も約１０Ｖ程度低くなり、従来の有機薄膜トランジスタに比べて低電力駆動が可能であることを確認することができる。
【００４７】
一方、上記では、上部コンタクト型構造の有機薄膜トランジスタを例にして説明したが、上記のような紫外線の照射を用いた表面エネルギー制御方式は、下部コンタクト型構造にも同一に適用されることができる。これについて、図８を参照して簡略に説明すれば、次の通りである。
【００４８】
図８は、本発明によって製造された下部コンタクト型構造の有機薄膜トランジスタを示す図である。図８を参照すれば、基板１１０の上部にゲート電極１２０とゲート絶縁層１３０が形成された状態で、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射した後、紫外線が照射されたゲート絶縁層１３０の上部にソース電極１６０及びドレイン電極１７０をそれぞれ形成する。
【００４９】
次に、オクタデシルトリクロロシラン（octadecyltrichlorosilane：OTS）、ヘキサメチルジシラザン（Hexamethyldisilazane：HMDS）などのような自己整列層１４０を形成した後、自己整列層１４０の上部に半導体チャネル層１５０を形成する。
【００５０】
すなわち、このような工程により製造された下部コンタクト型構造の有機薄膜トランジスタも、漏洩電流の発生を最小化することができると共に、電界効果移動度が改善され、ターンオン電圧が低くなる効果を有するようになる。
【００５１】
一方、上記では、ゲート絶縁層１３０の表面に紫外線を照射し、上部に形成される半導体チャネル層１５０または自己整列層１４０との表面エネルギーの差異を最小化して界面特性を向上させるものと説明したが、紫外線を照射する方法以外に他の方法を利用してゲート絶縁層１３０の表面エネルギーを制御することも当然可能である。
【００５２】
以上より、本発明について好ましい実施例を中心にして説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明が本発明の本質的な特性から脱しない範囲内で変形された形態に具現することができることを理解することができるだろう。したがって、開示された実施例は、限定的な観点でなく、説明的な観点で考慮されるべきである。本発明の範囲は、前述の説明でなく、特許請求の範囲に示されており、それと均等の範囲内にあるすべての差異点は、本発明に含まれたものと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００５３】
１１０  基板
１２０  ゲート電極
１３０  ゲート絶縁層
１４０  自己整列層
１５０  半導体チャネル層
１６０  ソース電極
１７０  ドレイン電極
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８】
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