(57)【要約】【課題】本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法、並びにディスプレイ素子を提供する。【解決手段】基板上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極と絶縁され、前記ゲート電極の一部とオーバーラップする半導体層を形成する段階と、前記ゲート電極と半導体層を互いに絶縁させるために、それらの間にＸ機能基を持つシリコンアルコキシドとＹ機能基を持つ金属アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料でゲート絶縁膜を形成する段階と、前記半導体層の両側にソース／ドレイン電極をそれぞれ形成する段階と、を備えてなることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法を提供する。ここで、前記ＸまたはＹは、二重結合または三重結合を持つ機能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれた少なくともいずれか一つとする。【選択図】図２
2008016806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極と絶縁され、前記ゲート電極の一部とオーバーラップする半導体層を形成する段階と、
前記ゲート電極と半導体層を互いに絶縁させるために、それらの間にゾル−ゲル化合物を含むゲート絶縁膜を形成する段階と、
前記半導体層の両側にソース／ドレイン電極をそれぞれ形成する段階と、
を含むことを特徴とする、薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記ゾル−ゲル化合物は、Ｘ官能基を持つ金属アルコキシドとＹ官能基を持つシリコンアルコキシドのゾル化合物を含み、前記Ｘ及びＹ官能基は、二重結合又は三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれる少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記ゾル−ゲル化合物は、前記官能基によって互いに架橋結合することを特徴とする、請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記金属アルコキシドの金属は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記ゾル−ゲル化合物に水またはアルコールの触媒をさらに添加することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって、前記ゾル−ゲル化合物の誘電率、透過度が異なってくることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記ゲート絶縁膜は、プリンティング方法、コーティング法または蒸着法のうちいずれか一の方法で形成することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記ゲート絶縁膜を形成する段階で、硬化工程をさらに行うことを特徴とする、請求項７に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記ゲート電極、半導体層、ゲート絶縁膜及びソース／ドレイン電極を形成する段階は、
前記基板上にゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極を含めた全面にゲート絶縁膜を形成する段階と、
前記ゲート電極上部の前記ゲート絶縁膜上に半導体層を形成する段階と、
前記半導体層上部の両側にソース／ドレイン電極をそれぞれ形成する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記ゲート電極、半導体層、ゲート絶縁膜及びソース／ドレイン電極を形成する段階は、
前記基板上にソース／ドレイン電極をそれぞれ形成する段階と、
前記ソース電極とドレイン電極にオーバーラップするように、前記ソース電極とドレイン電極間に半導体層を形成する段階と、
前記半導体層を含めた全面にゲート絶縁膜を形成する段階と、
前記半導体層上部のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
ディスプレイパネルと、
前記ディスプレイパネルに形成されて、複数個のピクセルを定義するゲート配線及びデータ配線と、
前記ゲート配線に走査信号を印加するゲートドライバ及び前記データ配線にビデオ信号を印加するデータドライバと、
前記各ピクセルに形成され、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体層及びソース／ドレイン電極で構成され、前記ゲート絶縁膜がシリコンと金属を含む有／無機ハイブリッドタイプ物質で形成される薄膜トランジスタと、
を備えることを特徴とする、ディスプレイ素子。
【請求項１２】
前記有／無機ハイブリッドタイプ物質は、ゾル−ゲル化合物であることを特徴とする、請求項１１に記載のディスプレイ素子。
【請求項１３】
前記有／無機ハイブリッドタイプ物質は、Ｘ官能基を持つ金属アルコキシドとＹ官能基を持つシリコンアルコキシドのゾル化合物を含み、前記Ｘ及びＹ官能基は、二重結合又は三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基またはアルキル基より構成される群から選ばれる少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項１１に記載のディスプレイ素子。
【請求項１４】
前記金属アルコキシドの金属は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項１３に記載のディスプレイ素子。
【請求項１５】
前記金属アルコキシドは、７以上の誘電定数を持つ物質を含むことを特徴とする、請求項１３に記載のディスプレイ素子。
【請求項１６】
前記有／無機ハイブリッドタイプ物質は、官能基によって架橋結合することを特徴とする、請求項１３に記載のディスプレイ素子。
【請求項１７】
前記有／無機ハイブリッドタイプ物質は、前記シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって誘電率及び透過度が異なってくることを特徴とする、請求項１３に記載のディスプレイ素子。
【請求項１８】
前記有／無機ハイブリッドタイプ物質の前記シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの量は、同一であることを特徴とする、請求項１７に記載のディスプレイ素子。
【請求項１９】
前記半導体層は、非晶質シリコンであることを特徴とする、請求項１１に記載のディスプレイ素子
【請求項２０】
前記半導体層は、ペンタセン系またはチオフェン系物質であることを特徴とする、請求項１１に記載のディスプレイ素子。
【請求項２１】
ゲート電極と、
前記ゲート電極に一部がオーバーラップし、前記ゲート電極から絶縁された半導体層と、
前記ゲート電極と半導体層間に備えられ、ゾル−ゲル化合物を含むゲート絶縁膜と、
前記半導体層の両側に形成されるソース／ドレイン電極と、
を備えることを特徴とする、薄膜トランジスタ。
【請求項２２】
前記ゾル−ゲル化合物は、Ｘ官能基を持つ金属アルコキシドとＹ官能基を持つシリコンアルコキシドのゾル化合物を含み、前記ＸまたはＹは、二重結合又は三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれる少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項２１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２３】
前記金属アルコキシドの金属は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項２２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２４】
前記ゾル−ゲル化合物は、前記シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって、誘電率及び透過度が異なってくることを特徴とする、請求項２２に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２５】
前記半導体層は、非晶質シリコンであることを特徴とする、請求項２１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２６】
前記半導体層は、ペンタセン系またはチオフェン系物質であることを特徴とする、請求項２１に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項２７】
前記薄膜トランジスタは、ボトム−ゲート型またはトップ―ゲート型であることを特徴とする、請求項２１に記載の薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子（ＬＣＤ）に係り、特に、ゾル−ゲルタイプのゲート絶縁膜を備える場合に、コーティング及び乾燥工程後に絶縁膜表面にクラックができるのを防止することができる薄膜トランジスタ及びその製造方法、並びにディスプレイ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
平板表示素子として最近脚光を浴びている液晶表示素子は、コントラスト比が大きく、階調表示や動画像表示に適合しており、且つ、電力消費が小さいというメリットがあり、活発な研究が行われている。
【０００３】
特に、薄い厚さに作製可能なため、今後、壁掛けＴＶのような超薄形の表示装置に用いられる他、軽量で、電力消費もＣＲＴ（ブラウン管）に比べて格段に少ないため、バッテリーで動作するノートブックコンピュータのディスプレイ、個人携帯電話端末機、ＴＶ、航空用モニタに用いられる等、次世代表示装置として脚光を浴びている。
【０００４】
かかる液晶表示素子は、一般に、ゲート配線及びデータ配線によって定義された各画素領域に、薄膜トランジスタ、画素電極及びストレージキャパシタが形成されたＴＦＴアレイ基板と、カラーフィルタ層及び共通電極が形成されたカラーフィルタ層アレイ基板と、これら両基板間に介在された液晶層と、で構成され、電極に電圧を印加して液晶層の液晶分子を再配列することによって、透過される光の量を調節し画像を表示する。ここで、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、イメージ表示用ディスプレイにおいてスイッチング素子として用いられる。
【０００５】
この薄膜トランジスタは、互いに直交して単位画素領域を定義するゲート配線及びデータ配線の交差地点に形成されて、該当の単位画素領域に対して電流をオン（on）またはオフ（off）させるスイッチング役割を果たし、オン状態では、電流が流れて特定単位画素領域と関連したキャパシタを所望の電圧まで充電（charge）させ、オフ状態では、単位画素領域が次にアドレシング（addressing）されるまで充電状態を維持するようにする。
【０００６】
この時、電圧レベルは、単位画素領域に相応する液晶を介して透過される光量を定めてグレーレベルを決定する。
【０００７】
このような薄膜トランジスタの構造は、ソース電極とゲート電極が一つの平面上に置かれるコプラナー（coplanar）型と、異なる平面上に置かれるスタガード（staggered）型の２種類があり、多結晶シリコンＴＦＴにはコプラナー型構造を適用し、非晶質シリコンＴＦＴにはスタガード型構造を適用する。
【０００８】
スタガード型ＴＦＴは再び、ゲート電極がソース電極とドレイン電極の下に置かれた逆スタガード（inverted staggered）型と、ゲート電極がソース電極とドレイン電極よりも上にある正常スタガード（normal staggered）型とに区別でき、前者をボトム−ゲート型ＴＦＴ、後者をトップ―ゲート型ＴＦＴという。
【０００９】
一般に、液晶表示素子に備えられる薄膜トランジスタは、ボトム−ゲート型ＴＦＴであり、図１に示すように、ゲート電極１２ａと、該ゲート電極を含めた全面に備えられたゲート絶縁膜１３と、ゲート電極上部のゲート絶縁膜１３上に形成された半導体層（ａ−Ｓｉ）１４と、半導体層１４のチャネル領域を除く残りの領域に備えられるオーミックコンタクト層（ｎ＋ａ−Ｓｉ）１４ａと、オーミックコンタクト層１４ａ上に形成されるソース／ドレイン電極１５ａ，１５ｂとで構成される。
【００１０】
ここで、ゲート絶縁膜１３は、誘電率７．５程度のシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）などの無機材料を、通常、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）方法で蒸着して形成する。
【００１１】
しかしながら、上記のような無機材料を蒸着してゲート絶縁膜を形成すると、下記の問題につながる。
【００１２】
すなわち、ゲート絶縁膜を無機材料で形成する場合、時間を十分取っても１回の蒸着工程だけでは均一な厚さのゲート絶縁膜を形成できず、２回に分けて蒸着工程を行わねばならないため面倒だった。なお、蒸着装備は高価のもので、装備管理費用及び投資費用が多くかかるという問題点もあった。
【００１３】
そこで、工程が容易で、多少安価の装備を用いて形成可能な誘電率３〜４の有機物質でゲート絶縁膜を形成する技術が提案された。
【００１４】
有機ゲート絶縁膜は、無機ゲート絶縁膜と違い、ＰＥＣＶＤ方法の代わりにスピンコーティング、スリットコーティングなどのコーティング方法によって形成されるため、製造工程がより容易となり、装備費用面でも有利である。なお、ゲート配線及びゲート電極の段差を除去して表面を平坦化できる。
【００１５】
しかしながら、このような有機ゲート絶縁膜は無機ゲート絶縁膜に比べて、同一厚さに対する誘電率数値が小さく、誘電率が小さいとゲート配線層とデータ配線層との間に形成される寄生キャパシタンス（Ｃｇｓ）値が小さくなってしまう。これは、通常、対向する電極とそれらの間に備えられている絶縁膜において、そのキャパシタンス値が、絶縁膜の誘電率、絶縁膜の厚さに比例し、対向する電極の面積に反比例するからである。
【００１６】
このように寄生キャパシタンス（Ｃｇｓ）値が小さくなると、下記の数学式１のように、電圧降下（△Ｖｐ）がより増加し、これによって画面のちらつき、イメージ固着（image sticking）、画面明るさのばらつきなどの不具合につながる。
【００１７】
【数１】
2008016806.tif 000003
【００１８】
式中、Ｃｇｓは、ＴＦＴゲート電極とソース電極（または、ドレイン電極）との間に形成される寄生キャパシタンスを表し、Ｃｌｃは、液晶セルに蓄積される静電キャパシタンスを表し、Ｃｓｔは、ストレージキャパシタに形成されるキャパシタンスを表す。そして、△Ｖｐは、ソース電極に印加されるデータ電圧（Ｖｄ）と液晶セルに充電される電圧（Ｖｌｃ）の差電圧を表し、△Ｖｇは、ハイレベルのゲート電圧（Ｖｇｈ）とローレベルのゲート電圧（Ｖｇｌ）の差電圧を表す。
【００１９】
すなわち、寄生キャパシタンス（Ｃｇｓ）は、上記数学式１に示すように、△Ｖｐに最も大きく影響を及ぼす項目で、パネル特性及び画質特性と非常に密接な関連を持つ。ここで、△Ｖｐを下げるには寄生キャパシタンス（Ｃｇｓ）値を大きくすれば良く、寄生キャパシタンス（Ｃｇｓ）値を上げるには、ゲート絶縁膜の誘電率値を大きくすれば良いので、結局、ゲート絶縁膜は誘電率の大きい物質で形成することが好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
要するに、上記の従来技術による薄膜トランジスタ及びその製造方法は、下記のような問題点があった。
【００２１】
まず、シリコン窒化物などで形成される無機ゲート絶縁膜の場合、ＰＥＣＶＤなどの蒸着工程が難しく、蒸着装備の費用が高いという欠点があり、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）及びＰＶＰ（ビニルフェノール）などで形成される有機ゲート絶縁膜の場合、誘電率が低いため△Ｖｐがより増加する、または、ゲート絶縁膜コーティング時に厚さが不均一になるという欠点があった。
【００２２】
そこで、近来は、上記の有／無機ゲート絶縁膜における欠点を補完するために、ゾル−ゲルタイプの複合材料を用いてゲート絶縁膜を形成している。
【００２３】
具体的に、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドを化学反応させると、ゾル−ゲル複合材料が完成し、該ゾル−ゲル複合材料を溶媒に混合して基板上に均一にコーティングし７０℃で仮硬化（soft-baking）した後、３００℃で完全硬化（hard-baking）してゲート絶縁膜を形成する。
【００２４】
しかしながら、上記の仮硬化及び完全硬化工程で溶媒が揮発しながらフィルム表面にクラックができるという問題があった。
【００２５】
したがって、本発明は、ゾル−ゲルタイプの複合材料を用いたゲート絶縁膜においてコーティング及び乾燥工程の後に絶縁膜表面にクラックができる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、ゾル−ゲルタイプの複合材料に一定の体積を占める官能基を導入することによって、ゲート絶縁膜表面にできるクラックを防止できる薄膜トランジスタ及びその製造方法、並びにディスプレイ素子を提供することにある。
【００２６】
なお、本発明の他の目的は、上記のようにゾル−ゲルタイプの複合材料に官能基を導入することによって、該官能基による化学結合によってゲート絶縁膜の耐熱特性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成する本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極と絶縁され、前記ゲート電極の一部とオーバーラップする半導体層を形成する段階と、前記ゲート電極と半導体層を互いに絶縁させるために、それらの間にゾル−ゲル化合物を含むゲート絶縁膜を形成する段階と、前記半導体層の両側にソース／ドレイン電極をそれぞれ形成する段階とを含むことを特徴とする。
【００２８】
ここで、前記ＸまたはＹは、二重結合又は三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれる少なくともいずれか一つとする。
【００２９】
このような工程で形成されるゲート絶縁膜は、ゾル−ゲル化合物のＸ、Ｙ官能基よって分子内自由体積が向上して、その表面に発生しうるクラックが防止でき、官能基Ｘ、Ｙが反応性を持つことから分子内架橋結合が誘導され、物質の耐熱性が向上する。
【００３０】
この時、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって、有無機複合材料の絶縁性、コーティング性、耐熱性、硬度及び透過度が容易に調節できるため、上記ゾル−ゲル化合物は、薄膜トランジスタ用ゲート絶縁膜に好適に用いることができる。
【００３１】
一方、上記目的を達成する本発明に係るＴＦＴアレイ基板の製造方法は、基板上にゲート電極及びゲート配線を形成する段階と、前記ゲート電極と絶縁され、前記ゲート電極の一部とオーバーラップする半導体層を形成する段階と、前記ゲート電極と半導体層を互いに絶縁させるために、それらの間にＸ官能基を持つシリコンアルコキシドとＹ官能基を持つ金属アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料でゲート絶縁膜を形成する段階と、前記半導体層の両側にソース／ドレイン電極をそれぞれ形成し、これと同時に、前記ゲート配線に直交するデータ配線を形成する段階と、を含むことを特徴とする。ここで、前記ＸまたはＹは、二重結合または三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基）またはアルキル基より構成される群から選ばれる少なくともいずれか一つとする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のＴＦＴアレイ基板の製造方法は、下記の効果を奏する。
【００３３】
第一に、本発明によるゾル−ゲル化合物は、Ｘ、Ｙ官能基によって分子内自由体積が向上して、絶縁膜表面にクラックができるのを防止する。すなわち、ゾル−ゲル複合材料を硬化しても、分子内Ｘ、Ｙの自由体積によって分子内物質が収縮することがないため、クラックが発生しなくなる。
【００３４】
第二に、ゾル−ゲル化合物の官能基Ｘ、Ｙは反応性を有するため、分子内架橋結合が誘導され、物質の耐熱性が向上する。
【００３５】
第三に、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって、有無機複合材料の絶縁性、コーティング性、耐熱性、硬度及び透過度を容易に調節できるため、本発明によるシリコンアルコキシドと金属アルコキシドのゾル−ゲル化合物は、薄膜トランジスタ用ゲート絶縁膜または液晶表示素子のゲート絶縁膜に好適に用いることができる。
【００３６】
第四に、本発明による有無機複合材料は、プリンティング方法、コーティング法または蒸着法のうちいずれかの方法で形成できるため、工程が容易で、平坦性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明に係る薄膜トランジスタ及びその製造方法、並びにディスプレイ素子の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３８】
図２は、本発明によるボトム−ゲート型薄膜トランジスタを示す断面図であり、図３は、本発明によるゾル−ゲル化合物の化学結合を示す図であり、図４乃至図６は、ＳｉＮｘまたはゾル−ゲル化合物で形成されたゲート絶縁膜を含むＴＦＴ特性を示すグラフである。
【００３９】
また、図７は、本発明を説明するためのボトム−ゲート型有機薄膜トランジスタの断面図であり、図８は、本発明を説明するためのＴＦＴアレイ基板の断面図である。
【００４０】
＜薄膜トランジスタの製造方法＞
図２を参照すると、まず、基板１１１上に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム-ネオジム合金（ＡｌＮｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン−タングステン（ＭｏＷ）などの比抵抗の低い金属を、高温のスパッタリング技術によって蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして、ゲート電極１１２ａを形成する。
【００４１】
その後、ゲート電極１１２ａを含めた全面に、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料でゲート絶縁膜１１３を形成する。
【００４２】
ここで、ゲート絶縁膜１１３としてシリコン窒化物及び複合材料ゾル化合物をそれぞれ用いる従来及び本発明におけるトランジスタ特性を互いに比較してみる。
【００４３】
まず、図４は、４０００Å以下の厚さでシリコン窒化物を蒸着してゲート絶縁膜を形成し、トランジスタのチャネル層幅／長さを２５／５にした時のトランジスタ特性を示すグラフで、横軸（ＶＧ）は、ゲート電極に印加される電圧値を表し、縦軸（ＩＤ）はソース／ドレイン電極に流れる電流値を表している。ここで、それぞれのグラフは、ソース／ドレイン電極に０．１Ｖと１０Ｖをそれぞれ印加した時、ゲート電極に印加される電圧値とソース／ドレイン電極に流れる電流値との関係を表したものであって、ソース／ドレイン電極に０．１Ｖを印加した時よりも１０Ｖを印加した時のソース／ドレイン電極に流れる電流値がより高いことが確認できる。この場合、トランジスタのモビリティ数値は、０．４１１ｃｍ２／Ｖｓと計算された。
【００４４】
このような結果は、ゲート絶縁膜を複合材料とした時にも類似に現れた。図５は、複合材料を３０００Å以下の厚さで塗布してゲート絶縁膜を形成し、トランジスタのチャネル層幅／長さを１００／１０にした時におけるトランジスタ特性を示すグラフで、ソース／ドレイン電極に０．１Ｖを印加した時よりも１０Ｖを印加した時にソース／ドレイン電極に流れる電流値（ＩＤ）がより高いことがわかり、より重要なことは、ゲート絶縁膜として複合材料を用いてもトランジスタのオン／オフ特性が明確に現れるという事実である。この場合、トランジスタのモビリティ数値は、１．７０５ｃｍ２／Ｖｓと計算され、シリコン窒化物でゲート絶縁膜を形成した場合に比べて、トランジスタのモビリティ数値が４倍程度も大きくなる効果があった。
【００４５】
一方、ゲート絶縁膜としてシリコン窒化物を用いる時と複合材料を用いる時のグラフを互いに比較するために、図４及び図５の縦軸の数値を各トランジスタのＷ／Ｌ数値で除算したものを新しい縦軸（ＩＤ／（Ｗ／Ｌ））として図６に表した。すなわち、図６は、ソース／ドレイン電極に１０Ｖの電圧（ＶＤ）を印加した状態でゲート電極に印加される電圧値（ＶＧ）を変化させながらＩＤ／（Ｗ／Ｌ）数値を測定したグラフで、シリコン窒化物を使用した場合よりも複合材料（sol-gel compound）を使用した場合のＩＤ/（Ｗ／Ｌ）数値が高いことから、複合材料で形成したゲート絶縁膜を含むトランジスタの特性がより優れていることがわかる。
【００４６】
一方、複合材料でゲート絶縁膜を形成する場合、硬化工程過程で溶媒が揮発してクラックができることがある。そこで、ゲート絶縁膜のクラックを防止するために、Ｘ官能基を持つシリコン（Ｓｉ）アルコキシドとＹ官能基を持つ金属（Ｍｅ）アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料（Ｓｉ−ゾル／Ｍｅ−ゾル）でゲート絶縁膜１１３を形成する。ここで、アルコキシドとは、アルコールのヒドロキシ基の水素原子を金属原子で置換した化合物を総称するもので、ＸまたはＹは、二重結合（
【化１】
2008016806.tif 000004
）又は三重結合（
【化２】
2008016806.tif 000005
）を持つ官能基、アクリレート基（
【化３】
2008016806.tif 000006
）、エポキシ基（
【化４】
2008016806.tif 000007
）、オキセタン基（
【化５】
2008016806.tif 000008
）、及びアルキル基からなる群より少なくともいずれか一つを選択する。
【００４７】
具体的に、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドをゾル形態で反応させて、ゾル−ゲル複合材料を形成する。このような複合材料は、有／無機ハイブリッドタイプの材料であり、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドとの含量比によって複合材料の誘電率、透過度が異なってくる。シリコンアルコキシドと金属アルコキシドを１：１の割合で混合することが、誘電率及び透過度の面で有利となる。
【００４８】
ここで、金属アルコキシドの金属粒子は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カルシウム（Ｃａ）及びマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくともいずれか一つを選んで使用し、７以上の誘電定数を持つ物質で形成して、ゲート絶縁膜が高誘電率を持つようにする。
【００４９】
また、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドから製造されるゾル化合物は、加水分解及び縮合反応によって製造し、この時、反応促進のために水またはアルコールを触媒とすることができる。
【００５０】
このような方法で形成されたゾル化合物は、図３に示すように、ケミカルネットワーク構造を有するもので、官能基ＸまたはＹを含み、末端または測鎖にアルキル基（ＣＨＣ３−、Ｃ２Ｈ５−、Ｃ３Ｈ７−、．．．、ＣｎＨ２ｎ＋１−）またはフェニル基などが結合されている。この時、ＸまたはＹは、下記のような二重結合または三重結合を持つ官能基、アクリレート基、陽イオン重合が可能なエポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれた少なくともいずれか一つとする。
【化６】
2008016806.tif 000009
【００５１】
このような本発明のゾル−ゲル化合物は、上記Ｘ，Ｙ官能基の存在によって分子内自由体積が向上し、絶縁膜のクラックを防止することができる。すなわち、ゾル−ゲル複合材料を溶媒に混合して基板上に均一にコーティングした後、７０℃で仮硬化（soft-baking）し、３００℃で完全硬化（hard-baking）しても、分子内Ｘ，Ｙの自由体積によって分子内物質は収縮せず、クラックが発生しない。
【００５２】
また、官能基Ｘ，Ｙは反応性を有するため、分子内架橋結合を誘導することによって耐熱性向上を可能にする。
【００５３】
したがって、このような有無機複合材料は、絶縁性、コーティング性、耐熱性、硬度及び透過度に優れ、誘電定数の調節が容易なため、薄膜トランジスタ用ゲート絶縁膜として好適である。
【００５４】
本発明による有無機複合材料は、プリンティング方法、コーティング法または蒸着法のいずれか一方法で形成できるため、その工程が容易で、平坦性にも優れている。
【００５５】
上記のような有無機複合材料でゲート絶縁膜を形成した後には、ゲート絶縁膜を含めた全面に非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を高温で５００Å以下の薄い厚さで蒸着して半導体層１１４を形成し、続いてｎ型不純物を注入すると同時に、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を高温で３００〜７００Å程度の厚さで蒸着して、ｎ＋ａ−Ｓｉのオーミックコンタクト層１１４ａを形成する。このａ−Ｓｉ蒸着とｎ＋ａ−Ｓｉ蒸着は同一工程チャンバー内で連続して行われる。もちろん、別の工程チャンバー内でそれぞれ形成しても良い。
【００５６】
続いて、オーミックコンタクト層１１４ａを含めた全面に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム-ネオジム合金（ＡｌＮｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン−タングステン（ＭｏＷ）などの比抵抗の低い金属を、高温のスパッタリング技術によって蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして、半導体層の両側にソース／ドレイン電極１１５ａ，１１５ｂをそれぞれ形成する。
【００５７】
これで、ゲート電極１１２ａ、ゲート絶縁膜１１３、半導体層１１４、オーミックコンタクト層１１４ａ及びソース／ドレイン電極１１５ａ，１１５ｂからなる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が完成する。
【００５８】
一方、以上ではゲート電極がソース／ドレイン電極下部に位置するボトム−ゲート型薄膜トランジスタに限定して本発明を説明したが、トップ―ゲート型薄膜トランジスタにも本発明を適用できる。
【００５９】
すなわち、まず基板上にソース電極とドレイン電極を形成し、該ソース電極とドレイン電極にオーバーラップすると同時に、これらのソース電極とドレイン電極間に配置されるように半導体層を形成した後、該半導体層を含めた全面にゲート絶縁膜を形成し、最後に、半導体層上部のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すればよい。
【００６０】
この場合、ソース／ドレイン電極及びゲート電極は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム-ネオジム合金（ＡｌＮｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン−タングステン（ＭｏＷ）などの比抵抗の低い金属を高温のスパッタリング技術によって蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして形成すれば良く、半導体層は、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を高温で蒸着しパターニングして形成すればよい。
【００６１】
なお、ゲート絶縁膜は、Ｘ官能基を持つシリコンアルコキシドとＹ官能基を持つ金属アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料を塗布、プリンティングまたはコーティングしたのち硬化工程を行って形成する。このＸ官能基を持つシリコンアルコキシドとＹ官能基を持つ金属アルコキシドのゾル化合物は、前述と同じ特徴を有する。
【００６２】
＜有機薄膜トランジスタの製造方法＞
本発明による有機薄膜トランジスタの製造方法は、前述した薄膜トランジスタの製造方法と同一または類似である。したがって、同一または類似のパターンについては同じ図面符号を共通使用するものとする。
【００６３】
図７を参照すると、まず、基板１１１上に、ｎ＋ａ−Ｓｉ、ＩＴＯ、Ａｌなどを蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして、ゲート電極１１２ａを形成する。この時、ゲート電極１１２ａは、上記の金属層の外、導電性ある有機高分子系物質であるＰＥＤＯＴ（ポリエチレン-ジオキシチオフェン）をコーティング方法で塗布する、または、インジェクト−プリンティング方法で印刷して形成しても良い。
【００６４】
その後、ゲート電極１１２ａを含めた全面に、Ｘ官能基を持つシリコンアルコキシドとＹ官能基を持つ金属アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料（Ｓｉ−ゾル／Ｍｅ−ゾル）でゲート絶縁膜１１３を形成する。ここで、官能基ＸまたはＹは、下記のような二重結合または三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれた少なくともいずれか一つとする。
【化７】
2008016806.tif 000010
【００６５】
具体的に、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドをゾル形態で反応させて、ゾル−ゲル複合材料を形成する。このような複合材料は、有／無機ハイブリッドタイプの材料であり、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって複合材料の誘電率、透過度が異なってくる。シリコンアルコキシドと金属アルコキシドを１：１の割合で混合することが、誘電率及び透過度の面で有利となる。
【００６６】
この時、金属アルコキシドの金属粒子は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくともいずれか一つを選んで使用し、７以上の誘電定数を持つ物質で形成して、ゲート絶縁膜が高誘電率を持つようにする。
【００６７】
また、シリコンアルコキシド及び金属アルコキシドから製造されるゾル化合物は、加水分解及び縮合反応によって製造し、この際、反応促進のために水またはアルコールを触媒とすることができる。
【００６８】
このような方法で形成されたゾル化合物は、図３に示すように、ケミカルネットワーク構造を有するもので、上記の官能基ＸまたはＹを含み、末端または測鎖にアルキル基（ＣＨＣ３−、Ｃ２Ｈ５−、Ｃ３Ｈ７−、．．．、ＣｎＨ２ｎ＋１−）またはフェニル基などが結合されている。
【００６９】
このような本発明のゾル−ゲル化合物は、上記Ｘ，Ｙ官能基の存在によって分子内自由体積が向上し、絶縁膜のクラックを防止することができる。すなわち、ゾル−ゲル複合材料を溶媒に混合して基板上に均一にコーティングした後、７０℃で仮硬化（soft-baking）し、３００℃で完全硬化（hard-baking）しても、分子内Ｘ，Ｙの自由体積によって分子内物質は収縮せず、クラックが発生しない。
【００７０】
また、官能基Ｘ，Ｙは反応性を有し、分子内架橋結合を誘導することによって、耐熱性向上を可能にする。
【００７１】
したがって、このような有無機複合材料は、絶縁性、コーティング性、耐熱性、硬度及び透過度に優れ、誘電定数の調節が容易なため、液晶表示素子のゲート絶縁膜として好適である。
【００７２】
本発明による有無機複合材料は、プリンティング方法、コーティング法または蒸着法のいずれか一方法で形成できるため、その工程が容易で、平坦性にも優れている。
【００７３】
上記のような有無機複合材料でゲート絶縁膜を形成した後には、ゲート電極１１２ａ上部のゲート絶縁膜１１３上にペンタセン系またはチオフェン系誘導体などの低分子やポリチオフェンのような高分子物質で有機半導体層１１４を形成する。
【００７４】
その後、有機半導体層１１４を含めた全面に、銀（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属を高温のスパッタリング技術によって蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして、半導体層両側にソース／ドレイン電極１１５ａ，１１５ｂをそれぞれ形成する。
【００７５】
これで、ゲート電極１１２ａ、ゲート絶縁膜１１３、有機半導体層１１４及びソース／ドレイン電極１１５ａ，１１５ｂからなる有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が完成する。
【００７６】
一方、以上ではゲート電極がソース／ドレイン電極下部に位置するボトム−ゲート型薄膜トランジスタに限定して本発明を説明したが、トップ―ゲート型薄膜トランジスタにも本発明を適用できる。
【００７７】
この時、有機ＴＦＴの場合には低温工程が可能なため、基板１１１はフレキシブルな特性を有するプラスチック基板またはフィルムに代替可能である。
【００７８】
＜ＴＦＴアレイ基板の製造方法＞
本発明による液晶表示素子のＴＦＴアレイ基板の製造方法は、前述した薄膜トランジスタの製造方法と同一または類似である。したがって、同一または類似のパターンについては同じ図面符号を共通使用するものとする。
【００７９】
図８を参照すると、まず、基板１１１上に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム-ネオジム合金（ＡｌＮｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン−タングステン（ＭｏＷ）などの比抵抗の低い金属を、高温のスパッタリング技術によって蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして、ゲート配線１１２及びゲート電極１１２ａを形成する。
【００８０】
その後、ゲート電極１１２ａを含めた全面に、Ｘ官能基を持つシリコンアルコキシドとＹ官能基を持つ金属アルコキシドのゾル化合物を含む複合材料（Ｓｉ−ゾル／Ｍｅ−ゾル)でゲート絶縁膜１１３を形成する。ここで、官能基ＸまたはＹは、下記のような二重結合または三重結合を持つ官能基、アクリレート基、エポキシ基、オキセタン基及びアルキル基より構成される群から選ばれる少なくともいずれか一つとする。
【化８】
2008016806.tif 000011
【００８１】
具体的に、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドをゾル形態で反応させて、ゾル−ゲル複合材料を形成する。このような複合材料は、有／無機ハイブリッドタイプの材料であり、シリコンアルコキシドと金属アルコキシドの含量比によって複合材料の誘電率、透過度が異なってくる。シリコンアルコキシドと金属アルコキシドを１：１の割合で混合することが、誘電率及び透過度の面で有利となる。
【００８２】
この時、金属アルコキシドの金属粒子は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）のうち少なくともいずれか一つを選んで使用し、７以上の誘電定数を持つ物質で形成して、ゲート絶縁膜が高誘電率を持つようにする。
【００８３】
また、シリコンアルコキシド及び金属アルコキシドから製造されるゾル化合物は、加水分解及び縮合反応によって製造し、この際、反応促進のために水またはアルコールを触媒とすることができる。
【００８４】
このような方法で形成されたゾル化合物は、図３に示すように、ケミカルネットワーク構造を有するもので、上記の官能基ＸまたはＹを含み、末端または測鎖にアルキル基（ＣＨＣ３−、Ｃ２Ｈ５−、Ｃ３Ｈ７−、．．．、ＣｎＨ２ｎ＋１−）またはフェニル基などが結合されている。
【００８５】
このような本発明のゾル−ゲル化合物は、上記Ｘ，Ｙ官能基の存在によって分子内自由体積が向上し、絶縁膜表面でのクラックを防止することができる。すなわち、ゾル−ゲル複合材料を溶媒に混合して基板上に均一にコーティングした後、７０℃で仮硬化（soft-baking）し、３００℃で完全硬化（hard-baking）しても、分子内Ｘ，Ｙの自由体積によって分子内物質は収縮せず、クラックが発生しない。
【００８６】
また、官能基Ｘ，Ｙは反応性を有するため、分子内架橋結合を誘導することによって耐熱性向上も可能にする。
【００８７】
したがって、このような有無機複合材料は、絶縁性、コーティング性、耐熱性、硬度及び透過度に優れ、誘電定数の調節が容易なため、液晶表示素子のゲート絶縁膜として好適である。
【００８８】
また、本発明による有無機複合材料は、プリンティング方法、コーティング法または蒸着法のいずれか一方法で形成できるため、その工程が容易で、平坦性にも優れている。
【００８９】
上記のような有無機複合材料でゲート絶縁膜を形成した後には、基板全面に非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を蒸着しパターニングして半導体層１１４を形成した後、ｎ型不純物を注入すると同時に、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を蒸着しパターニングして、ｎ＋ａ−Ｓｉのオーミックコンタクト層１１４ａを形成する。
【００９０】
その後、オーミックコンタクト層１１４ａを含めた全面に、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム-ネオジム合金（ＡｌＮｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン−タングステン（ＭｏＷ）などの比抵抗の低い金属を高温のスパッタリング技術によって蒸着したのちフォトエッチング技術でパターニングして、半導体層の両側にソース／ドレイン電極１１５ａ，１１５ｂをそれぞれ形成し、これと同時に、ソース電極と一体型に連結されるデータ配線１１５を形成する。
【００９１】
この時、ゲート配線及びデータ配線は直交して単位画素を定義し、これらの交差地点に、ゲート電極１１２ａ、ゲート絶縁膜１１３、半導体層１１４、オーミックコンタクト層１１４ａ及びソース／ドレイン電極１１５ａ，１１５ｂからなる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が位置する。この場合、薄膜トランジスタは、ゲート電極がソース／ドレイン電極の上部に位置するトップ―ゲート型薄膜トランジスタであっても良く、有機薄膜トランジスタであっても良い。
【００９２】
続いて、薄膜トランジスタを含めた全面に保護膜を形成する。この時、ＢＣＢ（ベンゾシクロベンゼン）、アクリル系物質のような有機材料を塗布する、または、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘのような無機材料を蒸着して保護膜１１６を形成することができる。
【００９３】
最後に、ドレイン電極１１５ｂの一部が露出されるように保護膜１１６を除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを含めた保護膜１１６の全面に、ＩＴＯ（インジウム-錫-オキサイド）またはＩＺＯ（インジウム-亜鉛-オキサイド）の透明導電物質を蒸着しパターニングして、ドレイン電極１１５ｂにコンタクトされる画素電極１１７を形成する。
【００９４】
上記のようにして形成されたＴＦＴアレイ基板は、図示してはいないが、対向基板と対向合着され、これら両基板間に液晶層が備えられる。なお、対向基板には、光の漏れを防止するブラックマトリクスと、該ブラックマトリクス間にＲ、Ｇ、Ｂのカラーレジストが一定順番に形成されたカラーフィルタ層と、該カラーフィルタ層の上部でカラーフィルタ層を保護し、カラーフィルタ層の表面を平坦化するためのオーバーコート層と、該オーバーコート層上に形成され、ＴＦＴアレイ基板の画素電極とともに電界を形成する共通電極と、が形成されている。
【００９５】
一方、以上説明してきた本発明は、上記の実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】従来技術によるボトム−ゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図２】本発明によるボトム−ゲート型薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図３】本発明によるゾル−ゲル化合物の化学結合を示す図である。
【図４】ＳｉＮｘで形成されたゲート絶縁膜を含むＴＦＴ特性を示すグラフである。
【図５】ゾル−ゲル化合物で形成されたゲート絶縁膜を含むＴＦＴ特性を示すグラフである。
【図６】ＳｉＮｘ及びゾル−ゲル化合物で形成されたゲート絶縁膜を含むＴＦＴ特性を同時に比較したグラフである。
【図７】本発明を説明するためのボトム−ゲート型有機薄膜トランジスタを示す断面図である。
【図８】本発明を説明するためのＴＦＴアレイ基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１１１    基板
１１２    ゲート配線
１１２ａ    ゲート電極
１１３    ゲート絶縁膜
１１４    半導体層
１１５    データ配線
１１５ａ    ソース電極
１１５ｂ    ドレイン電極
１１６    保護膜
１１７    画素電極
【図１】
2008016806.tif 000012
【図２】
2008016806.tif 000013
【図３】
2008016806.tif 000014
【図４】
2008016806.tif 000015
【図５】
2008016806.tif 000016
【図６】
2008016806.tif 000017
【図７】
2008016806.tif 000018
【図８】
2008016806.tif 000019