(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に、チャネル部を形成する半導体活性層と、前記チャネル部を介して対向して配置されたソース電極とドレイン電極と、前記半導体活性層の上に設けられたゲート絶縁膜と、前記半導体活性層の上に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備えたトランジスタにおいて、
前記ゲート絶縁膜が有機材料からなり、
前記半導体活性層が酸化物半導体からなり、
前記半導体活性層と前記ゲート絶縁膜との間に、前記半導体活性層に化学吸着している部位を含む界面層を有する
ことを特徴とするトランジスタ。
【請求項２】
前記酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎよりなる群から選択された金属の酸化物半導体であることを特徴とする請求項１記載のトランジスタ。
【請求項３】
前記界面層は、シラン化合物からなり、前記シラン化合物は、下記化学式（１）で表される化合物からなる群より選択された１種類以上のシラン化合物で有ることを特徴とする請求項１または２記載のトランジスタ。
【化１】
0005250930.tif 000004
（式中、Ｒは、独立して水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アクリル基であり、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基はエポキシ基やアミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基、スチリル基で置換されていてもよい。また、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基もしくは、エポキシ基やアミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基、スチリル基で置換されたアルキル基、シクロアルキル基、アリール基は全フッ素化もしくは部分フッ素化されていてもよい。また、式中、Ｘは、独立してハロゲン原子、アルコキシ基である。ｎは、０〜３の整数、ｍは、１〜４の整数、ｎ＋ｍ＝４を表わす。）
【請求項４】
前記界面層は、有機酸からなることを特徴とする請求項１または２記載のトランジスタ。
【請求項５】
前記有機酸は、脂肪族カルボン酸であることを特徴とする請求項４記載のトランジスタ。
【請求項６】
基板上に、ソース電極とドレイン電極を形成する工程と、
次に、前記ソース電極とドレイン電極間に、酸化物半導体からなる半導体活性層を成膜形成する工程と、
前記半導体活性層上に、界面層を形成する工程と、
前記界面層に接するように有機材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を設ける工程と、
を有することを特徴とするトランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記ゲート絶縁膜は、塗布することにより形成することを特徴とする請求項６記載のトランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記界面層は、シランカップリング剤により形成されることを特徴とする請求項６または７記載の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、酸化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子デバイスの駆動用トランジスタとして、アモルファスシリコンや多結晶シリコン等を用いた薄膜トランジスタが用いられてきた。しかしながら、高品質なアモルファスシリコンや多結晶シリコンは、成膜に２００℃以上の温度を必要とするため、フレキシブルなポリマーフィルムを基材として用いて、フレキシブルデバイスを実現することは困難であった。
また近年、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタが盛んに研究されている。有機半導体材料は、真空プロセスを用いず、例えば、印刷プロセスで作成できるため、低温でトランジスタの製造の可能性があり、可撓性のプラスチック基材上に設けられる等の利点を有する。
しかしながら、有機半導体材料は、移動度が極めて低く、また経時劣化にも弱いという難点があり、未だ広範な使用、実用に至っていない。
【０００３】
以上のような状況を踏まえて、透明酸化物半導体を用いたデバイスの開発が行われている。透明酸化物は、低温で作成可能で、しかも高い移動度を示す特性を有しているので、例えば、基材、電極、絶縁膜等に透明材料を用いれば透明なデバイスを実現できる等、従来の材料になかった特性を持つ。前記透明酸化物半導体として、例えば、非晶質In-Ga-Zn-O材料を用いた電界効果型トランジスタが提案されている（非特許文献１参照）。
上記非特許文献１に記載の材料を用いたアモルファス酸化物半導体を半導体活性層として用いることで、室温でPET基板上に移動度が１０cm2/Vs前後の優れた特性を持つ透明電界効果型トランジスタの作成に成功している。
【非特許文献１】K. Nomura et al. Nature,432, 488（2004）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記酸化物半導体は、低温で形成することができるので、各種基板を用いたトランジスタが得られる可能性が高まった。
従来の無機半導体電界効果トランジスタは、無機絶縁膜をゲート絶縁膜として用いられており、無機半導体とゲート絶縁膜の界面は、共有結合もしくはイオン結合により接合している。
一方、一般的な有機高分子で構成される有機絶縁膜を無機半導体電界効果トランジスタのゲート絶縁膜として用いた場合、前記無機絶縁膜と異なり、有機絶縁膜と無機半導体は、強固な結合を持たない。
そのため、有機絶縁膜をゲート絶縁膜に用いた場合、前記ゲート絶縁膜と無機半導体との界面に電荷が発生し、ゲート電圧への印加が不充分なるうえ、有機絶縁膜と無機半導体との密着強度が不充分となり、実用に供することは困難であった。
【０００５】
本発明は、酸化物半導体をチャネル層に、有機物をゲート絶縁膜として用いた構成で実用に供するトランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
基材上に、チャネル部を形成する半導体活性層と、前記チャネル部を介して対向して配置されたソース電極とドレイン電極と、前記半導体活性層の上に設けられたゲート絶縁膜と、前記半導体活性層の上に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備えたトランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が有機材料からなり、前記半導体活性層が酸化物半導体からなり、前記半導体活性層と前記ゲート絶縁膜との間に、前記半導体活性層に化学吸着している部位を含む界面層を有することを特徴とするトランジスタである。
【０００９】
前記酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎよりなる群から選択された金属の酸化物半導体であることを特徴とする請求項１記載のトランジスタである。
【００１２】
前記界面層は、シラン化合物からなり、前記シラン化合物は、下記化学式（１）で表される化合物からなる群より選択された１種類以上のシラン化合物で有ることを特徴とする請求項１または２記載のトランジスタである。
【化２】
0005250930.tif 000002
【００１３】
（式中、Ｒは、独立して水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アクリル基であり、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基はエポキシ基やアミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基、スチリル基で置換されていてもよい。また、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基もしくは、エポキシ基やアミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基、スチリル基で置換されたアルキル基、シクロアルキル基、アリール基は全フッ素化もしくは部分フッ素化されていてもよい。また、式中、Ｘは、独立してハロゲン原子、アルコキシ基である。ｎは、０〜３の整数、ｍは、１〜４の整数、ｎ＋ｍ＝４を表わす。）
【００１４】
前記界面層は、有機酸からなることを特徴とする請求項１または２記載のトランジスタである。
【００１５】
前記有機酸は、脂肪族カルボン酸であることを特徴とする請求項４記載のトランジスタである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、
基板上に、ソース電極とドレイン電極を形成する工程と、
次に、前記ソース電極とドレイン電極間に、酸化物半導体からなる半導体活性層を成膜形成する工程と、
前記半導体活性層上に、界面層を形成する工程と、
前記界面層に接するように有機材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を設ける工程と、
を有することを特徴とするトランジスタの製造方法である。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、前記ゲート絶縁膜は、塗布することにより形成することを特徴とする請求項６記載のトランジスタの製造方法である。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、前記界面層は、シランカップリング剤により形成されることを特徴とする請求項６または７記載のトランジスタの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、以上の構成からなるので、酸化物半導体を半導体活性層としたトランジスタのゲート絶縁膜、特に、有機高分子からなるゲート絶縁膜をウェットプロセスで形成することが可能となった。
このようにウェットプロセスにより、ゲート絶縁膜を高スループットで、かつ低温プロセスで形成可能となった。
また、トランジスタを、低温プロセスで製造可能であることから、プラスチック基板などのフレキシブルフィルム状の基板を用いたトランジスタの製造が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のトランジスタの一例を図１に示す。
基材１上に、チャネル部を形成する半導体活性層４と、前記チャネル部を介して対向して配置されたソース電極８とドレイン電極９を備え、前記半導体活性層４の上にゲート絶縁膜、該絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備えた半導体装置において、前記半導体活性層と前記ゲート絶縁膜の間に、前記ゲート絶縁膜が有機材料からなる。
前記界面層７は、半導体活性層に化学吸着している部位を含む構成とすることが好ましい。
【００２１】
ここで、前記基材１は、ガラス、プラスチック等の基材を使用することができ、特に、プラスチック基材を用いることで、フレキシブルなトランジスタの提供が可能となる。
また、ゲート電極２は、インジウム（In）、アルミニウム（Al）、金（Au）、銀（Ag）等の金属薄膜であってもよいし、酸化インジウム（In2O3）、酸化スズ（SnO2）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化カドミウム（CdO）、酸化インジウムカドミウム（CdIn2O4）、酸化カドミウムスズ（Cd2SnO4）、酸化亜鉛スズ（Zn2SnO4）等の酸化物材料でもよい。
また、前記酸化物材料に不純物をドープしたものも好適に用いられる。例えば、In2O3にスズ（Sn）やモリブデン（Mo）、チタン（Ti）をドープしたもの、SnO2にアンチモン（Sb）やフッ素（F）をドープしたもの、ZnOにインジウム、アルミニウム、ガリウム（Ga）をドープしたものなどである。
【００２２】
また、ソース電極８およびドレイン電極９は、前記ゲート電極２と同じ材料、または異なる材料を用いてもよい。
また、前記それぞれの電極は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD法、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、または、導電性ペーストを用いてスクリーン印刷等の方法を用いて形成される。そして、それぞれの電極は、膜厚が１５ｎｍ以上とすること好ましい。
【００２３】
半導体活性層４は、亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウムのうち一種類以上の元素を含む酸化物である、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛ガリウムインジウム等の酸化物半導体材料を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
また、界面層７は、有機無機複合膜または有機酸のいずれかからなり、化学吸着している部位を含む構成からなる。
前記有機無機複合膜としては、シラン化合物から形成されている複合膜で、具体的には、前記シラン化合物は、下記化学式（１）で表される化合物からなる群より選択された1種類以上のシラン化合物を用いるのが好ましい。
【化３】
0005250930.tif 000003
【００２５】
（式中、Ｒは、独立して水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アクリル基であり、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基はエポキシ基やアミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基、スチリル基で置換されていてもよい。また、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基もしくは、エポキシ基やアミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基、スチリル基で置換されたアルキル基、シクロアルキル基、アリール基は全フッ素化もしくは部分フッ素化されていてもよい。また、式中、Ｘは、独立してハロゲン原子、アルコキシ基である。ｎは、０〜３の整数、ｍは、１〜４の整数、ｎ＋ｍ＝４を表わす。）
具体的には、デシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン等のアルコキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のエポキシ基を有するアルコキシシラン、３−アミノプロピルシラン等のアミノシラン、ビス（トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド等のスルフィド基を有するシラン、またはヘキシルトリクロロシラン、オクチルトリクロロシラン等が挙げられる。
また、前記界面層は、脂肪族カルボン酸等の有機酸を用いて形成してもよい。
【００２６】
ゲート絶縁層３は、絶縁材料であれば特に限定されないが、有機材料からなり、特に、ウェット状態で塗布形成した絶縁膜を用いるのが好ましい。
具体的には、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、シアノエチルプルラン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、アクリル樹脂、または前記樹脂のポリマーアロイ、あるいは共重合樹脂を用いることができる。
また、前記ゲート絶縁層１３に用いる絶縁膜は、前駆体を成膜した後、可視光、ＵＶ、あるいはＥＢ等の電磁波により硬化可能な樹脂、または熱硬化型樹脂、二液反応硬化型樹脂を用いることができる。
【００２７】
次に、本発明のトランジスタの製造方法を、図２を参照して説明する。
基材上に、ソース電極８とドレイン電極９を形成するための電極層６を同様にスパッタリング法など公知の手法で形成する（図２（ａ）参照）。
次に、前記ソース電極８とドレイン電極９上に、酸化物半導体からなる半導体活性層４を、スパッタリング法など公知の手法で設ける（図２（ｂ）参照）。
次に、半導体化成層４の界面に、界面層７を形成する（図２（ｃ）参照）。
次に、前記界面層７に接するようにゲート絶縁層３スパッタリング法など公知の手法で設ける（図２（ｄ）参照）。
ここで、界面層７は、デシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン等のアルコキシシラン等の材料をを使用する。
次に、前記ゲート絶縁層３上に、ゲート電極２をスパッタリング法など公知の手法で形成することで薄膜トランジスタが得られる（図２（ｅ）参照）。
【００２８】
本発明の薄膜トランジスタは、液晶ディスプレー、有機ELディスプレー、光書き込み型コレステリック液晶型ディスプレー、Twisting Ball 方式ディスプレー、トナーディスプレー方式ディスプレー、可動フィルム方式ディスプレー、センサーなどのデバイスに使用することができる。
【実施例】
【００２９】
まず、ＰＥＴからなる基板１上に、スパッタリング法でアルミニウム膜を製膜し、フォトリソグラフィー法を用いて、ソース電極８とドレイン電極９を形成する。
次に、前記ソース電極８とドレイン電極９間に、スパッタリング法によりInGaZnOの酸化物半導体からなる半導体活性層４を成膜形成する。
前記半導体活性層４の上に、界面層７を形成して、該界面層７に接するように、エポキシ樹脂からなるゲート絶縁膜３を塗布形成した。
次に、スパッタリング法でアルミニウム膜を製膜し、フォトリソグラフィー法を用いて、ゲート電極２を設け、薄膜トランジスタを作製した。
前記界面層７は、シランカップリング剤（信越化学製  デシルトリメトキシシラン）を、水、エタノール、１−ブタノールの混合溶媒にに溶解した溶液に半導体活性層を浸漬し、１００℃程度で加熱することにより作製した。
このように、半導体活性層４と有機材料からなるゲート絶縁膜３の間に界面層を設けた構成とすることにより、有機ゲート絶縁膜を用いた場合においても、良好な素子特性が得られる。また、低温の工程温度で素子形成が行えるため、フレキシブル基板上に半導体デバイスを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のトランジスタの一例を示す説明図。
【図２】本発明のトランジスタの製造方法の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・基材
２・・・ゲート電極
３・・・ゲート絶縁層
４・・・半導体活性層
６・・・電極層
７・・・界面層
８・・・ソース電極
９・・・ドレイン電極
【図１】
0005250930.tif 000005
【図２】
0005250930.tif 000006