(57)【要約】【課題】酸化物半導体を活性層として、経時劣化無く優れた特性を持つ薄膜トランジスタを提供すること。【解決手段】可撓性プラスチック基材１上にトランジスタ素子とこのトランジスタ素子を覆う保護膜９とを備えるトランジスタであって、トランジスタ素子が、ゲート電極２と、ゲート絶縁膜４と、酸化物半導体から構成された半導体活性層５と、ソース電極８及びドレイン電極７とを備えるものであり、保護膜９として水蒸気透過率が１ｇ／ｍ2／ｄａｙ以下、酸素透過率が１ｃｃ／ｍ2／ｄａｙ以下、かつ、電気抵抗率が１０11Ω・ｃｍ以上である無機化合物を使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性プラスチック基材と、この基材上に設けられたトランジスタ素子と、このトランジスタ素子を覆う保護膜とを備えるトランジスタであって、
前記トランジスタ素子が、前記基材上に設けられたゲート電極と、このゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられ、酸化物半導体から構成された半導体活性層と、この半導体活性層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記半導体活性層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極とを備え、前記ゲート電極に印加する電圧の有無によって、前記ソース電極とドレイン電極との導通をオン又はオフするトランジスタ素子であり、
前記保護膜の水蒸気透過率が１ｇ／ｍ2／ｄａｙ以下であり、酸素透過率が１ｃｃ／ｍ2／ｄａｙ以下であり、かつ、電気抵抗率が１０11Ω・ｃｍ以上であるトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体を活性層とするトランジスタに関し、特に、安価なフィルムを基材として、しかも、経時劣化を防止したトランジスタに関するものである。
【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、従来、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の作成には２００℃以上の成膜温度を必要とするため、安価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。
【０００３】
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印刷プロセスで膜形成ができるため、大幅にコストを下げられる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、有機半導体材料の移動度は極めて低く、また経時劣化にも弱いという難点があり未だ広範な実用に至っていない。
【０００４】
以上のような状況を受け、透明酸化物半導体が近年注目を浴びている。透明酸化物半導体は低温で作成しても高い移動度を示す上に基材、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。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】K. Nomura et al. Nature, 432, 488 (2004)  この文献によれば、上記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、野村らは室温でPET基板上に移動度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。
【０００５】
また酸化物材料は光劣化するアモルファスシリコンや長期安定性に劣る有機半導体と比較して、長期保存安定性に優れると考えられてきた。
【０００６】
しかしながら、酸化物薄膜トランジスタの半導体特性は膜中の酸素空孔濃度に極めて敏感に影響される。そのため膜作製後においても水分や環境中の酸素の影響を受け、膜中の酸素空孔濃度が増加したり減ったりすることがあり、トランジスタが経時変化を受けることが分かってきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明者らは、かかる従来の酸化物半導体の経時変化現象を解消せんと鋭意検討の結果、本発明に達した。本発明では酸化物半導体を活性層として、経時劣化無く優れた特性を持つ薄膜トランジスタを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明は、可撓性プラスチック基材と、この基材上に設けられたトランジスタ素子と、このトランジスタ素子を覆う保護膜とを備えるトランジスタであって、
前記トランジスタ素子が、前記基材上に設けられたゲート電極と、このゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられ、酸化物半導体から構成され
た半導体活性層と、この半導体活性層に電気的に接触して配列されたソース電極と、前記半導体活性層に電気的に接触すると共に前記ソース電極に離隔して配列されたドレイン電極とを備え、前記ゲート電極に印加する電圧の有無によって、前記ソース電極とドレイン電極との導通をオン又はオフするトランジスタ素子であり、
前記保護膜の水蒸気透過率が１ｇ／ｍ2／ｄａｙ以下であり、酸素透過率が１ｃｃ／ｍ2／ｄａｙ以下であり、かつ、電気抵抗率が１０11Ω・ｃｍ以上であるトランジスタである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、このような特性を持つ保護膜を実現することで初期特性のみならず、経時変化が少なく、長期安定性にも優れた素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面を参照して本発明を説明する。図１に本発明の一例として、酸化物半導体を活性層とするボトムゲート型薄膜トランジスタの一例を図示した。図１のFETでは、可撓性プラスチック基材１上にトランジスタ素子が設けられており、また、このトランジスタ素子を覆う保護膜９が設けられている。トランジスタ素子は、基材１上に設けられたゲート電極２および補助コンデンサー電極３と、これらゲート電極２および補助コンデンサー電極３を被覆して設けられたゲート絶縁膜４と、このゲート絶縁膜４上に設けられ、酸化物半導体から構成された半導体活性層５と、この半導体活性層５に電気的に接触して配列されたソース電極８と、前記半導体活性層５に電気的に接触すると共に前記ソース電極８に離隔して配列されたドレイン電極７とで構成されており、ゲート電極２に電圧を印加することによりソース電極８とドレイン電極８とを導通させ、また、ゲート電極２の電圧を解除することによりソース電極８とドレイン電極８とを絶縁させる。なお、ソース電極８には画素電極６が接続されており、この画素電極６は、ゲート絶縁膜４を介して、前記補助コンデンサー電極３と容量結合して、これら画素電極６、ゲート絶縁膜４及び補助コンデンサー電極３の三者でコンデンサを構成している。
【００１１】
なお、図に示す例においては、基材１側から見て、ゲート絶縁膜４上に半導体活性層５が設けられ、この半導体活性層５上にドレイン電極７とソース電極８が設けられているが、これに限られず、ゲート絶縁膜４上にドレイン電極７とソース電極８を配置し、この両電極７，８上に半導体活性層５を設けても良い。
【００１２】
本発明に用いる可撓性プラスチック基材１は透明であっても不透明であってもかまわない。但し、透過型ディスプレー用薄膜トランジスタとして使用する場合は透明であることが望ましい。具体的にはポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、ポリイミド、透明性ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂などを使用することができるが、これらに限定されるわけではない。これらは単独の基材として使用してもよいが、二種以上を積層した複合基材を使用することもできる。これらの基材の片面もしくは両面に透明もしくは不透明なガスバリア層が付与されていることもまた好ましい。
【００１３】
本発明のゲート絶縁膜４に用いる絶縁材料は、特に限定しないが、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ
エチレンナフタレート、ポリプロビレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフェン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリルレート、ポリエチレン、ポリスチロール、テフロン（登録商標）、エボナイト、エポキシなどが使用できる。金属電極間のリーク電流を抑えるためには、絶縁材料の抵抗率は１０12 (W・ｃｍ)以上であることが好ましい。
【００１４】
酸化物半導体トランジスタが経時変化なく性能を保つためには、保護膜９は水蒸気透過率が１ｇ／ｍ2／ｄａｙ以下であり、酸素透過率が１ｃｃ／ｍ2／ｄａｙ以下であり、かつ、電気抵抗率が１０11Ω・ｃｍ以上であることが必要である。より好ましくは水蒸気透過率は０．５ｇ／ｍ2／ｄａｙ以下、酸素透過率が０．８ｃｃ／ｍ2／ｄａｙ以下である。
【００１５】
また、保護膜９は非晶質の膜であることが望ましい。多結晶である場合は結晶粒界の影響で絶縁性が悪化したり、ガスバリア性能が劣化することがある。ここで非晶質というのは、完全な非晶質および結晶粒が１０ｎｍ以下の結晶粒が非晶質構造中に散在したような系をも含む概念である。
【００１６】
保護膜９は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD (Chemical Vapor Deposition)法、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、もしくはゾルゲル法等の方法を用いて形成される。保護膜９の厚さは１０ｎｍ〜５μｍであることが望ましい。
【００１７】
保護膜９は無機酸化物および無機窒化物から成ることが望ましい。また無機酸化窒化物(オキシナイトライド)も好適に用いられる。より好ましくは酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウムいずれかの単独、もしくは二種以上の混合系などが使用できるがこれらに限定されるものではない。このような化合物を用いることで絶縁性とガスバリア性を両立する保護膜９を形成することができる。また保護膜９を二層以上積層することも優れた絶縁性とガスバリア性を得るために好ましい。
【００１８】
本発明に係る半導体活性層５に用いる酸化物半導体材料は亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウム、カドミウム、鉛及びアンチモン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公知の材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶/アモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであってもかまわない。半導体活性層５の膜厚は少なくとも２０ｎｍ以上が望ましい。半導体活性層５はスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MBE (Molecular Beam Epitaxy)法、ゾルゲル法などの方法を用いて形成されるが、好ましくはスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法である。スパッタ法ではRFマグネトロンスパッタ法、DCスパッタ法、真空蒸着では加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング法、CVD法ではホットワイヤーCVD法、プラズマCVD法などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００１９】
本発明に係るゲート電極２、補助コンデンサー電極３、ドレイン電極７及びソース電極８は、いずれの電極も、金、白金、銀、パラジウム、銅、アルミニウム、ニクロム、クロム、チタン、インジウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化カドミウム、酸化ガリウム、導電性ポリマーなどを使用して構成することができる。これら電極２，３，７，８は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、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法等で形成することができる。また、導電性ペーストを用いてスピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、インクジェッット、平版印刷などで形成することも可能である。酸化イ
ンジウム、酸化亜鉛、酸化スズ等の透明導電性酸化物を使用して、前記電極２，３，７，８を透明とする場合には、ドーパントを混入させることでこれら透明電極２，３，７，８の導電率を上げることが望ましい。例えば酸化亜鉛ではガリウム、アルミニウム、ボロンなどをドーパントとし、酸化スズではフッ素、アンチモンなどをドーパントとし、また、酸化インジウムではスズ、亜鉛、チタン、セリウム、ハフニウム、ジルコニアなどをドーパントとして、これらドーパントを混入させて前記透明電極２，３，７，８を縮退させることが好ましい。また電極の材料として、半導体活性層５に用いる酸化物半導体材料と同じ材料を母材料とし、ドーパント濃度だけを高くすることもまた生産効率増加のために望ましい。電極の膜厚は少なくとも１５ｎｍ以上である必要がある。また、これら電極２，３，７，８の材料は、全て同じものとしてもよく、異なるものとしても良い。
【００２０】
本発明の酸化物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】
【００２１】
（実施例）
実施例として図1に示したトランジスタを作成した。まず、プラスチック基材1には三菱ダイヤホイル社製のポリエチレンテレフタレート(PET)Ｔ−６０（厚さ１００μｍ]を使用した。この基材１上にアルミニウムをスパッタで５０ｎｍの厚さに積層し、エッチング法でゲート電極２および補助コンデンサー電極３をパターニングした。
【００２２】
次に、ターゲットとしてＳｉＮの焼結体を用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法（Ａｒ：４０ＳＣＣＭ、酸素：０．２ＳＣＣＭ）により、上記電極２，３を被覆してＳｉＯＮを２８０ｎｍの厚さに積層してゲート絶縁膜４を形成した。なお、ここでゲート絶縁膜４が走査電極および信号電極の電極取り出し部を被覆することのないよう、取り出し部をテープで覆って前記ゲート絶縁膜４を形成した。
【００２３】
次に、ターゲットとしてＺｎＯの焼結体を用いＲＦマグネトロンスパッタ法（スパッタガスはＡｒ：１９．７ＳＣＣＭ、酸素：０．３ＳＣＣＭ（酸素流量比１．５％））によって４０ｎｍの膜厚を有する半導体活性層を作製し、エッチング法によりパターニングして、半導体活性層５を形成した。なお、この半導体活性層５は、図１に示すように、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２と対向する位置に設けた。
【００２４】
続いてスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）からなる画素電極６、ソース電極８およびドレイン電極７をRFマグネトロンスパッタ法で形成した。膜厚は、いずれの電極も５０ｎｍである。パターニングはリフトオフ法を用いた。また、チャネル長は５０mｍ、チャネル幅は５０mｍで形成した。
【００２５】
最後にゲート絶縁膜４と同条件のＳｉＯＮ膜を用いて保護膜９を形成した。保護膜９の膜厚１２０ｎｍとし、画素電極上の保護膜９はリフトオフ法で除去した。表1に作製条件をまとめて示す。
【００２６】
【表１】
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また、上記保護膜９を成膜する時に同時にPET基材１上にも保護膜９を成膜した。そして、PET基材１上の保護膜９の水蒸気透過率、酸素透過率を米国モコン(Mocon)社製のガスバリア性測定器(機種名：パーマトランPERMATRAN)で測定した。水蒸気透過率は０．３４ｇ／ｍ2／ｄａｙ、酸素透過率は０．４ｃｃ／ｍ2／ｄａｙであった。また抵抗率を測定すると５×１０14（W・ｃｍ）であった。
【００２７】
（比較例）
実施例と同様に、PET基材１上に、酸化物からなる半導体活性層５、ソース電極８およびドレイン電極７、ゲート絶縁層４、ゲート電極２の順にトップゲート型の薄膜トランジスタを作製した。各層の成膜条件は実施例と同じである。
【００２８】
引き続いてＥＢ蒸着法でＳｉＯ2から成る保護膜９を１２０ｎｍの厚さに形成した。原材料としては粒状ＳｉＯ2を用い、成膜時に酸素を２０ＳＣＣＭ導入した。また、保護膜成膜時に同時にPET基板上にも保護膜を作製し、そのバリア特性を米国モコン(Mocon)社製のガスバリア性測定器(機種名：パーマトランPERMATRAN)で測定した。水蒸気透過率は９．５ｇ／ｍ2／ｄａｙ、酸素透過率は５．７ｃｃ／ｍ2／ｄａｙであった。また抵抗率を測定すると３×１０14  （W・ｃｍ）であった。
【００２９】
これら実施例および比較例の薄膜トランジスタの特性を作製直後、５日後、２０日後に測定した結果を図２に示す。図２から明らかな通り、実施例のトランジスタは初期特性だけでなく、長期の安定性にも優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の薄膜トランジスタの一例の断面構造を示す説明図。
【図２】実施例及び比較例のトランジスタの特性を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
１  基材
２  ゲート電極
３  補助コンデンサー電極
４  ゲート絶縁膜
５  半導体活性層
６  画素電極
７  ドレイン電極
８  ソース電極
９  保護膜
【図１】
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【図２】
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