JP2014063962A

JP2014063962A - 縦型トランジスタの製造方法

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Publication number: JP2014063962A
Application number: JP2012209605A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kato; 哲弥加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: JP6003460B2

Abstract

【課題】寄生容量を低下させることで高速応答性の低下を抑制することも可能な縦型トランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】導体層１２を形成したのち、基板１を有機溶媒、例えばトルエン等の中に浸漬させる。これにより、有機溶媒に可溶膜１０が溶け、導体層１２のうち可溶膜１０の上に形成されていた部分が除去（リフトオフ）され、導体層１２のうちリブ２の側面に形成された部分のみ残る。このため、ゲート電極３と底部電極層６および頂部電極層７とが対向配置された状態にならない。したがって、従来のように、凸部の側面および上面から凹部の底面に至るまでゲート電極が形成された構造とは異なり、ゲート電極３とソース電極もしくはドレイン電極との間に寄生容量が発生しない。また、大電流密度が得られるのに加えて、寄生容量を低下させられることで高速応答性の低下を抑制することも可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機半導体材料などで構成される半導体薄膜を用いて形成される縦型トランジスタの製造方法に関するもので、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などの駆動用トランジスタに適用すると好適である。

従来、有機半導体材料などで構成される半導体薄膜を用いた縦型トランジスタとして特許文献１に示されるものがある。この従来の縦型トランジスタは、次のような構造とされている。具体的には、複数の凸部（リブ）が表面に形成された絶縁基板の上に導電層で構成されるゲート電極と絶縁層および半導体層が順に成膜され、半導体層のうち絶縁基板の凹部内に形成された部分が除去されている。この除去された部分に底部電極層が形成されていると共に、絶縁基板の凸部の上面に頂部電極層が形成されている。

このような構造では、頂部電極層と底部電極層のうちの一方をソース電極、他方をドレイン電極として、ゲート電極に対して所定の電圧を印加すると、半導体層のうちソース電極とドレイン電極の間に位置する部分においてチャネル領域が形成される。これにより、チャネル領域を通じてソース−ドレイン間、つまり絶縁基板に形成された凸部の側面において電流を流すことができる。

国際公開第２００９／１３３８９１号パンフレット

上記したような縦型トランジスタは、薄膜を積層することで構成されることから、凸部の高さや薄膜の厚みなどに応じてチャネル長を設定でき、容易に短チャネル構造を構成することが可能である。このため、縦型トランジスタは、横型トランジスタと比較して、大電流密度、高速応答性が得られるというメリットがある。

しかしながら、上記した特許文献１のような構造の縦型トランジスタの場合、絶縁基板の表面、つまり凸部の側面および上面から凹部の底面に至るまでゲート電極が形成された構造となっている。このため、ゲート電極とソース電極もしくはドレイン電極との間に寄生容量が発生し、その結果、高速応答性が損なわれてしまうという問題が発生する。その解決策として、柱状に加工されたゲート電極を用いる構造が提案されている。しかし、ゲート電極を柱状に加工する場合、線幅が細いと、断線する可能性が高くなると共に配線も困難になり、安定的に素子形成することが困難となるため、線幅を太くする必要がある。特に、チャネル長を確保するにはゲート電極の高さを数μｍ程度の高さにしなければならないため、ゲート電極の線幅を太くする必要があり、コスト的に不利である。

本発明は上記点に鑑みて、寄生容量を低下させることで高速応答性の低下を抑制することも可能な縦型トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１ないし７に記載の発明では、少なくとも表層が絶縁体とされた基板（１）の上に、側面および上面を有する絶縁体にて構成されたリブ（２）を形成する工程と、基板の表面のうちリブが形成されていない部分およびリブの上面にのみ、有機溶媒に可溶性を有する材料で構成された可溶膜（１０）を形成する工程と、リブの側面および可溶膜の上に導体層（１２）を形成する工程と、有機溶媒にて可溶膜を除去することで、導体層のうち可溶膜の上に形成されていた部分をリフトオフさせ、リブの側面にのみ導体層を残すことでゲート電極（３）を形成する工程と、ゲート電極の表面にゲート絶縁膜（４）を形成する工程と、ゲート絶縁膜上に半導体層（５）を形成する工程と、基板のうちリブおよびゲート電極が形成された部分を凸部とし、リブおよびゲート電極が形成されていない部分を凹部として、凹部の底面において半導体層と接するように底部電極層（６）を形成すると共に凸部の上面において半導体層と接するように頂部電極層（７）を形成する工程と、を含んでいることを特徴としている。

このような製造方法によれば、リフトオフによりリブの側面にのみゲート電極が形成されるようにできる。このため、ゲート電極と底部電極層および頂部電極層とが対向配置された状態にならない。したがって、従来のように、凸部の側面および上面から凹部の底面に至るまでゲート電極が形成された構造とは異なり、ゲート電極とソース電極もしくはドレイン電極との間に寄生容量が発生しない。これにより、横型トランジスタと比較して、大電流密度が得られるのに加えて、寄生容量を低下させられることで高速応答性の低下を抑制することも可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる縦型トランジスタの断面図である。図１に示す縦型トランジスタの製造工程を示した断面図である。図２に続く縦型トランジスタの製造工程を示した断面図である。リブ２の側面に材料を付着させないようにする場合の基板１およびリブ２と材料源１１との関係を示した図である。リブ２の側面に材料を付着させる場合の基板１およびリブ２と材料源１１との関係を示した図である。本発明の第２実施形態にかかる縦型トランジスタの断面図である。図６に示す縦型トランジスタの製造工程を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる縦型トランジスタの構造について、図を参照して説明する。この縦型トランジスタは、例えば有機ＥＬ素子の駆動回路に備えられるトランジスタなどに適用される。

本実施形態の縦型トランジスタは、図１に示される構造によって構成されている。具体的には、ガラスなどの絶縁性基板によって構成される基板１の上に、ＳｉＯ_xや感光性レジストなどの絶縁材料で構成されたリブ２が形成されている。リブ２は、断面四角形状を成しており、例えば紙面垂直方向を幅方向として延設されている。リブ２の側面には、導電層として例えばＡｕとＣｒとが順に積層されたゲート電極３が形成されている。これらリブ２およびゲート電極３は、複数個が例えば等間隔に並べられて配置されており、これらの間においては基板１の表面がゲート電極３やリブ２によって覆われておらず露出させられている。このため、リブ２およびゲート電極３が形成された位置は凸部、これらが形成されていない位置は凹部となっている。

基板１の表面やリブ２およびゲート電極３の表面にはＳｉＯ₂やアルミナもしくは有機材料などの絶縁材料によって構成されたゲート絶縁膜４が形成されている。また、ゲート絶縁膜４の側面に、有機半導体材料にて構成された有機半導体層５が備えられている。そして、凹部の底面、つまり基板１上においてリブ２およびゲート電極３が形成されていない位置に配置された部分の上に、有機半導体層５と接するようにＡｕなどの電極材料で構成された底部電極層６が形成されている。さらに、凸部の上面、つまり基板１上においてリブ２およびゲート電極３が形成されている位置に配置された部分の上に、有機半導体層５と接するようにＡｕなどの電極材料で構成された頂部電極層７が形成されている。そして、このような構造により、本実施形態にかかる縦型トランジスタが構成されている。

このように構成された縦型トランジスタでは、底部電極層６と頂部電極層７のうちの一方がソース電極、他方がドレイン電極を構成する。この縦型トランジスタは、ゲート電極３に対して所定の電圧が印加されると、有機半導体層５のうちソース電極とドレイン電極の間に位置する部分においてチャネル領域を形成する。これにより、チャネル領域を通じてソース−ドレイン間、つまりリブ２の側面において電流を流すという動作を行う。

このような縦型トランジスタは、薄膜を積層することで構成されることから、リブ２の高さやゲート絶縁膜４の厚みなどに応じてチャネル長を設定でき、容易に短チャネル構造を構成することが可能である。

続いて、本実施形態にかかる縦型トランジスタの製造方法について、図２および図３に示す各製造工程を示した断面図を用いて説明する。

〔図２（ａ）に示す工程〕
まず、ガラスなどの絶縁性基板によって構成される基板１を用意し、その上にＳｉＯ_xなどで構成される絶縁層を配置する。例えば、ＣＶＤ、原子層成長（以下、ＡＬＤという）法などによって絶縁層を形成することができる。そして、フォトエッチングなどにより、絶縁層をパターニングしてリブ２を形成する。このとき、リブ２の側面が基板１の表面に対して垂直もしくはリブ２の側面と底面との成す角度θが鈍角となるような逆テーパ形状となるようなエッチングによりリブ２を形成すると好ましい。また、感光性レジストを用いる場合には、ネガティブレジストを用い、露光・現像を行うことでリブ２を形成する。

〔図２（ｂ）に示す工程〕
基板１のうちの露出面およびリブ２の上面に対して、有機溶媒に可溶性を有する材料の膜（以下、可溶膜という）１０を配置する。例えば、有機溶媒として例えばトルエン等を用いることを想定しており、トルエン等に可溶性を有する可溶膜１０の材料として例えばα−ＮＰＤなどを用いている。また、可溶膜１０の成膜方法としては、真空蒸着などを用いることができる。このとき、成膜の方法によりリブ２の側面に可溶膜１０が成膜されないようにすることも可能であるし、リブ２の側面に可溶膜１０が成膜されたとしても、必要に応じてフォトエッチング工程を行って可溶膜１０をパターニングすれば良い。

具体的には、可溶膜１０の形成の際に、リブ２の側面に可溶膜１０が形成されないようにする場合、次の条件を満たすようにすれば良い。

例えば、真空蒸着などにおいて、図４に示すように材料源１１の材料放出面の全域が基板１と対向する位置に入るようにする。そして、材料源１１から基板１の両端に向かう直線と基板１の表面とが成す両角度をそれぞれθ１、θ２、リブ２の側面と基板１の露出表面との成す角度をθ３として、θ１、θ２が共にθ３以上となるようにする（ただし、θ１〜θ３≦９０°）。このようにすれば、リブ２の側面がリブ２の上面の陰になって材料の付着が抑制されるため、リブ２の側面に可溶膜１０が形成されないようにすることが可能となる。

〔図２（ｃ）に示す工程〕
基板１の表面やリブ２の上面に形成された可溶膜１０の表面、および、リブ２の側面に例えばＡｕなどで構成される導体層１２を成膜する。例えば、真空蒸着などによって、導体層１２を形成することができる。

なお、導体層１２の形成の際に、リブ２の側面にも導体層１２が形成されるようにするには、次の条件を満たすようにすれば良い。

例えば、真空蒸着などにおいて、図５に示すように材料源１１の材料放出面の少なくとも一部が基板１と対向する位置から外れるようにする。そして、材料源１１から基板１の両端に向かう直線と基板１の表面とが成す両角度をそれぞれθ１、θ２、リブ２の側面と基板１の露出表面との成す角度をθ３として、θ１、θ２が共にθ３以下となるようにする（ただし、θ１〜θ３≦９０°）。このようにすれば、リブ２の側面にも材料が付着し、リブ２の側面に導体層１２が形成されるようにすることが可能となる。

〔図３（ａ）に示す工程〕
導体層１２を形成したのち、リブ２などが形成された基板１を有機溶媒、例えばトルエン等の中に浸漬させる。これにより、有機溶媒に可溶膜１０が溶け、導体層１２のうち可溶膜１０の上に形成されていた部分が除去（リフトオフ）され、導体層１２のうちリブ２の側面に形成された部分のみ残る。この導体層１２のうちリブ２の側面に残った部分により、ゲート電極３が構成される。また、基板１のうちリブ２が形成されていない部分およびリブ２の上面は、可溶膜１０および導体層１２が除去されることにより露出した状態となる。

〔図３（ｂ）に示す工程〕
基板１の露出表面やリブ２の上面およびゲート電極３の表面を覆うようにゲート絶縁膜４を形成する。例えば、トリメチルアルミニウムを原料にして、ＡＬＤ法などによって形成されるアルミナによってゲート絶縁膜４を構成することができる。ＡＬＤ法によれば、低温プロセスでゲート絶縁膜４を成膜することができる。このような低温プロセスを適用すると、耐熱性が十分ではないリブ２などを高温に晒す必要がなくなるため、リブ２を高温から保護することが可能となる。また、本実施形態の場合、基板１としてガラス基板を用いているため耐熱性に優れているが、基板１として樹脂基板を用いることもできる。このような樹脂基板を用いる場合には、耐熱性が十分ではないため、低温プロセスでゲート絶縁膜４を成膜することは有効である。

〔図３（ｃ）に示す工程〕
ゲート絶縁膜４の上に例えばＣＶＤ法などによって有機半導体層５を成膜する。そして、底部電極層６および頂部電極層７を構成するための電極材料をスパッタ法やシャドウマスクを用いた真空蒸着法などによって成膜する。このとき、成膜の方法により有機半導体層５のうちチャネルとなる部分に電極材料が成膜されないようにすることも可能であるし、チャネルとなる部分に電極材料が成膜されたとしても必要に応じてフォトエッチング工程を行って可溶膜１０をパターニングすれば良い。このようにして底部電極層６および頂部電極層７を形成し、図１に示した本実施形態にかかる縦型トランジスタが製造される。

なお、有機半導体層５の形成の際にも、リブ２の側面に有機半導体層５が形成されるようにするために、図５で示した関係となるように基板１およびリブ２に対して材料源１１を配置して有機半導体層５を成膜すればよい。また、底部電極層６および頂部電極層７を構成するための電極材料の形成の際にも、リブ２の側面に電極材料が形成されないようにする場合、図４で示した関係となるように基板１およびリブ２に対して材料源１１を配置して電極材料を成膜すればよい。

以上説明したように、本実施形態にかかる縦型トランジスタの製造方法によれば、リフトオフによりリブ２の側面にのみゲート電極３が形成されるようにできる。このため、ゲート電極３と底部電極層６および頂部電極層７とが対向配置された状態にならない。したがって、従来のように、凸部の側面および上面から凹部の底面に至るまでゲート電極が形成された構造とは異なり、ゲート電極３とソース電極もしくはドレイン電極との間に寄生容量が発生しない。これにより、横型トランジスタと比較して、大電流密度が得られるのに加えて、寄生容量を低下させられることで高速応答性の低下を抑制することも可能となる。

また、リブ２を先に形成しておき、このリブ２の側面にゲート電極３を配置するという方法であるため、予めゲート電極３を柱状に構成する場合のように、ゲート電極３の線幅を太くしておく必要もないし、容易にゲート電極３の高さを確保することもできる。したがって、コスト的にも有利に縦型トランジスタを製造することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の縦型トランジスタは、第１実施形態に対してよりゲート電極３のリブ２への密着性を高められるようにしたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態にかかる縦型トランジスタでは、リブ２の側面を含め、リブ２の表面および基板１の露出表面全体を覆うように電極密着層８を成膜している。電極密着層８は、リブ２とゲート電極３との密着性を高めるものであり、無機酸化物などで構成される。このように、リブ２とゲート電極３との間に電極密着層８を配置することにより、ゲート電極３のリブ２への密着性が高まり、ゲート電極３のリブ２からの剥がれを抑制することが可能となる。

このような構造の縦型トランジスタの製造方法は、基本的には第１実施形態で説明した製造方法と同様であるため、第１実施形態と異なっている部分について主に説明する。

まず、図７（ａ）に示す工程では、図２（ａ）と同様の工程を行うことで基板１の表面にリブ２を形成する。そして、図７（ｂ）に示す工程では、リブ２の側面を含め、リブ２の表面および基板１の露出表面全体を覆うように電極密着層８を成膜する。例えば、トリメチルアルミニウムを原料にして、ＡＬＤ法などによって形成されるアルミナによって電極密着層８を構成することができる。その後、図７（ｃ）、（ｄ）に示す工程では、図２（ｂ）、（ｃ）と同様の工程を行う。すなわち、図７（ｃ）に示す工程では、電極密着層８のうちリブ２の上面や基板１の露出表面上に形成された部分の上にのみ残り、リブ２の側面上に形成された部分の上には残らないように可溶膜１０を成膜する。また、図７（ｄ）に示す工程で、可溶膜１０の上や電極密着層８のうちリブ２の側面上に形成された部分の上に導体層１２を成膜する。

この後の工程については図示しないが、図３（ａ）と同様の工程を行うことで、導体層１１のうち可溶膜１０の上に形成されていた部分を除去（リフトオフ）し、導体層１２のうちリブ２の側面に形成された部分のみを残るようにする。そして、図３（ｂ）、（ｃ）と同様の工程を行うことで、図６に示した本実施形態の縦型トランジスタが完成する。

以上説明したように、リブ２とゲート電極３との間に電極密着層８を配置することにより、ゲート電極３のリブ２への密着性が高まり、ゲート電極３のリブ２からの剥がれを抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、縦型トランジスタに備えられるチャネル領域形成用の半導体層として有機半導体層５を用いる場合について説明したが、無機酸化物半導体にて構成することもできる。

また、絶縁性基板としてガラスなどによって形成された基板１を例に挙げたが、樹脂基板などであっても良く、少なくとも縦型トランジスタが構成される側の表層が絶縁体とされた基板であれば良い。

１基板
２リブ
３ゲート電極
４ゲート絶縁膜
５有機半導体層
６底部電極層
７頂部電極層
１０突起部
１１導電層

Claims

少なくとも表層が絶縁体とされた基板（１）を用意する工程と、
前記基板の上に、側面および上面を有する絶縁体にて構成されたリブ（２）を形成する工程と、
前記基板の表面のうち前記リブが形成されていない部分および前記リブの上面にのみ、有機溶媒に可溶性を有する材料で構成された可溶膜（１０）を形成する工程と、
前記リブの側面および前記可溶膜の上に導体層（１２）を形成する工程と、
前記有機溶媒にて前記可溶膜を除去することで、前記導体層のうち前記可溶膜の上に形成されていた部分をリフトオフさせ、前記リブの側面にのみ前記導体層を残すことでゲート電極（３）を形成する工程と、
前記ゲート電極の表面にゲート絶縁膜（４）を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に半導体層（５）を形成する工程と、
前記基板のうち前記リブおよび前記ゲート電極が形成された部分を凸部とし、前記リブおよび前記ゲート電極が形成されていない部分を凹部として、前記凹部の底面において前記半導体層と接するように底部電極層（６）を形成すると共に前記凸部の上面において前記半導体層と接するように頂部電極層（７）を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする縦型トランジスタの製造方法。
前記リブを形成する工程の後で、前記基板のうち前記リブが形成されていない露出面と前記リブの上面および前記リブの側面に、前記ゲート電極と前記リブとの密着性を高める電極密着層（８）を形成する工程を有し、
前記可溶膜を形成する工程では、前記電極密着層を介して、前記基板の表面のうち前記リブが形成されていない部分および前記リブの上面に前記可溶膜を形成し、
前記導体層を形成する工程では、前記電極密着層を介して、前記リブの側面の上に前記導体層を形成することを特徴とする請求項１に記載の縦型トランジスタの製造方法。
前記電極密着層を形成する工程では、トリメチルアルミニウムを原料にして原子層成長法により形成されるアルミナによって前記ゲート絶縁膜を構成することを特徴とする請求項２に記載の縦型トランジスタの製造方法。
前記可溶膜を形成する工程では、前記有機溶媒に可溶性を有する材料として、有機材料を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の縦型トランジスタの製造方法。
前記ゲート絶縁膜を形成する工程では、トリメチルアルミニウムを原料にして原子層成長法により形成されるアルミナによって前記ゲート絶縁膜を構成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の縦型トランジスタの製造方法。
前記可溶膜を形成する工程や前記底部電極層および頂部電極層を形成する工程では、材料源（１１）から前記基板の両端に向かう直線と前記基板の表面とが成す両角度をそれぞれθ１、θ２、前記リブの側面と前記基板の露出表面との成す角度をθ３として、θ１、θ２が共にθ３以上となるようにすることにより、前記可溶膜や底部電極層および頂部電極層が前記リブの側面に形成されないようにすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の縦型トランジスタの製造方法。
前記導体層を形成する工程や前記半導体層を形成する工程では、材料源（１１）から前記基板の両端に向かう直線と前記基板の表面とが成す両角度をそれぞれθ１、θ２、前記リブの側面と前記基板の露出表面との成す角度をθ３として、θ１、θ２が共にθ３以下となるようにすることにより、前記導体層や前記半導体層が前記リブの側面にも形成されるようにすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の縦型トランジスタの製造方法。