JP4892814B2 - 有機薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電極体に関する。また、電子ペーパー、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬＤ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等のフレキシブルあるいはフラットパネルディスプレイのピクセル駆動のためのスイッチング素子として有望な、有機薄膜トランジスタとそれらの製造方法に関するものである。
近年、次世代の高品質・低価格のフラットパネルディスプレイデバイスあるいは電子ペーパーの画素駆動のためのスイッチング素子として、有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）注目されている。
有機ＴＦＴでは、従来の非晶質あるいは多結晶シリコンＴＦＴと比較し、真空装置を使用せず、印刷法等により作製できるため、プロセスの低コスト化が可能である。さらに、１００℃以下の低温で作製が可能であるため、フィルムなどのフレキシブルの基材を使用することができる。したがって、有機ＴＦＴは、有機ＥＬや電子ペーパーの駆動素子として期待され、各社で開発が進められている。
ＴＦＴは、通常電界効果形のトランジスタであるため、チャネルとなる半導体薄膜とゲート絶縁膜近傍の電荷の誘起特性が、最もＴＦＴのデバイス特性を左右する。さらに、チャネルに有機半導体を用いる、有機ＴＦＴでは、ソース電極及びドレイン電極と半導体層との間でのキャリア（電子、正孔）の移動特性が、デバイス特性に大きな影響を及ぼす。良好なＴＦＴ特性を得るためには、オーム性接触であることが不可欠である。
電極（ソース、ドレイン）と半導体層との界面に生じるキャリアの移動特性は、理論的には両者の仕事関数（半導体の場合はフェルミ準位）で決定される。ＴＦＴの場合、チャネルがｎ型である場合には、電極（ソース、ドレイン）の仕事関数は小さい方が、一方、チャネルがｐ型である場合には、電極（ソース、ドレイン）の仕事関数は大きい方が、キャリアの移動効率は高くなり、良好なオーム性接触を得ることができる。
ＴＦＴのチャネルとして無機半導体を用いた場合には、界面準位やシリサイドの生成により、仕事関数以外の要因が、注入特性に影響する場合も多い。これに対して、特に最近実用化開発で注目されている、チャネルが有機半導体の場合（低分子、高分子）の有機薄膜トランジスタでは、界面準位ができにくいため、電極表面の仕事関数制御が効率向上のために、すなわち実用化のために、不可欠となっている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平５−５５５６８号公報
従来は、チャネルがｐ型有機半導体の場合、高仕事関数電極として、金薄膜が広く用いられている。しかしながら、仕事関数は５．０ｅＶ程度と有機半導体層と比較して小さく、デバイス効率の低下を招く原因となっていた。
一方、チャネルがｎ型有機半導体の場合、低仕事関数電極として、Ａｌなどの金属薄膜が広く用いられている。しかしながら、仕事関数は４．２ｅＶ程度と有機半導体層と比較して大きく、デバイス効率の低下を招く原因となっていた。
本発明は、上記状況に鑑みて、チャネルがｐ型有機半導体の場合には仕事関数が大きく、チャネルがｎ型有機半導体の場合には仕事関数が小さく、正孔ならびに電子の注入効率が高い、すなわちＴＦＴ特性の向上を図ることできる電極体及びそれを用いた有機薄膜トランジスタ並びにそれら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に、本発明の第１の発明は、有機薄膜トランジスタの製造方法において、基体上にゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に、間隙を隔ててソース電極体及びドレイン電極体を形成する工程と、該ソース電極体及びドレイン電極体の間隙を覆うようにｐ型有機半導体層を形成する工程と、を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ソース電極体及び／又はドレイン電極体の形成工程が、炭化水素及び水素を含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりアモルファスカーボン膜を成膜する工程、アモルファスカーボン膜を酸素またはハロゲンまたはハロゲン化合物を含むガスを用いたプラズマ処理を施す工程、を含むことを特徴とする。
また、本発明の第２の発明は、有機薄膜トランジスタの製造方法において、基体上にゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に、間隙を隔ててソース電極体及びドレイン電極体を形成する工程と、該ソース電極体及びドレイン電極体の間隙を覆うようにｎ型有機半導体層を形成する工程と、を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ソース電極体及び／又はドレイン電極体の形成工程が、炭化水素及び水素を含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりアモルファスカーボン膜を成膜する工程、アモルファスカーボン膜を水素または還元性のガスを用いたプラズマ処理を施す工程、を含むことを特徴とする。
また、本発明の第３の発明は、有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記アモルファスカーボン膜が、ダイヤモンド状カーボン膜であることを特徴とする。
また、本発明の第４の発明は、有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ダイヤモンド状カーボン膜を成膜する工程において、ドープガスとして、窒素、フォスフィン、硫化水素、ジボラン、酸素およびシランからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とする。
このように構成することにより、本発明では、電極体として、アモルファスカーボン膜、特にはダイヤモンド状カーボン膜を使用し、かつその表面を電子吸引基あるいは電子供与基で終端することにより、２．８ｅＶから６．５ｅＶの低仕事関数及び高仕事関数の双方を実現できる。また、この電極体を有機薄膜トランジスタのソース電極体及び／又はドレイン電極体に利用することで、高スイッチング特性を持たせることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
電極体自身若しくは電極体の表面層として、アモルファスカーボン膜、特にはダイヤモンド状カーボン膜を使用し、かつその表面を電子吸引基あるいは電子供与基で終端することにより、２．８ｅＶから６．５ｅＶの低仕事関数及び高仕事関数の双方を実現できる。また、この電極体を有機薄膜トランジスタのソース電極体及び／又はドレイン電極体に利用することができる。これは、アモルファスカーボン膜、特にはダイヤモンド状カーボン膜は、導電性をもつあるいはドープにより導電性を付与することができるため、また、成膜条件を制御することにより透明膜が作製できるため、ソース電極体あるいはドレイン電極体の表面層としてだけではなく、ソース電極体あるいはドレイン電極体の電極自体としても適用することができる。
この場合、アモルファスカーボン膜、特にはダイヤモンド状カーボン膜の製法として、炭化水素及び水素を含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜し、さらに膜表面を電子吸引性の原子を含むガスあるいは電子供与性の原子を含むガスを用いたプラズマ処理を施すことにより、仕事関数制御ができ、高仕事関数及び低仕事関数が得られる。また、これらの電極体を用いることにより、高いスイッチング特性をもつ有機薄膜トランジスタが得られる。
また、以上の製造方法は、メータースケールに対応できる高周波プラズマを利用しており、ディスプレイなどの大面積デバイスに適した、大面積かつ低温成膜が可能で、実用化に有効な方法である。
次に、本発明の電極体を有機薄膜トランジスタのソース電極体及び／又はドレイン電極体に用いる場合を例に採り、詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す有機薄膜トランジスタ断面図である。
この図において有機薄膜トランジスタは、基体としての絶縁基板１１、絶縁基板１１上に形成されるゲート電極１２、ゲート電極１２上に形成されるゲート絶縁膜１３、ゲート絶縁膜１３上に形成されるソース電極体１４及びドレイン電極体１５、ゲート絶縁膜１３とソース電極体１４とドレイン電極体１５上に形成されるｐ型有機半導体層１６からなる。
本実施例においては、ソース電極体１４およびドレイン電極体１５は、高周波プラズマ化学的気相成長法（ＲＦ−ＰＥＣＶＤ）により、基板バイアスを−１０００Ｖとすることで、高導電性のダイヤモンド状カーボン薄膜電極を形成した。このとき膜厚は、２００ｎｍとした。
なお、その他の成膜条件として、反応ガスは、メタン２０ｓｃｃｍ、またはメタン１３ｓｃｃｍ＋窒素６ｓｃｃｍ、またはメタン１３ｓｃｃｍ＋アンモニア６ｓｃｃｍのいずれかとし、反応圧力は１０ｍＴｏｒｒとした。また、基板加熱なしで、基板温度は１５０℃以下であった。
次に、ＣＦ４ガスを導入し平行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いて、高周波プラズマ処理を行った。
プラズマ処理条件は、ＣＦ４ガス３５ｓｃｃｍ、反応圧力０．０３Ｔｏｒｒ、高周波パワー３００Ｗ、処理時間５分とした。
これにより、ソース電極体１４およびドレイン電極体１５であるダイヤモンド状カーボン薄膜電極表面に、フッ素終端された表面構造が作製できた。このフッ素終端構造は、Ｘ線光電子分光法により解析し、Ｃ−Ｆ構造１ａが確認できた。上記でガス種をＣＦ４に代わり塩素（Ｃｌ２）とした場合には、Ｃ−Ｃｌ構造１ｂが、酸素（Ｏ２）あるいは亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とした場合にはＣ−Ｏ構造１ｃがそれぞれ確認された。
また、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一種で表面電位の測定ができる、ケルビンプローブ顕微鏡（ＫＦＭ）により、フッ素終端表面の表面電位を計測し換算したところ、６．５ｅＶの高い表面仕事関数が得られていることがわかった。
図２は本発明の第２実施例を示す有機薄膜トランジスタの断面図である。
この図において有機薄膜トランジスタは、基体としての絶縁基板２１、絶縁基板２１上に形成されるゲート電極２２、ゲート電極２２上に形成されるゲート絶縁膜２３、そのゲート絶縁膜２３上に形成されるソース電極体２４及びドレイン電極体２５、ゲート絶縁膜２３とソース電極体２４とドレイン電極体２５上に形成されるｎ型有機半導体層２６からなる。
この実施例においては、ソース電極体２４およびドレイン電極体２５は、ＲＦ−ＰＥＣＶＤにより、基板バイアスを−１０００Ｖとすることで、高導電性の薄膜電極を形成した。このとき膜厚は、２００ｎｍとした。なお、その他の成膜条件は、実施例１に示したものと同じである。
次に、水素ガスを導入し平行平板型の電極を有するＲＩＥ装置を用いて、高周波プラズマ処理を行った。
プラズマ処理条件は、水素ガス３５ｓｃｃｍ、反応圧力０．０３Ｔｏｒｒ、高周波パワー３００Ｗ、処理時間５分とした。
これにより、ソース電極体２４およびドレイン電極体２５であるダイヤモンド状カーボン薄膜電極表面に、水素終端された表面構造が作製できた。この水素終端構造は、フーリエ変換赤外線分光分析法（ＦＴ−ＩＲ）により解析し、Ｃ−Ｈ構造２ａが確認できた。また、ＫＦＭにより、水素終端表面の表面電位を計測し換算したところ、２．８ｅＶの低い表面仕事関数が得られていることがわかった。
なお、官能基に水素の他、アルキル基などの炭化水素構造２ｂあるいは水酸基構造２ｃをつけても低仕事関数表面を得ることが可能である。
図３は本発明の第３実施例を示す有機薄膜トランジスタの断面図である。
この図において、３１は絶縁基板、絶縁基板３１上に形成されるゲート電極３２、ゲート電極３２上に形成されるゲート絶縁膜３３、ゲート絶縁膜３３上に形成されるソース電極３４、ソース電極３４上に形成されるソース電極表面層３６、ゲート絶縁膜３３上に形成されるドレイン電極３５、ドレイン電極３５上に形成されるドレイン電極表面層３７、ソース電極表面層３６とドレイン電極表面層３７とゲート絶縁膜３３上に形成されるｐ型有機半導体層３８からなる。ここで、ソース電極３４とソース電極表面層３６とでソース電極体を構成し、ドレイン電極３５とドレイン電極表面層３７とでドレイン電極体を構成している。
この実施例においては、ソース電極表面層３６およびドレイン電極表面層３７は、ＲＦ−ＰＥＣＶＤにより、基板バイアスを−１０００Ｖとすることで、高導電性のダイヤモンド状カーボン薄膜電極を形成した。このとき膜厚は、５０ｎｍとした。なお、その他の成膜条件は、実施例１に示したものと同じである。
次に、ＣＦ４ガスを導入し平行平板型の電極を有するＲＩＥ装置を用いて、高周波プラズマ処理を行った。
プラズマ処理条件は、ＣＦ４ガス３５ｓｃｃｍ、反応圧力０．０３Ｔｏｒｒ、高周波パワー３００Ｗ、処理時間３分とした。
これにより、それらソース電極表面層３６及びドレイン電極表面層３７であるダイヤモンド状カーボン表面に、フッ素終端された表面構造が作製できた。このフッ素終端構造は、Ｘ線光電子分光法により解析し、Ｃ−Ｆ構造が確認できた。また、ＫＦＭにより、フッ素終端表面の表面電位を計測し換算したところ、６．５ｅＶの高い表面仕事関数が得られていることがわかった。
図４は本発明の第４実施例を示す有機薄膜トランジスタの断面図である。
この図において有機薄膜トランジスタは、基体としての絶縁基板４１、絶縁基板４１上に形成されるゲート電極４２、ゲート電極４２上に形成されるゲート絶縁膜４３、ゲート絶縁膜４３上に形成されるソース電極４４、ソース電極４４上に形成されるソース電極表面層４６、ゲート絶縁膜４３上に形成されるドレイン電極４５、ドレイン電極４５上に形成されるドレイン電極表面層４７、ソース電極表面層４６とドレイン電極表面層４７とゲート絶縁膜４３上に形成されるｎ型有機半導体層４８からなる。ここで、ソース電極４４とソース電極表面層４６とでソース電極体を構成し、ドレイン電極４５とドレイン電極表面層４７とでドレイン電極体を構成している。
この実施例においては、ソース電極表面層４６およびドレイン電極表面層４７は、ＲＦ−ＰＥＣＶＤにより、基板バイアスを−１０００Ｖとすることで、高導電性のダイヤモンド状カーボン薄膜電極を形成した。このとき膜厚は、５０ｎｍとした。なお、その他の成膜条件は、実施例１に示したものと同じである。
次に、水素ガスを導入し平行平板型の電極を有するＲＩＥ装置を用いて、高周波プラズマ処理を行った。
プラズマ処理条件は、水素ガス３５ｓｃｃｍ、反応圧力０．０３Ｔｏｒｒ、高周波パワー３００Ｗ、処理時間３分とした。
これにより、ソース電極表面層４６及びドレイン電極表面層４７であるダイヤモンド状カーボン表面に、水素終端された表面構造が作製できた。このフッ素終端構造は、Ｘ線光電子分光法により解析し、Ｃ−Ｈ構造が確認できた。また、ＫＦＭにより、フッ素終端表面の表面電位を計測し換算したところ、２．８ｅＶの低い表面仕事関数が得られていることがわかった。
以上、実施例に示したそれぞれのダイヤモンド状カーボンの終端構造とし、図１に示したように、電子吸引基としてフッ素原子に代えて、塩素原子あるいは酸素原子としても同等の低い表面仕事関数を得ることができる。また、図２に示したように、電子供与基として水素原子に代えて、アルキル基などの炭化水素あるいは水酸基としても同等の高い表面仕事関数を得ることができる。
なお、これまでに実施例として示した、絶縁基板としては、ガラス基板を用い、また、ゲート電極としてはスパッタ法によるＴａ薄膜を、ゲート絶縁膜としてはプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜を用いた。また、ソース電極、ドレイン電極としてはスパッタ法によるＡｌ薄膜を用いた。
上記実施例に詳細に記述したように、ソース電極体あるいはドレイン電極体のアモルファスカーボン膜、特にはダイヤモンド状カーボン薄膜の製法として、具体的には、ＲＦ−ＰＥＣＶＤを用い成膜する。その後、ＲＩＥ装置を用いて高周波プラズマ処理をすることで、表面の仕事関数の制御を可能とする。すなわち、プラズマ処理ガスとして、酸素、フッ素、塩素などのハロゲン化合物を用いた場合には、高い表面仕事関数が得られ、一方、水素あるいは還元性ガスを反応ガスとして用いた場合には、低い表面仕事関数が得られる。これらの高いあるいは低い仕事関数をもつ電極表面を用いることにより、高スイッチング特性を示すの有機薄膜トランジスタが得られた。
なお、本発明の製造方法は、ディスプレイなどの大面積デバイスに適した、大面積かつ低温成膜が可能であり、実用化に有効な方法である。
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明は、電子ペーパー、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（有機ＥＬＤ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等のフレキシブルあるいはフラットパネルディスプレイのピクセル駆動のためのスイッチング素子として有望な、有機薄膜トランジスタとその製造方法に利用できる。
１１，２１，３１，４１・・・絶縁基板
１２，２２，３２，４２・・・ゲート電極
１３，２３，３３，４３・・・ゲート絶縁膜
１４，２４・・・ソース電極体
３４，４４・・・ソース電極
１５，２５・・・ドレイン電極体
３５，４５・・・ドレイン電極
１６，３８・・・ｐ型有機半導体層
２６，４８・・・ｎ型有機半導体層
１ａ・・・Ｃ−Ｆ構造
１ｂ・・・Ｃ−Ｃｌ構造
１ｃ・・・Ｃ−Ｏ構造
２ａ・・・Ｃ−Ｈ構造
２ｂ・・・Ｃ−Ｒ構造
２ｃ・・・Ｃ−ＯＨ構造
３６，４６・・・ソース電極表面層
３７，４７・・・ドレイン電極表面層
１２，２２，３２，４２・・・ゲート電極
１３，２３，３３，４３・・・ゲート絶縁膜
１４，２４・・・ソース電極体
３４，４４・・・ソース電極
１５，２５・・・ドレイン電極体
３５，４５・・・ドレイン電極
１６，３８・・・ｐ型有機半導体層
２６，４８・・・ｎ型有機半導体層
１ａ・・・Ｃ−Ｆ構造
１ｂ・・・Ｃ−Ｃｌ構造
１ｃ・・・Ｃ−Ｏ構造
２ａ・・・Ｃ−Ｈ構造
２ｂ・・・Ｃ−Ｒ構造
２ｃ・・・Ｃ−ＯＨ構造
３６，４６・・・ソース電極表面層
３７，４７・・・ドレイン電極表面層
Claims (4)
- 基体上にゲート電極を形成する工程と、
該ゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜上に、間隙を隔ててソース電極体及びドレイン電極体を形成する工程と、
該ソース電極体及びドレイン電極体の間隙を覆うようにｐ型有機半導体層を形成する工程と、
を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ソース電極体及び／又はドレイン電極体の形成工程が、
炭化水素及び水素を含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりアモルファスカーボン膜を成膜する工程、
アモルファスカーボン膜を酸素またはハロゲンまたはハロゲン化合物を含むガスを用いたプラズマ処理を施す工程、
を含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 基体上にゲート電極を形成する工程と、
該ゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜上に、間隙を隔ててソース電極体及びドレイン電極体を形成する工程と、
該ソース電極体及びドレイン電極体の間隙を覆うようにｎ型有機半導体層を形成する工程と、
を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ソース電極体及び／又はドレイン電極体の形成工程が、
炭化水素及び水素を含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりアモルファスカーボン膜を成膜する工程、
アモルファスカーボン膜を水素または還元性のガスを用いたプラズマ処理を施す工程、
を含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記アモルファスカーボン膜が、ダイヤモンド状カーボン膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ダイヤモンド状カーボン膜を成膜する工程において、ドープガスとして、窒素、フォスフィン、硫化水素、ジボラン、酸素およびシランからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
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| JP2004103905A (ja) * | 2002-09-11 | 2004-04-02 | Pioneer Electronic Corp | 有機半導体素子 |
| JP4290953B2 (ja) * | 2002-09-26 | 2009-07-08 | 奇美電子股▲ふん▼有限公司 | 画像表示装置、有機ｅｌ素子および画像表示装置の製造方法 |
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