JP5193946B2 - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜トランジスタの製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを含む薄膜
トランジスタの製造方法に関するものである。
トランジスタの製造方法に関するものである。
薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＴＦＴ）は、パネル表示装置に広く応用される。従来の薄膜トランジスタは、主に、ゲート電極、絶縁層、半導体層、ソース電極及びドレイン電極を含む。前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、分離して設置され、前記半導体層と電気的に接続される。前記ゲート電極は、前記絶縁層に設置され、該絶縁層により前記半導体層、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と分離して絶縁される。前記半導体層の、前記ソース電極とドレイン電極との間に位置される領域には、チャンネル領域が形成される。
前記薄膜トランジスタのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は、導電材料からなる。該導電材料は、金属又は合金である。前記ゲート電極に電圧を印加すると、前記絶縁層により該ゲート電極と分離して設置された前記半導体層におけるチャンネル領域で、キャリアが蓄積することができる。該キャリアが所定の程度に蓄積した場合、前記半導体層に電気的に接続される前記ソース電極及び前記ドレイン電極が電気的に接続されるので、前記ソース電極から前記ドレイン電極に電流が流れる。
従来技術として、薄膜トランジスタの半導体層の材料は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン又は有機半導体重合体である（非特許文献１を参照）。アモルファスシリコンを半導体層とする薄膜トランジスタにおいて、該半導体層で多くのダングリングボンド（ＤａｎｇｌｉｎｇＢｏｎｄ）を含むので、キャリアの移動度は、小さくなる。該キャリアの移動度が一般的に１ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１より小さいので、前記薄膜トランジスタの応答速度は、遅い。多結晶シリコンを半導体層とする薄膜トランジスタにおいて、キャリアの移動度は、大きくなる。該キャリアの移動度が一般的に１０ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１ほどであるので、前記薄膜トランジスタの応答速度は、速い。しかし、多結晶シリコンを半導体層とする薄膜トランジスタは、製造方法が複雑であり、コストが高く、大面積製造が難しく、オフ電流が大きい。従来の無機薄膜トランジスタと比べて、有機半導体重合体を半導体層とする有機薄膜トランジスタは、コストが低く、製造の温度が低く、高い強靭性を有する長所がある。しかし、有機薄膜トランジスタは、室温でジャンプ伝導するので、抵抗率が高く、キャリアの移動度が小さくなる。従って、前記有機薄膜トランジスタの応答速度は、遅いという課題がある。
前記課題を解決するために、半導体性を有するカーボンナノチューブ構造体を半導体層とする薄膜トランジスタを提供する。従来の薄膜トランジスタの製造方法は、複数のカーボンナノチューブを有機溶剤に混合して混合物を形成する第一ステップと、前記混合物を基板に塗布する第二ステップと、前記基板に塗布された混合物の有機溶剤を蒸発させてカーボンナノチューブ構造体を形成する第三ステップと、該カーボンナノチューブ構造体にソース電極及びドレイン電極を形成する第四ステップと、該カーボンナノチューブ構造体に窒化ケイ素からなる絶縁層を形成し、該絶縁層にゲート電極を形成する第五ステップと、を含む。
"Ｎｅｗ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ、２００２年、第２９９−３０２巻、第１３０４〜１３１０頁
しかし、前記混合物において、カーボンナノチューブが凝集しやすいので、前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの分布が不均一になるという課題がある。また、前記有機溶剤を完全に除去できないので、前記カーボンナノチューブ構造体に不純物が残るという課題もある。また、前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは不均一に配列されているので、カーボンナノチューブの大きなキャリア移動度を十分に活用することができないという課題もある。
従って、本発明は、前記課題を解決するために、薄膜トランジスタの製造方法を提供する。
薄膜トランジスタの製造方法は、絶縁基板を提供する第一ステップと、前記絶縁基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成する第二ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体にソース電極及びドレイン電極を分離して形成し、該ソース電極及びドレイン電極を、それぞれ前記半導体層における少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる第三ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体に絶縁層を形成する第四ステップと、前記絶縁層の表面にゲート電極を形成し、薄膜トランジスタを形成する第五ステップと、を含む。
前記第二ステップでは、前記絶縁基板の表面にストリップ状の触媒フィルムを形成する第一サブステップと、化学気相堆積法でストリップ状のカーボンナノチューブアレイを生長させる第二サブステップと、該ストリップ状のカーボンナノチューブアレイをカーボンナノチューブの長軸方向に垂直な方向に沿って倒させ、前記絶縁基板の表面にカーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、を含む。
前記第二ステップの第三サブステップにおいて、有機溶剤処理方法、機械力処理方法又は気流処理方法により、前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイを処理する。
前記第二ステップでは、生長基板を提供し、該生長基板の表面に単分散触媒層を形成する第一サブステップと、前記生長基板及び前記絶縁基板を反応室に分離して置き、保護ガスの雰囲気下で前記真空室をカーボンナノチューブの生長温度に加熱する第二サブステップと、カーボンを含むガスを導入し、気流が流れる方向に沿って、カーボンナノチューブを生長させ、該カーボンナノチューブの一端が前記生長基板に固定され、前記カーボンナノチューブの前記絶縁基板の上方に浮かんでいる部分が倒れて、前記絶縁基板に付着し、該カーボンナノチューブを前記生長基板から分離し、前記絶縁基板の表面にカーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、を含む。
生長基板を提供する第一ステップと、前記生長基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成する第二ステップと、絶縁基板を提供する第三ステップと、前記絶縁基板の表面にゲート電極を形成する第四ステップと、前記ゲート電極を被覆させるように絶縁層を形成する第五ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体を前記絶縁層に転写し、半導体層を形成する第六ステップと、前記半導体層にソース電極及びドレイン電極を分離して形成し、該ソース電極及びドレイン電極を前記半導体層における少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる第七ステップと、を含む。
前記ソース電極及び前記ドレイン電極を設置した後で、前記カーボンナノチューブ構造体における、金属性のカーボンナノチューブを除去する。
従来の薄膜トランジスタの製造方法と比べて、本発明の薄膜トランジスタの製造方法では、絶縁基板に直接形成されたカーボンナノチューブ構造体又は、生長基板に形成されたカーボンナノチューブアレイを転写することにより製造されたものを薄膜トランジスタの半導体層とするので、該薄膜トランジスタの製造方法は、複数のカーボンナノチューブを有機溶剤に混合して混合物を形成するステップを含まないので、簡単である。かつ、前記半導体層にカーボンナノチューブが均一に配列され、有機溶剤を含まない。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが、所定の方向に沿って平行に配列されるので、該カーボンナノチューブ構造体を設置する方向を制御することにより、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のカーボンナノチューブが配列される方向を制御することができる。従って、前記製造方法で製造された薄膜トランジスタは、大きなキャリアの移動度を有し、速い応答速度を有する。前記カーボンナノチューブ構造体は、優れた強靭性と機械強度を有するので、該半導体層を有する薄膜トランジスタは、更に優れた強靭性を有する。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図１と図２を参照すると、本発明の実施例１は、トップゲート型（Ｔｏｐ Ｇａｔｅ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタ１０の製造方法を提供する。該製造方法は、下記のステップを含む。
図１と図２を参照すると、本発明の実施例１は、トップゲート型（Ｔｏｐ Ｇａｔｅ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタ１０の製造方法を提供する。該製造方法は、下記のステップを含む。
第一ステップでは、絶縁基板１１０を提供する。
前記絶縁基板１１０は、耐熱性を有する絶縁基板である。該絶縁基板１１０の形状及び寸法は、実際の応用に応じて選択することができる。該絶縁基板１１０はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材、酸化層が形成されたシリコン基材、透明の石英基材、酸化層が形成された透明の石英基材のいずれか一種である。本実施例において、長さが３センチメートルであり、幅が３センチメートルであるシリコン基材を選択することが好ましい。
第二ステップでは、前記絶縁基板１１０の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成し、該カーボンナノチューブ構造体を半導体層１４０とする。
前記カーボンナノチューブ構造体の形成方法は、次の二種がある。次に、該二種の方法について詳しく説明する。
第一の方法において、前記絶縁基板１１０の表面にカーボンナノチューブアレイを形成し、該カーボンナノチューブアレイを処理し、カーボンナノチューブ構造体を形成する。具体的には、前記絶縁基板１１０の表面にストリップ状の触媒フィルムを形成し、該ストリップ状の触媒フィルムの幅が１マイクロメートル〜２０マイクロメートルである。化学気相堆積法で前記ストリップ状の触媒フィルムにストリップ状のカーボンナノチューブアレイを生長させる。該ストリップ状のカーボンナノチューブアレイをカーボンナノチューブの長軸方向に垂直な方向に沿って倒させ、前記絶縁基板１１０の表面にカーボンナノチューブ構造体を形成する。
本実施例において、電子ビーム蒸着の方法で前記絶縁基板１１０の表面にストリップ状の触媒フィルムを形成する。該触媒フィルムの材料は、鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム及びその二種以上の合金のいずれか一種である。本実施例において、前記触媒フィルムには、鉄金属を採用する。前記触媒フィルムは、幅が１マイクロ〜２０マイクロメートルであり、厚さが０．１ナノメートル〜１０ナノメートルである。
化学気相堆積法でストリップ状のカーボンナノチューブアレイを生長させる方法は、下記のステップを含む。
まず、前記ストリップ状の触媒フィルムが形成された絶縁基板１１０を反応炉に置く。次に、前記反応炉に保護ガスを導入して、前記触媒フィルムが形成された絶縁基板１１０を６００℃〜９００℃に加熱する。その後に、前記反応炉に体積比が１：３０〜１：３であるカーボンを含むガス及びキャリアガスが導入して、５分〜３０分間反応を行う。最後に、カーボンを含むガスの導入を止めると、カーボンナノチューブの生長が止められ、前記反応炉を室温に冷却する。
前記カーボンを含むガスの流量は、２０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍである。前記キャリアガスの流量は、５０ｓｃｃｍ〜６００ｓｃｃｍである。前記カーボンを含むガスとしては、例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、保護ガスとしては、窒素ガスと不活性ガスなどが選択される。本実施例において、該カーボンを含むガスは、アセチレンであることが好ましく、該保護ガスは、アルゴンガスであることが好ましく、該キャリアガスは、水素ガスであることが好ましい。反応温度は、８００℃であり、カーボンナノチューブが生長する時間は、６０分間である。カーボンを含むガスの導入を止めた後に、カーボンナノチューブが酸化されることを防止するために、前記反応炉が室温に冷却されるまで保護ガスを導入し続ける。
前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの層数は、前記キャリアガス及びカーボンを含むガスの体積比と関係がある。前記カーボンを含むガス及び前記キャリアガスの体積比を１００：１〜１００：１０に設定する場合、前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、単層のカーボンナノチューブである。かつ、該単層のカーボンナノチューブの直径は、０．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。前記カーボンを含むガスの流量比を増加させた場合には、二層のカーボンナノチューブを形成することができる。該二層のカーボンナノチューブの直径は、１．０ナノメートル〜５０ナノメートルである。前記カーボンナノチューブの直径は、１０ナノメートル以下であることが好ましい。
所定の条件で前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイの高さは、生長時間の延長に伴って、長くなる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１ミリメートル〜１０ミリメートルである。本実施例において、前記カーボンを含むガス及び前記キャリアガスを導入し、６０分間反応を行った後の前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイの高さは、１ミリメートル〜２ミリメートルである。
前記生長温度、前記カーボンを含むガスと前記キャリアガスとの流量比などの生長の条件を制御することによって、前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残りの触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。
有機溶剤処理方法、機械力処理方法又は気流処理方法を利用して、前記カーボンナノチューブアレイを処理し、カーボンナノチューブ構造体を形成することができる。
有機溶剤処理方法を利用する場合、まず、前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイが形成された絶縁基板１１０を有機溶剤に浸漬する。次に、前記絶縁基板１１０を前記カーボンナノチューブアレイの生長方向に垂直な方向に沿って、前記有機溶剤から取り出し、該カーボンナノチューブアレイが有機溶剤の表面張力によって倒れ、前記絶縁基板１１０の表面に接着する。最後に、前記有機溶剤を揮発させ、カーボンナノチューブ構造体を形成する。前記有機溶剤は、揮発性有機溶剤であり、アルコール、メチルアルコール、アセトン、ジクロロエタン、クロロホルムの一種又は数種の混合物である。本実施形態において、該有機溶剤はアルコールである。揮発性有機溶剤の表面力の作用で前記カーボンナノチューブ構造体は、前記絶縁基板１１０の表面に接着することができ、比表面積が小さくなり、優れた機械強度と強靭性を有する。
機械力処理方法を利用する場合、ローラー形状を有する押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイの生長方向に垂直な方向に沿って、カーボンナノチューブアレイを押し、圧力で該カーボンナノチューブアレイが生長方向に垂直な方向に沿って倒れ、シート状の自立構造を有するカーボンナノチューブ構造体が形成された。前記押し器具は、これに制限されず、平面を有する押し器具を利用してもよい。前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイを生長方向に垂直な方向に沿って倒れさせることを確保すればいい。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決定される。
気流処理方法を利用する場合、ファンで前記カーボンナノチューブアレイの生長方向に垂直な方向に沿って、該カーボンナノチューブアレイに気流を印加する。該カーボンナノチューブアレイが生長方向に垂直な方向に沿って倒れ、カーボンナノチューブ構造体が形成された。気流を印加する装置は、前記ファンに制限されず、気流を形成することができる装置であってもよい。
本実施例において、前記カーボンナノチューブ構造体の密度は、前記ストリップ状の触媒フィルムの幅と関係がある。前記ストリップ状の触媒フィルムの幅が大きくなるほど、カーボンナノチューブ構造体の密度が大きくなる。前記ストリップ状の触媒フィルムの幅が小さくなるほど、カーボンナノチューブ構造体の密度が小さくなる。前記ストリップ状の触媒フィルムの幅を制御することによって、カーボンナノチューブ構造体の密度を制御することができる。
図３を参照すると、前記カーボンナノチューブ構造体は、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。該カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、長さが基本的に同じであり、互いに平行する。
第二の方法において、まず、生長基板を提供し、該生長基板の表面に単分散触媒層を堆積させる。次に、前記生長基板及び前記絶縁基板１１０を反応室に分離して置き、保護ガスの雰囲気下で前記反応室をカーボンナノチューブの生長温度に加熱する。最後に、カーボンを含むガスを導入し、気流が流れる方向に沿って、カーボンナノチューブを生長させる。この場合、該カーボンナノチューブの一端が前記生長基板に固定され、前記カーボンナノチューブの前記絶縁基板の上方に浮かんでいる部分が倒れて、前記絶縁基板に付着し、該カーボンナノチューブを前記生長基板から分離し、前記絶縁基板の表面にカーボンナノチューブ構造体を形成する。
前記触媒の材料は、鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム及びその二種以上の合金のいずれか一種、金属塩の単分散溶液又は金属の単分散溶液である。鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム及びその二種以上の合金のいずれか一種で単分散触媒層を製造する場合には、堆積法で前記触媒の材料を前記生長基板の表面に堆積することができる。金属塩の単分散溶液又は金属の単分散溶液で単分散触媒層を製造する場合には、該金属塩の単分散溶液又は該金属の単分散溶液を前記生長基板の表面に塗布し、乾燥し、触媒層を形成する。
前記生長基板は、耐熱性を有する基板であり、その材料及び形状は制限されないが、その融点がカーボンナノチューブの生長温度より高い必要がある。本実施例において、前記生長基板と前記絶縁基板１１０とは、寸法及び材料が同じである。
前記カーボンナノチューブの生長温度は、８００℃〜１０００℃である。カーボンを含むガスを導入した後で、前記生長基板の表面に形成された触媒層における触媒粒子の作用でカーボンナノチューブを生長させる。該カーボンナノチューブの一端が前記生長基板に固定され、カーボンナノチューブがもう一端が、前記生長基板に近い前記絶縁基板１１０の上方に浮かんでいる。前記触媒層が複数の単分散触媒粒子を含むので、カーボンナノチューブの密度を大きくすることができない。従って、長いカーボンナノチューブが生長されることができる。前記カーボンを含むガスを、前記生長基板に隣接する所から導入するので、該カーボンを含むガスの導入に伴って、カーボンナノチューブは、前記絶縁基板１１０の上方に浮ぶ。ここで、前記のような、カーボンナノチューブの成長機能は、“凧の機構”（Ｋｉｔｅ−ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれている。カーボンナノチューブの長さは、該カーボンナノチューブの生長時間と関係がある。本実施例において、生長時間は３０分間である場合、カーボンナノチューブの長さは８センチメートルである。
カーボンを含むガスの導入を止めると、カーボンナノチューブの生長が止められる。この場合、前記カーボンナノチューブの一端が前記生長基板に固定され、前記カーボンナノチューブの前記絶縁基板１１０の上方に浮かんでいる部分が倒れて、前記絶縁基板１１０に付着することになる。前記絶縁基板１１０に付着された前記カーボンナノチューブの密度が低いので、該カーボンナノチューブは、前記絶縁基板１１０の表面に平行、分離して配列され、カーボンナノチューブフィルムを形成する。該カーボンナノチューブフィルムにおける隣接するカーボンナノチューブの距離は、２０マイクロメートルである。
前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの密度を高めるために、前記生長基板を、新たな触媒フィルムが堆積された成長基板に替え、何度も前記絶縁基板１１０の表面の、前記カーボンナノチューブフィルムが形成された所にカーボンナノチューブフィルムを生長させ、カーボンナノチューブ構造体を形成する。また、何度もカーボンナノチューブを生長させる過程において、前記絶縁基板１１０を所定の角度で回転させ、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブを０°〜９０°の角度で交叉させることができる。前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブを含み、隣接するカーボンナノチューブが分子間力で接続され、自立構造を形成する。前記カーボンナノチューブ構造体を半導体層１４０とする。
第三ステップでは、前記半導体層１４０にソース電極１５１及びドレイン電極１５２を分離して形成し、該ソース電極１５１及びドレイン電極１５２をそれぞれ、前記半導体層１４０における少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる。
前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２は、導電材料からなる。該ソース電極１５１及び該ドレイン電極１５２の材料は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）フィルム、酸化アンチモンスズ（ＡＴＯ）、導電銀ペースト、導電重合体又は導電カーボンナノチューブなどである。前記金属は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、ネオジム、パラジウム又はセシウムなどである。前記合金は、前記金属の合金である。前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の材料によって、異なる方法で該ソース電極１５１及び該ドレイン電極１５２を形成することができる。具体的には、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の材料が金属、合金、ＩＴＯ又はＡＴＯである場合、スパッタリング、エッチング、蒸着などの方法で前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２を形成することができる。前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２の材料が導電銀ペースト、導電重合体又はカーボンナノチューブである場合、印刷塗布又は接着の方法で該導電銀ペースト、導電重合体又は導電カーボンナノチューブフィルムを前記半導体層１４０の表面に塗布又は接着し、前記ソース電極１５１及び前記ドレイン電極１５２を形成することができる。該ソース電極１５１及び該ドレイン電極１５２の厚さは、０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルであり、該ソース電極１５１と該ドレイン電極１５２との距離は、１マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。
前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが、所定の方向に沿って平行に配列されるので、該カーボンナノチューブ構造体の設置する方向を制御することにより、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のカーボンナノチューブが配列される方向を制御することができる。前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２が前記半導体層１４０におけるカーボンナノチューブの配列された方向に沿って前記半導体層１４０に分離して形成される。即ち、前記半導体層１４０におけるカーボンナノチューブの配列された方向は、前記ソース電極１５１から前記ドレイン電極１５２への方向である。
本実施例において、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２の材料は、金属である。該ソース電極１５１と該ドレイン電極１５２とを形成する方法は、次の二種がある。次に、該二種の方法について詳しく説明する。
第一の方法において、まず、前記半導体層１４０の表面にフォトレジスト層を形成する。次に、前記フォトレジスト層に露光、現像を行うことにより、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２に対応する領域のフォトレジスト層を除去する。その後で、磁気スパッター又は電子ビーム蒸着などの方法で前記フォトレジスト層及び、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２に対応する領域に金属層を形成し、該金属層がパラジウム、チタン及びニッケルなどの金属層であることが好ましい。最後に、アセトンなどの有機溶剤で前記フォトレジスト層及びそれに形成された金属層を除去し、前記半導体層１４０にソース電極１５１とドレイン電極１５２を形成する。
第二の方法において、まず、前記半導体層１４０の表面に金属層を形成する。次に、前記金属層の表面にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト層を形成する。その後、前記フォトレジスト層に露光、現像を行うことにより、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２に対応する領域以外のフォトレジスト層を除去する。最後に、プラズマエッチングの方法で前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２との領域以外の金属層を除去し、アセトンなどの有機溶剤で前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２との領域のフォトレジスト層を除去し、前記半導体層１４０にソース電極１５１とドレイン電極１５２を形成する。本実施例において、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２とは、厚さが１マイクロメートルであり、該ソース電極１５１と該ドレイン電極１５２との距離が５０マイクロメートルである。
前記第三ステップは、優れた半導体性を有する半導体層１４０を形成するために、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２を形成した後、更に、前記半導体層１４０における、金属性を有するカーボンナノチューブを除去する工程を含む。まず、電源を提供する。次に、前記電源の正極及び負極を前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２にそれぞれ、接続する。最後に、前記電源により前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２に電圧を印加することにより、金属性を有するカーボンナノチューブを焼切り、優れた半導体性を有する半導体層１４０を形成する。
また、前記半導体層１４０における、金属性を有するカーボンナノチューブを除去する方法は、前記方法に制限されず、水素プラズマ、マイクロ波、テラヘルツ波、赤外光、紫外光又は可視光で前記半導体層１４０を照射し、金属性を有するカーボンナノチューブを焼切り、優れた半導体性を有する半導体層１４０を形成する。
第四ステップでは、前記半導体層１４０に絶縁層１３０を形成する。
前記絶縁層１３０の材料は、窒化珪素、酸化珪素などの硬性材料又はベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、アクリル酸樹脂などの柔らかな材料である。前記絶縁層１３０の材料により、異なる方法で前記絶縁層１３０を形成することができる。具体的には、前記絶縁層１３０の材料が窒化珪素又は酸化珪素である場合、堆積の方法で絶縁層１３０を形成することができる。前記絶縁層１３０の材料がベンゾシクロブテン又はアクリル酸樹脂である場合、印刷塗布の方法で絶縁層１３０を形成することができる。該絶縁層１３０は、厚さが０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。
本実施例において、前記半導体層１４０及び、該半導体層１４０に形成されたソース電極１５１及びドレイン電極１５２を被覆するように、プラズマ化学気相堆積法で窒化珪素の絶縁層１３０を形成する。該絶縁層１３０は、厚さが１マイクロメートルである。
第五ステップでは、絶縁層１３０の表面にゲート電極１２０を形成し、薄膜トランジスタ１０を形成する。
前記ゲート電極１２０は、導電材料からなる。該ゲート電極１２０の材料は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）フィルム、酸化スズ（ＡＴＯ）、導電銀ペースト、導電重合体又はカーボンナノチューブフィルムなどである。前記金属は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、ネオジム、パラジウム又はセシウムなどである。前記合金は、前記金属の合金である。前記ゲート電極１２０の材料によって、異なる方法で該ゲート電極１２０を形成することができる。具体的には、前記ゲート電極１２０の材料が金属、合金、ＩＴＯ又はＡＴＯである場合、スパッタリング、エッチング、蒸着などの方法で前記ゲート電極１２０を形成することができる。前記ゲート電極１２０の材料が導電銀ペースト、導電重合体又はカーボンナノチューブフィルムである場合、印刷塗布又は接着の方法で前記ゲート電極１２０を形成することができる。該ゲート電極１２０は、厚さが０．５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。
本実施例において、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２を形成する方法で前記絶縁層１３０の、前記ソース電極１５１と前記ドレイン電極１５２との間の半導体層１４０に対向する領域にゲート電極１２０を形成する。該ゲート電極１２０は、前記絶縁層１３０により前記半導体層１４０と絶縁的に設置され、材料がアルミニウムであり、厚さが１マイクロメートルである。
また、柔らかな薄膜トランジスタ１０を形成するように、前記絶縁基板１１０に生長させたカーボンナノチューブ構造体を柔らかな基板に転写した後、該柔らかな基板にソース電極、ドレイン電極、絶縁層及びゲート電極を形成する。
（実施例２）
図４と図５を参照すると、本実施例は、ボトムゲート型（Ｂｏｔｔｏｍ Ｇａｔｅ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタ２０の製造方法を提供する。該製造方法は、前記実施例１の薄膜トランジスタ１０の製造方法と基本的に同じである。
図４と図５を参照すると、本実施例は、ボトムゲート型（Ｂｏｔｔｏｍ Ｇａｔｅ Ｔｙｐｅ）薄膜トランジスタ２０の製造方法を提供する。該製造方法は、前記実施例１の薄膜トランジスタ１０の製造方法と基本的に同じである。
前記薄膜トランジスタ２０の製造方法は、下記のステップを含む。
第一ステップでは、生長基板を提供する。
第二ステップでは、前記生長基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成する。前記生長基板の表面にカーボンナノチューブ構造体を形成する方法は、前記実施例１の、前記絶縁基板１１０にカーボンナノチューブ構造体を形成する方法と基本的に同じである。
第三ステップでは、絶縁基板２１０を提供する。
第四ステップでは、前記絶縁基板２１０の表面にゲート電極２２０を形成する。
第五ステップでは、前記ゲート電極２２０を被覆させるように絶縁層２３０を形成する。
第六ステップでは、前記カーボンナノチューブ構造体を前記絶縁層２３０に転写し、半導体層２４０を形成する。まず、前記生長基板に形成されたカーボンナノチューブ構造体と、前記絶縁層２３０とを接触させるように、前記生長基板を前記絶縁層２３０に設置する。次に、前記構造を熱プレス加工する。その後で、前記生長基板を除去し、前記絶縁層２３０に半導体層２４０を形成する。
第七ステップでは、前記半導体層２４０にソース電極２５１及びドレイン電極２５２を分離して形成し、該ソース電極２５１及びドレイン電極２５２を前記半導体層２４０における少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる。
前記ソース電極２５１、前記ドレイン電極２５２、前記ゲート電極２２０及び前記絶縁層２３０は、実施例１と同じである方法を利用して形成する。
（実施例３）
図６を参照すると、本施例は、トップゲート型薄膜トランジスタアレイの製造方法を提供する。該製造方法は、前記実施例１の薄膜トランジスタの製造方法と基本的に同じである。異なる所は、本実施例が一つの絶縁基板に複数の薄膜トランジスタを形成し、薄膜トランジスタアレイを形成することである。具体的には、下記のステップを含む。
図６を参照すると、本施例は、トップゲート型薄膜トランジスタアレイの製造方法を提供する。該製造方法は、前記実施例１の薄膜トランジスタの製造方法と基本的に同じである。異なる所は、本実施例が一つの絶縁基板に複数の薄膜トランジスタを形成し、薄膜トランジスタアレイを形成することである。具体的には、下記のステップを含む。
第一ステップでは、前記絶縁基板を提供する。
第二ステップでは、前記絶縁基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含む複数のカーボンナノチューブ構造体を形成し、該カーボンナノチューブ構造体を半導体層とする。複数のカーボンナノチューブ構造体を形成する方法は、次の二種がある。第一の方法において、前記絶縁基板の表面に大きな面積を有するカーボンナノチューブ構造体を形成し、該カーボンナノチューブフィルムをパターン化し、複数の半導体層を形成する。第二の方法において、薄膜トランジスタを形成しようする所にストリップ状の触媒フィルムを形成し、化学気相堆積法で複数のストリップ状のカーボンナノチューブアレイを生長させ、複数の前記ストリップ状のカーボンナノチューブアレイを処理し、複数のカーボンナノチューブ構造体を形成する。前記隣接するストリップ状の触媒フィルムの距離は、１０マイクロメートル〜１５ミリメートルであることが好ましい。前記ストリップ状の触媒フィルムは、幅が１マイクロメートル〜２０マイクロメートルであり、厚さが０．１ナノメートル〜１０ナノメートルである。
第三ステップでは、前記の各々の半導体層にソース電極及びドレイン電極を分離して形成し、各々のソース電極及びドレイン電極を前記半導体層における少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる。
本実施例のソース電極及びドレイン電極の形成方法は、実施例１の薄膜トランジスタ１０におけるソース電極１５１及びドレイン電極１５２の形成方法と基本的に同じである。本実施例において、まず、複数の半導体層が形成された絶縁基板の表面に金属フィルムを形成し、エッチングの方法で前記金属フィルムをパターン化し、所定の位置に複数のソース電極及びドレイン電極を形成する。前記ソース電極及びドレイン電極の材料は、ＩＴＯフィルム、ＡＴＯフィルム、導電銀ペースト、導電重合体フィルム又はカーボンナノチューブフィルムなどである。
第四ステップでは、各々の半導体層に絶縁層を形成する。該絶縁層の形成方法は、実施例１の薄膜トランジスタ１０の絶縁層１３０の形成方法と基本的に同じである。具体的には、まず、ソース電極、ドレイン電極及び半導体層が形成された絶縁基板の表面に窒化珪素フィルムを堆積し、エッチングの方法で該窒化珪素フィルムをパターン化し、所定の位置に複数の絶縁層を形成する。前記絶縁層の材料は、酸化珪素などの硬性材料又はベンゾシクロブテン、アクリル酸樹脂などの柔らかな材料である。
第五ステップでは、各々の絶縁層の表面にゲート電極を形成し、トップゲート型薄膜トランジスタアレイを形成する。
（実施例４）
本実施例は、ボトムゲート型薄膜トランジスタアレイの製造方法を提供する。該製造方法は、前記実施例２の製造方法と基本的に同じで、具体的には、下記のステップを含む。生長基板を提供する第一ステップと、前記生長基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成する第二ステップと、絶縁基板を提供する第三ステップと、前記絶縁基板の表面に複数のゲート電極を形成する第四ステップと、前記の複数のゲート電極を被覆するように、絶縁層を形成する第五ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体を前記絶縁層に転写し、該カーボンナノチューブ構造体をパターン化し、複数の半導体層２４０を形成し、該複数の半導体層が前記絶縁層により複数の前記ゲート電極に対向し、絶縁的に設置される第六ステップと、前記半導体層の表面に、ソース電極及びドレイン電極を分離して形成し、該ソース電極及びドレイン電極を前記半導体層にける少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる第七ステップと、を含む。
本実施例は、ボトムゲート型薄膜トランジスタアレイの製造方法を提供する。該製造方法は、前記実施例２の製造方法と基本的に同じで、具体的には、下記のステップを含む。生長基板を提供する第一ステップと、前記生長基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成する第二ステップと、絶縁基板を提供する第三ステップと、前記絶縁基板の表面に複数のゲート電極を形成する第四ステップと、前記の複数のゲート電極を被覆するように、絶縁層を形成する第五ステップと、前記カーボンナノチューブ構造体を前記絶縁層に転写し、該カーボンナノチューブ構造体をパターン化し、複数の半導体層２４０を形成し、該複数の半導体層が前記絶縁層により複数の前記ゲート電極に対向し、絶縁的に設置される第六ステップと、前記半導体層の表面に、ソース電極及びドレイン電極を分離して形成し、該ソース電極及びドレイン電極を前記半導体層にける少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる第七ステップと、を含む。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法は次の優れた点がある。第一は、本発明の製造方法において、絶縁基板に直接形成されたカーボンナノチューブ構造体又は、生長基板に形成されたカーボンナノチューブアレイを転写することにより製造されたものを薄膜トランジスタの半導体層とするので、該薄膜トランジスタの製造方法は、複数のカーボンナノチューブを有機溶剤に混合して混合物を形成するステップを含まないので、簡単である。かつ、前記半導体層にカーボンナノチューブが均一に配列され、有機溶剤を含まない。第二は、前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが、所定の方向に沿って平行に配列されるので、該カーボンナノチューブ構造体を設置する方向を制御することにより、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のカーボンナノチューブが配列された方向を制御することができる。従って、前記製造方法で製造された薄膜トランジスタは、大きなキャリアの移動度を有し、速い応答速度を有する。第三は、前記カーボンナノチューブ構造体は、優れた強靭性と機械強度を有するので、該半導体層を有する薄膜トランジスタは、更に優れた強靭性を有する。
１０、２０ 薄膜トランジスタ
１１０、２１０ 絶縁基板
１２０、２２０ ゲート電極
１３０、２３０ 絶縁層
１４０、２４０ 半導体層
１５１、２５１ ソース電極
１５２、２５２ ドレイン電極
１１０、２１０ 絶縁基板
１２０、２２０ ゲート電極
１３０、２３０ 絶縁層
１４０、２４０ 半導体層
１５１、２５１ ソース電極
１５２、２５２ ドレイン電極
Claims (6)
- 絶縁基板を提供する第一ステップと、
前記絶縁基板の表面に複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ構造体を形成する第二ステップと、
前記カーボンナノチューブ構造体にソース電極及びドレイン電極を分離して形成し、該ソース電極及びドレイン電極を、それぞれ前記半導体層における少なくとも一本のカーボンナノチューブの両端に電気的に接続させる第三ステップと、
前記カーボンナノチューブ構造体に絶縁層を形成する第四ステップと、
前記絶縁層の表面にゲート電極を形成し、薄膜トランジスタを形成する第五ステップと、
を含み、
前記第二ステップでは、
生長基板を提供し、該生長基板の表面に単分散触媒層を形成する第一サブステップと、
前記生長基板及び前記絶縁基板を反応室に分離して置き、保護ガスの雰囲気下で前記真空室をカーボンナノチューブの生長温度に加熱する第二サブステップと、
カーボンを含むガスを導入し、気流が流れる方向に沿って、カーボンナノチューブを生長させ、該カーボンナノチューブの一端が前記生長基板に固定され、前記カーボンナノチューブの前記絶縁基板の上方に浮かんでいる部分が倒れて、前記絶縁基板に付着し、該カーボンナノチューブを前記生長基板から分離し、前記絶縁基板の表面にカーボンナノチューブ構造体を形成する第三サブステップと、
を含むことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記カーボンナノチューブが前記絶縁基板の表面に平行、分離して配列され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。
- 前記カーボンナノチューブ構造体における隣接するカーボンナノチューブの距離が２０マイクロメートルであ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。
- 前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブを含み、隣接するカーボンナノチューブが分子間力で接続され、自立構造を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。
- 前記カーボンナノチューブの生長温度が８００℃〜１０００℃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。
- 前記ソース電極及び前記ドレイン電極を設置した後で、前記カーボンナノチューブ構造体における、金属性のカーボンナノチューブを除去することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
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