JP5548976B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
1.定義
2.実施形態1
3.本実施形態の半導体装置の製造方法
4.実施形態2
5.半導体装置を含む電子機器の構成例
まず、本明細書における用語を以下のとおり定義する。
<CMOS回路で構成したインバーター回路>
本実施形態は、有機トランジスタと無機トランジスタとを備えた半導体装置であるが、CMOS回路で形成したインバーター回路を具体例として説明していく。
図2は、本実施形態における、CMOS回路で構成したインバーター回路の平面図である。図2においては、本実施形態のCMOS回路を上から見たときに他の構成に遮られて見えなくなる構成についても、実線で示している。これは、図3、図4、及び図9乃至図11についても同様である。
図5は、本実施形態のCMOS回路におけるa−a’の箇所の断面図である。
図5に示すように、CMOS回路は基板100上に形成されている。基板100には様々な材料を用いることが可能であるが、例えばガラス、シリコン(ケイ素)、アルミニウム、ステンレス等の金属基板、ガリウムヒ素(GaAs)等の半導体基板、及びプラスチック基板等が用いられる。本実施形態におけるp型有機トランジスタPT及びn型無機トランジスタNTは、200℃以下程度の低温プロセスで製造可能なものであるため、軽量で柔軟性が高く、さらに安価であるという特徴を有するプラスチック基板を用いることが好ましい。本実施形態のプラスチック基板としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれを利用してもよい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリ−(4−メチルベンテン−1)、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオ共重合体(EVOH)、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、プリシクロヘキサンテレフタレート(PCT)等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、変形ポリフェニレンオキシド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル(液晶ポリマー)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等がプラスチック基板の材料として挙げられる。また、上記材料のうちの2種以上を積層した積層体をプラスチック基板として用いることもできる。
基板100上には、導電体材料で構成された、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104が形成されている。この導電体材料としては、例えば、Cr、Al、Ta、Mo、Nb、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、In、Ni、Nd、またはこれらの合金が用いられる。InO2、SnO2、ITO等の導電性の酸化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、またはポリアセチレン等の導電性高分子を用いてもよい。また、上記導電性高分子に塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、PF6、AsF5、FeCl3等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウムやカリウム等の金属原子等のドーパントを添加したものを用いてもよい。さらに、カーボンブラックまたは金属粒子を分散した導電性の複合材料を用いてもよい。なお、ソース電極102及びドレイン電極104は、その上に形成されるものの平坦性に影響を与えないために、100nm以下で形成されることが好ましい。より好ましくは、50nm以下の厚さで形成される。
また、基板100上には有機半導体層106aが設けられ、有機半導体層106aのうち、ソース電極102とドレイン電極104との間の領域がp型有機トランジスタPTのチャネル領域106である。この有機半導体層106aの材料としては、例えば、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)、ポリ(3−オクチルチオフェン)、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)(PTV)、ポリ(パラ−フェニレンビニレン)(PPV)、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン)(PFO)、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−コ−ビス−N,N’−(4−メトキシフェニル)−ビス−N,N’−フェニル−1,4−フェニレンジアミン)(PFMO)、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−コ−ベンゾチアジアゾール)(BT)、フルオレン−トリアリルアミン共重合体、トリアリルアミン系ポリマー、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−コ−ジチオフェン)(F8T2)のようなフルオレン−ビチオフェン共重合体等のポリマー有機半導体材料が用いられる。また、C60、金属フタロシアニン、またはこれらの置換誘導体を用いてもよい。また、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、もしくはヘキサセン等のアセン分子材料、または、α−オリゴチオフェン類(具体的にはクォーターチオフェン(4T)、セキシチオフェン(6T)、オクタチオフェンのような低分子系有機半導体)を用いてもよい。さらに、上記材料のうちの2種以上を混合して用いてもよい。
基板100上には、さらに、上記のp型有機トランジスタPTのソース電極102、ドレイン電極104、及び有機半導体層106aを覆うように、絶縁体材料で構成されたゲート絶縁層110が形成されている。この絶縁体材料は、有機材料、または無機材料のどちらを用いてもよい。ゲート絶縁層110を構成する有機材料の例としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニールアルコール、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリオレフィン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリカルボジイミド、ポリシロキサン、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ニトリルゴム、アクリルゴム、ポリエチレンテトラフルオライド、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂、ポリブテン、ポリペンテン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ポリスチレン、もしくはこれらの共重合体、またはパリレン膜が挙げられる。一方、無機材料の例としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミ、酸化タンタル等の金属酸化物、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウムチタン酸鉛等の金属複合酸化物やベンゾシクロブテン、ポリシラザン化合物、またはポリシラン化合物の塗布膜から得られるケイ素系絶縁膜が挙げられる。さらに、これらの有機材料及び無機材料のうちの2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
ゲート絶縁層110上には、導電体材料で構成されたゲート電極112が形成されている。当該ゲート電極112を構成する導電体材料は、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104と同様の導電体材料によって構成可能である。
ゲート絶縁層110上には、さらに、上記ゲート電極112を覆うように、絶縁体材料で構成されたゲート絶縁層120が形成されている。このゲート絶縁層120の材料は、ゲート絶縁層110の材料と同様の絶縁体材料を利用可能である。
ゲート絶縁層120上には無機半導体層126aが設けられており、無機半導体層126aのうち、ソース電極124とドレイン電極122との間の領域がn型無機トランジスタNTのチャネル領域126である。当該無機半導体層126aは、化合物半導体または酸化物半導体により構成され、より好ましくは酸化物半導体により構成される。当該無機半導体層126aを構成する酸化物半導体の例としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、InGaO3(ZnO)5、酸化マグネシウム亜鉛(MgxZn1-xO)、酸化カドミウム亜鉛(CdxZn1-xO)、酸化カドミウム(CdO)、In−Ga−Zn−O系のアモルファス酸化物半導体(a−IGZO)、Sn−In−Zn酸化物、In−Zn−Ga−Mg酸化物、In酸化物、In−Sn酸化物、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物、Zn−Ga酸化物、またはSn−In−Zn酸化物等が挙げられる。
図6は、本実施形態のCMOS回路におけるb−b’の箇所の断面図である。図6において、基板100、有機半導体層106a、ゲート絶縁層110、ゲート電極112、ゲート絶縁層120、及び無機半導体層126aの構成は、既に説明した図5と同様である。よって、ここではこれら同様の構成についての説明を省略する。
図6において、ゲート絶縁層120の上にはn型無機トランジスタNTのドレイン電極122及びソース電極124が形成されている。このn型無機トランジスタNTのドレイン電極122及びソース電極124は、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104で用いられる導電体材料で構成される。
図7は、本実施形態のCMOS回路におけるc−c’の箇所の断面図である。図7において、基板100、p型有機トランジスタPTのドレイン電極104、ゲート絶縁層110、ゲート絶縁層120、及びn型無機トランジスタNTのドレイン電極122の構成は、既に説明した図5及び図6と同様である。よって、ここではこれら同様の構成についての説明を省略する。
図7において、p型有機トランジスタPTのドレイン電極104の上には、ゲート絶縁層110とゲート絶縁層120とを貫通する層間コンタクト130が設けられており、p型有機トランジスタPTのドレイン電極104とn型無機トランジスタNTのドレイン電極122とは、層間コンタクト130を介して電気的に接続される。この層間コンタクト130は、導電体材料で構成されており、上記のp型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104と同様の導電体材料を用いて構成される。
ゲート絶縁層110の上には、層間コンタクト130を取り巻くように、導電体材料によって構成された導電体114が形成されている。導電体114は、層間コンタクト130と電気的に接続されている。導電体114を構成する導電体材料は、p型有機トランジスタPTと同様の導電体材料を用いて構成される。
以上のように、本実施形態における半導体装置としてのCMOS回路は、(a)基板100と、(b)有機半導体層106aを含むp型有機トランジスタPTと、(c)p型有機トランジスタPTの上層に設けられた無機半導体層126aを含むn型無機トランジスタNTと、を備える。さらに、n型無機トランジスタNTのチャネル領域126は、p型有機トランジスタPTのチャネル領域106と、平面視において少なくとも部分的に重なっている。
なお、本実施形態において導電体材料により構成される、p型有機トランジスタPTのソース電極102、ドレイン電極104、ゲート電極112、導電体114、n型無機トランジスタNTのドレイン電極122、ソース電極124、及び層間コンタクト130は、互いに異なる導電体材料によって構成されてもよい。ゲート絶縁層110及び120についても、互いに異なる絶縁体材料によって構成されてもよい。
ここで、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図5乃至図7を参照しながら簡単に説明する。
まず、有機トランジスタを形成するための基板を準備する。
次に、図5及び図6に示すように、基板100上にp型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104を形成する。
次に、図5及び図6に示すように、基板100上に有機半導体層106aを形成する。有機半導体層106aのうち、ソース電極102とドレイン電極104との間の領域がチャネル領域106となる。有機半導体層106aの形成においては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、CVD法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電界重合法、化学重合法、イオンプレーティング法、スピンコート法、キャスト法、引き上げ法、ラングミュアブロジェット法、スプレー法、液滴吐出法、ロールコート法、バーコート法、ディスペンス法、またはシルクスクリーン法等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。特に液滴吐出法、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、またはバーコート法により当該有機半導体層106aを形成することは、有機半導体の溶液を用いて簡単かつ精密に薄膜が形成できるため好ましい。
次に、図5乃至図7に示すように、ゲート絶縁層110を形成する。
必要に応じて、ゲート電極112と、p型有機トランジスタPTのソース電極102またはドレイン電極104とを電気的に接続するためのコンタクトホールを形成する。コンタクトホールを形成する方法としては、ウェットエッチング、またはドライエッチング等が挙げられる。ウェットエッチングは、酸、塩基、芳香族系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、または有機溶媒を用いて行われる。ウェットエッチングに用いられる酸としては、例えばフッ酸、硝酸、塩酸、または硫酸等が挙げられる。ウェットエッチングに用いられる塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、またはアンモニア等が挙げられる。ドライエッチングは、酸素プラズマ、アルゴンプラズマ、またはCF4プラズマを用いて行われる。
次に、図5乃至図7に示すように、ゲート電極112及び導電体114を形成する。当該工程は、同じく導電体材料により構成される、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104を形成する工程と同様の方法を用いることができる。
次に、図5乃至図7に示すように、ゲート絶縁層120を形成する。当該工程は、ゲート絶縁層110の形成工程と同様の方法を用いることができる。
次に、図5及び図6に示すように、ゲート絶縁層120上に無機半導体層126aを形成する。無機半導体層126aのうち、ソース電極124とドレイン電極122との間の領域がチャネル領域126となる。無機半導体層126aは、例えば、スパッタ法、レーザーアブレーション法等の従来の方法を用いることで形成することができる。
次に、図5及び図6に示すように、n型無機トランジスタNTのソース電極124及びドレイン電極122を形成する。当該工程は、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104の形成工程と同様の方法を用いることができる。
次に、図7に示すようにp型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104、ゲート電極112、並びにn型無機トランジスタNTのソース電極124及びドレイン電極122のうちのいずれか2つを電気的に接続するための層間コンタクト130を形成する。層間コンタクト130は、コンタクトホールの形成工程と同様の方法により形成可能である。本実施形態では、p型有機トランジスタPTのドレイン電極104をn型無機トランジスタNTのドレイン電極122と接続する例を示してある。
さらに、必要に応じて、半導体装置を水分や酸素、光から保護するための封止層(図示せず)を形成してもよい。封止層は、酸化ケイ素、酸化アルミ、もしくは酸化タンタル等の無機酸化物、窒化ケイ素等の無機窒化物、ポリビニルフェノール(PVP)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレン、パリレン膜、UV硬化樹脂等の絶縁性有機ポリマー、またはこれらの積層膜を用いて形成することができる。
本実施形態は、実施形態1と同様、有機トランジスタと無機トランジスタとを備えた半導体装置であり、CMOS回路で形成したインバーター回路を具体例として説明する。ただし、本実施形態2は、p型有機トランジスタPTのソース電極102、ドレイン電極104、及びチャネル領域106の形状だけが実施形態1と相違するので、この相違点を中心に説明する。
図9は、本実施形態における、CMOS回路で構成したインバーター回路の平面図である。図9において、本実施形態のインバーター回路は、p型有機トランジスタPT及びn型無機トランジスタNTを備えて構成される。p型有機トランジスタPTは、ソース電極102、ドレイン電極104、ゲート絶縁層110(図示せず)、及び有機半導体層106a(図示せず)を含んでおり、n型無機トランジスタNTは、ソース電極124、ドレイン電極122、ゲート絶縁層120(図示せず)、及び無機半導体層126a(図示せず)を含んでいる。
図10に示すように、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104は、いずれも櫛歯状の形状を有している。平面視において、ソース電極102の3本の櫛歯102aのうち一の歯は、少なくともその一部が、ドレイン電極104の3本の櫛歯104aのうち互いに隣り合う2本の櫛歯の間に挟まれるように形成されている。また、平面視において、ドレイン電極104の3本の櫛歯104aのうち一の歯は、少なくともその一部が、ソース電極102の3本の櫛歯102aのうち互いに隣り合う2本の櫛歯の間に挟まれるように形成されている。言い換えれば、ソース電極102の櫛歯102aのうちの少なくとも1本における、少なくとも当該櫛歯の端部は、ドレイン電極104の互いに隣り合う2本の櫛歯に、所定の間隔を置いて挟まれているともいえる。また、ドレイン電極104の櫛歯104aのうちの少なくとも1本における、少なくとも当該櫛歯の端部は、ソース電極102の互いに隣り合う2本の櫛歯に、所定の間隔を置いて挟まれているともいえる。そして、有機半導体層106aのうち、互いに隣り合う櫛歯102aと櫛歯104aとの間の領域がチャネル領域106となる。
図12は、本実施形態のCMOS回路におけるd−d’の箇所の断面図である。
基板100上には、導電体材料で構成された、p型有機トランジスタPTのソース電極102の櫛歯102a及びドレイン電極104の櫛歯104aが形成されている。図12に示すように、これらのソース電極102の櫛歯102a及びドレイン電極104の櫛歯104aは、所定の間隔を置いて交互に設けられている。なお、当該p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104を構成する導電体材料は、実施形態1で説明したp型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104の材料と同様に選択可能である。
また、基板100上には有機半導体層106aが設けられており、互いに隣り合う櫛歯102aと櫛歯104aとの間の領域がチャネル領域106である。有機半導体層106aを構成する有機半導体材料は、実施形態1で説明したp型有機トランジスタPTのチャネル領域106の材料と同様に選択可能である。
上記のとおり、本実施形態における半導体装置は、実施形態1における構成に加え、p型有機トランジスタPTのソース電極102及びドレイン電極104が、それぞれ櫛歯状に形成されていて、一方の電極における一の櫛歯が、他方の電極における互いに隣り合う2本の櫛歯の間に挟まれるように形成されていることを特徴とする。したがって、実施形態1における構成によって得られる効果に加えて、次のような効果も得られる。
なお、本実施形態において導電体材料により構成される、p型有機トランジスタPTのソース電極102、ドレイン電極104、ゲート電極112、導電体114、n型無機トランジスタNTのドレイン電極122、ソース電極124、及び層間コンタクト130は、実施形態1と同様に、互いに異なる導電体材料によって構成されてもよい。ゲート絶縁層110及び120についても、互いに異なる絶縁体材料によって構成されてもよい。
次に、図13を参照しながら、本発明の半導体装置を備えた電子機器の具体例を説明する。図13は携帯電話への適用例を示す。携帯電話530は、アンテナ部531、音声出力部532、音声入力部533、操作部534、及び電気光学装置500を備えている。この電気光学装置500は、実施形態1及び2で説明した半導体装置を含んで構成される。
Claims (2)
- 基板と、
前記基板の上に設けられた有機半導体層を含むp型の有機トランジスタと、
前記有機トランジスタの上に設けられた無機半導体層を含むn型の無機トランジスタと、を備え、
前記無機トランジスタのチャネル領域は、前記有機トランジスタのチャネル領域と、平面視において少なくとも部分的に重なっており、
前記有機トランジスタのゲート絶縁層の上層かつ前記無機トランジスタのゲート絶縁層の下層に、前記有機トランジスタのゲート電極として機能するとともに前記無機トランジスタのゲート電極として機能する電極が設けられており、
前記ゲート電極と、前記無機トランジスタのソース電極またはドレイン電極のいずれか一方とは、前記有機トランジスタのゲート絶縁層と前記無機トランジスタのゲート絶縁層とにわたって形成された第1の導電体を介して接続されており、
前記有機トランジスタのゲート絶縁層の下層には、前記第1の導電体と電気的に接続された第2の導電体が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 基板と、
前記基板の上に設けられた有機半導体層を含むp型の有機トランジスタと、
前記有機トランジスタの上に設けられた無機半導体層を含むn型の無機トランジスタと、を備え、
前記有機トランジスタはトップゲート構造を有し、前記無機トランジスタはボトムゲート構造を有し、
前記有機トランジスタと前記無機トランジスタとによってCMOS回路が形成されており、
前記無機トランジスタのチャネル領域は、前記有機トランジスタのチャネル領域と、平面視において少なくとも部分的に重なっており、
前記有機トランジスタのゲート絶縁層の上層かつ前記無機トランジスタのゲート絶縁層の下層に、前記有機トランジスタのゲート電極として機能するとともに前記無機トランジスタのゲート電極として機能する電極が設けられており、
前記ゲート電極と、前記無機トランジスタのソース電極またはドレイン電極のいずれか一方とは、前記有機トランジスタのゲート絶縁層と前記無機トランジスタのゲート絶縁層とにわたって形成された第1の導電体を介して接続されており、
前記有機トランジスタのゲート絶縁層の下層には、前記第1の導電体と電気的に接続された第2の導電体が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
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