薄膜晶体管及其制造方法与流程

本发明涉及薄膜晶体管及其制造方法。

背景技术：

薄膜晶体管被广泛用于液晶显示装置(lcd)、有机电致发光(el)显示装置、电子纸显示装置等显示装置或者各种传感器等中。

作为薄膜晶体管的半导体材料，使用了非晶质硅或多晶硅或者氧化物半导体等的材料成为主流。一般来说，对于使用了这些半导体材料的薄膜晶体管，通过在使用真空成膜法进行成膜之后利用光刻法等进行布图来制作。

近年来，作为半导体层使用了有机材料的有机薄膜晶体管备受关注。有机半导体材料在此之前与硅系材料或氧化物系材料相比迁移率小，难以制作高性能的薄膜晶体管。但是，有机材料的材料分子的设计自由度高，随着近年的技术进步，也报告了很多具有超过非晶质硅的迁移率的有机薄膜晶体管。

有机薄膜晶体管从以下方面出发受到期待：具有通过使用将半导体材料、导电性材料和绝缘性材料等的溶液进行涂布、印刷技术等湿式成膜法即有可能进行低温下的塑料基板上的器件形成及低成本的器件制造；印刷法由于同时进行成膜和布图的工序，因此与以往使用了光刻工艺的真空成膜工艺相比材料利用效率高，不需要抗蚀图案形成工序、刻蚀工序、剥离工序，因而环境负荷少。

作为通过印刷法形成的有机薄膜晶体管的元件构造，多采用在源电极及漏电极上形成有机半导体层的底接触构造。另外，为了减少半导体材料与源电极及漏电极的接触电阻、获得更高性能的有机薄膜晶体管，还有使用在源电极及漏电极上利用自组装膜等进行表面处理等方法(专利文献1)。

特别是，在使用p型有机半导体材料时，利用氟化合物等具有吸电子性的材料进行表面处理。

作为有机半导体材料，多使用稠合多环系芳香族化合物或π电子系高分子材料，但显示晶体管特性高(载流子迁移率高)的特性的有机半导体材料一般来说对溶剂的溶解度低，在利用喷墨印刷或凸版印刷法等各种印刷法或光刻法形成有机半导体油墨时，有机半导体油墨多制成低浓度且低粘度的油墨来进行使用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-234923号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

因此，具有上述那样底接触构造的有机薄膜晶体管中，栅极绝缘层中要形成半导体层的沟道区域中的栅极绝缘层表面与源电极及漏电极上表面的表面性(表面能量)不同。因而具有以下问题：产生栅极绝缘层表面与源电极及漏电极表面的对有机半导体油墨的润湿性差异，在低粘度(0.5cp～100cp)的半导体油墨的涂布时会发生油墨的涂膜凹陷，无法良好地形成半导体层的图案。

特别是，当利用氟系化合物进行源电极及漏电极的表面处理时，源电极及漏电极表面由于氟系化合物而成为疏液性非常高的状态，因此源电极及漏电极表面的对溶剂的润湿性显著降低，利用作为通过印刷法等涂布半导体油墨的方式的湿式成膜法是非常难以在实施了表面处理的源电极及漏电极上形成半导体层的。

本发明鉴于以上方面，提供对于在利用印刷法等湿式成膜法形成半导体层的有机半导体薄膜晶体管中显示良好特性(载流子迁移率高)的薄膜晶体管及其制造方法。

用于解决课题的方法

用于解决上述课题的本发明的一个方面为一种薄膜晶体管，其为在基板上至少具有栅电极、栅极绝缘层、源电极、漏电极、连接于源电极及漏电极的半导体层、以及保护层的薄膜晶体管，其中，源电极及漏电极表面具有凹凸构造。

另外，半导体层可以使用溶解了半导体材料或半导体材料的前体的溶液、利用喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法中的任一种方法来形成。

另外，源电极及漏电极表面的至少与半导体层相接触之处的表面粗糙度ra可以为3nm以上且50nm以下。

另外，源电极及漏电极可以通过喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、丝网印刷法中的任一种方法形成。

另外，源电极及漏电极的至少与半导体层相接触之处可以由金属材料构成。

另外，可以对源电极及漏电极表面的至少与半导体层相接触之处实施表面处理。

另外，保护层可以是使用溶解或分散了保护层材料或其前体的溶液、利用喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、丝网印刷法中的任一种方法来形成。

另外，本发明的另一方面为一种薄膜晶体管的制造方法，其具有以下工序：

在基板上依次形成栅电极、栅极绝缘层、源电极及漏电极的工序；

在源电极和漏电极表面上形成凹凸的工序；

在源电极、漏电极及其之间涂布半导体材料、形成连接于源电极及漏电极的半导体层的工序；以及

形成保护层的工序。

另外，本发明的又一方面为一种薄膜晶体管的制造方法，其具有以下工序：

在基板上形成源电极及漏电极的工序；

在源电极及漏电极上形成凹凸的工序；

在源电极、漏电极及其之间涂布半导体材料、形成连接于源电极及漏电极的半导体层的工序；以及

依次形成栅极绝缘层和栅电极的工序。

发明效果

根据本发明，能够提供即便是在对源电极及漏电极表面利用疏液性高的材料进行了表面处理的状态下、也可将半导体油墨在不发生涂膜凹陷的情况下进行涂布、在利用印刷法等湿式成膜法形成半导体层的有机半导体薄膜晶体管中显示良好特性的薄膜晶体管。

附图说明

图1为本发明第1实施方式的薄膜晶体管的概略截面图。

图2为本发明第2实施方式的薄膜晶体管的概略截面图。

具体实施方式

以下一边参照附图一边说明本发明的实施方式。此外，各实施方式中，对于相应的构成要素带有相同的符号，在各实施方式之间重复的说明省略。

图1为表示本发明第1实施方式的薄膜晶体管(底栅型)的概略截面图。

本实施方式的薄膜晶体管至少具备：形成于基板1上的栅电极2；形成于栅电极上的栅极绝缘层3；在栅极绝缘层3上分开地形成的源电极4及漏电极5；连接于源电极4及漏电极5的半导体层6；以及用于保护半导体层6的保护层7。

以下，按照薄膜晶体管的制造工序对本实施方式的各构成要素进行说明。

首先，在基板1上形成栅电极2。作为基板1的材料，可以使用聚碳酸酯、聚乙烯硫化物、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、环烯烃聚合物、三乙酰纤维素、聚氟乙烯膜、乙烯-四氟乙烯共聚树脂、耐候性聚对苯二甲酸乙二醇酯、耐候性聚丙烯、玻璃纤维强化丙烯酸树脂膜、玻璃纤维强化聚碳酸酯、聚酰亚胺、氟系树脂、环状聚烯烃系树脂、玻璃、石英玻璃等，但并非限定于这些。这些材料可以单独使用，也可将2种以上层叠来作为基板1进行使用。

基板1为有机物膜时，为了提高薄膜晶体管的耐久性，还可以形成透明的阻气层(未图示)。作为阻气层，可以举出氧化铝(al2o3)、氧化硅(sio)、氮化硅(sin)、氧化氮化硅(sion)、碳化硅(sic)及类金刚石碳(dlc)等，但并非限定于这些。另外，这些阻气层还可以层叠2层以上进行使用。阻气层可以仅形成在使用了有机物膜的基板1的单面上，也可形成在两面上。阻气层可以使用真空蒸镀法、离子镀法、溅射法、激光烧蚀法、等离子体cvd(chemicalvapordeposition，化学气相沉积)法、热线cvd法及凝胶-溶胶法等进行形成，但并非限定于此。

另外，为了提高形成在基板1上的栅电极2与基板1的密合性，还可设置密合层。

栅电极2、源电极4及漏电极5并无必要明确地分为电极部分及布线部分，本说明书中特别地作为各薄膜晶体管的构成要素而称呼为电极。另外，当没必要区别电极和布线时，相应地记为栅极、源极、漏极等。

栅电极2的材料可以使用铝(al)、铜(cu)、钼(mo)、银(ag)、铬(cr)、钛(ti)、金(au)、铂(pt)、钨(w)、锰(mn)等金属材料、或者氧化铟(ino)、氧化锡(sno)、氧化锌(zno)、氧化铟锡(ito)、氧化铟锌(izo)等导电性金属氧化物材料、聚乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸酯(pedot/pss)或聚苯胺等导电性高分子，但并非限定于这些。这些材料可以以单层进行使用，也可作为叠层及合金进行使用。

栅电极2可以通过真空蒸镀法、溅射法等真空成膜法、使用导电性材料的前体或纳米粒子等的湿式成膜法、例如喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、丝网印刷法等方法进行形成，但并非限定于这些。布图可以是例如使用光刻法、用抗蚀剂等保护图案形成部分、利用刻蚀将不需要部分除去来进行，也可以使用印刷法等直接进行布图，但并非限定于这些方法，可以使用公知一般的布图方法。

接着，在基板1及栅电极2上形成栅极绝缘层3。栅极绝缘层3按照除了栅电极2与其他电极的连接部及与外部的连接部之外、将薄膜晶体管部分的至少栅电极2被覆的方式来形成。

本实施方式的栅极绝缘层3可以使用氧化硅(siox)、氧化铝(alox)、氧化钽(taox)、氧化钇(yox)、氧化锆(zrox)、氧化铪(hfox)等氧化物系绝缘材料或氮化硅(sinx)、氧化氮化硅(sion)或者聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等聚丙烯酸酯、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯基苯酚(pvp)等树脂材料、聚倍半硅氧烷(psq)等有机/无机混合树脂，但并非限定于这些。它们可以是单层或层叠2层以上，还可以是朝着成长方向组成发生了倾斜。

栅极绝缘层3为了抑制薄膜晶体管的栅漏电流，优选其电阻率为10¹¹ωcm以上、更优选为10¹⁴ωcm以上。

对于栅极绝缘层3的形成方法，可以根据材料适当地使用真空蒸镀法、离子镀法、溅射法、激光烧蚀法、等离子体cvd法、光cvd法、热线cvd法等真空成膜法或者旋涂法、模涂法、丝网印刷法等湿式成膜法。

接着，在栅极绝缘层3上形成源电极4及漏电极5。源电极4及漏电极5的材料可以使用铝(al)、铜(cu)、银(ag)、金(au)、铂(pt)等金属材料或者氧化铟(ino)、氧化锡(sno)、氧化锌(zno)、氧化铟锡(ito)、氧化铟锌(izo)等导电性金属氧化物材料。这些材料可以以单层使用，也可作为叠层及合金进行使用。

源电极4及漏电极5的形成优选利用使用导电性材料的前体或纳米粒子等的湿式成膜法。例如，可以使用喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、丝网印刷法等方法。布图例如可以使用光刻法利用抗蚀剂等保护图案形成部分、利用刻蚀将不需要部分除去来进行，也可以利用印刷法直接进行布图，但并非限定于这些。

当在源电极4及漏电极5上形成半导体层6时，可以利用使用溶解及分散有半导体材料的溶液及糊料等的湿式成膜法来形成。使用湿式成膜法时，通过源电极4及漏电极5的表面具有微细的表面凹凸，可以抑制源电极4及漏电极5上的半导体材料的涂膜凹陷。表面凹凸的尺寸、形状等只要是能够以抑制所用半导体材料的涂膜凹陷的程度获得润湿性，则无任何限定，根据半导体材料的粘度等适当地设定表面粗糙度等即可，以下作为标准示出其一例。

源电极4及漏电极5通过使至少与半导体层6相接触之处的表面的算术平均粗糙度ra(以下称作表面粗糙度)优选为3nm以上且50nm以下、更优选为12nm以上且40nm以下、最优选为15nm以上且30nm以下，则半导体层6可以获得与源电极4及漏电极5的良好密合性。超过50nm时，由于膜厚不均的影响，有布线电阻降低的可能，小于3nm时，有在源电极4及漏电极5的表面上半导体材料无法形成均质的半导体层6的可能。

另外，形成于源电极4及漏电极5表面上的微细的表面凹凸通过在表面凹凸的凸部与凹部的周期(间距)的平均周期为20nm以上且500nm以下的范围内、表面凹凸的高度(凸部的高度与凹部的深度)的平均为20nm以上且200nm以下的范围内、以不定期的周期制作表面凹凸的形状，可以获得良好的覆膜和密合性。进而，对于保护层7也同样，通过源电极4及漏电极5具有表面凹凸，可以提高密合性。

另外，表面凹凸的平均周期是在任意的测定区域中对任意的相邻的凸部之间或凹部之间的间隔测定50点以上，将其平均作为表面凹凸的平均周期(间距)。另外，表面凹凸的平均高度是在任意的测定区域中对任意的凸部的高度最高的测定点及与该凸部相邻的凹部的最低测定点之间的距离测定50点以上，将其平均作为表面凹凸的平均高度。

对于表面粗糙度的控制方法，可以在形成平滑地形成的膜后利用湿式刻蚀等方法对进行刻蚀，按照达到所希望的表面粗糙度的方式进行控制；也可以使用等离子体刻蚀或溅射刻蚀等干式刻蚀法等；还可以使用电晕处理或大气压等离子体处理等方法。另外，还可以按照在形成源电极4及漏电极5时形成所希望的表面粗糙度的电极的方式，对电极材料的印刷版的表面形状或电极图案进行控制，当源电极4及漏电极5使用导电性材料的前体或纳米粒子等时，还有为了能够通过源电极4及漏电极5形成时的热处理等控制表面粗糙度来调整源电极4及漏电极5的前体或纳米粒子的尺寸的方法，但并非限定于这些。对于表面粗糙度的测定方法，可以使用原子力显微镜(afm：atomicforcemicroscope)等测定设备进行测定。

另外，当在源电极4及漏电极5上形成半导体层时，优选源电极4及漏电极5的表面的表面积率为1.05以上且1.3以下。其中，表面积率sratio是指实际上所测得的表面积s相对于假定测定面是理想地平整面时的面积s0的比率(s/s0)。源电极4及漏电极5的表面的表面积率为1.05以上且1.3以下时，在使用半导体材料形成半导体层6时，可以抑制半导体材料在源电极4及漏电极5上的涂膜凹陷或润展。对于表面积率的测定方法，可以使用原子力显微镜等测定设备进行测定。

对于源电极4及漏电极5，为了降低与半导体层6的半导体材料的接触电阻，可以进行电极表面的表面处理。表面处理优选对电极表面的至少与半导体层相接触之处进行。作为表面处理方法，优选使用通过表面处理材料与源电极4及漏电极5化学地反应、从而进行表面处理的自组装膜(sam)等方法。

接着，按照连接于栅极绝缘层3、源电极4及漏电极5上的方式形成半导体层6。作为半导体层6的材料，可以使用并五苯、并四苯、酞菁、苝、噻吩、苯并二噻吩、双噻吩蒽及它们的衍生物等低分子系有机半导体材料及富勒烯、碳纳米管等碳化合物、聚噻吩、聚烯丙胺、芴双噻吩共聚物及它们的衍生物等高分子系有机半导体材料，但并非限定于这些。

半导体层6可以优选利用使用溶解或分散有半导体材料或半导体材料的前体的溶液或糊料等的湿式成膜法。例如，可以使用喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、丝网印刷法等方法，但并非限定于这些，可以使用公知一般的方法。

接着，在半导体层6上形成保护层7。保护层7是用于保护半导体层6而形成的。保护层7需要按照至少将半导体层6与沟槽部分相重叠的区域覆盖的方式来形成。

作为保护层7的材料，可举出氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化钇、氧化铪、铝酸铪、氧化锆、氧化钛等无机材料，或者pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)等聚丙烯酸酯、pva(聚乙烯醇)、pvp(聚乙烯苯酚)、氟系树脂等绝缘材料，但并非限定于这些。

对于保护层7的材料，为了将薄膜晶体管的漏电流抑制在较低，优选其电阻率为10¹¹ωcm以上、更优选为10¹⁴ωcm以上。

保护层7通过使用溶解或分散有保护层材料或其前体的溶液、利用喷墨法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、丝网印刷法中的任一种方法来形成。这些保护层7可以作为单层使用，也可层叠2层以上进行使用。另外，还可以是朝向成长方向组成发生了倾斜。

如以上说明的那样，第1实施方式的薄膜晶体管的制造方法具有以下工序：在基板上依次形成栅电极、栅极绝缘层、源电极及漏电极的工序；在源电极和漏电极表面上形成凹凸的工序；以及依次形成半导体层和保护层的工序。

图2表示本发明的第2实施方式的薄膜晶体管(顶栅型)的概略截面图。对于对应于第1实施方式的薄膜晶体管的构成要素，赋予相同的参照符号，说明适当地省略。

本实施方式的薄膜晶体管的制造方法具有以下工序：在基板上形成源电极及漏电极的工序；在源电极及漏电极上形成凹凸的工序；以及依次形成半导体层、栅极绝缘层和栅电极的工序。

实施例

作为本发明的实施例，制作图1所示的薄膜晶体管。

作为基板1使用厚度为0.7mm的无碱玻璃。在玻璃基板上，使用dc磁控溅射法以200nm的膜厚成膜mo合金，利用光刻法布图成所希望的形状。具体地说，涂布感光性正型光致抗蚀剂之后，进行掩模曝光、利用碱显影液的显影，形成所希望形状的抗蚀图案。进而，利用刻蚀液进行刻蚀，将不需要的mo合金溶解。之后，使用抗蚀剂剥离液将光致抗蚀剂除去，形成所希望形状的mo合金的电极，形成栅电极2。

接着，在栅电极2上使用模涂法涂布丙烯酸树脂，在230℃下进行烧成，形成膜厚为1μm的栅极绝缘层3。

之后，按照成为源电极4及漏电极5的图案形状的方式，使用喷墨法涂布分散有银纳米粒子的油墨，在200℃下烧成1小时。源电极4及漏电极5的膜厚为100nm。之后，使用afm测定源电极4及漏电极5的表面粗糙度时，其表面粗糙度ra为4.5nm。所使用的银纳米粒子使用按照源电极4及漏电极5的表面粗糙度满足所希望的值的方式调整了纳米粒子的尺寸及浓度的粒子。

作为源电极4及漏电极5的表面处理，将基板浸渍在以10mm浓度溶解了五氟苯硫酚的异丙醇中。为了将多余的五氟苯硫酚除去，利用异丙醇进行洗涤之后干燥。

接着，利用挠性印刷法涂布以2wt％的浓度在四氢化萘中溶解了6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯的半导体油墨。半导体油墨可以在不在源电极4及漏电极5上形成涂膜缺陷的情况下进行涂布。之后，在100℃下进行干燥，形成半导体层6。

利用挠性印刷法将氟树脂涂布在半导体层6上，在100℃下干燥，制成保护层7。

(比较例)

作为比较例，制作以下说明的薄膜晶体管。

作为基板1使用厚度为0.7mm的无碱玻璃。在玻璃基板上，使用dc磁控溅射法以200nm的膜厚成膜mo合金，利用光刻法布图成所希望的形状。具体地说，涂布感光性正型光致抗蚀剂之后，进行掩模曝光、利用碱显影液的显影，形成所希望形状的抗蚀图案。进而，利用刻蚀液进行刻蚀，将不需要的mo合金溶解。之后，使用抗蚀剂剥离液将光致抗蚀剂除去，形成所希望形状的mo合金的电极，形成栅电极2。

接着，在栅电极2上使用模涂法涂布丙烯酸树脂，在230℃下进行烧成，形成膜厚为1μm的栅极绝缘层3。

之后，使用金属掩模，利用使用了电子束的真空蒸镀法对银进行成膜，形成源电极4及漏电极5。源电极4及漏电极5的膜厚与实施例同样地为100nm。本比较例的源电极4及漏电极5的表面粗糙度为可称为基本平滑的程度的1.5nm。

作为源电极4及漏电极5的表面处理，将基板浸渍在以10mm浓度溶解了五氟苯硫酚的异丙醇中。为了将多余的五氟苯硫酚除去，利用异丙醇进行洗涤之后干燥。

接着，利用喷墨法涂布以2wt％的浓度在四氢化萘中溶解了6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯的溶液，在100℃下进行干燥，形成半导体层6。

在半导体层6上利用喷墨法涂布氟树脂，在100℃下干燥，制成保护层7。

比较例所记载的薄膜晶体管中，由于在半导体层6的印刷时对源电极4及漏电极5实施了疏液性高的表面处理，因此源电极4及漏电极5上的半导体油墨的润湿性差，因而发生了半导体油墨的涂膜凹陷，无法均匀地涂布，半导体层6无法连接于源电极4及漏电极5或者无法充分地连接，无法获得作为薄膜晶体管的功能。另外，对将比较例所记载的薄膜晶体管在基板上形成了100元件的样品的各个晶体管特性进行测定的结果是，由于是半导体层6与源电极4及漏电极5的连接不充分的元件，因此各个元件的晶体管特性可见不均。

本发明的实施例中，由于源电极4及漏电极5表面具有微细的凹凸，因此即便是对源电极4及漏电极5表面利用疏液性高的材料进行了表面处理的状态下，也能够在半导体油墨不发生涂膜缺陷的情况下进行涂布，半导体层6能够良好地连接于源电极4及漏电极5，确认到形成了显示良好特性的薄膜晶体管。另外，对将实施例所记载的薄膜晶体管在基板上形成了100元件的样品的各个晶体管特性进行测定的结果是，在所有元件中，由于半导体层6与源电极4及漏电极5的连接充分，因此各个元件的晶体管特性未见不均。

产业上的可利用性

本发明对于薄膜晶体管是有用的，对于液晶显示装置(lcd)、有机电致发光(el)显示装置、电子纸显示装置等显示装置或各种传感器等是有用的。

符号说明

1基板

2栅电极

3栅极绝缘层

4源电极

5漏电极

6半导体层

7保护层