CN100359700C - 包含有机半导体的场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

通过在一个衬底(106，204)上形成有机半导体沟道(112，216，308，418)、在至少一个其它衬底(104，108，206)上形成器件电极(114，116，110，208，210，212)、并随后把衬底层压在一起，来制造含有场效应晶体管(102，202，302，402)的集成电路(100，200，300，400)。在一个实施例中，在进行层压之前，在衬底(204，206)之一上形成用作栅极电介质的电介质片(214)。层压对器件装配提供了低成本途径，允许在不同的衬底上分别制造不同的器件结构，并使各种器件层变薄，最终提高了性能。

Description

包含有机半导体的场效应晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及微电子电路制造方法及用这种方法生产的器件。
背景技术
传统上，常用无机材料制造微电子电路。尽管对于例如需要大面积微电子电路的有源显示器的特殊应用来说，利用单晶晶片制造的微电子电路占有优势，但已经使用淀积在绝缘有机或无机衬底上的多晶或非晶材料。利用多晶或非晶无机材料的微电子电路的制造需要承担很长工序的费时处理操作，并通常是相当复杂和昂贵的。
近来，人们对研究有机半导体作为无机半导体的代用品的商业用途方面越来越感兴趣。
发明内容
根据本发明第一方面，提供一种场效应晶体管，包括：第一衬底；层压到第一衬底上的第二衬底；栅电极；位于第一和第二衬底之间的源电极；位于第一和第二衬底之间的漏电极；位于第一和第二衬底之间靠近栅电极并电接触源电极和漏电极的有机半导体；其中，第一衬底选自由聚合物膜、纸和布构成的组；以及第二衬底选自由聚合物膜、纸和布构成的组。
根据本发明第二方面，提供一种场效应晶体管，包括：第一衬底；层压到第一衬底上的第二衬底；栅电极；位于第一和第二衬底之间的源电极；位于第一和第二衬底之间的漏电极；以及位于第一和第二衬底之间靠近栅电极并电接触源电极和漏电极的有机半导体；插入在源电极与有机半导体之间以及在漏电极与有机半导体之间的接触增强材料。其中，接触增强材料选自由铬、铬和锌的有色合金、锌和钛的合金、钛和锡的合金、以及锡合金构成的组。
根据本发明第三方面，提供一种场效应晶体管，包括：第一衬底；层压到第一衬底上的第二衬底；栅电极；位于第一和第二衬底之间的源电极；位于第一和第二衬底之间的漏电极；以及位于第一和第二衬底之间靠近栅电极并电接触源电极和漏电极的有机半导体；插入在源电极与有机半导体之间以及在漏电极与有机半导体之间的接触增强材料。其中，有机半导体包括聚噻吩族化合物；接触增强层包括十八烷基三氯代硅烷。
根据本发明第四方面，提供一种制造含有电子器件的集成电路的方法，该方法包括如下步骤：涂敷有机半导体到第一衬底上；此后，在有机半导体上层压第二衬底到第一衬底，在进行层压步骤之前，在至少局部与有机半导体有重叠关系的位置中，在第二衬底的一侧上、即面对第一衬底的第二衬底上形成第一电极；由此，进行层压的步骤，建立有机半导体和第一电极之间的电接触。
附图说明
将借助于附图中所示例的范例来描述本发明，但本发明不限于此，附图中相同的参考标记指示相同的元件，并且其中：
图1是根据本发明优选实施例的含有场效应晶体管的集成电路的一部分的截断的截面正视图；
图2是根据本发明第一替换实施例的含有场效应晶体管的集成电路的一部分的截断的截面正视图；
图3是根据本发明第二替换实施例的含有场效应晶体管的集成电路的一部分的截断的截面正视图；
图4是根据本发明第三替换实施例的含有场效应晶体管的集成电路的一部分的截断的截面正视图；
图5是根据本发明优选实施例的包含在制造图1中所示的集成电路的层压工艺的示意图；
图6是根据本发明第一替换实施例的包含在制造图2中所示的集成电路的层压工艺的示意图；
图7是根据本发明优选实施例的用于制造图1中所示的含有场效应晶体管的集成电路的工艺的流程图；
图8是根据本发明第一替换实施例的用于制造图2中所示的含有场效应晶体管的集成电路的工艺的流程图。
具体实施方式
正如所需要的，此处公开了本发明的详细实施例；然而，应明白所公开的实施例仅仅是能以各种形式具体表达的本发明的示范例。因此，此处公开的具体结构和功能细节不认为是限制性的，而仅仅是用于权利要求的基础和用于教导本领域技术人员的典型基础，以多方面利用按实际上任何合适的详细结构的本发明。此外，此处使用的术语和短语不意图受到限制，而应被视为提供本发明的易懂的说明。
图1是根据本发明优选实施例的含有第一场效应晶体管102的第一集成电路100的一部分的截断的截面正视图。集成电路100包括层叠在一起的第一衬底104、第二衬底106和第三衬底108。第二衬底106位于第一衬底104和第三衬底108之间。最初形成在第三衬底108上的栅电极110位于第二衬底106和第三衬底108之间。最初形成在第二衬底106上的有机半导体沟道112位于第一衬底104和第二衬底106之间。最初形成在第一衬底100上的源电极114和漏电极116间隔离开地设置在第一衬底104和有机半导体沟道112之间。接触增强层118优选存在于源电极114和漏电极116与有机半导体沟道112的界面处。适合于用作接触增强层118的第一类材料是基于金属的。用作接触增强层118的金属优选选自由铬、铬和锌的有色合金、锌和钛的合金、钛和锡的合金、以及锡合金构成的组。可选择地，接触增强层118包括分子液体剂。十八烷基三氯代硅烷(octadecyltrichlorosilane)是特别适合于用作与含有聚噻吩族化合物的有机半导体沟道112结合的接触增强层118的分子液体剂。
第二衬底106用作栅极电介质层。此外，第二衬底106能提供分子结构装置以优先使包括器件结构(例如，沟道112)的有机半导体定向，由此增强电特性。定向的聚合物基膜尤其适合于用作第二衬底106或用作支持有机半导体器件结构的此处下文公开的其它衬底。定向的聚合物基膜的分子级表面易于优先使其上支持的有机半导体器件结构(例如沟道112)定向，产生在有机半导体内的增加的排序并提高了电特性。
可选择地，相对于图1中所示出的，消除第二衬底106并在栅极110上形成分离的栅极电介质，有机半导体沟道112随后形成在分离的栅极电介质上面。此外，针对该选择方案，应提到有机半导体沟道112可以首先形成在第一衬底104或第三衬底108上。
能以多种方法形成可以用在集成电路中的其它电路元件、主要是电阻器和电容器。例如，可以通过在第一衬底104和第二衬底106之间设置第一电极、并在第二衬底106和第三衬底108之间设置直接横越第二衬底106面对第一电极的第二电极，来形成电容器。通过形成与有机半导体材料的伸长部分接触并在其相对端处的两个端子电极，在第一衬底104和第二衬底108之间选择地形成电阻器。这种电阻器类似于场效应晶体管102，然而不包括栅电极。用于电阻器的电阻材料可以是、但不局限于任何电阻聚合物厚膜膏、电阻聚合物，等等。
图2是根据本发明第一替换实施例的含有第二场效应晶体管202的第二集成电路200的一部分的截断的截面正视图。第二集成电路200包括第一衬底204和第二衬底206。源电极208、栅电极210和漏电极212设置在第一衬底204和第二衬底206之间的第二衬底206上。栅极电介质片214覆盖栅电极210。有机半导体沟道216在栅极电介质片214上面从源电极208延伸道漏电极212。源电极208和漏电极212接触并局部叠盖有机半导体沟道216。电介质片214和有机半导体沟道216位于第一衬底204和第二衬底206之间。设置有机半导体沟道216靠近第一衬底204。可选择性改变上述器件组成的排列。例如，源电极208和漏电极212中的任何一个或两个可以放置在有机半导体沟道216和第一衬底204之间，而不是如图2中所示的设置在有机半导体沟道216和第二衬底206之间。可选择地，栅电极210可选择放置在任一第一衬底204或第二衬底206的外部表面上，而不是如所示的位于两块衬底204、206之间。在后者的情况下，衬底204、206之一将起到栅极电介质作用，并将消除电介质片214。
图3是根据本发明第二替换实施例的含有第三场效应晶体管302的第三集成电路300的一部分的截断的截面正视图。第三场效应晶体管302包括第一衬底304和第二衬底306。优选首先形成在第一衬底304上的有机半导体沟道308位于第一衬底304和第二衬底306之间。源电极310、栅电极312和漏电极314位于有机半导体沟道308和第二衬底306之间。可选择地，源电极310、栅电极312和漏电极314中的至少一个位于有机半导体沟道308和第一衬底304之间。考虑到有机半导体沟道308的材料来选择栅电极的材料，使得在栅电极312和有机半导体沟道308之间形成肖特基结316。为了形成肖特基结316，优选使用栅电极材料，其特征在于针对有机半导体沟道308的物理特性足以在栅电极312和有机半导体沟道308之间产生肖特基结316的工作性能。提供肖特基结316消除了对电介质材料的需要，例如在图2中所示的第一替换实施例中所使用的。尽管栅电极312不必为金属，但可选择用于形成对有机半导体沟道308的肖特基接触的金属包括铝、镁、钛、钽、锰和锌。考虑到有机半导体沟道308的特性来优选选择源和漏电极310、314的材料，以便形成对有机半导体沟道308的欧姆接触。尽管源和漏电极310、314不必为金属，但可选择形成对有机半导体沟道308的欧姆接触的金属包括铜、金、银、镍、铂和钨。
图4是根据本发明第三替换实施例的含有双栅场效应晶体管402的集成电路400的一部分的截断的截面正视图。集成电路400包括第一衬底404、第二衬底406、第三衬底408和第四衬底410。第一栅电极412位于第一衬底404和第二衬底406之间。导电迹线的第一段414、导电迹线的第二段416也位于第一衬底404和第二衬底406之间。优选在同样用于形成第一栅极412的工序中形成上述导电迹线段414、416。导电迹线段414、416中的一个或两个优选用于使双栅场效应晶体管402与集成电路400的其它电路部件(例如，其它场效应晶体管)互连。
有机半导体沟道418位于第二衬底406和第三衬底408之间。源电极420和漏电极422位于第二衬底406和有机半导体沟道418之间、在第一栅电极412的相对侧面(横向)上。第二衬底将第一栅电极412与有机半导体沟道418绝缘。第二栅电极424位于第三衬底408和第四衬底410之间、横向对准第一栅电极412。提供两个栅极而不仅仅为单个栅极，增加了场效应晶体管402的跨导。
第三导电迹线段426位于第三衬底408和第四衬底410之间。优选在用于形成第二栅电极424的工序中形成第三导电迹线段426并优选电连接第二栅电极424。用外围侧壁428A限制的通路428通过四个衬底404-410并对准第二导电迹线段416(位于第一衬底404和第二衬底406之间)和对准第三导电迹线段426。例如，可以通过机械或激光钻孔或通过蚀刻来形成通路428。设置在通路428内的导电材料430电接触第二导电迹线段416和第三导电迹线段426。例如，导电材料430可以包括用电镀涂敷的导电粘合剂或金属。可以通过第二和第三导电迹线段416、426和导电材料430连接第一和第二栅电极412、424。
在任一上述实施例中选择地提供附加衬底。附加衬底选择性用于供给附加器件和/或互连导电迹线段。
图5是根据本发明优选实施例的包含在制造图1中所示的集成电路中的层压工艺的示意图。如图5所示，以卷筒(web)滚轴的形式提供第一衬底104、第二衬底106和第三衬底108。如在图5中所看到的，第一衬底支持多个源电极114和漏电极116。(尽管可以在源和漏电极114、116上设置接触增强材料118，但在图5中没有显示。)第二衬底106支持多个有机半导体沟道112，并且第三衬底108支持多个栅电极110。如图5中所示，以卷筒形式的三个衬底104、106和108通过第一滚轴502和第二滚轴504之间很小的间隙来供给，并由此层叠在一起。对于某些衬底，在层压衬底在一起之前即刻加热滚轴502、504或加热衬底是理想的，以便得到改善的层压。
层压衬底104、106和108使含有有机半导体沟道112和用作栅极电介质层106的第二衬底106的器件层变薄，并由此增加了所得到的场效应晶体管102的跨导。利用层压使不同的器件层、例如沟道栅极被分别形成在独立的衬底上。不必在同一衬底的另一器件层上形成一层器件层，易于增加能构造器件结构的精确度，并减少器件结构的易得到的临界尺寸(例如，电介质和半导体层厚度)。如下面进一步所描述的，选择使用多种印刷工艺来形成器件结构。相对于如果所有器件形成在单个衬底的话可能取得的工艺的精确度和设计弹性，如果器件结构分别形成在各自的衬底上，那么提高了用这种工艺的精确度和设计弹性。
可选择地，取代第一和第二滚轴502、504，使用按压型层合机。还可以使用能抽出受到层压的衬底的情况的按压型层合机。通过使用真空层压，可以避免衬底104、106、108之间的气体的收集。按压型层合机特别适合于与卷筒供给衬底处理对照的薄片供给衬底处理。可选择地以与连续卷筒成对比的分离薄片的形式提供衬底104、106、108。如果使用卷筒，那么剪切成分离的碎片，其每一个都包括至少一个允许层压的集成电路。
图6是根据本发明第一替换实施例的包含在制造图2中所示的集成电路中的层压工艺的示意图。如图6中所示，第一衬底204和第二衬底206采用卷筒的形式。多个源电极208、栅电极210和漏电极212形成在第二衬底206上。多个有机半导体沟道216形成在第一衬底204上。多个电介质片214形成在第一衬底204上并覆盖有机半导体沟道216。如图6中所示，通过在第一滚轴502和第二滚轴504之间的狭窄缝隙供给第一衬底204和第二衬底206。如上面结合图5所论述的，取代第一和第二滚轴502、504，可选择利用其它类型的层压设备。在通过第一和第二滚轴502、504之间时，两个衬底206、204被轧压并层叠在一起。通过层压工艺使含有电介质片214和有机半导体沟道216的器件层变薄，其产生具有高跨导的制造的场效应晶体管202。尽管图5中没有显示，在集成电路中可选择包括其它导电迹线、其它类型的器件和其它功能性或非功能性的特征。
图7是根据本发明优选实施例的用于制造图1中所示的含有场效应晶体管的集成电路的工艺的流程图。在步骤702中，源和漏电极114、116形成在第一衬底104上。可选择使用多种工艺来形成优选和其它实施例中的源和漏电极114、116。例如，源和漏电极114、116可以包括通过使用光刻胶构图法蚀刻金属膜限定的金属的片。可选择地，源和漏电极114、116包括无机毫微颗粒金属、例如聚苯胺、聚乙烯、二氧噻吩磺酸盐、掺杂的聚噻吩的导电聚合物、或包括导电填充材料的非导电聚合物。可以通过包括喷射、微分配、微接触印刷、凹版印刷、苯胺凸版印刷或胶印的多种方法来涂敷源和漏电极114、116及其他实施例中的电极。可选择地，在第一衬底上淀积要形成源和漏电极使用的材料的敷层，并随后构图。例如，可以通过构图法蚀刻、构图法光致聚合作用来实现构图，对例如紫外线的辐射构图法曝光，随后通过沉浸在溶剂中显影，可选择性改变敷层涂敷的可溶性。可选择地，在施加要形成电极114、116用的材料之前，通过掩模对例如紫外线的辐射选择性曝光第一衬底104，以相对要形成电极114、116用的材料选择性改变衬底的粘附力、例如亲水粘附力。随后当涂敷电极材料时，其将仅仅粘附第一衬底104的一定部分(例如，曝光的那些或没有曝光的那些)。
多种不同类型的衬底材料可以用于优选实施例的第一、第二和第三衬底104、106、108以及用于其它实施例的衬底。优选地，衬底是从由布、纸、或例如聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯和聚碳酸酯的聚合膜构成的组中选择的材料。优选衬底是柔性的。
在步骤704中，把接触增强材料118施加到源和漏电极上。可选择地，不使用接触增强材料118。通过涂层淀积基础金属和接触增强材料、并随后构图基础金属和接触增强材料，可以形成连同接触增强材料一起的金属源和漏电极114、116。可选择地，可以涂敷和构图基础金属，然后通过电镀或淀积增加接触增强材料。
在步骤706中，有机半导体沟道112形成在第二衬底106上。例如，有机半导体沟道112可以包括来自下面的材料：例如聚(3-烃基噻吩)、聚(3-己基噻吩)或聚(3-烃基噻吩-2，5-diyl)的聚噻吩族；例如六噻吩的寡噻吩；例如2，8-二己基蒽噻吩或2，8-二辛基蒽噻吩(2，8-dioctadecylanthradithiophene)的烃基取代蒽噻吩；例如2，8-二己基萘噻吩或2，8-二辛基萘噻吩的烃基取代萘噻吩；例如萘1，4，5，8-四羧酸二酰亚胺或蒽2，3，6，7-四羧酸二酰亚胺的稠环四羧酸二酰亚胺；聚苯胺；二萘嵌苯；饱和环(fullerenes)(例如，C60)；聚(亚苯基-乙烯撑)；聚(噻吩基-乙烯撑)；并五苯；或酞花青(phthalocyanine)配位化合物，其中配位离子例如为铂(Pt)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、锡(Sn)、铁(Fe)或氢(H2)。
可以通过包括喷射、微分配、微接触印刷、凹版印刷、苯胺凸版印刷或胶印的多种方法来形成有机半导体沟道112。可选择地，如上所述，连同源和漏电极114、116一起，施加敷层到第二衬底106上，并随后构图以形成有机半导体沟道112。与传统的无机半导体(例如，Si、GaAs)相比，有机半导体具有如下优势，由有机半导体构成的器件、例如沟道112可以通过使用上述印刷、敷层涂敷和其它构图技术来形成。这种技术比传统的半导体制造技术简单而便宜。
在步骤708中，栅电极110形成在第三衬底108上。栅电极110可以为金属，在这种情况下，例如，通过用要形成栅电极110的金属敷层涂敷(例如，通过溅射)第三衬底108、并随后构图金属可以形成它们。然而，优选地，栅电极110由例如聚苯胺、聚乙烯、二氧噻吩磺酸盐、或掺杂的聚噻吩的导电聚合物形成。例如，可以使用结合有机半导体沟道112和源和漏电极114、116的上述相同的技术来淀积导电聚合物栅电极。
在步骤710中，排列第一实施例中的三个衬底104、106、108，使得其上形成了有机半导体沟道112的第二衬底106的一侧面对其上形成了源和漏电极的第一衬底104的一侧；以及其上形成了栅电极110的第三衬底108的一侧面对第二衬底106的背面(有机半导体沟道112的相反侧)。
在步骤712中，使三个衬底104、106、108对齐，使得半导体沟道112在源电极114和漏电极116之间延伸，以及栅电极110位于源电极114和漏电极116之间。电极110、114覆盖有机半导体沟道112。
在步骤714中，使三个衬底104、106、108层压在一起以形成含有至少一个场效应晶体管102的集成电路100。可选择地，在附加膜之间(未示出)可以层压三个衬底104、106、108，附加膜可以提供防止环境恶化的保护，例如由大气氧气、水分或光引起的恶化。优选地，附加阻挡膜基本削弱了对器件结构(例如，有机半导体沟道112)有害的光学辐射。例如阻挡膜可以包括用例如硅土或金属(例如铜或铝)的阻挡材料涂敷的聚合物膜。涂敷了聚脂薄膜的铝可以用作保护不受环境恶化的附加膜。可选择地，设计上述阻挡膜以提供抗环境恶化的有限保护，以便限制集成电路102的寿命为预定的平均时间(例如，90天)。
图8是根据本发明第一替换实施例的用于制造图2中所示的含有场效应晶体管202的集成电路200的工艺的流程图。在步骤802中，源极208、栅极210和漏极212形成在第二衬底206上。在步骤804中，有机半导体沟道216形成在第一衬底204上。在步骤806中，形成电介质片214。优选地，电介质片214形成在有机半导体沟道216上面。可选择地，电介质片214形成在栅电极210上面。在步骤810中，使第一和第二衬底204、206对齐，使得栅电极210对准有机半导体沟道216上面的电介质片214。在步骤812中，第一和第二衬底层叠在一起，以便使源和漏电极208、212接触有机半导体沟道216。
虽然示例并说明本发明的优选和其它实施例，显而易见，本发明不限于此。在不脱离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，对于本领域技术人员来说，会想到许多修改、改变、变化、代替品和等效物。

Claims (15)

1.一种场效应晶体管，包括：
第一衬底；
层压到第一衬底上的第二衬底；
栅电极；
位于第一和第二衬底之间的源电极；
位于第一和第二衬底之间的漏电极；
位于第一和第二衬底之间靠近栅电极并电接触源电极和漏电极的有机半导体；
其中，第一衬底选自由聚合物膜、纸和布构成的组；以及
第二衬底选自由聚合物膜、纸和布构成的组。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中：
栅电极位于第一衬底和第二衬底之间。
3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，进一步包括：
插入在栅电极和有机半导体之间的电介质材料。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中：
第一衬底包括：
面对第二衬底的第一侧面；以及第二侧面；以及
栅电极在第一衬底的第二侧面上。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，进一步包括：
第三衬底，其中栅电极靠近第三衬底。
6.根据权利要求5所述的场效应晶体管，其中：
第一衬底、第二衬底和第三衬底层压在一起。
7.根据权利要求1所述的场效应晶体管，进一步包括：
插入在源电极与有机半导体之间以及在漏电极与有机半导体之间的接触增强材料。
8.一种场效应晶体管，包括：
第一衬底；
层压到第一衬底上的第二衬底；
栅电极；
位于第一和第二衬底之间的源电极；
位于第一和第二衬底之间的漏电极；以及
位于第一和第二衬底之间靠近栅电极并电接触源电极和漏电极的有机半导体；
插入在源电极与有机半导体之间以及在漏电极与有机半导体之间的接触增强材料；
其中，接触增强材料选自由铬、铬和锌的有色合金、锌和钛的合金、钛和锡的合金、以及锡合金构成的组。
9.一种场效应晶体管，包括：
第一衬底；
层压到第一衬底上的第二衬底；
栅电极；
位于第一和第二衬底之间的源电极；
位于第一和第二衬底之间的漏电极；以及
位于第一和第二衬底之间靠近栅电极并电接触源电极和漏电极的有机半导体；
插入在源电极与有机半导体之间以及在漏电极与有机半导体之间的接触增强材料；
其中，有机半导体包括聚噻吩族化合物；以及
接触增强层包括十八烷基三氯代硅烷。
10.一种制造含有电子器件的集成电路的方法，该方法包括如下步骤：
涂敷有机半导体到第一衬底上；以及
此后，在有机半导体上层压第二衬底到第一衬底，在进行层压步骤之前，在至少局部与有机半导体有重叠关系的位置中，在第二衬底的一侧上、即面对第一衬底的第二衬底上形成第一电极；
由此，进行层压的步骤，建立有机半导体和第一电极之间的电接触。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：
在进行层压的步骤之前，按与有机半导体和第一电极局部重叠关系形成电介质层。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：
在进行层压的步骤之前，在至少局部与有机半导体有重叠关系的位置中，在第二衬底的一侧上、即面对第一衬底的第二衬底上形成第二电极。
13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：
在进行层压步骤之前，在第三衬底上形成第二电极；
其中把第一衬底层压到第二衬底上的步骤包括如下步骤：
把第一、第二和第三衬底层压在一起。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：
在进行层压的步骤前，按与有机半导体和第一电极局部重叠关系形成接触增强层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成接触增强层的步骤包括子步骤：
在第一电极上形成接触增强层。
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