CN100514673C - 薄膜场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents

薄膜场效应晶体管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

在具有MIS结构的薄膜场效应晶体管中，制作半导体层和绝缘层的材料是聚合物，该聚合物可溶解于有机溶剂，并具有大于2，000至1，000，000的加权平均分子量。使用聚合物用作TFT的半导体层和绝缘层，就消除了现有技术的电路形成技术中使用光刻胶制图案和蚀刻等处理，减少了TFT缺陷概率，降低了TFT的制造成本。

Description

薄膜场效应晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及利用硅半导体或化合物半导体制作的薄膜场效应晶体管(TFT)，特别是涉及在液晶显示器中使用的TFT，涉及制造该TFT的方法。
背景技术
利用硅半导体或化合物半导体制作的TFT用在普通的集成电路中，用在广泛的其它应用领域中。特别是，TFT在液晶显示器中的应用是公知的。现在LC显示器正朝着大尺寸和更精密的清晰度方向不断进步。对采用大量的，相当于象素数量的TFT的要求比以往任何时候都强烈。
不过，在该领域中所用的以普通金属为基础的半导体不能避免这样的问题，即在电路在基片上形成期间，由于图案形成和使用光刻胶蚀刻的处理而在基片上形成的TFT的缺陷产生了轻微的有缺陷的象素。这些处理在降低TFT制造成本方面造成一定限制。对于其它平面显示器，例如等离子体显示器和有机EL显示器，当TFT用在其中的时候，这种情况也是确实的。
最近的大尺寸和更精密的清晰度的趋势增加了TFT制造中的缺陷的可能性。因此，强烈要求使这些TFT的缺陷减到最小。
对于具有金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的TFT，已经试图使用有机材料作绝缘体和半导体。例如，JP-A 5-508745(WO9201313或VSP 5，347，144)描述了一种器件，它使用介电常数至少是5的绝缘有机聚合物作为绝缘层，使用最高达2,000的加权平均值分子量的聚结合有机化合物作为半导体层，该器件产生场效应，并具有约10-2cm2V-1s-1的载流子迁移率。由于该半导体层是通过蒸发作为有机半导体材料的α-六噻嗯基而制成的，图案形成和使用光刻胶蚀刻的处理就是必需的，因而不能获得成本降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有比现有技术更高的载流子迁移率和使缺陷最小化了的薄膜场效应晶体管(TFT)，以及制作该TFT的方法。
发明人已经发现，在具有金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的TFT中，使用有机溶剂-可溶的聚合物作为制造半导体层和绝缘层的材料这一简单方法，在获得比现有技术高的载流子迁移率方面是成功的。
因此，本发明提供了一种具有MIS结构的薄膜场效应晶体管，其中制造半导体层和绝缘层的材料是聚合物，该聚合物可溶于有机溶剂并具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量。
在本发明的另一个实施例中，薄膜场效应晶体管的制造过程包括下面几个步骤，把具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量(Mw)的聚合物溶解在有机溶剂中，涂敷所得到的聚合物溶液，干燥所涂敷的聚合物溶液，由此形成半导体层和绝缘层。
本发明还提供一种薄膜场效应晶体管，包含基片、形成在所述基片上并用作栅极电极的金属层、形成在所述金属层上的绝缘层、形成在所述绝缘层上的半导体层、以及形成在所述半导体层上的源极电极和漏极电极，所述绝缘层由这样的聚合物形成：所述聚合物具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量，且选自于由氰乙基水溶性多糖、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇和聚丙烯腈构成的组，且溶解于选自于由N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺甲酰胺、乙腈和γ-丁内酯构成的组的有机溶剂中，以及所述半导体层由这样的聚合物形成：所述聚合物具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量，且选自于由聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻嗯基1，2亚乙烯基和聚苯撑1，2亚乙烯基构成的组，且溶解于所述绝缘层不能溶解于其中的有机溶剂中，其中所述绝缘层不能溶解于其中的有机溶剂选自于由氯仿、甲苯、己烷、乙醇构成的组。
本发明还提供一种制作薄膜场效应晶体管的方法，包括步骤：在基片上形成用作栅极电极的金属层；将在第一有机溶剂中的具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量且选自于由氰乙基水溶性多糖、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇和聚丙烯腈构成的组的聚合物的溶液涂敷到金属层形式的栅极电极上，所述第一有机溶剂选自于由N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺甲酰胺、乙腈和γ-丁内酯构成的组；干燥所涂敷的聚合物的溶液，以在所述金属层上形成绝缘层；由这样的聚合物在所述绝缘层上形成半导体层：所述聚合物具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量，且选自于由聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻嗯基1，2亚乙烯基和聚苯撑1，2亚乙烯基构成的组，且溶解于所述绝缘层不能溶解于其中的第二有机溶剂中，其中所述绝缘层不能溶解于其中的第二有机溶剂选自于由氯仿、甲苯、己烷、乙醇构成的组；以及在所述半导体层上形成源极电极和漏极电极。
按照本发明，使用用于TFT的半导体层和绝缘层这两者的聚合物消除了，使用现有技术的以金属为基础的半导体和绝缘体的电路形成技术中的图案形成和使用光刻胶蚀刻等的处理，减少了TFT缺陷的可能性，减少了TFT的制造成本。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中的TFT的透视图。
图2是本发明的一个例子中TFT的漏极电流与漏极电压的关系曲线。
具体实施方式
参考图1，在本发明的一个实施例中的TFT包括由SiO2等制作的基片1，一个在基片1上形成的，用作栅极的金属层2，一个在金属层2上形成的绝缘层3，一个在绝缘层3上形成的半导体层4，和在半导体层4上形成的源极和漏极5和6。
这里使用的金属层2可以是普通使用的ITO(铟锡氧化物)薄膜，或单一金属薄膜，例如Au，Cu或Al，或通过物理蒸发淀积(PVD)或金属有机化学蒸发淀积(MOCVD)方法淀积的，Au/Ti，Cu/Ti或Al/Ti的层叠金属薄膜。由于本发明的目的侧重在通过印刷形成金属层2，因此，如果不遇到实际问题，则建议使用导电金属糊剂。
在本发明的TFT中，制作绝缘层的材料是一种聚合物或是可溶解于有机溶剂并具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量(Mw)的高分子量化合物，最好是具有氰基团的绝缘聚合物。例子包括，氰乙基水溶性多糖，氰乙基纤维素，氰乙基聚乙烯醇，和聚丙烯腈。这些具有氰基团的绝缘聚合物是容易获得的。例如，氰乙基水溶性多糖可以通过水溶性多糖树脂和丙烯腈在存在碱催化剂的条件下进行反应来获得(见JP-B 59-31521)。氰基团的取代程度(例如在氰乙基水溶性多糖的情况下氰乙基团的取代程度)希望至少是80mol％，最希望的是至少85mol％。这是因为极性团或氰基团的浓度必须大于一定水平，以便制造具有充分提高了的迁移率的TFT，更多含量的剩余羟基团会导致作为损耗系数的电介质损耗的增加，这对于本发明的目的来说有时是不希望的。
在本发明的TFT中，制作半导体层的材料是聚合物或可溶解于有机溶剂中并具大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量(Mw)的高分子量化合物。虽然，对用于半导体层的聚合物没有加以其它限制，但该聚合物应能溶解于该绝缘层不能溶解于其中的有机溶剂中。这是因为一般认，在以敷层方式形成半导体层和绝缘层时，界面状态不会变得均匀。
过去关于有机TFT的研究使用了如JP-A 5-508745中所述的通过蒸发而在有机绝缘膜上形成有机半导体层的方法，使用了在无机绝缘层上只形成有机半导体层的方法。一个典型的方法包括，把有机半导体材料和有机绝缘材料两者溶解于相同的有机溶剂中形成溶液，涂敷并干燥有机绝缘材料溶液，以形成有机绝缘层，然后把有机半导体材料溶液涂在有机绝缘层上。这时，有机绝缘材料在涂层界面上轻微溶解。最后，干燥以后所获得的层叠薄膜的各层之间的界面是无规则的。相比之下，本发明通过使用不同的有机溶剂用于溶解半导体材料和绝缘材料，即通过这样结合两种有机溶剂和两种材料，使两种材料之一不能溶解在两种有机溶剂之一中，解决了这个问题。
特别是，形成半导体层的合适的聚合物包括，聚噻吩，聚吡咯，聚苯胺，聚乙炔，聚噻嗯基1，2亚乙烯基，和聚苯撑1、2亚乙烯基。其中，聚噻吩(polythiophenes)，例如聚(3-己基噻吩)是最好的，因为它在有机溶剂中的可溶性好，良好的可加工性，稳定性和高载流子迁移率。
溶解制造绝缘层的聚合物的最合适的有机溶剂包括，N-甲基-2-吡咯烷酮，二甲基乙酰胺甲酰胺，丙酮，乙腈，γ-丁内酯，等等。溶解制造半导体层的聚合物的最合适的有机溶剂包括，氯仿，甲苯，己烷，乙醇等等。在任一情况下，溶剂可以单独使用或以两种或多种溶剂的混合物的方式使用。
按照本发明，一个薄膜场效应晶体管是通过把第一有机溶剂中的具有大于2,000且小于或等于1,000,000的Mw的聚合物溶液涂到金属层形成的栅极上，干燥所涂的聚合物溶液而在金属层上形成一个绝缘层，和在该绝缘层上形成一个半导体层，该半导体层可溶解于第二有机溶剂中，而该绝缘层不能溶解于第二有机溶剂中。这个方法通过使用公知技术就可以实现。例如，用作栅极的金属层是通过在基片上的溅射技术形成的，基片是从玻璃片和普通聚合物薄片中选取的。或者，通过旋涂，丝网印刷法或喷墨印刷技术把金属糊剂或导电聚合物涂到基片上，干燥，从而形成金属层。工业上通用的ITO玻璃也可以使用。
然后，通过旋涂，丝网印刷，或喷墨印刷技术涂敷第一有机溶剂中的绝缘层形成材料的溶液，并干燥，从而在上述形成的栅极电极上形成一个绝缘层。在这种情况下，绝缘层最好具有0.2至10μm的厚度，特别好的是0.5至3μm厚。太薄的绝缘层可能引起大的漏电电流。太厚的绝缘层可能需要大的驱动电压。
其次，通过旋涂，丝网印刷或喷墨印刷技术涂敷绝缘聚合物不可溶解的第二有机溶剂中的半导体层形成材料的溶液，并干燥，从而在该绝缘层上形成半导体层。绝缘层的表面可以事先进行物理处理，例如公知的摩擦处理，为的是使半导体分子在绝缘层和半导体层之间的界面上排齐。
最后，通过溅射技术在半导体层上形成源极和漏极。或者，通过丝网印刷或喷墨印刷技术涂敷金属糊剂或导电聚合物，然后进行干燥。
本发明TFT构结包括在金属层形成的栅电极上形成的绝缘层和在该绝缘层上形成的半导体层。当电压施加给栅极产生电场时，由于场效应在接近绝缘层的半导体中产生电荷，从而在源极和漏极之间的半导体层中形成导通区被称隧道。这说明绝缘层和半导体层间的接面状态是十分重要的，界面越平，器件性能越好。
例子
下面以说明的方式而不是以限定的方式给出本发明的几个例子。
例1
这里提供了氰乙基水溶性多糖，它具有85.2mol％的氰乙基代替物(CyEPL，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.，CR-S，Mw＝49,000)作为绝缘层材料，有聚(3-己基噻吩)(P3HT，Aldrich，Mw＝87,000)作为有机半导体层材料。P3HT溶解于其中的有机溶剂是氯仿，CyEPL不能溶解于氯仿。一种TFT是使用这些材料制作的，下面是对它的评价。
在一个玻璃(SiO2)基片上，栅极电极，是通过淀积5nm厚的Ti，然后淀积20nm厚的Au，并在室温和10-4Pa的负压下使用RF溅射技术来形成的。
然后，通过把作为绝缘层材料的15wt％的CyEPL溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中，用0.2微米的薄膜滤器过滤该溶液，旋涂该溶液，在100℃的条件下干燥一小时，从而在该栅极电极上形成绝缘层。
再然后，通过把0.8wt％P3HT溶解于氯仿，用0.2微米的薄膜滤器过滤该溶液，旋涂该溶液，在100℃条件下干燥一小时，从而在该绝缘层上形成50nm的半导体层。
该基片在-20℃条件下冷却。在低于10-5Pa的负压下使用RF溅射技术，通过金属掩模在有机半导体层上淀积厚300nm的Au。这里形成两个金电极，4mm宽，相隔50μm(见图1，L＝50μm，W＝4mm)，它们用作源极和漏极。
比较例1
这里提供一种氰乙基水溶性多糖，它具有85.2mol％的氰乙基的代替物(CyEPL，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.，CR-S)作为绝缘层材料，有酮酞菁(CuPc)用作有机半导体层材料。一种TFT是使用这些材料制作的，下面是对它的评价。
在一个玻璃(SiO2)基片上，栅极电极，是通过淀积厚5nm的Ti，然后淀积20nm厚的Au，并在室温和负压10-4Pa的条件下使用RF溅射技术来形成的。
然后，通过把作为绝缘层材料的15wt％的CyEPL溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中，用0.2微米的薄膜滤器过滤该溶液，旋涂该溶液，在100℃的条件下干燥一小时，而在该栅极电极上形成绝缘层。
再然后，通过淀积CuPc，并在室温和负压10-5Pa的条件下使用RF溅射技术，而在该绝缘层上形成厚50nm的半导体层。
该基片在-20℃条件下冷却。在低于10-5Pa的负压下使用RF溅射技术，通过金属掩模在有机半导体层上淀积厚300nm的Au。这里形成两个金电极，4mm宽，相距50μm，它们用作源极和漏极。
比较例2
这里把SiO2用作绝缘层材料，把铜酞菁(CuPc)作为有机半导体层材料。使用这些材料制作TFT，评价如下。
P型掺杂的硅基片在炉内退火形成300nm厚的氧化膜(SiO2)作为绝缘膜。然后仅在未进行镜面精加工的基片的背表面用氢氟酸处理，消除氧化膜。在仅仅这样处理背表面上，通过淀积5nm厚的Ti，然后淀积20nm厚的Au，并在室温和负压10-4Pa的条件下使用RF溅射技术，从而形成栅极电极。
然后，通过淀积CuPc，并在室温和低于10-5Pa的负压条件下使用RF溅射技术，而在作为绝缘层的氧化膜的表面上形成50nm厚的半导体层。
基片在-20℃条件下冷却。在低于10-5Pa的负压下使用RF溅射技术，通过金属掩模在有机半导体层上淀积厚300nm的Au。这里形成两个金电极，4mm宽，相距50μm，它们用作源极和漏极。
[TFT评价]
这样制作的每种器件被放置在真空探测器中，在这里基片在50℃的条件下被加热，并使其在真空(低于10-4乇)中保持一小时。在真空和光屏蔽条件下的探测器中，TFT的特性曲线就通过Keithley的半导体参数分析器SCS4200来确定。
结果示于表1中。
表示例1的TFT的场效应的漏电流和电压(ISD-VSD)关系曲线示于图2的曲线图中。
 
绝缘层材料 半导体层材料 迁移率(cm<sup>2</sup>V<sup>-1</sup>S<sup>-1</sup>) 临界值(V0)
例1 CyEPL P3HT 4.0×10<sup>-1</sup> -9.0
比较例1 CyEPL CuPc 2.0×10<sup>-3</sup> -7.0
比较例2 SiO<sub>2</sub> CuPc 2.0×10<sup>-4</sup> -0.13
比较例1和2的结果建议使用CyEPL作为有机绝缘层材料，因为它的迁移率比传统SiO2高。虽然例1的TFT是通过，通常被认为由于不规则的界面而造成不能获得高迁移率的方法，即有机绝缘层和有机半导体层两者都是通过涂敷和干燥形成的方法制造的，但例1的TFT却表现出显著的高迁移率。当电位加在栅极上的时候，本发明的TFT具有高的迁移率，因为通过在绝缘层和半导体层之间的界面上使极性基团排齐，沟道结构得到增强。

Claims (8)

1.一种薄膜场效应晶体管，包含基片、形成在所述基片上并用作栅极电极的金属层、形成在所述金属层上的绝缘层、形成在所述绝缘层上的半导体层、以及形成在所述半导体层上的源极电极和漏极电极，
所述绝缘层由这样的聚合物形成：所述聚合物具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量，且选自于由氰乙基水溶性多糖、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇和聚丙烯腈构成的组，且溶解于选自于由N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺甲酰胺、乙腈和γ-丁内酯构成的组的有机溶剂中，以及
所述半导体层由这样的聚合物形成：所述聚合物具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量，且选自于由聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻嗯基1，2亚乙烯基和聚苯撑1，2亚乙烯基构成的组，且溶解于所述绝缘层不能溶解于其中的有机溶剂中，其中所述绝缘层不能溶解于其中的有机溶剂选自于由氯仿、甲苯、己烷、乙醇构成的组。
2.根据权利要求1的薄膜场效应晶体管，其中所述半导体层由聚(3-己基噻吩)形成。
3.根据权利要求1的薄膜场效应晶体管，其中所述半导体层由具有87,000至1,000,000的加权平均分子量的聚合物形成。
4.根据权利要求1的薄膜场效应晶体管，其中所述绝缘层具有0.2至10μm的厚度。
5.一种制作薄膜场效应晶体管的方法，包括步骤：
在基片上形成用作栅极电极的金属层，
将在第一有机溶剂中的具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量且选自于由氰乙基水溶性多糖、氰乙基纤维素、氰乙基聚乙烯醇和聚丙烯腈构成的组的聚合物的溶液涂敷到金属层形式的栅极电极上，所述第一有机溶剂选自于由N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺甲酰胺、乙腈和γ-丁内酯构成的组，
干燥所涂敷的聚合物的溶液，以在所述金属层上形成绝缘层，
由这样的聚合物在所述绝缘层上形成半导体层：所述聚合物具有大于2,000且小于或等于1,000,000的加权平均分子量，且选自于由聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻嗯基1，2亚乙烯基和聚苯撑1，2亚乙烯基构成的组，且溶解于所述绝缘层不能溶解于其中的第二有机溶剂中，其中所述绝缘层不能溶解于其中的第二有机溶剂选自于由氯仿、甲苯、己烷、乙醇构成的组，以及
在所述半导体层上形成源极电极和漏极电极。
6.根据权利要求5的制作薄膜场效应晶体管的方法，其中所述半导体层由聚(3-己基噻吩)形成。
7.根据权利要求5的制作薄膜场效应晶体管的方法，其中所述半导体层由具有87,000至1,000,000的加权平均分子量的聚合物形成。
8.根据权利要求5的制作薄膜场效应晶体管的方法，其中所述绝缘层具有0.2至10μm的厚度。
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