CN101814581B - 顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种顶栅顶接触自对准型有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor，OTFT)的制备方法。首先利用真空蒸镀法在清洁的绝缘衬底上制备有源层，然后利用真空蒸镀法制备绝缘层，再通过掩膜方法实现绝缘层的图案化，即形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构；最后利用真空蒸镀法制备金属电极层。其中源、栅、漏三个电极在最后一步工艺同时形成。本发明具有工艺简单、器件特性好的优点，将无机TFT器件中的自对准工艺方法应用于OTFT制作过程中，减少了栅极与源、漏电极的交叠面积，从而减小栅漏之间的漏电流，有利于提高器件的开关电流比。

Description

顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种顶栅顶接触自对准型有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor，OTFT)的制备方法。

背景技术

OTFT作为有机电子学的基本核心单元而受到全世界的广泛关注，它在有机电子学中占有非常重要的地位。

OTFT的基本结构由衬底、栅电极、绝缘层、有源层、源漏电极等部分组成，属于三端有源器件。根据栅电极与有源层之间的相对位置的不同，可以将OTFT分为顶栅结构和底栅结构两种，栅电极在有源层之上的为顶栅结构，栅电极在有源层之下的为底栅结构；根据源、漏电极与有源层之间的相对位置的不同，又可以将器件分为顶接触类型和底接触类型的器件，源、漏电极电极在有源层之上的为顶接触结构，源、漏电极电极在有机层有源层之下的为底接触结构栅结构，四种器件结构如图1所示。

目前报道最多的OTFT结构都是以重掺杂(掺杂为硼或磷，衬底室温电阻率小于0.02Ω·cm)的Si做衬底，在衬底上热氧化法制备100～500nm的SiO₂做绝缘层，在其上面蒸镀Au电极(进一步通过掩膜或光刻的方法得到源漏电极)，之后再以真空蒸镀或是溶液法制备有机导电沟道作为有源层(也可以先做有机沟道后再制作金属电极)。以n⁺⁺Si做衬底的FET器件的栅电极(即n⁺⁺Si衬底)、绝缘层(SiO₂)、源漏电级(Au)，典型剖面示意图如图2所示。

从研究材料特性、SiO₂与有机材料表面界面态、源漏电极与有机材料界面态角度来讲，这是一种非常方便且有效的器件结构，但是这种器件结构不适用于制作集成电路。首先，硅衬底与Au电极价钱昂贵，成本高；其次，这种结构以重掺杂的Si作为器件的栅电极，而集成电路不可能所有晶体管的栅电极都接在一起，必须把栅电极分丌。设计适用于集成电路的OTFT器件结构十分重要。

本发明结合传统自对准工艺原理设计了适用于OTFT的顶栅自对准器件结构。传统的CMOS自对准工艺是指利用基片上已有的图案对基片上的光刻胶进行曝光，或利用光刻胶做掩膜对基片上没有光刻胶的部分进行离子注入沉积薄膜的工艺方法。

发明内容

本发明将传统多晶硅TFT中顶栅自对准结构引入于所设计的OTFT器件，设计并制作了基于有机材料的顶栅顶接触自对准结构的薄膜晶体管。本发明的目的是简化制作工艺，减小栅源、栅漏的正对交叠面积，从而降低漏电流，提高器件的性能。

一、器件结构

器件结构如下：绝缘衬底/有机有源层/绝缘层(通过掩膜或光刻将绝缘层图案化)/金属栅、源、漏电极。

具体制作工艺如下：在绝缘衬底上直接沉积有机薄膜作为有源层；在有源层上制作绝缘层，并(掩膜或光刻)实现绝缘层的图案化，使得绝缘层与有源层之间形成界线分明的台阶；最后在绝缘层上蒸镀金属层，调节合适的绝缘层与金属层厚度，就可以使得金属层沿着已有的台阶断裂，从而形成栅、源、漏电极的自对准结构。

二、制作工艺

1.基片清洗

首先采用乙醇/丙酮混合溶剂超声清洗作为绝缘衬底的基片10～15分钟，除去基片表面的油脂和有机物；然后将基片放入去离子水中，煮沸到基片表面无残留气泡为止，随后再次超声清洗10～20分钟，洗去含污物的洗涤剂和一些无机污染物；最后再用去离子水超声10～20分钟进行漂洗，漂洗结束后，将基片置于超净间内的洁净工作台中，用红外灯烘烤1～5小时，彻底除去表面的水分。

2.在基片上沉积40～60nm厚的CuPc作为有源层4；

3.在有源层上沉积300～350nm厚的尼龙(Polyamide，PA)/CaF₂作为绝缘层5，再通过掩膜或光刻后，形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构；即在器件中间区域有源层4的上面是绝缘层5，而在其它区域有源层4上面的绝缘层5被光刻掉，而露出有源层4；绝缘层是尼龙/CaF₂复合层，先生长尼龙层，其厚度为5～20nm，然后生长CaF₂层，其厚度为295～330nm。

4.在台阶结构的有源层上各沉积100～150nm厚的Al金属层作为漏电极2和源电极3；

5.在台阶结构的绝缘层上沉积100～150nm厚的Al金属层作为栅电极1，从而完成本发明所述的顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备。

上述步骤1中所述的绝缘衬底为玻璃、石英等。

上述步骤2中有源层的沉积方法是真空热蒸发法，真空度为2×10^-4～9×10^-4Pa，生长速度为0.3～0.5nm/s(膜厚仪监控)，生长时间为150～200s，有源层厚度为50～90nm；

上述步骤3中绝缘层的沉积方法是真空热蒸发法，真空度为2×10^-4～9×10^-4Pa，生长速度为0.8～1nm/s(膜厚仪监控)，生长时间为300～350s，绝缘层厚度为320～360nm；

上述步骤4、5中电极层(金属层)沉积方法是真空热蒸发法，真空度为2×10^-4～9×10^-4Pa，生长速度为

(膜厚仪监控)，生长时间为200～250s，金属层厚度为120～150nm。

本发明是设计了一种自对准结构的OTFT，并且利用三次蒸镀工艺完成器件的制作。该器件具有结构简单、制作工艺简单、制作成本低廉、开关漏电流小、易于集成的特点且器件的特性较好。

附图说明

图1：有机薄膜晶体管基本结构示意图；(a)底栅顶接触结构，(b)底栅底接触结构，(c)顶栅顶接触结构，(d)顶栅底接触结构；

图2：以n⁺⁺Si做衬底和栅电极的OTFT器件剖面示意图；

图3：本发明制备的顶栅自对准有机薄膜晶体管剖面示意图；

图4：本发明制备的顶栅自对准有机薄膜晶体管俯视示意图；

图5：本发明制备的顶栅自对准有机薄膜晶体管的工艺步骤流程图；

图6：本发明制备的顶栅自对准薄膜晶体管输出特性曲线(以CuPc为例)；

图7：形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构的掩膜版图形；

图8：形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构的正版(对应正光刻胶)图形。

如图1所示，各部分名称分别为衬底14、栅电极10、绝缘层11、有源层12(有机半导体材料，如酞箐铜)、源漏电极13(金属电极材料，如Al、Ag、Au等)。

如图2所示，各部分名称分别为：重掺杂硅衬底及栅电极(n⁺⁺Si衬底)7、SiO₂绝缘层8、Au电极层9。

如图3所示，各部分名称分别为绝缘衬底6、有源层4(有机半导体材料，如酞箐铜)、绝缘层5(绝缘材料，如氟化钙)、栅电极层1、源电极2、漏电极3(金属电极材料，如Al、Ag、Au等)。

如图4所示，栅电极层1、源电极2、漏电极3(金属电极材料，如Al、Ag、Au等)，其中1与2之间的虚线表示金属在虚线处断开，1与3之间的虚线表示金属在虚线处断丌。

如图5所示，各部分名称分别为绝缘衬底6、有源层4(有机半导体材料，如酞箐铜)、绝缘层5(绝缘材料，如氟化钙)、电极层1(金属电极材料，如Al、Ag、Au等)，从图中5层的厚度远大于2，3层的厚度，使得1与2之间的金属断丌，1与3之间的金属断丌。

图6是基于CuPc的顶栅自对准有机薄膜晶体管输出特性曲线。

图7是形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构的掩膜版图形，各部分名称分别为开窗口区15，遮挡区16。

图8是形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构的正版(对应正光刻胶)图形，各部分名称分别为非曝光区17，曝光区18。

具体实施方式：

实施例1：

1.首先厚度1mm的康宁1737玻璃基片6用乙醇/丙酮混合溶剂超声10分钟，除去基片表面的油脂和其他有机物。然后将玻璃基片放入纯净的去离子水中，煮沸到基片表面无残留气泡为止，随后再次超声清洗10分钟，洗去含污物的洗涤剂和一些无机污染物。最后再用去离子水超声10分钟进行漂洗，漂洗结束后，将玻璃基片置于超净间内的洁净工作台中，用红外灯烘干2小时，彻底除去表面的水分。

2.用真空蒸镀法生长CuPc有源层，(设备采用ZK-3型多源真空镀膜机)真空度为5×10^-4Pa，膜厚仪监控生长速度为0.4nm/s，生长时间为150s，有源层厚度约为60nm，蒸发的温度是300℃。

3.用真空蒸发法掩膜生长尼龙/CaF₂绝缘层(设备同上)，真空度为5×10^-4Pa，膜厚仪监控Nylon生长速度为0.4nm/s，CaF₂生长速度为1nm/s，生长时间分别为25s与300s，膜厚约为310nm。尼龙蒸发的温度是215℃，CaF₂蒸发的温度是1365℃。

蒸发时将掩膜版置于蒸发源正上方，已经蒸镀好CuPc薄膜的的玻璃基底置于掩膜版正上方，通过掩膜版的遮挡形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构。

也可以通过光刻方式形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构。光刻胶型号：BP212。匀胶转数3000转/s，共20s；前烘80℃，20分钟；坚膜120℃，30分钟；1g/1000ml NaOH显影；丙酮去胶。

4.用真空蒸发法生长Al，(设备同上)，真空度为5×10^-4Pa，膜厚仪监控生长速度为0.6nm/s，生长时间为200s，膜厚约为120nm；蒸发的温度是600℃.

本专利所述工艺，通过三次真空蒸镀获得了顶栅顶接触自对准有机场效应晶体管，达到了工艺过程简单的目的。举例中制作的OTFT器件有源层的厚度为60nm，Nylon层厚度为10nm，CaF₂栅绝缘层的厚度为300nm，栅、漏、源极铝的厚度为120nm，器件的宽长比约为2000μm/800μm。经计算(300nmCaF₂单位面积电容Cox为18.72nF/cm²)可得此OTFT在Vsd＝18V时，载流子迁移率μ＝2.68cm²Ns，器件最大开关电流比10⁴。

虽然以上对本发明采用举例的形式进行了具体的描述，但是本领域的一般技术人员应该懂得，这些公开的内容只是作为例子，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在各部分的细节上作做许多改变。

Claims (5)

1.一种顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法，其步骤如下：

A.用乙醇/丙酮混合溶剂超声清洗作为绝缘衬底(6)的基片10～15分钟，然后将基片放入去离子水中，煮沸到基片表面无残留气泡为止，随后再次超声清洗10～20分钟，最后再用去离子水超声10～20分钟进行漂洗，漂洗结束后，将基片置于超净间内的洁净工作台中，用红外灯烘烤1～5小时，彻底除去基片表面的水分；

B.在基片上沉积40～60nm厚的CuPc作为有源层(4)；

C.在有源层上沉积300～350nm厚的尼龙/CaF₂作为绝缘层(5)，再通过掩膜或光刻后，形成有源层-绝缘层-有源层的台阶结构；尼龙层的厚度为5～20nm，CaF₂层的厚度为295～330nm；

D.在台阶结构的有源层(4)上各沉积100～150nm厚的Al金属层作为漏电极(2)和源电极(3)；

E.在台阶结构的绝缘层(5)上沉积100～150nm厚的Al金属层作为栅电极(1)，从而完成顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备。

2.如权利要求1所述的一种顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：绝缘衬底(6)为玻璃或石英。

3.如权利要求1所述的一种顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：有源层(4)的沉积方法是真空热蒸发法，真空度为2×10^-4～9×10^-4Pa，生长速度为0.3～0.5nm/s，生长时间为150～200s，有源层(4)厚度为50～90nm。

4.如权利要求1所述的一种顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：绝缘层(5)的沉积方法是真空热蒸发法，真空度为2×10^-4～9×10^-4Pa，生长速度为0.8～1nm/s，生长时间为300～350s，绝缘层(5)厚度为320～360nm。

5.如权利要求1所述的一种顶栅顶接触自对准有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：漏电极(2)、源电极(3)、栅电极(1)的沉积方法是真空热蒸发法，真空度为2×10^-4～9×10^-4Pa，生长速度为

生长时间为200～250s，电极层厚度为120～150nm。

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