CN1757124A - 制造电子装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的器件包括由有机半导体材料构成的薄膜晶体管。该半导体材料通过施加首先是保护层其后是光致抗蚀剂而被构图。由此，本发明的晶体管(A)与现有技术的晶体管(B，C)相比显示出很低的漏电流和低的阈值电压。
Description
本发明涉及一种制造电子装置的方法，该电子装置包括具有包含有机半导体材料的有源层的薄膜晶体管，所述方法包括以下步骤：
把有源层施加到衬底上；
施加，曝光和显影光致抗蚀剂，以及
根据施加的光致抗蚀剂中的图案构图有源层。
本发明还涉及一种包括薄膜晶体管的电子装置，该薄膜晶体管具有借助沟道互相分开的源电极和漏电极，和借助电介质材料与沟道分开的栅电极，所述装置具有衬底，其一侧之上是：有源层，其包含有机半导体材料，并且沟道位于其中；第一电极层，其中源电极和漏电极被限定；由电介质材料构成的中间层，和第二电极层，其中栅电极被限定，所述栅电极当垂直投影到第一电极层上时，基本上与沟道重叠。
上述装置和上述方法可从H.E.A.Huitema等人的Nature414，599(2001)获知。已知装置是具有由液晶材料构成的电光层的显示器件。为防止相邻晶体管之间的漏电流有源层被构造。已知装置中的有源层包含作为半导体材料的聚噻吩二甲基-亚乙烯基(polythenylene-vinylene)并且具有金/PED0T电极。
实验已经表明，具有被构造的有源层的薄膜晶体管具有不同于具有未被构造的有源层的相当的薄膜晶体管的特性。虽然晶体管之间的漏电流在栅压高于20V处显著降低，但是发现存在相当大的阈值电压。在实施该装置的过程中，为操作器件必须连续施加很高的栅压。这对于相关的功耗是非常不利的，功耗对于便携式器件是特别相关的特性。
因而，本发明的首要目的是提供一种在引言中提到的类型的方法，借此实现一种装置，其既显示了邻近的薄膜晶体管之间的低漏电流又显示了较低的阈值电压。
该目的可以这样实现，即把保护层施加到有源层上，其上设置光致抗蚀剂；并且根据光致抗蚀剂中限定的图案构图保护层和有源层。
已经意外地发现，借助保护层，在装置中漏电流和阈值电压大大降低。用于在被测量的现有技术的晶体管中出现升高的阈值电压的第一假设是光致抗蚀剂中的导体掺杂到有源层。有源层中的掺杂即会导致电导率增加。这又会导致抑制所得到的电导率所需的更高的栅电极电压。然而本发明的装置中的保护层可以是具有非晶结构的很薄的层。因而，光致抗蚀剂中的导体能简单地通过该保护层扩散。当在升高的温度下执行固化光致抗蚀剂时尤其如此。在尤其是显示器件的制造工艺的进一步的步骤中，也使用较高的温度。因而，显然，一个或多个无法解释的结果发生。接着推测出光致抗蚀剂图案可作为附加的和不受控制的电极。因为由于保护层的存在，在根据本发明的器件中的该电极和有源层之间不再有接触，因此该电极不再有效。所讨论的保护层可以很薄的事实显然对此没有影响。
为保证晶体管的正确操作，在此极其可取的是保护层是电学上不导电的材料；合适的材料是半导体材料以及尤其是电学上绝缘的材料。合适的材料包括，特别是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)，聚乙烯醇(polyvinylalcohol)，聚苯酚乙烯(polyvinylphenol)，聚丙烯酸酯(polyacrylate)，聚苯乙烯(polystyrene)，聚氯乙烯(polyvinyl chloride)，聚酯类(polyesters)，聚醚类(polyethers)，苯并环丁烯(benzocyclobutene)，聚酰亚胺(polyimide)，环氧衍生物(epoxides)，填充了玻璃的聚合物类以及无机电介质。接着的优势是将保护层材料施加到溶剂中，其中有源层的半导体材料不可溶解或仅仅有一点溶解。实际上，优势是选择在光致抗蚀剂的溶剂中不溶解的材料。而且，通过在有源层上施加材料后固化该材料可以实现抵抗在光致抗蚀剂中溶解。如果这是可取的，从溶解度观点来看，不用说保护层可以由不同材料的两个局部层组成。
本发明的方法的优点在于对不同层的温度处理可以在一个单个的加热步骤中执行。需要这种热处理，例如，用于将前体材料转化为有机半导体材料以及用于固化光致抗蚀剂。
合适的有机半导体的实例包括聚噻吩二甲基-亚乙烯基，聚-3-烷基噻吩类(poly-3-alkylthiophenes)，例如聚-3-戊基噻吩(poly-3-pentylthiophene)，聚-3-己基噻吩(poly-3-hexylthiophene)，聚-3-庚基噻吩(poly-3-heptylthiophene)，并五苯(pentacene)，酞花青(phtalocyanine)，苯并二噻吩(benzodithiophene)，四氰基萘醌(tetracyanonaphthoquinone)，四甲氨基乙烯(tetrakismethy1-animoethylene)，低聚噻吩类(oligothiophenes)，多芳胺类(polyarylamines)，聚亚苯基亚乙烯基类(polyphenylene-yinylenes)，聚呋喃二甲基-亚乙烯类(polyfuranylene-vinylenes)，聚吡咯(polypyrrol)，聚亚苯基(polyphenylene)，聚芴(polyfluorene)，聚乙炔(polyacetylene)，聚呋喃(polyfurane)，聚苯胺(polyaniline)，功能化的巴克球(buckyballs)，共聚物(co-polymers)和它们的混合物，以及具有有限共轭长度的半导体集成在其中的共聚物。另外，这些聚合物材料的取代变形也可以被使用。取代物的实例是烷基和烷氧基的基团以及环形基团，例如环二氧烷烃基(alkylenedioxy groups)。对于上述基团的优选的选择是C1～C10烷基、烷氧基或亚烃基。
在有利的实施例中，有源层包含载体材料和半导体材料的混合物。已经发现，用这种方法可以改善保护层到有源层的粘附。实际上看起来一些半导体材料，尤其是低聚物(oligomers)，例如并五苯和低聚噻吩，显示出弱的粘附和差的机械稳定性。通过加入少量或较大量的载体材料，该机械稳定性会大大改善。这意味着借助于旋涂法有源层能较容易地被施加以及可以较容易地将层沉积到这些有源层上。象这样的有源层可以从未预先公布的申请号PCT-IB02/03940(PHNL010691)获知。通过结合保护层使用这种混合物，有源层可以与作为半导体材料的低聚物一起被构造。到目前为止，采用工业上可行的方法上述内容不太可能被实现。因此，载体材料在用于保护层中的材料的溶剂中不溶解是很重要的。
在进一步的有利的实施例中，有源层和保护层借助于干蚀刻被构造。干蚀刻也被称为反应离子刻蚀，其中不使用溶剂；这样不希望有的结果，例如膨胀，可以被避免。在更进一步的有利的实施例中，金属电极层，其也可以作为腐蚀停层，包含在有源层和衬底之间。用于此的优选金属是例如Au或Ag的贵金属。
在有利的实施例中，在施加有源层之前，用于薄膜晶体管的源电极和漏电极被限定在第一电极层中。另外，由电介质材料构成的中间层被施加，以及用于薄膜晶体管的栅电极被限定在由电学上导电的材料构成的第二电极层中。这样，得到了具有底-栅结构的薄膜晶体管。在可替换的顶-栅结构中，栅电极被置于在保护层上或光致抗蚀剂上。这可以提供一种限制使保护层也必须适合用作栅极介质。此外，在这种情况下，中间层具有与半导体层相同的图案，这会对垂直互连产生更大的阻力。另外，当在施加光致抗蚀剂之前设置栅电极时，必须使用由电学上导电的材料构成的附加层以填充垂直互连。当在施加光致抗蚀剂之后设置栅电极时，可形成两层的电介质。
本发明的方法可以很成功地用于同时实现大量的薄膜晶体管。而且优势是薄膜晶体管形成显示器件的一部分，与已经在WO01/15233中所描述的一样。代替液晶电光层，不同类型的电光层例如电泳层也可以被使用。
本发明的第二个目的是提供一种在引言中提到的类型的装置，其具有低漏电流和低阈值电压。该目的可以这样实现，即将有源层的与衬底相背的一侧与保护层接触，借此所述层以相同的图案被构造。可以借助本发明的方法得到的该结构会产生所希望的结果。
在有利的实施例中，薄膜晶体管具有底-栅结构；在这种情况下，第二电极层位于第一电极层和衬底之间。这样会具有前述的优势。在更进一步的实施例中，光致抗蚀剂以构造之前相同的图案被使用，其之后不需要被移除。这看起来对薄膜晶体管的寿命有积极的影响。此外，当源电极和漏电极具有所谓的互相交叉的结构时是有优势的。这些电极和中间沟道的优选分辨率是约为0.5～5μm。优选的，薄膜晶体管大量地存在并且可以按所希望的图案互连以形成集成电路。
在特别有利的实施例中，薄膜晶体管是第一显示元件的部件；以及存在具有薄膜晶体管的另外的显示元件，其中所述第一和另外的显示元件排列成矩阵。在这种情况下，装置是具有几个显示元件-也被称为象素的显示器件。对于显示器件来说相邻晶体管之间的漏电流极其低是尤其重要的。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它特征将显而易见并将被阐明：
在附图中：
图1示出了根据本发明的装置的截面示意图；
图2示出了在根据本发明的装置上和已知装置上执行的测试的结果；以及
图3示出了在根据本发明的装置上和已知装置上，以及在使用不同材料的实施例中执行的测试的结果。
图1中用示意图示出的并且未按比例绘制的薄膜晶体管10包括电学上绝缘的衬底1，其上是源电极21，漏电极22，而所述电极21，22借助沟道23互相分开并且被限定在第一电极层2中。另外，在衬底1上是第二电极层3，其中栅电极24被限定。当栅电极24平行投影到第一电极层2上时，栅电极24基本上与沟道23重叠。此外，存在中间层4和包含半导体材料的有源层5。
所述层2，3，4，5按照下面的顺序存在于衬底1上，即第二电极层3，中间层4，第一电极层2和有源层5。为将衬底平坦化存在有绝缘的平面化的聚乙烯醇层-未示出。第二电极层3包含Au并且借助于已被曝光并已被显影的光敏抗蚀剂用已知的方法按照需要被构图。在第二电极层3和中间层4之间，可施加未被说明的CH3-(CH2)15-SH的单层以防止在中间层4中形成小孔。中间层4包含光敏有机电介质，例如苯并环丁烯，聚酰亚胺，聚苯酚乙烯或光致抗蚀剂，在此为光致抗蚀剂HPR504。在这种情况下第一电极层2包含金。第一电极层2借助于蒸发法被施加并且用已知的方法被光刻构造。在第一电极层2上，由聚3-己基噻吩构成的有源层5具有50nm的厚度。半导体层5的至少一部分在沟道23内。
根据本发明，在有源层5上是保护层6，在该实例中该保护层包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及厚度为40nm。当有源层通过在三氯甲烷(chloroform)中旋转被施加时，乙基甲基酮(ethylmethylketone)可作为用于保护层的溶剂。光致抗蚀剂7，在此为CK6020L，借助于旋涂法被施加到保护层。这是在安全-溶剂形式下提供的。在借助于UV辐射(λ＝365nm)曝光光致抗蚀剂7之后，将光致抗蚀剂在90℃下干燥。当在120℃下的干燥步骤达到1分钟之后，保护层6和有源层5借助于反应离子刻蚀被构图。借此，第一电极层2用作腐蚀停层。
图2示出的图中源电极和栅电极21，22之间的电流Id(以A为单位)作为栅电极24上的电压的函数被绘制。由于有机半导体材料的p-型特性，当负电压施加到栅电极时有电流流过。在实施例的其它实例中，n-型半导体材料，或具有n-型和p-型特性的有源层也可以被使用，与未预先公开的申请EP03100177.9(PHNL030112)中所描述的一样。实线表示初始特性，最下面的虚线表示没有保护层6的结果，而最上面的虚线表示具有保护层6的结果。
图3示出了与图2相同的图，但是对于不同的材料。在这种情况下，并五苯用作半导体材料。此前体材料(具有作为离去基团的四氯环己二炔(chlorocyclohexadine)键)作为有源层与作为载体材料的聚苯乙烯一起被施加。随后在200℃下其转变成并五苯。作为保护层，商业上可得的材料环烯烃聚合物(Zeonex)借助旋转法与作为溶剂的环己烷(cyclohexane)一起被施加。HPR504用作光致抗蚀剂。此处包含的载体材料的含量为1wt％。所用的溶剂是二氯甲烷(dichloromethane)。实线表示没有构造以及没有较高的层的初始特性。图中最右边的虚线表示当不使用保护层6时的结果。其它虚线表示当有源层被构造时的结果。
Claims (10)
1.一种制造电子装置的方法，该电子装置包括具有包含有机半导体材料的有源层的薄膜晶体管，所述方法包括以下步骤：
把具有有机半导体材料或其前体材料的有源层施加到衬底上；
把保护层施加到有源层上，
施加，曝光和显影光致抗蚀剂，
根据光致抗蚀剂中的图案构图保护层和有源层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于有源层包含载体材料和有机半导体材料的化合物。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于并五苯是有机半导体材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于保护层和有源层借助于干蚀刻在一个步骤中被构造。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于在有源层和衬底之间存在金属电极层，其可用作腐蚀停层。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于在施加有源层之前执行以下步骤：
将用于薄膜晶体管的源电极和漏电极限定在第一电极层中；
施加由电介质材料构成的中间层；以及
将薄膜晶体管的栅电极限定在由电学上导电材料构成的第二电极层中。
7.包括薄膜晶体管的电子装置，该薄膜晶体管具有借助沟道互相分开的源电极和漏电极，和借助于电介质材料与沟道分开的栅电极，所述装置具有衬底，其一侧之上有：
有源层，其包括有机半导体材料，并且沟道位于其中；
第一电极层，源电极和漏电极被限定其中；
由电介质材料构成的中间层，以及
第二电极层，栅电极被限定其中，所述栅电极当垂直投影到第一电极层上时，基本上与沟道重叠，
其特征在于有源层的与衬底相背的一侧与保护层接触，这些层以相同的图案被构造。
8.如权利要求7所述的电子装置，其特征在于有源层包含载体材料，以及保护层有机材料，载体材料和有机材料互不相同。
9.如权利要求7所述的电子装置，其特征在于第二电极层位于衬底和第一电极层之间。
10.如权利要求7所述的电子装置，其特征在于：
薄膜晶体管是第一显示元件的组件；以及
存在具有薄膜晶体管的另外的显示元件，其中第一和另外的显示元件排列成矩阵。
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