CN1875432A - 集成电路以及一种制造集成电路的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有有机半导体的集成电路，特别是涉及一种具有电介质层的有机场效应晶体管(OEFT)，其可以通过如下组成的聚合物配方制备，即a)100份至少一种可交联基础聚合物，b)10至20份至少一种亲电子交联组分，c)1至10份至少一种热酸催化剂，该催化剂在温度100－150℃时产生激发质子，通过它们溶解在d)至少一种溶剂中而制造。本发明还涉及一种制造集成电路的方法。用此方法，可以在低温下制造具有电介质层的集成电路，特别是制造OFET的方法。
Description
本发明涉及权利要求1的主题所述的集成电路以及权利要求8所述的具有有机半导体的集成电路的制造方法。
在便宜的电子设备的大批量应用领域，具有基于有机场效应晶体管(OFET)的集成电路系统是一种有前景的技术。如果半导体层由有机材料制成，则场效应晶体管尤其被视为是有机的。
由于可以用OFET构造复杂的电路，所以出现了很多种应用可能性。因此，例如基于这种技术的RF-ID(RF-ID：射频识别)系统的传输被认为是不抗干扰的并且仅可用作直接与扫描仪视觉接触的条形码的潜在替代品。
在此，特别感兴趣的是能够以辊对辊(Rolle zu Rolle)方法大批量制造的柔韧基材上的电路。
对于这种柔韧基材的制造而言，由于最合适的便宜基材(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘酸乙二醇酯(PEN))的热变型，其具有130-150℃的上限温度。在某个预处理条件下，例如基材的热预处理，这种温度界限可以升至200℃，然而使用这样的限制，虽然减少了基材的变形，但是却无法避免变形。
在电子元件中，关键的工艺步骤是电介质层的沉积，特别是OFET的栅极电介质层的沉积。在热的、化学的、机械的和电子的性质方面对OFET电介质品质的要求非常高。
基于在半导体技术中的广泛应用，二氧化硅(SiO2)是目前最常使用的栅极电介质。已有记载的晶体管结构是，在其中，掺杂硅晶片用作栅电极，在其上生长的热SiO2形成栅极电介质。这些SiO2在800-1000℃温度下制造。其他用于在不同基材上沉积SiO2的方法(例如CVD)同样在高于400℃温度下操作。一个Penns tate Vniversity的研究小组研发了一种方法(离子束溅射)，该方法能够在操作温度80℃下沉积高品质SiO2。这在C.D.Sheraw，J.A.Nichols，D.J.Gundlach，J.R.Huang，C.C.Kuo，H.Klauk，T.N.Jackson，M.G.Kane，J.Campi，F.P.Cuomo，和B.K.Greening的文章Tech.Dig.-lot.Electron Devices Meet.，619(2000)以及C.D.Sheraw，L.Zhou，J.R.Huang，D.J.Gundlach，T.N.Jackson，M.G.Kane，I.G.Hili，M.S.Hammond，J.Campi，B.K.Greening，J.Francl，和J.West的文章Appl.Phys.Lett.80，1088(2002)中有描述。
然而，高成本和低产能对于量产产品在此是不利的。
还知道的是，可以使用无机氮化物(例如SiNx、TaNx)是已知的。与制造无机氧化物类似，无机氮化物的沉积也需要高温和高成本。这在B.K.Crone，A.Dodabalapur，R.Sarpeshkar，R.W.Filas，Y.Y.Lin，Z.Bao，J.H.O’Neill，W.Li，和H.E.Katz的文章J.Appl.Phys.89，5125(2001)中有描述。
还已知可以使用混合溶液(在玻璃上旋转)。还描述了有机硅氧烷，其能够从溶液制备，并且可以通过热转换转变为“类玻璃”层。这种向SiO2的转换或者在高温下(约400℃)完成，或者仅完成一部分，这会造成晶体管品质降低(见Z.Bao，V.Kuck，J.A.Rogers和M.A.Paczkowski的文章Adv.Funct.Mater.，12，526，(2002))。
此外，已经使用了有机聚合物，例如聚-4-乙烯基苯酚(PVP)、聚-4-乙烯苯酚-甲基丙烯酸-2-羟乙酯共聚物或者聚酰亚胺(PI)。这些聚合物以其相对而言简单的可加工性见长。因此它们可以用于例如由溶液旋涂或印刷。这种材料出色的电介质性质已经证实(见H.Klauk，M.Halik，U.Zschieschang，G.Schmid，W.Radlik和W.Weber的文章J Appl.Phys.，付印，预定于92卷，No.10(2002年11月)出版)。
还可以证实在ICs中使用，其中，对于电介质层结构和随后的源极-漏极-层结构，由于聚合物横向交联，可以达到电介质层所必需的化学和机械稳定性(见M.Halik，H.Klauk，U.Zschieschang，T.Kriem，G.Schmid和W.Radlik的文章Appl.Phys.Lett.，81，289(2002))。
然而，这种横向交联要在200℃温度下进行，这对于制备大面积柔韧基材而言存在问题。
本发明的任务在于，提供具有有机半导体的集成电路以及可以在低温下制造OEFT介电层的方法。
根据本发明，所述任务可以用具有权利要求1技术特征的集成电路解决。
根据本发明，具有有机半导体的集成电路可以由下述聚合物配剂制造，
a)100份至少一种可交联基础聚合物，
b)10至20份至少一种亲电子交联组分，
c)1至10份至少一种热酸催化剂，该催化剂在温度100-150℃时产生激发质子，
d)至少一种溶剂。
本发明的集成电路特别是具有有机层的OFET，其具有出色的电介质性质。基于所使用的特殊聚合物配方，这种集成电路以简单方法可以在低温下(最高150℃)制造。原则上，这种聚合物配剂还可以与其他电子元件联合使用。
对此，有利的是，至少一种基础聚合物是含有酚的聚合物或共聚物，特别是聚-4-乙烯基苯酚、聚-4-乙烯基苯酚-甲基丙烯酸-2-羟乙酯共聚物或聚-4-乙烯基苯酚-甲基丙烯酸甲酯共聚物。
有利的是，至少一种亲电子交联组分是二-或三苯甲醇化合物，特别是4-羟甲基-苯甲醇。
有利的是，至少一种交联组分具有下列结构：
适合R1的是：-O-、-S-、-SO2-、-S2-、-(CH2)x-，其中x＝1-10，另外：
有利的是，至少一种磺酸用作热酸催化剂，特别是4-苯磺酸，因为其在低于150℃状态下可以将质子传递至苯甲醇的羟基上。
有利的是，溶剂为醇，特别是正丁醇、丙二醇单甲基醚醋酸酯(PGMEA)、二烷、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、γ-丁内酯、二甲苯或混合物。
对于优良的可加工性有利的是，基础聚合物、交联组分和酸生成剂的份额为5-20质量％。
所述任务还可以通过具有权利要求1技术特征的集成电路制造方法，特别是具有电介质层的OFET制造方法而解决。根据本发明，
a)将根据权利要求1的聚合物配剂涂覆在基材上，特别是具有预先构造了栅电极的基材上，随后
b)在100-150℃进行交联反应以形成栅极电介质层。
随后，有利的是，开始建造至少一个其他的OFET结构以构造OFET。
有利的是，通过旋涂、压涂或喷涂进行聚合物配剂的涂覆。
有利的是，在惰性气体氛围下，特别是N2氛围下进行交联反应。
在涂覆聚合物配剂和聚合物薄膜制备之后，有利的是，进行干燥，特别是在100℃干燥。
然后，对于制造OFET有利的是，在栅极电介质层上涂覆源极-漏极-层。
最后，有利的是，用于形成OFET的活性层，特别是由半导体并五苯构成的活性层涂覆在源极-漏极-层上。有利的是，在活性层上安置一个钝化层。
下面，参考附图，用多个实施例进一步解释本发明。它们是：
图1有机场效应晶体管示意图；
图2以PVP和4-羟甲基苯甲醇作为交联剂的聚合栅极电介质交联反应实施例；
图3a具有亲电子交联栅极电介质的OFET输出特征曲线族；
图3b具有亲电子交联栅极电介质的OFET传输特征曲线族；
图4示波器图像示踪。
OFET是由多个层组成的电子元件，这些层全部被结构化，以通过各层连接从而形成集成电路。因此，图1显示了在底部接触的构造中的这种晶体管的原理性结构。
在基材1上安置有栅电极2，用栅极电介质层3将其覆盖。如下文所述，在本发明方法的实施方式中，已经安置了栅电极2的基材1是在其上涂覆栅极电介质层3的起始材料。在栅极电基质层3上安置漏极层4a和源极层4b，在复合体中用活性半导体层5将此二者相连。在活性层5上安置钝化层6。
对于此处所述本发明的实施方式而言，栅极电介质层3的沉积和处理是决定性的。
本发明的电路及其制造方法解决了具有栅极电介质层的OFET设备的问题，特别是在低操作温度下具有出色机械、化学和电学性质的有机IC的栅极电介质层。
因此，OFET具有电介质层，该层原则上可以由具有四个组分的混合物(聚合物配剂)制造：基础聚合物、交联组分、热酸生成剂和溶剂。此处所述的本发明电路的实施方式具有包括下列组分的聚合物配剂：
a)作为可交联的基础聚合物的PVP，
b)作为亲电子交联组分的4-羟甲基苯甲醇，
c)作为酸催化剂的4-甲苯磺酸，其在100-150℃之间产生活性质子，
d)作为溶剂的，如醇、PGMEA。
所述聚合物配剂涂覆在相应的准备好的基材1上(栅极结构2已经被限定在基材1上)。可以将聚合物配剂例如压涂、旋涂或喷涂。通过随后在中等温度下(约100℃)的干燥，聚合物配剂被固定在底板上，接着在热交联步骤中转变为最终结构。
图2中以示意图的方式显示出，在清除水条件下，在150℃时PVP如何与4-羟甲基苯甲醇交联。或者，下列所述化合物也可以作为亲电子交联剂使用：
适合R1的是：-O-、-S-、-SO2-、-S2-、-(CH2)x-，其中x＝1-10，另外：
适合R2的是：1到10个碳原子的烷基或芳基
在此，对于制造具有所需性质的栅极电介质层3，决定性的步骤是交联反应及其在对基材是非临界的温度下的引发。这个温度是20℃至最大150℃。
与至今已知的方法相比(见Halik等人的文章(2002))，本方法的使用将所需的交联温度降低了超过50℃。
基础聚合物决定栅极电介质层3的基本性质。所有含酚的聚合物及其共聚物原则上都适合作为基础聚合物，例如聚-4-乙烯基苯酚、聚-4-乙烯基苯酚-甲基丙烯酸-2-羟乙酯共聚物或聚-4-乙烯基苯酚-甲基丙烯酸甲酯共聚物。
通过选择聚合物配剂中的交联组分及其浓度，能够决定性地控制聚合物层的机械性质及其对化学试剂的耐受性。
通过选择热酸催化剂，能够控制交联反应的引发温度。
溶剂的选择决定配剂的成膜性。
下文公开了两个聚合物配剂作为实施例，它们仅仅在交联剂份额上有所不同。
配剂1是一种以丙二醇单甲基醚醋酸酯(PGMEA)为溶剂的10％溶液。其中存在100份基础聚合物、10份交联剂和2.5份酸生成剂。
作为基础聚合物的2g PVP(MW为约20000)和作为交联剂的200mg 4-羟甲基-苯甲醇的混合物在振播装置上溶解在作为溶剂的20.5gPGMEA中(约3小时)。
随后，加入作为酸发生剂的50mg 4-甲苯磺酸，将全部溶液再振荡1小时。在使用之前，用0.2μm的过滤器过滤聚合物溶液。
配剂2是一种以PGMEA为溶剂的10％溶液。其中存在100份基础聚合物、20份交联剂和2.5份酸生成剂。交联剂份额两倍于配剂1中的份额。
作为基础聚合物的2g PVP(MW为约20000)和作为交联剂的400mg 4-羟甲基-苯甲醇的混合物在振摇装置上溶解在作为溶剂的20.5gPGMEA中(约3小时)。随后，加入作为酸发生剂的50mg 4-甲苯磺酸，将全部溶液再振荡1小时。在使用之前，用0.2μm的过滤器过滤聚合物溶液。
薄膜制备：
用旋涂器在4000转/分钟条件下在22秒时间内将2ml配剂1涂覆在准备好的基材(具有Ti栅极结构的PEN聚萘二甲酸乙二醇酯)上。随后，在100℃的加热片上干燥2分钟。在150℃的炉子中，于400mbar的N2氛围下完成交联反应。类似地，完成配剂2的薄膜制备。
栅极电介质层的构造：
在横向交联的聚合物层(栅极电介质层3)上，涂覆光刻胶(S1813；3000转/分钟；30秒)，并在100℃干燥2分钟。随后，借助曝光和光刻胶的显影，限定了接触孔。用氧等离子(2次，45秒，100W)完成接触孔的开放。
接着，根据标准方法将源极-漏极层4沉积并构造(热蒸镀30nm的Au，光学平版印刷结构，并用I2/KI溶液进行湿化学蚀刻)。
栅极电介质层2的层厚对于配剂1而言为210nm。层的粗糙度为50μm上0.5nm。
栅极电介质层的层厚对于配剂2而言为230nm。层的粗糙度为50μm上0.6nm。
通过热蒸镀活性组分5(这里是指并五苯)完成晶体管或者电路。除了钝化层6，制造出了图1所述的OFET结构。
在此，公开了聚合物配剂及其应用的实施方式，用于在低温下制造在基于OFET的集成电路中使用的栅极电介质层3。除了在制造中低的操作温度，栅极电介质层3还显示了出色的热、化学、机械和电学性质。
图3a显示了具有亲电子交联栅极电介质的并五苯OFET的输出特征曲线族。图3b显示了对于相同结构，OFET的传输特征曲线(μ＝0.5cm2/Vs，开/关比例＝104)。图4复制了示波器图像示踪。因此，显示出5阶段环形振荡器的特征曲线，其中，以每阶段120微秒(μsec)的信号延迟对环形振荡器进行操作。
本发明不限于以上述优选实施方式而执行。还可考虑很多变化的形式，它们在原则上可以用本发明的装置和本发明的方法。
参考标记列表
1基材
2栅电极
3栅极电介质层
4a漏极层
4b源极层
5活性层
6钝化层
Claims (15)
1.集成电路，其具有有机半导体，特别是具有具备电介质层的有机场效应晶体管(OEFT)，其可以用由下列物质组成的聚合物配剂制造
a)100份至少一种可交联基础聚合物，
b)10至20份至少一种亲电子交联组分，
c)1至10份至少一种热酸催化剂，该催化剂在温度100-150℃时产生激发质子，
它们溶解在d)至少一种溶剂中。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，至少一种基础聚合物是含酚聚合物或共聚物，特别是聚-4-乙烯基苯酚、聚-4-乙烯基苯酚-甲基丙烯酸-2-羟乙酯共聚物或聚-4-乙烯基苯酚-甲基丙烯酸甲酯共聚物。
3.根据权利要求1或2所述的集成电路，其特征在于，至少一种热酸发生剂是磺酸，特别是4-甲苯磺酸。
4.根据前述至少一项权利要求所述的集成电路，其特征在于，至少一种亲电子交联组分是二-或三苯甲醇化合物，特别是4-羟甲基-苯甲醇。
5.根据前述至少一项权利要求所述的集成电路，其特征在于，至少一种交联组分具有下列结构：
适合R1的是：-O-、-S-、-SO2-、-S2-、-(CH2)x-，其中x＝1-10，另外：
适合R2的是：1到10个碳原子的烷基或芳基。
6.根据前述至少一项权利要求所述的集成电路，其特征在于，至少一种溶剂为醇，特别是正丁醇、丙二醇单甲醚醋酸酯(PGMEA)、二烷、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、γ-丁内酯、二甲苯或混合物。
7.根据前述至少一项权利要求所述的集成电路，其特征在于，基础聚合物、交联组分和酸生成剂的份额为5-20质量％。
8.具有有机半导体，特别是具有具备电介质层的有机场效应晶体管(OEFT)的集成电路制造方法，其特征在于，
a)根据权利要求1的聚合物配剂涂覆在基材(1)上，特别是涂覆在具有预先构造了栅电极(2)的基材上，随后
b)在100-150℃进行交联反应以形成栅极电介质层(3)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，随后进行至少一种其他结构化以构造OFET。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，用旋涂、压涂或喷涂方法完成聚合物配剂的涂覆。
11.根据权利要求8到10至少一项所述的方法，其特征在于，在惰性气体氛围，特别是在N2氛围下进行交联反应。
12.根据权利要求8到11至少一项所述的方法，其特征在于，涂覆聚合物配剂之后，完成干燥，特别是在100℃下完成干燥。
13.根据权利要求8到12至少一项所述的方法，其特征在于，在栅极电介质(3)上涂覆源极-漏极-层(4a，4b)。
14.根据权利要求8到13至少一项所述的方法，其特征在于，在源极-漏极-层(4a，4b)上涂覆活性层(5)以形成OFET，特别是由并五苯构成的活性层。
15.根据权利要求8到14至少一项所述的方法，其特征在于，在活性层(5)上安置钝化层(6)。
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