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Die
Erfindung betrifft ein Imprint-Lithographieverfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Funktionsweise von Feldeffekttransistoren beruht auf der Modulation
der Konzentration frei beweglicher Ladungsträger in einer Halbleiterschicht durch
Anlegen einer regelbaren elektrischen Spannung an eine Gateelektrode.
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Zur
elektrischen Isolation der Gateelektrode von der Halbleiterschicht
wird bei MISFETs („metal-insulatorsemiconductor
field effect transistors") eine
dünne Schicht
eines isolierenden Materials verwendet, die als Gatedielektrikum
bezeichnet wird. Bei herkömmlichen
Feldeffekttransistoren handelt es sich dabei in der Regel um anorganische
Dielektrika, wie z.B. Siliziumdioxid. (Transistoren mit Oxid-Dielektrika
heißen
auch MOSFETs, „metal-oxide-semiconductor
field effect transistors").
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Vor
allem für
Feldeffekttransistoren auf der Basis organischer Halbleiter sind
allerdings Gatedielektrika auf der Basis organischer Polymere von
Interesse, da die Prozessierung dünner Polymerschichten im Vergleich
zur Prozessierung anorganischer Dielektrika in der Regel preiswerter
ist und bei weniger hohen Temperaturen erfolgen kann.
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Organische
Feldeffekttransistoren sind unter anderem für die Realisierung einfacher
integrierter Schaltungen von Interesse. Die Herstellung integrierter
Schaltungen auf der Basis von Feldeffekttransistoren erfordert unter
anderem eine gezielte Strukturierung der Gatedielektrikums-Schicht,
da nur durch die Öffnung
von Durchkontaktierungen (Kontaktlöcher, „vias") in der isolierenden Schicht ein gezielter Zugang
zu den Elektroden oder Kontakten in der Metallisierungsebene oder
den Metallisierungsebenen unterhalb der isolierenden Schicht hergestellt
werden kann. Ein Zugang zu den unterhalb der isolierenden Schicht
befindlichen Metallisierungsebenen ist insbesondere notwendig, wenn
der Eingang eines Transistors mit dem Ausgang eines anderen Transistors
verknüpft
werden soll, wie dies in jeder integrierten Schaltung vielfach zwingend
notwendig ist.
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Es
ist bekannt, die Öffnung
der Kontaktlöcher
z.B. mittels Photolithographie und Ätzen vorzunehmen. Dabei wird
auf das Dielektrikum ein Fotolack aufgebracht, durch eine Fotomaske
belichtet und anschließend
entwickelt. Der so strukturierte Fotolack dient nachfolgend als
Maske bei einem trocken- oder nasschemischen Ätzschritt zur Öffnung des
Kontaktloches; abschließend
wird der Fotolack wieder entfernt.
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Besonders
für preiswerte
Anwendungen organischer integrierter Schaltungen sind Prozessmethoden
von Interesse, die ohne die relativ teuren, für die Photolithographie notwendigen
Geräte
und Verfahren auskommt.
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Ein
Beispiel ist die Imprint-Lithographie (z.B. WO 00/54107 A1), die
als Alternative zur Photolithographie bei der Herstellung integrierter
Siliziumschaltungen entwickelt wurde. Bei der Imprint-Lithographie
erfolgt die Übertragung
der gewünschten
Strukturen von einem Reliefstempel in eine zuvor auf den Siliziumwafer
aufgebrachte dünne
Polymerschicht. Durch den mechanischen Druck der erhabenen Gebiete
des Stempels kommt es zu einer gezielten Verformung des Polymers
in diesen Bereichen. Vor Entfernen des Stempels wird die verformte
Polymerschicht entweder thermisch oder durch Belichtung mit ultraviolettem
Licht ausgehärtet
bzw. vernetzt, so dass die gestempelten Strukturen im Polymer erhalten
bleiben. Durch Plasmaätzen
werden die Strukturen anschließend
in das unterliegende Substrat übertragen;
dabei dient die Polymerschicht als Ätzmaske („resist"). Abschließend wird die Polymerschicht
wieder entfernt.
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Somit
ist auch bei der Imprint-Lithographie ein Ätzschritt erforderlich, der
den Aufwand bei der Herstellung der Halbleiterschaltungen erhöht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, mit dem Halbleiterschaltungen in besonders einfacher
Weise herstellbar sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach
wird eine Polymerschicht, insbesondere eine polymere Gatedielektrikumschicht,
allein durch mindestens einen Imprint-Stempel resistfrei strukturiert.
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Die
Strukturierung erfolgt hierbei allein durch den Imprint-Stempel und ohne
Verwendung eines Resists, so dass eine einfache und schnelle Herstellung
von Strukturen erreichbar ist. Die Polymerschicht wird durch den
Imprint-Stempel mechanisch verformt, insbesondere etwas eingedruckt.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Imprint-Stempel zur Herstellung
mindestens eines Kontaktloches verwendet wird. Diese Kontaktlöcher weisen
eine Geometrie auf, die sich einfacher Weise durch ein erfindungsgemäßes Prägeverfahren
herstellen lässt.
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Mit
Vorteil wird nach Strukturierung der Polymerschicht durch den Imprint-Stempel
der Grund der durch den Imprint-Stempel hervorgerufenen Vertiefung
mit einem Ätzschritt
bearbeitet. Da die Polymerschicht auf Grund der Vertiefung etwas
dünner
ist, wird an dieser Stelle die Polymerschicht zuerst weggeätzt, so
dass ein Kontaktloch entsteht. Dies dient der Minimierung des Kontaktwiderstandes.
Die nicht vertiefte Polymerschicht in der Umgebung bleibt bestehen.
Auch können
damit Polymerreste vom Grund des Kontaktloches entfernt werden.
Eine solche Ätzung
dauert im Vergleich zu einer Ätzung
einer Struktur nur sehr kurz. Es kann vorteilhaft sein, diese Ätzung so
lange durchzuführen,
bis die Polymerschicht eine vorgegebene Schichtdicke erreicht hat.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird die Polymerschicht durch Aufschleudern, Aufsprühen und/oder
Tauchen auf ein Substrat aufgebracht.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn die Polymerschicht vor und/oder nach der
Strukturierung mit einem Imprintstempel thermisch induziert und/oder lichtinduziert
gehärtet
und/oder vernetzt wird.
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Zur
Herstellung eines Feldeffekttransistors ist es vorteilhaft, wenn
die Polymerschicht als Dielektrikumschicht auf einer ersten Leitungsschicht
angeordnet wird und mindestens ein Kontaktloch zur Herstellung einer
Durchkontaktierung von einer zweiten Leitungsschicht bedeckt wird.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn eine organische Halbleiterschicht zum Aufbau
einer organischen Feldeffekttransistoranordnung über der zweiten Leitungsschicht
und der polymeren Dielektrikumsschicht angeordnet wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer integrierten Schaltung mit einer
Durchkontaktierung gemäß dem Stand
der Technik;
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2A bis 2F schematische
Darstellungen von Verfahrensschritten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
(Ausschnitt x aus 1 betreffend).
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten
Schaltung mit zwei Leitungsschichten, nämlich einer ersten Leitungsschicht 11a, 11b, 11c und
einer darüber
liegenden Leitungsschicht 13a, 13b, 13c.
Die Leitungsschichten sind hier als Metallisierungsebenen ausgebildet.
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Über der
ersten Leitungsschicht 11a, 11b, 11c ist
eine Gatedielektrikumschicht 12a, 12b und eine
organische Halbleiterschicht 14 angeordnet.
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Zur
Realisierung einer Durchkontaktierung („via") muss in der Gatedielektrikumschicht 12a, 12b gezielt
ein Kontaktloch 40 geöffnet
werden.
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Ein
organischer Transistor ist im rechten Teil der Schaltung angeordnet,
bestehend aus einer Gateelektrode (realisiert in der ersten Leitungsschicht 11b, 11c),
einem Gatedielektrikum 12b, zwei Kontakten in der zweiten
Leitungsschicht 13b, 13c und der organischen Halbleiterschicht 14.
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Eine
Durchkontaktierung („via") ist in der Mitte
der Schaltung angeordnet. Dabei wird durch Öffnung eines Kontaktloches 40 eine
elektrische Verbindung zwischen den beiden Leitungsschichten 11, 13 hergestellt.
Bei einer elektrisch isolierten Kreuzung zweier Leitungsbahnen („crossover") im linken Teil der
Schaltung erfüllt
das Dielektrikum 12a die Funktion der Isolierung der beiden
Leitungsschichten.
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Erfindungsgemäß wird eine
Ausführungsform
des Verfahrens für
die Realisierung von Durchkontaktierungen (Kontaktlöchern 40)
bei der Herstellung integrierter Schaltungen mit polymeren Gatedielektrika
eingesetzt.
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Während bei
der bekannten Imprint-Lithographie die Polymerschicht 12 die
Rolle eines Ätz-Resists übernimmt,
der nach erfolgter Strukturübertragung
in das unterliegende Substrat wieder entfernt wird, werden bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
die gewünschten
Strukturen durch den Stempel direkt und ohne Resist in die Gatedielektrikumschicht übertragen.
Damit wird die Struktur in der Polymerschicht 12 in vertikaler
Richtung allein durch einen Imprint-Stempel 20 erzeugt.
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Dies
wird im Zusammenhang mit 2A bis 2F näher erläutert, wobei
die 2A bis 2F Details
des Bereiches darstellen, der in 1 mit X bezeichnet
ist, d.h. den unmittelbaren Bereich des Kontaktlochs 40.
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Um
das Kontaktloch 40 bis zur unteren Leitungsschicht 11 zu öffnen, ist
nach dem Aushärten des
Polymers gegebenenfalls ein kurzer Plasma-Ätzschritt notwendig. Die mechanische
Verformung der Polymerschicht 12 wird diese an einer Stelle
gezielt verdünnt,
so dass ein Ätzschritt
hier die erste Leitungsschicht 11 freilegt, bevor die umgebende
Polymerschicht 12 weggeätzt
wird. Die übrigbleibende Polymerschicht 12 kann
dann beim weiteren Aufbau des Halbleiterbauelementes verwendet werden.
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Die Ätzung der
gesamten Tiefe der Durchkontaktierung muss aber gemäß den Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht vollständig
geätzt
werden, da die Strukturbildung durch das Imprint-Verfahren unter
Umständen
ausreicht.
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Durch
diesen Plasma-Ätzschritt
wird in den Bereichen der Kontaktlöcher 40 die Oberfläche der ersten,
unteren Leitungsschicht 11 freigelegt und von eventuell
im Kontaktloch 40 verbliebenen Polymer-Resten gereinigt.
Dadurch wird ein möglichst kleiner
Kontaktwiderstand zwischen oberer und unterer Leitungsschicht 13, 11 garantiert.
Während
des Plasma-Ätzens
kommt es auch in den Gebieten außerhalb der Durchkontaktierungen
zu einer Verringerung der Schichtdicke der Polymerschicht 12 durch Materialabtrag,
so dass der Plasma-Ätzschritt
zur gezielten Einstellung der Dicke der dielektrischen Polymerschicht 12 verwendet
werden kann.
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In 2A bis 2F werden
einzelne Schritte einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt.
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Auf
einem Substrat 10 wird eine erste Leitungsschicht 11 (siehe 2A)
aufgebracht. Die erste Leitungsschicht 11 kann z.B. aus
Aluminium, Titan, Nickel, Gold oder auch aus leitfähigen Polymeren, wie
z.B. Polyanilin oder PEDOT:PSS, bestehen.
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Anschließend wird
eine Polymerschicht 12 als Gatedielektrikumschicht aufgebracht
und (meist thermisch) fixiert (2B). Die
Fixierung dient dem Austreiben von Lösungsmittelresten aus der Polymerschicht 12.
Die Polymerschicht 12 kann durch Aufschleudern („spin coating"), Tauchen („dip coating") oder Aufsprühen („spray
coating") aus einem geeigneten
Lösungsmittel
aufgebracht werden. Die Fixierung kann auf einer Heizplatte, mittels
einer Heizwalze oder in einem Trockenofen erfolgen.
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Als
Polymere sind prinzipiell alle Polymere geeignet, die sich als Dielektrikumschicht
für organische
Feldeffekttransistoren eignen.
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Die Übertragung
der gewünschten
Strukturen (z.B. eines Kontaktlochs 40) in die Polymerschicht 12 erfolgt
mittels eines Imprint-Stempels 20 (2C), welcher
zuvor mit einer hier nicht dargestellten Antihaftschicht (z.B. eine
Monolage eines Alkylsilans) beschichtet wurde. Der Imprint-Stempel 20 hat
hier die Form eines Kegelstumpfes, so dass er ohne Schwierigkeiten
wieder aus der Polymerschicht 12 herausgeführt werden
kann. Grundsätzlich
sind auch andere Geometrien für
den Imprint-Stempel 20 möglich.
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Die
Fixierung der gestempelten Strukturen in der Polymerschicht 12 kann
je nach Polymer durch einen temperaturinduzierten (z.B. Abkühlen) oder
einen lichtinduzierten (z.B. UV-Licht) Härtungs- bzw. Vernetzungsschritt
erfolgen (2D). Die Polymerschicht 12 wird
bei diesem Schritt in die endgültige chemische
Form überführt, welche
im Vergleich mit der ursprünglich
plastischen Form des Polymers formstabiler und vorteilhafterweise
widerstandsfähiger
gegen den abschließenden
Plasma-Ätzschritt (Plasmaätzen 30 in 2E)
ist.
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Nach
Entfernen des Imprint-Stempels 20 erfolgt durch einen Plasma-Ätzschritt
(z.B. mit einem Sauerstoffplasma) die Öffnung eines entstandenen Kontaktlochs 40 sowie
eine Reinigung der Oberfläche
der ersten Leitungsebene 11 im Bereich der Kontaktlöcher 40 (2E).
Gegebenfalls kann das Ätzen über die
vollständige Öffnung der
Kontaktlöcher 40 hinaus
solange erfolgen, bis durch Materialabtrag die gewünschte Schichtdicke
der Gatedielektrikumschicht 12 (d.h. der Polymerschicht)
eingestellt ist (2F).
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Die
Polymerschicht 12 dient somit nicht primär als Ätzmaske
sondern als aktive Schicht, nämlich
als Gatedielektrikumschicht beim weiteren Aufbau eines Halbleiterbauelementes.
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Nach
der Herstellung der Durchkontaktierung erfolgt für eine Herstellung eines organischen Feldeffekttransistors
der weitere Aufbau der Schaltung mit einer zweiten Leitungsschicht 13 und
einer organischen Halbleiterschicht 14, wie dies in 1 dargestellt
ist. Demnach werden eine zweite Leitungsschicht 13 und
eine organische Halbleiterschicht 14 über den Schichten aufgebaut.
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Die
Erfindung wurde hier anhand der Herstellung eines organischen Feldeffekttransistors
beschrieben. Grundsätzlich
ist es aber möglich,
auch andere Schaltungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen.
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Der
temperatur- und/oder lichtinduzierte Härtungs- bzw. Vernetzungsschritt
(2D) ist nicht zwingend notwendig, sofern die Gatedielektrikumschicht 12 aus
Polymer die Strukturen auch unvernetzt abbildet und sich auch unvernetzt
so ätzen lässt, dass
nach vollständiger Öffnung der
Kontaktlöcher 40 eine
hinreichend dicke Polymerschicht 12 als Dielektrikum erhalten
bleibt. Dies trifft besonders für siliziumhaltige
Polymere zu, die unter Einwirkung von Sauerstoffplasma eine SiO2-ähnliche
Oberfläche ausbilden,
die im Vergleich zu rein organischen Polymeren sehr ätzstabil
ist.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch machen.
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- 10
- Substrat
- 11a,
b, c
- erste
Leitungsschicht (Metallisierungsschicht)
- 12
- Polymerschicht
(Dielektrikumschicht)
- 13a,
b, c
- zweite
Leitungsschicht (Metallisierungsschicht)
- 14
- organische
Halbleiterschicht
- 20
- Imprint-Stempel
- 30
- Plasmaätzen
- 40
- Kontaktloch