-
Feldeffekttransistoren
auf der Basis organischer Halbleiter sind für eine Vielzahl elektronischer Anwendungen
von Interesse, die extrem niedrige Fertigungskosten, flexible oder
unzerbrechliche Substrate, oder die Herstellung von Transistoren
und integrierten Schaltungen über
große
aktive Fläche
erfordern. Zum Beispiel eignen sich organische Feldeffekttransistoren
als Pixelsteuerelemente in Aktiv-Matrix-Bildschirmen. Solche Bildschirme
werden gewöhnlich
mit Feldeffekttransistoren auf der Basis amorpher oder polykristalliner
Siliziumschichten hergestellt. Die für die Herstellung hochwertiger
Transistoren auf der Basis amorpher oder polykristalliner Siliziumschichten
notwendigen Temperaturen von gewöhnlich
mehr als 250°C
erfordern die Verwendung starrer und zerbrechlicher Glas- oder Quarzsubstrate.
Dank der relativ niedrigen Temperaturen, bei denen Transistoren
auf der Basis organischer Halbleiter hergestellt werden, die gewöhnlich weniger
als 200°C
betragen, erlauben organische Transistoren die Herstellung von Aktiv-Matrix-Bildschirmen
unter Verwendung billiger, flexibler, transparenter, unzerbrechlicher
Polymerfolien mit erheblichen Vorteilen gegenüber Glas- oder Quarzsubstraten.
-
Ein
weiteres Anwendungsgebiet für
organische Feldeffekttransistoren liegt in der Herstellung von sehr
preiswerten integrierten Schaltungen, wie sie zum Beispiel für die aktive
Kennzeichnung und Identifizierung von Waren und Gütern zum
Einsatz kommen. Diese so genannten Transponder werden gewöhnlich unter
Verwendung von integrierten Schaltkreisen auf der Basis von einkristallinem
Silizium hergestellt, was zu erheblichen Kosten bei der Aufbau-
und Verbindungstechnik führt.
Die Herstellung von Transpondern auf der Grundlage organischer Transistoren
würde zu
ernormen Kostensenkungen führen und
könnte
der Transponder-Technologie zum weltweiten Durchbruch verhelfen.
-
Bei
der Herstellung von Dünnfilmtransistoren sind
gewöhnlich
viele Schritte erforderlich, in denen die verschiedenen Schichten
des Transistors abgeschieden werden. In einem ersten Schritt wird
die Gateelektrode auf einem Substrat abgeschieden, anschließend wird
auf der Gateelektrode das Gatedielektrikum abgeschieden und in einem
weiteren Schritt werden die Source- und Drain-Kontakte strukturiert.
Im letzten Schritt wird der Halbleiter zwischen den Source- und
Drain-Kontakten
auf dem Gatedielektrikum abgeschieden.
-
Es
werden daher hohe Anstrengungen unternommen, um den Herstellungsprozess
von Feldeffekttransistoren zu vereinfachen. Zum Beispiel wird in
der Literatur die Verwendung druckbarer molekularer Ätzmasken
zur Strukturdefinition bei der Prozessierung organischer Transistoren
beschrieben. Dazu wird auf eine ganzflächig auf dem Substrat abgeschiedene
Metalllage mittels eines konformen Reliefstempels eine extrem dünne, molekulare
Monolage eines geeigneten organischen Materials aufgebracht. Die
Moleküle
werden dabei nur in den Gebieten von Stempeln auf das Metall übertragen,
in denen die erhabenen Strukturen des Stempels in Kontakt mit der Metalloberfläche treten.
Diese Form des Hochdrucks wird auch als Mikrokontaktdruck ("micro contact printing") oder als Flexodruck
bezeichnet. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel von J. L. Wilbur,
A. Kumar, E. Kim und G. M. Whitesides ("Microfabrication by Microcontact Printing
of Self-Assembled Monolagers", Advanced
Materials, 1994, 6, 600–604)
beschrieben. Idealerweise sind die dabei zum Einsatz kommenden organischen
Moleküle
so gestaltet, dass es zwischen den einzelnen Molekülen und
der Metalloberfläche zur
Ausbildung chemischer Bindungen und zur Bildung einer molekularen
selbstorganisierten Monolage ("self-assembled
monolayer", SAM)
kommt. Die auf diese Weise auf der Metalloberfläche definierten molekularen
Strukturen dienen im nachfolgenden Prozessschritt als Ätzmaske
und erlauben somit die gezielte Strukturierung der Metalllage mittels
nasschemischer Ätzverfahren.
Nachdem die molekulare Monolage ihre Aufgabe als Ätzmaske
erfüllt
hat, wird sie wieder entfernt, um die Metalloberfläche für die nächsten Prozessschritte
freizulegen.
-
Bei
der Verwendung der so strukturierten Metalllage als Gateelektrode
des Transistors ist der sich an die Entfernung der molekularen Ätzmaske unmittelbar
anschließende
Prozessschritt die Abscheidung des Gatedielektrikums zum Zwecke
der elektrischen Isolation der Gateelektrode von der organischen
Halbleiterschicht, die in einen weiteren Prozessschritt abgeschieden
wird. Als Gatedielektrikum in organischen Transistoren kommen in
der Regel anorganische Oxide oder Nitride, wie zum Beispiel Siliziumoxid,
Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Tantaloxid oder isolierende Polymere
wie zum Beispiel Polyvinylphenol zum Einsatz.
-
Die
Prozessierung von Gatedielektrika auf der Basis sowohl anorganischer
Oxide und Nitride als auch isolierender Polymere erfordert in der
Regel relativ große
Schichtdicken um etwa 100 nm oder dicker und führt daher zu der Notwendigkeit
relativ hoher Versorgungsspannungen für den Betrieb der Transistoren.
Die Versorgungsspannungen liegen im Bereich von etwa 10 Volt oder
höher.
Prinzipiell können
die Versorgungsspannungen durch Verwendung dünnerer Gegendielektrika zwar
reduziert werden, allerdings führt
diese Reduzierung der Schichtdicke bei den oben genannten, herkömmlichen
Dielektrikumsmaterialien unweigerlich zu einer inakzeptablen Erhöhung der
Leckströme
und in der Regel zu einer Verringerung der Ausbeute.
-
Collet,
J. et al.: „Low-Voltage,
30 nm channel length, organic transistors with a self-assembled monolayer
as gate insulating films" (Appl.
Phys. Lett., 3 April 2000, Vol. 76, No. 14, pp. 1941–1943) beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors mit einer
auf der Gateelektrode angeordneten selbstorganisierten Monolage
einer organischen Verbindung.
-
In
Bao, Z. et al.: „Printable
organic and polymeric semiconducting materials and devices" (J. Matter. Chem.,
1999, Vol. 9, pp. 1895–1904)
werden organische Halbleitermaterialien beschrieben, die als aktive
Materialien für
Feldeffekttransistoren verwendet werden.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur
Herstellung eines Feldeffekttransistors bereitzustellen, das gegenüber herkömmlichen
Verfahren weniger Prozessschritte aufweist, und zudem die Herstellung
eines Feldeffekttransistors ermöglicht,
der bei einer Versorgungsspan nung von weniger als 5 Volt und insbesondere
von weniger als 3 Volt betrieben werden kann.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wurde durch den Gegenstand des Anspruchs 1
gelöst
und ein Feldeffekttransistor, der durch das erfindungsgemäße Verfahren
herstellbar ist, wurde durch den Gegenstand des Anspruchs 16 bereitgestellt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist folgende Schritte auf:
- a) Bereitstellen
eines Substrats;
- b) ganzflächige
Abscheidung einer Gateelektrode;
- c) in Kontakt bringen der Gateelektrode mit einer organischen
Verbindung, um eine auf der Gateelektrode angeordnete selbstorganisierte
Monolage der organischen Verbindung zu erhalten;
- d) Ätzen
der Gateelektrode mit der darauf angeordneten selbstorganisierten
Monolage der organischen Verbindung derart, dass die selbstorganisierte
Monolage im Wesentlichen nicht abgetragen wird;
- e) Nachbenetzen der Gateelektrode mit der organischen Verbindung
nach dem Ätzen
der Gateelektrode mit der darauf angeordneten selbstorganisierten
Monolage der organischen Verbindung;
- f) Abscheiden und falls notwendig Strukturieren einer Source- und einer Drain-Kontakte
ohne die selbstorganisierte Monolage zu entfernen; und anschließend
- g) Abscheiden eines Halbleitermaterials,
wobei die
Schritte f) und g) auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden
können.
-
Die
selbstorganisierte Monolage der organischen Verbindung dient als
Dielektrikum und als Ätzmaske
gleichzeitig, so dass sie nach dem Ätzen der Gateelektrode, um
sie zu strukturieren, nicht entfernt werden muss.
-
Im
günstigen
Fall kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
der herkömmlich
notwendige Schritt des Abscheidens des Dielektrikums nach dem Strukturieren
der Gateelektrode gänzlich
entfallen. Es muss lediglich gewährleistet
sein, dass es bei der nachfolgenden Abscheidung der Source- und
Drainelektrode nicht zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen
den Source- und
Drain-Kontakten und der Gateelektrode kommt. Ein solcher Kurzschluss
kann auftreten, falls die molekulare Benetzung der Gateelektrode
entlang der vertikalen Ätzkanten
nach dem Ätzen
der Gatelage unzureichend ist. Wenn es zum Beispiel bei dem nasschemischen Ätzen der
Gateelektrode zu einer hinreichenden Unterätzung des Metalls gekommen
ist, kann die Abscheidung entlang der Ätzkanten gänzlich entfallen. Im Falle
einer unzureichenden Molekularbenetzung der Gatelage entlang der Ätzkanten
nach dem Ätzen
der Gateelektrode kann die Gefahr elektrischer Kurzschlusse zwischen
den Source- und Drainkontakten und der Gateelektrode durch eine
nochmalige Benetzung der Gatelage mit einer molekularen selbstorganisierten Monolage
eliminiert werden.
-
Der
Kern der Erfindung liegt daher darin, dass die selbstorganisierte
Monolage der organischen Verbindung, die als Dielektrikum dient,
sowohl als Ätzmaske
bei der Strukturierung der Gateelektrode mittels Ätzens dient
als auch als Gatedielektrikum eingesetzt wird, wodurch die andernfalls
gegebene Notwendigkeit für
das Entfernen der selbstorganisierten Monolage nach dem Ätzen entfällt und
sich eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses dadurch ergibt.
-
Um
die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen der Gateelektrode und der
Source- bzw. Drainelektrode zu minimieren, wird nach dem Ätzen der Gateelektrode
mit der darauf angeordneten selbstorganisierten Monolage der organischen
Verbindung, die Gateelektrode mit der organischen Verbindung nachbenetzt,
um die organische Verbindung entlang der Ätzkanten abzuscheiden.
-
In
der vorteilhaften Ausführungsform,
weist die Gateelektrode an der Oberfläche eine Metalloxidschicht
auf. Als Materialien kommen in dieser Ausführungsform alle Materialien
mit nativer oder gezielt erzeugter Oxidschicht in Frage, wie zum
Beispiel Aluminium, Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Wolfram, Titanwolfram,
Tantalwolfram, Wolframnitrid, Wolframcarbonitrid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, Strontiumrutheniumoxid
bzw. eine Kombination dieser Schichten und/oder Materialien und
gegebenenfalls zusätzlich
eine Schicht aus Silizium, Titannitridsilizium, Siliziumoxynitrid,
Siliziumoxid, Siliziumcarbid oder Siliziumcarbonitrid.
-
Die
Schicht der selbstorganisierten Monolage der organischen Verbindung,
die als Ätzmaske dient,
wird vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens auf die Gateelektrode
abgeschieden.
-
Die
selbstorganisierte Schicht der organischen Verbindung wird in einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
mittels eines speziell angefertigten Relief-Stempels aus Polydimethylsiloxan
auf die Oberfläche
einer auf ein Substrat gedampften Metallschicht übertragen.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die organische Verbindung, die die selbstorganisierte Monolage
bildet, einen Rest auf, der mit der Oberfläche der Gateelektrode eine
Wechselwirkung eingeht.
-
In
Abhängigkeit
von dem für
die Gateelektrode verwendeten Material und von der Oberfläche der Gateelektrode
kommen viele Reste in Frage, die mit der Oberfläche der Gateelektrode eine
Wechselwirkung eingehen. Beispielsweise werden folgende Gruppen
genannt: R-SiCl3, R-SiCl2,
Alkyl, R-SiCl(Alkyl)2, R-Si(OR)3,
R-Si(OR)2Alkyl, R-SiOR(Alkyl)2, R-PO(OH)2, R-CHO, SH, OH, NH2,
COOH, CONH2, CONHOH oder CONHNH2 in
Frage. Die selbstorganisierte Monolage, die auf der Gateelektrode
angeordnet ist, soll eine hohe Substratspezifität sowie eine hohe thermische,
chemische und mechanische Stabilität der Schicht aufweisen. Die
Gruppe R ist beliebig auszuwählen,
wobei es vorteilhaft ist, wenn R eine Gruppe bestehend aus n-Alkyl,
n-Alkyl(thio)ether, lineare aromatische Gruppen der Formel -(C6H4)n-
aufweist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 2 und 6 ist, wobei R
auch eine heteroaromati sche Gruppe sein kann. Es ist vorteilhaft,
dass die organische Verbindung linear ausgerichtet ist, um durch
die seitlichen Wechselwirkungen der R Gruppe, wie z. B. durch ππ, Dipol-Dipol
oder CT-Wechselwirkungen, die selbstorganisierte Monolage zu stabilisieren.
-
Das Ätzen der
Gateelektrode, um die Elektrode zu strukturieren, wird vorzugsweise
mittels nasschemischer Ätzmethoden
durchgeführt.
Wenn die Gateelektrode aus zum Beispiel Aluminium besteht, kann
das Substrat etwa eine Minute lang in eine gemischte Säurelösung getaucht
werden. Die Lösung enthält vorzugsweise
Orthophosphorsäure,
Salpetersäure,
Essigsäure
und Wasser. Die Konzentration der in der Lösung zum nasschemischen Ätzen vorhandenen
Säuren
ist so zu wählen,
dass die Schicht der organischen Verbindung, die die auf der Gateelektrode
eine selbstorganisierte Monolage bildet, im Wesentlichen nicht abgetragen
wird. Die Lösung kann
zum Beispiel zwischen 60 und 90 Gew.-% Orthophosphorsäure, 2 bis
8 % Salpetersäure,
2 bis 8 % Essigsäure
und der Rest Wasser enthalten.
-
Die
Stärke
der Gateelektrode beträgt
zwischen etwa 20 und etwa 300 nm, vorzugsweise zwischen etwa 20
und etwa 100 nm. In einer besonderen Ausführungsform beträgt die Stärke der
Gateelektrode etwa 20 bis 50 nm.
-
Die
Stärke
der selbstorganisierten Monolage der organischen Verbindung entspricht
der Länge des
organischen Moleküls,
da es sich hier um lediglich eine Molekularlage handelt. Abhängig von
der Länge
des organischen Moleküls,
und in diesem Zusammenhang der Gruppe R, beträgt die Stärke der selbstorganisierten
Monolage zwischen etwa 1 nm und etwa 20 nm. Besonders bevorzugt
sind die organischen Verbindungen, die eine Stärke der selbstorganisierten
Monolage von etwa 2 bis 10 nm ergeben.
-
Nachdem
die Gateelektrode durch vorzugsweise nasschemisches Ätzen strukturiert
wurde, erfolgt eine nochmalige Benetzung mit der organischen Verbindung
entlang der Ätzkanten
durch Eintauchen in eine alkoholische Lösung der organischen Verbindung.
-
Im
Anschluss werden Source- und Drain-Kontakte aufgedampft und strukturiert.
-
Im
letzten Schritt erfolgt die Abscheidung des Halbleiters, der in
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ein organisches Polymer ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht das Polymer aus zum Beispiel Pentazen, Tetrazen oder Polythiophen.
-
Durch
die sehr geringe Stärke
des Gatedielektrikums, das durch die selbstorganisierte Monolage
der organischen Verbindung definiert wird, kann ein Feldeffekttransistor,
der durch das erfindungsgemäße Verfahren
herstellbar ist, mit einer Versorgungsspannung von weniger als 5
Volt und in einer bevorzugten Ausführungsform von weniger als
3 Volt betrieben werden.
-
Die
Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert.
-
Es
zeigt:
-
1 Prozessablauf bei der Herstellung eines
herkömmlichen
Feldeffekttransistors;
-
2 Prozessablauf bei der Herstellung eines
erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors;
-
3 schematischer Querschnitt einer Struktur
mit unzureichender molekularer Benetzung der Gateelektrode entlang
der Ätzkanten;
-
4 schematischer Prozessablauf für die nochmalige
Benetzung der Gateelektrode entlang der Ätzkanten;
-
5 schematischer Querschnitt einer Struktur
mit hinreichender Unterätzung;
-
6 Strom-Spannungskennlinien
eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors;
-
7 Stromspannungskennlinien eines Inverters
mit gesättigter
Last.
-
1 beschreibt die notwendigen Schritte bei
der Herstellung eines herkömmlichen
Feldeffekttransistors. Auf einem Substrat (1) wird in der 1a eine
Lage (2) eines Materials, das für die Herstellung der Gateelektrode
verwendet wird, abgeschieden. Darauf wird wie in der 1b dargestellt,
eine Ätzmaske
(3) durch vorzugsweise durch eine Drucktechnik auf die
Lage der Gateelektrode (2) abgeschieden. In der 1c wird
das Ergebnis nach dem Ätzschritt und
der Strukturierung der Gateelektrode dargestellt. Aus der 3 ist ersichtlich, dass die Ätzkanten
freiliegen (4).
-
In
der 1b, muss dann die Ätzmaske (3) entfernt
werden, bevor ein Dielektrikum (5) über der Gateelektrode abgeschieden
wird.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, ist
ersichtlich, dass der Schritt des Entfernens der Ätzmaske
(3) vollständig
entfällt,
da die selbstmolekulare Monolage der organischen Verbindung (3a) sowohl
als die Ätzmaske
(3) als auch die Dielektrikumsschicht (5) für den nachfolgenden
Prozess dient. Die Prozessabläufe,
vergleichbar mit den in den 1a bis 1e dargestellten
Schritten sind in 2 dargestellt.
-
Im
günstigen
Fall kann bei der erfindungsgemäßen Mehrfachverwendung
der molekularen Monolage (3a) nicht nur der Prozessschritt
des Entfernens der Ätzmaske
(3) entfallen, sondern auch der Prozessschritt, der in
der 1e bzw. 2d dargestellt
ist. Es muss lediglich gewährleistet
sein, dass es bei der nachfolgenden Abscheidung der Source- (6)
und Drainelektrode (7) nicht zu einem elektrischen Kurzschluss
zwischen den Source- (6) und Drainelektroden (7)
und der Gateelektrode (2) kommt. Ein solcher Kurzschluss
kann auftreten, falls die molekulare Benetzung der Gatelage (4)
entlang der Ätzkanten
(4) nach dem Ätzen
der Gatelage unzureichend ist. Diese Situation ist in 3 schematisch dargestellt.
-
Im
Falle einer unzureichenden Molekularbenetzung der Gatelage entlang
der Ätzkanten,
wie es zum Beispiel in 3a dargestellt ist, kann die
Gefahr elektrischer Kurzschlüsse
zwischen den Source- (6) bzw. Drainelektroden (7)
und der Gateelektrode (2) durch eine nochmalige Benetzung
der Gatelage entlang der Ätzkanten
(4) mit einer molekularen selbstorganisierten Monolage
(3a) eliminiert werden.
-
Dieser
Schritt ist in 4 dargestellt. Das
Ergebnis nach der Abscheidung und Strukturierung der Source- (6)
bzw. Drainelektroden (7) ist in 4 dargestellt.
-
Auf
die nochmalige Benetzung der Ätzkanten
kann nach dem Stand der Technik verzichtet werden, wenn es gewährleistet
ist, dass es nicht zu einem Kurzschluss kommen kann. Das könnte der
Fall sein, wenn es durch das nasschemische Ätzen der Gatelage (2)
zu einer hinreichenden Unterätzung
des Metalls gekommen ist, wie es in 5a dargestellt ist.
Die Situation ist in 5a bzw. 5b dargestellt worden.
-
Die
Herstellung des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors
wird anhand des nachfolgenden Beispiels erläutert.
-
Als
Gatematerial wird Aluminium verwendet und als die organische Verbindung
wird beispielsweise eine n-Alkylphosphonsäure erläutert. Auf einer auf ein Glassubstrat
gedampften, etwa 20 nm dicken Aluminiumschicht wird eine selbstorganisierte
Monolage der n-Alkylphosphonsäure
mittels eines speziell angefertigten Reliefstempels aus Polydimethylsiloxan übertragen.
Zum nasschemischen Ätzen
des Aluminiums wird das Substrat etwa eine Minute lang in eine gemischte
Säurelösung bestehend
aus 80 % Orthophosphorsäure,
5 % Salpetersäure,
5 % Essigsäure
und 10 % Wasser getaucht. Falls notwendig, erfolgt eine nochmalige
Benetzung der Aluminiumgatelage durch Eintauchen in eine alkoholische
Phosphonsäurelösung. Im
Anschluss wird eine etwa 30 nm dicke Schicht Gold aufgedampft und
strukturiert, zum Beispiel unter Verwendung von Fotolithografie und
nasschemischem Ätzen.
Im letzten Schritt erfolgt die Abscheidung der organischen Halbleiterschicht, zum
Beispiel durch thermisches Verdampfen von Pentazen.
-
Die
Eigenschaften eines durch das Beispiel hergestellten Feldeffekttransistors
sind in 6 und 7 dargestellt. 6 zeigt
die Strom-Spannungskennlinien eines Pentazen-Transistors und die 7 eines Inverters mit gesättigter
Last, die durch die erfindungsgemäße Mehrfachverwendung einer
gedruckten molekularen selbstorganisierten Monolage des Phosphonsäurederivats
als Maske und als Dielektrikum für
das nasschemische Ätzen
der Aluminiumgateelektroden hergestellt worden ist. Als Substrat
wurde ein thermisch oxidierter Siliziumwafer eingesetzt; die Source-
und Drainkontakte wurden, wie oben beschrieben, durch Abscheidung
und nasschemische Strukturierung einer dünnen Gold-Schicht erzeugt.
-
- 1
- Substrat
- 2
- Gateelektrode
bzw. Gateelektrodenmaterial
- 3
- Ätzmaske
- 3a
- selbstorganische
Monolage einer organischen Verbindung
- 4
- Ätzkante(n)
- 5
- Gatedielektrikum
- 6
- Sourcelektrode
- 7
- Drainelektrode