DE602004005685T2

DE602004005685T2 - Verfahren zur herstellung einer elektronischen anordnung

Info

Publication number: DE602004005685T2
Application number: DE602004005685T
Authority: DE
Inventors: Bart-Hendrik Huisman; Maria E. Mena Benito; Thomas C. Geuns
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: CN1757124B; KR20050109963A; CN1757124A; EP1604409A1; WO2004079833A1; US7820999B2; ATE358895T1; DE602004005685D1; JP2006520101A; EP1604409B1; US20060220126A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Anordnung, die einen Dünnfilmtransistor mit einer aktiven Schicht umfasst, die ein organisches Halbleitermaterial enthält, wobei das genannte Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Anbringen der aktiven Schicht auf dem Substrat;
– Anbringen, Belichten und Entwickeln eines Photolacks, und
– Strukturieren der aktiven Schicht gemäß dem Muster in dem angebrachten Photolack.

Die Erfindung betrifft auch eine elektronische Anordnung, umfassend einen Dünnfilmtransistor mit einer Sourceelektrode und einer Drainelektrode, die voneinander durch einen Kanal getrennt sind, und einer Gateelektrode, die durch dielektrisches Material vom Kanal getrennt ist, wobei die Anordnung ein Substrat aufweist, auf dessen einer Seite sich befinden: eine aktive Schicht, die ein organisches Halbleitermaterial enthält und in der sich der Kanal befindet; eine erste Elektrodenschicht, in der die Sourceelektrode und die Drainelektrode definiert sind; eine Zwischenschicht aus dielektrischem Material, und eine zweite Elektrodenschicht, in der die Gateelektrode definiert ist, wobei die Gateelektrode bei senkrechter Projektion auf die erste Elektrodenschicht den Kanal wesentlich überlappt,
Eine derartige Anordnung und ein derartiges Verfahren sind aus H.E.A. Huitema et al. Nature 414, 599 (2001) bekannt. Die bekannte Anordnung ist eine Anzeigeeinrichtung mit einer elektrooptischen Schicht aus flüssigkristallinem Material. Um Leckströme zwischen benachbarten Transistoren zu verhindern, ist die aktive Schicht strukturiert. Die aktive Schicht in der bekannten Anordnung enthält Polythenylen-Vinylen als Halbleitermaterial und hat Elektroden aus Gold/PEDOT.
Experimente haben gezeigt, dass ein Dünnfilmtransistor mit einer strukturierten aktiven Schicht andere Eigenschaften hat als ein vergleichbarer Dünnfilmtransistor mit einer nicht strukturierten aktiven Schicht. Obwohl der Leckstrom zwischen den Transistoren bei Gatespannungen von mehr als 20 V deutlich verringert ist, zeigt sich, dass eine erhebliche Schwellenspannung auftritt. In der Praxis bedeutet dies, dass zum Betreiben der Anordnung kontinuierlich eine sehr hohe Gatespannung angelegt werden muss. Dies ist sehr nachteilig für den zugehörigen Energieverbrauch, ein Merkmal, das besonders für tragbare Einrichtungen relevant ist.
An sich ist eine primäre Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wodurch eine Anordnung realisiert wird, die sowohl einen niedrigen Leckstrom zwischen benachbarten Dünnfilmtransistoren als auch eine niedrigere Schwellenspannung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anbringen einer Schutzschicht auf der aktiven Schicht gelöst, auf der der Photolack platziert wird; und durch Strukturieren der Schutzschicht und der aktiven Schicht gemäß dem in dem Photolack definierten Muster.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit einer Schutzschicht eine Anordnung erhalten wird, in der der Leckstrom und die Schwellenspannung deutlich erniedrigt sind. Eine erste Hypothese für das Auftreten der erhöhten Schwellenspannung in den gemessenen Transistoren nach dem Stand der Technik war, dass die Leiter in dem Photolack die aktive Schicht dotierten. Dotierung in der aktiven Schicht führt nämlich zu einer erhöhten Leitfähigkeit. Dies führt seinerseits dazu, dass eine höhere Gateelektrodenspannung erforderlich ist, um die resultierende Leitfähigkeit zu unterdrücken. Die Schutzschicht in der Anordnung der Erfindung kann jedoch eine sehr dünne Schicht mit einer amorphen Struktur sein. An sich könnten die Leiter in dem Photolack einfach durch diese Schutzschicht diffundieren. Dies gilt insbesondere, wenn das Aushärten des Photolacks bei erhöhter Temperatur ausgeführt wird. Bei weiteren Schritten des Herstellungsprozesses für – insbesondere – eine Anzeigeeinrichtung werden auch höhere Temperaturen verwendet. Im Grunde genommen treten offenbar einer oder mehrere unverstandene Effekte auf. Vermutet wird, dass die Photolackmuster als zusätzliche und ungesteuerte Elektrode wirken. Weil in der erfindungsgemäßen Anordnung auf Grund des Vorhandenseins der Schutzschicht kein Kontakt mehr zwischen dieser Elektrode und der aktiven Schicht vorliegt, ist diese Elektrode nicht länger aktiv. Die Tatsache, dass die betreffende Schutzschicht sehr dünn sein kann, hat offenbar hierauf keinen Einfluss.
Um korrekten Betrieb des Transistors zu gewährleisten, ist es hier äußerst wünschenswert, dass die Schutzschicht ein elektrisch nichtleitendes Material ist; geeignete Materialien sind Halbleitermaterialien und insbesondere elektrisch isolierende Materialien. Geeignete Materialien enthalten unter anderem Polymethylmethacrylat, Polyvinylalkohol, Polyvinylphenol, Polyacrylat, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyester, Polyether, Benzocyclobuten, Polyimid, Epoxide, glasgefüllte Polymere und anorganische Dielektrika. Es ist dann vorteilhaft, dass das Schutzschichtmaterial in einem Lösungsmittel angebracht wird, in dem das Halbleitermaterial der aktiven Schicht nicht löslich oder nur wenig löslich ist. In der Praxis ist es vorteilhaft, ein Material zu wählen, das in dem Lösungsmittel des Photolacks nicht löslich ist. Weiterhin kann diese Beständigkeit gegen Auflösen im Photolack durch Aushärten des Materials nach dessen Aufbringen auf die aktive Schicht realisiert werden. Wenn dies unter dem Gesichtspunkt der Löslichkeit wünschenswert ist, kann die Schutzschicht selbstverständlich aus zwei Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Ein Vorteil des Verfahrens der Erfindung ist, dass Wärmebehandlungen für unterschiedliche Schichten in einem einzigen Aufheizschritt ausgeführt werden können. Solche Wärmbehandlungen werden beispielsweise benötigt, um ein Vorläufermaterial in das organische Halbleitermaterial umzuwandeln und um den Photolack auszuheizen.
Beispiele für geeignete organische Halbleiter enthalten Polythenylen-vinylen, Poly-3-Alkylthiophene, wie z. B. Poly-3-Pentylthiophen, Poly-3-Hexylthiophen, Poly-3-heptylthiophen; Pentacen, Phtalocyanin, Benzodithiophen, Tetracyanonaphthoquinon, Tetrakismethylanimoethylen, Oligothiophene, Polyarylamine, Polyphenylene-vinylene, Polyfuranylene-vinylene, Polypyrrol, Polyphenylen, Polyfluoren, Polyacetylen, Polyfuran, Polyanilin, funktionalisierte Buckyballs, Copolymere und Verbindungen davon, und Copolymere, in denen ein Halbleiter mit einer begrenzten konjugierten Länge integriert ist. Zusätzlich können auch substituierte Varianten dieser Polymermaterialien verwendet werden. Beispiele für Substituenten sind Alkyl- und Alkoxy-Gruppen und ringförmige Gruppen, wie z. B. Alkylendioxy-Gruppen. Solche Gruppen sind bevorzugt C₁- bis C₁₀-Alkyl, -Alkoxy oder -Alkylen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die aktive Schicht ein Gemisch aus einem Trägermaterial und dem Halbleitermaterial. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Haftung der Schutzschicht an der aktiven Schicht verbessert werden kann. In der Praxis zeigt sich, dass manche Halbleitermaterialien, insbesondere Oligomere, wie z. B. Pentacen und Oligothiophen, eine schwache Haftung aufweisen und eine schlechte mechanische Stabilität. Durch Hinzufügen einer kleinen oder größeren Menge Trägermaterial wird diese mechanische Stabilität deutlich verbessert. Das bedeutet, dass die aktiven Schichten einfacher mittels Spincoating aufgebracht werden können und dass es einfacher ist, Schichten auf diesen aktiven Schichten abzuscheiden. Eine aktive Schicht an sich ist aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung mit der Nummer PCT-IB02/03940 (PHNL010691) bekannt. Mit einer solchen Verbindung in Kombination mit der Schutzschicht kann die aktive Schicht mit solchen Oligomeren als Halbleitermaterial strukturiert werden. Bisher war es nicht leicht möglich, dies in industriell durchführbarer Weise zu realisieren. Hierbei ist wichtig, dass das Trägermaterial in dem Lösungsmittel, das für das Material in der Schutzschicht verwendet wird, nicht löslich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die aktive Schicht und die Schutzschicht mittels Trockenätzen strukturiert. Beim Trockenätzen, das auch als reaktives Ionenätzen bekannt ist, werden keine Lösungsmittel verwendet; auf diese Weise werden unerwünschte Effekte, wie z. B. Quellung, vermieden. Bei noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat eine Metallelektrodenschicht enthalten, die auch als Ätzstoppschicht dient. Das bevorzugte Metall hierfür ist ein Edelmetall wie z. B. Au oder Ag.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode für den Dünnfilmtransistor in einer ersten Elektrodenschicht definiert, bevor die aktive Schicht abgebracht wird. Zusätzlich wird eine Zwischenschicht aus dielektrischem Material angebracht, und in einer zweiten Elektrodenschicht aus elektrisch leitendem Material wird eine Gateelektrode für den Dünnfilmtransistor definiert. Auf diese Weise wird ein Dünnfilmtransistor mit einer Bottom-Gate-Struktur erhalten. Bei der alternativen Top-Gate-Struktur ist die Gateelektrode auf der Schutzschicht oder auf dem Photolack platziert. Dies ergibt die Beschränkung, dass die Schutzschicht auch zur Verwendung als Gatedielektrikum geeignet sein muss. Außerdem hat in diesem Fall die Zwischenschicht das gleiche Muster wie die Halbleiterschicht, was einen größeren Widerstand für die vertikalen Zwischenverbindungen zur Folge hat. Wenn zudem die Gateelektrode vor dem Anbringen des Photolacks platziert wird, muss eine zusätzliche Schicht aus elektrisch leitendem Material zum Füllen der vertikalen Zwischenverbindungen verwendet werden. Wenn die Gateelektrode nach dem Anbringen des Photolacks platziert wird, wird ein Zwei-Schichten-Dielektrikum erzeugt.
Das Verfahren der Erfindung kann sehr erfolgreich zum gleichzeitigen Realisieren einer großen Zahl Dünnfilmtransistoren eingesetzt werden. Es ist darüber hinaus vorteilhaft, dass die Dünnfilmtransistoren Teil einer Anzeigeeinrichtung sind, wie bereits in WO 01/15233 beschrieben. Statt einer flüssigkristallinen elektrooptischen Schicht kann da bei auch ein anderer Typ einer elektrooptischen Schicht verwendet werden, wie z. B. eine elektrophoretische Schicht.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit einem niedrigen Leckstrom und einer niedrigen Schwellenspannung. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die dem Substrat abgewandte Seite der aktiven Schicht mit einer Schutzschicht in Kontakt steht, wobei die Schichten entsprechend einem gleichen Muster strukturiert sind. Diese Struktur, die mit dem Verfahren der Erfindung erhalten werden kann, liefert das gewünschte Ergebnis.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Dünnfilmtransistor eine Bottom-Gate-Struktur; in diesem Fall liegt die zweite Elektrodenschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Substrat. Dies hat die vorstehend genannten Vorteile. Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird in dem gleichen Muster, vor dem Strukturieren, ein Photolack verwendet, der später nicht entfernt zu werden braucht. Dies scheint einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer der Dünnfilmtransistoren zu haben. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Source- und die Drainelektrode eine kammartig verzahnte Struktur (sogenannte "interdigitated" Struktur) haben. Die bevorzugte Auflösung dieser Elektroden und des dazwischen liegenden Kanals liegt in der Größenordnung von 0,5-5 μm. Vorzugsweise liegen die Dünnfilmtransistoren in großen Anzahlen vor und können in dem gewünschten Muster miteinander verbunden werden, um eine integrierte Schaltung zu bilden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Dünnfilmtransistor ein Bestandteil des ersten Anzeigeelementes und sind weitere Anzeigeelemente mit Dünnfilmtransistoren vorhanden, welche erste und weiteren Anzeigeelemente in einer Matrix angeordnet sind. In diesem Fall ist die Anordnung eine Anzeigeeinrichtung mit mehreren Anzeigeelementen – auch bekannt als Pixel. Für eine Anzeigeeinrichtung ist besonders wichtig, dass der Leckstrom zwischen benachbarten Transistoren extrem klein ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Anordnung;
2 Ergebnisse von Messungen, die an der erfindungsgemäßen Anordnung und bekannten Anordnungen ausgeführt worden sind und
3 Ergebnisse von Messungen, die an der erfindungsgemäßen Anordnung und bekannten Anordnungen ausgeführt worden sind, und in Ausführungsformen bei Verwendung anderer Materialien.
Der in 1 schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellte Dünnfilmtransistor 10 umfasst ein elektrisch isolierendes Substrat 1, auf dem sich eine Sourceelektrode 21, eine Drainelektrode 22 befinden, wobei die genannten Elektroden 21, 22 voneinander durch einen Kanal 23 getrennt und in der erste Elektrodenschicht 2 definiert sind. Zudem gibt es eine zweite Elektrodenschicht 3 auf dem Substrat 1, in der eine Gateelektrode 24 definiert ist. Bei paralleler Projektion der Gateelektrode 24 auf die erste Elektrodenschicht 2 überlappt die Gateelektrode 24 wesentlich den Kanal 23. Weiterhin gibt es eine Zwischenschicht 4 und eine aktive Schicht 5, die ein Halbleitermaterial enthält.
Die genannten Schichten 2, 3, 4, 5 befinden sich auf dem Substrat 1 in der folgenden Reihenfolge: zweite Elektrodenschicht 3, Zwischenschicht 4, erste Elektrodenschicht 2 und aktive Schicht 5. Um das Substrat zu planarisieren, gibt es eine – nicht abgebildete – isolierende Planarisierungsschicht aus Polyvinylalkohol. Die zweite Elektrodenschicht 3 enthält Au und ist in bekannter Weise mit Hilfe eines belichteten und enwickelten lichtempfindlichen Lacks so, wie gefordert, strukturiert. Zwischen der zweiten Elektrodenschicht 3 und der Zwischenschicht 4 kann eine – nicht abgebildete – Mono-Schicht von CH₃-(CH₂)15-SH angebracht werden, um die Bildung von Pinholes in der Zwischenschicht 4 zu verhindern. Die Zwischenschicht 4 enthält ein photoaktives organisches Dielektrikum, wie z. B. Benzocyclobuten, Polyimid, Polyvinylphenol oder einen Photolack, in diesem Fall den Photolack HPR504. Die erste Elektrodenschicht 2 enthält in diesem Fall Gold. Die erste Elektrodenschicht 2 wird mittels Aufdampfen aufgebracht und photolithographisch in bekannter Weise strukturiert. Auf der ersten Elektrodenschicht 2 wird die aktive Schicht 5 aus Poly-3-Hexylthiophen mit einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Zumindest ein Abschnitt der Halbleiterschicht 5 befindet sich im Kanal 23.
Erfindungsgemäß gibt es eine Schutzschicht 6 auf der aktiven Schicht 5, welche Schutzschicht in diesem Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA) enthält und 40 nm dick ist. Wenn die aktive Schicht durch Schleudern in Chloroform angebracht ist, wird Ethylmethylketon als Lösungsmittel für die Schutzschicht verwendet. Auf die Schutzschicht wird ein Photolack 7, in diesem Fall CK6020L, mittels Spincoating aufgebracht. Dieser wird in einer Safe-Solvent-Version geliefert. Nach Belichtung des Photolacks 7 mit Hilfe von UV Strahlung (λ = 365 nm) wird der Photolack bei 90°C getrocknet. Nach einem Trocknungsschritt bei 120°C mit einer Dauer von 1 Minute werden die Schutzschicht 6 und die aktive Schicht 5 mit Hilfe von reaktivem Ionenätzen strukturiert. Hierbei dient die erste Elektrodenschicht 2 als Ätzstoppschicht.
2 zeigt eine graphische Darstellung, in der der Strom I_d (in A) zwischen der Source und der Gateelektrode 21, 22 als Funktion der Spannung an der Gateelektrode 24 aufgetragen ist. Wegen des p-Charakters des organischen Halbleitermaterials fließt Strom, wenn negative Spannungen an die Gateelektrode angelegt werden. In anderen Ausführungsbeispielen können auch ein n-Halbleitermaterial oder eine aktive Schicht mit n- und p-Eigenschaften verwendet werden, wie in der nicht vorveröffentlichen Anmeldung EP03100177.9 (PHNL030112) beschrieben wird. Die ausgezogene Linie zeigt die ursprünglichen Kennlinien, die unterste punktierte Linie zeigt das Ergebnis ohne Schutzschicht 6, während die oberste punktierte Linie das Ergebnis mit Schutzschicht 6 zeigt.
3 zeigt die gleiche graphische Darstellung wie 2, aber für andere Materialien. In diesem Fall wurde Pentacen als Halbleitermaterial verwendet. Ein Vorläufermaterial hiervon (mit einer Tetrachlorcyclohexadin-Bindung als Austrittsgruppe) wurde als aktive Schicht angebracht, mit Polystyrol als Trägermaterial. Dies wurde danach bei 200°C in Pentacen umgewandelt. Als Schutzschicht wurde das im Handel erhältliche Material Zeonex durch Schleudern angebracht, mit Cyclohexan als Lösungsmittel. HPR504 wurde als Photolack verwendet. Das Trägermaterial war hier in einer Menge von 1 Gewichtsprozent enthalten. Das verwendete Lösungsmittel war Dichlormethan. Die ausgezogene Linie zeigt die ursprünglichen Kennlinien ohne Strukturierung und ohne obere Schichten. Die am meisten rechts liegende punktierte Linie in der graphischen Darstellung zeigt das Ergebnis, wenn keine Schutzschicht 6 verwendet wird. Die andere punktierte Linie zeigt das Ergebnis, wenn die aktive Schicht strukturiert ist.
Inschrift der Zeichnung
3

Gate voltage – Gatespannung
initial – anfänglich
standard litho – standard litho

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Anordnung, die einen Dünnfilmtransistor mit einer aktiven Schicht umfasst, die ein organisches Halbleitermaterial enthält, wobei das genannte Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Anbringen der aktiven Schicht mit dem organischen Halbleitermaterial oder einem Vorläufermaterial davon auf dem Substrat; – Anbringen der Schutzschicht auf der aktiven Schicht, – Anbringen, Belichten und Entwickeln eines Photolacks, – Strukturieren der Schutzschicht und der aktiven Schicht gemäß dem Muster in dem Photolack.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht eine Verbindung aus einem Trägermaterial und dem organischen Halbleitermaterial enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Halbleitermaterial Pentacen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht und die aktive Schicht mittels Trockenätzen in einem einzigen Schritt strukturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat eine Metallelektrodenschicht gibt, die als Ätzstoppschicht dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anbringen der aktiven Schicht die folgenden Schritte ausgeführt werden: – Definieren einer Sourceelektrode und einer Drainelektrode für den Dünnfilmtransistor in einer ersten Elektrodenschicht; – Anbringen einer Zwischenschicht aus dielektrischem Material; und – Definieren einer Gateelektrode des Dünnfilmtransistors in einer zweiten Elektrodenschicht aus elektrisch leitendem Material.
Elektronische Anordnung, umfassend einen Dünnfilmtransistor mit einer Sourceelektrode und einer Drainelektrode, die voneinander durch einen Kanal getrennt sind, und einer Gateelektrode, die mit Hilfe von dielektrischem Material vom Kanal getrennt ist, wobei die Anordnung ein Substrat aufweist, auf dessen einer Seite sich befinden: – eine aktive Schicht, die ein organisches Halbleitermaterial umfasst und in der sich der Kanal befindet; – eine erste Elektrodenschicht, in der die Sourceelektrode und die Drainelektrode definiert sind; – eine Zwischenschicht aus dielektrischem Material, und – eine zweite Elektrodenschicht, in der die Gateelektrode definiert ist, wobei die Gateelektrode bei senkrechter Projektion auf die erste Elektrodenschicht den Kanal wesentlich überlappt, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Substrat abgewandte Seite der aktiven Schicht mit einer Schutzschicht in Kontakt steht, wobei die Schichten entsprechend einem gleichen Muster strukturiert sind.
Elektronische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht ein Trägermaterial und die Schutzschicht ein organisches Material enthält, wobei sich das Trägermaterial und das organische Material voneinander unterscheiden.
Elektronische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenschicht zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenschicht liegt.
Elektronische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: der Dünnfilmtransistor ein Bestandteil eines ersten Anzeigeelementes ist; und weitere Anzeigeelemente mit Dünnfilmtransistoren vorhanden sind, welche erste und weiteren Anzeigeelemente in einer Matrix angeordnet sind.