TW202105783A - 有機半導體電晶體 - Google Patents

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瑞貝卡 威爾考克斯
伊莉莎白 史畢區里
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Abstract

一種方法，其包含以下步驟：形成導體層與介電層相接觸；使用酸性圖案化劑圖案化所述導體層，以於工件的表面形成用於一或多個電晶體的源極-漏極導體圖案；及在所述工件的表面上方形成有機半導體層，以提供用於所述一或多個電晶體的一或多個半導體通道；其中所述方法進一步包含以下步驟：在形成所述導體層之前，使用鹼性劑處理所述介電層。

Description

有機半導體電晶體
發明領域
本發明涉及一種有機半導體電晶體。
發明背景
在塑膠支撐薄膜上將有機半導體材料用於半導體通道的電晶體的生產越發受到關注，例如用於諸如顯示器和感測器裝置的電子裝置的大量生產。
本申請的發明人已圍繞提高在塑膠支撐薄膜上的此類電晶體的生產進行研究，且已獲得一些驚人成果。
發明概要
本發明提供一種方法，其包含以下步驟：形成導體層與介電層相接觸；使用酸性圖案化劑圖案化所述導體層，以於工件的表面形成用於一或多個電晶體的源極-漏極導體圖案；及在所述工件的表面上方形成有機半導體層，以提供用於所述一或多個電晶體的一或多個半導體通道；其中所述方法進一步包含以下步驟：在形成所述導體層之前，使用鹼性劑處理所述介電層 。
依據一實施例，使用鹼性劑處理所述介電層的步驟形成圖案化所述介電層的製程的部分。
依據一實施例，所述導體層是導體層堆疊的底層，且所述圖案化的步驟包含圖案化所述導體層堆疊。
依據一實施例，所述介電層包含非交聯有機聚合物材料。
依據一實施例，所述鹼性劑包含有機堿。
依據一實施例，所述鹼性劑包含強鹼。
依據一實施例，所述方法進一步包含以下步驟：在一支撐薄膜組件的一硬覆層上原位形成所述介電層。
本文還提供一種裝置，包含：定義一或多個電晶體裝置的層堆疊，其中所述層堆疊包括：提供用於所述一或多個電晶體裝置的半導體通道的有機半導體層；提供用於所述一或多個電晶體裝置的源極和漏極導體的導體層；及位於所述有機半導體層兩側上的非交聯有機聚合物介電層，其中所述非交聯有機聚合物介電層中的一者在所述有機半導體層的一側上與所述源極和漏極導體相接觸；且所述非交聯有機聚合物介電層中的一者在至少所述半導體通道的區域中在所述有機半導體層的相對側上與所述有機半導體層相接觸。
依據一實施例，所述非交聯有機聚合物介電層具有相同的成分。
依據一實施例，所述一或多個電晶體裝置包含一或多個頂柵極電晶體裝置。
依據一實施例，進一步包含塑膠支撐薄膜，及位於所述塑膠支撐薄膜和所述有機半導體層下方的所述非交聯有機聚合物介電層之間的硬覆層。
本文還提供一種方法，其包含以下步驟：形成定義一或多個電晶體裝置的層堆疊，其中所述層堆疊包含提供用於所述一或多個電晶體裝置的半導體通道的有機聚合物半導體；其中形成所述層堆疊包含以下步驟：在基體上形成第一非交聯有機聚合物介電層；在不使所述第一非交聯聚合物介電層經受任何交聯處理的情況下，形成源極-漏極導體圖案與所述第一非交聯聚合物介電層的上表面相接觸；至少於所述半導體通道的區域中在所述非交聯有機聚合物介電層的所述上表面上方形成所述有機聚合物半導體層；及形成第二非交聯有機聚合物介電層，其至少於所述半導體通道的區域中與所述有機半導體層的所述上表面相接觸。
依據一實施例，所述第一和第二非交聯有機聚合物介電層具有相同的成分。
依據一實施例，所述方法進一步包含以下步驟：在支撐薄膜組件的硬覆層上原位形成所述第一非交聯聚合物介電層。
具體實施方式
在一示範性實施例中，有機電晶體裝置可以是形成用於例如有機液晶顯示器(OLCD)裝置的控制組件的有機薄膜電晶體(OTFT)裝置。OTFT包含用於半導體通道的有機半導體（諸如，例如有機聚合物或小分子半導體）。
下文詳細描述提及具體製程細節（具體材料等），這些對於實現下文所述技術效果而言並非必需。這些具體製程細節僅是以範例的方式被提及，且於本申請的總體教導範圍內，可替代性地使用其他具體材料、處理條件等。
參閱圖1，對工件W的處理開始於在塑膠薄膜支撐組件2的硬覆層表面(hard coat surface)（例如，諸如稱為SU-8的環氧基聚合物(epoxy-based polymer)的交聯聚合物層的表面）上原位(in situ)形成一層非交聯有機聚合物介電材料4。塑膠支撐薄膜組件2包含至少一塑膠支撐薄膜及所提到的頂部硬覆層，且可附加地包含位於塑膠支撐薄膜和硬覆層之間的一或多層，諸如遮蔽電晶體的有機半導體通道以抵擋透過透明的塑膠支撐薄膜的光入射的圖案化導體層。在此範例中，非交聯有機聚合物材料包含可從Merck Performance Materials GmbH獲得的lisicon®-D320，其具有相對低的介電常數(k)，且該層非交聯聚合物介電材料4通過諸如旋轉塗覆(spin-coating)等液體處理技術形成，隨後以大約90℃烘烤。接著，在工件W新的上表面上原位形成一層光阻材料6。在此範例中，所述光阻材料是可從Microchemicals GmbH獲得的正型光阻(positive photoresist)材料AZ® TFP 650 F5，且該層光阻材料6通過諸如旋轉塗覆的液體處理技術形成，隨後在光阻層6的整個區域上方烘烤以降低所述光阻材料的可溶性（在下文所提到的顯影劑中的可溶性）。接著，立即或在諸如烘烤的進一步處理之後，在導致光阻材料的可溶性（在下文所提到的顯影劑中的可溶性）增加的輻射頻率下，將光阻層6暴露於非交聯聚合物介電層4所希望的圖案的負型輻射影像。光阻層6對於所述負型輻射影像的暴露借由使用光罩8來實現，所述光罩8在生產技術中稍後再一次用以圖案化有機半導體層14。
參閱圖2，光阻層6中潛隱的可溶性影像接著借由將工件W的上表面暴露於鹼性顯影劑而顯影，以產生圖案化的光阻遮罩6a。在此範例中，鹼性顯影劑是四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide (TMAH))水溶液。TMAH是在水溶液中完全解離(dissociate)的強有機堿。
參閱圖3，工件W的上表面暴露於蝕刻非交聯聚合物介電層4的反應式離子蝕刻(RIE)等離子體。圖案化的光阻遮罩6a起到使非交聯聚合物介電層4能夠圖案化的作用。塑膠支撐薄膜組件2未被光阻遮罩6a遮蓋的區域被暴露，而被光阻遮罩6a遮蓋的區域中的非交聯聚合物介電層4的厚度實質上無任何減少。在此範例中，非交聯聚合物介電層4的圖案化產生包含島體陣列的圖案，各島體位於各自電晶體的半導體通道的區域中。所述圖案化也暴露電晶體陣列外的週邊區域中的硬覆層表面，包括源極-漏極導體圖案的定址/路由導體將要最接近地相鄰於彼此的區域，諸如定址/路由導體在此區域中要通過細間距鍵合(fine pitch bonding)被電連接至包括一或多個驅動晶片的分離組件（例如撓性板上晶片(chip-on-flex (COF)) 組件）的各自的導體。硬覆層和源極-漏極導體圖案之間的黏合優於非交聯聚合物介電層4和源極-漏極導體圖案之間的黏合。
參閱圖4，此後，工件W的上表面在導致光阻材料6a的可溶性降低的輻射頻率下被暴露於輻射（立即或在諸如烘烤的進一步處理之後），隨後借由上文所提到的鹼性顯影劑處理工件W的上表面，以移除剩餘的光阻材料6a，且留下圖案化的非交聯聚合物介電層4a在工件W的上表面。
參閱圖5，此後，導體層堆疊10被原位形成在工件W的上表面。在此範例中，導體層堆疊10包含與塑膠支撐薄膜組件2和圖案化的非交聯聚合物介電層4a接觸的一層鉬鉭(MoTa)合金；及在MoTa層上方的一層化學惰性較強的金屬諸如例如金。MoTa層的作用在於改良化學惰性較強的金層與塑膠支撐薄膜組件2和圖案化的非交聯聚合物介電層4a的黏合。此後，另一層光阻12通過諸如例如旋轉塗覆的液體處理技術由溶液在工件W的新的上表面上被原位形成，並在光阻層12的整個區域上方烘烤以降低所述光阻材料的可溶性（在下文所提到的顯影劑中的可溶性）。此後，立即或在諸如烘烤的後處理(post-treatment)之後，在導致光阻材料在下文所提到的顯影劑中的可溶性增加的輻射頻率下，使光阻層12暴露於所希望的用於電晶體的源極-漏極導體圖案的負型輻射影像（使用光罩14）。
參閱圖6，使用鹼性顯影劑使光阻層12中潛隱的可溶性影像顯影，以在光阻層12中產生相應於所希望的源極-漏極導體圖案的圖案。
參閱圖7，此後，工件 W的上表面被暴露於用於蝕刻導體層堆疊的一或更多的蝕刻劑。圖案化的光阻遮罩12a起到使導體層堆疊10能夠圖案化的作用。塑膠支撐薄膜組件2和非交聯聚合物介電層4a未被光阻遮罩12a遮蓋的區域被暴露，而被光阻遮罩12a遮蓋的區域中的導體層堆疊10的厚度實質上無任何減少。用於蝕刻至少與非交聯聚合物介電層4a接觸的導體層（例如MoTa層）的蝕刻劑是酸性蝕刻劑，諸如例如磷酸水溶液。
為簡單起見，雖然圖7僅顯示形成定義電晶體的半導體通道的通道長度的源極-漏極電極的源極-漏極導體圖案的部分，但源極-漏極導體圖案可包含附加的部分，諸如自非交聯聚合物介電圖案4a的邊緣上方電極部分延伸至工件電晶體陣列外的週邊部分的定址/路由線。對於形成用於例如LCD裝置的有源矩陣定址電路的電晶體的範例而言，源極-漏極導體圖案可包含(i)源極導體陣列，其各為各自的電晶體行提供源極電極10a，且各延伸至有源顯示區域外的區域；及(ii)漏極導體陣列，其各為各自的電晶體提供漏極導體10b。
參閱圖8，此後，剩餘的光阻材料通過以下步驟被移除：立即或在諸如烘烤的後處理之後，在導致剩餘的光阻材料的可溶性（在下文所提到的顯影劑中的可溶性）增加的輻射頻率下，使工件W的上表面暴露於輻射，及此後，將工件W的上表面暴露於鹼性顯影劑。
此後，選擇性地鍵合（例如，硫金鍵 (gold-thiol bond)或硫銀鍵 (silver-thiol bond) ，如果源極-漏極導體圖案具有金或銀上表面的話）於源極-漏極導體圖案（在源極/漏極導體堆疊已經通過上文所描述的圖案化被移除了的區域中實質上無任何鍵合於工件上）的有機電荷-注入材料（未顯示）通過例如旋轉塗覆由溶液沉積於工件W的上表面上，以選擇性地在源極/漏極導體圖案10a的暴露表面上形成有機注入材料的自組裝單層(self-assembled monolayer (SAM))。此SAM進一步利於源極-漏極導體與有機半導體材料14之間電荷載子的轉移，如下文所述。
參閱圖9，此後，通過諸如例如旋轉塗覆的液體處理技術，一層有機聚合物半導體材料14被原位形成在工件W的上表面上（其在例如通道區域中實體地接觸非交聯聚合物介電材料4a，且其在源極-漏極導體圖案10上實體地接觸電荷-注入SAM），且通過諸如例如旋轉塗覆的液體處理技術，一層非交聯聚合物介電材料16被形成在有機半導體層14的上表面上。在此範例中，位於有機聚合物半導體14上方和下方的非交聯聚合物介電層4、16包含具有相對低介電常數(k)的相同的聚合物材料。
參閱圖10，此後，通過諸如例如旋轉塗覆的液體處理技術，一層正型光阻材料18被原位形成在工件W的上表面上，隨後借由烘烤以降低光阻材料在下文所提到的顯影劑中的可溶性。此後，立即或在諸如烘烤的後處理之後，在導致光阻材料的可溶性（在下文所提到的顯影劑中的可溶性）增加的輻射頻率下，使工件W的上表面暴露於有機半導體和上低k介電層14、16所希望的圖案的負型輻射影像。
參閱圖11，光阻層18中潛隱的可溶性圖像通過將工件W的新的上表面暴露於顯影劑而顯影，以在光阻層18中產生相應於所希望的有機半導體和低k介電層14、16。
參閱圖12，此後，工件W的上表面被暴露於蝕刻有機半導體和低k介電層14、16的反應式離子蝕刻(RIE)等離子體。圖案化的光阻遮罩18a起到使有機半導體和低k介電層14、16能夠圖案化的作用；未被光阻遮罩18a遮蓋的區域中的有機半導體和低k介電層14、16的全部厚度被移除，而被光阻遮罩18a遮蓋的區域中的有機半導體和低k介電層14、16的厚度實質上無任何減少。
參閱圖13，此後，立即或在諸如烘烤的後處理之後，在導致剩餘的光阻材料18a的可溶性（在顯影劑中的可溶性）降低的輻射頻率下，使工件W的上表面暴露於輻射，隨後借由上文所提到的顯影劑處理工件W的上表面，以移除剩餘的光阻材料。
在此範例中，用於圖案化此光阻層18的光罩8與用於圖案化光阻層6（用於圖案化非交聯聚合物介電層4）的光罩8是相同的；且光罩8相對於塑膠支撐薄膜組件2的對齊在這兩個階段是相同的，借此，在有機半導體和低k介電層14、16中所產生的圖案既是(i)實質上與非交聯介電層4中的圖案相同，又是(ii)實質上與非交聯聚合物介電層4中的圖案對齊。
參考圖14，此後，通過諸如例如旋轉塗覆的液體處理技術，另一層有機聚合物介電材料20被原位形成在工件W的新的上表面上。該另一層有機聚合物介電材料20具有相較於與有機半導體14實體接觸的該層有機聚合物介電材料16而言較高介電常數(k)。此後柵極導體圖案22被原位形成在該另一層有機聚合物介電材料20的上表面上。在此範例中，通過諸如濺鍍的氣相沉積技術一金屬層（或金屬層堆疊）被原位形成於上介電材料20的上表面上，且通過光刻(photolithographic)技術被圖案化。對於形成用於例如LCD裝置的有源矩陣定址電路的電晶體的範例而言，柵極導體圖案22可包含柵極導體陣列，其各為各自的電晶體列提供柵極電極，且各延伸到有源顯示區域外的區域。有源矩陣陣列中的各電晶體與柵極和源極導體的各自的唯一的組合相關聯，借此，各電晶體可經由柵極和源極導體的位於有源顯示區域外的部分而被獨立地定址。
在研究於頂柵極(top-gate)電晶體裝置中在源極-漏極導體圖案下面引入圖案化非交聯有機聚合物介電層4的效果的過程中，本申請的發明人獲得如下驚人結果。在源極-漏極導體圖案下面實施使用非交聯聚合物介電層不僅對於電晶體的轉移曲線沒有產生劣化（相比於在源極-漏極導體圖案下使用交聯聚合物介電層而言），而且觀察到轉移曲線得到改善。此外，觀察到此改善與圖案化所述非交聯聚合物介電層的製程有關。圖15顯示針對(i)按上文所詳述生產的電晶體裝置（圖15中實線）和(ii)除省略了圖案化非交聯聚合物介電層4以外以相同的製程生產的電晶體裝置（圖15中虛線）的轉移曲線的比較測量的結果。圖16顯示針對(ii)按上文所描述只是未圖案化非交聯聚合物介電層所生產的電晶體裝置（圖16中標註D320列）和(iii)按上文所描述只是其中源極-漏極導體圖案改為形成在一未經圖案化的交聯環氧基聚合物介電層的上表面上所生產的電晶體裝置（圖16中標註SU-8列）的轉移曲線的比較測量的結果。不希望被理論所限，本申請的發明人將轉移曲線的改善歸因於遺留在圖案化非交聯聚合物層4中的鹼性物種(alkaline species)（來自用以移除光阻圖案6a的鹼性顯影劑）。相信在這些殘餘的鹼性物種與來自用以圖案化源極-漏極導體圖案的酸性蝕刻劑的酸性物種之間的一些相互作用是轉移曲線改善的背後原因。更詳細而言，相信非交聯聚合物介電層4中鹼性物種的殘留起到了更好地防止於非交聯聚合物介電層4中產生酸性物種殘留（來自圖案化源極-漏極導體圖案所使用的酸性蝕刻劑的）的的作用，且相信非交聯聚合物介電層4中酸性物種的減少或消除是電晶體轉移曲線改善的背後原因。
如上文所提到的，所述鹼性劑是強有機堿的水溶液，TMAH。其他鹼性劑可被使用，包括非有機和有機強鹼，其在水溶液中完全解離。
如上文所提到的，雖然依據本發明之技術的範例已參考具體製程細節在上文中詳細地予以描述，但本技術可更廣泛地適用於本申請的總體教導中。此外，且依據本發明的總體教導，依據本發明的技術可包括上文未描述的附加的製程步驟，和/或省略上文所描述的一些製程步驟。
除了以上明確提及的任何修改，對於所述領域技術人員明顯的是所述實施例的多種其他修改可在本發明的範圍內作成。
申請人特此獨立揭露本文所述的各個個別特徵及二或更多此等特徵的任何組合，其揭露至此等特徵或組合能夠基於本案說明書整體內容並依據所述領域技術人員的共同一般知識來實施的程度，而不論此等特徵或特徵組合是否解決本文所揭露的任何問題，且對申請專利範圍的範圍不造成限制。申請人指出本發明之態樣可由任何此種個別特徵或特徵組合組成。
2:塑膠薄膜支撐組件 4, 4a, , 16:非交聯(有機)聚合物介電材料、介電層 6:光阻材料 6a:光阻遮罩 8:光罩 10:導體層堆疊 10a:源極電極 10b:漏極導體 12:光阻層 12a:光阻遮罩 14:光罩、有機半導體材料、介電層 18:正型光阻材料 18:光阻層 18a:光阻遮罩 18a:光阻材料 20:有機聚合物介電材料 22:柵極導體圖案 W:鹼性顯影劑處理工件
以下僅以範例的方式參照附圖詳細描述本發明的實施例，其中： 圖1至圖14繪示用於在塑膠支撐薄膜組件上生產一或多個電晶體的技術的範例； 圖15和圖16顯示借由依據本發明的實施例的技術所生產的裝置對照借由參照技術所生產的裝置的轉移曲線的比較圖。
2:塑膠薄膜支撐組件
4a:非交聯聚合物介電層
10a:源極電極
10b:漏極導體
14:有機半導體材料
16:非交聯聚合物介電材料
20:有機聚合物介電材料
22:柵極導體圖案
W:鹼性顯影劑處理工件

Claims (14)

  1. 一種方法，其包含以下步驟：形成導體層與介電層相接觸；使用酸性圖案化劑圖案化所述導體層，以於工件的表面形成用於一或多個電晶體的源極-漏極導體圖案；及在所述工件的表面上方形成有機半導體層，以提供用於所述一或多個電晶體的一或多個半導體通道；其中所述方法進一步包含以下步驟：在形成所述導體層之前，使用鹼性劑處理所述介電層。
  2. 如請求項1所述的方法，其中使用鹼性劑處理所述介電層的步驟形成圖案化所述介電層的製程的部分。
  3. 如請求項1或2所述的方法，其中所述導體層是導體層堆疊的底層，且所述圖案化的步驟包含圖案化所述導體層堆疊。
  4. 如請求項1至3中任一項所述的方法，其中所述介電層包含非交聯有機聚合物材料。
  5. 如請求項1至4中任一項所述的方法，其中所述鹼性劑包含有機堿。
  6. 如請求項1至5中任一項所述的方法，其包所述鹼性劑包含強鹼。
  7. 如請求項1至6中任一項所述的方法，其中進一步包含以下步驟：在一支撐薄膜組件的一硬覆層上原位形成所述介電層。
  8. 一種裝置，包含：定義一或多個電晶體裝置的層堆疊，其中所述層堆疊包括：提供用於所述一或多個電晶體裝置的半導體通道的有機半導體層；提供用於所述一或多個電晶體裝置的源極和漏極導體的導體層；及位於所述有機半導體層兩側上的非交聯有機聚合物介電層，其中所述非交聯有機聚合物介電層中的一者在所述有機半導體層的一側上與所述源極和漏極導體相接觸；且所述非交聯有機聚合物介電層中的一者在至少所述半導體通道的區域中在所述有機半導體層的相對側上與所述有機半導體層相接觸。
  9. 如請求項8所述的裝置，其中所述非交聯有機聚合物介電層具有相同的成分。
  10. 如請求項8或9所述的裝置，其中所述一或多個電晶體裝置包含一或多個頂柵極電晶體裝置。
  11. 如請求項8至10中任一項所述的裝置，進一步包含塑膠支撐薄膜，及位於所述塑膠支撐薄膜和所述有機半導體層下方的所述非交聯有機聚合物介電層之間的硬覆層。
  12. 一種方法，其包含以下步驟：形成定義一或多個電晶體裝置的層堆疊，其中所述層堆疊包含提供用於所述一或多個電晶體裝置的半導體通道的有機聚合物半導體；其中形成所述層堆疊包含以下步驟：在基體上形成第一非交聯有機聚合物介電層；在不使所述第一非交聯聚合物介電層經受任何交聯處理的情況下，形成源極-漏極導體圖案與所述第一非交聯聚合物介電層的上表面相接觸；至少於所述半導體通道的區域中在所述非交聯有機聚合物介電層的所述上表面上方形成所述有機聚合物半導體層；及形成第二非交聯有機聚合物介電層，其至少於所述半導體通道的區域中與所述有機半導體層的所述上表面相接觸。
  13. 如請求項12所述的方法，其中所述第一和第二非交聯有機聚合物介電層具有相同的成分。
  14. 如請求項12或13所述的方法，進一步包含以下步驟：在支撐薄膜組件的硬覆層上原位形成所述第一非交聯聚合物介電層。
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