TWI384665B - 有機半導體元件保護層結構及其製造方法 - Google Patents

有機半導體元件保護層結構及其製造方法 Download PDF

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有機半導體元件保護層結構及其製造方法
本發明係關於一種有機半導體元件及其製造方法；特別是有關於一種有機半導體元件保護層結構及其製造方法。
有機發光二極體元件及有機半導體元件中的通道區有機材料例如並五苯(pentacene)對於環境中的水、氧較為敏感，使得該等元件放置在大氣下其元件特性如移動性(mobility)、起始電壓等均會隨著外界溫度、濕度及擺放的時間而改變。為了保持元件特性通常增加一保護層或鈍化層(passivation layer)覆蓋該元件。參第三圖，係一已知具有保護層結構的底閘極有機薄膜電晶體結構截面示意圖，係先在該底閘極有機薄膜電晶體30的並五苯通道區301上方形成一水溶性聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，簡稱PVA)保護層302，再搭配形成一層感光性有機材料保護層例如重鉻酸鹽聚乙烯醇(Dichromated Polyvinyl Alcohol,DCPVA)保護層303於該水溶性聚乙烯醇保護層302上方，接著再進行圖案化製程，以形成該保護層結構。另一種已知作法係將水溶性聚乙烯醇及重鉻酸鹽聚乙烯醇混合，進行一次製程，形成一保護層於該底閘極有機薄膜電晶體的並五苯通道區301上方。然而該水溶性聚乙烯醇保護層302對於水氣的阻抗能力不佳，並且該水溶性聚乙烯醇保護層302或該重鉻酸鹽聚乙烯醇(Dichromated Polyvinyl Alcohol,DCPVA)保護層303塗佈在該底閘極有機薄膜電晶體30上方後，該水溶性聚乙烯醇溶液或重鉻酸鹽聚乙烯醇(Dichromated Polyvinyl Alcohol,DCPVA)溶液均會對該底閘極有機薄膜電晶體30的並五苯通道區301材料特性產生一定程度的衰減。再者，由於前述保護層製程為溶液製程，在膜厚度控制上會較差，膜厚太薄則無明顯阻障及保護效果。此外，由於電漿會直接破壞該底閘極有機薄膜電晶體30的並五苯通道區301，所以濺鍍或電漿輔助化學氣相沈積製程亦無法應用於該保護層結構的製作。
本發明提供的一種有機半導體元件保護層結構係包括至少一無機保護層及至少一感光性材料保護層；其中該無機保護層係形成於該有機半導體元件上方，而該感光性材料保護層係形成於該無機保護層上方。
本發明另一方面提供一種有機半導體元件保護層之製造方法，係包括提供一有機半導體元件，形成一圖案化無機保護層於該有機半導體元件上方，及形成一圖案化感光性材料保護層於該無機保護層上方。
本發明提供一種有機半導體元件保護層結構及其製造方法，係先在該有機半導體元件上方形成一層或一層以上水、氧阻隔率優於有機材料的無機保護層。該無機保護層的總厚度可以隨製程需求任意改變，以降低該無機保護層的應力，接著再搭配一有機薄膜層，以形成一複合保護層覆蓋該有機半導體元件。本發明方法係在第一階段製程先形成該無機保護層於該有機半導體元件上方，係可利用熱蒸鍍或電子束方式成長該無機保護層，而可以控制基板 溫度在50℃以下，因此不會因為高溫造成元件特性的損害。此外，藉由該無機保護層可有效阻隔後續形成該有機薄膜層時有機溶液接觸該有機半導體元件，進而可避免有機溶液對於元件特性產生損害。
換言之，本發明提供的一種有機半導體元件保護層結構及其製造方法，係可有效保護該有機半導體元件於其保護層製程中其特性不受到影響。本發明提供一種有機半導體元件的複合保護層結構，係可有效地長時間保護該有機半導體元件的使用特性。
較佳地，本發明前述無機保護層厚度係可隨需要調整，以使該無機保護層具有低應力或低壓應力。
較佳地，本發明可採分段蒸鍍的方式形成一層以上的該無機保護層，以有效彌補該無機保護層製程中造成的孔洞(pinholes)，以進一步提高該無機保護層的水、氧阻阻隔力。
本發明提供的有機半導體元件保護層結構及其製造方法將藉由以下具體實施例配合所附圖式，予以詳細說明如下：第一A圖至第一D圖係本發明有機半導體元件保護層結構製造方法的第一具體實施例的各製程階段所對應的一有機半導體元件結構截面示意圖。在第一具體實施例中，係以一底閘極有機薄膜電晶體10為例，首先參第一A圖，該底閘極有機薄膜電晶體10包括一基板100、一底閘極101形成於該基板100上方、一絕緣層102形成於該底閘極101上方、一對汲極103a/源極103b形成於該絕緣層102上方，及一有機材料通道層104例如並五苯(pentacence)通道層形成於該對汲極103a/源極103b上方。該絕緣層102 位於該底閘極101與該對汲極103a/源極103b之間的部份區域係供做該底閘極有機薄膜電晶體10的閘極絕緣層。該底閘極有機薄膜電晶體10的基板100可以是玻璃基板、金屬基板(metal foil)、塑膠基板或晶圓。接著，參第一B圖，利用熱蒸鍍或電子束(e－beam)方法搭配一金屬遮罩105，以形成一圖案化的無機保護層106覆蓋該並五苯(pentacence)通道層104及部份該對汲極103a/源極103b等，以使部份的該對汲極103a/源極103b被曝露出來。在第一B圖中雖僅例示出該無機保護層106為單層結構，但本發明無機保護層106結構並不受限於此。該無機保護層106可以單層材料單次成長、單層材料多次成長、多種材料單次成長或多層材料多次成長方式形成。再者，該無機保護層106材料可以是氧化物、氮化物或碳化物，其中該氧化物可包含氧化矽(SiOx )、氧化鋁(AlOx )、氧化鈦(TiOx )或氧化錫(SnOx )；該氮化物可包含氮化矽(SiNx )、氮化鋁(AlNx )、氮化硼(BNx )或氮化碳(CNx )；而該碳化物可包含碳化矽(SiC)或碳化鈦(TiC)。該無機保護層106材料亦可以是多元材料例如氮氧鋁矽(SiAlON)、氮氧化鋁(AlON)、氮碳化矽(SiCN)、碳氧化矽(SiOC)、氮氧化矽(SiON)或氮氧鋁鈦矽(SiTiAlON)。該無機保護層106的膜厚係可依需要調整厚度，以調節該無機保護層106的薄膜應力達到低應力或低壓應力的需求。
參第一C圖，接著形成一感光性材料保護層107覆蓋該無機保護層106。圖中雖然例示該感光性材料保護層107為單層結構，但本發明該感光性材料保護層107並不受限於此。該感光性材料保護層107可以是單層有機材料、單層有機混合材料、單層有機無機混合材料或有機無機多層 結構。例如，該感光性材料保護層107所使用的有機材料可以是聚乙烯醇(PVA)系列、壓克力系列、聚亞醯胺(polyimide，PI)系列或其他有機感光材料或有機無機混合感光材料。該感光性材料保護層107可以旋塗(spin coating)或狹縫塗佈(slit－coating)方式形成於該無機保護層106上方。該感光性材料保護層107亦可以乾膜轉印方式形成於該無機保護層106上方，而前述乾膜材料可以是有機材料、有機無機材料混合或有機無機多層結構。參第一D圖，接著對該感光性材料保護層107進行圖案化製程，以曝露出部份的該對汲極103a/源極103b，以供後續製作電極接觸於該對汲極103a/源極103b上方。前述圖案化製程可以微影製程結合濕蝕刻製程來達成，或者經光罩曝光後進行乾蝕刻製程來達成，或者可使用具感光性的乾膜做為該感光性材料保護層107，經過光罩曝光後，直接以乾蝕刻方式部份去除，達到全乾式製程。
在本發明第一具體實施例中，第一段製程係為該無機保護層106的成長，由於可利用熱蒸鍍或電子束的方式成長該無機保護層106，該基板100的溫度可以控制在50℃以下，因此不會因為高溫產生熱能造成元件特性的損傷。此外，藉由先形成該無機保護層106於該底閘極有機薄膜電晶體10上方，可有效阻隔後續該感光性材料保護層107製程中有機溶液接觸該底閘極有機薄膜電晶體10的有機材料通道層104，進而可避免該有機材料通道層104的特性於該感光性材料保護層107製程中受到破壞。
由於該無機保護層106的水、氧阻隔率遠優於有機材料，藉本發明提供的該無機保護層106/該感光性材料保護層107組成的複合保護層結構可有效地長時間保護一有機 半導體元件的使用特性。
第二A圖至第二E圖係本發明有機半導體元件保護層結構製造方法的第二具體實施例的各製程階段所對應的一有機半導體元件結構截面示意圖。在第二具體實施例中，亦以該底閘極有機薄膜電晶體10為例，並且第二具體實施例與第一具體實施例製程步驟差異處僅在於在該無機保護層106a形成之後，接著重覆同樣製程例如熱蒸鍍或電子束方式形成另一無機保護層106b覆蓋該無機保護層106a，以彌補該無機保護層106a成長過程造成的孔洞(pinholes)，進而可大幅提昇該等無機保護層106a及106b的水、氧阻隔率。具體而言，第二A圖、第二B圖、第二D圖及第二E圖所對應的製程步驟係分別相同於第一具體實施例中第一A圖、第一B圖、第一C圖及第一D圖對應的製程步驟。在第二具體實施例中，係增加第二C圖對應的製程步驟，即在第一段製程完成後，重覆第一段製程步驟形成該無機保護層106b覆蓋該無機保護層106a，藉此一製程可彌補該無機保護層106a中的孔洞，以大幅提昇該等無機保護層106a及106b的水、氧阻隔率。再者，前述無機保護層106a及106b總膜厚度係可隨製程需要而調整，以調節該等無機保護層106a及106b的薄膜應力，使該等無機保護層106a及106b具有低應力或低壓應力。
以上所述僅為本發明之具體實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧底閘極有機薄膜電晶體
100‧‧‧基板
101‧‧‧底閘極
102‧‧‧絕緣層
103a‧‧‧汲極
103b‧‧‧源極
104‧‧‧有機材料通道層
105‧‧‧金屬遮罩
106,106a,106b‧‧‧無機保護層
107‧‧‧感光性材料保護層
30‧‧‧底閘極有機薄膜電晶體
301‧‧‧並五苯通道區
302‧‧‧水溶性聚乙烯醇保護層
303‧‧‧重鉻酸鹽聚乙烯醇保護層
第一A圖至第一D圖係本發明有機半導體元件保護層結構製造方法的第一具體實施例各製程階段對應的元件結構截面示意圖；第二A圖至第二E圖係本發明有機半導體元件保護層結構製造方法的第二具體實施例各製程階段對應的元件結構截面示意圖；及第三圖係已知具保護層結構之底閘極有機薄膜電晶體元件結構截面示意圖。
100‧‧‧基板
101‧‧‧底閘極
102‧‧‧絕緣層
103a‧‧‧汲極
103b‧‧‧源極
104‧‧‧有機材料通道層
105‧‧‧金屬遮罩
106,106a,106b‧‧‧無機保護層
107‧‧‧感光性材料保護層

Claims (23)

  1. 一種有機半導體元件保護層結構，其包括：一無機保護層，係形成於該有機半導體元件上方；及一感光性材料保護層，係形成於該無機保護層上方。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之有機半導體元件保護層結構，其中該無機保護層及該感光性材料保護層皆為圖案化保護層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之有機半導體元件保護層結構，其中該無機保護層結構為下列任一者：單一材料單層結構、混合材料單層結構及多層結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之有機半導體元件保護層結構，其中該無機保護層材料係選自下列任一者：氧化物、氮化物及碳化物，其中該氧化物包含氧化矽(SiOx )、氧化鋁(AlOx )、氧化鈦(TiOx )或氧化錫(SnOx )；該氮化物包含氮化矽(SiNx )、氮化鋁(AlNx )、氮化硼(BNx )或氮化碳(CNx )；及該碳化物包含碳化矽(SiC)或碳化鈦(TiC)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之有機半導體元件保護層結構，其中該無機保護層材料係選自下列任一者：氮氧鋁矽(SiAlON)、氮氧化鋁(AlON)、氮碳化矽(SiCN)、碳氧化矽(SiOC)、氮氧化矽(SiON)或氮氧鋁鈦矽(SiTiAlON)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之有機半導體元件保護層結構，其中該感光性材料保護層係包含單層有機材料、 單層有機混合材料、單層有機無機混合材料或有機無機多層結構。
  7. 一種有機薄膜電晶體保護層結構，其包括：一無機保護層，係形成於一底閘極有機薄膜電晶體元件上方，該無機保護層覆蓋該底閘極有機薄膜電晶體元件之一有機材料層通道區及其汲極/源極區，並使該等汲極/源極區部份曝露出來；及一感光性材料保護層，係覆蓋於該無機保護層上方，並且該感光性材料保護層未覆蓋該等汲極/源極區前述部份曝露區域。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之有機薄膜電晶體保護層結構，其中該無機保護層結構為下列任一者：單一材料單層結構、混合材料單層結構及多層結構。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之有機薄膜電晶體保護層結構，其中該無機保護層材料係選自下列任一者：氧化物、氮化物及碳化物，其中該氧化物包含氧化矽(SiOx )、氧化鋁(AlOx )、氧化鈦(TiOx )或氧化錫(SnOx )；該氮化物包含氮化矽(SiNx )、氮化鋁(AlNx )、氮化硼(BNx )或氮化碳(CNx )；及該碳化物包含碳化矽(SiC)或碳化鈦(TiC)。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之有機薄膜電晶體保護層結構，其中該無機保護層材料係選自下列任一者：氮氧鋁矽(SiAlON)、氮氧化鋁(AlON)、氮碳化矽(SiCN)、碳氧化矽(SiOC)、氮氧化矽(SiON)或氮氧鋁鈦矽(SiTiAlON)。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之有機薄膜電晶體保護層結構，其中該感光性材料保護層係包含單層有機材料、單層有機混合材料、單層有機無機混合材料或有機無機多層結構。
  12. 一種有機半導體元件保護層之製造方法，其包括：提供一有機半導體元件；形成一圖案化無機保護層於該有機半導體元件上方；及形成一圖案化感光性材料保護層於該無機保護層上方。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中更包含在該圖案化感光性材料保護層形成之前，先形成另一圖案化保護層於該圖案化無機保護層上。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化無機保護層係以熱蒸鍍或電子束方式配合金屬遮罩形成。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化保護層係與該圖案化無機保護層為相同材質。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之有機半導體元件保 護層之製造方法，其中該圖案化保護層係以熱蒸鍍或電子束方式配合金屬遮罩形成。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化感光性材料保護層係以旋塗、狹縫塗佈或乾膜轉印方式配合微影製程形成。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化感光性材料保護層係以乾膜轉印配合光罩曝光後乾蝕刻方式形成。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化無機保護層形成方式為下列任一者：單層材料單次成長、單層材料多次成長、多種材料單次成長及多層材料多次成長。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化無機保護層材料係選自下列任一者：氧化物、氮化物及碳化物，其中該氧化物包含氧化矽(SiOx )、氧化鋁(AlOx )、氧化鈦(TiOx )或氧化錫(SnOx )；該氮化物包含氮化矽(SiNx )、氮化鋁(AlNx )、氮化硼(BNx )或氮化碳(CNx )；及該碳化物包含碳化矽(SiC)或碳化鈦(TiC)。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化無機保護層材料係選自下列任一者：氮氧鋁矽(SiAlON)、氮氧化鋁(AlON)、氮碳化 矽(SiCN)、碳氧化矽(SiOC)、氮氧化矽(SiON)或氮氧鋁鈦矽(SiTiAlON)。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化感光性材料保護層係包含單層有機材料、單層有機混合材料、單層有機無機混合材料或有機無機多層結構。
  23. 如申請專利範圍第12項所述之有機半導體元件保護層之製造方法，其中該圖案化感光性材料保護層係以乾膜轉印方式形成，該乾膜材料為有機材料、有機無機混合材料或有機無機多層結構。
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