TWI548002B - 上接觸式有機薄膜電晶體兼具緩衝層的製造方法 - Google Patents

Description

上接觸式有機薄膜電晶體兼具緩衝層的製造方法

本發明是有關於一種半導體結構的製造方法，且特別是有關於一種有機薄膜電晶體的製造方法。

有機薄膜電晶體(Organic thin-film transistor,OTFT)主要可以粗分為兩種結構：上接觸式(top-contact,TC)結構以及下接觸式(bottom-contact,BC)結構。

一般而言，上接觸式結構的形成方法是先進行有機主動層的沉積，其後才進行源極/汲極的沉積。而作為主動層的有機半導體材料對於溶劑(例如顯影液)相當的敏感，因此通常不能使用一般微影的方式來圖案化有機主動層與後續沉積的源極/汲極。較常使用的方式是以金屬遮罩(metal shadow mask)來達成局部沉積的效果，製作出之元件電性比下接觸式結構要好。然而，一般金屬遮罩因為使用雷射加工製造，所以製造出的遮罩縫隙約在 數十微米左右，如此做出來的元件尺寸也會是在同一尺寸範圍內，不利於元件的積體化，也不適合大面積的量產。

有鑑於此，本發明提供一種有機薄膜電晶體的製造方法，以微影製程定義主動層和源極/汲極，因此有利於元件的微縮和積體化。

本發明提供一種有機薄膜電晶體的製造方法。於基板上依序形成閘極、絕緣層、第一緩衝層以及第一光阻層。於第一光阻層以及第一緩衝層中形成至少一第一開口。於第一開口的底部形成主動層。移除第一緩衝層以及第一光阻層。於主動層上依序形成第二緩衝層以及第二光阻層。於第二光阻層以及第二緩衝層中形成至少二第二開口，且各第二開口裸露出部分主動層。於第二開口中形成接點。

在本發明的一實施例中，上述第一緩衝層以及第二緩衝層均為水溶性材料層。

在本發明的一實施例中，上述第一緩衝層以及第二緩衝層的材料各自包括聚乙烯醇(PVA)。

在本發明的一實施例中，上述第一光阻層以及第二光阻層均為負型光阻層。

在本發明的一實施例中，於上述第一緩衝層以及第一光阻層中形成第一開口的方法包括：對第一光阻層進行第一微影製 程，以於第一光阻層中形成第一開口：以及以具有第一開口的第一光阻層為罩幕，移除部分第一緩衝層，其中第一微影製程中的顯影液為非水溶性顯影液，且移除部分第一緩衝層的移除液為水溶性移除液。

在本發明的一實施例中，於上述第二緩衝層以及第二光阻層中形成第二開口的方法包括：對第二光阻層進行第二微影製程，以於第二光阻層中形成第二開口：以及以具有第二開口的第二光阻層為罩幕，移除部分第二緩衝層，其中第二微影製程中的顯影液為非水溶性顯影液，且移除部分第二緩衝層的移除液為水溶性移除液。

在本發明的一實施例中，移除上述第一緩衝層以及第一光阻層的方法包括利用舉離法來去除第一緩衝層，並藉以去除覆蓋在第一緩衝層上的第一光阻層。

在本發明的一實施例中，於形成上述接點的步驟之後，本發明的方法更包括移除第二光阻層，留下第二緩衝層作為保護層。

在本發明的一實施例中，上述第一開口的底部寬度大於第一開口的頂部寬度。

在本發明的一實施例中，上述主動層的材料包括單極性半導體層或雙極性半導體層。

基於上述，藉由本發明提出的方法，可在不傷害有機主動層之條件下來製作上接觸式有機薄膜電晶體。在本發明中，由於有機主動層與源極/汲極皆以微影製程定義圖案，讓上接觸式結構亦能應用於元件尺寸微縮，在保持較好的元件特性同時仍有較 高積體化密度、較大的平面顯示器之畫素開口率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧基板

102‧‧‧閘極

104‧‧‧絕緣層

106、106a‧‧‧第一緩衝層

107‧‧‧第一開口

108、108a‧‧‧第一光阻層

110‧‧‧半導體層

110a‧‧‧主動層

112、112a‧‧‧第二緩衝層

113‧‧‧第二開口

114、114a‧‧‧第二光阻層

116‧‧‧導體層

116a‧‧‧接點

圖1A至圖1H是依照本發明的一實施例的一種有機薄膜電晶體的製造方法的剖面示意圖。

圖1A至圖1H是依照本發明的一實施例的一種有機薄膜電晶體的製造方法的剖面示意圖。

請參照圖1A，於基板100上依序形成閘極102、絕緣層104、第一緩衝層106以及第一光阻層108。基板100可使用半導體基板或玻璃基板。閘極102的材料可包括透明導電氧化物或金屬。透明導電氧化物包括銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)或銦鋅氧化物(indium zinc oxide,IZO)等。金屬包括金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鉻(Cr)或鉭(Ta)等。在一實施例中，當基板100為重摻雜矽基板時，也可以省略形成閘極102的步驟，而將基板100充作閘極使用。在另一實施例中，可採用表面塗覆有ITO薄膜的玻璃基板。形成閘極102的方法包括進行物理氣相沈積製程(如蒸鍍法)、導電油墨噴印方式或其他轉印技術。

絕緣層104的材料包括無機絕緣材料或有機絕緣材料。無機絕緣材料包括氧化矽、氮化矽或氧化鉿(hafnium oxide,HfO₂)等。有機絕緣材料包括聚乙烯苯酚(polyvinylphenol,PVP)。形成絕緣層104的方法包括進行物理氣相沈積製程(如蒸鍍法)或溶液製程。在一實施例中，可先形成包括PVP的高分子溶液，再將此高分子溶液塗覆於閘極102上並烘烤使PVP交聯。在一實施例中，高分子溶液包括作為溶質的PVP、作為溶劑的丙二醇單甲醚乙酸酯(propyleneglycol monomethylether acetate,PGMEA)、以及作為交聯劑的三聚氰胺和共甲醛的聚合物(poly(melamine-co-formaldehyde),PMCF)。

第一緩衝層106為水溶性材料層。在一實施例中，第一緩衝層106的材料包括聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)。形成第一緩衝層106的方法包括進行溶液製程。在一實施例中，可先形成包括PVA的水溶液，再將此水溶液塗覆於絕緣層104上並烘烤使PVA乾固。

第一光阻層108的材料包括負型光阻。更具體地說，第一光阻層108為採用非水溶液顯影液的負型光阻層，例如SU8光阻(商品名，購自景明化工公司)。形成第一光阻層108的方包括進行旋轉塗覆法。

請參照圖1B以及圖1C，於第一光阻層108以及第一緩衝層中形成至少一第一開口107。

首先，如圖1B所示，對第一光阻層108進行第一微影製 程，以形成具有至少一開口107的第一光阻層108a。第一微影製程包括曝光、曝光後烘烤(PEB)、顯影以及硬烘烤(HB)等，其中所使用的顯影液為非水溶性顯影液，如丙二醇單甲醚乙酸酯(propyleneglycol monomethylether acetate,PGMEA)。此處，雖然圖1B是將光阻圖案繪示為理想的長方塊狀為例來說明之，但由於第一光阻層108為負型光阻層，其所形成留下的光阻圖案會略成倒梯型。

然後，如圖1C所示，以具有第一開口107的第一光阻層108a為罩幕，移除部分第一緩衝層106，以形成第一緩衝層106a。移除部分第一緩衝層106的移除液為水溶性移除液，例如去離子水。更具體地說，將第一光阻層108a的第一開口107加深，直到裸露出部分絕緣層104。在一實施例中，採用時間模式(time mode)控制去離子水的使用時間，較佳為對第一緩衝層106進行縱向以及側向移除，使第一開口107的底部寬度大於其頂部寬度。換句話說，第一開口107在第一緩衝層106a中的寬度會大於其在第一光阻層108a中的寬度。

接著，繼續參照圖1C，於第一開口107的底部以及第一光阻層108a的頂面上形成半導體層110。半導體層110的材料包括單極性半導體層或雙極性半導體層。在一實施例中，半導體層110的材料包括五苯環(pentacene)或其衍生物。形成半導體層110的步驟包括進行蒸鍍法、濺鍍法或溶液製程。在本實施例中，半導體層110是採用電洞移動率高的半導體層(如五苯環)或電 子移動率高的半導體層，因此可視為單極性半導體層。在另一實施例中，也可個別蒸鍍N型有機半導體材料與P型有機半導體材料、蒸鍍或濺鍍N型無機半導體材料與P型無機半導體材料、共蒸鍍N型有機半導體材料與P型有機半導體材料、或蒸鍍具雙極特性之有機半導體材料，而形成雙極性半導體層。

之後，請參照圖1D，移除第一緩衝層106a以及第一光阻層108a。在一實施例中，利用舉離法(lift off)來去除第一緩衝層106a，並藉以去除覆蓋在第一緩衝層106a上的第一光阻層108a以及半導體層110，留下絕緣層104上的半導體層作為主動層110a。去除第一緩衝層106a的去除液為水溶性移除液，例如去離子水。

此處，若主動層110a與第一緩衝層106a接觸，則在移除第一緩衝層106a以及第一光阻層108a的步驟中，會因為移除第一緩衝層106a而破壞主動層110a與第一緩衝層106a之間的介面，進而影響主動層110a的效能。然而，在此實施例中，由於第一開口107的底部寬度或大於其頂部寬度，因此主動層110a並未與第一緩衝層106a接觸。所以，移除第一緩衝層106a時不會破壞主動層110的側邊。此外，移除第一緩衝層106a的去除液為去離子水，所述去離子水不會對主動層110a的效能造成影響。

請參照圖1E，於主動層110a上形成第二緩衝層112以及第二光阻層114。具體地說，第二緩衝層112以及第二光阻層114覆蓋主動層110a。第二緩衝層112為水溶性材料層。在一實施例 中，第二緩衝層112的材料包括聚乙烯醇(PVA)。形成第二緩衝層112的方法包括進行溶液製程。在一實施例中，可先形成包括PVA的水溶液，再將此水溶液塗覆於主動層110a上並烘烤使PVA乾固。在此實施例中，第二緩衝層112與第一緩衝層106的材料相同。在另一實施例中，第二緩衝層112與第一緩衝層106的材料可不同。

第二光阻層114的材料包括負型光阻。更具體地說，第二光阻層114為採用非水溶液顯影液的負型光阻層，例如SU8光阻。形成第二光阻層114的方包括進行旋轉塗覆法。在此實施例中，第二光阻層114與第一光阻層108的材料相同。在另一實施例中，第二光阻層114與第一光阻層108的材料可不同。

請參照圖1F以及圖1G，於第二光阻層114以及第二緩衝層112中形成至少二第二開口113，各第二開口113裸露出部分主動層110a。

首先，如圖1F所示，對第二光阻層114進行第二微影製程，以形成具有至少二第二開口113的第二光阻層114a。第二微影製程包括曝光、曝光後烘烤(PEB)、顯影以及硬烘烤(HB)等，其中所使用的顯影液為非水溶性顯影液，如丙二醇單甲醚乙酸酯(PGMEA)。此處，雖然圖1F是將光阻圖案繪示為理想的長方塊狀為例來說明之，但由於第二光阻層114a為負型光阻層，其所形成留下的光阻圖案會略成倒梯型。

然後，如圖1G所示，以具有第二開口113的第二光阻層 114a為罩幕，移除部分第二緩衝層112，以形成第二緩衝層112a。移除部分第二緩衝層112的移除液為水溶性移除液，例如去離子水，所述去離子水不會對主動層110a的效能造成影響。更具體地說，將第二光阻層114a的第二開口113加深，直到各第二開口113裸露出部分主動層110a。在一實施例中，採用時間模式控制去離子水的使用時間。

接著，參照圖1H，於第二開口113的底部以及第二光阻層114a的頂面上形成導體層116。導體層116的材料包括金屬，例如銅(Cu)、金(Au)、鉑(Pt)或其合金。在一實施例中，導體層116的材料包括金。形成導體層116的步驟包括進行物理氣相沉積，如蒸鍍法或濺鍍法。

之後，請參照圖1H，移除第二光阻層114a。在一實施例中，利用舉離法(lift off)來去除第二光阻層114a以及其上的導體層116，留下第二緩衝層112a作為保護層，且留下第二開口113中的導體層作為接點116a(即源極/汲極)。去除第二光阻層114a的去除液為丙酮。至此，完成本發明之上接觸式有機薄膜電晶體的製作。

在本發明中，採用負型光阻定義主動層和源極/汲極具有不可預期之功效。因為正型光阻在顯影後一般會呈現梯形形狀，這樣與光罩所曝出來的尺寸較難一致；另外，由於正型光阻為曝到光的部分形成鍵結(可溶於顯影液)，因此未曝光的部分則未鍵結(顯影後留下來的部分)，其軟化點(softening point)溫度約為 110~130度左右，這樣的溫度對後續沉積製程，如汲/源極不利，會使光阻軟化變形，影響元件製作良率和精準度。一般沉積汲/源極溫度皆高於此溫度。但在本發明中，我們使用負型光阻，其能形成倒梯角且曝光部分因鍵結，因此可防後續高溫沉積，與光罩尺寸較相符。

綜上所述，本發明提出一種製作有機薄膜電晶體的方法，且其中以微影製程定義主動層和源極/汲極，有利於元件的微縮與積體化。藉由本發明的方法，除了可製作具較好電特性之上接觸式有機薄膜電晶體，且可同時於主動層上方留下一層具有高阻氣性的保護層(即圖1H之中間的第二緩衝層112a)。因此，本發明的方法具有可簡化製程、可大面積化、相容一般黃光微影製程而有製作較精準且較小元件尺寸能力等特性，是相當有競爭力的一種方法。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧基板

102‧‧‧閘極

104‧‧‧絕緣層

106a‧‧‧第一緩衝層

107‧‧‧第一開口

108a‧‧‧第一光阻層

110‧‧‧半導體層

Claims (9)

1. 一種有機薄膜電晶體的製造方法，包括：於一基板上依序形成一閘極、一絕緣層、一第一緩衝層以及一第一光阻層；於該第一光阻層以及該第一緩衝層中形成至少一第一開口，其中該第一開口的底部寬度大於該第一開口的頂部寬度；於該第一開口的底部形成一主動層；移除該第一緩衝層以及該第一光阻層；於該主動層上形成一第二緩衝層以及一第二光阻層；於該第二光阻層以及該第二緩衝層中形成至少二第二開口，各第二開口裸露出部分該主動層；以及於該些第二開口中分別形成二接點。
2. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中該第一緩衝層與該第二緩衝層均為水溶性材料層。
3. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中該第一緩衝層與該第二緩衝層的材料各自包括聚乙烯醇(PVA)。
4. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中該第一光阻層以及該第二光阻層均為負型光阻層。
5. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中於該第一緩衝層以及該第一光阻層中形成該第一開口的方法包括：對該第一光阻層進行一第一微影製程，以於該第一光阻層中形成該第一開口：以及 以具有該第一開口的該第一光阻層為罩幕，移除部分該第一緩衝層，其中該第一微影製程中的顯影液為非水溶性顯影液，且移除部分該第一緩衝層的移除液為水溶性移除液。
6. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中於該第二緩衝層以及該第二光阻層中形成該些第二開口的方法包括：對該第二光阻層進行一第二微影製程，以於該第二光阻層中形成該些第二開口：以及以具有該些第二開口的該第二光阻層為罩幕，移除部分該第二緩衝層，其中該第二微影製程中的顯影液為非水溶性顯影液，且移除部分該第二緩衝層的移除液為水溶性移除液。
7. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中移除該第一緩衝層以及該第一光阻層的方法包括利用舉離法來去除該第一緩衝層，並藉以去除覆蓋在該第一緩衝層上的該第一光阻層。
8. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，於形成該些接點的步驟之後，更包括移除該第二光阻層，留下該第二緩衝層作為保護層。
9. 如申請專利範圍第1項所述的有機薄膜電晶體的製造方法，其中該主動層的材料包括單極性半導體層或雙極性半導體層。