TWI628803B - 有機薄膜電晶體元件及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種有機薄膜電晶體元件，包括：基材、汲極、源極、阻障層、有機半導體層、閘介電層以及閘極。源極位於基材上，具有第一立壁。汲極位於基材上，具有面對第一立壁並且彼此隔離的第二立壁。阻障層位於第一立壁和第二立壁之間，且阻障層的頂面寬度，實質等於第一立壁和第二立壁間的距離。有機半導體層，覆蓋於源極、汲極和阻障層上。閘介電層位於有機半導體層上。閘極位於閘介電層上，且藉由閘介電層與有機半導體層電性隔離。
Description
本揭露書是有關於一種薄膜電晶體元件及其製作方法。特別是有關於一種有機薄膜電晶體元件及其製作方法。
薄膜電晶體元件目前已被廣泛地運用於液晶顯示器領域中，隨著顯示器朝向更輕、更薄、可撓曲的目標發展，以有機材料作為場效電晶體之通道層的有機薄膜電晶體 (Organic Thin Film Transistor，OTFT)，因具有低製程溫度(＜200℃)、低成本以及適用於可撓式基板(例如，塑膠基板)等特性，已逐漸受到重視。
一般而言，有機薄膜電晶體主要可以分為上接觸式(top-contact，TC)結構以及下接觸式(bottom-contact，BC)結構兩種。典型的上接觸式結構的形成方法，是先進行有機半導體 (Organic Semiconductor，OSC) 層的沉積，之後才進行源極/汲極的沉積與圖案化製程。相反的，下接觸式結構的形成方法則是，先進行源極/汲極的沉積與圖案化製程，之後再於源極/汲極上沉積有機半導體層。由於，構成有機半導體層的有機半導體材料相當敏感，容易在源極/汲極的沉積與圖案化製程中受到損害，導致元件失效。因此，為了維持製程和良率的穩定性，目前多採用下接觸式結構製程來製作有機薄膜電晶體元件。
然而，採用下接觸式結構製程來製作有機薄膜電晶體元件時，沉積於源極/汲極上方的有機半導體層，會隨著源極/汲極圖案的厚度變化而產生高低起伏的高度落差，使得有機半導體層出現厚薄不均的現象。尤其是在源極/汲極圖案的導角(coner)處，有機半導體層的厚度，會比位於源極/汲極上方的厚度要來得薄，這將導致有機薄膜電晶體元件的通道長度(channel length)產生不均勻的問題，嚴重影響有機薄膜電晶體元件的元件效能。
因此，有需要提供一種先進的有機薄膜電晶體元件及其製作方法，來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書的一實施例揭露一種有機薄膜電晶體元件，包括：基材、源極、阻障層、有機半導體層、閘介電層以及閘極。源極位於基材上，具有第一立壁。汲極位於基材上，具有面對第一立壁並且彼此隔離的第二立壁。阻障層位於第一立壁和第二立壁之間，且阻障層的頂面寬度，實質等於第一立壁和第二立壁之間的距離。有機半導體層，覆蓋於源極、汲極和阻障層上。閘介電層位於有機半導體層上。閘極位於閘介電層上，且藉由閘介電層與有機半導體層電性隔離。
本說明書的另一實施例揭露一種有機薄膜電晶體元件的製作方法，包括下述步驟：首先，於基材上形成源極和汲極，使源極具有第一立壁，汲極具有面對第一立壁且彼此隔離的第二立壁。然後，於第一立壁和第二立壁之間形成阻障層，使阻障層的寬度實質等於第一立壁和第二立避之間的距離。再形成有機半導體層覆蓋於源極、汲極和阻障層上。後續，於有機半導體層上形成閘介電層；並於閘介電層上形成閘極，藉由閘介電層與有機半導體層電性隔離。
根據上述實施例，本說明書是在提供一種有機薄膜電晶體元件及其製作方法。其係採用下接觸式結構製程來製作有機薄膜電晶體元件。先在基材上形成圖案化的源極/汲極，之後於源極/汲極的之間形成阻障層，使阻障層的頂部寬度實質等於源極/汲極之間的距離。再形成有機半導體層覆蓋於源極、汲極和阻障層上。並於有機半導體層上形成閘介電層和閘極。
藉由，填充於源極/汲極圖案之間的阻障層來緩和(消除)存在於圖案化源極/汲極之間的高低落差，使後續沉積於圖案化源極/汲極上的有機半導體層具有實質均勻的厚度，藉以提供有機薄膜電晶體元件均勻的通道長度，確保有機薄膜電晶體元件的元件效能。
為了對本說明書之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
本說明書是提供一種有機薄膜電晶體元件及其製作方法，可改善具有下接觸式結構之有機薄膜電晶體元件的元件效能。為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一有機薄膜電晶體及其製作方法作為較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
請參照第1A圖至第1E圖，第1A圖至第1E圖係根據本說明書的一實施例所繪示製作有機薄膜電晶體元件100的製程結構剖面示意圖。有機薄膜電晶體元件100的製作方法，包括下述步驟：首先，提供一基材101(如第1A圖所繪示)。在本說明書的一些實施例中，基板101可以是一種可撓式的軟性基板，例如塑膠基板。構成軟性基板的材質可以是聚對萘二甲酸乙酯(poly-ethylene-2 6-naphthalate，PEN)、乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚醚碸(poly-ether sulfones，PES)或聚醯亞胺(polyimide，PI)。然而，基板101並不限於以軟性基板來實施。在本說明書的一些實施例中，亦可以一般玻璃基板來實施。
之後，於基材101表面101a上形成源極102和汲極103，使源極102具有第一立壁102a，汲極103具有面對第一立壁102a且彼此隔離的第二立壁103a(如第1B圖所繪示)。在本說明書的一些實施例中，源極102和汲極103可以是藉由圖案化形成於基材101表面101a上的導體層所形成。其中，構成導體層的材料可以包括金屬，例如銅(Cu)、金(Au)、鉑(Pt)或其合金。
在一實施例中，源極102和汲極103的形成包括下述步驟。首先，在導體層於基材101表面101a上進行物理氣相沉積(Physical vapor deposition，PVD)製程，如蒸鍍(evaporation)製程或或濺鍍(sputtering)製程，藉以形成導體層，其中所述導體層，舉例而言，可包含金屬材料。之後，以微影和蝕刻製程移除一部分的導體層，以於基材101表面101a上形成彼此隔離的源極102和汲極103。其中，源極102的第一立壁102a和汲極103的第二立壁103a之間具有實質介於3μm至10μm的距離D。
然後，於源極102和汲極103的第一立壁102a和第二立壁103a之間形成阻障層104，使阻障層104的頂面寬度B實質等於第一立壁102a和第二立壁103a之間的距離D。阻障層104的形成，包括下述步驟：首先，於源極102和汲極103以及基材101表面101a上塗佈一層光敏材料105，並覆蓋源極101和汲極103。之後，在基材101表面101a的相反一側101b提供一光源106，使光線穿過基材101和基材101表面101a，並照射光敏材料105(如第1C圖所繪示)。後續，移除位於源極102和汲極103上方的一部分光敏材料105，至少保留位於源極102和汲極103之間的一部分光敏材料105，並以光敏材料105餘留下來的部分作為阻障層104。
在本說明書的一些實施例中，光敏材料105可以是一種負型光阻(negative photoresist)(但並不以此為限)，以圖案化的源極102和汲極103為罩幕，藉由光源106來進行曝光，並以顯影製程(development)移除未被曝光的一部分光敏材料105。但值得注意的是，阻障層104的材料以及形成方法並不以此為限。任何可以在源極102和汲極103之間形成與源極102(的第一立壁102a)和汲極103 (的第二立壁103a)切齊之阻障層104的方法，皆未脫離本發明的精神範圍。
後續，形成有機半導體層107，覆蓋於源極102、汲極103和阻障層104上。在本書說明書的一些實施例中，有機半導體層107的構成有機半導體層107的材料可以包括五苯環(pentacene)或其衍生物。形成有機半導體層107的步驟包括進行蒸鍍法、濺鍍法或溶液製程。例如，在一實施例中，可以採用單一蒸鍍或濺鍍製程，在源極102、汲極103和阻障層104的上方形成由五苯環衍生物所構成的單極性半導體層。在另一實施例中，也可以採用不同的蒸鍍或濺鍍製程，分別蒸鍍或濺鍍 N型有機半導體材料、P型有機半導體材料、N型無機半導體材料、P型無機半導體材料；或採用共蒸鍍製程，同時蒸鍍N型有機半導體材料、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，而在源極102、汲極103和阻障層104的上形雙極性半導體層。
有機半導體層107的厚度實質介於300埃(angstrom Å)至500埃之間。在本實施例中，由於源極102、汲極103和阻障層104的頂面102b、103b和104a三者實質共平面。因此形成於源極102和汲極103和阻障層104之頂面102b、103b和104a上的有機半導體層107，其厚度107H係指由源極102、汲極103和阻障層104的頂面102b、103b和104a起算，沿著垂直距離D的方向(平行Z軸的方向)延伸的長度。
之後，於有機半導體層107上形成閘介電層108。構成閘介電層108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，HfO
2)等。有機絕緣材料，包括聚乙烯苯酚(polyvinylphenol，PVP)。形成閘介電層108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，可先形成包括聚乙烯苯酚、丙二醇單甲醚乙酸酯(propyleneglycol monomethylether acetate，PGMEA)、以及三聚氰胺和共甲醛的聚合物(poly-melamine-co-formaldehyde，PMCF)的高分子溶液，再將此高分子溶液塗覆於有機半導體層107上並烘烤使聚乙烯苯酚的交聯。
後續，於閘介電層108上形成閘極109，其中閘極109藉由閘介電層108與有機半導體層107電性隔離。並形成保護層(未繪示)，覆蓋於介電層108和閘極109上完成如如第1E圖所繪示的有機薄膜電晶體元件100。構成閘極109的材料可以是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、銀(Ag)、鋁(Al)、銅、鈦(Ti)、鉻(Cr)或鉭(Ta)等。在一實施例中，形成閘極109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。
在本實施例中，由於源極102遠離基材101表面101a的頂面102b、汲極103遠離基材101表面101a的頂面103b以及阻障層104遠離基材101表面101a的頂面104a三者實質共平面 (如第1D圖和第1E圖所繪示)。因此，可以提供一個平坦的表面(頂面102b、103b和104a)，讓有機半導體層107可以形成於其上，而不會發生高低起伏的高度落差與厚薄不均的現象。且有助於提高後續製程的工程裕度(process window)，使有機薄膜電晶體元件100具有均勻的通道長度。另外，在本說明書的一些實施例中，由於形成有機半導體層107、閘介電層108、閘極109和保護層(未繪示)的製程溫度，實質小於150℃，其遠低於形成源極102和汲極103的製程溫度。因此，可確保以有機半導體層107不會因後續製程的高溫而受到損害，確保有機薄膜電晶體元件100的元件效能。
請參照第2圖，第2圖係根據本說明書的另一實施例所繪示的一種有機薄膜電晶體元件200的結構剖面示意圖。有機薄膜電晶體元件200的結構，大致與第1E圖所繪示的有機薄膜電晶體元件100類似，差別僅在於有機薄膜電晶體元件200中的阻障層204的高度有所不同。在本實施例中，阻障層204遠離基材101表面101a的頂面204a，係高於源極102遠離基材101表面101a的頂面102b和汲極103遠離基材101表面101a的頂面103b。使阻障層204的頂面204a與源極102和汲極103的頂面102b和103b產生一個斷差(step height)H2。並且使後續，形成在阻障層204的頂面204a、源極102和汲極103的頂面102b和103b上的有機半導體層207和閘極介電層208，分別具有頂部大致平坦的ㄇ字型截面，由於有機半導體層207具有流平性，即使阻障層204的頂面204a與源極102和汲極103的頂面102b和103b產生一個斷差(step height)H2，而使得有機半導體層207的頂部207a可能產生些許起伏，但這些起伏的高度仍會小於斷差H2。換言之有機半導體層207的頂部207a大致上還是平坦的。
在本實施例中，由於有機半導體層207具有頂部大致平坦的ㄇ字型截面，因此有機半導體層207的厚度207H係指，由阻障層204的頂面204a起算，沿著垂直距離D的方向(平行Z軸的方向)延伸到有機半導體層207的頂部207a的長度。
在本實施例中，由於阻障層204的頂面204a與源極102和汲極103的頂面102b和103b之間的斷差H2，實值小於有機半導體層207的厚度(有機半導體層207的厚度實質介於300埃至500埃之間)。因此，即便斷差H2會使有機半導體層207發生些高低起伏的高度落差，也不至於使有機半導體層207產生厚薄不均的現象。還是能提供後續製程一個穩定且平坦的製程表面，也可以使有機薄膜電晶體元件200的通道長度保持均勻，達到提供工程裕度和確保有機薄膜電晶體元件200之元件效能的目的。
請參照第3圖，第3圖係根據本說明書的又一實施例所繪示的一種有機薄膜電晶體元件300的結構剖面示意圖。有機薄膜電晶體元件300的結構，大致與第1E圖所繪示的有機薄膜電晶體元件100類似，差別僅在於有機薄膜電晶體元件300中的阻障層304的高度有所不同。在本實施例中，阻障層304遠離基材101表面101a的頂面304a，係低於源極102遠離基材101表面101a的頂面102b和汲極103遠離基材101表面101a的頂面103b。使阻障層304的頂面304a與源極102和汲極103的頂面102b和103b產生一個斷差H3。並且使後續，形成在阻障層304的頂面304a、源極102和汲極103的頂面102b和103b上的有機半導體層307和閘極介電層308，分別具有頂部平坦的T字型截面。由於有機半導體層307具有流平性，即使阻障層304的頂面304a與源極102和汲極103的頂面102b和103b產生一個斷差(step height)H3，而使得有機半導體層307的頂部307a可能產生些許起伏，但這些起伏的高度仍會小於斷差H3。換言之有機半導體層307的頂部307a大致上還是平坦的。
在本實施例中，由於有機半導體層307具有頂部平坦的T字型截面，因此有機半導體層307的厚度307H係指，由阻障層304的頂面304a起算，沿著垂直距離D的方向(平行Z軸的方向)延伸到有機半導體層307的頂部307a的長度。
在本實施例中，由於阻障層304的頂面304a與源極102和汲極103的頂面102b和103b之間的斷差H3，實值小於有機半導體層307的厚度307H(有機半導體層307的厚度實質介於300埃至800埃之間)。因此，即便斷差H3會使有機半導體層307發生些高低起伏的高度落差，也不至於使有機半導體層307產生厚薄不均的現象。還是能提供後續製程一個穩定且平坦的製程表面，也可以使有機薄膜電晶體元件300的通道長度保持均勻，達到提供工程裕度和確保有機薄膜電晶體元件300之元件效能的目的。
根據上述實施例，本說明書是在提供一種有機薄膜電晶體元件及其製作方法。其係採用下接觸式結構製程來製作有機薄膜電晶體元件。先在基材上形成圖案化的源極/汲極，之後於源極/汲極的之間形成阻障層，使阻障層的頂部寬度實質等於源極/汲極之間的距離。再形成有機半導體層覆蓋於源極、汲極和阻障層上。並於有機半導體層上形成閘介電層和閘極。
藉由，填充於源極/汲極圖案之間的阻障層來緩和(消除)存在於圖案化源極/汲極之間的高低落差，使後續沉積於圖案化源極/汲極上的有機半導體層具有實質均勻的厚度，藉以提供有機薄膜電晶體元件均勻的通道長度，確保有機薄膜電晶體元件的元件效能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300‧‧‧有機薄膜電晶體元件
101‧‧‧基材
101a‧‧‧基材表面
101b‧‧‧基材表面1的相反一側
102‧‧‧源極
102a‧‧‧第一立壁
102b‧‧‧源極的頂面
103‧‧‧汲極
103a‧‧‧第二立壁
103b‧‧‧汲極的頂面
104、204、304‧‧‧阻障層
104a‧‧‧阻障層的頂面
105‧‧‧光敏材料
106‧‧‧光源
107、207、307‧‧‧有機半導體層
107H、207H、307H‧‧‧有機半導體層的厚度
108、208、308‧‧‧閘介電層
109‧‧‧閘極
207a、307a‧‧‧有機半導體層的頂部
D‧‧‧第一立壁和第二立壁之間的距離
B‧‧‧阻障層的頂面寬度
H2、 H3‧‧‧阻障層頂面與源極和汲極頂面的斷差
第1A圖至第1E圖係根據本說明書的一實施例所繪示製作有機薄膜電晶體元件的製程結構剖面示意圖； 第2圖係根據本說明書的另一實施例所繪示的一種有機薄膜電晶體元件的結構剖面示意圖； 第3圖係根據本說明書的又一實施例所繪示的一種有機薄膜電晶體元件的結構剖面示意圖。
無。
Claims (2)
- 一種有機薄膜電晶體元件的製作方法，包括：於一基材上形成一源極和一汲極，使該源極具有一第一立壁，該汲極具有一第二立壁面對該第一立壁，並且彼此隔離；於該第一立壁和該第二立壁之間形成一阻障層，使該阻障層具有一寬度實質等於該第一立壁和該第二立壁之間的一距離，其中形成該阻障層的步驟，包括：於該基材上塗佈一光敏材料，並覆蓋該源極和該汲極；提供一光線，穿過該基材照射該光敏材料；以及移除位於該源極和該汲極上方的一部分該光敏材料；形成一有機半導體層，覆蓋於該源極、該汲極和該阻障層上；於該有機半導體層上形成一閘介電層；以及於該閘介電層上形成一閘極，且藉由該閘介電層與該有機半導體層電性隔離。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體元件的製作方法，其中形成該有機半導體層、該閘介電層和該閘極的步驟，具有實質小於150℃的一溫度。
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