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CN111816767A - 有机半导体晶体管 - Google Patents

有机半导体晶体管 Download PDF

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CN111816767A
CN111816767A CN202010277614.XA CN202010277614A CN111816767A CN 111816767 A CN111816767 A CN 111816767A CN 202010277614 A CN202010277614 A CN 202010277614A CN 111816767 A CN111816767 A CN 111816767A
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CN
China
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layer
dielectric layer
forming
organic
polymer dielectric
Prior art date
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Application number
CN202010277614.XA
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English (en)
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吉兰姆·费齐特
瑞贝卡·威尔考克斯
伊莉莎白·史毕区里
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Fleck Innabur Technology Co ltd
Original Assignee
Flex Inca
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Publication date
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Abstract

一种方法，其包含以下步骤：形成导体层与介电层相接触；使用酸性图案化剂图案化所述导体层，以于工件的表面形成用于一或多个晶体管的源极‑漏极导体图案；及在所述工件的表面上方形成有机半导体层，以提供用于所述一或多个晶体管的一或多个半导体通道；其中所述方法进一步包含以下步骤：在形成所述导体层之前，使用碱性剂处理所述介电层。

Description

有机半导体晶体管
技术领域
本发明涉及一种有机半导体晶体管
背景技术
在塑料支撑薄膜上将有机半导体材料用于半导体通道的晶体管的生产越发受到关注，例如用于诸如显示器和感测器装置的电子装置的大量生产。
本申请的发明人已围绕提高在塑料支撑薄膜上的此类晶体管的生产进行研究，且已获得一些惊人成果。
发明内容
本发明提供一种方法，其包含以下步骤：形成导体层与介电层相接触；使用酸性图案化剂图案化所述导体层，以于工件的表面形成用于一或多个晶体管的源极-漏极导体图案；及在所述工件的表面上方形成有机半导体层，以提供用于所述一或多个晶体管的一或多个半导体通道；其中所述方法进一步包含以下步骤：在形成所述导体层之前，使用碱性剂处理所述介电层。
依据一实施例，使用碱性剂处理所述介电层的步骤形成图案化所述介电层的制程的部分。
依据一实施例，所述导体层是导体层堆叠的底层，且所述图案化的步骤包含图案化所述导体层堆叠。
依据一实施例，所述介电层包含非交联有机聚合物材料。
依据一实施例，所述碱性剂包含有机碱。
依据一实施例，所述碱性剂包含强碱。
依据一实施例，所述方法进一步包含以下步骤：在一支撑薄膜组件的一硬覆层上原位形成所述介电层。
本文还提供一种装置，包含：定义一或多个晶体管装置的层堆叠，其中所述层堆叠包括：提供用于所述一或多个晶体管装置的半导体通道的有机半导体层；提供用于所述一或多个晶体管装置的源极和漏极导体的导体层；及位于所述有机半导体层两侧上的非交联有机聚合物介电层，其中所述非交联有机聚合物介电层中的一者在所述有机半导体层的一侧上与所述源极和漏极导体相接触；且所述非交联有机聚合物介电层中的一者在至少所述半导体通道的区域中在所述有机半导体层的相对侧上与所述有机半导体层相接触。
依据一实施例，所述非交联有机聚合物介电层具有相同的成分。
依据一实施例，所述一或多个晶体管装置包含一或多个顶栅极晶体管装置。
依据一实施例，进一步包含塑料支撑薄膜，及位于所述塑料支撑薄膜和所述有机半导体层下方的所述非交联有机聚合物介电层之间的硬覆层。
本文还提供一种方法，其包含以下步骤：形成定义一或多个晶体管装置的层堆叠，其中所述层堆叠包含提供用于所述一或多个晶体管装置的半导体通道的有机聚合物半导体；其中形成所述层堆叠包含以下步骤：在基体上形成第一非交联有机聚合物介电层；在不使所述第一非交联聚合物介电层经受任何交联处理的情况下，形成源极-漏极导体图案与所述第一非交联聚合物介电层的上表面相接触；至少于所述半导体通道的区域中在所述非交联有机聚合物介电层的所述上表面上方形成所述有机聚合物半导体层；及形成第二非交联有机聚合物介电层，其至少于所述半导体通道的区域中与所述有机半导体层的所述上表面相接触。
依据一实施例，所述第一和第二非交联有机聚合物介电层具有相同的成分。
依据一实施例，所述方法进一步包含以下步骤：在支撑薄膜组件的硬覆层上原位形成所述第一非交联聚合物介电层。
附图说明
以下仅以范例的方式参照附图详细描述本发明的实施例，其中：
图1至图14绘示用于在塑料支撑薄膜组件上生产一或多个晶体管的技术的范例；
图15和图16显示借由依据本发明的实施例的技术所生产的装置对照借由参照技术所生产的装置的转移曲线的比较图。
具体实施方式
在一示范性实施例中，有机晶体管装置可以是形成用于例如有机液晶显示器(OLCD)装置的控制组件的有机薄膜晶体管(OTFT)装置。OTFT包含用于半导体通道的有机半导体(诸如，例如有机聚合物或小分子半导体)。
下文详细描述提及具体制程细节(具体材料等)，这些对于实现下文所述技术效果而言并非必需。这些具体制程细节仅是以范例的方式被提及，且于本申请的总体教导范围内，可替代性地使用其他具体材料、处理条件等。
参阅图1，对工件W的处理开始于在塑料薄膜支撑组件2的硬覆层表面(hard coatsurface)(例如，诸如称为SU-8的环氧基聚合物(epoxy-based polymer)的交联聚合物层的表面)上原位(in situ)形成一层非交联有机聚合物介电材料4。塑料支撑薄膜组件2包含至少一塑料支撑薄膜及所提到的顶部硬覆层，且可附加地包含位于塑料支撑薄膜和硬覆层之间的一或多层，诸如遮蔽晶体管的有机半导体通道以抵挡透过透明的塑料支撑薄膜的光入射的图案化导体层。在此范例中，非交联有机聚合物材料包含可从Merck PerformanceMaterials GmbH获得的
Figure BDA0002445399580000031
其具有相对低的介电常数(k)，且该层非交联聚合物介电材料4通过诸如旋转涂覆(spin-coating)等液体处理技术形成，随后以大约90℃烘烤。接着，在工件W新的上表面上原位形成一层光阻材料6。在此范例中，所述光阻材料是可从Microchemicals GmbH获得的正型光阻(positive photoresist)材料
Figure BDA0002445399580000032
TFP650F5，且该层光阻材料6通过诸如旋转涂覆的液体处理技术形成，随后在光阻层6的整个区域上方烘烤以降低所述光阻材料的可溶性(在下文所提到的显影剂中的可溶性)。接着，立即或在诸如烘烤的进一步处理之后，在导致光阻材料的可溶性(在下文所提到的显影剂中的可溶性)增加的辐射频率下，将光阻层6暴露于非交联聚合物介电层4所希望的图案的负型辐射影像。光阻层6对于所述负型辐射影像的暴露借由使用光罩8来实现，所述光罩8在生产技术中稍后再一次用以图案化有机半导体层14。
参阅图2，光阻层6中潜隐的可溶性影像接着借由将工件W的上表面暴露于碱性显影剂而显影，以产生图案化的光阻遮罩6a。在此范例中，碱性显影剂是四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide(TMAH))水溶液。TMAH是在水溶液中完全解离(dissociate)的强有机碱。
参阅图3，工件W的上表面暴露于蚀刻非交联聚合物介电层4的反应式离子蚀刻(RIE)等离子体。图案化的光阻遮罩6a起到使非交联聚合物介电层4能够图案化的作用。塑料支撑薄膜组件2未被光阻遮罩6a遮盖的区域被暴露，而被光阻遮罩6a遮盖的区域中的非交联聚合物介电层4的厚度实质上无任何减少。在此范例中，非交联聚合物介电层4的图案化产生包含岛体阵列的图案，各岛体位于各自晶体管的半导体通道的区域中。所述图案化也暴露晶体管阵列外的外围区域中的硬覆层表面，包括源极-漏极导体图案的寻址/路由导体将要最接近地相邻于彼此的区域，诸如寻址/路由导体在此区域中要通过细间距键合(fine pitch bonding)被电连接至包括一或多个驱动芯片的分离组件(例如挠性板上芯片(chip-on-flex(COF))组件)的各自的导体。硬覆层和源极-漏极导体图案之间的粘合优于非交联聚合物介电层4和源极-漏极导体图案之间的粘合。
参阅图4，此后，工件W的上表面在导致光阻材料6a的可溶性降低的辐射频率下被暴露于辐射(立即或在诸如烘烤的进一步处理之后)，随后借由上文所提到的碱性显影剂处理工件W的上表面，以移除剩余的光阻材料6a，且留下图案化的非交联聚合物介电层4a在工件W的上表面。
参阅图5，此后，导体层堆叠10被原位形成在工件W的上表面。在此范例中，导体层堆叠10包含与塑料支撑薄膜组件2和图案化的非交联聚合物介电层4a接触的一层钼钽(MoTa)合金；及在MoTa层上方的一层化学惰性较强的金属诸如例如金。MoTa层的作用在于改良化学惰性较强的金层与塑料支撑薄膜组件2和图案化的非交联聚合物介电层4a的粘合。此后，另一层光阻12通过诸如例如旋转涂覆的液体处理技术由溶液在工件W的新的上表面上被原位形成，并在光阻层12的整个区域上方烘烤以降低所述光阻材料的可溶性(在下文所提到的显影剂中的可溶性)。此后，立即或在诸如烘烤的后处理(post-treatment)之后，在导致光阻材料在下文所提到的显影剂中的可溶性增加的辐射频率下，使光阻层12暴露于所希望的用于晶体管的源极-漏极导体图案的负型辐射影像(使用光罩14)。
参阅图6，使用碱性显影剂使光阻层12中潜隐的可溶性影像显影，以在光阻层12中产生相应于所希望的源极-漏极导体图案的图案。
参阅图7，此后，工件W的上表面被暴露于用于蚀刻导体层堆叠的一或更多的蚀刻剂。图案化的光阻遮罩12a起到使导体层堆叠10能够图案化的作用。塑料支撑薄膜组件2和非交联聚合物介电层4a未被光阻遮罩12a遮盖的区域被暴露，而被光阻遮罩12a遮盖的区域中的导体层堆叠10的厚度实质上无任何减少。用于蚀刻至少与非交联聚合物介电层4a接触的导体层(例如MoTa层)的蚀刻剂是酸性蚀刻剂，诸如例如磷酸水溶液。
为简单起见，虽然图7仅显示形成定义晶体管的半导体通道的通道长度的源极-漏极电极的源极-漏极导体图案的部分，但源极-漏极导体图案可包含附加的部分，诸如自非交联聚合物介电图案4a的边缘上方电极部分延伸至工件晶体管阵列外的外围部分的寻址/路由线。对于形成用于例如LCD装置的有源矩阵寻址电路的晶体管的范例而言，源极-漏极导体图案可包含(i)源极导体阵列，其各为各自的晶体管行提供源极电极10a，且各延伸至有源显示区域外的区域；及(ii)漏极导体阵列，其各为各自的晶体管提供漏极导体10b。
参阅图8，此后，剩余的光阻材料通过以下步骤被移除：立即或在诸如烘烤的后处理之后，在导致剩余的光阻材料的可溶性(在下文所提到的显影剂中的可溶性)增加的辐射频率下，使工件W的上表面暴露于辐射，及此后，将工件W的上表面暴露于碱性显影剂。
此后，选择性地键合(例如，硫金键(gold-thiol bond)或硫银键(silver-thiolbond)，如果源极-漏极导体图案具有金或银上表面的话)于源极-漏极导体图案(在源极/漏极导体堆叠已经通过上文所描述的图案化被移除了的区域中实质上无任何键合于工件上)的有机电荷-注入材料(未显示)通过例如旋转涂覆由溶液沉积于工件W的上表面上，以选择性地在源极/漏极导体图案10a的暴露表面上形成有机注入材料的自组装单层(self-assembled monolayer(SAM))。此SAM进一步利于源极-漏极导体与有机半导体材料14之间电荷载子的转移，如下文所述。
参阅图9，此后，通过诸如例如旋转涂覆的液体处理技术，一层有机聚合物半导体材料14被原位形成在工件W的上表面上(其在例如通道区域中实体地接触非交联聚合物介电材料4a，且其在源极-漏极导体图案10上实体地接触电荷-注入SAM)，且通过诸如例如旋转涂覆的液体处理技术，一层非交联聚合物介电材料16被形成在有机半导体层14的上表面上。在此范例中，位于有机聚合物半导体14上方和下方的非交联聚合物介电层4、16包含具有相对低介电常数(k)的相同的聚合物材料。
参阅图10，此后，通过诸如例如旋转涂覆的液体处理技术，一层正型光阻材料18被原位形成在工件W的上表面上，随后借由烘烤以降低光阻材料在下文所提到的显影剂中的可溶性。此后，立即或在诸如烘烤的后处理之后，在导致光阻材料的可溶性(在下文所提到的显影剂中的可溶性)增加的辐射频率下，使工件W的上表面暴露于有机半导体和上低k介电层14、16所希望的图案的负型辐射影像。
参阅图11，光阻层18中潜隐的可溶性图像通过将工件W的新的上表面暴露于显影剂而显影，以在光阻层18中产生相应于所希望的有机半导体和低k介电层14、16。
参阅图12，此后，工件W的上表面被暴露于蚀刻有机半导体和低k介电层14、16的反应式离子蚀刻(RIE)等离子体。图案化的光阻遮罩18a起到使有机半导体和低k介电层14、16能够图案化的作用；未被光阻遮罩18a遮盖的区域中的有机半导体和低k介电层14、16的全部厚度被移除，而被光阻遮罩18a遮盖的区域中的有机半导体和低k介电层14、16的厚度实质上无任何减少。
参阅图13，此后，立即或在诸如烘烤的后处理之后，在导致剩余的光阻材料18a的可溶性(在显影剂中的可溶性)降低的辐射频率下，使工件W的上表面暴露于辐射，随后借由上文所提到的显影剂处理工件W的上表面，以移除剩余的光阻材料。
在此范例中，用于图案化此光阻层18的光罩8与用于图案化光阻层6(用于图案化非交联聚合物介电层4)的光罩8是相同的；且光罩8相对于塑料支撑薄膜组件2的对齐在这两个阶段是相同的，借此，在有机半导体和低k介电层14、16中所产生的图案既是(i)实质上与非交联介电层4中的图案相同，又是(ii)实质上与非交联聚合物介电层4中的图案对齐。
参考图14，此后，通过诸如例如旋转涂覆的液体处理技术，另一层有机聚合物介电材料20被原位形成在工件W的新的上表面上。该另一层有机聚合物介电材料20具有相较于与有机半导体14实体接触的该层有机聚合物介电材料16而言较高介电常数(k)。此后栅极导体图案22被原位形成在该另一层有机聚合物介电材料20的上表面上。在此范例中，通过诸如溅镀的气相沉积技术一金属层(或金属层堆叠)被原位形成于上介电材料20的上表面上，且通过光刻(photolithographic)技术被图案化。对于形成用于例如LCD装置的有源矩阵寻址电路的晶体管的范例而言，栅极导体图案22可包含栅极导体阵列，其各为各自的晶体管列提供栅极电极，且各延伸到有源显示区域外的区域。有源矩阵阵列中的各晶体管与栅极和源极导体的各自的唯一的组合相关联，借此，各晶体管可经由栅极和源极导体的位于有源显示区域外的部分而被独立地寻址。
在研究于顶栅极(top-gate)晶体管装置中在源极-漏极导体图案下面引入图案化非交联有机聚合物介电层4的效果的过程中，本申请的发明人获得如下惊人结果。在源极-漏极导体图案下面实施使用非交联聚合物介电层不仅对于晶体管的转移曲线没有产生劣化(相比于在源极-漏极导体图案下使用交联聚合物介电层而言)，而且观察到转移曲线得到改善。此外，观察到此改善与图案化所述非交联聚合物介电层的制程有关。图15显示针对(i)按上文所详述生产的晶体管装置(图15中实线)和(ii)除省略了图案化非交联聚合物介电层4以外以相同的制程生产的晶体管装置(图15中虚线)的转移曲线的比较测量的结果。图16显示针对(ii)按上文所描述只是未图案化非交联聚合物介电层所生产的晶体管装置(图16中标注D320列)和(iii)按上文所描述只是其中源极-漏极导体图案改为形成在一未经图案化的交联环氧基聚合物介电层的上表面上所生产的晶体管装置(图16中标注SU-8列)的转移曲线的比较测量的结果。不希望被理论所限，本申请的发明人将转移曲线的改善归因于遗留在图案化非交联聚合物层4中的碱性物种(alkaline species)(来自用以移除光阻图案6a的碱性显影剂)。相信在这些残余的碱性物种与来自用以图案化源极-漏极导体图案的酸性蚀刻剂的酸性物种之间的一些相互作用是转移曲线改善的背后原因。更详细而言，相信非交联聚合物介电层4中碱性物种的残留起到了更好地防止于非交联聚合物介电层4中产生酸性物种残留(来自图案化源极-漏极导体图案所使用的酸性蚀刻剂的)的的作用，且相信非交联聚合物介电层4中酸性物种的减少或消除是晶体管转移曲线改善的背后原因。
如上文所提到的，所述碱性剂是强有机碱的水溶液，TMAH。其他碱性剂可被使用，包括非有机和有机强碱，其在水溶液中完全解离。
如上文所提到的，虽然依据本发明之技术的范例已参考具体制程细节在上文中详细地予以描述，但本技术可更广泛地适用于本申请的总体教导中。此外，且依据本发明的总体教导，依据本发明的技术可包括上文未描述的附加的制程步骤，和/或省略上文所描述的一些制程步骤。
除了以上明确提及的任何修改，对于所述领域技术人员明显的是所述实施例的多种其他修改可在本发明的范围内作成。
申请人特此独立揭露本文所述的各个个别特征及二或更多此等特征的任何组合，其揭露至此等特征或组合能够基于本案说明书整体内容并依据所述领域技术人员的共同一般知识来实施的程度，而不论此等特征或特征组合是否解决本文所揭露的任何问题，且对权利要求的范围不造成限制。申请人指出本发明之态样可由任何此种个别特征或特征组合组成。

Claims (14)

1.一种方法，其包含以下步骤：形成导体层与介电层相接触；使用酸性图案化剂图案化所述导体层，以于工件的表面形成用于一或多个晶体管的源极-漏极导体图案；及在所述工件的表面上方形成有机半导体层，以提供用于所述一或多个晶体管的一或多个半导体通道；其中所述方法进一步包含以下步骤：在形成所述导体层之前，使用碱性剂处理所述介电层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用碱性剂处理所述介电层的步骤形成图案化所述介电层的制程的部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述导体层是导体层堆叠的底层，且所述图案化的步骤包含图案化所述导体层堆叠。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中所述介电层包含非交联有机聚合物材料。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其中所述碱性剂包含有机碱。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其包所述碱性剂包含强碱。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中进一步包含以下步骤：在一支撑薄膜组件的一硬覆层上原位形成所述介电层。
8.一种装置，包含：定义一或多个晶体管装置的层堆叠，其中所述层堆叠包括：提供用于所述一或多个晶体管装置的半导体通道的有机半导体层；提供用于所述一或多个晶体管装置的源极和漏极导体的导体层；及位于所述有机半导体层两侧上的非交联有机聚合物介电层，其中所述非交联有机聚合物介电层中的一者在所述有机半导体层的一侧上与所述源极和漏极导体相接触；且所述非交联有机聚合物介电层中的一者在至少所述半导体通道的区域中在所述有机半导体层的相对侧上与所述有机半导体层相接触。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述非交联有机聚合物介电层具有相同的成分。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述一或多个晶体管装置包含一或多个顶栅极晶体管装置。
11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的装置，进一步包含塑料支撑薄膜，及位于所述塑料支撑薄膜和所述有机半导体层下方的所述非交联有机聚合物介电层之间的硬覆层。
12.一种方法，其包含以下步骤：形成定义一或多个晶体管装置的层堆叠，其中所述层堆叠包含提供用于所述一或多个晶体管装置的半导体通道的有机聚合物半导体；其中形成所述层堆叠包含以下步骤：在基体上形成第一非交联有机聚合物介电层；在不使所述第一非交联聚合物介电层经受任何交联处理的情况下，形成源极-漏极导体图案与所述第一非交联聚合物介电层的上表面相接触；至少于所述半导体通道的区域中在所述非交联有机聚合物介电层的所述上表面上方形成所述有机聚合物半导体层；及形成第二非交联有机聚合物介电层，其至少于所述半导体通道的区域中与所述有机半导体层的所述上表面相接触。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一和第二非交联有机聚合物介电层具有相同的成分。
14.根据权利要求12或13所述的方法，进一步包含以下步骤：在支撑薄膜组件的硬覆层上原位形成所述第一非交联聚合物介电层。
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