專利名稱：半導(dǎo)體部件和制備它們的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1前序部分描述的半導(dǎo)體部件以及權(quán)利要求12前序部分描述的在基材上形成層的方法。
基于有機半導(dǎo)體層的有機場效應(yīng)晶體管(OFETs)對于大量電子應(yīng)用是有利的，其要求低的制造成本、柔韌的或不易破碎的基材、或在大的活性區(qū)域上進行晶體管和集成電路的制造。例如，有機場效應(yīng)晶體管適合用作有效矩陣屏幕中的象素控制元件，或用于極其廉價的集成電路的制造，如用于貨物和商品的活性標記和識別，也可以用于未來的有機記憶元件的控制電路。
當今，基于有機半導(dǎo)體層的晶體管和集成電路(ICs)以最大可能的程度應(yīng)用p-MOS技術(shù)進行操作，因為實質(zhì)上只有有機p-型半導(dǎo)體具有足夠的穩(wěn)定性來制備耐久元件。
大多數(shù)以前已知的有機半導(dǎo)體(例如，并五苯、并四苯、低聚噻吩和聚噻吩)，從它們電荷載體遷移性角度出發(fā)，也被考慮應(yīng)用，通常在晶體管中具有稍微正的閾值電壓，也就是說在門電極上存在0伏的電勢時，所述晶體管仍然沒有完全關(guān)閉。其結(jié)果是簡單的轉(zhuǎn)換器(兩個晶體管)不能顯示正確的邏輯功能，并且基于其的環(huán)振蕩器不能振蕩。
在電路學(xué)方面，迄今，這個問題已經(jīng)得到解決，其是以這樣的方式解決的形成具有集成的“水平移動”的轉(zhuǎn)換器和由其制造的電路。這種邏輯功能的附加“校正”的結(jié)果是用于功能轉(zhuǎn)換器的晶體管數(shù)量被加倍，從二到四(H.Klauk，D.J.Gundlach，T.N.Jackson IEEEElectron Device Letters，1999，20，289-291)。
此外，水平移動器進一步需要供給電壓。
此外，存在通過合適門電介質(zhì)(無機或有機)的選擇來設(shè)置閾值電壓的方法(見H.Klauk，M.Halik，U.Zschieschang，G.Schmid，W.Radlik，W.Weber，Journal of Applied Physics，2002，92，5259-5263)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，達到了在負值范圍的值(約-8V)，但是，這些值的波動相當大(+/-10V)，因此，在目前，用于ICs的可靠電路設(shè)計是不可能的。此外，盡管已有描述，在并五苯晶體管中SiO2作為門電介質(zhì)的情況下，同沒有SiO2作為門電介質(zhì)相比，十八烷基三氯硅烷(OTS)單層引起閾值電壓幾伏特的偏移，但是這并不能以這樣的方式進行，即能夠進行閾值電壓的系統(tǒng)和初步定義的設(shè)置。
第三種可能性包括電路的動態(tài)運行。在這種情況下，通過運用外部脈沖電壓激活電路系統(tǒng)(W.Fix，A.Ullmann，J.Ficker，W.Clemens，Applied Physics Letters，2002，81，1735-1737)。從原理上講用于簡單的示范電路是可能的，但用于更復(fù)雜的邏輯電路將非常復(fù)雜。
本發(fā)明的目的是通過以下方式改進OFETs，即使邏輯功能的附加校正(水平移動)變得不必要。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有權(quán)利要求1特征的半導(dǎo)體部件達到。
本發(fā)明的半導(dǎo)體部件含有包含這樣一種化合物的層，該化合物包含至少一個錨定基團，其用于形成與基材結(jié)合的鍵，和至少一個具有至少一個自由電子對和/或偶極矩的基團。為了形成固定的層，所述錨定基團是必須的。
本發(fā)明的效果基于以下事實首先，引入的化合物關(guān)閉電荷載體匯(陷阱)，并且同時形成分子的分子性能(偶極矩)的宏觀效果，這是分子的高度有序?qū)е碌?，所述效果對例如疊加的有機半導(dǎo)體層的電化學(xué)和電性能以及形態(tài)有有利的影響。
其作用是，用于邏輯電路的晶體管數(shù)量將減半，并且因此還需要較少互聯(lián)和通道，進而電路所需的面積將變得更小。此外，產(chǎn)出將增加。同樣避免了用于水平移動器的第二供給電壓。這種改進以化學(xué)手段，按以下方式進行將在施加電壓時對有機半導(dǎo)體電性能具有影響的化合物，在有機半導(dǎo)體沉積前，引入/施加到晶體管通道中(源極和漏極之間的電介質(zhì)上的通道)。
在一個有益的改進中，至少一個錨定基團可以被共價地鍵接于電介質(zhì)層。如下情況是尤其有利的，如果至少一個錨定基團是硅-鹵基團、硅-烷氧基基團、氨基基團、酰胺基團或反應(yīng)性羧酸衍生物，尤其是氯或原酸酯。
在另一個有益的改進中，用于形成偶極矩的基團含有極性基團，尤其是氨基基團、氰基基團、硝基基團或二茂鐵基基團。另外，如果含有自由電子對的基團含有氧、氮、硫和/或磷，這是有利的。
如果所述化合物有能力在基材上形成單分子層，尤其是電介質(zhì)層，則可以按簡單的方式由層構(gòu)建半導(dǎo)體部件。
同所述化合物的其它類別相比，如果所述化合物基本上以線性方式形成或具有長軸，則尤其有利于單層的形成。此外，如果所述錨定基團與具有偶極矩的基團或含有自由電子對的基團被排列在所述線性化合物相對的兩端，則對單層來說是尤其有利的。如果所述化合物的一部分與基材的表面尤其是介電層具有增加的親和性，并且具有高的堆積密度、相對于基材來說是惰性的基團被排列在所述化合物相對端，則是尤其有利的。
如果所述化合物具有下述結(jié)構(gòu)之一，則閾值電壓可按特定目標方式被抑制 此外，如果所述化合物是聚乙烯吡咯烷酮、pyridilinone或含有這些單元的統(tǒng)計或嵌段共聚物，則是有利的。
本發(fā)明的目的也是通過具有權(quán)利要求12特征的用于制備半導(dǎo)體部件的方法完成的。
在這種情況下，將基材，特別是含有電介質(zhì)層的部件基材在溶液中浸漬或從蒸氣相中沉積，所述溶液或蒸氣相包含至少一種權(quán)利要求1到11所述的化合物。
在這種情況下，希望所述化合物這樣被施加，其要盡可能地薄，優(yōu)選是單層，并且不貴。為了避免擴散過程，希望在通道內(nèi)盡可能以化學(xué)方式固定(共價地鍵接于電介質(zhì))。對于不同的應(yīng)用，為了得到最佳/可設(shè)置的閾值電壓值，借助于這種化合物，應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)閾值電壓值。
對于從溶液中沉積的情況，如果溶液中化合物的濃度為0.1％-1％，則是有利的。
如果在施加含有權(quán)利要求1-11中至少一個權(quán)利要求中的化合物的層后，施加源極-漏極層和有機半導(dǎo)體層，則可按有利的方式形成半導(dǎo)體部件，尤其是OFET。
下面參考附圖，用大量的示例性實施方案更詳細地解釋本發(fā)明。


圖1顯示了通過有機場效應(yīng)晶體管的簡略的剖視圖；圖2顯示了具有含有本發(fā)明化合物的層的層結(jié)構(gòu)的簡略示意圖；圖3a-c顯示了本發(fā)明化合物的實施方案的結(jié)構(gòu)式；圖4a顯示了閾值電壓與被選擇化合物關(guān)系的測試結(jié)果；圖4b顯示了被測閾值電壓用偶極矩校正的結(jié)果；表1顯示了在具有不同基材的OFETs中的閾值電壓。
在討論本發(fā)明半導(dǎo)體部件示例性實施方案之前，將參考圖1和2解釋作為半導(dǎo)體部件的有機場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。
在這種情況下，圖1顯示了通過有機場效應(yīng)晶體管(OFET)的簡略的剖視圖。
有機場效應(yīng)晶體管是電子器件，其包括多個層(薄膜)，這些層都被圖案化，以便通過單個層的連接而產(chǎn)生集成電路。在這種情況下，圖1顯示了具有底部-接觸構(gòu)造的這種晶體管的基本結(jié)構(gòu)。
門電極21排列在底部基材20上，所述門電極被門電介質(zhì)層22覆蓋。這種類型的電介質(zhì)的層厚度小于5nm(自底向上)。
用于設(shè)置閾值電壓的層10排列在門電介質(zhì)層22上的區(qū)域中；因此，所述門電介質(zhì)層22形成了用于設(shè)置閾值電壓的層10的基材。用于設(shè)置閾值電壓的層10向上連接到活性半導(dǎo)體層24(這里指并五苯)。側(cè)面排列源極層23a和漏極層23b，它們都同樣連接到疊加的活性半導(dǎo)體層24。鈍化層25排列在活性層24上。
以圖2中放大的方式說明圖1中OFET中電荷載體通道區(qū)域。用菱形11代表設(shè)置閾值電壓的層10與疊加的活性層25之間的靜電相互作用。
圖3a-3c說明了本發(fā)明化合物的三種實施方案。所有的三種化合物KBM、APTS和APPTS都含有作為硅烷基團形成的錨定基團1。借助這種錨定基團1，所述化合物可以與基材如圖2中所述電介質(zhì)層22形成鍵?？紤]到三種化合物基本線性的特征，當化合物的縱軸相互平行且垂直于電介質(zhì)層22時，則可形成單層。此外，所有的化合物在相反于錨定基團1的化合物的一端含有極性基團2。
在圖2中由這些化合物之一構(gòu)成的單層10以如下的方式起作用其與疊加的半導(dǎo)體層24(如并五苯)發(fā)生電相互作用，且在該過程中改變半導(dǎo)體性能，以便可以按目標方式影響閾值電壓，尤其是使其降低。
同時將結(jié)合圖4a和4以及表1解釋該過程。
包含本發(fā)明化合物(如圖3)的層10的優(yōu)勢在于其可以廉價地用于晶體管結(jié)構(gòu)(在有機半導(dǎo)體層沉積前)。
用于該目的的方法可以是簡單的浸漬方法，其中將基材浸漬在稀溶液中(溶劑中含有大約0.1-1％的物質(zhì))。在這種情況下，所述分子通過它們的錨定基團1連接到所述電介質(zhì)層22。作為例子，氯或烷氧基硅烷選擇性地連接到用OH基團官能化的表面以便形成Si-O鍵。然后，用純?nèi)軇┢催^量的原料。
作為可選擇的方案，蒸汽相沉積也是可能的。在這種情況下，將顯示在圖3a-3c中的每種化合物從蒸汽相中作為單層施加到高度攙雜的、被熱氧化的(100nm SiO2)的硅片上。隨后蒸汽沉積得到30nm厚的并五苯(有機半導(dǎo)體)層24。為了完成所述晶體管結(jié)構(gòu)，源極和漏極觸點(23a，23b)被蒸汽沉積得到的30nm厚金層限定(圖案化通過使用陰罩來進行)。此后，對所述晶體管進行電學(xué)表征。
為了比較的目的，作為參照，以同樣的方式制備并測試了沒有這種單層的OFET。為了比較的目的，同樣實施了含有OTS的涂層。
測試得到的閾值電壓結(jié)果示于表1和圖4a。測得的用相應(yīng)化合物偶極矩校正的閾值電壓值示于圖4b。在這種情況下，其清楚地表明依據(jù)化合物可以按目標方式設(shè)置閾值電壓。在這種情況下，依據(jù)分子的性能(如偶極矩)和層的性能(如自由表面能)來校正閾值電壓。與所述參照(沒有獨立的層)相比，而且也與含有OTS的對比例相比較，很顯然，所述閾值電壓顯著降低。
本發(fā)明的主要優(yōu)勢在于，在此被描述的電介質(zhì)表面和因此電荷載體通道化學(xué)改性的簡單方法，使以前在OFETs中通過水平移動來解決正閾值電壓問題所需要的技術(shù)方案變得完全不必要，并因此節(jié)約了大約50％的每個電路上所需的晶體管。
本發(fā)明的實施方案不局限于上述優(yōu)選的示例性實施方案。相反，即使在本質(zhì)上不同構(gòu)型的實施方案情況下，可以考慮大量利用本發(fā)明的半導(dǎo)體部件和本發(fā)明方法的不同實施方案。
表1
參考符號說明1 錨定基團2 極性基團10用于通過靜電相互作用而進行閾值電壓目標設(shè)置的層20用于OFET的底部基材21門電極22門電介質(zhì)層23a 源極層23b 漏極層24活性半導(dǎo)體層25鈍化層
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體部件，其在用于控制與有機半導(dǎo)體的靜電相互作用的層中，尤其在有機場效應(yīng)晶體管中包含化合物，其特征在于a)所述化合物含有至少一個用于與所述基材形成鍵的錨定基團(1)，和b)至少一個基團(2)，其含有至少一個自由電子對和/或偶極矩。
2.權(quán)利要求1的半導(dǎo)體部件，其特征在于，至少一個錨定基團(1)可以被共價地鍵接到電介質(zhì)層。
3.權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體部件，其特征在于，至少一個錨定基團(1)是硅-鹵基團、硅-烷氧基基團、氨基基團、酰胺基團或反應(yīng)性羧酸衍生物，尤其是氯或原酸酯。
4.至少一個前述權(quán)利要求的半導(dǎo)體部件，其特征在于，用于產(chǎn)生偶極矩的基團包括極性基團，尤其是氨基基團、氰基基團、硝基基團或二茂鐵基團。
5.至少一個前述權(quán)利要求的半導(dǎo)體部件，其特征在于，含有至少一個自由電子對的基團含有氧、氮、硫和/或磷。
6.至少一個前述權(quán)利要求的半導(dǎo)體部件，其特征在于，所述化合物能夠在基材(22)上，尤其是電介質(zhì)層上，形成單分子層。
7.至少一個前述權(quán)利要求的半導(dǎo)體部件，其特征在于，所述化合物基本以線性方式形成或相對于所述化合物的其它組具有長軸。
8.權(quán)利要求7的半導(dǎo)體部件，其特征在于，所述錨定基團(1)和具有偶極矩的基團(2)或含有自由電子對的基團被排列在線性化合物的相對末端。
9.權(quán)利要求7或8的半導(dǎo)體部件，其特征在于，化合物的一部分與基材(22)的表面，尤其是電介質(zhì)層具有增加的親和性，并且在該化合物的相對端排列有高堆積密度基團，該基團相對于基材(22)來說是惰性的。
10.至少一個前述權(quán)利要求的半導(dǎo)體部件，其特征在于，所述化合物具有下述結(jié)構(gòu)之一
11.至少一個前述權(quán)利要求的半導(dǎo)體部件，其特征在于，所述化合物是聚乙烯吡咯烷酮、pyridilinone或含有這些單元的統(tǒng)計或嵌段共聚物。
12.一種用于在權(quán)利要求1-11的至少一個的半導(dǎo)體部件中形成層結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，將一種基材，尤其是含有電介質(zhì)層(22)的部件基材(20)，浸漬在溶液中或從蒸汽相中沉積，其中包含至少一種權(quán)利要求1-11中的化合物。
13.權(quán)利要求12的方法，其特征在于，在所述溶液中所述化合物的濃度為0.1-1％。
14.權(quán)利要求12或13的方法，其特征在于，在施加含有權(quán)利要求1-11的至少一個的化合物的層(10)后，施加源極-漏極層(23a，23b)和有機半導(dǎo)體層(24)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體部件，其包含用于控制與有機半導(dǎo)體的靜電相互作用的層(10)，尤其是有機場效應(yīng)晶體管。所述半導(dǎo)體部件的特征在于，a)所述化合物具有至少一個用于與所述基材形成鍵的錨定基團(1)，和b)所述化合物進一步具有至少一個基團(2)，其具有至少一個自由電子對和/或偶極矩。本發(fā)明也涉及用于形成包含這種化合物的層的方法，特別允許制備OFETs，使得附加的對邏輯功能的校正(水平移動)變得無用。
文檔編號H01L51/00GK1823432SQ200480019840
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者M·哈利克, H·克勞克, G·施米德, U·茨施尚 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司