專(zhuān)利名稱(chēng)：用于頂柵有機(jī)薄膜晶體管的經(jīng)表面處理的基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體管，特別是有機(jī)薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
晶體管可分為兩個(gè)主要類(lèi)型雙極結(jié)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。兩種類(lèi)型均具有包 括三個(gè)電極的共同結(jié)構(gòu)，其具有在溝道區(qū)中設(shè)置于其間的半導(dǎo)體材料。雙極結(jié)晶體管的三 個(gè)電極稱(chēng)為發(fā)射極、集電極和基極，而在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，三個(gè)電極稱(chēng)為源極、漏極和柵極。 由于在發(fā)射極和集電極之間的電流通過(guò)在基極和發(fā)射極之間流動(dòng)的電流進(jìn)行控制，因此雙 極結(jié)晶體管可描述為電流操作器件。相反，由于源極和漏極之間流動(dòng)的電流通過(guò)柵極和源 極之間的電壓進(jìn)行控制，因此場(chǎng)效應(yīng)晶體管可描述為電壓操作器件。根據(jù)是否包括分別傳導(dǎo)正電荷載流子(空穴)或負(fù)電荷載流子(電子)的半導(dǎo)體 材料，晶體管也可分成ρ型和η型。半導(dǎo)體材料可根據(jù)其接收、傳導(dǎo)和給予電荷的能力進(jìn)行 選擇。半導(dǎo)體材料接收、傳導(dǎo)和給予空穴或電子的能力可通過(guò)將材料摻雜而增強(qiáng)。例如，ρ型晶體管器件可通過(guò)選擇在接收、傳導(dǎo)和給予空穴方面有效的半導(dǎo)體材 料，以及選擇在從該半導(dǎo)體材料注入和接收空穴方面有效的源極和漏極材料而形成。電極 中費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體材料的HOMO能級(jí)的良好能級(jí)匹配能增強(qiáng)空穴注入和接收。相反，η型 晶體管器件可通過(guò)選擇在接收、傳導(dǎo)和給予電子方面有效的半導(dǎo)體材料，和選擇在向該半 導(dǎo)體材料注入電子和自該半導(dǎo)體材料接收電子方面有效的源極和漏極材料而形成。電極中 費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體材料的LUMO能級(jí)的良好能級(jí)匹配能增強(qiáng)電子注入和接收。晶體管可通過(guò)沉積薄膜部件以形成薄膜晶體管(TFT)來(lái)形成。當(dāng)有機(jī)材料用作這 種器件中的半導(dǎo)體材料時(shí)，其稱(chēng)為有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)。有機(jī)半導(dǎo)體是一類(lèi)具有大范圍 共軛的離域η體系的有機(jī)分子，該η體系允許電子的移動(dòng)。OTFT可以通過(guò)低成本、低溫方法如溶液處理進(jìn)行制造。而且，OTFT與柔性塑料基 板兼容，提供了在卷對(duì)卷(roll-to-roll)工藝中在柔性基板上大規(guī)模制造OTFT的前景。參見(jiàn)

圖1，底柵有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)的一般結(jié)構(gòu)包括沉積于基板10上的柵極 12。介電材料的絕緣層11沉積于柵極12上方，并且源極和漏極13、14沉積于介電材料的絕 緣層11的上方。源極和漏極13、14間隔開(kāi)，以在其間限定位于柵極12上方的溝道區(qū)。有 機(jī)半導(dǎo)體(OSC)材料15沉積于源極和漏極13、14之間的溝道區(qū)中。OSC材料15可以至少 部分地在源極和漏極13、14的上方延伸?；蛘?，已知在有機(jī)薄膜晶體管的頂部上提供柵極以形成所謂的頂柵有機(jī)薄膜晶體 管。在這樣的結(jié)構(gòu)中，源極和漏極沉積于基板上并間隔開(kāi)，以在其間限定溝道區(qū)。有機(jī)半導(dǎo) 體材料層沉積于源極和漏極之間的溝道區(qū)中，并可以至少部分地在源極和漏極上方延伸。 介電材料的絕緣層沉積于有機(jī)半導(dǎo)體材料上方，并也可以至少部分地在源極和漏極上方延 伸。柵極沉積于絕緣層上方并位于溝道區(qū)上方。有機(jī)半導(dǎo)體和含有這些半導(dǎo)體的晶體管的性能通常通過(guò)測(cè)量其“電荷遷移 率”(Cm2V-1S-1)而進(jìn)行評(píng)價(jià)，該遷移率也根據(jù)該器件是η溝道器件還是ρ溝道器件而稱(chēng)為“電子遷移率”或“空穴遷移率”。該測(cè)量涉及電荷載流子穿過(guò)材料向施加的電場(chǎng)的漂移速度?，F(xiàn)有技術(shù)中已知為了降低有機(jī)半導(dǎo)體的接觸角和改善半導(dǎo)體的分子排列(特別 是為了獲得高的結(jié)晶度)而處理底柵器件的介電層。例如，Sirringhaus等人[Nature vol 401，ρ 685-688,1999]公開(kāi)了自組裝單層 (SAM)預(yù)處理的二氧化硅絕緣體層，其具有影響Ρ3ΗΤ的形貌的甲基端基(使用六甲基二硅 氮烷形成)，導(dǎo)致OTFT的場(chǎng)效應(yīng)遷移率改善至0. IcmVVs0該途徑還已由脅等人[Appl. Phys. Lett. Vol 86，142101，2005]使用多個(gè)烷基鏈 SAMs 做出。Kumaki 等人[Appl. Phys. Lett. Vol 90，13；3511 Q007)]公開(kāi)了將苯乙基三氯硅燒 用于預(yù)處理具有二氧化硅電介質(zhì)的底柵器件的電介質(zhì)層。在該工作中使用的半導(dǎo)體是并五 苯的熱蒸發(fā)膜。得到的器件性能的改善歸因于二氧化硅層上水的吸附的降低，該吸附將導(dǎo) 致形成陷阱點(diǎn)。Rawcliffe 等人[Chem. Commun.，871-73，2008]已使用稠合的聚噻吩在底柵
器件結(jié)構(gòu)上研究了苯基封端的SAM(使用苯基三氯硅烷形成)。Park 等人，Appl. Phys. Lett.，Vol 91，06；35140007)公開(kāi)了針對(duì)雙(三異丙基甲 硅烷基乙基)并五苯(TIPS并五苯)有機(jī)半導(dǎo)體層使用自組裝單層對(duì)底柵器件的溝道和電 極的組合的預(yù)處理。在該工作中，為處理電極觸點(diǎn)而選擇的SAM是五氟苯硫酚(PFB硫酚)， 并且六甲基二硅氮烷(HMDQ用于二氧化硅介電層的表面，該介電層形成器件的溝道區(qū)。上述現(xiàn)有技術(shù)涉及底柵器件。在頂柵OTFT器件的開(kāi)發(fā)中，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，這樣 的器件存在高斷路電流(off-current)和差的遷移率的問(wèn)題。本發(fā)明人已確認(rèn)，這些問(wèn)題 至少部分地來(lái)源于溝道中基板表面上存在的基團(tuán)，例如在玻璃基板的情況下在基板表面上 的極性基團(tuán)。這些基團(tuán)可來(lái)自于清潔工藝(UV臭氧和氧等離子體等)并可以包括羧酸基團(tuán) 和-OH表面基團(tuán)。在一些情況下，UV臭氧或氧等離子體工藝也可以用于通過(guò)對(duì)金屬表面的 改性而降低接觸電阻。這些極性物質(zhì)可導(dǎo)致在與玻璃基板的界面處將有機(jī)半導(dǎo)體摻雜，導(dǎo)致形成導(dǎo)電的 “后溝道”，該后溝道使得源漏電流可以在TFT設(shè)置為其“斷路狀態(tài)”時(shí)流動(dòng)。這提高斷路電 流，降低通斷比(on/off ratio)和亞閾值擺幅(sub-threshold swing)。這些性能上的降 低降低這些器件的應(yīng)用范圍。在其中半導(dǎo)體/基板界面(“后溝道”)遠(yuǎn)離半導(dǎo)體/電介質(zhì) 界面(晶體管中的現(xiàn)用溝道(active channel))的頂柵器件中，該效應(yīng)特別成問(wèn)題。相反， 在底柵器件中，“基板”/半導(dǎo)體界面也是電介質(zhì)/半導(dǎo)體界面。結(jié)果，在頂柵器件中更難以 將基板/半導(dǎo)體界面處的誘導(dǎo)電荷耗盡，導(dǎo)致斷路電流較高。本發(fā)明尋求降低斷路電流并提高頂柵器件的遷移率。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供頂柵晶體管的形成方法，該方法包括如下步驟提供帶有 源極和漏極的基板，該源極和漏極在其間限定溝道區(qū)；處理該溝道區(qū)的表面的至少一部分 以降低其極性；并在該溝道中沉積半導(dǎo)體層?？稍趧傂曰蛉嵝曰迳现圃煊袡C(jī)薄膜晶體管。剛性基板可選自玻璃或硅，柔性基 板可包括薄的玻璃或塑料，如聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、聚(萘二甲酸乙二醇酯) PEN、聚碳酸酯和聚酰亞胺。
有機(jī)半導(dǎo)體材料可通過(guò)使用合適的溶劑而變得可溶液處理。示例性的溶劑包括單 烷基苯或多烷基苯，例如甲苯和二甲苯；四氫化萘；和氯仿。優(yōu)選的溶液沉積技術(shù)包括旋涂 和噴墨印刷。其他溶液沉積技術(shù)包括浸涂、輥印和絲網(wǎng)印刷。優(yōu)選的有機(jī)半導(dǎo)體包括并五 苯和稠合噻吩。優(yōu)選的稠合噻吩包括稠合到一個(gè)或多個(gè)其它芳基上的噻吩，所述其它芳基 優(yōu)選為選自噻吩(例如從而形成二噻吩或二噻吩并噻吩)和苯的一個(gè)或多個(gè)芳基。有機(jī)半 導(dǎo)體可以任選地被取代。優(yōu)選地，有機(jī)半導(dǎo)體用增溶基團(tuán)例如烷基、烷氧基或三烷基甲硅烷 基乙炔基取代。在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，有機(jī)半導(dǎo)體層由材料的混合物形成，例如小分子和 聚合物。限定在源極和漏極之間的溝道長(zhǎng)度可最高達(dá)500微米，但是優(yōu)選該長(zhǎng)度小于200 微米，更優(yōu)選小于100微米，最優(yōu)選小于20微米。柵極可選自寬范圍的導(dǎo)電材料，例如金屬(例如金、鋁、銀等)或金屬氧化物陶瓷 化合物(例如氧化銦錫)。或者，導(dǎo)電聚合物可沉積為柵極。這種導(dǎo)電聚合物可優(yōu)選使用加 成工藝(additive process)例如噴墨印刷或上述其他溶液沉積技術(shù)從溶液沉積。絕緣層包含介電材料，該介電材料選自具有高電阻率的絕緣材料。電介質(zhì)的介電 常數(shù)k典型為大約2-3，盡管具有高k值的材料是所希望的，因?yàn)镺TFT可獲得的電容與k成 正比，并且漏極電流、與電容成正比。因而，為了以低工作電壓來(lái)獲得高漏極電流，具有在 溝道區(qū)內(nèi)的薄電介質(zhì)層的OTFT是優(yōu)選的。介電材料可以是有機(jī)的或無(wú)機(jī)的。優(yōu)選的無(wú)機(jī)材料包括Si02、SiNx和旋涂玻璃 (SOG)。優(yōu)選的有機(jī)材料一般為聚合物并且包括絕緣聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡 咯烷酮(PVP)、丙烯酸酯類(lèi)例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及苯并環(huán)丁烷(BCB)(可從Dow Corning公司購(gòu)得)。絕緣層可以由材料的混合物形成或者包括多層結(jié)構(gòu)。介電材料可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的熱蒸發(fā)、真空處理或?qū)雍霞夹g(shù)來(lái)沉積?；蛘?，可以 使用例如旋涂或噴墨印刷技術(shù)以及以上所討論的其它溶液沉積技術(shù)將介電材料從溶液沉 積。如果將介電材料由溶液沉積到有機(jī)半導(dǎo)體上，則介電材料不應(yīng)當(dāng)引起有機(jī)半導(dǎo)體 的溶解。類(lèi)似地，如果將有機(jī)半導(dǎo)體由溶液沉積到介電材料上，則介電材料不應(yīng)當(dāng)被溶解。 避免該溶解的技術(shù)包括使用正交溶劑，例如使用不溶解在下層的溶劑用于沉積最上層； 以及將在下層交聯(lián)。絕緣層的厚度優(yōu)選小于2微米，更優(yōu)選為小于500nm。根據(jù)本發(fā)明的溝道處理形成了覆蓋至少某些、優(yōu)選全部的溝道區(qū)的層。作為替代 或者作為補(bǔ)充，該層基本上覆蓋基板的整個(gè)表面。該層可以包括聚合物有機(jī)層，優(yōu)選聚合物層。或者，該層包括自組裝層，例如自組 裝單層。優(yōu)選地，反應(yīng)性物質(zhì)與基板表面上的極性基團(tuán)反應(yīng)以形成自組裝層。極性基團(tuán)通 常為能夠發(fā)生解離例如去質(zhì)子化的基團(tuán)。優(yōu)選地，該反應(yīng)性物質(zhì)與基板表面上的羥基或酸 極性基團(tuán)反應(yīng)，分別形成醚或酯基團(tuán)。這樣，產(chǎn)生高的斷路電流的極性基團(tuán)被轉(zhuǎn)變成非極性 形式。從例如處理后與處理前相比有機(jī)半導(dǎo)體與溝道的降低的接觸角可以看出溝道表面的 極性的降低。優(yōu)選地，該反應(yīng)性物質(zhì)包含反應(yīng)性基團(tuán)和非極性基團(tuán)，該反應(yīng)性基團(tuán)用于與基板表面上的解離基團(tuán)反應(yīng)。因此，該反應(yīng)性物質(zhì)與所述極性基團(tuán)反應(yīng)以形成具有至少一個(gè)非 極性基團(tuán)的殘基，所述至少一個(gè)非極性基團(tuán)例如為線性、支化或環(huán)狀烷基或任選取代的芳 基端基，即對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體材料具有親和性的基團(tuán)。優(yōu)選地，該非極性基團(tuán)不具有任何解離 基團(tuán)，例如羥基或酸基團(tuán)。優(yōu)選地，該非極性基團(tuán)是烴基。優(yōu)選地，該非極性基團(tuán)是共軛基 團(tuán)并可以是半導(dǎo)電基團(tuán)。這樣的殘基可以包含以下結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.頂柵晶體管的形成方法，該方法包括如下步驟提供帶有源極和漏極的基板，該源 極和漏極在其間限定溝道區(qū)；處理該溝道區(qū)的表面的至少一部分以降低其極性；并在該溝 道中沉積半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該處理包括形成覆蓋至少某些、優(yōu)選全部的溝道區(qū)的 層的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該層基本上覆蓋基板的整個(gè)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的方法，其中該層包括聚合物層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的方法，其中該處理包括使反應(yīng)性物質(zhì)與溝道區(qū)的至少 一部分接觸以形成自組裝層，例如自組裝單層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中該反應(yīng)性物質(zhì)與溝道區(qū)中的極性基團(tuán)反應(yīng)以形成具有 至少一個(gè)非極性基團(tuán)的殘基，所述至少一個(gè)非極性基團(tuán)例如為線性、支化或環(huán)狀烷基或任 選取代的芳基端基，即對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體材料具有親和性的基團(tuán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6的方法，其中該自組裝層包含具有以下結(jié)構(gòu)的殘基
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中X2和X3均表示與溝道區(qū)表面的鍵。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8的方法，其中連接基團(tuán)L包括1至10個(gè)碳原子的取代 或未取代的直鏈、支化或環(huán)狀烷基。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9任一項(xiàng)的方法，其中該殘基包含一個(gè)或多個(gè)以下結(jié)構(gòu)
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10任一項(xiàng)的方法，其中該反應(yīng)性物質(zhì)通過(guò)該反應(yīng)性物質(zhì)與附著 到溝道區(qū)上的極性基團(tuán)的反應(yīng)鍵合到溝道區(qū)上，該反應(yīng)從該反應(yīng)性物質(zhì)中釋放離去基團(tuán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5至10任一項(xiàng)的方法，其中該反應(yīng)性物質(zhì)包含在活化后形成自由 基的反應(yīng)性基團(tuán)，其中該反應(yīng)性物質(zhì)通過(guò)該反應(yīng)性基團(tuán)與溝道區(qū)表面的反應(yīng)鍵合到溝道區(qū) 上。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，該方法包括在處理溝道區(qū)之前或之后采用用于 降低電極的接觸電阻的化合物處理源極和漏極之一或兩者的步驟，以形成電極處理層，該 層覆蓋源極和漏極之一或兩者的至少一些表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該電極處理層包括聚合物層。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該化合物包括能夠與源極和漏極進(jìn)行化學(xué)鍵合以形 成自組裝層例如自組裝單層的化合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中該化合物包括硫酚或二硫化物，并且源極和漏極包 含金、銀、銅或其合金。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16任一項(xiàng)的方法，其中該電極處理層包含在一個(gè)或多個(gè)電極表 面上具有負(fù)偶極矩的殘基。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中該電極處理層包含鹵化或全鹵化殘基，例如氟化殘基。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中該電極處理層包含具有至少一個(gè)吸電子基團(tuán)的殘 基，所述吸電子基團(tuán)優(yōu)選地選自硝基、氰基、烷氧基。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至16任一項(xiàng)的方法，其中該電極處理層包含在一個(gè)或多個(gè)電極表 面上具有正偶極矩的殘基，例如烷烴殘基。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至19任一項(xiàng)的方法，其中該電極接觸層包含具有以下結(jié)構(gòu)的殘基
22.能夠通過(guò)根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法獲得的晶體管。
23.具有溝道區(qū)的頂柵晶體管，該溝道區(qū)包含在基板和半導(dǎo)體層之間的有機(jī)層。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的晶體管，其中該有機(jī)層包括覆蓋至少某些、優(yōu)選全部的溝道區(qū)的層。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或權(quán)利要求M的晶體管，其中該有機(jī)層包括聚合物層。
26.根據(jù)權(quán)利要求23或權(quán)利要求M的晶體管，其中該有機(jī)層包括自組裝層，例如自組裝單層。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈的晶體管，其中該自組裝層包含具有至少一個(gè)非極性基團(tuán)的殘 基，所述至少一個(gè)非極性基團(tuán)例如為線性、支化或環(huán)狀烷基或任選取代的芳基端基，即對(duì)于 有機(jī)半導(dǎo)體材料具有親和性的基團(tuán)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的晶體管，其中該自組裝層包含具有以下結(jié)構(gòu)的殘基
29.根據(jù)權(quán)利要求觀的晶體管，其中X2和X3均表示與基板表面的鍵。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀或權(quán)利要求四的晶體管，其中連接基團(tuán)L包括1至10個(gè)碳原子 的取代或未取代的直鏈、支化或環(huán)狀烷基。
31.根據(jù)權(quán)利要求28或權(quán)利要求四的晶體管，其中該殘基包含一個(gè)或多個(gè)以下結(jié)構(gòu)
32.根據(jù)權(quán)利要求23至31任一項(xiàng)的晶體管，該晶體管具有源極和漏極，所述源極或漏 極之一或兩者包含用于降低電極的接觸電阻的電極處理層。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的晶體管，其中該電極處理層包括聚合物層。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的晶體管，其中該電極處理層包括自組裝層，例如自組裝單層。
35.根據(jù)權(quán)利要求32至34任一項(xiàng)的晶體管，其中該電極處理層包含在一個(gè)或多個(gè)電極表面上具有負(fù)偶極矩的殘基。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35的晶體管，其中該電極處理層通過(guò)硫橋化學(xué)鍵合到源極和/ 或漏極上，并且源極和漏極包含金、銀、銅或其合金。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或36的晶體管，其中該電極處理層包含鹵化或全鹵化殘基，例如氟化殘基。
38.根據(jù)權(quán)利要求35或36的晶體管，其中該電極處理層包含具有至少一個(gè)吸電子基團(tuán) 的殘基，所述吸電子基團(tuán)優(yōu)選地選自硝基、氰基、烷氧基。
39.根據(jù)權(quán)利要求32至34任一項(xiàng)的晶體管，其中該電極處理層包含在一個(gè)或多個(gè)電極 表面上具有正偶極矩的殘基，例如烷烴殘基。
40.根據(jù)權(quán)利要求32至38任一項(xiàng)的晶體管，其中該電極接觸層包含具有以下結(jié)構(gòu)的殘基
41.根據(jù)權(quán)利要求23至40任一項(xiàng)的頂柵晶體管的形成方法，該方法包括以下步驟提 供帶有源極和漏極的基板，該源極和漏極在其間限定溝道區(qū)；在溝道區(qū)中在基板上方沉積 有機(jī)層；并在該有機(jī)層上沉積半導(dǎo)體層。
42.薄膜晶體管的形成方法，該方法包括以下步驟提供源極和漏極，該源極和漏極在 其間限定溝道；處理該溝道區(qū)的表面的至少一部分以降低其極性；并隨后處理該源極和漏 極的表面的至少一部分以降低其接觸電阻。
全文摘要
頂柵晶體管的形成方法，該方法包括如下步驟提供帶有源極和漏極的基板，該源極和漏極在其間限定溝道區(qū)；處理該溝道區(qū)的表面的至少一部分以降低其極性；并在該溝道中沉積半導(dǎo)體層。
文檔編號(hào)H01L51/05GK102144311SQ200980134307
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者C·紐薩姆, J·伯勒斯, J·卡特爾, J·哈爾斯, T·庫(kù)勒 申請(qǐng)人:劍橋顯示技術(shù)有限公司