專利名稱：薄膜場效應晶體管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用硅半導體或化合物半導體制作的薄膜場效應晶體管(TFT)，特別是涉及在液晶顯示器中使用的TFT，涉及制造該TFT的方法。
背景技術：
利用硅半導體或化合物半導體制作的TFT用在普通的集成電路中，用在廣泛的其它應用領域中。特別是，TFT在液晶顯示器中的應用是公知的。現(xiàn)在LC顯示器正朝著大尺寸和更精密的清晰度方向不斷進步。對采用大量的，相當于象素數(shù)量的TFT的要求比以往任何時候都強烈。
不過，在該領域中所用的以普通金屬為基礎的半導體不能避免這樣的問題，即在電路在基片上形成期間，由于圖案形成和使用光刻膠蝕刻的處理而在基片上形成的TFT的缺陷產(chǎn)生了輕微的有缺陷的象素。這些處理在降低TFT制造成本方面造成一定限制。對于其它平面顯示器，例如等離子體顯示器和有機EL顯示器，當TFT用在其中的時候，這種情況也是確實的。
最近的大尺寸和更精密的清晰度的趨勢增加了TFT制造中的缺陷的可能性。因此，強烈要求使這些TFT的缺陷減到最小。
對于具有金屬-絕緣體-半導體(MIS)結(jié)構的TFT，已經(jīng)試圖使用有機材料作絕緣體和半導體。例如，JP-A 5-508745(WO9201313或VSP 5,347,144)描述了一種器件，它使用介電常數(shù)至少是5的絕緣有機聚合物作為絕緣層，使用最高達2,000的加權平均值分子量的聚結(jié)合有機化合物作為半導體層，該器件產(chǎn)生場效應，并具有約10-2cm2V-1s-1的載流子遷移率。由于該半導體層是通過蒸發(fā)作為有機半導體材料的α-六噻嗯基而制成的，圖案形成和使用光刻膠蝕刻的處理就是必需的，因而不能獲得成本降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有比現(xiàn)有技術更高的載流子遷移率和使缺陷最小化了的薄膜場效應晶體管(TFT)，以及制作該TFT的方法。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在具有金屬-絕緣體-半導體(MIS)結(jié)構的TFT中，使用有機溶劑-可溶的聚合物作為制造半導體層和絕緣層的材料這一簡單方法，在獲得比現(xiàn)有技術高的載流子遷移率方面是成功的。
因此，本發(fā)明提供了一種具有MIS結(jié)構的薄膜場效應晶體管，其中制造半導體層和絕緣層的材料是聚合物，該聚合物可溶于有機溶劑并具有大于2,000到1,000,000的加權平均分子量。
在本發(fā)明的另一個實施例中，薄膜場效應晶體管的制造過程包括下面幾個步驟，把具有大于2,000至1,000,000的加權平均分子量(Mw)的聚合物溶解在有機溶劑中，涂敷所得到的聚合物溶液，干燥所涂敷的聚合物溶液，由此形成半導體層和絕緣層。
按照本發(fā)明，使用用于TFT的半導體層和絕緣層這兩者的聚合物消除了，使用現(xiàn)有技術的以金屬為基礎的半導體和絕緣體的電路形成技術中的圖案形成和使用光刻膠蝕刻等的處理，減少了TFT缺陷的可能性，減少了TFT的制造成本。


圖1是本發(fā)明的一個實施例中的TFT的透視圖。
圖2是本發(fā)明的一個例子中TFT的漏極電流與漏極電壓的關系曲線。
具體實施例方式
參考圖1，在本發(fā)明的一個實施例中的TFT包括由SiO2等制作的基片1，一個在基片1上形成的，用作柵極的金屬層2，一個在金屬層2上形成的絕緣層3，一個在絕緣層3上形成的半導體層4，和在半導體層4上形成的源極和漏極5和6。
這里使用的金屬層2可以是普通使用的ITO(銦錫氧化物)薄膜，或單一金屬薄膜，例如Au，Cu或Al，或通過物理蒸發(fā)淀積(PVD)或金屬有機化學蒸發(fā)淀積(MOCVD)方法淀積的，Au/Ti，Cu/Ti或Al/Ti的層疊金屬薄膜。由于本發(fā)明的目的側(cè)重在通過印刷形成金屬層2，因此，如果不遇到實際問題，則建議使用導電金屬糊劑。
在本發(fā)明的TFT中，制作絕緣層的材料是一種聚合物或是可溶解于有機溶劑并具有大于2,000至1,000,000的加權平均分子量(Mw)的高分子量化合物，最好是具有氰基團的絕緣聚合物。例子包括，氰乙基水溶性多糖，氰乙基纖維素，氰乙基聚乙烯醇，和聚丙烯腈。這些具有氰基團的絕緣聚合物是容易獲得的。例如，氰乙基水溶性多糖可以通過水溶性多糖樹脂和丙烯腈在存在堿催化劑的條件下進行反應來獲得(見JP-B 59-31521)。氰基團的取代程度(例如在氰乙基水溶性多糖的情況下氰乙基團的取代程度)希望至少是80mol％，最希望的是至少85mol％。這是因為極性團或氰基團的濃度必須大于一定水平，以便制造具有充分提高了的遷移率的TFT，更多含量的剩余羥基團會導致作為損耗系數(shù)的電介質(zhì)損耗的增加，這對于本發(fā)明的目的來說有時是不希望的。
在本發(fā)明的TFT中，制作半導體層的材料是聚合物或可溶解于有機溶劑中并具大于2,000至1,000,000的加權平均分子量(Mw)的高分子量化合物。雖然，對用于半導體層的聚合物沒有加以其它限制，但該聚合物應能溶解于該絕緣層不能溶解于其中的有機溶劑中。這是因為一般認，在以敷層方式形成半導體層和絕緣層時，界面狀態(tài)不會變得均勻。
過去關于有機TFT的研究使用了如JP-A 5-508745中所述的通過蒸發(fā)而在有機絕緣膜上形成有機半導體層的方法，使用了在無機絕緣層上只形成有機半導體層的方法。一個典型的方法包括，把有機半導體材料和有機絕緣材料兩者溶解于相同的有機溶劑中形成溶液，涂敷并干燥有機絕緣材料溶液，以形成有機絕緣層，然后把有機半導體材料溶液涂在有機絕緣層上。這時，有機絕緣材料在涂層界面上輕微溶解。最后，干燥以后所獲得的層疊薄膜的各層之間的界面是無規(guī)則的。相比之下，本發(fā)明通過使用不同的有機溶劑用于溶解半導體材料和絕緣材料，即通過這樣結(jié)合兩種有機溶劑和兩種材料，使兩種材料之一不能溶解在兩種有機溶劑之一中，解決了這個問題。
特別是，形成半導體層的合適的聚合物包括，聚三苯，聚吡咯，聚苯胺，聚乙炔，聚噻嗯基1，2亞乙烯基，和聚苯撐1、2亞乙烯基。其中，聚三苯(polythiophenes)，例如聚(3-己基三苯)是最好的，因為它在有機溶劑中的可溶性好，良好的可加工性，穩(wěn)定性和高載流子遷移率。
溶解制造絕緣層的聚合物的最合適的有機溶劑包括，N-甲基-2-吡咯烷酮，二甲基乙酰胺甲酰胺，丙酮，乙腈，γ-丁內(nèi)酯，等等。溶解制造半導體層的聚合物的最合適的有機溶劑包括，氯仿，甲苯，己烷，乙醇等等。在任一情況下，溶劑可以單獨使用或以兩種或多種溶劑的混合物的方式使用。
按照本發(fā)明，一個薄膜場效應晶體管是通過把第一有機溶劑中的具有大于2,000至1,000,000的Mw的聚合物溶液涂到金屬層形成的柵極上，干燥所涂的聚合物溶液而在金屬層上形成一個絕緣層，和在該絕緣層上形成一個半導體層，該半導體層可溶解于第二有機溶劑中，而該絕緣層不能溶解于第二有機溶劑中。這個方法通過使用公知技術就可以實現(xiàn)。例如，用作柵極的金屬層是通過在基片上的濺射技術形成的，基片是從玻璃片和普通聚合物薄片中選取的?；蛘?，通過旋涂，絲網(wǎng)印刷法或噴墨印刷技術把金屬糊劑或?qū)щ娋酆衔锿康交?，干燥，從而形成金屬層。工業(yè)上通用的ITO玻璃也可以使用。
然后，通過旋涂，絲網(wǎng)印刷，或噴墨印刷技術涂敷第一有機溶劑中的絕緣層形成材料的溶液，并干燥，從而在上述形成的柵極電極上形成一個絕緣層。在這種情況下，絕緣層最好具有0.2至10μm的厚度，特別好的是0.5至3μm厚。太薄的絕緣層可能引起大的漏電電流。太厚的絕緣層可能需要大的驅(qū)動電壓。
其次，通過旋涂，絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷技術涂敷絕緣聚合物不可溶解的第二有機溶劑中的半導體層形成材料的溶液，并干燥，從而在該絕緣層上形成半導體層。絕緣層的表面可以事先進行物理處理，例如公知的摩擦處理，為的是使半導體分子在絕緣層和半導體層之間的界面上排齊。
最后，通過濺射技術在半導體層上形成源極和漏極?；蛘撸ㄟ^絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷技術涂敷金屬糊劑或?qū)щ娋酆衔?，然后進行干燥。
本發(fā)明TFT構結(jié)包括在金屬層形成的柵電極上形成的絕緣層和在該絕緣層上形成的半導體層。當電壓施加給柵極產(chǎn)生電場時，由于場效應在接近絕緣層的半導體中產(chǎn)生電荷，從而在源極和漏極之間的半導體層中形成導通區(qū)被稱隧道。這說明絕緣層和半導體層間的接面狀態(tài)是十分重要的，界面越平，器件性能越好。
例子下面以說明的方式而不是以限定的方式給出本發(fā)明的幾個例子。
例1這里提供了氰乙基水溶性多糖，它具有85.2mol％的氰乙基代替物(CyEPL，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.，CR-S，Mw＝49,000)作為絕緣層材料，有聚(3-乙基三苯)(P3HT，Aldrich，Mw＝87,000)作為有機半導體層材料。P3HT溶解于其中的有機溶劑是氯仿，CyEPL不能溶解于氯仿。一種TFT是使用這些材料制作的，下面是對它的評價。
在一個玻璃(SiO2)基片上，柵極電極，是通過淀積5nm厚的Ti，然后淀積20nm厚的Au，并在室溫和10-4Pa的負壓下使用RF濺射技術來形成的。
然后，通過把作為絕緣層材料的15wt％的CyEPL溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中，用0.2微米的薄膜濾器過濾該溶液，旋涂該溶液，在100℃的條件下干燥一小時，從而在該柵極電極上形成絕緣層。
再然后，通過把0.8wt％P3HT溶解于氯仿，用0.2微米的薄膜濾器過濾該溶液，旋涂該溶液，在100℃條件下干燥一小時，從而在該絕緣層上形成50nm的半導體層。
該基片在-20℃條件下冷卻。在低于10-5Pa的負壓下使用RF濺射技術，通過金屬掩模在有機半導體層上淀積厚300nm的Au。這里形成兩個金電極，4mm寬，相隔50μm(見圖1，L＝50μm，W＝4mm)，它們用作源極和漏極。
比較例1這里提供一種氰乙基水溶性多糖，它具有85.2mol％的氰乙基的代替物(CyEPL，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.，CR-S)作為絕緣層材料，有酮酞菁(CuPc)用作有機半導體層材料。一種TFT是使用這些材料制作的，下面是對它的評價。
在一個玻璃(SiO2)基片上，柵極電極，是通過淀積厚5nm的Ti，然后淀積20nm厚的Au，并在室溫和負壓10-4Pa的條件下使用RF濺射技術來形成的。
然后，通過把作為絕緣層材料的15wt％的CyEPL溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中，用0.2微米的薄膜濾器過濾該溶液，旋涂該溶液，在100℃的條件下干燥一小時，而在該柵極電極上形成絕緣層。
再然后，通過淀積CuPc，并在室溫和負壓10-5Pa的條件下使用RF濺射技術，而在該絕緣層上形成厚50nm的半導體層。
該基片在-20℃條件下冷卻。在低于10-5Pa的負壓下使用RF濺射技術，通過金屬掩模在有機半導體層上淀積厚300nm的Au。這里形成兩個金電極，4mm寬，相距50μm，它們用作源極和漏極。
比較例2這里把SiO2用作絕緣層材料，把銅酞菁(CuPc)作為有機半導體層材料。使用這些材料制作TFT，評價如下。
P型摻雜的硅基片在爐內(nèi)退火形成300nm厚的氧化膜(SiO2)作為絕緣膜。然后僅在未進行鏡面精加工的基片的背表面用氫氟酸處理，消除氧化膜。在僅僅這樣處理背表面上，通過淀積5nm厚的Ti，然后淀積20nm厚的Au，并在室溫和負壓10-4Pa的條件下使用RF濺射技術，從而形成柵極電極。
然后，通過淀積CuPc，并在室溫和低于10-5Pa的負壓條件下使用RF濺射技術，而在作為絕緣層的氧化膜的表面上形成50nm厚的半導體層。
基片在-20℃條件下冷卻。在低于10-5Pa的負壓下使用RF濺射技術，通過金屬掩模在有機半導體層上淀積厚300nm的Au。這里形成兩個金電極，4mm寬，相距50μm，它們用作源極和漏極。
這樣制作的每種器件被放置在真空探測器中，在這里基片在50℃的條件下被加熱，并使其在真空(低于10-4乇)中保持一小時。在真空和光屏蔽條件下的探測器中，TFT的特性曲線就通過Keithley的半導體參數(shù)分析器SCS4200來確定。
結(jié)果示于表1中。
表示例1的TFT的場效應的漏電流和電壓(ISD-VSD)關系曲線示于圖2的曲線圖中。

比較例1和2的結(jié)果建議使用CyEPL作為有機絕緣層材料，因為它的遷移率比傳統(tǒng)SiO2高。雖然例1的TFT是通過，通常被認為由于不規(guī)則的界面而造成不能獲得高遷移率的方法，即有機絕緣層和有機半導體層兩者都是通過涂敷和干燥形成的方法制造的，但例1的TFT卻表現(xiàn)出顯著的高遷移率。當電位加在柵極上的時候，本發(fā)明的TFT具有高的遷移率，因為通過在絕緣層和半導體層之間的界面上使極性基團排齊，溝道結(jié)構得到增強。
權利要求
1.一種薄膜場效應晶體管，具有金屬-絕緣體-半導體結(jié)構，其中制作半導體層和絕緣層的材料是聚合物，該聚合物可溶解于有機溶劑，并具有大于2,000至1,000,000的加權平均分子量。
2.根據(jù)權利要求1的薄膜場效應晶體管，其中制造絕緣層的聚合物是具有氰基團的絕緣聚合物。
3.根據(jù)權利要求1的薄膜場效應晶體管，其中半導體層的制作材料是聚三苯。
4.一種制作薄膜場效應晶體管的方法，包括步驟把在第一有機溶劑中的具有大于2,000至1,000,000的加權平均分子量的聚合物溶液涂敷到金屬層形式的柵極電極上，干燥所涂敷的聚合物溶液，在金屬層上形成絕緣層，和在絕緣層上形成半導體層，該半導體層可溶解于第二有機溶劑中，而該絕緣層不能溶解于第二有機溶劑中。
全文摘要
在具有MIS結(jié)構的薄膜場效應晶體管中，制作半導體層和絕緣層的材料是聚合物，該聚合物可溶解于有機溶劑，并具有大于2,000至1,000,000的加權平均分子量。使用聚合物用作TFT的半導體層和絕緣層，就消除了現(xiàn)有技術的電路形成技術中使用光刻膠制圖案和蝕刻等處理，減少了TFT缺陷概率，降低了TFT的制造成本。
文檔編號H01L51/05GK1599077SQ20041008994
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2003年8月28日
發(fā)明者福井育生 申請人:信越化學工業(yè)株式會社