專利名稱：使用超薄金屬氧化物柵極介電層的有機(jī)薄膜晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)技術(shù)，尤其涉及一種低電壓OTFT，系以O(shè)2等離子體工藝氧化金屬柵電極，直接于該金屬柵電極上自我形成超薄金屬氧化物柵極介電層的一種OTFT。
背景技術(shù)：
近來，人們對“并五苯”之類的有機(jī)半導(dǎo)體己經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究。由各種綜合方法產(chǎn)生并以纖維或膜的形式，很容易形成有機(jī)半導(dǎo)體。有機(jī)半導(dǎo)體具有良好彈性、良好導(dǎo)電率、及相當(dāng)?shù)偷纳a(chǎn)成本。由于這些有利條件，人們于廣泛領(lǐng)域中研究有機(jī)半導(dǎo)體作為新電子材料，包括電子裝置與光學(xué)裝置。與使用無定形硅的傳統(tǒng)硅TFT相比，該OTFT為半導(dǎo)體主動區(qū)域使用的有機(jī)半導(dǎo)體。該OTFT的結(jié)構(gòu)非常類似傳統(tǒng)硅TFT，但于制造中更有價(jià)值，例如較簡單的工藝與較低的成本?；谶@些理由，現(xiàn)今仍繼續(xù)有新的嘗試以將OTFT技術(shù)應(yīng)用于最新電子產(chǎn)品，包括彈性顯示器、RFID(無線射頻辨識)、及任何其它可攜式裝置。
然而，現(xiàn)代OTFT技術(shù)有某些技術(shù)問題仍待解決。其中之一是需要另一種新工藝，使之于較低溫度下產(chǎn)生柵極介電層。一般用作柵極介電層的氧化硅或氮化硅因此不可應(yīng)用至需要低溫工藝的玻璃或塑料基板。現(xiàn)存OTFT的另一問題是應(yīng)降低操作電壓。低功率消耗是應(yīng)用上不可或缺的，例如彈性顯示器與RFID，然而該OTFT的操作電壓常常超過20V。這是由于柵極介電層相當(dāng)厚，通常達(dá)到100nm或以上。
解決這些問題的各種方法已經(jīng)于業(yè)界中引入。專利第6,207,472號揭示一柵極介電層，使用噴濺、紡織工藝等等于25～150℃由Ta2O3、V2O3、TiO2等等形成。于其它情況中，韓國公開申請案第2005-31858號揭示于室溫至約100℃由噴濺沉積Al2O3柵極介電層。于另一情況中，日本公開申請案第2003-258260號與第2003-258261號揭示電鍍Ta、Al等等柵電極以形成柵極介電層。
很不幸地，雖然這些傳統(tǒng)技術(shù)，提供了于相當(dāng)?shù)偷臏囟认滦纬山饘傺趸铩⒆鳛樵揙TFT的柵極介電層的方法，但其無法提供一種方法以減少該柵極介電層的厚度。舉例來說，美國專利第6,207,472號該厚度于0.5μm的范圍中。韓國公開申請案第2005-31858號中，該厚度介于61nm與450nm之間。日本公開申請案第2003-258260號與第2003-258261號中，所述的厚度為85.64nm。
另一方面，于業(yè)界中已經(jīng)繼續(xù)進(jìn)行更薄柵極介電層的研究。舉例來說，MarcusHalik等人于2000年在Nature第431卷第963-966頁的“具有無定形分子?xùn)艠O電介質(zhì)的低電壓有機(jī)晶體管”的論文，揭示一種摻雜硅基板上的2.5nm厚的分子自我組合單分子層(SAM)柵極電介質(zhì)。然而，由于沒有設(shè)計(jì)于該摻雜硅基板用于柵電極的情況下的電氣隔離分離裝置，此發(fā)明并不可行。
另一論文，L. A.Majewski等人于2005年在Adv.Mater.第17卷第2號第192-196頁的“伏特有機(jī)晶體管”中提議，以電鍍金屬形成具有數(shù)納米厚的金屬氧化物作為柵極介電層。然而，此種方法由于電鍍?yōu)橐环N濕工藝而缺乏可用性，有可能經(jīng)常引來不利的金屬剝皮。因此業(yè)界中需要研發(fā)一種新的有機(jī)薄膜晶體管，允許以低溫工藝形成超薄柵極介電層，且可以低壓操作。亦需要研發(fā)一種新的有機(jī)薄膜晶體管，允許IC制造，因此可用于彈性顯示器、RFID等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種有機(jī)薄膜晶體管，其包含一基板、形成于該基板上且由可氧化的金屬制成的一柵電極、由O2等離子體工藝自我成長于柵電極上的金屬氧化物制成的一超薄柵極介電層、形成于該柵極介電層上的有機(jī)半導(dǎo)體層、及形成于該有機(jī)半導(dǎo)體層上、且互相間隔開的源電極/漏電極。根據(jù)本發(fā)明的一示范實(shí)施例，該有機(jī)薄膜晶體管可另包含一有機(jī)單分子層，其插入該柵極介電層與該有機(jī)半導(dǎo)體層之間且由分子自我組合技術(shù)(molecular self-assembly technique)形成。舉例來說，該有機(jī)單分子層可由(芐氧基)烷基三甲氧基硅烷[(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilane]制成。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供一種制造有機(jī)薄膜晶體管的方法，該方法包含沉積具有圖案的柵電極于基板上，該柵電極是由可被氧化的金屬制成；使用O2等離子體工藝直接氧化該柵電極，使得一層超薄柵極介電層由自我形成于該柵電極上的金屬氧化物形成；沉積有機(jī)半導(dǎo)體層于該柵極介電層上；并形成源電極/漏電極于該有機(jī)半導(dǎo)體層上，使得該源極/漏電極互相間隔開。
根據(jù)本發(fā)明的另一示范實(shí)施例，該方法可另包含于沉積該有機(jī)半導(dǎo)體層之前，使用分子自我組合技術(shù)形成有機(jī)單分子層于該柵極介電層上。于本發(fā)明的又一示范實(shí)施例中，該基板可由塑料或玻璃制成。此外，該柵電極可由鋁制成，且因此該柵極介電層可為氧化鋁。再者，該柵極介電層可以在室溫至約100℃溫度下形成。同時(shí)，該柵極介電層厚度可為數(shù)納米。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一示范實(shí)施例，顯示有機(jī)薄膜晶體管的剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一示范實(shí)施例，顯示有機(jī)薄膜晶體管的剖面圖；圖3顯示圖2中所示的有機(jī)單分子層的化學(xué)結(jié)構(gòu)；圖4A至圖4D顯示圖1中所示的有機(jī)薄膜晶體管的制造方法典型圖；圖5顯示本發(fā)明的一實(shí)驗(yàn)例的氧化鋁層的TEM照片；圖6顯示圖5中所示的氧化鋁層的I-V特性曲線圖；圖7顯示圖5中所示的氧化鋁層的故障電壓曲線圖；圖8顯示圖5中所示的氧化鋁層的電容曲線圖；圖9A與圖9B分別顯示圖5中所示具有氧化鋁層的OTFT的IDS-VGS、IDS-VDS特性曲線圖。
附圖標(biāo)號說明10基板；12柵電極；13柵極介電層；14有機(jī)半導(dǎo)體層；15源電極；16漏電極；17有機(jī)單分子層。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更完整說明本發(fā)明的示范，但非限制性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以許多不同形式實(shí)施，且不應(yīng)解釋為限制為在此所提出的示范實(shí)施例。而是，提供所揭示實(shí)施例使得此揭示將徹底且完整，并將本發(fā)明的范疇完整傳達(dá)給熟悉該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。本發(fā)明的原則與特征可于不超出本發(fā)明的范疇外實(shí)施于各種各樣的許多實(shí)施例中。
應(yīng)注意眾所周知的結(jié)構(gòu)與工藝并不詳細(xì)描述或說明，以避免遮掩本發(fā)明的本質(zhì)。亦應(yīng)注意，圖示并非等比例繪制。而是為了簡單與清楚說明的目的，某些組件的尺寸相對其它組件加以夸大。類似組件符號用于不同圖式的類似與對應(yīng)部分。
有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的一示范實(shí)施例的有機(jī)薄膜晶體管的剖面圖。參照圖1，一柵電極12形成于由如塑料或玻璃制成的一基板10上。一薄柵極介電層13成長于該柵電極12的表面上。該柵電極12由可被氧化的金屬制成，例如鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)等等，且該柵極介電層13由直接氧化該金屬柵電極12自我成長。因此該柵極介電層13為金屬氧化物，例如氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)等等。尤其，金屬氧化物的柵極介電層13以低溫工藝形成且具有數(shù)納米的厚度。有機(jī)半導(dǎo)體層14，例如并五苯層，形成于該柵極介電層13上。一源電極15與一漏電極16接著形成于該有機(jī)半導(dǎo)體層14上互相間隔開。該源極與漏電極15與16由金屬制成，例如金(Au)或鋁(Al)。如圖2中所示，本發(fā)明的OTFT可另包含一有機(jī)單分子層17插入該柵極介電層13與該有機(jī)半導(dǎo)體層14之間。該有機(jī)單分子層17可由業(yè)界中眾所周知的分子自我組合技術(shù)形成。該有機(jī)單分子層17可將該柵極介電層13的表面從親水變?yōu)槭杷?，且因此可促進(jìn)該有機(jī)半導(dǎo)體層14的構(gòu)成相當(dāng)密集。此可改良該OTFT的電氣特性，例如移動性、斷開狀態(tài)的電流等等。
舉例來說，該有機(jī)舉分子層17的適當(dāng)材料可為(芐氧基)烷基三甲氧基硅烷[(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilane]，其化學(xué)結(jié)構(gòu)顯示于圖3中。參照圖3，該有機(jī)單分子層17的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由頭部部分、中間部分、及尾部部分組成。該頭部部分具有該有機(jī)半導(dǎo)體層14的低表面能量。該中間部分具有展示高介電屬性的烷基鏈組織。該尾部部分具有可允許分子自我組合成單分子層(SAM)的硅烷結(jié)構(gòu)。
OTFT的制造方法下面將描述制造前面提及的OTFT裝置的方法。從制造的下列說明來看，該OTFT的結(jié)構(gòu)亦將變?yōu)楦宄?。圖4A至圖4D是顯示圖1中所示的OTFT的制造方法典型圖。
參照圖4A，該柵電極12沉積并組成圖案于該塑料或玻璃基板10上。舉例來說，該柵電極12可由鋁制成。然而，該柵電極12的材料不限于特定種類的金屬。該金屬柵電極12的沉積可使用熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、噴濺、或業(yè)界眾所周知的其它適當(dāng)技術(shù)。該金屬柵電極12的圖案化可由眾所周知技術(shù)加以完成，例如蒙罩或光刻技術(shù)。
接下來，如圖4B中所示，該柵極介電層13由O2等離子體工藝自我形成于該柵電極12上。具體來說，該金屬柵電極12于O2等離子體工藝中氧化，使得該柵極介電層13于低溫下(即室溫至約100℃)由具有數(shù)納米(如5nm)厚度的超薄金屬氧化物形成。舉例來說，O2等離子體工藝可于約10sccm的O2流比率、約30mtorr的壓力、及約50W的功率下實(shí)施10分鐘。
圖5TEM照片中顯示于上述條件下由O2等離子體工藝形成該柵極介電層的一氧化鋁層。于圖5中，該柵極上的氧化鋁層測量約為5nm厚。應(yīng)了解O2等離子體工藝中的上述條件僅為范例，并不能解釋為對本發(fā)明的示范實(shí)施例的限制。
使用于低溫的O2等離子體工藝的金屬柵電極12的直接氧化，允許該基板10使用不適用于高溫工藝的塑料或玻璃。再者，使用O2等離子體工藝的直接氧化減小該柵極介電層13的厚度至數(shù)納米，使得該OTFT可以小于2V的低電壓下操作。此外，由于該柵極介電層13自我形成于已經(jīng)圖案化的柵電極12上，不需要執(zhí)行使用分隔分離裝置的額外隔離工藝。
接下來，如圖4C中所示，該有機(jī)半導(dǎo)體層14使用如熱蒸發(fā)沉積等方法形成于該柵極介電層13上。該有機(jī)半導(dǎo)體層14可使用但不限于并五苯。于形成該有機(jī)半導(dǎo)體層14之前，上面所討論的有機(jī)單分子層(圖2中之17)可視需要形成于該柵極介電層13上。
最后，如圖4D中所示，該源電極15與該漏電極16互相間隔開形成于該有機(jī)半導(dǎo)體層14上。
實(shí)驗(yàn)例1氧化鋁的電氣特性若要測定圖5中所示的氧化鋁的電氣特性，分別使用適當(dāng)儀器HP4155A與HP4280A實(shí)行I-V(電流-電壓)與C-V(電容-電壓)測量實(shí)驗(yàn)。自這些實(shí)驗(yàn)獲得的圖6至圖8分別顯示該氧化鋁層的I-V特性曲線、故障電壓曲線、及電容曲線。
圖6標(biāo)繪Al/Al2O3/Al結(jié)構(gòu)與Al/Al2O3/Au結(jié)構(gòu)中的I-V曲線。圖6的結(jié)果顯示兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的不同漏電流密度。舉例來說，該Al/Al2O3/Al結(jié)構(gòu)于1V處展示相對高電流密度5.87×10-7A/cm2，反之該Al/Al2O3/Au結(jié)構(gòu)于1V處為相對低電流密度2.4×10-7A/cm2。此可能由于鋁與金間的功函數(shù)的差異所導(dǎo)致。
如圖7中所述，該氧化鋁層的故障電壓于該Al/Al2O3/Au結(jié)構(gòu)中測量約3MV/cm。
圖8顯示該Al/Al2O3/Al結(jié)構(gòu)中的C-V曲線，其中該氧化鋁層的電容測量約1.1μF/cm2。就圖5中所示的氧化鋁層的厚度而論，該介電常數(shù)計(jì)算為約6.2。
實(shí)驗(yàn)例2并五苯OTFT的電氣特性圖9A與圖9B分別顯示圖5中所示具有氧化鋁層的并五苯OTFT的IDS-VGS、IDS-VDS特性曲線。其電氣特性顯示于下列表一中。
表一

如表一中所示，該OTFT具有0.1cm2/V·sec的移動性、6.3×103的開/關(guān)電流率(Ion/Ioff)、-1.13V的臨界電壓(Vt)、0.206V/dec的一次臨界斜率、及0.25pA/μm的開態(tài)電流。再者，于VGS＝-2V處，漏極/源極浸透電壓(VDS，sat)測量為-0.7V，且因此確認(rèn)該OTFT的低電壓操作。
如上文中所完整討論的，本發(fā)明的具有超薄金屬氧化物柵極電介質(zhì)的低電壓OTFT相較于傳統(tǒng)OTFT具有許多優(yōu)點(diǎn)，如下所述。
首先，本發(fā)明的OTFT可由范圍自室溫至約100℃的低溫工藝加以制造。因此本發(fā)明的OTFT可使用不適用于高溫工藝的塑料或玻璃基板。第二，本發(fā)明的OTFT具有超薄金屬氧化物做為該柵極介電層，因此其操作電壓可大大減少，且因此該OTFT可用于彈性顯示器、RFID等等。第三，本發(fā)明的OTFT不需要圖案化該柵極介電層以供隔離的工藝。因此相關(guān)制造程序變?yōu)檩^簡單。第四，若要另加改良電氣特性，本發(fā)明的OTFT亦可具有自我組合于該柵極介電層與該有機(jī)半導(dǎo)體層間的有機(jī)單分子層。
雖然本發(fā)明已經(jīng)特別參照其實(shí)施例加以顯示與說明，熟悉該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)了解，于不超出所附權(quán)利要求范圍所定義的本發(fā)明精神與范疇外，可做各種形式與細(xì)節(jié)的不同變更。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，其包含一基板；一柵電極形成于該基板上，其中該柵電極是由可氧化的金屬制成；一超薄柵極介電層形成于該柵電極上，其中該柵極介電層是由O2等離子體工藝自我形成于柵電極上的金屬氧化物制成；一有機(jī)半導(dǎo)體層形成于該柵極介電層上；而源電極/漏電極形成于該有機(jī)半導(dǎo)體層上，其中該源電極/漏電極互相間隔開。
2.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，該基板是由塑料或玻璃制成。
3.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，該柵電極是由鋁制成，而該柵極介電層則系氧化鋁。
4.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，該柵極介電層是在室溫至約100℃溫度形成。
5.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，該柵極介電層厚度為數(shù)納米。
6.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，還包含一有機(jī)單分子層插入該柵極介電層與該有機(jī)半導(dǎo)體層之間，其中該有機(jī)單分子層是由分子自我組合技術(shù)形成。
7.如權(quán)利要求6所述的有機(jī)薄膜晶體管，其特征在于，該有機(jī)單分子層是由(芐氧基)烷基三甲氧基硅烷制成。
8.一種制造有機(jī)薄膜晶體管的方法，其特征在于，該方法包含沉積具有圖案的一柵電極于一基板上，其中該柵電極是由可被氧化的金屬制成；使用O2等離子體工藝直接氧化該柵電極，使得一超薄柵極介電層由自我形成于該柵電極上的金屬氧化物形成；沉積有機(jī)半導(dǎo)體層于該柵極介電層上；并形成源電極/漏電極于該有機(jī)半導(dǎo)體層上，使得該源電極/漏電極互相間隔開。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該基板是由塑料或玻璃制成。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該柵電極是由鋁制成，而該柵極介電層系氧化鋁。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該柵極介電層是在室溫至約100℃溫度形成。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該柵極介電層厚度為數(shù)納米。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，還包含于沉積該有機(jī)半導(dǎo)體層之前，使用分子自我組合技術(shù)形成有機(jī)單分子層于該柵極介電層上。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該有機(jī)單分子層是由(芐氧基)烷基三甲氧基硅烷制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低電壓有機(jī)薄膜晶體管，以O(shè)
文檔編號H01L51/40GK101017881SQ20061006675
公開日2007年8月15日 申請日期2006年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月6日
發(fā)明者宋政根, 金強(qiáng)大, 柳基成, 許泳憲, 金光賢, 李明源 申請人:梁在宇