專利名稱：薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管，尤其涉及抑制了由加熱所引起的特 性降低的薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
在使用有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的薄膜半導(dǎo)體裝置(例如，有機(jī)薄膜晶體管(有機(jī)TFT)) 的生產(chǎn)中，可能是應(yīng)用涂層和印刷工藝的有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的成膜。例如，在溶劑中已溶解有 機(jī)半導(dǎo)體材料的溶液被涂覆在襯底上并被干燥，從而獲得由單組分有機(jī)半導(dǎo)體材料組成的 有機(jī)半導(dǎo)體薄膜。因此，與使用傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體材料(例如硅(Si))的半導(dǎo)體裝置相比，可 以實(shí)現(xiàn)襯底尺寸的增大和生產(chǎn)成本的降低。此外，由于涂層和印刷工藝等具有低工藝溫度， 所以可以在塑料襯底上成形，也可望獲得具有柔性的半導(dǎo)體裝置。作為這樣的示例，已有報(bào) 道生產(chǎn)在塑料襯底上設(shè)置有機(jī)TFT的背板，并利用所述背板生產(chǎn)平板型顯示設(shè)備(例如，液 晶顯示設(shè)備或0LED顯示設(shè)備)。對于構(gòu)成有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的材料，各種材料(例如，聚噻吩、并五苯和紅熒烯)正 在研究中。已有報(bào)道，存在遷移率等于或大于使用由非晶硅組成的半導(dǎo)體薄膜的薄膜半導(dǎo) 體裝置的遷移率的材料，(例如，參考非專利文件《Applied Physics Letters》(超鏈接 http://scitation. aip. org/dbt/dbt. jsp ？ KEY = APPLAB&Volume = 69，卷 69) 1996 年 26 期，4108-4110 頁)。

發(fā)明內(nèi)容
但是，使用有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的薄膜半導(dǎo)體裝置具有由加熱所引起的遷移率降低的 問題。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，已證實(shí)加熱前0. 14cm2/Vs的遷移率在氮?dú)猸h(huán)境下加熱到180°C的 狀態(tài)下變成6Xl(T4Cm2/VS的遷移率，遷移率隨著加熱降低至1/100或更少。注意，有機(jī)半 導(dǎo)體材料在氮?dú)猸h(huán)境下被加熱不會氧化，此外，所用的有機(jī)半導(dǎo)體材料自身被加熱到180°C 不會熱分解。因此，應(yīng)當(dāng)理解，上述由加熱所引起的遷移率的降低不是由有機(jī)半導(dǎo)體材料自 身的變化所引起的。因此，本發(fā)明的目的是提供薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管，在薄膜半導(dǎo)體裝置 和場效應(yīng)晶體管中，可以抑制由加熱所引起的遷移率的降低和由遷移率的降低所引起的特 性的降低，并且增強(qiáng)了耐熱性。根據(jù)本發(fā)明的用于實(shí)現(xiàn)上述目的薄膜半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體薄膜，半導(dǎo)體薄膜層 疊在柵電極上，在半導(dǎo)體薄膜和柵電極之間具有柵絕緣膜；并且特征為半導(dǎo)體薄膜具有疊 層結(jié)構(gòu)，并且包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層。此外，根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管包括層疊在柵電極上的半導(dǎo)體薄膜，在半導(dǎo)體 薄膜和柵電極之間具有柵絕緣膜；以及源極和漏極，其設(shè)置在與柵電極的兩側(cè)相對應(yīng)的位 置上，從而與半導(dǎo)體薄膜接觸；并且特征為半導(dǎo)體薄膜具有疊層結(jié)構(gòu)，并且包括至少兩個(gè)半 導(dǎo)體層。
在包括具有上述疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的薄膜半導(dǎo)體裝置和薄膜晶體管中，實(shí)驗(yàn) 已證實(shí)，與使用具有單層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的構(gòu)造相比，由加熱所引起的遷移率的降低可 以被抑制到較小的程度。上述對遷移率的降低的抑制能夠?qū)崿F(xiàn)，一個(gè)原因是因?yàn)橥ㄟ^疊層 結(jié)構(gòu)可以抑制由加熱和冷卻所引起的半導(dǎo)體薄膜的膨脹和收縮應(yīng)力。


圖1是應(yīng)用于本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜的剖視圖。圖2是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第一示例的截面構(gòu)造圖。圖3是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第二示例的截面構(gòu)造圖。圖4是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第三示例的截面構(gòu)造圖。圖5是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第四示例的截面構(gòu)造圖。圖6是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第五示例的截面構(gòu)造圖。圖7是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第六示例的截面構(gòu)造圖。圖8是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第八示例的截面構(gòu)造圖。圖9是根據(jù)示例1所生產(chǎn)的半導(dǎo)體薄膜的SIMS分步曲線。圖10是根據(jù)比較示例1所生產(chǎn)的半導(dǎo)體薄膜的SIMS分布曲線。圖11是根據(jù)示例2所生產(chǎn)的半導(dǎo)體薄膜的SIMS分布曲線。圖12是根據(jù)比較示例2、示例1和比較示例1所生產(chǎn)的半導(dǎo)體薄膜的XRD光譜。圖13是示出在根據(jù)裝置的示例和比較示例所生產(chǎn)的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管) 中遷移率根據(jù)加熱溫度的變化的示圖。圖14是示出根據(jù)裝置的示例和實(shí)施例所生產(chǎn)的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)的 柵電壓Vg-漏電流Id特性的示圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。注意，在下文中，將描述多個(gè)實(shí) 施例，依次是，根據(jù)本發(fā)明的用于薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體薄膜的構(gòu)造、形 成上述半導(dǎo)體薄膜的方法、和使用半導(dǎo)體薄膜的場效應(yīng)晶體管構(gòu)造的薄膜半導(dǎo)體裝置。<半導(dǎo)體薄膜>圖1是示出應(yīng)用于本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜的構(gòu)造示例的剖視圖。圖1中示出的半導(dǎo) 體薄膜1的特征為所謂的半導(dǎo)體復(fù)合薄膜，其中疊層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'。如 圖所示，上述半導(dǎo)體層a、a'可以設(shè)置成使得兩個(gè)半導(dǎo)體層a-a'之間夾著主要由另一種 不同的材料組成的中間層b。在此情況下，兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'可以由不同的材料組成或者 可以由相同的材料組成。中間層b由不同于兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'的材料組成。包括中間層b的半導(dǎo)體薄膜 1作為整體應(yīng)當(dāng)具有所需要的半導(dǎo)體特性。因此，例如，中間層b可以由具有比兩個(gè)半導(dǎo)體 層a、a'低的導(dǎo)電率的絕緣材料組成，或者可以由具有與兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'相似的導(dǎo)電 率的半導(dǎo)體材料組成?；蛘撸硪粋€(gè)示例的中間層b可以由具有比兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'高 的導(dǎo)電率的導(dǎo)體材料組成。此外，中間層b自身可以由疊層結(jié)構(gòu)組成。此外，當(dāng)中間層b由 混合材料組成時(shí)，可以包含半導(dǎo)體層a、a'的材料作為構(gòu)成材料。
或者，半導(dǎo)體薄膜1可以具有兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'直接層疊在一起的構(gòu)造。在此 情況下，兩個(gè)半導(dǎo)體層a、a'由不同的材料組成。此外，在上述半導(dǎo)體薄膜1中，當(dāng)兩個(gè)半 導(dǎo)體層a、a'中的一層組成半導(dǎo)體薄膜1的表面時(shí)，另外的層可以進(jìn)一步設(shè)置在半導(dǎo)體層 a、a'中的另一個(gè)的外側(cè)上。在上述半導(dǎo)體薄膜1中，對于構(gòu)成半導(dǎo)體層a、a'和由半導(dǎo)體材料組成的中間層 b的半導(dǎo)體材料，使用有機(jī)半導(dǎo)體材料或者無機(jī)半導(dǎo)體材料。對于有機(jī)半導(dǎo)體材料，適合使 用低分子半導(dǎo)體材料，例如并苯化合物、低聚噻吩衍生物、酞菁衍生物、或茈聚合物。共軛低 分子材料應(yīng)當(dāng)是多晶的或結(jié)晶的?；蛘?，有機(jī)半導(dǎo)體材料可以是高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料，例 如聚(3-己烷基噻吩)。特別是，構(gòu)成半導(dǎo)體層a、a'的材料優(yōu)選共軛型低分子材料。另一 方面，中間層b優(yōu)選由高分子材料組成，高分子材料可以是非晶的。此外，對于構(gòu)成中間層b的絕緣材料，使用有機(jī)絕緣材料或者無機(jī)絕緣材料(例 如氧化硅)。有機(jī)絕緣材料可以是低分子材料或高分子材料，并且當(dāng)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)是可以 交聯(lián)或不交聯(lián)。優(yōu)選高分子絕緣材料。作為這樣的材料，使用聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚二甲 硅氧烷、尼龍、聚酰亞胺、環(huán)烯烴共聚物、環(huán)氧聚合物、纖維素、聚甲醛、聚烯烴基聚合物、聚 乙烯基聚合物、聚酯基聚合物、聚醚基聚合物、聚酰胺基聚合物、氟基聚合物、生物可降解塑 料、聚酚樹脂、氨基樹脂、不飽和聚酯樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺 樹脂、聚氨基甲酸乙酯樹脂、硅樹脂、組合各種共聚物單元的共聚物等。注意，上面的形成疊層結(jié)構(gòu)的各層可以由單組分形成或者上述層可以由混合多種 材料的混合材料形成。此外，完全界定各層的狀態(tài)不是限制性的，構(gòu)成各層的材料靠近界面 可以相互混合。然后，作為半導(dǎo)體薄膜1的特別優(yōu)選的示例，例示了使用多晶的或結(jié)晶的共軛型 低分子材料的半導(dǎo)體層a/使用非晶的高分子材料的絕緣中間層b/使用多晶的或結(jié)晶的共 軛型低分子材料的半導(dǎo)體層a'。如將在下面的示例中所描述的，在具有上述構(gòu)造的疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜1中， 與具有單層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜相比，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，由加熱造成的遷移率的降低可以被抑 制到較小的程度。<用于形成半導(dǎo)體薄膜的方法_1>作為形成具有上述構(gòu)造的半導(dǎo)體薄膜1的方法的第一示例，可以通過膜成形從下 層側(cè)連續(xù)形成一層接一層。根據(jù)材料，包括旋轉(zhuǎn)涂布、狹縫涂布、噴墨、絲網(wǎng)印刷、凸版印刷、 凹版印刷、平板印刷等的涂層和印刷方法，以及蒸發(fā)法、CVD法、PVD法、濺射法等方法可以 應(yīng)用于各層的膜成形。具體的說，當(dāng)構(gòu)成半導(dǎo)體薄膜1的所有層都由有機(jī)材料組成時(shí)，通過 應(yīng)用涂層和印刷方法的工藝可以獲得半導(dǎo)體薄膜1。<用于形成半導(dǎo)體薄膜的方法_2>此外，作為用于形成半導(dǎo)體薄膜1的方法的第二示例，可以舉例說明在通過涂層 或印刷形成的薄膜中有機(jī)材料自發(fā)地進(jìn)入相分離狀態(tài)。下面將描述本方法。首先，包括上述有機(jī)半導(dǎo)體材料的多種類型的有機(jī)材料溶解在溶劑中以配制混合 溶液。此時(shí)，例如，構(gòu)成中間層的有機(jī)材料(例如，上述有機(jī)絕緣材料)也溶解在相同的溶 劑中并混合。然后，通過諸如旋轉(zhuǎn)涂布的涂層方法、印刷方法、以及噴墨方法，所配制的溶液被涂布或印刷在襯底上以形成薄膜。這里注意，印刷方法理解為一種類型的涂層方法，下面將 由包括印刷方法的涂層方法所形成的薄膜確認(rèn)為涂層。然后，通過使涂層干燥，去除了涂層中的溶劑，包含在涂層中的多種類型的有機(jī)材 料自發(fā)地進(jìn)入相分離狀態(tài)。因此，可以獲得具有包含半導(dǎo)體層的疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜，在半導(dǎo)體層中有機(jī) 材料各自進(jìn)入相分離狀態(tài)并且有機(jī)半導(dǎo)體材料層疊。此外，當(dāng)涂層中包含有機(jī)絕緣材料時(shí)， 可以獲得層疊著由該有機(jī)絕緣材料組成的絕緣層的半導(dǎo)體薄膜。在這時(shí)，例如，有機(jī)半導(dǎo)體 材料在涂層的界面?zhèn)壬衔龀?，以?gòu)成半導(dǎo)體層，并且可以獲得半導(dǎo)體薄膜，在半導(dǎo)體薄膜中 絕緣層作為中間層夾在兩個(gè)半導(dǎo)體層之間。在此情況下，例如，兩個(gè)半導(dǎo)體層由同一材料組 成。注意，通過調(diào)整構(gòu)成涂層(即，溶液)的多種類型的有機(jī)材料的各自的分子量，實(shí) 現(xiàn)上面的在干燥涂層的過程中在涂層中的有機(jī)材料的自發(fā)相分離?；蛘?，作為另一示例，通 過組合構(gòu)成涂層(即，溶液)的多種類型有機(jī)材料來實(shí)現(xiàn)。利用上述形成方法，通過一次性成膜涂布，可以獲得具有疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜。 此外，不會產(chǎn)生用作層的上層的成膜基準(zhǔn)的下層的侵蝕問題。此外，具體來說已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如將在下面的示例中所描述的，通過利用溶液進(jìn)行成膜 涂布(印刷)，所述溶液通過在溶劑中溶解包含有機(jī)半導(dǎo)體材料的多種類型有機(jī)材料進(jìn)行 混合，增強(qiáng)了涂層和印刷特性，也增強(qiáng)了生成半導(dǎo)體薄膜的面內(nèi)均勻性。例如，當(dāng)利用低分 子材料作為有機(jī)半導(dǎo)體材料時(shí)，在溶解該有機(jī)材料的溶液中，很難獲得成膜涂布所需的粘 性，并且溶液在被涂布和干燥之后經(jīng)常凝結(jié)。結(jié)果，凝結(jié)引起膜的不規(guī)則，并且很難獲得具 有面內(nèi)均勻性的半導(dǎo)體薄膜。因此如上所述，已經(jīng)證實(shí)，當(dāng)在溶劑中溶解包括有機(jī)半導(dǎo)體材料的多種類型的有 機(jī)材料時(shí)，使用高分子材料(例如，高分子絕緣材料)作為用于與有機(jī)半導(dǎo)體材料結(jié)合的另 一有機(jī)材料，能夠調(diào)節(jié)溶液具有足夠的粘性，并且提供了在通過旋轉(zhuǎn)涂布、噴墨等進(jìn)行涂布 之后在干燥步驟中不大可能凝結(jié)的半導(dǎo)體薄膜，并且具有面內(nèi)均勻性。<薄膜半導(dǎo)體裝置_1>圖2是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第一示例截面構(gòu)成圖。在圖2中示出 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-1是底接觸底柵(BCBG)型薄膜晶體管和場效應(yīng)晶體管。在上述薄膜 半導(dǎo)體裝置10-1中，通過圖案在襯底11上形成柵電極13。此外，以覆蓋柵電極13的狀態(tài) 設(shè)置柵絕緣膜15。通過圖案在上述柵絕緣膜15上形成源極17s和漏極17d。上述源極17s 和漏極17d設(shè)置在與柵電極13的兩側(cè)相對應(yīng)的位置，處于柵電極13在其之間的狀態(tài)，以相 互面對。在柵電極與源極以及漏極之間可以有重疊區(qū)域。此外，具有上述疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo) 體薄膜1設(shè)置成跨越源極17s-漏極17d，處于與柵絕緣膜15、源極17s和漏極17d接觸的 狀態(tài)。此外，具體來說，在本第一示例中，構(gòu)成上述半導(dǎo)體薄膜1的至少兩個(gè)半導(dǎo)體層中 的一個(gè)設(shè)置成處于與源極17s、柵絕緣膜15和漏極17d接觸的狀態(tài)。這里，例如，具有中間 層b夾在半導(dǎo)體層a-a'之間的三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜1設(shè)置成處于覆蓋柵絕緣膜15的 狀態(tài)，在柵絕緣膜15上形成柵極17s和漏極17d ；這中間的半導(dǎo)體層a設(shè)置成處于與源極 17s、柵絕緣膜15和漏極17d接觸的狀態(tài)。通過上述第一示例或第二示例的形成方法來形
6成上述半導(dǎo)體薄膜1。這里，當(dāng)構(gòu)成半導(dǎo)體薄膜1的所有層由有機(jī)材料組成時(shí)，通過應(yīng)用印刷方法的低 溫工藝可以獲得半導(dǎo)體薄膜1。因此，塑料結(jié)構(gòu)可以用作襯底11。在此情況下，通過同樣用 有機(jī)材料構(gòu)成柵絕緣膜15，通過應(yīng)用印刷方法的低溫工藝可以進(jìn)行成形。此外，除了通過濺 射法、CVD法、電鍍法或沉積法的金屬點(diǎn)解常規(guī)形成方法之外，通過應(yīng)用使用納米顆粒(例 如金或銀)的分散溶液、金屬復(fù)合溶液以及導(dǎo)電分子溶液的諸如噴墨法、微接觸法或絲網(wǎng) 印刷法等的印刷方法的低溫工藝，可以形成柵電極13、源極17s和漏極17d。此外，在具有上述構(gòu)造的薄膜半導(dǎo)體裝置10-1中，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過使用如圖1 所述的半導(dǎo)體薄膜1作為有源層，與具有單層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜用作有源層的構(gòu)造相比， 由加熱所引起的遷移率的降低被抑制到較小的程度。結(jié)果，抑制了由加熱所引起的遷移率 的降低和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增強(qiáng)耐熱性。<薄膜半導(dǎo)體裝置_2>圖3是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第二示例的截面構(gòu)造圖。圖3中所示 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-2也是底接觸底柵(BCBG)型薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)。與圖2 中所示的薄膜晶體管(10-1)相同的組成單元用同一附圖標(biāo)號表示。圖3中所示的第二示例的薄膜半導(dǎo)體裝置10-2與圖2中所示的第一示例的薄膜 晶體管(10-1)的不同之處在于半導(dǎo)體薄膜1在源極17s和漏極17d的階梯圖案處分開的 構(gòu)造。其他構(gòu)造與第一示例相同。同時(shí)，在上述構(gòu)造中，提供了這樣的狀態(tài)，即上述半導(dǎo)體薄膜1設(shè)置為跨越源極 17s-漏極17d并處于與柵絕緣膜15、源極17s和漏極17d接觸的狀態(tài)；并且具有三層結(jié)構(gòu) 的半導(dǎo)體薄膜1中間的半導(dǎo)體層a設(shè)置成處于與源極17s、柵絕緣膜15和漏極17d接觸的 狀態(tài)。注意，半導(dǎo)體層a只在半導(dǎo)體層a的端面與源極17s和漏極17d接觸。因此同樣的，在具有上述構(gòu)造的薄膜半導(dǎo)體裝置10-2中，通過使用如圖1所述的 半導(dǎo)體薄膜1作為有源層，如同在第一示例中一樣，抑制了由加熱所引起的遷移率的降低 和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增強(qiáng)耐熱性。<薄膜半導(dǎo)體裝置_3>圖4是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第三示例的截面構(gòu)造圖。圖4中所示 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-3是頂接觸底柵(TCBG)型的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)。與圖2 中所示的薄膜晶體管(10-1)相同的組成單元用同一附圖標(biāo)號表示。圖4中所示的第三示例的薄膜半導(dǎo)體裝置10-3與圖2中所示的第一示例的薄膜 晶體管(10-1)的不同之處在于半導(dǎo)體薄膜1、源極17s和漏極17d層疊的順序。其他構(gòu)造 與第一示例相同。具體來說，通過圖案在柵絕緣膜15上形成源極17s和漏極17d，半導(dǎo)體薄膜1在其 之間，柵絕緣膜15覆蓋襯底11上的柵電極13。因此，上述半導(dǎo)體薄膜1設(shè)置成跨越源極 17s-漏極17d，處于與柵絕緣膜15、源極17s和漏極17d接觸的狀態(tài)。在第三示例的薄膜半導(dǎo)體裝置10-3中，構(gòu)成上述半導(dǎo)體薄膜1的多個(gè)半導(dǎo)體層中 的一個(gè)(這里是半導(dǎo)體層a)設(shè)置成處于與柵絕緣膜15接觸的狀態(tài)，另一個(gè)(這里是半導(dǎo) 體層a')設(shè)置成處于與源極17s和漏極17d接觸的狀態(tài)。因此同樣的，在具有上述構(gòu)造的薄膜半導(dǎo)體裝置10-3中，通過使用如圖1所述的半導(dǎo)體薄膜1作為有源層，如同在第一示例中一樣，抑制了由加熱所引起的遷移率的降低 和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增強(qiáng)耐熱性。〈薄膜半導(dǎo)體裝置_4>圖5是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第四示例的截面構(gòu)造圖。圖5中所示 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-4是頂接觸頂柵(TCTG)型的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)。與圖2 中所示的薄膜晶體管(10-1)相同的組成單元用同一附圖標(biāo)號表示。圖5中所示的第四示例的薄膜半導(dǎo)體裝置10-4與圖2中所示的第一示例的薄膜 晶體管(10-1)的不同之處在于構(gòu)成單元的層疊順序是相反的。其他構(gòu)造與第一示例相同。具體來說，通過圖案在襯底11上形成源極17s和漏極17d，半導(dǎo)體薄膜1在其之 間，并且柵絕緣膜15設(shè)置成處于覆蓋上述各單元的狀態(tài)。通過圖案在柵絕緣膜15上源極 17s-漏極17d之間的位置處形成柵電極13。在上述構(gòu)造中，如同在第一示例中，提供了這樣的狀態(tài)，即上述半導(dǎo)體薄膜1設(shè)置 為跨越源極17s-漏極17d并處于與柵絕緣膜15、源極17s和漏極17d接觸的狀態(tài)；并且具 有三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜1中間的半導(dǎo)體層a'設(shè)置成處于與源極17s、柵絕緣膜15和漏 極17d接觸的狀態(tài)。因此同樣的，在具有上述構(gòu)造的薄膜半導(dǎo)體裝置10-4中，通過使用如圖1所述的 半導(dǎo)體薄膜1作為有源層，如同在第一示例中一樣，抑制了由加熱所引起的遷移率的降低 和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增強(qiáng)耐熱性。<薄膜半導(dǎo)體裝置_5>圖6是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第五示例的截面構(gòu)造圖。圖6中所示 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-5是底接觸頂柵(BCTG)型的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)。與圖2 中所示的薄膜晶體管(10-1)相同的組成單元用同一附圖標(biāo)號表示。圖6中所示的第五示例的薄膜半導(dǎo)體裝置10-5是按照圖5中所示的第四示例的 薄膜晶體管(10-4)中的半導(dǎo)體薄膜1、源極17s和漏極17d的層疊順序。其他構(gòu)造與第四 示例相同。具體來說，通過圖案在襯底11上形成源極17s和漏極17d，半導(dǎo)體薄膜1設(shè)置成處 于覆蓋上述各單元的狀態(tài)。柵絕緣膜15設(shè)置在半導(dǎo)體薄膜1上。此外，通過圖案在柵絕緣 膜15上的源極17s-漏極17d之間的位置處形成柵電極13。在第五示例的薄膜半導(dǎo)體裝置10-5中，構(gòu)成上述半導(dǎo)體薄膜1的多個(gè)半導(dǎo)體層中 的一個(gè)(這里是半導(dǎo)體層a')設(shè)置成處于與柵絕緣膜15接觸的狀態(tài)，另一個(gè)(這里是半 導(dǎo)體層a)設(shè)置成處于與源極17s和漏極17d接觸的狀態(tài)。因此同樣的，在具有上述構(gòu)造的薄膜半導(dǎo)體裝置10-5中，通過使用如圖1所述的 半導(dǎo)體薄膜1作為有源層，如同在第一示例中一樣，抑制了由加熱所引起的遷移率的降低 和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增強(qiáng)耐熱性。<薄膜半導(dǎo)體裝置_6>圖7是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第六示例的截面構(gòu)造圖。圖7中所示 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-6是底接觸頂柵(BCTG)型的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)的第一修 改示例。與第五示例的不同之處僅在于源極17s和漏極17d的表面與襯底11的表面構(gòu)成 相同的平面。
<薄膜半導(dǎo)體裝置_7>圖8是示出應(yīng)用本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體裝置的第七示例的截面構(gòu)造圖。圖8中所示 的薄膜半導(dǎo)體裝置10-7是底接觸頂柵(BCTG)型的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)的第二修 改示例。與第五示例的不同之處僅在于構(gòu)成半導(dǎo)體薄膜1的半導(dǎo)體層a形成為填充源極 17s和漏極17d的階梯圖案的膜，以提供平坦表面。注意，上面所描述的實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體裝置根據(jù)需要還被覆蓋著中間層絕緣膜 和鈍化膜，并被連線以及使用。示例<半導(dǎo)體薄膜的示例1>如下所述形成圖1中所示的半導(dǎo)體薄膜。首先，配制TIPS并五苯(6， 13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene 有機(jī)半導(dǎo)體材料)和聚 α -甲基苯乙烯 (poly(a -mehtylstyrene) :Mw = 108000, Mn = 106000 有機(jī)絕緣材料)混合并溶解在均 三甲苯中的溶液。然后，通過旋轉(zhuǎn)涂布將所配制的溶液涂布在襯底上以形成涂層，在襯底中 表面由主要由交聯(lián)PVP (聚乙烯苯酚)組成的有機(jī)絕緣膜構(gòu)成。所形成的涂層在氮?dú)猸h(huán)境 下在60°C下干燥一小時(shí)，以提供薄膜。通過TOF-SIMS在深度方向以濃度分布測量生成的薄膜。圖9中示出了結(jié)果。如 圖9中所示，在絕緣層(襯底)的靠近表面的位置和靠近界面的位置兩個(gè)分開的位置檢測 到TIPS并五苯中所含的Si的峰值。由此，證實(shí)在上述涂層溶液的干燥過程中有機(jī)半導(dǎo)體 材料TIPS并五苯和有機(jī)絕緣材料聚α-甲基苯乙烯進(jìn)入相分離，并獲得了具有層狀構(gòu)造的 半導(dǎo)體薄膜1，如圖1所示，在半導(dǎo)體薄膜1中主要由聚α -甲基苯乙烯組成的中間層b夾 在由包含Si的TIPS并五苯組成的半導(dǎo)體層a-a'之間。注意，圖9中的CN和0是構(gòu)成襯 底的表面的有機(jī)絕緣膜的成分。<半導(dǎo)體薄膜的比較示例1>在上述 < 示例1>的過程中，有機(jī)絕緣材料的分子量被調(diào)整為聚α -甲基苯乙烯 (Mw = 2200，Mn = 1960)。除此之外，通過與 < 示例1>中相同的過程獲得了薄膜。通過TOF-SIMS在深度方向以濃度分布測量生成的薄膜。圖10中示出了結(jié)果。如 圖10中所示，TIPS并五苯中所含的Si在最淺層表面部分分布略有不均勻，但是在絕緣層 (襯底)的表面?zhèn)戎袡z測到基本均勻，其中CN和0檢測為高濃度。由此，證實(shí)在上述涂層溶 液的干燥過程中有機(jī)半導(dǎo)體材料TIPS并五苯和有機(jī)絕緣材料聚α “甲基苯乙烯沒有進(jìn)入 相分離，并且只獲得了具有單層結(jié)構(gòu)的薄膜，其中上述材料在薄膜中基本均勻混合。因此，根據(jù) < 示例1>和 < 比較示例1>的上述結(jié)果，已證實(shí)，通過調(diào)整組成溶液的 有機(jī)材料(這里具體的說是有機(jī)絕緣材料)的分子量，獲得了在涂層中有機(jī)材料自發(fā)進(jìn)入 相分離的疊層膜。<半導(dǎo)體薄膜的示例2>如下所述形成如圖1中所示的半導(dǎo)體薄膜。首先，配制TIPS并五苯(有機(jī)半導(dǎo)體 材料)和環(huán)烯烴共聚物(有機(jī)絕緣材料)混合并溶解在均三甲苯中的溶液。然后，通過旋 轉(zhuǎn)涂布將所配制的溶液涂布在襯底上以形成涂層，襯底具有主要由交聯(lián)PVP(聚乙烯苯酚) 組成的有機(jī)絕緣膜。所形成的涂層在氮?dú)猸h(huán)境下在60°c下干燥一小時(shí)，以提供薄膜。通過TOF-SIMS在深度方向以濃度分布測量生成的薄膜。圖11中示出了結(jié)果。如圖11中所示，在絕緣層(襯底)的靠近表面的位置和靠近界面的位置兩個(gè)分開的位置檢測 到TIPS并五苯中所含的Si的峰值。由此，證實(shí)在上述涂層的干燥過程中有機(jī)半導(dǎo)體材料 TIPS并五苯和有機(jī)絕緣材料聚α “甲基苯乙烯進(jìn)入相分離，并且獲得具有層狀構(gòu)造的半導(dǎo) 體薄膜1，如圖1所示，在半導(dǎo)體薄膜1中由環(huán)烯烴共聚物組成的中間層b夾在由包含Si的 TIPS并五苯組成的半導(dǎo)體層a-a'之間此外，根據(jù)上面與 < 示例1>的對比，已證實(shí)在涂層中有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)絕緣 材料的相分離不限于諸如聚α-甲基苯乙烯之類的芳香烴化合物用作有機(jī)絕緣材料的情 況，還利用沒有芳香環(huán)的環(huán)烯烴基高分子材料而出現(xiàn)<半導(dǎo)體薄膜的比較示例2>在上述〈示例1>的過程中，使用在均三甲苯中只溶解TIPS并五苯(有機(jī)半導(dǎo)體 材料)而沒有有機(jī)絕緣材料的溶液。除此之外，通過與〈示例1>中相同的過程形成具有僅 由TIPS并五苯組成的單層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜。<半導(dǎo)體薄膜的評價(jià)>測量上面生成的 < 比較示例2>的半導(dǎo)體薄膜和上述 < 示例1>以及 < 比較示例1> 的半導(dǎo)體薄膜的X射線衍射譜。圖12中示出了結(jié)果。如圖12所示，有機(jī)半導(dǎo)體材料TIPS 并五苯和有機(jī)絕緣材料聚α -甲基苯乙烯進(jìn)入相分離的 < 示例1>與具有僅有TIPS并五苯 組成的單層結(jié)構(gòu)的 < 比較示例2>表現(xiàn)出相同的光譜。由此，證實(shí)在 < 示例1>中生成的半 導(dǎo)體薄膜1中的半導(dǎo)體層a、a'中的TIPS并五苯的排列狀態(tài)被保持，從而與 < 比較示例2> 中生成的由TIPS并五苯組成的單層結(jié)構(gòu)中的排列狀態(tài)相同。與此相反，在 < 比較示例1>中生成的并且具有TIPS并五苯和聚α -甲基苯乙烯 基本均勻混合的單層結(jié)構(gòu)的薄膜中，在X射線衍射光譜中沒有峰值，這表明TIPS并五苯?jīng)] 有排列在膜中，分子排列是換亂的?！囱b置的示例〉如下所述，制作了如圖2所述的底接觸底柵(BCBG)型的薄膜晶體管(場效應(yīng)晶體管)。首先，使用3英寸的Si晶片作為通用柵電極13。在柵電極13的上部形成由有機(jī) 絕緣膜構(gòu)成的柵絕緣膜15，在柵絕緣膜15上形成源極17s和漏極17d的87個(gè)或更多個(gè)圖 案。然后，通過與〈示例1>中相同的過程，在柵絕緣膜15上形成具有疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄 膜1，在柵絕緣膜15上形成源極17s和漏極17d。具體來說，TIPS并五苯(有機(jī)半導(dǎo)體材 料)和聚α -甲基苯乙烯(Mw = 108000,Mn = 106000 有機(jī)絕緣材料)混合并溶解在均三 甲苯中的溶液被通過旋轉(zhuǎn)涂布來涂布，以形成涂層溶液。所形成的涂層溶液在氮?dú)猸h(huán)境下 在60°C下干燥一小時(shí)，以形成具有疊層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜1。因此，獲得了應(yīng)用本發(fā)明的圖 2中的薄膜晶體管?！囱b置的比較示例〉除了應(yīng)用 < 比較示例2>的過程以形成半導(dǎo)體薄膜之外，通過與 < 裝置的示例 > 中 相同的過程生產(chǎn)薄膜晶體管。具體來說，在形成半導(dǎo)體薄膜中，使用在均三甲苯中只混合并 溶解了 TIPS并五苯(有機(jī)半導(dǎo)體材料)而沒有有機(jī)絕緣材料的溶液，以形成具有僅有TIPS 并五苯組成的單層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜。除此之外，通過與 < 裝置的示例 > 中相同的過程生 產(chǎn)薄膜晶體管。
〈裝置的評價(jià)-D在氮?dú)猸h(huán)境下以遷移率(Mobility)根據(jù)加熱溫度的變化測量在上面的 < 裝置的 示例〉和〈裝置的比較示例〉中所生產(chǎn)的薄膜晶體管。圖13中示出了結(jié)果。如圖13所示， 在〈裝置的示例〉中所獲得的薄膜晶體管中，初始遷移率為0. 2cm2/Vs，隨著加熱而降低，但 是即使加熱到180°C，可以維持大約0.08cm2/Vs的遷移率。與此相反，在〈裝置的比較示例 >中所獲得的薄膜晶體管中，初始遷移率為0. 09cm2/Vs,隨著加熱而降低，在180°C降到大約 6Xl(T4cm2/Vs 的遷移率。這表明，與 < 裝置的比較示例 > 中所獲得的薄膜晶體管相比，在應(yīng)用本發(fā)明的 < 裝 置的示例〉中所獲得的薄膜晶體管中，初始遷移率高，即使處于加熱到180°C的狀態(tài)下，遷 移率的降低被抑制到較小的程度。因此，已證實(shí)，通過應(yīng)用本發(fā)明使得半導(dǎo)體薄膜1具有疊層結(jié)構(gòu)，可以抑制由加熱 所引起的遷移率的降低和由遷移率的降低所引起的特性的降低，可以獲得具有增強(qiáng)的耐熱 性的半導(dǎo)體薄膜和薄膜半導(dǎo)體裝置。注意，可以實(shí)現(xiàn)上述對遷移率降低的抑制，一個(gè)原因是因?yàn)橛杉訜崴鸬陌雽?dǎo) 體薄膜的膨脹受到疊層結(jié)構(gòu)的抑制。即，作為由于熱量的增加所引起的一種物理變化，存在 由于加熱所引起的膨脹和收縮。薄膜晶體管可以看做層疊具有不同材料特性的有機(jī)物質(zhì)的 結(jié)構(gòu)。各層具有不同的熱膨脹系數(shù)，熱量的增加可以引起各層之間的應(yīng)力。例如，當(dāng)具有不 同熱膨脹系數(shù)的金屬M(fèi)a和金屬M(fèi)b結(jié)合在一起時(shí)，眾所周知室溫下平坦的組元在高溫下會 翹曲。這個(gè)現(xiàn)象是由于上部和下部之間不同的膨脹率而引起的。但是，存在利用Ma-Mb-Ma 夾層結(jié)構(gòu)可以避免上述翹曲的情況。這可以實(shí)現(xiàn)，是由于盡管在金屬M(fèi)a-Mb之間引起了應(yīng) 力，但是當(dāng)看做一個(gè)平板時(shí)，夾層結(jié)構(gòu)減小了由于上部和下部之間的熱膨脹而引起的應(yīng)力。因此，半導(dǎo)體薄膜1不限于如示例中所示的由有機(jī)材料組成的半導(dǎo)體薄膜，希望 有無機(jī)材料組成的半導(dǎo)體薄膜具有相同的優(yōu)點(diǎn)。此外，當(dāng)通過涂層生產(chǎn)半導(dǎo)體薄膜時(shí)，溶劑的干燥步驟顯著的影響薄膜晶體管的 性能特性。例如，已有報(bào)道，使用具有更高沸點(diǎn)的涂層溶劑可以提供具有高遷移率的薄膜晶 體管(參考《Chem.Mater》，16(23)，2004年，第4772-4776頁)。這可以實(shí)現(xiàn)，是由于使用具 有高沸點(diǎn)的涂層溶劑減低了干燥步驟中涂層溶劑的干燥速度。此外，如上面的 < 裝置的示例 > 和 < 裝置的比較示例 > 中，當(dāng)使用相同的涂層溶劑 (均三甲苯)用于形成半導(dǎo)體薄膜時(shí)，已在視覺上證實(shí)在〈裝置的示例〉中的涂層的干燥過 程中涂層溶劑的干燥速度降低了。這可以實(shí)現(xiàn)，是由于具有遠(yuǎn)大于TIPS并五苯的分子量的 高分子材料聚α -甲基苯乙烯(Mw = 108000, Mn = 106000)與有機(jī)半導(dǎo)體材料TIPS并五 苯(有機(jī)半導(dǎo)體材料)的混合阻止涂層溶劑的揮發(fā)，結(jié)果干燥變慢。因此，利用上述干燥速 度的降低作為原因，能夠獲得具有增強(qiáng)的遷移率的薄膜晶體管?！囱b置的評價(jià)_2>在如上述〈裝置的示例〉和〈裝置的比較示例〉中所生產(chǎn)的多個(gè)薄膜晶體管中，測 量 < 裝置的示例 > 和 < 裝置的比較示例 > 中各自的87個(gè)薄膜晶體管在電流導(dǎo)通狀態(tài)下的變 化。結(jié)果，如〈裝置的示例〉中所生產(chǎn)的薄膜晶體管的在電流導(dǎo)通狀態(tài)下的變化時(shí)11. 3%0 另一方面，如在 < 裝置的比較示例 > 中所生產(chǎn)的薄膜晶體管的在電流導(dǎo)通狀態(tài)下的變化是 54. 7%。
11
因此，通過在應(yīng)用旋轉(zhuǎn)涂布方法形成半導(dǎo)體薄膜中利用自發(fā)相分離形成具有疊層 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜，已證實(shí)與利用單一有機(jī)半導(dǎo)體材料形成半導(dǎo)體薄膜的情況相比，對電 流導(dǎo)通狀態(tài)的變化的抑制效果大約是1/5?！囱b置的評價(jià)-3>此外，在如 < 裝置的示例 > 和 < 裝置的比較示例 > 中所生產(chǎn)的多個(gè)薄膜晶體管中， 測量 < 裝置的示例 > 和 < 裝置的比較示例 > 中各自的87個(gè)薄膜晶體管的柵電壓Vg-漏電 流Id特性。圖14中示出了結(jié)果。根據(jù)上述結(jié)果，同樣已證實(shí)如〈裝置的示例〉中生成的 薄膜晶體管的特性的變化小于如 < 裝置的比較示例 > 中生成的薄膜晶體管的特性的變化。根據(jù)上面的 < 裝置的評價(jià)_2>和 < 裝置的評價(jià)_3>的結(jié)果，已證實(shí)，通過混合具有 遠(yuǎn)大于TIPS并五苯的分子量的高分子材料聚α -甲基苯乙烯(Mw = 108000,Mn = 106000) 與有機(jī)半導(dǎo)體材料TIPS并五苯(有機(jī)半導(dǎo)體材料)，可以向用于涂層的溶液提供一定程度 的粘性，并且增強(qiáng)了涂布性能，還抑制了涂層在干燥過程中的凝結(jié)，因此獲得了具有面內(nèi)均 勻性的半導(dǎo)體薄膜。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管中可以抑制由加熱所 引起的遷移率的降低和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增強(qiáng)耐熱性。
權(quán)利要求
一種薄膜半導(dǎo)體裝置，其包括層疊在柵電極上的半導(dǎo)體薄膜，在所述柵電極和所述半導(dǎo)體薄膜之間具有柵絕緣膜，其中，所述半導(dǎo)體薄膜具有疊層結(jié)構(gòu)，并且包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體裝置，其中，中間層主要由不同于所述兩個(gè)半導(dǎo)體層的材料組成，所述中間層夾在所述半導(dǎo) 體層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜半導(dǎo)體裝置， 其中所述兩個(gè)半導(dǎo)體層由同一材料組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜半導(dǎo)體裝置， 其中所述中間層由絕緣材料組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜半導(dǎo)體裝置， 其中所述疊層結(jié)構(gòu)由有機(jī)材料組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜半導(dǎo)體裝置，其中，所述兩個(gè)半導(dǎo)體層是共軛型低分子材料，所述中間層是高分子材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜半導(dǎo)體裝置，其中所述共軛低分子材料是多晶的或結(jié)晶的，所述高分子材料是非晶的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜半導(dǎo)體裝置， 其中所述高分子材料是高分子絕緣材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體裝置，其中，所述疊層結(jié)構(gòu)從所述柵絕緣膜一側(cè)起依次由第一共軛型低分子材料層/高分子 材料層/第二共軛低分子材料層構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的薄膜半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一共軛型低分子材料層和所述第二共軛型低分子材料層是多晶的或結(jié)晶 的，所述高分子材料層是非晶的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的薄膜半導(dǎo)體裝置， 其中所述高分子材料層是高分子絕緣材料。
12.—種場效應(yīng)晶體管，其包括層疊在柵電極上的半導(dǎo)體薄膜，在所述柵電極和所述半 導(dǎo)體薄膜之間具有柵絕緣膜；以及源極和漏極，所述源極和所述漏極設(shè)置在與所述柵電極的兩側(cè)相對應(yīng)的位置上，從而 與所述半導(dǎo)體薄膜相對，其中，所述半導(dǎo)體薄膜具有疊層結(jié)構(gòu)，并且包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層。全文摘要
本發(fā)明包括半導(dǎo)體薄膜(1)，半導(dǎo)體薄膜層疊在柵電極(13)上，在半導(dǎo)體薄膜和柵電極之間具有柵絕緣膜(15)。半導(dǎo)體薄膜(1)具有疊層結(jié)構(gòu)，并且包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層(a、a′)。在半導(dǎo)體薄膜(1)中，例如，由與兩個(gè)半導(dǎo)體層(a、a′)不同的材料組成的中間層(b)被夾在兩個(gè)半導(dǎo)體層(a、a′)之間。兩個(gè)半導(dǎo)體層(a、a′)由同一材料組成，中間層(b)有絕緣材料組成。構(gòu)成上述疊層結(jié)構(gòu)的材料由有機(jī)材料組成。因此，提供了薄膜半導(dǎo)體裝置和場效應(yīng)晶體管，其中可以抑制由加熱所引起的遷移率的降低和由遷移率的降低所引起的特性的降低，并且增強(qiáng)了耐熱性。
文檔編號H01L21/336GK101904011SQ20088012207
公開日2010年12月1日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者君島美樹, 大江貴裕 申請人:索尼公司