專利名稱：用有機(jī)和無機(jī)雜化材料作半導(dǎo)電溝道的薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，特別涉及使用有機(jī)-無機(jī)雜化材料(hybrid material)作其中的半導(dǎo)電溝道的晶體管結(jié)構(gòu)。
已知為TFT的薄膜晶體管已廣泛用作電子設(shè)備的開關(guān)元件，最引人注目的是用于例如有源矩陣液晶顯示器等的大面積應(yīng)用。TFT的一個例子是場效應(yīng)晶體管(FET)。最公知的FET是MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體FET)，為目前用于高速電子應(yīng)用的常規(guī)開關(guān)元件。盡管該MOSFET具體稱為SiO2/體Si晶體管，但金屬絕緣體半導(dǎo)體的更一般組合已知為MISFET。這種TFT是一種有源半導(dǎo)電層淀積為薄膜的MISFET。
目前多數(shù)器件中的TFTs利用非晶硅作半導(dǎo)體制造。非晶硅是晶體硅的廉價替代品，能夠滿足降低大面積應(yīng)用中晶體管的成本的要求。由于非晶硅的遷移率是-10-1cm2/V*sec，比晶體硅小15000倍，因而非晶硅的應(yīng)用僅限為低速器件。盡管淀積非晶硅比晶體硅便宜，但非晶硅的淀積仍需要成本較高的工藝，例如等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積。
近年來，有機(jī)半導(dǎo)體作為TFT的一種潛在半導(dǎo)體成分引起了廣泛關(guān)注。例如見授予Garnier等人、題為“具有其絕緣體和半導(dǎo)體由有機(jī)材料制造的MIS結(jié)構(gòu)的薄層場效應(yīng)晶體管(Thin-Layer FieldEffect Transistors With MIS Structure Whose Insulator andSemiconductor Are Made of Organic Materials)”的美國專利5347144。由于可以利用例如溶液的旋涂或浸涂、熱蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷等方法簡單加工，所以有機(jī)材料(例如小分子、短鏈低聚物和聚合物)可作為TFT結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料的廉價代用品。然而，盡管有機(jī)材料的遷移率已經(jīng)提高，但它們的遷移率仍很低，最好的材料也只能達(dá)到非晶硅的遷移率。
有機(jī)半導(dǎo)體比常規(guī)非晶硅便宜而且容易淀積。這些有機(jī)材料或者是小分子(例如并五苯，金屬-酞菁染料)、短鏈低聚物(例如n-噻吩，其中n＝3-8)或者是長鏈聚合物(例如，聚烷基噻吩，或聚亞苯基乙烯)。相鄰多重鍵合原子間的原子軌道重疊稱為共軛，能夠使電荷沿分子、低聚物和聚合物輸運。相鄰分子間的分子軌道重疊允許分子間電荷輸運。
有機(jī)材料中，小分子或短鏈低聚物的薄膜具有最高遷移率。已經(jīng)用熱蒸發(fā)法淀積出具有這種高遷移率的小分子/短鏈低聚物，它們淀積為很有序的薄膜。薄膜中較高的排序程度提供了軌道重疊，因此電荷可以在相鄰分子間輸運。長鏈聚合物的優(yōu)點是由于它們更易溶，所以可以利用例如旋涂和浸涂法等低成本技術(shù)淀積，但由于它們較無序，所以它們的遷移率較低。
盡管有機(jī)材料提供了利用例如熱蒸發(fā)、旋涂和浸涂等便宜且容易的淀積技術(shù)淀積TFT的半導(dǎo)體的可能性，但它們的遷移率仍比要求的低。小分子/短鏈低聚物的典型遷移率為10-3至10-1cm2/V*sec，長鏈合物為10-8至10-2cm2/V*sec。對于并五苯薄膜來說，所報道的最高遷移率為0.7cm2/V*sec，對于二已基，α-六噻吩薄膜來說，最高遷移率為0.13cm2/V*sec。測量單晶α-六噻吩的遷移率為0.3cm2/V*sec，該值表示該材料遷移率的上限。有機(jī)半導(dǎo)體的遷移率可與非晶硅相媲美。
有機(jī)-無機(jī)雜化材料是能夠結(jié)合單一材料中有機(jī)和無機(jī)成分的有益特征的一類特殊材料。這類材料中某些表現(xiàn)出半導(dǎo)電性。為本說明書的目的，一種有機(jī)-無機(jī)雜化材料是一種由分子級混合在一起的有機(jī)成分和無機(jī)成分構(gòu)成的材料，(i)其中該材料的特征在于，每種有機(jī)成分與每種無機(jī)成分有基本固定的比例；(ii)其中至少一種成分是半導(dǎo)電的；(iii)其中有機(jī)和無機(jī)成分具有能夠使其間的自組合成為預(yù)定的配置的力。
有機(jī)-無機(jī)雜化材料的一個例子采用有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的形式。層狀的鈣鈦礦自然形成量子阱結(jié)構(gòu)，其中角部共享金屬鹵化物八面體的兩維半導(dǎo)體層和有機(jī)層交替層疊。
由于許多有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦溶于常規(guī)的水溶液或有機(jī)溶劑，所以這種有機(jī)-無機(jī)雜化材料的制備適合用旋涂技術(shù)。利用這種方法，已得到了高質(zhì)量高取向性的層狀鈣鈦礦薄膜。還使用了真空蒸發(fā)技術(shù)生長層狀鈣鈦礦。轉(zhuǎn)讓給本申請的同一受讓人的其同待審美國專利申請No09/192130和08/935071(題目分別為“Single-Source ThermalAblation Method for Depositing Organic-Inorganic HybridFilms”和“Two-Step Dipping Technique For the Preparation oforganic-Inorganic Perovskite Thin Films”)都介紹了有機(jī)-無機(jī)雜化材料的替代淀積方法。這里引用上述申請所披露的內(nèi)容。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種使用有機(jī)-無機(jī)雜化材料作半導(dǎo)電溝道的改進(jìn)FET結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明再一目的是提供一種可以低成本加工的改進(jìn)FET結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的FET結(jié)構(gòu)使用了有機(jī)-無機(jī)雜化材料作器件的源和漏極間半導(dǎo)電溝道。這種有機(jī)-無機(jī)雜化材料結(jié)合了無機(jī)結(jié)晶固體和有機(jī)材料的優(yōu)點。無機(jī)成分形成延伸的無機(jī)一、二或三維網(wǎng)絡(luò)，以提供無機(jī)結(jié)晶固體的高載流子遷移率特性。有機(jī)成分有助于這些材料的自組合，并使這些材料能夠利用例如旋涂、浸涂或熱蒸發(fā)等簡單的低溫處理條件淀積。有機(jī)成分還用于通過限定無機(jī)成分的維數(shù)和無機(jī)單元間的電耦合，控制無機(jī)網(wǎng)格的電特性。


圖1表示一種有機(jī)-無機(jī)雜化材料的一個實例的結(jié)構(gòu)，這種情況下是鈣鈦結(jié)構(gòu)。
圖2是利用旋涂法在TFT器件結(jié)構(gòu)中淀積的碘化苯乙銨錫(PEA)2SnI4膜的X射線衍射圖。
圖3是引入有機(jī)-無機(jī)雜化材料作半導(dǎo)電溝道的第一TFT結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖4是引入有機(jī)-無機(jī)雜化材料作半導(dǎo)電溝道的第二TFT結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5是用無機(jī)-有機(jī)雜化材料(PEA)2SnI4作有源半導(dǎo)體材料的TFT的IDS與VDS的曲線。
圖6是用無機(jī)-有機(jī)雜化材料(PEA)2SnI4作有源半導(dǎo)體材料且表現(xiàn)出到目前為止最好特性的TFT的IDS與VDS的曲線。
圖7是用含烷基二銨陽離子(即，BDASnI4(碘化丁基二銨錫))的無機(jī)-有機(jī)雜化材料作有源半導(dǎo)體材料的TFT的IDS與VDS的曲線。
本發(fā)明使用有機(jī)-無機(jī)雜化材料作薄膜FET中的半導(dǎo)電溝道。包括分子級有機(jī)和無機(jī)組分的有機(jī)-無機(jī)雜化材料可以提供比非晶硅高的載流子遷移率，同時淀積也便宜且容易。無機(jī)成分提供結(jié)晶無機(jī)半導(dǎo)體的高遷移率特性，而有機(jī)成分提供材料與或者溶液或者汽相的自組合。該有機(jī)-無機(jī)雜化材料可利用包括旋涂、浸涂或熱蒸發(fā)技術(shù)等許多技術(shù)淀積。關(guān)于有機(jī)半導(dǎo)體，這些方法滿足用于大面積應(yīng)用的低成本和大面積淀積的需要。這些淀積技術(shù)的低溫處理條件還可以在柔性應(yīng)用的塑料基片上淀積這些材料。一般情況下，上述所有應(yīng)用中皆可用有機(jī)-無機(jī)雜化材料代替有機(jī)半導(dǎo)體材料。除加工容易外，這些材料的可能較高遷移率會比目前非晶硅或有機(jī)半導(dǎo)體更有可能將它們的應(yīng)用擴(kuò)展到更高速器件。
本發(fā)明包括具有有機(jī)-無機(jī)雜化材料作有源半導(dǎo)體層的薄膜FET。圖1展示了一種有機(jī)-無機(jī)雜化材料10的一個實例，這是一種三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABX3。該鈣鈦礦結(jié)構(gòu)包括角部共享的BX6八面體12。每個八面體12由頂點的六個X陰離子和中心的一個B陽離子(見晶體簡圖18)限定。A陽離子位于八面體12的大空間中。
沿鈣鈦礦的<100>或<100>面，取n層厚“切割”(n＝1到無窮大)，可以觀察三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的層狀無機(jī)化合物。在有機(jī)-無機(jī)雜化材料中，鈣鈦礦片的陰性無機(jī)BX6八面體被構(gòu)成交替層和/或位于A陽離子空間位置的陽性有機(jī)分子20電荷平衡。這些材料的實例包括B＝族14(IV A)過渡金屬和稀土元素；X＝鹵素(Cl，Br，或I)，A＝有機(jī)銨或二銨陽離子。有機(jī)銨或二銨陽離子可以是脂族，例如烷烴或芳香族，例如該實例中提供的。其它芳香族分子包括雜環(huán)分子。有機(jī)分子可以是絕緣的，再如該實例中提供的，或是半導(dǎo)電的，例如低聚噻吩。
無機(jī)鈣鈦礦片12和有機(jī)層20通過強(qiáng)離子氫鍵鍵合在一起。離子鍵合需要有機(jī)-無機(jī)化合物具有特定的化學(xué)計量比，有機(jī)分子位于很好限定的結(jié)晶學(xué)位置。有機(jī)和無機(jī)層間的鍵合使這些雜化材料淀積為晶體、薄膜或生長為單晶。
圖2是淀積于TFT器件結(jié)構(gòu)中的有機(jī)-無機(jī)雜化材料碘化苯乙銨錫(PEA)2SnI4膜的X射線衍射圖。只有存在(001)反射時表明該材料淀積為很好取向的結(jié)晶薄膜，有機(jī)和無機(jī)片平行于(或該結(jié)構(gòu)的C軸垂直于)半導(dǎo)體基片。
上述有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦及其它有機(jī)-無機(jī)雜化材料結(jié)合了無機(jī)結(jié)晶半導(dǎo)體與有機(jī)材料的優(yōu)點。無機(jī)成分構(gòu)成延伸的無機(jī)一維、二維或三維網(wǎng)絡(luò)，從而可以提供無機(jī)結(jié)晶固體的高載流子遷移率特性。有機(jī)成分有助于這些材料的自組合。這使這些材料能夠利用例如旋涂、浸涂或熱蒸發(fā)等簡單的低溫處理條件淀積。有機(jī)成分還用于通過限定無機(jī)成分的維數(shù)和無機(jī)單元間的電耦合，控制無機(jī)網(wǎng)格的電特性。
圖3展示了典型TFT器件結(jié)構(gòu)30的剖面圖。TFT30包括有機(jī)-無機(jī)雜化材料層32，層32是有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦，用作源和漏極34和36間的半導(dǎo)電溝道?？梢岳肵射線衍射看到，該材料的取向為二維無機(jī)片12提供源和漏極34和36間的電連接。有機(jī)-無機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性由柵極40(例如簡并摻雜的，n++硅層)穿過絕緣層38例如薄SiO2膜調(diào)節(jié)，上述各層都由基片42支撐。
有機(jī)-無機(jī)雜化材料32可在源和漏極34和36的金屬淀積前或后淀積。后淀積有機(jī)-無機(jī)雜化材料32可減少材料暴露于金屬化期間的可能有害的高溫中。
盡管圖3展示了一種典型FET結(jié)構(gòu)配置，但本發(fā)明的可以具有其它結(jié)構(gòu)。圖4展示了另一FET結(jié)構(gòu)的各部件，其參考數(shù)字與圖3相同。替代的基片包括例如聚酰亞胺和聚碳酸酯等塑料，可用于構(gòu)成柔性器件。這種配置中，已構(gòu)圖的金屬柵極通過掩蔽掩?；蛲ㄟ^光刻法淀積于基片上。然后，柵絕緣體利用包括旋涂、化學(xué)汽相淀積、濺射或真空淀積等的各種方法之一淀積，但不限于這些方法。然后，如上所述淀積有機(jī)-無機(jī)雜化材料及源和漏極。
圖5示出了表示利用有機(jī)-無機(jī)雜化材料(PEA)2SnI4制備的TFT所需要的場調(diào)節(jié)導(dǎo)電性和電流飽和的原始數(shù)據(jù)。在所測量的器件中，利用乙腈，在5000A厚的SiO2柵氧化物上旋涂～100A的(PEA)2SnI4層。半導(dǎo)體溝道由金電極限定為70微米長，1500微米寬。一般情況下，高功函數(shù)的金屬例如Au、Pd和Pt構(gòu)成與該有機(jī)-無機(jī)雜化材料的“良好”歐姆接觸。由于(PEA)2SnI4通過半導(dǎo)體層傳輸空穴，所以它是“P型”材料。由于流過半導(dǎo)電溝道的電流(ID)隨負(fù)柵偏壓(VG)和源-漏電壓(VDS)的增大而增大，這是很顯然的。圖6是用無機(jī)-有機(jī)雜化材料(PEA)2SnI4作有源半導(dǎo)體材料且表現(xiàn)出到目前為止最好特性的TFT的IDS與VDS的曲線。
圖7是用含烷基二銨陽離子(即，BDASnI4(碘化丁基二銨錫))的無機(jī)-有機(jī)雜化材料作有源半導(dǎo)體材料的TFT的IDS與VDS的曲線。
盡管0.06-0.25cm2/V*sec的遷移率比希望的固有值低，但它們已達(dá)到了非晶硅和最好的有機(jī)半導(dǎo)體的遷移率。注意，這些遷移率高于旋涂有機(jī)半導(dǎo)體。預(yù)計可以實現(xiàn)較高固有遷移率。盡管沒有測量場效應(yīng)遷移率，但據(jù)報道霍爾效應(yīng)遷移率在～1-100cm2/V*sec。盡管霍爾遷移率和場效應(yīng)遷移率的關(guān)系會很復(fù)雜，根據(jù)很簡單的理論，希望它們成比例。因此，這些大霍爾效應(yīng)遷移率提出了可實現(xiàn)超過非晶硅的類似的大場效應(yīng)遷移率。除具有高遷移率的有機(jī)-無機(jī)雜化材料外，還可以利用比用于普通無機(jī)固體便宜的加工技術(shù)淀積它們。這些技術(shù)包括旋涂、浸涂或熱蒸發(fā)。
有機(jī)-無機(jī)雜化材料的電特性可通過化學(xué)方法控制。存在一個可用作有機(jī)-無機(jī)雜化材料的很大有機(jī)和無機(jī)成分范圍。該應(yīng)用的唯一需要是有機(jī)和無機(jī)成分之一或兩者是半導(dǎo)電的。可以通過選擇無機(jī)成分的化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)和維數(shù)及有機(jī)成分的長度和化學(xué)功能，來設(shè)計具有所需要特性的材料。有機(jī)-無機(jī)雜化材料化學(xué)方面的靈活性可用于制備n型和p型傳輸材料，可用于互補(bǔ)邏輯和普通開或關(guān)TFT。
應(yīng)理解，上述介紹只是例示本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的情況下可以做出各種替換和改進(jìn)。因此，本發(fā)明意在函括這些落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的替換、改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括源區(qū)和漏區(qū)；在所說源和所說漏區(qū)間延伸的溝道層，所說溝道層包括半導(dǎo)電的有機(jī)-無機(jī)雜化材料；與所說溝道間隔相鄰設(shè)置的柵區(qū)；及所說柵區(qū)和所說源區(qū)及溝道區(qū)之間的電絕緣層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所說源區(qū)、溝道層和漏區(qū)設(shè)置于基片的表面上，所說電絕緣層設(shè)置于所說溝道層上，并從所說源區(qū)延伸到所說漏區(qū)，所說柵區(qū)設(shè)置于所說電絕緣層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所說柵區(qū)設(shè)置為所說基片表面上的柵層，所說電絕緣層設(shè)置于所說柵層上，所說源區(qū)、溝道層和漏區(qū)設(shè)置于所說電絕緣層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所說有機(jī)-無機(jī)雜化材料是一種由分子級混合在一起的有機(jī)成分和無機(jī)成分構(gòu)成的材料，(i)其中該材料的特征在于，每種有機(jī)成分與每種無機(jī)成分有基本固定的比例；(ii)其中至少一種成分是半導(dǎo)電的；(iii)其中有機(jī)和無機(jī)成分具有能夠使其間的自組合成為預(yù)定的配置的力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所說半導(dǎo)電有機(jī)-無機(jī)雜化材料包括具有鈣鈦礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)的無機(jī)成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的場效應(yīng)晶體管，其中所說半導(dǎo)電有機(jī)-無機(jī)雜化材料包括烷基單銨陽離子。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的場效應(yīng)晶體管，其中所說半導(dǎo)電有機(jī)-無機(jī)雜化材料是碘化苯乙銨錫，(PEA)2SnI4。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的場效應(yīng)晶體管，其中所說半導(dǎo)電有機(jī)-無機(jī)雜化材料包括烷基二銨陽離子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的場效應(yīng)晶體管，其中所說半導(dǎo)電有機(jī)-無機(jī)雜化材料是BDASnI4(碘化丁基二銨錫)作半導(dǎo)體材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所說基片包括柔性材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中所說基片包括塑料材料。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的FET結(jié)構(gòu)使用一種有機(jī)－無機(jī)雜化材料作器件的源和漏極之間的半導(dǎo)電溝道。該有機(jī)－無機(jī)雜化材料結(jié)合了無機(jī)結(jié)晶固體與有機(jī)材料的優(yōu)點,無機(jī)成分構(gòu)成延伸的無機(jī)一維、二維或三維網(wǎng)絡(luò),從而提供無機(jī)結(jié)晶固體的高載流子遷移率特性。有機(jī)成分有助于這些材料的自組合,并使這些材料能夠利用例如旋涂、浸涂或熱蒸發(fā)等簡單的低溫處理條件淀積。有機(jī)成分還用于通過限定無機(jī)成分的維數(shù)和無機(jī)單元間的電耦合,控制無機(jī)網(wǎng)格的電特性。
文檔編號H01L35/24GK1266287SQ0010188
公開日2000年9月13日 申請日期2000年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月3日
發(fā)明者K·肖德魯?shù)纤? C·D·蒂米特拉科普洛斯, C·R·卡干, I·克米斯斯, D·B·米特茲 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司