DE102004026108B4

DE102004026108B4 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004026108B4
Application number: DE102004026108A
Authority: DE
Inventors: Hagen Dr. Klauk; Florian Eder; Marcus Dr. Halik; Ute Zschieschang; Ralf Dr. Brederlow; Günter Dr. Schmid; Karl Dr. Kragler
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2024-05-29
Also published as: DE102004026108A1

Abstract

Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung,
– bei welcher eine Feldeffekttransistoreinrichtung (T) ausgebildet ist mit einem Sourcebereich (S), einem Drainbereich (D), einem dazwischen vorgesehenen Kanalbereich (K) und einem zu diesen elektrisch isolierten Gatebereich (G),
– bei welcher eine Widerstandseinrichtung (R) als ohmscher Widerstand, als separates Bauteil und in Kontakt mit dem Sourcebereich (S), dem Drainbereich (D) und/oder dem Gatebereich (G) ausgebildet ist und
– bei welcher die Widerstandseinrichtung (R) mit oder aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bei vielen integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen ist es notwendig, in Kombination miteinander Feldeffekttransistoreinrichtungen und Widerstandseinrichtungen vorzusehen, um bestimmte Funktionalitäten der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung zu realisieren. Im einfachsten Fall besteht eine derartige integrierte Halbleiterschaltungsanordnung also aus einem Feldeffekttransistor, welcher mit einem Widerstandselement, also einem ohmschen Widerstand, elektrisch verknüpft ist, wobei letzterer mit dem Transistor über dessen Sourcebereich, Drainbereich und/oder Gatebereich verbunden ist.
Bei bestimmten Halbleiterschaltungsanordnungen ist im Hinblick auf den Bereich der Werte des ohmschen Widerstands des vorgesehenen Widerstandselements eine besonders hohe Dynamik, d. h. ein besonders breiter Wertebereich, notwendig. Dies kann mit herkömmlichen Halbleitermaterialien oder metallischen Materialien nur schwer realisiert werden, insbesondere dann, wenn besonders einfache Prozesse und Strukturen zugrunde gelegt werden sollen.
Aus der US 6,548,313 B1 ist eine Isolationsstruktur aus amorphem Kohlenstoff und insbesondere eine Kontaktierung oder Verdrahtung mittels Kohlenstoffnanotubes bekannt. Dabei wird insbesondere von einem mehrteiligen Halbleiterschaltkreis ausgegangen, bei welchem ein erster Bereich und ein zweiter Bereich über eine Struktur aus Kohlenstoffnanotubes elektrisch gekoppelt sind. Dabei wird auch vorgeschlagen, über eine abgeschiedene amorphe Kohlenstoffschicht unter Einführung bestimmter Precursor-Materialien Kohlenstoffnanotubes aus der Kombination amorphen Kohlenstoffs mit den Precursor-Materialien auszubilden.
Die US 5,612,228 A betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer CMOS-Einrichtung mit einem organischen Halbleiterbereich und mit einem anorganischen Halbleiterbereich beschreibt eine entsprechende CMOS-Einrichtung mit zwei Dünnschichttransistoren, wobei der erste Dünnschichttransistor ein anorganischer Dünnschichttransistor ist und wobei der zweite Dünnschichttransistor ein organischer Dünnschichttransistor ist. Die beiden Transistoren sind auf einem Trägersubstrat ausgebildet, auf dessen Oberfläche sich erste und zweite Steuerelektroden in einem Dielektrikum eingebettet befinden, die im Betrieb der Transistoren als jeweilige Gateelektroden dienen. Auf der Oberfläche des dielektrischen Bereichs ist für den ersten Transistor ein anorganischer Halbleiterbereich ausgebildet, der einerseits gebildet wird von einer undotierten Schicht, die auch aus einem amorphen Kohlenstoff gebildet sein kann. Zweite Bereiche dienen als Sourcebereiche und Drainbereiche und sind über Anschlüsse kontaktiert.
Die US 6,166,400 A aus dem Stand der Technik betrifft Dünnschichttransistoren für Flüssigkristallanzeigeeinrichtungen, die ohmsche Kontaktschichten aus amorphem Kohlenstoff aufweisen und zeigt einen Dünnschichtfeldeffekttransistor, bei welchem auf einem isolierenden Trägermaterial eine Gateelektrode in einem Isolationsmaterial eingebettet ausgebildet ist. Auf der Oberfläche des Isolationsmaterials ist ein aktiver Materialbereich vorgesehen, der zur Definition der Kanalstrecke des Transistors dient und der über ohmsche Schichten mit Source- und Drainbereichen elektrisch kontaktiert ist. Die ohmschen Schichten sind über eine amorphe Diamantstruktur ausgebildet. Es geht bei dieser insbesondere um eine entsprechende ohmsche Anpassung des Zugriffs über die Source- und Gatebereiche auf den Materialbereich der aktiven Schicht.
Die US 2003/0214005 Aktuatoren und US 6,323,079 B betreffen Herstellungsverfahren für Halbleitereinrichtungen, wobei auch die Verwendung amorphen Kohlenstoffs vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei welchen auf besonders einfache und auch zuverlässige Art und Weise die Widerstandseinrichtung mit einem breiten Widerstandswertebereich ausgebildet werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und des Herstellungsverfahrens für eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung vorgeschlagen, bei welcher eine Feldeffekttransistoreinrichtung ausgebildet ist mit einem Sourcebereich, einem Drainbereich, einem dazwischen vorgesehenen Kanalbereich und einem zu diesen elektrisch isolierten Gatebereich, bei welcher eine Widerstandseinrichtung als ohmscher Widerstand, als separates Bauteil und in Kontakt mit dem Sourcebereich, dem Drainbereich und/oder dem Gatebereich ausgebildet ist und bei welcher die Widerstandseinrichtung mit oder aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.
Es ist somit ein grundlegender Gedanke der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung, dass die Widerstandseinrichtung mit einem Anteil an amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Widerstandseinrichtung einen Wert für den ohmschen Widerstand aufweisen kann, der in einem im Vergleich zum Stand der Technik weiten Bereich für den ohmschen Widerstand liegt.
Grundlage der vorliegenden Erfindung ist also das Vorhandensein amorphen Kohlenstoffs bei der Ausbildung und strukturellen Gestaltung der vorzusehenden Widerstandseinrichtung. Die Widerstandseinrichtung muss dabei aber nicht vollständig aus amorphem Kohlenstoff bestehen, obwohl dies bei besonderen Anwendungen von Vorteil sein kann. Vielmehr ist es auch denkbar, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Widerstandseinrichtung nur zu einem Anteil aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass die Widerstandseinrichtung mit einem Anteil an amorphem Kohlenstoff im Bereich von etwa 80% bis etwa 100% ausgebildet ist.
Strukturell besonders einfach gestaltet sich die erfindungsgemäß vorzusehende Widerstandseinrichtung aus oder mit amorphem Kohlenstoff dann, wenn diese als Schicht oder als Schichtstruktur ausgebildet ist. Es kann sich dabei um eine Einzelschicht handeln oder um eine Abfolge einer Mehrzahl von Einzelschichten. Die Einzelschichten können planar ausgebildet sein oder aber der jeweiligen Oberflächentopographie im Wesentlichen konform folgen. Auch können die verschiedenen Schichten bei einer Schichtstruktur mit einer Mehrzahl von Einzelschichten unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder unterschiedliche Schichtstärken und Geometrien besitzen. Bevorzugt wird dabei, dass die Schicht oder Schichtstruktur mit einer Schichtstärke im Bereich von 1 nm bis etwa 10 μm ausgebildet ist. Dabei wird insbesondere ein Bereich bevorzugt, der von etwa 10 nm bis etwa 100 nm reicht.
Die erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsanordnung kann auf verschiedene Art und Weisen vollständig oder zum Teil strukturiert ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass die Widerstandseinrichtung zum Teil oder vollständig mittels Kathodenstrahlzerstäubung ausgebildet ist.
Zusätzlich und alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Widerstandseinrichtung zum Teil oder vollständig mittels chemischer Gasphasenabscheidung ausgebildet ist.
Darüber hinaus kann es zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass die Widerstandseinrichtung zum Teil oder vollständig mittels Verdampfung ausgebildet ist.
Besonders gewinnbringend lässt sich die Widerstandseinrichtung mit oder aus amorphem Kohlenstoff dann anwenden, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Feldeffekttransistoreinrichtung auf der Grundlage mindestens eines organischen Halbleitermaterials ausgebildet ist.
Dabei kann der Kanalbereich der Feldeffekttransistoreinrichtung mit oder aus einem organischen Halbleitermaterial ausgebildet sein.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der Kanalbereich der Feldeffekttransistoreinrichtung mit oder aus einem Material gebildet ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Pentacen, Polythiophenen und Oligothiophenen.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung als anorganische Feldeffekttransistoreinrichtung ausgebildet ist, insbesondere als Dünnschichtfeldeffekttransistoreinrichtung.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Feldeffekttransistoreinrichtung auf der Grundlage amorphen Siliziums ausgebildet ist.
Die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung kann beispielsweise als Inverteranordnung ausgebildet sein, wobei die Widerstandseinrichtung zwischen dem Drainbereich der Feldeffekttransistoreinrichtung und einem VDD-Anschlussbereich oder Spannungsversorgungsbereich ausgebildet ist.
Alternativ ist es denkbar, dass die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung als NOR-Gatter ausgebildet ist.
Ferner ist es alternativ vorgesehen, dass die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung als NAND-Gatter ausgebildet ist.
Die beschriebnen Ausführungsformen der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung als Inverteranordnung, als NOR-Gatter oder als NAND-Gatter können auch miteinander kombiniert werden oder einzeln oder in ihrer Kombination Teil einer übergeordneten integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung, bei welchem eine Feldeffekttransistoreinrichtung ausgebildet wird mit einem Sourcebereich, einem Drainbereich, einem dazwischen vorgesehenen Kanalbereich und einem zu diesen elektrisch isolierten Gatebereich, bei welchem eine Widerstandseinrichtung als ohmscher Widerstand, als separates Bauteil und in Kontakt mit dem Sourcebereich, dem Drainbereich und/oder dem Gatebereich ausgebildet wird und bei welchem die Widerstandseinrichtung mit oder aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet wird.
Erfindungsgemäß ist es also vorgesehen, dass die Widerstandseinrichtung mit oder aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es vorgesehen, dass die Widerstandseinrichtung mit einem Anteil an amorphem Kohlenstoff im Bereich von etwa 80% bis etwa 100% ausgebildet wird.
Ferner kann in vorteilhafter Weise die Widerstandseinrichtung als Schicht oder Schichtstruktur ausgebildet sein.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Schicht oder Schichtstruktur der Widerstandseinrichtung mit einer Schichtstärke im Bereich von 1 nm bis etwa 10 μm ausgebildet wird. Vorzugsweise wird die Schichtstärke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 nm ausgebildet.
Die Widerstandseinrichtung kann zum Teil oder vollständig mittels eines Verfahrens der Kathodenstrahlzerstäubung ausgebildet werden.
Alternativ ist es denkbar, dass die Widerstandseinrichtung zum Teil oder vollständig mittels chemischer Gasphasenabscheidung ausgebildet wird.
Des Weiteren ist es denkbar, dass zur Ausbildung eines Teils oder der gesamten Widerstandseinrichtung ein Verfahren des Verdampfens verwendet wird.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es vorgesehen, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung auf der Grundlage mindestens eines organischen Halbleitermaterials ausgebildet wird.
Dabei ist es denkbar, dass der Kanalbereich der Feldeffekttransistoreinrichtung mit oder aus einem organischen Halbleitermaterial ausgebildet wird.
Insbesondere ist es denkbar, dass der Kanalbereich der Feldeffekttransistoreinrichtung mit oder aus einem Material aus der Gruppe ausgebildet wird, die gebildet wird von Pentacen, Polythiophenen und Oligothiophenen.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung als anorganische Feldeffekttransistoreinrichtung ausgebildet wird, insbesondere als Dünnschichtfeldeffekttransistoreinrichtung.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Feldeffekttransistoreinrichtung auf der Grundlage amorphen Siliziums ausgebildet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltungsanordnung als Inverteranordnung ausgebildet wird, wobei die Widerstandseinrichtung zwischen dem Drainbereich der Feldeffekttransistoreinrichtung und einem VDD-Anschluss bereich oder einem Anschlussbereich der Versorgungsspannung ausgebildet wird.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltungsanordnung als NOR-Gatter ausgebildet wird.
Denkbar ist es auch, dass gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens die Halbleiterschaltungsanordnung als NAND-Gatter ausgebildet wird.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch anhand der nachstehenden Bemerkungen noch einmal erläutert:
Die Erfindung betrifft insbesondere Widerstände aus amorphen Kohlenstoffschichten für integrierte Schaltungen auf der Grundlage organischer Feldeffekttransistoren.
Feldeffekttransistoren auf der Grundlage organischer Halbleiterschichten sind unter anderem für die Realisierung einfacher analoger und digitaler integrierter Schaltungen von Interesse. Ein wesentlicher Vorteil organischer Transistoren ist die Tatsache, dass die relativ niedrigen, bei der Herstellung der Transistoren erforderlichen Temperaturen (in der Regel unterhalb etwa 200°C) die Anfertigung solcher integrierter Schaltungen auf preiswerten, flexiblen polymeren Substraten ermöglichen.
Ein wesentliches Element integrierter Schaltungen sind elektrische Widerstände. In digitalen Schaltungen werden Widerstände immer dann als Lastelemente eingesetzt, wenn die Technologie nicht die Realisierung komplementärer Transistoren erlaubt. Dies ist zum Beispiel in der Regel bei organischen Transistoren der Fall. Organische Halbleiter erlauben zwar die Herstellung von p-Kanal-Feldeffekttransistoren mit relativ guten elektrischen Eigenschaften, jedoch wird die Realisierung organischer n-Kanal-Feldeffekttransistoren durch die rasche Oxidation der meisten organischen Halbleiter behindert. In solchen Fällen werden digitale Schaltungen unter Verwendung von Transistoren nur eines Ladungstyps (im Falle organischer Transistoren unter Verwendung von p-Kanal-Transistoren) und durch Einsatz von Widerständen als Lastelemente realisiert.
In analogen integrierten Schaltungen sind Widerstände zur Einstellung des Arbeitspunktes, für Referenzspannungen und vor allem zur Kompensation nichtlinearer Effekte der aktiven Bauelemente (hervorgerufen zum Beispiel durch Rückkopplung) zwingend notwendig.
Für die Realisierung von Widerständen in integrierten Schaltungen gibt es prinzipiell mehrere Möglichkeiten. In digitalen Schaltungen kann zum Beispiel ein als Diode geschalteter Feldeffekttransistor oder ein im linearen Bereich arbeitender Feldeffekttransistor als Lastelement eingesetzt werden. Dies hat jedoch für die integrierte Schaltung den entscheidenden Nachteil, dass die Kapazität dieses Lasttransistors bei jedem Schaltvorgang zumindest teilweise umgeladen werden muss. Außerdem weisen solche Widerstände einen im Vergleich zu einfachen linearen Widerständen relativ ungünstigen Kennlinienverlauf auf. Aus diesen Gründen führt die Realisierung des Lastelements durch einen einfachen linearen (also einen "echten") Widerstand sowohl zu einem geringeren dynamischen Leistungsverbrauch als auch zu einer höheren Geschwindigkeit der Schaltung, da ein solcher Widerstand keine Kapazität darstellt.
Zur Realisierung „echter" linearer Widerstände in integrierten Schaltungen ist es zum Beispiel möglich, eine dünne Me tallschicht auf dem Substrat abzuscheiden und diese so zu strukturieren, dass eine elektrisch leitfähige Anordnung mit definierter Länge (L), Breite (W) und Dicke (t) entsteht. Aus diesen geometrischen Abmessungen sowie dem spezifischen elektrischen Widerstand (ρ) des Metalls ergibt sich dann der elektrische Widerstand der so definierten Anordnung (R = ρ·L/W/t). Auf Grund des relativ geringen spezifischen elektrischen Widerstands von Metallen (zwischen etwa 1.6 μΩ cm für Silber und etwa 40 μΩ cm für Titan) ist diese Methode allerdings nur zur Realisierung von Widerständen bis etwa 10⁴ Ω (allerhöchstens etwa 10⁵ Ω) geeignet. Da der elektrische Widerstand organischer Transistoren in der Regel zwischen etwa 10⁶ Ω und 10¹⁰ Ω liegt, werden für die Herstellung integrierter Schaltungen auf der Grundlage organischer Transistoren Widerstände um etwa 10⁷ Ω bis 10⁸ Ω benötigt.
Ideal für die Realisierung von Widerständen für organische integrierte Schaltungen ist also ein Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand um etwa 10² Ωcm bis etwa 10⁴ Ωcm. Außerdem sollte das Material folgenden Anforderungen genügen:

– Die Erzeugung dünner Schichten des Materials auf dem Substrat muss bei Substrattemperaturen unterhalb etwa 200°C möglich sein, um die Verwendung preiswerter, flexibler polymerer Substrate zu ermöglichen.
– Das Material darf bei Einwirken von Luftsauerstoff, Luftfeuchtigkeit und organischen Lösungsmitteln (wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltungen auf der Grundlage organischer Transistoren zum Einsatz kommen) seine elektrischen Eigenschaften nicht verändern.
– Es muss möglich sein, das Material gezielt und reproduzierbar zu strukturieren, so dass sich verschieden gro ße Widerstände mit möglichst geringen Toleranzen realisieren lassen. Die Strukturierung des Materials muss bei Substrattemperaturen unterhalb etwa 200°C möglich sein.
– Das Material sollte möglichst preiswert sein.

In der Literatur ist die Realisierung eines Lastwiderstands für eine integrierte Schaltung mit organischen Transistoren auf der Grundlage eines elektrisch leitfähigen Polymers beschrieben (H. Sirringhaus et al., "High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits" Science, vol. 290, p. 2123, 2000). Speziell ist die Verwendung des leitfähigen Polymers Poly(3,4-Ethylendioxythiophen), dotiert mit Polystyrol-Sulfonsäure, beschrieben. Dieses Material hat, wie auch alle anderen leitfähigen Polymere (zum Beispiel Polyanilin), mehrere Nachteile.
Die Synthese leitfähiger Polymere ist relativ aufwändig, und die Materialien sind demzufolge relativ teuer und für preiswerte Anwendungen ungeeignet. Außerdem ist die gezielte und reproduzierbare Einstellung des spezifischen elektrischen Widerstands bei leitfähigen Polymeren sehr schwierig, da bereits kleinste Abweichungen bei der Synthese und Dotierung zu großen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Materials führen. Ein weiterer Nachteil leitfähiger Polymere ist die Unbeständigkeit dieser Materialien gegenüber Luftsauerstoff und Luftfeuchtigkeit; leitfähige Polymere tendieren dazu, an Luft schnell zu oxidieren, was in der Regel zu einer dramatischen Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstands führt. Schließlich ergibt sich bei der Verwendung leitfähiger Polymere das Problem der exakten Strukturierung zwecks Erzeugung von Widerstandsstrukturen mit genauen und reproduzierbaren geometrischen Abmessungen. In der Literatur wird zum Beispiel die Strukturierung von Poly(3,4- Ethylendioxythiophen) mittels Tintenstrahldruck beschrieben (H. Sirringhaus et al., "High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits" Science, vol. 290, p. 2123, 2000). Diese Methode umgeht zwar die Notwendigkeit fotolithografischer Prozesse, bringt aber eine relativ große Unsicherheit bei der erzielten Breite und Dicke der Schicht mit sich. Diese Erfindung beschreibt unter anderem ein Verfahren zur Abscheidung und Strukturierung von Schichten aus amorphem Kohlenstoff für die Herstellung von Widerstandsstrukturen für integrierte Schaltungen auf der Grundlage organischer Transistoren. Für die Abscheidung dünner Schichten aus amorphem Kohlenstoff eignen sich eine Reihe technischer Verfahren, wie zum Beispiel Kathodenstrahlzerstäuben („sputtering"; „physical vapor deposition", PVD) und chemische Gasphasen-Abscheidung ("chemical vapor deposition", CVD). Insbesondere das Kathodenstrahlzerstäuben und Plasma-unterstützte CVD-Verfahren (zum Beispiel Hochfrequenz-CVD oder RF-CVD) erlaubt die Abscheidung qualitativ hochwertiger amorpher Kohlenstoff-Schichten ohne die Notwendigkeit einer Substratheizung. (Auch die rein chemische CVD erlaubt die Herstellung amorpher Kohlenstoffschichten von hoher Qualität, allerdings ist bei diesem Verfahren eine Beheizung des Substrats notwendig.)
Die reproduzierbare Einstellung der Dicke der Kohlenstoffschichten ist bei allen genannten Verfahren mit großer Genauigkeit durch Wahl der Prozessbedingungen und der Prozessdauer möglich. Der spezifische elektrische Widerstand amorphen Kohlenstoffs kann über einen weiten Bereich durch gezielte Wahl der Prozessbedingungen vorgegeben werden. Amorphe Kohlenstoffschichten zeichnen sich durch hohe chemische Stabilität aus. Insbesondere sind die Schichten stabil gegenüber organischen Lösungsmitteln und erlauben somit deren Strukturierung mittels Fotolithografie und Atzen im Sauerstoffplasma. (Die gezielte Strukturierung der amorphen Kohlenstoffschichten ist für die Realisierung von Widerständen für integrierte Schaltungen zwingend notwendig.)
Ein Kern der Erfindung ist unter anderem insbesondere die Verwendung von Schichten aus amorphem Kohlenstoff für die Herstellung von Widerstandsstrukturen für integrierte Schaltungen auf der Grundlage organischer Transistoren, wobei die Abscheidung und Strukturierung der amorphen Kohlenstoffschichten mit den oben beschriebenen Verfahren erfolgen kann. Schichten aus amorphem Kohlenstoff haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen, für die Realisierung von Widerständen in integrierten Schaltungen in Frage kommenden Materialen. Gegenüber Widerständen aus dünnen Metallschichten haben amorphe Kohlenstoffschichten zum Beispiel den Vorteil, dass der Widerstand der Schicht über einen weitaus größeren Bereich eingestellt werden kann, und dass die Realisierung von Widerständen größer als 10⁶ Ω oder 10⁷ Ω problemlos möglich ist. Im Vergleich zu Widerständen auf der Basis leitfähiger Polymere weisen amorphe Kohlenstoffschichten eine deutlich höhere Umwelt- und Prozessstabilität auf.
Schichten aus amorphem Kohlenstoff können zum Beispiel mittels Kathodenstrahlzerstäuben erzeugt werden. Hierzu werden in einem zuvor evakuierten Vakuumreaktor aus einem Kohlenstofftarget durch Zünden eines Argon-Stickstoff-Plasmas Kohlenstoffteilchen herausgeschlagen, die in Form einer gleichmäßig wachsenden Schicht auf einem geeigneten Substrat (zum Beispiel Glas oder Polymerfolie) kondensieren.
Der spezifische elektrische Widerstand der Schicht kann über das Verhältnis von Argon und Stickstoff im Prozessgas eingestellt werden, wie das in 5 dargestellt ist. Die Schichtdicke wird über die Intensität des Plasmas, also z. B. über den Prozessdruck, durch die elektrische Leistung und die elektrische Spannung sowie über die Dauer der Abscheidung Ader die Prozessdauer vorgegeben.
5 zeigt eine experimentell ermittelte Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands dünner amorpher Kohlenstoffschichten mit einer Schichtdicke von 20 nm von der Zusammensetzung des Prozessgases beim Kathodenstrahlzerstäuben (250 W elektrische Leistung, 60 Sekunden Prozessdauer).
Der elektrische Widerstand einer solchen Schicht ist über fast den gesamten Spannungsbereich konstant, was sich in einer linearen Abhängigkeit der gemessenen Stromstärke von der angelegten Spannung äußert, wie dies in den 6 und 7 gezeigt ist.
Die 6 und 7 zeigen experimentell ermittelte Abhängigkeiten der Stromstärke durch dünne amorphe Kohlenstoffschichten mit einer Schichtdicke von 20 nm von der angelegten Spannung.
6: 50 sccm Argon, 50 sccm Stickstoff, 250 W elektrische Leistung, 60 Sekunden.
7: 50 sccm Argon, 100 sccm Stickstoff, 250 W elektrische Leistung, 60 Sekunden.
Die Strukturierung dünner amorpher Kohlenstoffschichten erfolgt zum Beispiel mittels Fotolithografie und Atzen im Sauerstoffplasma.
1 zeigt den schematischen Querschnitt und 2 das Ersatzschaltbild eines Inverters als einer einfachen digitalen integrierten Schaltung, bestehend aus einem organischen Feldeffekttransistor T und einem Widerstand R aus amorphem Kohlenstoff. In dieser Anordnung 1 arbeitet der Transistor T als Schalter und der Widerstand R als resistives Lastelement.
8 zeigt die experimentell ermittelte Durchgangskennlinie eines Inverters, bestehend aus einem organischen Feldeffekttransistor unter Verwendung von Pentacen als Halbleiter und einem Widerstand. Die Transferkennlinie zeigt das korrekte Schaltverhalten des Inverters, einschließlich ausreichend großer Kleinsignalverstärkung. Die Kleinsignalverstärkung ist der maximale Anstieg der Durchgangskennlinie.
Als ein mögliches Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sei die Herstellung eines Inverters aus einem organischen Feldeffekttransistor T und einem Widerstand R aus amorphem Kohlenstoff erläutert:
1. Erste Metallebene:
Abscheidung einer dünnen (20 nm) Schicht Aluminium oder Titan mittels Kathodenstrahlzerstäuben (Evakuieren der Vakuumkammer auf 10^–6 mbar; Zugabe des Prozessgases Argon (50 sccm); Zünden des Plasmas bei 100 W Leistung; Prozessdauer 1 min); Strukturierung der Schicht mittels Fotolithografie und nasschemischem oder Plasmaätzen. Diese Metallebene definiert die Gateelektrode des Transistors und die Kontakte des Widerstands.
2. Widerstandsschicht:
Abscheidung einer dünnen (20 nm) amorphen Kohlenstoffschicht mittels Kathodenstrahlzerstäuben (Evakuieren der Vakuumkammer auf 10^–6 mbar; Zugabe der Prozessgase Argon (50 sccm) und Stickstoff (100 sccm); Zünden des Plasmas bei 250 W Leistung; Prozessdauer 1 min); Strukturierung der Kohlenstoffschicht mittels Fotolithografie und Ätzen im Sauerstoffplasma.
3. Dielektrikum:
Abscheidung einer Schicht Polyvinylphenol mittels Aufschleudern aus einem organischen Lösungsmittel; Austreiben des Lösungsmittels und Vernetzung der Schicht im Vakuumofen; Öffnen von Kontaktlöchern in der Polyvinylphenol-Schicht (zwecks Herstellung von Verbindungen zu den Kontakten des Widerstandes und der Gateelektrode des Transistors) mittels Fotolithografie und Ätzen im Sauerstoffplasma. Die Polyvinylphenol-Schicht dient der Isolierung der organischen Halbleiterschicht von der Gateelektrode (Gatedielektrikum des Transistors) sowie dem Schutz der amorphen Kohlenstoff-Schicht vor den weiteren Prozessschritten, insbesondere vor dem Sauerstoffplasma.
4. Zweite Metallebene:
Abscheidung einer dünnen (30 nm) Schicht Gold mittels thermischen Verdampfens; Strukturierung der Schicht mittels Fotolithografie und nasschemisches Ätzen in einer Iod-Kaliumiodid-Lösung.
5. Organische Halbleiterschicht:
Abscheidung einer dünnen (30 nm) Schicht Pentacen mittels thermischen Verdampfens; Strukturierung der Schicht mittels Fotolithografie (unter Verwendung eines wasserlöslichen Fotolackes) und Ätzen im Sauerstoffplasma.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand schematischer Zeichnungen auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
1 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung.
2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung.
3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung.
4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung.
5 ist eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands dünner amorpher Kohlenstoffschichten (Schichtstärke 20 nm) von der Zusammensetzung des Prozessgases (250 W elektrische Leistung, 60 s Prozessdauer).
6, 7 sind grafische Darstellungen der Abhängigkeit der elektrischen Stromstärke durch dünne amorphe Kohlenstoffschichten (Schichtstärke 20 nm) von der angelegten Spannung jeweils bei 50 sccm Argon, 250 W elektrischer Leistung, 60 s Prozessdauer und 50 sccm Stickstoff bzw. 100 sccm Stickstoff.
8 ist eine grafische Darstellung einer Durchgangskennlinie eines Inverters.
Nachfolgend werden strukturell und funktionell ähnliche, vergleichbare oder äquivalente Elemente und Strukturen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall von deren Auftreten wird eine detaillierte Beschreibung wiederholt.
1 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung 1. Diese Halbleiterschaltungsanordnung 1 beruht auf einem zugrunde liegenden Halbleitermaterialbereich 20 oder Halbleitersubstrat 20 mit einem planaren Oberflächenbereich 20a. Auf dem Oberflächenbereich 20a ist ein Gateelektrodenbereich oder Gatebereich G ausgebildet, welcher in einem Gateisolationsbereich GOX eingebettet ist. Durch diese Einbettung in den Gateisolationsbereich GOX ergibt sich eine elektrische Isolation des Gatebereichs G gegenüber dem darüber vorgesehenen Drainbereich D, dem entsprechenden Sourcebereich S und dem dazwischen vorgesehenen Kanalbereich K. Der Kanalbereich K selbst besteht in der Ausführungsform der 1 aus einem organischen Halbleitermaterial. Durch entsprechende Beaufschlagung des Gatebereichs G mit einem elektrischen Potenzial kann durch Influenz über den Gateisolationsbereich GOX das Material des Kanalbereich K in seinem elektrischen Widerstand moduliert werden, so dass sich beim Anlegen einer elektrischen Potenzialdifferenz zwischen dem Sourcebereich S und dem Drainbereich D gemäß der Funktionsweise eines Feldeffekttransistors ein elektrischer Stromfluss über den Kanalbereich K ausbilden kann. Über entsprechende Kontaktierungen ist an dem Drainbereich D die Widerstandseinrichtung R aus amorphem Kohlenstoff angeschlossen.
2 zeigt in Form eines Ersatzschaltbildes in schematischer Art und Weise die in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung 1. Deutlich erkennbar ist, dass das Widerstandsele ment oder die Widerstandseinrichtung R direkt kontaktiert ist mit dem Drainbereich D der Transistoreinrichtung T. Der Sourcebereich S der Transistoreinrichtung T liegt auf dem Massepotenzial. Der Gatebereich G der Transistoreinrichtung T ist mit einem Eingangsanschluss verbunden, während zwischen der Widerstandseinrichtung R und dem Drainbereich D des Transistors T der Ausgangsanschluss vorgesehen ist, so dass insgesamt gesehen aus der 2 die Ausführungsform der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung 1 in Form einer Inverteranordnung hervorgeht. Die 3 und 4 zeigen in entsprechender Art und Weise Ausführungsformen der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung in Form eines so genannten NOR-Gatters bzw. eines so genannten NAND-Gatters.

Claims

Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung, – bei welcher eine Feldeffekttransistoreinrichtung (T) ausgebildet ist mit einem Sourcebereich (S), einem Drainbereich (D), einem dazwischen vorgesehenen Kanalbereich (K) und einem zu diesen elektrisch isolierten Gatebereich (G), – bei welcher eine Widerstandseinrichtung (R) als ohmscher Widerstand, als separates Bauteil und in Kontakt mit dem Sourcebereich (S), dem Drainbereich (D) und/oder dem Gatebereich (G) ausgebildet ist und – bei welcher die Widerstandseinrichtung (R) mit oder aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (R) mit einem Anteil an amorphem Kohlenstoff im Bereich von etwa 80% bis etwa 100% ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (R) als Schicht oder Schichtstruktur ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht oder Schichtstruktur der Widerstandseinrichtung (R) mit einer Schichtstärke im Bereich von 1 nm bis etwa 10 μm ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht oder Schichtstruktur der Widerstandseinrichtung (R) mit einer Schichtstärke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 nm ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) auf der Grundlage mindestens eines organischen Halbleitermaterials ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (K) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) mit oder aus einem organischen Halbleitermaterial ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalbereich (K) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) mit oder aus einem Material aus der Gruppe ausgebildet ist, die gebildet wird von Pentacen, Polythiophenen und Oligothiophenen.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) als anorganische Feldeffekttransistoreinrichtung (T) ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) auf der Grundlage amorphen Siliziums ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche als Inverteranordnung ausgebildet ist, wobei die Widerstandseinrichtung (R) zwischen dem Drainbereich (D) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) und einem VDD-Anschlussbereich ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, welche als NOR-Gatter ausgebildet ist.
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, welche als NAND-Gatter ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung, – bei welchem eine Feldeffekttransistoreinrichtung (T) ausgebildet wird mit einem Sourcebereich (S), einem Drainbereich (D), einem dazwischen vorgesehenen Kanalbereich (K) und einem zu diesen elektrisch isolierten Gatebereich (G), – bei welchem eine Widerstandseinrichtung (R) als ohmscher Widerstand, als separates Bauteil und in Kontakt mit dem Sourcebereich (S), dem Drainbereich (D) und/oder dem Gatebereich (G) ausgebildet wird und – bei welchem die Widerstandseinrichtung (R) mit oder aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet wird.