DE10340641A1

DE10340641A1 - Strukturierung von Gate-Dielektrika in organischen Feldeffekt-Transistoren

Info

Publication number: DE10340641A1
Application number: DE10340641A
Authority: DE
Inventors: Saulo Ruiz Moreno; Henning Dr. Rost
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: PolyIC GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Eine Durchkontaktierung wird unter Verwendung einer Dispersion von PEDOT/PSS in einem wässrigen Lösungsmittelgemisch hergestellt.

Description

Integrated Plastic Circuits (IPCs) bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verknüpften organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs). Bei der Herstellung solcher OFETs werden mehrere organische Schichten durch verschiedenartige Methoden wie Spin-Coating, Rakeln, Aufsprayen etc. übereinander aufgebracht. Ein OFET in Top-Gate-Konfiguration ist in 1 dargestellt. Auf einem Substrat 1 befinden sich Source- und Drain-Elektroden 2 und ein Halbleiter 3. Darüber ist ein Isolator als Gate-Dielektrikum angeordnet. Auf der dem Substrat gegenüber liegenden Seite befindet sich eine Gate-Elektrode 5.

Zur elektrischen Verknüpfung von zwei oder mehreren OFETs benötigt man elektrische Durchkontaktierungen, auch "vias" oder "vertical interconnects" genannt, um beispielsweise eine Verbindung von der Gate-Elektrode des einen Transistors zu der Source-Elektrode eines anderen Transistors zu erzeugen. Dies ist in 2 dargestellt. Dabei sind auf einem Substrat 1 zwei OFETs mit Source- und Drain-Elektroden 2, Halbleiter 3, einem Isolator 4 als Gate-Dielektrikum und Gate-Elektroden 5 aufgebracht. Die Gate-Elektrode 5 des ersten OFETs ist mit der Source-Elektrode 2 des zweiten OFETs über eine Verbindung 6 verbunden, die als "via" ausgebildet ist.

Es hat sich gezeigt, dass die Erzeugung von derartigen "vias" zwischen zwei Ebenen, also durch das Gate-Dielektrikum hindurch, ein äußerst kritischer Schritt ist. Will man den OFET beispielsweise mit Hilfe von herkömmlicher Fotolithographie herstellen, so ergibt sich das Problem, dass die durchzuführenden Arbeitsschritte die organischen Schichten angreifen und diese somit unbrauchbar machen.

Konkret heißt das, dass die zum Aufbringen der Gate-Elektrode benötigten Lösungsmittel das Gate-Dielektrikum, also den darunter liegenden Isolator an- bzw. auflösen. So ist es beispielsweise nicht möglich, bei der Herstellung eines OFETs in der in 1 dargestellten Top-Gate-Konfiguration, eine Gate-Elektrode aus Polyanilin (PANI) in m-Cresol direkt auf einer Isolatorschicht aus beispielsweise Polystyrol oder PMMA aufzubringen, da das Lösungsmittel die Isolatorschicht komplett zerstört.

In Gelinck G. H. et al.: „High-performance all-polymer integrated circuits", Appl. Phys. Lett. 2000, Seiten 1487 bis 1489 wird zur Lösung des Problems die Verwendung eines herkömmlichen Fotoresists als Gate-Dielektrikum (Isolator) vorgeschlagen, das mittels Fotolithographie strukturiert werden kann. Hierzu wird allerdings ein anderer OFET-Aufbau, das heißt eine so genannte Bottom-Gate-Konfiguration für unabdingbar gehalten. Diese ist in 3 dargestellt. Dabei sind auf einem Substrat 1 eine Gate-Elektrode 5 und ein Isolator 4 als Gate-Dielektrikum aufgebracht. Auf dem Isolator 4 sind dann Source- und Drain-Elektroden 2 und ein Halbleiter 3 angeordnet.

Bei Erzeugen einer Top-Gate-Konfiguration gleicher Zusammensetzung würden sich hohe Kontaktwiderstände im Mega-Ohm-Bereich ergeben. Der Aufbau und die Arbeitsschritte zur Erstellung von OFETs mit Bottom-Gate-Konfiguration sind jedoch relativ komplex, was aus wirtschaftlichen Gründen unrentabel ist. Eine andere Möglichkeit, Durchkontakte zu erzeugen, wird in Druy C. J. et al.: „Low-cost all-polymer integrated circuits", Appl. Phys. Lett. 1998, Seiten 108 ff beschrieben, wobei hier die "vias" mechanisch durch das Einstechen von Nadeln erzeugt werden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Herstellung von Durchkontaktierungen, insbesondere bei organischen Schaltungen wie etwa OFETs, anzugeben, die kostengünstig ist und sich mit dem herkömmlichen Aufbau von OFETs verträgt.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Dementsprechend wird in einem Verfahren zum Herstellen einer Durchkontaktierung, insbesondere in einer organischen Schaltung, eine Dispersion von PEDOT/PSS (Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)/Poly(styrolsulfonsäure))in einem wässrigen Lösungsmittelgemisch verwendet.

Das wässrige Lösungsmittelgemisch enthält vorzugsweise Isopropanol.

Vorteilhaft wird die Dispersion auf einer organischen Isolatorschicht, insbesondere eines OFETs, aufgebracht.

Besonders bevorzugt wird aus der Dispersion durch Spin-Coating, Rakeln, Aufsprayen etc. und nachfolgendes Entfernen der Lösungsmittel eine PEDOT/PSS-Schicht gebildet.

Die PEDOT/PSS-Schicht kann mittels Fotolithographie strukturiert werden.

Insbesondere wird PEDOT/PSS nicht nur als Schutzschicht verwendet, sondern so eingesetzt, dass die Durchkontaktierung, insbesondere ein "via" und/oder eine Gate-Elektrode daraus hergestellt werden.

Eine organische Schaltung enthält Durchkontaktierungen, die nach einem Verfahren der vorgenannten Art hergestellt sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltung ergeben sich aus vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigt
1 einen OFET in Top-Gate-Konfiguration;
2 zwei OFETs, die durch eine Verbindung mit einer Durchkontaktierung verbunden sind;
3 einen OFET in Bottom-Gate-Konfiguration;
4 ein Verfahren zum Herstellen einer Durchkontaktierung.
Durch das Aufschleudern einer Dispersion von PEDOT/PSS in Wasser/Isopropanol, beispielsweise "Baytron P" der Firma Bayer, wird eine homogene Schicht auf einem Isolatormaterial erzeugt. Diese Schicht bzw. der Vorgang zur Aufbringung derselben hat keinen negativen Einfluss auf die Isolatorschicht und kann demzufolge ohne Bedenken bei allen nicht wasser- und alkohollöslichen Isolatorpolymeren verwendet werden. Strukturiert man diese elektrisch leitfähige PEDOT/PSS-Schicht mittels herkömmlicher Fotolithographie, das heißt beispielsweise mit einem Positiv-Fotoresist, so kann man damit definierte Bereiche erzeugen, in denen der Isolator und auch der darunter befindliche Halbleiter präzise entfernt werden können. Bringt man darauf eine weitere dünne Schicht der PEDOT/PSS-Mischung auf, so werden nur an den dafür vorgesehenen Stellen elektrische Durchkontaktierungen zwischen dem Gate- und dem Source/Drain-Niveau geschaffen. Ein letzter Fotolithographieschritt erzeugt aus der bereits vorhandenen letzten PEDOT/PSS-Schicht definierte und elektrisch leitfähige Gate-Strukturen und Leiterbahnen.
PEDOT/PSS dient dabei als Schutzschicht für den darunter liegenden Isolator und auch als Gate-Elektrode. Durch die Verwendung von PEDOT/PSS in einem wässrigen Lösungsmittelgemisch wird die zuvor aufgebrachte Isolatorschicht nicht nachhaltig negativ beeinflusst. Mittels Fotolithographie auf der PEDOT/PSS-Schicht können damit definierte "vias" auch in solchen Isolatorpolymeren erzeugt werden, die aufgrund ihrer chemischen Struktur nicht vernetzt werden können. Dies sind beispielsweise Polystyrol, PMMA etc. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Verwendung des leitfähigen PEDOT/PSS als Schutzschicht für das Isolatorpolymer gleichzeitig die Gate-Elektrode erzeugt wird.
In 4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung dargestellt. Auf einem PET-Substrat befinden sich strukturierte Elektroden 2 aus PEDOT/PSS unter einer halbleitenden Schicht 3 aus Poly(3-Hexylthiophen). Darauf ist flächig als Isolator 4 eine dünne Schicht aus Polystyrol aufgebracht, die als Gate-Dielektrikum dient und in der elektrische Durchkontaktierungen erzeugt werden sollen.
In einem Schritt 100 wird auf diese Polystyrolschicht eine dünne Schicht Baytron P, also eine wässrige Dispersion von PEDOT/PSS der Firma Bayer, durch Spin-Coating aufgebracht. Nach einem Trocknungsschritt mit 80°C für 20 Minuten wird auf diese PEDOT/PSS-Schicht in Schritt 101 ein Positiv-Fotoresist 7 (AZ 1512) aufgeschleudert, der nach dem Trocknen durch eine Schattenmaske hindurch mit UV-Licht der Wellenlänge 360 nm bestrahlt wird.
An den vom Licht getroffenen Stellen ändert sich die Löslichkeit, so dass dort die Fotolackschicht 7 durch Spülen beispielsweise mit dem Entwickler MIF 726 entfernt wird. Die nun freiliegende PEDOT/PSS-Schicht wird zusammen mit der darunter befindlichen Isolatorschicht 4 durch kurzes Einlegen in eine wässrige Lösung von NaOH/Kaliumpermanganat und anschließendes Einlegen in ein Gemisch aus Isopropanol/Methylethylketon (MEK) in Schritt 102 entfernt.
Der nun folgende Schritt entfernt den verbliebenen Fotoresist durch großflächige UV-Bestrahlung, so genannte Flurbelichtung, und Spülen mit dem Entwickler MIF 726. Anschließend trägt man durch Spin-Coating in Schritt 103 eine dünne Schicht Baytron P auf, so dass die erzeugten Löcher mit leitfähigem Material gefüllt sind. Auf diese Weise ist eine elektrische Durchkontaktierung zwischen der Ebene der Source- /Drain-Elektroden und der Ebene der jetzt zu erzeugenden Gate-Elektrode hergestellt.
Man schleudert in Schritt 104 eine Fotolack-Schicht durch Spin-Coating auf, die durch Fotolithographie, das heißt durch Belichten und Entwickeln, in Schritt 105 strukturiert wird. Anschließend wird zur Erzeugung der Gate-Elektroden und Leiterbahnen wieder mit wässrigem NaOH/Kaliumpermanganat geätzt und der restliche Fotolack in Schritt 106 durch Flurbelichtung und Spülen mit Entwickler entfernt. Durch dieses Vorgehen wird sowohl eine Gate-Elektrode 5 für den ersten OFET als auch eine Durchkontaktierung 6 von der Gate-Elektrode 5 zur Source-Elektrode 2 eines zweiten OFETs erzeugt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Durchkontaktierung (6), insbesondere einer organischen Schaltung, bei dem eine Dispersion von PEDOT/PSS in einem wässrigen Lösungsmittelgemisch verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das wässrige Lösungsmittelgemisch Isopropanol enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dispersion auf einem Isolator (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine PEDOT/PSS-Schicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die PEDOT/PSS-Schicht mittels Fotolithographie strukturiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Durchkontaktierung (6) so hergestellt wird, dass sie PEDOT/PSS enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Gate-Elektrode (5) aus PEDOT/PSS hergestellt wird.
Schaltung mit einer Durchkontaktierung (6), die nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.