用于確定源和漏以及中間間隙的方法

專利名稱：用于確定源和漏以及中間間隙的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定薄膜晶體管的源和漏以及中間間隙的方法。該方法包括步驟在襯底上沉積第一金屬層，以及通過微接觸印刷在第一金屬層上形成單分子層掩模。
目前非常渴望改善基于薄膜結構的大面積電子器件的制造。大面積電子器件，例如有源矩陣液晶顯示器(AM-LCDs)的制造，是基于集成電路的制造。然而，減小集成電路的尺寸并不能直接降低大面積電子器件的成本。因此，更多的努力被放在發展制造大面積電子器件的新技術上。
這些大面積電子器件大多數是基于晶體管組合。因此，所關心的是同時制作多個晶體管的制造工藝。為使用相對低遷移率半導電材料，如多晶Si、非晶Si、或者甚至有機半導體獲得足夠高的開關速度，保持晶體管中的源和漏之間的間隙小是很重要的。
傳統上，使用光刻制作晶體管結構。然而，對于大面積電子器件這種技術變得非常昂貴，因此替代技術得到了關注。
現在已經發展了一些用于制造薄膜晶體管的新技術。在Y.Xia和G.M.Whitesides軟蝕刻微影(Soft Lithography，Angew.Chem.Int.Ed.1998，37，550-575)中，介紹了一種用于在表面上確定自組裝單分子層(SAM)的掩模或圖形的新技術。該技術被稱作微接觸印刷。對微接觸印刷通常的理解是使用印模接觸表面，該印模具有突出的元件并與形成單分子層的分子一起浸泡。當印模接觸表面時在接觸區域的表面上形成一層單分子層。這樣，就很容易的在表面上形成掩模。然后這種SAM掩模就可以用來阻止被掩模覆蓋的區域中的下面的層被腐蝕。這樣就可以通過選擇性的腐蝕形成晶體管或大面積電子器件所要求的圖形。然而，這種技術具有在腐蝕過程中浪費很多材料的缺點。更重要的是，SAM掩模的選擇性并不能好到足以用來直接腐蝕幾百納米厚的層。在所需的腐蝕時間內，單分子層將被侵蝕，在應該保留的圖形中腐蝕出洞。
Xia和Whitesides的文章中也介紹了在帶有印刷的SAM的襯底上選擇性的化學氣相沉積(CVD)，參照第561頁。然而，CVD是一種在表面分解特殊的(通常是劇毒的)的氣態金屬有機化合物以形成金屬層的工藝。這也需要真空或減壓工藝，相對比較昂貴。
本發明的一個目的是提供一種通過印刷技術確定中間有間隙的源和漏的方法。
本發明的這一目的通過根據權利要求1的方法實現。
這樣，提供了一種用于確定薄膜晶體管的中間有間隙的源和漏的方法，該方法包括步驟在襯底上沉積第一金屬層，通過微接觸印刷在該第一金屬層上形成單分子層掩模，沉積第二無電鍍金屬層，所述第二無電鍍金屬層選擇性地沉積在第一金屬層上未被單分子層覆蓋的區域上，以及除去單分子層以及至少被該單分子層覆蓋的區域中的第一金屬層。
由于本發明，提供了一種襯底，可以通過簡單無害的無電鍍沉積實現在該襯底上選擇性地沉積金屬層。這樣，由于第一層可以很薄(在10-20nm的量級)，不需要過多的腐蝕和沉積產生大量廢料。使用該方法，可以在具有相對厚的金屬層(～1μm)結構之間獲得小到2μm的間隙尺寸。這樣，制造用于形成如AM-LCD的大面積電子器件的薄膜晶體管變得便宜且簡單。
除去單分子層和被單分子層覆蓋的區域中的第一金屬層的步驟可以分為兩個步驟。在第一步驟中，可以使用任一下述幾種不同的方法除去單分子層。然后，在第二步驟中，深腐蝕被單分子層覆蓋的區域中的第一金屬層。
然而，如果使用的腐蝕劑可以快速侵蝕單分子層，則可以將單分子層的除去與第一金屬層的深腐蝕結合起來。然后，單分子層將被快速地除去，且腐蝕劑在腐蝕開始后不久就開始深腐蝕被單分子層覆蓋的區域中的第一金屬層。在這種方法中，第二金屬層相對于第一金屬層受影響較小。這樣，由于第二金屬層比第一金屬層厚很多，腐蝕劑對第二金屬層只有很小的影響。
這樣，如果用于深腐蝕第一金屬層的腐蝕劑可以快速侵蝕單分子層，則可以省去單獨除去單分子層的步驟。換句話說，如果該腐蝕劑對單分子層沒有選擇性，則可以省去單獨除去單分子層的步驟。例如，可以使用KI/I2(碘化鉀和碘)的水溶液作為這樣一種腐蝕劑。
根據權利要求2的方法的優點在于圖形化的接觸控制掩模的圖形。可以根據所要求的掩模圖形設計印模的突出的元件。
使用權利要求3的方法，印模和第一金屬層之間的接觸將形成單分子層的分子從印模轉移到第一金屬層上。
根據權利要求4，使用十八烷基硫醇(octadecylthiol)作為單分子層材料是合適的，這是由于十八烷基硫醇會結合在第一金屬層上形成單分子層。此外，十八烷基硫醇適于阻止金屬的沉積。這樣十八烷基硫醇的掩模會形成用于選擇性沉積的圖形，但很多其它的硫醇分子也是可以的，如二十烷基硫醇(eicosanethiol)、十六烷基硫醇(hesdeccanethiol)等。
根據權利要求5的方法的優點在于在使用單分子層之前就可以使第一金屬層圖形化。
由于銀和銅是適合在電子器件中使用的金屬，根據權利要求6使用銀或銅作為沉積的金屬是方便的。此外，銀和銅不是很貴，這使得使用該方法制作的器件便宜。
在權利要求7中規定的，或作為選擇在權利要求8、9或10中規定的方法可以除去單分子層。單分子層既可以通過加熱這一很簡單的步驟除去，也可以用氬等離子體處理除去，這種方法沒有加熱簡單，但是相當快。
單分子層也可以相對于NHE(標準氫電極)約-1V下在KOH水溶液(例如在0.5M KOH中)中還原解吸除去。見例如D.Losic，J.G.Shapter，和J.J.Gooding的“表面形貌對來自溶液并通過微接觸印刷組裝的烷硫醇SAM的影響(Influence of Surface Topography onAlkanethiol SAMs Assembled from Solution and by MicrocontactPrinting)”(Langmuir；2001；17(11)；3307-3316)。或者可以通過在升高的溫度下在有機溶劑中加熱襯底一段時間除去單分子層，例如在環己烷中接近沸點的情況下。
當源和漏制成后，可以適宜地在結構上沉積鈍化層。這樣，可以保證器件的電穩定性。本發明地這些和其它方面可以通過結合下面所述的實施例闡述而變得明顯。
現在將參照附圖描述本發明的優選實施例，其中

圖1和3-5是根據所發明的方法在生長源和漏的不同的步驟中襯底的剖面圖。
圖2是圖1中區域A的放大的剖面圖。
圖6是根據本發明的方法的流程圖。
圖7是使用本發明的方法所生長的結構的AFM圖象。
現在參照圖1-5和6描述根據本發明的方法。在圖1-5中，示出了在襯底2上產生源和漏的工藝的不同階段中的襯底2。在圖6中，示出了該工藝的流程圖。首先，提供襯底2，步驟100。合適的襯底2是例如玻璃、聚合物或復合材料，但也可以使用Si、GaAs或石英。然后，在襯底2上沉積第一金屬層4，步驟102。優選，該金屬層由2-20nm的如Ti、TiW、Mo或Cr的底層金屬或合金的薄層以及20nm銀組成。根據在第二無電鍍金屬層中使用的金屬，可用作第一金屬層的金屬的替換材料是例如Pd或Au。然而，由于希望在第一金屬層中和第二金屬層中以同樣的速度腐蝕，優選第一金屬層中由與第二金屬層同樣的金屬構成。第一金屬層可以通過無電鍍沉積、高真空(＜10-6mbar)蒸發，或濺射沉積。
然后，通過微接觸印刷在第一金屬層4上形成單分子層掩模6，步驟106，參照圖1。掩模6是通過在印模(未示出)與襯底2上的第一金屬層4之間建立接觸形成的，印模上有形成單分子層的分子。
印模根據下面所述制作。首先，制作底版(master)。在直徑6英寸的Si(100)晶片上覆蓋一層(～150nm)的Si3N4。這一層是在大約800℃的溫度下在低壓化學氣相沉積(LPCVD)工藝中通過SiH2Cl2-和NH3-氣沉積。在該晶片上通過旋轉涂敷的方法提供一薄層正性光刻膠。在通過掩模的UV照射以及顯影的步驟后，在晶片上得到光刻膠圖形。然后，使用CHF3/O2等離子體刻蝕露出的Si3N4。在刻蝕過程中溫度保持在100℃以下。使用氧等離子體除去光刻膠。產生的Si3N4圖形用作Si(100)反應離子刻蝕中的刻蝕掩模。晶片再次經過氧等離子體處理后與大約0.5ml(十七氟(heptadecafluoro)-1，1，2，2-四氫癸基(tetrahydrodecy))三氯硅烷一起被放入干燥器中。干燥器抽氣降成約0.2mbar的壓強。60分鐘以后，給干燥器通風，并將晶片放入預熱的爐子(100℃)中一個小時。然后，用于制作印模的印模底版就準備好了。
然后印模作為底版的負片被制作出來。底版的負片用Dow Corning公司生產的Sylgard184硅樹脂橡膠制作。將22g Sylgard184“坯”與2.2g Sylgard184“固化劑”在一次性聚苯乙烯容器中攪拌充分混合。通過將聚苯乙烯容器放入干燥器中并降壓(多步)到0.2mbar的壓強，除去由此產生的封閉的氣泡。將Si-底版晶片放在真空吸盤上，慢慢的將硅樹脂混合物倒在底版上。將100μm厚的聚碳酸酯板(3M公司)固定在真空吸盤中的平蓋的底部。小心的將蓋子降低到硅樹脂上到底版表面上大約1mm的高度。在65℃的溫度下固化16小時后，打開蓋子，從底版上剝離聚碳酸酯板和印模。從聚碳酸酯板上剝離印模，并將其切成1-2cm2的片。
在微接觸印刷前，需要給印模提供形成單分子層的分子，步驟104。這樣，1-2cm2的片狀的印模通過在新鮮的2mM的十八烷基硫醇的乙醇溶液中浸泡1-2小時得到浸染(ink)。印模從溶液中取出后用乙醇清洗，并在氮氣流中吹干。然后，在印模上提供有十八烷基硫醇。然后在步驟106中將印模的印刷面與襯底表面接觸，大約15秒后將印模移開。在此過程中，在第一金屬層的表面產生了十八烷基硫醇的自組裝單分子層(SAM；厚～2nm)，參照圖2。每個分子8自發地結合在金屬表面4上。這樣，相鄰的分子8形成了緊密的單分子層10。
移開印模后，進行無電鍍，步驟108，其中無電鍍生長僅限于不包含單分子層10的區域，特別是源和漏之間的間隙。在此步驟中，沉積了厚度約為500nm的第二無電鍍金屬層12。在此步驟中，襯底2浸入以氨銀溶液和還原劑為主要成分的無電鍍銀槽中。在美國專利US-3,960,564的例6中描述了該槽。過一段時間后，將襯底2從該溶液中取出，用去離子水漂洗，并在氮氣流中吹干。在光學顯微鏡、原子力顯微鏡或掃描電子顯微鏡下的觀察顯示銀沉積只在印刷步驟106中未被印模接觸的區域發生，參照圖3。產生的圖形的厚度依賴于沉積時間(15分鐘-4小時)以及溶液溫度。
最后，通過腐蝕除去在第二金屬層的沉積的銀之間的非常薄的銀薄膜(20nm)。首先，參照圖4步驟110，通過將襯底2加熱到約100-150℃一段時間(幾分鐘到幾個小時)，或通過在0.2mbar的壓強、2.45GHz的放電頻率下300W功率下，用Ar-等離子體處理5-10分鐘除去SAM。Ar-等離子體處理可以使用TePla公司的TePla 300E完成。單分子層也可以通過相對于NHE約-1V下在KOH水溶液(例如在0.5M KOH中)中還原解吸除去。或者，可以通過在升高的溫度下在有機溶劑中加熱襯底一段時間除去單分子層(例如在環己烷中接近沸點)。
然后，將襯底2浸入含有0.1M K2S2O3和0.01M K3Fe(CN)6的腐蝕水溶液中10秒鐘。經過這項處理，第二金屬層上沉積的銀薄膜的一小部分也會被除去，參照圖5。這樣，掩模6不允許沉積第二金屬層12的區域中的第一金屬層4被除去，步驟112。
接下來，可以涂敷鈍化層。為了保證源和象素電極之間的良好接觸，可以采用另一無電鍍步驟以用金屬至少部分地填充接觸孔。
現在參照圖7，示出了襯底的AFM圖象，已根據上述方法在該襯底上進行了金屬層的選擇性沉積。此處，示出了沉積的金屬區域之間的間隙，其可以對應于中間有間隙的源和漏。從這張圖象中清楚地看到長出了1.65μm高、之間有下至5μm間隙的金屬層。
由于本發明，可以采用金屬層的選擇性無電鍍沉積用于在源和漏之間形成間隙。雖然所發明的方法不能達到與光刻同樣的分辨率，但是所發明的方法便宜很多并且足以獲得大面積電子器件所需的分辨率。這樣，公開了大面積電子器件的制作工藝的大幅度改善。
應該強調的是，此處描述的優選實施例絕無限定性，并且在附屬權利要求確定的保護范圍內可能有很多可替換的實施例。例如，可以使用其它的印模材料，例如其它類型的硅樹脂或聚亞安酯橡膠。此外，該方法可用于制作其它器件如“電子紙”，便宜的射頻標記的標簽或可調諧光纖器件。
也可以在沉積第一金屬層時就已經制作相對粗糙的圖形。這可以使用印刷敏化劑作為催化劑獲得。在H.Kind、M.Geissler、H.Schmid、B.Michel、K.Kern和E.Delamarche“在覆蓋鈦的表面微接觸印刷鈀(II)絡合物圖形化無電鍍銅(Patterned Electroless Deposition ofCopper by Microcontact Printing Palladium(II)Complexes onTitanium-Covered Surfaces”，Langmuir；2001；16(16)；6367-6373，可以找到印刷敏化劑的工藝的例子。或者，可以使用噴墨印刷或其它如膠印的印刷技術使如有機溶劑中的膠質銀粒子的含銀的溶液粗糙地圖形化。
權利要求
1.確定薄膜晶體管的中間有間隙的源和漏的方法，包括步驟在襯底上沉積第一金屬層，使用微接觸印刷在第一金屬層上形成單分子層掩模，沉積第二無電鍍金屬層，所述第二無電鍍金屬層選擇性地沉積在第一金屬層未被單分子層覆蓋的區域上，以及除去單分子層和至少被單分子層覆蓋的區域中的第一金屬層。
2.根據權利要求1的方法，其中形成單分子層掩模的步驟包括使用帶有突出的元件的印模，通過在第一層和印模之間建立圖形化的接觸，將形成單分子層的分子從印模轉移到第一金屬層上。
3.根據權利要求2的方法，其中形成單分子層掩模的步驟包括為印模提供形成單分子層的分子的步驟。
4.根據權利要求3的方法，其中為印模的表面提供形成單分子層的分子的步驟包括為印模的表面提供將形成單分子層的十八烷基硫醇。
5.根據前面權利要求的任一項的方法，其中沉積第一金屬層的步驟包括使用印刷敏化劑作為催化劑形成圖形化層的步驟。
6.根據前面權利要求的任一項的方法，其中沉積各金屬層的步驟包括沉積銀或銅的步驟。
7.根據前面權利要求的任一項的方法，其中除去單分子層的步驟包括加熱該結構的步驟。
8.根據權利要求1-6中任一項的方法，其中除去單分子層的步驟包括氬等離子體處理的步驟。
9.根據權利要求1-6中任一項的方法，其中除去單分子層的步驟包括還原解吸。
10.根據權利要求1-6中任一項的方法，其中除去單分子層的步驟包括在升高的溫度下在有機溶劑中加熱襯底的步驟。
11.根據前面權利要求的任一項的方法，還包括在源和漏制作完成后在該結構上沉積鈍化層的步驟。
全文摘要
公開了一種用于制造圖形化金屬層的方法。該方法包括在襯底上形成單分子層掩模的步驟(106)。該掩模將被用于金屬層(108)的選擇性無電鍍沉積。這樣，金屬層就會在沒有單分子層的區域生長。因此，長出的金屬層就能形成薄膜晶體管的中間有間隙的源電極和漏電極，間隙部分的單分子層阻止沉積。
文檔編號C23C18/16GK1599950SQ02824225
公開日2005年3月23日 申請日期2002年11月25日 優先權日2001年12月6日
發明者M·H·布里斯, M·R·博赫梅 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司