专利名称：集成无机/有机互补薄膜晶体管电路及其制造方法
技术领域：
本发明涉及到集成无机/有机互补薄膜晶体管电路，它包含工作中连接的提供在公共衬底上的第一和第二晶体管，其中的第一晶体管是无机薄膜晶体管，而第二晶体管是有机薄膜晶体管，且其中的互补薄膜晶体管电路形成多层薄膜结构。
本发明还涉及到制造集成无机/有机互补薄膜晶体管电路的方法，它包含工作中连接的提供在公共衬底上的第一和第二晶体管，其中的第一晶体管是无机薄膜晶体管，而第二晶体管是有机薄膜晶体管，且其中的互补薄膜晶体管电路形成具有逐个淀积并图形化的薄膜层的多层薄膜结构，实现为互补金属氧化物半导体的硅集成电路，在诸如微处理器之类的大量微电子应用市场中拥有压倒的优势。但对于更一般的应用，例如在用电池工作的便携式电子产品中，由于互补电路能够为数字电路提供非常低的静态功耗，故也可以是令人感兴趣的。然而，已经证明，要实现具有商业应用所满意的性能的互补集成薄膜电路是困难的。
硅的氢化薄膜晶体管(a-Si:H TFT)已经在薄膜元件中，特别是在具有有源矩阵的液晶显示器中得到了新的应用。但由于空穴输运迁移率通常比电子输运迁移率低得多，故互补a-Si:H电路是有问题的。新近已经制造了具有有机有源层的TFT，其性能可与非晶硅器件(a-Si:H器件)比拟。
例如，美国专利no.5347144(Garnier等人)公开了一种具有MIS结构的薄膜场效应晶体管，它包括源电极与漏电极之间的半导体薄层。此半导体薄层接触到绝缘材料制成的薄膜的表面，在其第二表面处接触到导电的栅。此半导体由至少一种具有确定的分子量的共轭聚合有机化合物制成。Garnier等人指出，各种不同的芳香族多环碳氢化合物以及这些多并苯作为有机半导体材料。Garnier等人的晶体管被认为特别适合于开关或放大器件。
文献中还讨论了简单的有机互补薄膜晶体管电路，但没有显现出所希望的性能。还试图过用分隔衬底上的无机和有机器件的组合和外部连接来制造互补电路。
然而，在美国专利no.5625199(Baumbach等人)中，公开了一种具有无机n沟道薄膜晶体管和有机p沟道薄膜晶体管的互补电路。n沟道薄膜晶体管采用氢化非晶硅作为有源材料，而有机薄膜晶体管的p沟道采用α-六噻恩(α-6T)作为有源半导体材料。根据Baumbach等人的互补薄膜晶体管电路可以被用来实现集成互补倒相器或其它互补电路。
然而，根据Baumbach等人的集成互补无机/有机薄膜晶体管，从工艺的观点以及更广泛的晶体管电路中的一般应用方面都有大量的缺点。于是，Baumbach等人提议在有机半导体层二侧上分别提供源电极和漏电极，这首先是不必要的，还在制造过程中表现出大量的缺点。而且，有机薄膜晶体管的源和漏接触必需在不同的步骤中制作，且除非使用遮光板，也难以对有机半导体顶部上的接触进行图形化。
根据Baumbach的互补薄膜晶体管在有机薄膜晶体管中也没有隔离的有机半导体材料。由于希望能够利用符号相同的电位来开通无机晶体管和关断有机晶体管或相反，故这可能是有问题的。在根据baumbach等人的互补薄膜晶体管中，若互补薄膜晶体管被使用在复杂的电路中，则可能不希望有的大漏电流会成为问题。如所列出的美国专利所指出的那样，根据Baumbach等人实现的倒相器在7.2V的电源下在大约5V时转换。根据Baumbach等人的互补薄膜晶体管的另一个缺点是公共栅电极被用于n沟道和p沟道晶体管二者。从互补器件构成的更复杂的晶体管电路要求此处不使用公共电极。即使在简单的倒相器中，公共栅电极也会引起增大的寄生电容。而且应该指出，根据Baumbach等人的互补薄膜晶体管使用无机晶体管作为n沟道晶体管，而有机晶体管作为p沟道晶体管，根据提出的材料是可以理解的。但根据Baumbach等人，显然可以用来制作n型有源半导体的有机材料的使用，要求比较复杂的和成本高的制造工艺，因而暂时还不容易实现。
因此，本发明的第一目的是克服与现有技术有关的缺点，确切地说是提供一种适合于使用在大的晶体管电路中的集成互补无机/有机薄膜晶体管电路。另一个目的是提供能够低成本制造并同时具有低的静态功耗，致使能够用于以电池工作的便携式设备中的互补薄膜晶体管电路。
本发明的进一步目的是提供一种不复杂的和不昂贵的且工艺步骤尽可能少的制造集成互补无机/有机薄膜晶体管电路的方法，同时获得具有良好电学性质的器件，从而有可能实现无机晶体管作为n沟道晶体管而有机晶体管作为p沟道晶体管或反之亦然。
用根据本发明的集成无机/有机互补薄膜晶体管电路达到了上述和其它的目的，其特征是有机薄膜晶体管是n沟道晶体管，而有机薄膜晶体管是p沟道晶体管，反之亦然，在各种情况下，有机有源晶体管材料分别是p沟道有机半导体材料或n沟道有机半导体材料，每个晶体管提供有分隔的栅电极，在各种情况下，有机p沟道晶体管中的有机有源半导体被提供成电隔离于无机n沟道晶体管，以及有机n沟道晶体管中的有机有源半导体被可选地提供成电隔离于无机p沟道晶体管。
根据本发明，无机有源半导体材料最好选自氢化非晶硅(a-Si:H)、氢化或非氢化微晶硅(μc-Si:H；μc-Si)、氢化或非氢化多晶硅(pc-Si:H；pc-Si)、单晶硅、铜掺杂的多晶锗(pc-Ge:Cu)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、或基于所述材料的可能为单晶形式的复合无机半导体。
无机薄膜晶体管是n沟道晶体管时，无机有源半导体材料最好是非晶硅(a-Si:H)，而无机晶体管是p沟道晶体管时，无机有源半导体材料最好是p沟道硅材料，确切地说是p沟道氢化非晶硅(a-Si:H)。
在一个有利的实施例中，无机薄膜晶体管中的有源半导体材料包含至少一种具有特定的分子量的共轭聚合有机化合物。一种或多种共轭聚合有机化合物最好选自共轭低聚合物、多环芳香族碳氢化合物、确切地说是多并苯或多烯。
有机薄膜晶体管是p沟道晶体管时，有机有源半导体材料最好是并五苯，而有机薄膜晶体管是n沟道晶体管时，有机有源半导体材料最好是十六氟酞酸氰化铜。
最后，根据本发明，有机薄膜晶体管的源电极和漏电极最好被提供在有机薄膜晶体管的薄膜结构中的同一个层中。
根据本发明制造集成无机/有机互补薄膜晶体管电路的第一方法的特征是，借助于分别淀积n沟道无机有源半导体材料和p沟道有机有源半导体材料而制作无机薄膜晶体管作为n沟道晶体管而有机薄膜晶体管作为p沟道晶体管，或借助于分别淀积n沟道有机有源半导体材料和p沟道无机有源半导体材料而相应地制作有机薄膜晶体管作为n沟道晶体管而无机薄膜晶体管作为p沟道晶体管，在公共衬底上淀积第一和第二晶体管的分隔的栅电极，在有机薄膜晶体管的薄膜结构的同一层上淀积有机薄膜晶体管的源电极和漏电极材料，以及在任何情况下，提供电隔离于无机n沟道晶体管的有机p沟道晶体管中的有机有源半导体材料和可选地提供电隔离于无机p沟道晶体管的有机n沟道晶体管中的有机有源半导体材料。
根据本发明的制造集成无机/有机互补薄膜晶体管电路的第二方法的特征是包含下列步骤在公共衬底上淀积二个晶体管中的每一个的由第一金属组成的分隔的栅电极，在各个栅电极上淀积由氮化硅(SiNx)组成的分隔的无机绝缘体，在这样形成第一晶体管的栅电极的一个栅电极上淀积氢化非晶硅(a-Si:H)形式的无机有源半导体，淀积并图形化由氢化非晶硅(n+a-Si:H)或氢化微晶硅(n+μc-Si:H)或氢化多晶硅(n+pc-Si:H)组成的n+掺杂层作为第一晶体管的源和漏接触，在其源和漏接触上淀积和图形化第二金属形式的第一晶体管的源电极和漏电极，在薄膜结构中的同一个层中淀积和图形化第三金属形式的第二晶体管的源电极和漏电极，在整个有机薄膜晶体管上制作隔离双层，并对其进行图形化，致使第二晶体管中的源电极和漏电极以及栅绝缘体暴露出来，然后在隔离双层和第二晶体管的暴露部分上淀积并五苯层，暴露部分中的并五苯层形成有机薄膜晶体管的有源半导体材料，并被提供为电隔离于被隔离双层的剖面的凹入边沿断开的其它的并五苯层。
在根据本发明的上述方法的一个有利的实施例中，制作无机薄膜晶体管的各个步骤，在构成反转交错的三层结构的三层工艺中实现。
在根据本发明的上述方法的另一个有利的实施例中，制作无机薄膜晶体管的各个步骤，在沟道回腐蚀工艺中实现。
在根据本发明的上述方法的一个有利的实施例中，有机薄膜晶体管中的并五苯形式的有源半导体，被聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和酚醛清漆光刻胶组成的断开双层的凹入剖面隔离。
在根据本发明的上述方法的一个有利的实施例中，热蒸发金以形成有机薄膜晶体管的源电极和漏电极。
最后，可以可选地清除淀积在隔离双层上的并五苯层。
现结合示例性实施例并参照附图来更详细地解释本发明，其中
图1示出了上述美国专利No.5675199示例的根据现有技术的互补薄膜晶体管电路，图2a示出了根据本发明的互补薄膜晶体管电路的第一实施例，图2b示出了根据本发明的互补薄膜晶体管电路的第二实施例，图2c示出了图2b实施例的一个变种，图3a示出了根据本发明的互补薄膜晶体管电路的第三实施例，图3b示出了根据本发明的互补薄膜晶体管电路的第四实施例，图3c示出了根据本发明的互补薄膜晶体管电路的第五实施例，图3d示出了图3c实施例的一个变种，图4a-4r示意地示出了根据本发明的方法的一个实施例中的工艺步骤，图5a-5d示出了根据本发明的方法使用的三层腐蚀工艺，图6a-6c示出了根据本发明的方法使用的沟道回腐蚀工艺，图7a示意地示出了通过用根据本发明的互补薄膜晶体管电路实现的倒相器的剖面，图7b示出了图7a的倒相器的电路图，图7c示出了基于以薄膜工艺实现的图7a中的实际倒相器的显微照片绘出的草图，图8a示出了如图7a实现的倒相器的电压传送曲线，图8b示出了如图7a实现的倒相器的过渡电流图，图9a示出了基于以根据本发明的互补薄膜晶体管电路实现的实际NAND门的显微照片绘出的草图，图9b示出了图9a中的NAND的电路图，图9c示出了图9a中的NAND的输出电压，图10示出了基于以根据本发明的互补薄膜晶体管电路实现的实际的5级环形振荡器的显微照片绘出的草图，图11示出了图10中的环形振荡器的电路图，
图12a-12c分别示出了图10中的环形振荡器的栅延迟、功率耗散和功率耗散乘积与电源电压的关系，以及图13a-c分别示出了以根据本发明的互补薄膜晶体管电路实现的11级环形振荡器的栅延迟、功率耗散和功率耗散乘积与电源电压的关系。
首先，作为开始，用上述美国专利No.5625199(Baumbach等人)来讨论一下现有技术。其中公开了一种诸如图1所述的具有无机n沟道薄膜晶体管和有机p沟道薄膜晶体管的互补电路。在衬底1上提供二种晶体管的由金属组成的公共栅电极2。在栅电极上提供形成栅绝缘体且通常由不导电的聚合物制成的电介质3。在栅绝缘体3上则有由不掺杂的非晶硅组成的层4，它构成无机n沟道晶体管的有源层。在a-Si层4上提供图形化的隔离层5，用来防止n沟道晶体管源区和漏区之间的短路。在层3、4和5上还淀积了由n+非晶硅组成的层6，并提供到有源非晶硅层4的电接触。源/漏电极7被淀积图形化，使n沟道晶体管的源电极和漏电极不被短路。金属层7也被图形化，使电路中的n沟道和p沟道晶体管连接起来。因此，层7向p沟道晶体管延伸，并在其中构成源接触。随之以由例如氮化硅、聚酰亚胺或其它电介质之类的绝缘材料组成的层8，以便使源/漏电极7隔离于由α-六噻恩(α-6T)组成的并例如可以用真空升华方法淀积的有源有机半导体层9。最后，现有技术电路包含p沟道晶体管的漏电极10。接触金属可以由蒸发的或溅射的Au层或Ag层制成，并被连接到正电源电压。在最后步骤中，用例如氮化硅或聚酰亚胺组成的钝化层11涂敷这一现有技术互补晶体管电路，以保护此电路。
图2a示出了根据本发明的互补晶体管电路的第一实施例的剖面。各个无机和有机晶体管的分隔的栅电极被淀积在衬底上，并被构成栅绝缘体的由氮化硅组成的层覆盖。无机有源半导体材料此处被示为氢化非晶硅(a-Si:H)形式，并被提供成与无机晶体管的栅电极对齐，但还延伸超过栅电极，形成无机晶体管中的源和漏的n+掺杂区。适合于漏电极或源电极的接触材料本身则被淀积在有源半导体材料上，并被图形化的氮化硅组成的隔离层彼此隔离。无机晶体管的源电极材料可以是不同于栅电极金属的另一种金属。相应地，有机晶体管的源电极和漏电极的接触材料被淀积在栅绝缘体上，使有机晶体管的源电极和漏电极在各个情况下位于薄膜结构中的相同的层上。在无机和有机晶体管的源和漏接触上，提供分别由聚甲基丙烯酸甲酯和酚醛清漆光刻胶组成的双层，但被图形化，使有机晶体管中的源电极与漏电极之间的部分暴露出来，这一区域中的隔离双层具有凹入的剖面。有机有源半导体材料现被提供成隔离双层上的层的形式，其中尚未被清除并在其暴露部分中，致使半导体材料接触到有机晶体管的源电极和漏电极二者，且同时还与有机晶体管的栅电极对齐。断开的凹入剖面和隔离双层提供了有机晶体管与无机晶体管之间的可靠的电隔离。当然，也可以清除覆盖隔离双层的有源有机半导体材料。但在图2a中保留了下来。
要理解的是，有源无机半导体材料不局限于氢化非晶硅，而是完全可以由氢化微晶或多晶硅组成。源和漏材料也可以分别淀积，并可以是不同于沟道区，例如可以是n+掺杂的微晶氢化硅。相应地，有机晶体管中的有机有源半导体材料不局限于并五苯，而是通常可以由具有适当的性质的共轭聚合有机化合物制成，并由几种这样的化合物组成。如本技术所知，可以指出共轭低聚合物作为这种共轭聚合有机化合物的例子，其组合体包括或由可以置换的苯撑原子团、具有4-20个熔融的环的单边稠或单边稠和迫位熔融的芳香族多环碳氢化合物、分子式为H-C(T1)=C(T2)-H的多烯(其中T1和T2独立地表示-H或比较低的烷基，而r是可以从8变到50的整数)、以及重复单元至少包含5链杂环的共轭低聚合物组成。通常，用作有机半导体晶体管中的有源半导体材料的共轭聚合化合物包含至少8个共轭键且分子量不大于大约2000。对于这些材料的更全面的讨论，还可参考上述的美国专利no.5347144(Garnier等人)。
作为图2a实施例的一种变通，可以用简化的互补薄膜晶体管电路得到p沟道晶体管中的有源半导体材料的隔离。在图2b中，借助于在互补薄膜晶体管电路上提供光刻胶层，然后清除有机薄膜晶体管外面的有机有源半导体材料，示出了这一点。如图2b所示，可以保留光刻胶的掩模层，但也可以如图2c所示被清除。在每种情况下，有机晶体管中的有源半导体材料都电隔离于无机晶体管。在这方面，应该指出的是，由于有机半导体材料在承受普通光刻胶和处理光刻胶的化学品时通常被损伤或破环，故通常认为用腐蚀方法清除有源有机半导体材料是一个问题。然而，已经证明，用水基材料的水基腐蚀工艺提供了非常好的结果。在例如有机光电子材料的图形化中，例如聚乙烯醇作为溶剂而明胶作为光刻胶，可以是一种有利的变通。此外，从长远观点看，腐蚀的其它可能的变通即光刻和印刷特别是印刷，可以证明是最简单且最便宜的。
图3a示出了根据本发明的有机/无机薄膜晶体管的剖面，其中采用了具有n沟道有机半导体的有机薄膜晶体管。图3示出了最简单的可能实施例，其中分隔的栅电极被提供在衬底上，栅绝缘体在二种情况下由相同的材料组成，且二种晶体管的源电极/漏电极的金属同样是相同的。
作为有机n沟道材料的例子，可以指出十六氟酞酸氰化铜(F16CuPc)(见Y.Y.Lin等人的论文“Organic complementary(有机互补)ringoscillators”,Appl.Phys.Lett.,Vol.74,No.18(1999))。这种有机半导体表现高达10-2cm2/Vs的场效应迁移率，并对外部条件的灵敏度不如buckminsterfullerene(C60)之类的其它n型有机半导体材料。
基于十六氟酞酸氰化铜(F16CuPc)或其它n型有机半导体材料的有机n沟道薄膜晶体管可以与几种无机p沟道半导体材料中的一种结合，以便构成互补薄膜晶体管电路。
作为适当的p型无机半导体的例子，可以指出场效应迁移率与F16CuPc可比拟的p型非晶硅或掺铜的多晶锗(pc-Ge:Cu)，后者在文献中被指出用于与互补多晶薄膜工艺中的掺铟的硒化镉(Cd-Se:In)的组合中(见论文J.Doutreloigne&al.,“The electricalperformance of a complementary CdSe:In/Ge:Cu thin filmtransister technology for flat panel displays(互补CaSe:In/Ge:Cu薄膜晶体管工艺用于平板显示的电性能)”，Solid-State Electronics,Vol.34,No.2(1991))。多晶锗表现出约为5-15cm2/Vs的场效应迁移率，但要求比非晶硅更复杂的加工。
图3b示出了根据本发明的具有n沟道晶体管的互补薄膜晶体管电路的实施例。图3b的实施例相似于图2a的实施例，但二种晶体管中用于源电极和漏电极的金属相同。隔离双层可以如图2a那样实现，亦即由聚甲基丙烯酸甲酯和酚醛清漆光刻胶组成，使n沟道有机半导体上的部分被暴露出来，隔离双层此处也被凹入的剖面断开。n沟道有机晶体管中的有源半导体则被隔离于p沟道无机晶体管，这可能是有利的，但这不是使用有机有源n沟道半导体材料的必要条件。
也可以用相当于图2b实施例所示，亦即如图3c所示的方法，来得到有机有源n沟道半导体材料的隔离，其中光刻胶被腐蚀并掩蔽，使n沟道有机有源半导体被隔离。腐蚀掩模亦即光刻胶此处也可以从有机n沟道晶体管被清除，然后得到图3c实施例的图3d所示的变种。
现参照图4a-4r，借助于描述根据本发明的互补薄膜晶体管制造中的特点而示意地示出了集成互补a-Si:H有机晶体管的工艺步骤。在下面将要更仔细地描述的提供反转交错的三层结构的工艺中制作无机a-Si:H薄膜晶体管。用等离子体增强化学汽相淀积方法来淀积a-Si:H/SiN层。后续的工艺步骤包含标准的光刻方法和湿法腐蚀方法以及无机薄膜晶体管源和漏金属的溅射淀积。用热蒸发的方法来淀积有机薄膜晶体管的源电极和漏电极。为了隔离有机薄膜晶体管的有源半导体材料，在此情况下是并五苯，使用了由一起形成互补晶体管电路中的隔离双层的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和酚醛清漆光刻胶组成的凹入的光刻胶剖面。由于以并五苯作为p沟道有源半导体材料的薄膜晶体管通常具有正的阈值，亦即为了关断晶体管必需在栅电极上施加正电压，故这是一个必需的步骤。因此，为了防止并五苯层中的漏电，必需隔离有机晶体管中由并五苯组成的有源p沟道半导体，但由于并五苯对大多数形式的化学处理是灵敏的，故利用有机半导体层淀积之后的光刻难以得到隔离。用根据本发明的方法，借助于将其断开在有机晶体管中的凹入的双层剖面上，在并五苯层的淀积过程中获得了隔离。制造过程中使用的最高温度为250℃。
现简要参照图4a-4r来讨论这种晶体管的制造工艺步骤，但本技术领域的熟练人员基本上能够自行解释。在图4a中，借助于溅射，在衬底上淀积栅电极金属，然后如图4b所示，用第一掩模Ⅰ对分隔的栅电极进行图形化。之后，如图4c所示，用等离子体增强化学汽相淀积方法，淀积由二个栅电极上的栅绝缘体SiNx、其上的氢化非晶硅、以及仍然由氮化硅制成的隔离层组成的三层结构。在图4d所示的下一步骤中，为了用氢化非晶硅有效地确定薄膜晶体管，用另一个掩模Ⅱ对光刻胶进行图形化。在图4e中，对最上面的氮化硅层进行腐蚀，并在图4f中的下一工艺步骤中，对氢化非晶硅层进行腐蚀。在图4g所示的工艺步骤中，用第三掩模Ⅲ对光刻胶进行图形化，用来腐蚀i停止层和最下面的氮化物层。图4h示出了i停止层和最下面的氮化硅层的腐蚀本身。
为了实现图4i所示的n沟道晶体管的源区和漏区，用等离子体增强化学汽相淀积方法来淀积n+a-Si:H，并在图4j中的下一工艺步骤中，用对光刻胶进行图形化以便剥离源/漏电极金属的第四掩模Ⅳ来进行。在图4k所示的工艺步骤中被溅射并用可以不同于用在栅电极中的第一金属的一种金属M2来表示。在图4l所示的工艺步骤中，剥离有机晶体管的源/漏金属M2，并接着在图4m所示的工艺步骤中，对氢化非晶硅组成的n+层进行腐蚀，从而提供无机晶体管的源区和漏区。
下面接着在图4n所示的工艺步骤中，对用来剥离有机薄膜晶体管的金属化的光刻胶进行图形化。用第五掩模Ⅴ来进行。如图4o所示，在整个晶体管电路上淀积第三金属M3组成的金属层，然后剥离这一金属层M3，使有机薄膜晶体管呈现出具有提供在薄膜结构中相同的层中的由金属M3组成的源电极和漏电极。为了将有机薄膜晶体管电隔离于无机薄膜晶体管，用光刻方法淀积由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和例如酚醛清漆光刻胶组成的双层。对隔离双层进行图形化，使有机薄膜晶体管的由金属M3组成的源电极和漏电极暴露在隔离双层的凹入的断开剖面之间，图4q示出了这一点。最后，在整个电路上淀积并五苯形式的有机有源半导体材料，并在暴露的部分中提供有机晶体管的有源p沟道半导体材料。应该理解的是，覆盖隔离双层的并五苯层还可以在未示出的工艺步骤中被从中清除。而且，如本技术所知那样，电隔离的钝化层和整平层当然可以被淀积在整个互补薄膜电路上，但此处不具体地示出。根据本发明的互补有机薄膜晶体管电路现呈现出基本上如图4r所示，并对应于图2a所示的实施例。
现参照图5a-5d来更详细地讨论本发明所用的和图4c-h所示工艺步骤所述的三层腐蚀工艺。在图5a所示的三层腐蚀工艺中，由氮化硅、不掺杂的氢化非晶硅以及又一个氮化硅层组成的三层，被淀积在图形化的栅电极上。如图5b所示，最上面的氮化硅层被图形化，并如图5c所示，整个淀积n+掺杂的非晶氢化硅层。如图5d所示，对源电极和漏电极的金属进行图形化，并腐蚀掉最上面的氮化硅层上的掺杂的非晶硅材料。由于最上面的氮化硅层保护着无机薄膜晶体管中的沟道区，故这一腐蚀步骤不是关键的。但三层工艺要求二个非晶硅淀积步骤，且由于源电极和漏电极必需以沟道长度被图形化在最上面的氮化硅层的顶部上，故对于给定的沟道长度，这要求更主动的光刻。
图6a-6c示出了沟道回腐蚀工艺。氮化硅组成的隔离层被淀积在栅电极和衬底上，并随之以不掺杂的氢化硅和n+掺杂的硅以及又一层n+掺杂的氢化非晶硅。图6a示出了这一点。源电极和漏电极被图形化，且沟道区中的掺杂的氢化非晶硅被腐蚀掉，图6b和图6c分别示出了这一点。沟道回腐蚀工艺非常简单，但对沟道区中的n+掺杂的氢化非晶硅的腐蚀是一个关键的步骤。通常，沟道回腐蚀得到的无机薄膜晶体管的质量比用三层腐蚀工艺可以得到的更差。
图7a示出了用根据本发明的集成互补薄膜晶体管电路制作的倒相器的示意剖面。图7a的倒相器在功能上基本上相当于图1所述的根据现有技术的但基于根据本发明的实施例的互补晶体管电路，例如在图2a中示出了这一点。由于其中倒相器的有机晶体管基于p沟道半导体材料亦即并五苯，故掺杂和不掺杂形式的氢化非晶硅被用作无机晶体管中的半导体材料。由于倒相器的输入信号要传送到栅电极，故为此目的提供了如图7a左边所示的栅电极接触。这一栅电极接触则可以在与图4a-4b相同的工艺步骤中用掩模Ⅰ来淀积。如在图2a中那样，由酚醛清漆光刻胶上的聚甲基丙烯酸甲酯组成的隔离双层将有机晶体管以及倒相器栅接触二者隔离于无机晶体管。此外，此处也可以清除提供在隔离双层上以及倒相器的栅电极接触上的并五苯层。在图7c中，用草图示出了图7b所示的倒相器以及用根据本发明的互补晶体管电路和方法实现的倒相器的众所周知的示意电路图。此处的有机薄膜晶体管位于图7c的左边，而互补薄膜晶体管电路中的无机薄膜晶体管位于图7c的右边。
图8a示出了比率β为1的倒相器的不同的电源电压的电压传送曲线。比率β此处被定义为 在这一方面，应该指出的是，在CMOS电路中，二种晶体管都可以用作驱动器和负载。由于形貌相似，β有时被定义为n沟道器件的宽度/长度关系W/L除以p沟道器件的长度/宽度关系。对于20V的电源电压，倒相器呈现增益超过22的尖锐过渡。倒相器的开启电压等于电源电压，而关断电压为0V。这表明完全保持了根据本发明的互补薄膜晶体管电路的电压水平。倒相器的过渡电流在逻辑过渡电压附近达到峰值，而在其它情况下非常低，这一点从图8b是显而易见的。这表明根据本发明的互补薄膜晶体管电路具有实在的互补行为。
用根据本发明的互补薄膜晶体管电路，当然有可能实现CMOS技术中熟知的其它逻辑门。在图9a的草图中示出了用根据本发明的互补薄膜晶体管电路实现的互补NAND门的例子，并在图9b中示出了相应的示意电路图。借助于将NAND门的输出连接到图7c所示的倒相器，就得到互补AND门，其输出则成为NAND门输出信号的反相。图9c示出了NAND门的不同的输入电压的电压传送曲线，且具有与简单倒相器电压传送曲线相同的性质，图8a示出了这一点。本技术领域熟练人员当然可以理解，用图9a所示的NAND门和图7c所示的倒相器，通常可以实现CMOS技术中熟知的所有逻辑门以及相应的布尔函数。根据本发明的集成互补薄膜晶体管电路通常被用来实现互补薄膜技术中的逻辑门。
利用集成互补薄膜电路，制成了分别具有5和11个倒相器级和具有不同的β比率的环形振荡器。这些环形振荡器呈现出低达5微秒的单个栅延迟、小于每级0.2微瓦的栅功耗以及低达15pJ的功率延迟乘积。栅延迟随电源电压的增大而快速降低，致使可以用比较低的电源电压获得高的运行频率。
图10示出了5级环形振荡器的草图，而图11示出了电路图。除了5个倒相器级之外，一个额外的第六倒相器被用来将电路隔离于用来测量环形振荡器的特性的振荡器的电容负载。从测得的振荡频率，能够推导出单个倒相器级的延迟。图12a示出了所示5级环形振荡器的单个栅延迟，图12b示出了功耗，而图12c示出了其功率延迟乘积，所有的图示出了β比率为1/2的这些特性。
以相应的方式，用根据本发明的集成互补薄膜电路，实现了具有11个倒相器步骤的环形振荡器，但此处未示出。然而，图13a、13b和13c示出了如图12a-12c所示但β比率为1/3的这种11级环形振荡器的相应的特性。
根据本发明的方法是简单的，因而使得有可能以低的成本来制造根据本发明的集成互补薄膜晶体管电路。互补晶体管电路具有固有的低静态功耗，这对于用电池工作的应用来说是重要的。这使得根据本发明的互补薄膜晶体管电路能够应用于所谓“膝上”便携式个人计算机中的液晶显示器或诸如可编程卡之类的低电平装置的控制电路中。根据本发明的电路，除了低的静态功耗之外，还具有高的开关放大和非常好的逻辑电平保持性能。用环形振荡器测得的根据本发明制造的晶体管电路中的栅延迟，如所述低达5微秒，这是高达使用有机晶体管的电路目前得到的最快的速度。
有机薄膜晶体管可以是n沟道晶体管而有机晶体管可以是p沟道晶体管或反之亦然的混合集成互补薄膜技术，当然不局限于如示例性实施例中所述的使用有源半导体材料。适当的有机和无机半导体材料的正在进行的发展，使得有可能在将来采用具有进一步改进了的性质的n和p沟道有源有机半导体材料以及相应地n和p沟道无机有源半导体材料。复合无机半导体化合物可以是有兴趣的，并应用于单晶硅，而另一方面，砷化镓看来暂时不太可能，但在此处公开的类型的将来的混合互补薄膜晶体管电路中决不会被排除。
权利要求
1．一种集成无机/有机互补薄膜晶体管电路，它包含工作中连接的提供在公共衬底上的第一和第二晶体管，其中的第一晶体管是无机薄膜晶体管，而第二晶体管是有机薄膜晶体管，且其中的互补薄膜晶体管电路形成多层薄膜结构，其特征是无机薄膜晶体管是n沟道晶体管，而有机薄膜晶体管是p沟道晶体管，反之亦然，在每种情况下，有机有源晶体管材料分别是p沟道有机半导体材料或n沟道有机半导体材料，提供用于各个晶体管的分隔的栅电极，在各个情况下提供电隔离于无机n沟道晶体管的有机p沟道晶体管中的有机有源半导体，以及可选地提供电隔离于无机p沟道晶体管的有机n沟道晶体管中的有机有源半导体。
2．根据权利要求1的互补薄膜晶体管电路，其特征是无机有源半导体材料选自氢化非晶硅(a-Si:H)、氢化或非氢化微晶硅(μc-Si:H；μc-Si)、氢化或非氢化多晶硅(pc-Si:H；pc-Si)、单晶硅、铜掺杂的多晶锗(pc-Ge:Cu)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、或基于所述材料的可能为单晶形式的复合无机半导体。
3．根据权利要求2的互补薄膜晶体管电路，其中的无机晶体管是n沟道晶体管，其特征是无机有源半导体材料是氢化非晶硅(a-Si:H)。
4．根据权利要求2的互补薄膜晶体管电路，其中的无机晶体管是p沟道晶体管，其特征是无机有源半导体材料是p沟道硅材料，确切地说是p沟道氢化非晶硅(a-Si:H)。
5．根据权利要求1的互补薄膜晶体管电路，其特征是有机薄膜晶体管中的有源半导体材料包含至少一种具有特定的分子量的共轭聚合有机化合物。
6．根据权利要求5的互补薄膜晶体管电路，其特征是该一种或多种共轭聚合有机化合物选自共轭低聚合物、多环芳香族碳氢化合物确切地说是多并苯、或多烯。
7．根据权利要求6的互补薄膜晶体管电路，其中的有机薄膜晶体管是p沟道晶体管，其特征是有机半导体材料是并五苯。
8．根据权利要求1的互补薄膜晶体管电路，其中的有机薄膜晶体管是n沟道晶体管，其特征是有机有源半导体材料是十六氟酞酸氰化铜(F16CuPc)。
9．根据权利要求1的互补薄膜晶体管电路，其特征是有机薄膜晶体管的源电极和漏电极被提供在有机薄膜晶体管的薄膜结构中的同一个层中。
10．一种制造集成无机/有机互补薄膜晶体管电路的方法，它包含工作中连接的提供在公共衬底上的第一和第二晶体管，其中的第一晶体管是无机薄膜晶体管，而第二晶体管是有机薄膜晶体管，且其中的互补薄膜晶体管电路形成具有逐个淀积并图形化的薄膜层的多层薄膜结构。其特征是，借助于分别淀积n沟道无机有源半导体材料和p沟道有机有源半导体材料而制作无机薄膜晶体管作为n沟道晶体管而有机薄膜晶体管作为p沟道晶体管，或借助于分别淀积n沟道有机有源半导体材料和p沟道无机有源半导体材料而相应地制作有机薄膜晶体管作为n沟道晶体管和无机薄膜晶体管作为p沟道晶体管，在公共衬底上分别沉积第一和第二晶体管的分隔的栅电极，在有机薄膜晶体管的薄膜结构的同一层上淀积有机薄膜晶体管的源电极和漏电极材料，以及在各个情况下提供电隔离于无机n沟道晶体管的有机p沟道晶体管中的有机有源半导体，以及可选地提供电隔离于无机p沟道晶体管的有机n沟道晶体管中的有机有源半导体。
11．一种制造无机/有机互补薄膜晶体管电路的方法，它包含工作中连接的提供在公共衬底上的第一和第二晶体管，其中的第一晶体管是无机薄膜晶体管，而第二晶体管是有机薄膜晶体管，其中的互补薄膜晶体管电路形成具有逐个淀积并图形化的薄膜层的多层薄膜结构，且其中的方法的特征是包含下列步骤在公共衬底上淀积二个晶体管中的每一个的由第一金属组成的分隔的栅电极，在各个栅电极上淀积由氮化硅(SiNx)组成的分隔的无机绝缘体，在形成第一晶体管的栅电极的一个栅电极上，淀积氢化非晶硅(a-Si:H)形式的无机有源半导体，淀积并图形化由氢化非晶硅(n+a-Si:H)或氢化微晶硅(n+μc-Si:H)或氢化多晶硅(n+pc-Si:H)组成的n+掺杂层作为第一晶体管的源和漏接触，淀积并图形化以其源和漏接触上的第二金属的形式的第一晶体管的源电极和漏电极，淀积并图形化以薄膜结构中的同一个层中的第三金属的形式的第二晶体管的源电极和漏电极，制作整个有机薄膜晶体管上的隔离双层，并对其进行图形化，致使第二晶体管中的源电极和漏电极以及栅绝缘体暴露出来，然后在隔离双层和第二晶体管的暴露部分上淀积并五苯层，暴露部分中的并五苯层形成有机薄膜晶体管的有源半导体材料，并被提供为电隔离于被隔离双层的剖面的凹入边沿断开的其它的并五苯层。
12．根据权利要求11的方法，其特征是在构成反转交错的三层结构的三层工艺中实现制作无机薄膜晶体管的各个步骤。
13．根据权利要求11的方法，其特征是在沟道回腐蚀工艺中实现制作无机薄膜晶体管的各个步骤。
14．根据权利要求11的方法，其特征是用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和酚醛清漆光刻胶组成的断开的双层的凹入剖面来隔离有机薄膜晶体管中的并五苯形式的有源半导体。
15．根据权利要求11的方法，其特征是热蒸发金以形成有机薄膜晶体管的源电极和漏电极。
16．根据权利要求11的方法，其特征是可选地清除淀积在隔离双层上的并五苯层。
全文摘要
集成有机/无机互补薄膜晶体管电路包含工作中连接的公共衬底上的第一和第二晶体管,其中的第一晶体管是无机薄膜晶体管,而第二晶体管是有机薄膜晶体管。无机薄膜晶体管是n沟道晶体管,而有机薄膜晶体管是p沟道晶体管,反之亦然。各个晶体管具有分隔的栅电极,且在有机薄膜晶体管中的p沟道半导体的情况下,有机有源晶体管材料被电隔离于无机薄膜晶体管。在制造这种晶体管电路的第一方法中,在公共衬底上淀积各个晶体管的分隔的栅电极,在有机薄膜晶体管的薄膜结构的同一层上淀积有机薄膜晶体管的源电极和漏电极材料,以及在各个情况下提供电隔离于无机n沟道晶体管的有机p沟道晶体管中的有机有源半导体材料,以及可选地电隔离于无机p沟道晶体管的有机n沟道晶体管中的有机有源半导体材料。
文档编号H01L51/30GK1312958SQ99809715
公开日2001年9月12日 申请日期1999年6月18日 优先权日1998年6月19日
发明者T·杰克森, M·邦泽, D·B·托马松, K·哈根, D·J·贡德拉赫 申请人:薄膜电子有限公司