[發明專利]具有混合高介電材料層的電子元件及其制造方法

有效

• 申請號: 200710001664.X
• 申請日: 2007-01-09
• 公開（公告）號: CN101221981A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: 林蔚伶;溫景發;李文熙;胡堂祥;王俊杰;李正中
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H01L29/51
• 分類號: H01L29/51;H01L29/92;H01L21/02;H01L21/283;H01L51/05;H01L51/30;H01L51/40
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 陶鳳波

技術領域

本發明涉及一種具高介電常數介電層的電子元件，特別涉及一種具有高介電納米粒子與高分子介質組合成的有機無機混合介電材料的電子元件及其制造方法。

背景技術

場效應晶體管的半導體載子傳輸，是在柵極施加電壓，在半導體與柵極絕緣層間的界面形成足夠誘導電荷以促使載子傳輸，欲使場效應晶體管于低操作偏壓下即擁有高電流值ID，除了半導體的載流子遷移率、通道寬長比外，尚與電容有關。而高電容是取決于絕緣層膜厚薄與高介電常數，故制作較薄的高介電柵極絕緣層即可在低操作偏壓下獲得大電流值ID，達到低能耗的目的。

美國專利第6,586,791號揭露一種以納米級陶瓷粉體混入高分子材料形成懸浮溶液，并將此溶液經由旋轉涂布(spin?coating)的方式涂布制作柵極絕緣層。然而，上述現有方法所形成的柵極絕緣層，其表面粗糙具有條紋狀且平坦度不佳，易造成漏電路徑而使得電子元件于操作時漏電流偏高。

圖1顯示現有技術以納米級陶瓷粉體混入高分子的懸浮溶液制作的有機薄膜晶體管的剖面示意圖。請參閱圖1，有機薄膜晶體管包括濃摻雜硅基板10，于其背面設置金屬層15，作為柵極電極。絕緣層20形成于濃摻雜硅基板10的正面。源極25與漏極30彼此相隔特定距離，設置于絕緣層20上。有機半導體層35設置于濃摻雜硅基板10上，且覆蓋源極25與漏極30以及源極25與漏極30之間。由于絕緣層20由旋轉涂布納米級陶瓷粉體與高分子的懸浮溶液形成，其表面粗糙具有條紋狀且平坦度不佳，(亦即于膜厚為0.6μm條件下，其峰-谷(peak-to-valley)的厚度差高達0.3μm)，易使得電子元件于操作時漏電流偏高。

美國專利第6,558,987號揭露一種薄膜晶體管(TFT)結構及制造方法。利用雙層介電層結構制作TFT元件介電層，其中皆以化學氣相沉積法(CVD)沉積無機材料(例如：氮化硅(SiN_x)或氧化硅(SiO_x))。于第一層沉積后，經刷洗步驟去除污染物，接著沉積第二層相同的介電層材料，以避免缺陷產生。

美國專利第6,563,174號揭露一種利用雙層介電層結構制作TFT元件的無機介電層，其中第一層通常為氮化硅(SiN_x)，而第二層通常為金屬氧化物(例如：鈦酸鋇(BaTiO₃)、鋯酸鈣(CaZrO₃)或錫酸鍶(SrSnO₃))，導入第二層是為了改善半導體層(例如：ZnO)的結晶性以提高載流子遷移率進而提升TFT元件特性。

然而，現有技術的無機高介電層TFT元件必須通過CVD工藝形成高介電材料層，無法達到如化學溶液工藝具有低成本與易于大面積化的優點，且CVD工藝溫度通常較高(一般高于200℃)，并不利應用于塑膠基板的元件制造。

美國專利第7,005,674號揭露一種于有機薄膜晶體管(OTFT)的元件結構及制造方法。利用雙層有機介電層結構制作高介電絕緣層，其中第一層為高介電絕緣材料，第二層以高分子材料覆蓋，藉此與半導體相匹配，達到提升元件特性的目的。

圖2顯示另一傳統有機薄膜晶體管的剖面示意圖。請參閱圖2，有機薄膜晶體管包括基板50，其上有柵極電極55，第一絕緣層60設置于基板50上，且覆蓋柵極電極55。第二絕緣層65設置于第一絕緣層60上。有機半導體層70設置第二絕緣層65。源極80與漏極90彼此相隔特定距離，設置于有機半導體層70上。雖然第二絕緣層可改善原先有機半導體層70與具高介電常數的第一絕緣層60之間的界面性質，然而第二絕緣層65與第一絕緣層60之間具有粗糙的界面，易造成漏電路徑使得電子元件于操作時漏電流偏高。

上述傳統的有機薄膜晶體管的柵極介電層為雙層結構，雖然增加了柵極介電層的厚度，但因第二絕緣層的介電常數小于第一絕緣層的介電常數而使得總介電常數，提高有限，因而使其應用在晶體管元件時受到限制。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種溶液法制作具高介電材料層的電子元件，提高納米級高介電材料粒子的分散性與改善膜的表面粗糙度，提升元件的特性。

本發明另提供具高度分散且實質上無界面的多層介電材料層的電子元件，避免因表面粗糙造成漏電路徑而使得電子元件于操作時漏電流偏高。

因此，本發明提供一種具有混合高介電材料層的電子元件，包括：基板；第一電極層設置于基板上；多層絕緣層包括第一介電層以及第二介電層，其中第一介電層與第二介電層之間互溶且實質上無界面存在；以及第二電極層設置于該多層絕緣層上。