Prozesstechnik Steigerung der Grenzfrequenz organischer Dünnschicht-Transistoren

Einem gemeinsamen Forscherteam aus dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und dem Institut für Mikroelektronik Stuttgart gelang es kürzlich, mit einem neuartigen Herstellungsprozess erheblich verbesserte organische Dünnschicht-Transistoren (Organic Thin Film Transistor - OTFT) zu fertigen und zu funktionsfähigen Schaltungen zu integrieren.

Der organische Dünnschicht-Transistor (OTFT) wird als Basistechnologie für künftige flexible Elektronik-Produkte gewertet. Dazu gehören flexible Displays (z.B. das so genannte elektronische Papier), diagnostische Verbände für die medizinische Überwachung und Biowissenschaften, Funketiketten (RFID-Tags), die als intelligente Barcodes verwendet werden können, intelligente Fahrkarten und intelligente Leitsysteme. Die OTFT-Fertigungstechnologie unterscheidet sich deutlich von der Mikroelektronikfertigung. Flexible Elektronik wird mit der Rolle-zu-Rolle-Drucktechnologie gefertigt, wie sie bei Papierdruckprozessen genutzt wird und die über einen hohen Durchsatz verfügt. Es besteht sogar die Aussicht, dass sich elektronisches Papier künftig einmal durch Tintenstrahldrucker fertigen lässt, die denen im Büroalltag ähneln.

Während flexible Elektronik vielleicht einen erheblichen Teil des Niedrigkosten-Elektronikmarkts erobern kann, wird sie wegen mangelnder Leistung und Integrationsdichte nicht mit der Mikroelektronik konkurrieren können. Aus diesem Grund werden künftig vermutlich Hybridlösungen entstehen, die großflächige organische Elektronik mit dünnen flexiblen Siliziumchips verbinden können. Daher ist der Bedarf an einer organischen elektronischen Transistor-Technologie, die mit der gleichen Versorgungsspannung wie die Mikroelektronik arbeitet, außerordentlich groß. Allerdings  litt die organische Elektronik bislang darunter, dass die Schaltungen groß-flächig und vergleichsweise langsam waren und nur bei relativ hohen Betriebsspannungen funktionierten.

Vorteile für OTFT durch Stencilmasken

Für die Herstellung der neuen OTFTs werden hochpräzise Membranmasken aus Silizium, so genannte Stencilmasken verwendet. Es handelt sich dabei um sehr genaue „Druckschablonen“, die durch ausgeklügelte Belichtungs- und Ätzverfahren aus Siliziumwafern gefertigt werden. Dabei wird das Silizium so bearbeitet, dass eine hauchdünne Membran entsteht, die an den Stellen Durchbrüche aufweist, durch welche später bestimmte Materialien auf dem Trägersubstrat der organischen Schaltung abgeschieden werden können, um die OTFTs zu fertigen.

Im Grunde genommen nichts anderes als ein Siebdruckverfahren - nur, dass die Silizium-Membran nahezu verzugsfrei ist und Detailauflösungen im Bereich von 100 nm ermöglicht. Dadurch können nun integrierte Schaltungen auf der Basis von OTFTs mit einer Kanal-länge unter 1 µm realisiert werden.

Für die Herstellung der Stencilmasken aus Silizium wurde Ende der 90er Jahre im Rahmen eines großen europäischen MEDEA-Lithographieprojektes (IPL - Ion Projection Lithography) am Institut für Mikroelektronik ein spezieller „Wafer Flow“-Prozess (WFP) entwickelt. Dabei werden alle strukturdefinierenden Prozessschritte - Elektronenstrahllithographie und Trockenätzung der Lochstrukturen - auf einem massiven Wafersubstrat durchgeführt, während die Ätzung der fragilen Si-Membran an das Ende des Maskenprozesses gesetzt wird. Dieser Fertigungsablauf ermöglicht eine überwiegende Verwendung von Standard-Hableiter-Fertigungsanlagen und solchen Fertigungsprozessen, die eine kostengünstige und defektfreie Herstellung gewährleisten (Bild 1).

Als Ausgangssubstrat dient ein 150- mm-SOI-Wafer (Silicon on Insulator), bei dem die SOI-Dicke die finale Membrandicke der Stencilmaske präzise definiert und die vergrabene Oxidschicht als selektiver Ätzstop für die Struktur- und Membranätzung dient. Durch diese Fertigungsstrategie konnten Silizium-Stencilmasken mit kreisförmigen Membranflächen von 126 mm Durchmesser bei einer Silizium-Membrandicke von 2 µm und Minimalstrukturen unter 100 nm für die IPL realisiert werden. Für die OTFT-Herstellung werden zur Zeit noch Stencilmasken mit quadra-tischen und deutlich kleineren Membranflächen von etwa 20 × 20 mm² (Bild 2) bei einer Membrandicke von 20 µm verwendet (Bild 3). Dies gewährleistet eine ausreichende Stabilität und Defektfreiheit während der Stencilmaskenfertigung und des Einsatzes der Masken bei den nachfolgenden OTFT-Herstellungsschritten.

Die zukünftigen Überlegungen der beiden Stuttgarter Forscherteams gehen zu einer deutlichen Vergrößerung der aktiven Patternflächen der Stencilmasken bis zu 100 cm².

Kompetenzfelder für die organische Elektronik

Die Stencilmasken, die nun die schnellen OTFTs möglich machen, stammen vom Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS), einer vor über 25 Jahren gegründeten Stiftung, die sich neben der Grundlagenforschung auf ausgewählten Gebieten vor allem den Transfer von wissenschaftlichen Ergebnissen in der Mikroelektronik und Nanostrukturierung in die prak-tische Anwendung auf die Fahnen geschrieben hat. Eine herausragende Kernkompetenz des Instituts ist die Nanostrukturierung sowohl von Silizium-Wafern als auch von Materialien mit optischen Eigenschaften. Mit einem der derzeit leistungsfähigsten verfügbaren Elektronenstrahlschrei-ber können nicht nur Wafer für Mikrochips im Direktschreibeverfahren belichtet werden, es lassen sich auch Masken verschiedenster Art herstellen, darunter auch die Stencilmasken für die neuen OTFTs. Darüber hinaus können optisch transparente Materialien großflächig mit einer Auflösung besser als 100 nm strukturiert werden.

Der Schaltungsentwurf mit organischen Transistoren ist dem Entwurf von CMOS-Schaltungen prinzipiell sehr ähnlich. Allerdings haben sowohl die bislang zur Verfügung stehenden Werkzeuge als auch die Technologien noch nicht den Reifegrad wie bei der Silizium-Technologie erreicht. Zudem haben organische Transistoren einige Merkmale, die sie von den Silizium-Transistoren unterscheiden. So existiert zum Beispiel ein nicht-linearer Kontaktwiderstand an den Source- und Drain-Kontakten, und auch die Beweglichkeit der Ladungsträger verhält sich grundsätzlich anders als bei den anorganischen Halbleitern. Vor dem Entwurf ist es notwendig, diese Merkmale in einem sog. Kompaktmodell abzubilden, das die Grundlage für den zuverlässigen Schaltungsentwurf bildet.

Auch gilt es für den speziellen Fertigungsablauf einen kompletten Design-Flow mit allen Konstruktions- und Prüfschritten wie Schaltplan-eingabe, Layout, Simulation und Entwurfsregelprüfung zu implementieren. Schließlich müssen die gefertigten Schaltungen elektrisch vermessen und charakterisiert werden. Für die hier vorgestellten OTFT-Schaltungen stellt dies eine besondere Herausforderung dar, da es bisher keine etablierten Aufbautechniken gibt und die Kontaktierung nur über so genannte Probe-Nadeln erfolgen konnte.

Am IMS sind die erforderlichen Expertisen vorhanden und auf den Entwurf von OTFT-Schaltungen zugeschnitten. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei auf die Schnittstelle zwischen der digitalen Silizium-Welt und der eher analogen Welt organischer Displays gelegt. Für diese Zwecke wurde ein 6-bit-D/A-Umsetzer implementiert. Der D/A-Umsetzer basiert auf Stromsteuerung, was besonders schnelle und kompakte Einheiten erlaubt. Aber erst die neue Stencilmasken-Technologie erlaubte es, dieses Verfahren zu verwenden. Der 6-bit-D/A-Umsetzer in organischer Elektronik, der auf der ISSCC 2011 vorgestellt wurde, ist ein Ergebnis der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen klassischer Mikroelektronik und organischer Elektronik.