2016或是涂布型氧化物半導(dǎo)體TFT量產(chǎn)元年
1. 前言
本文介紹亞洲最大的顯示器國際會議“22th International Display Workshops(IDW ‘15)”上,關(guān)于氧化物半導(dǎo)體TFT的脫真空、脫光刻“綠色工藝”,以及TFT特性的主題演講。過去,此類主題的演講大都來自研究機構(gòu),這次還出現(xiàn)了廠商。所以估計不久就會應(yīng)用于量產(chǎn)。另外,關(guān)于不使用光刻、溶劑不蒸發(fā)即可形成亞微米圖案的技術(shù)“Nano-Rheology Printing(n-RP)”的演講也吸引了眾多目光。
2. 試制涂布型氧化物半導(dǎo)體TFT,性能良好
2.1 掌握關(guān)鍵的材料,制造裝置廠商的反應(yīng)趨于明朗
現(xiàn)在,氧化物半導(dǎo)體成膜使用的是濺射法。而德國的化學(xué)企業(yè)Evonik Industries介紹的則是涂布法。該公司經(jīng)營在空氣中涂布成膜使用的材料?,F(xiàn)在,使用這種材料需要在空氣中涂布整枚基板,今后,該公司還將爭取開發(fā)出只印刷必需部位的墨水,并將其投入實用。
該公司這次與德國雅各布大學(xué)(Jacobs University)共同發(fā)表了題為“Development of All Solution Processed TFT in ESL Configuration”的演講(論文序號:AMD4-2)。圖1是TFT的結(jié)構(gòu)與各部分對應(yīng)的Evonik材料“iXsenic”的關(guān)系。該公司的獨到之處,是除電極材料外,能夠涵蓋TFT的所有構(gòu)成材料,而且提供為評測材料而試制TFT的環(huán)境。如圖所示,這些材料包括了半導(dǎo)體材料、鈍化材料、絕緣層、柵極絕緣膜材料及蝕刻終止層(ES)材料。
圖1:Evonik公司的成膜材料“iXsenic” (根據(jù)該公司網(wǎng)頁制作)
該公司在基板上使用硅晶圓作為柵極電極、厚度為230nm的Si熱氧化膜作為柵極絕緣膜。氧化物半導(dǎo)體使用槽膜涂布機涂布,在空氣中進行了350℃的熱處理。在氧化物半導(dǎo)體層上涂布作為ES層的負(fù)性光刻膠,使用曝光機形成了有效溝道區(qū)域的圖案。另外,ES層使用PGMEA溶液顯影后,在空氣中進行了220℃的熱處理。在形成厚度為100nm的鉬(Mo)薄膜后,制作出了源漏電極的圖案。
樣品檢測是在不附著鈍化膜的情況下,在空氣中進行的。溝道長10μm、寬200μm,柵極絕緣膜厚度為230nm的TFT特性良好,載流子遷移率為13.59cm2/Vs,S值為0.6V/dec.,沒有遲滯現(xiàn)象。
為了查明TFT移動度與溝道長度之間的依賴關(guān)系,該公司檢測了5μ~400μm的TFT。結(jié)果顯示,移動度基本固定,平均值為14cm2/Vs。受曝光機的限制,5μm以下的溝道長度未能試制。經(jīng)確認(rèn),iXsenic半導(dǎo)體與Mo源漏極的接觸電阻為10Ωcm,電阻較低。柵極電壓為-20V、漏極電壓為5V、時間為400秒的負(fù)偏壓應(yīng)力(NBS)測試的結(jié)果比較穩(wěn)定,ΔV=-0.2V。而柵極電壓為20V、漏極電壓為5V、時間為4000秒的正偏壓應(yīng)力(PBS)測試的結(jié)果則出現(xiàn)了變化,ΔV=3.2V。
在演講中,該公司介紹說:“槽膜涂布機在170mm×300mm的基板上涂布iXsenic的厚度分布均勻,為±2.5nm”,“16個TFT特性均勻,移動度良好,全部為10cm2/Vs?!倍?,這種涂布方法容易升級成為支持第10代大型基板的技術(shù)。iXsenic是溶液合成可以使用的無機金屬氧化物半導(dǎo)體,可以在常溫常壓下使用。如表1所示,因為制造過程無需真空環(huán)境,所以制造工藝簡單、成品率高,而且成本低廉。
表1:對非晶Si(a-Si)TFT生產(chǎn)線進行改造后的特征比較
“++”代表非常好,“+”代表好,“o”代表普通,“-”代表差,“--”代表非常差。表中的數(shù)字是需要增加的制造裝置的種類等?!?”為縫模涂布機、UVO系統(tǒng)、烤箱。“2”為濺鍍設(shè)備和烤箱。“3”為準(zhǔn)分子激光設(shè)備、烤箱、更換全部掩模。(根據(jù)Evonik的演講幻燈片制作)
具有以上特點的iXsenic,最適合使用縫口模頭涂布(狹縫涂布)的方法成膜。通過組合使用SCREEN Finetech Solutions(SCREEN FT)的狹縫涂布裝置(線性涂布機)等,可以實現(xiàn)簡單、成品率高,而且成本低的制造工藝。Evonik與SCREEN FT用幾年的時間,使用線性涂布機進行了iXsenic的涂布試驗。為使iXsenic半導(dǎo)體材料與制造裝置,以及制造工藝實現(xiàn)最佳匹配,簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。
不過,作為實用化的前提,氧化物半導(dǎo)體TFT的元件結(jié)構(gòu),正在從交錯結(jié)構(gòu)向自對準(zhǔn)的頂柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。韓國LG顯示器已經(jīng)投入了量產(chǎn)。因此,材料開發(fā)很可能會出現(xiàn)變數(shù)。
2.2 無需光刻形成亞微米圖案
從強介電體的極化-電場特性來看,強介電體材料具備非易失性存儲功能,在低電場下可以誘導(dǎo)產(chǎn)生大量電荷。硅MOSFET的柵極絕緣膜使用的SiO2在加載10MV/cm的電場時,誘導(dǎo)產(chǎn)生的電荷量為3.5μC/cm2,而強介電體在加載0.5MV/cm左右的電場時,能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生50μC/cm2的電荷量。
在本次IDW上,北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)以“Invited Oxide-Channel Ferroelectric-Gate Thin Film Transistors Prepared by Solution Process”為題發(fā)表演講,提出了利用強介電體巨大電荷控制能力控制導(dǎo)電溝道的晶體管新概念(論文序號:AMD6-1)。為了證明這個新概念,該校試制了使用透明導(dǎo)電膜ITO(Indium Tin Oxide)作為溝道的晶體管。晶體管的通態(tài)電流達(dá)到1mA,移動度為4cm2/Vs,電荷量達(dá)到了15μC/cm2。
作為使印刷的分辨率達(dá)到幾十nm的方法,該校開發(fā)出了Nano-Rheology Printing(n-RP)法。使用有機金屬化合物制成的氧化物前驅(qū)體墨水,在特殊結(jié)構(gòu)的簇凝膠上進行壓印加工,凝膠會在溫?zé)岬沫h(huán)境下發(fā)生塑性變形,從而實現(xiàn)壓印加工。圖2是n-RP的流程。該校開發(fā)出適合n-RP的半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、強介電體材料用凝膠,單獨使用n-RP法,不借助以往的光刻,成功制作出了亞微米TFT。
圖2:Nano-Rheology Printing(n-RP)法的流程圖
(液體工藝的缺點是溶劑蒸發(fā)會導(dǎo)致薄膜“變薄”。為了解決這個問題,n-RP法會在不使用溶劑的塑性變形區(qū)域進行納米加工。這就是該校自主開發(fā)的n-RP法。
2.3 理光試制涂布型氧化物半導(dǎo)體TFT
理光以“Highly Reliable All-Printed Oxide TFT of High Work-Function Metal Electrodes with Low Contact Resistance by Doped Oxide Semiconductor”為題發(fā)表演講,介紹了涂布型氧化物半導(dǎo)體TFT的試制結(jié)果(論文序號:AMD6-3)。
試制的TFT的元件結(jié)構(gòu)為底柵、頂部觸點,溝道寬30μm、長10μm。制作流程如下:(1)在玻璃基板上噴涂金(Au)作為柵極電極;(2)旋涂柵極絕緣膜(Ricoh LSXO墨水:La Sr類氧化膜,介電常數(shù)~12);(3)噴涂氧化物半導(dǎo)體(Ricoh IOX:Y墨水:In類氧化物半導(dǎo)體+摻雜劑);(4)噴涂Au(功函數(shù)5.1eV)作為源電極和漏電極;(5)旋涂鈍化層PSV1(Ricoh PSV1墨水:堿土金屬硅酸鹽類氧化物);(6)旋涂鈍化層PSV2(Ricoh PSV2:稀土和堿土類氧化物);(7)旋涂平坦化膜PLN(PLN墨水:有機無機混合材料)。
在不附著鈍化膜的情況下檢測TFT的特性,移動度為10.9cm2/Vs,閾值電壓為3.6V,S值為0.27V/dec.。這是因為氧化物半導(dǎo)體優(yōu)化了成分,與金(Au)的漏源電極之間接觸良好。另外,摻雜的氧化物半導(dǎo)體的載流子濃度(ne)達(dá)到了1018/cm3。通常情況下,無摻雜的氧化物半導(dǎo)體與金(Au)的接觸不佳,摻雜起到了明顯的改善效果。
在形成平坦化膜后,TFT的移動度約為10cm2/Vs。在偏壓熱應(yīng)力試驗(BT試驗)及光照射試驗中,也得到了非??煽康慕Y(jié)果。這些結(jié)果與真空成膜的特性相同。因此,試制器件具備的可靠性,完全可以滿足有機EL顯示器的需要,證明了這項技術(shù)有望應(yīng)用于未來的印刷及柔性顯示器。
3. 結(jié)語
涂布型氧化物半導(dǎo)體TFT與利用真空成膜方法、在相同的基板溫度下制作的TFT相比,特性和可靠性已經(jīng)毫不遜色。將這項技術(shù)投入量產(chǎn)的重點,在于涂布材料的供應(yīng)與涂布裝置,通過本次的演講,廠商的反應(yīng)已經(jīng)明朗。在今后,筆者衷心希望真空成膜的課題得到解決,使發(fā)揮氧化物半導(dǎo)體TFT特色的顯示器實現(xiàn)商品化。
本文介紹的由日本開發(fā)的n-RP技術(shù),還是不使用揮發(fā)性有機化合物(VOC:Volatile Organic Compounds)的工藝,在這一方面也將受到關(guān)注。(特約撰稿人:鵜飼育弘,Ukai Display Device Institute)
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