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）