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涂布型氧化物半导体TFT特性介绍

2016-01-05 09:28
kumsing
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  1. 前言

  本文介绍亚洲最大的显示器国际会议“22th International Display Workshops(IDW ‘15)”上,关于氧化物半导体TFT的脱真空、脱光刻“绿色工艺”,以及TFT特性的主题演讲。过去,此类主题的演讲大都来自研究机构,这次还出现了厂商。所以估计不久就会应用于量产。另外,关于不使用光刻、溶剂不蒸发即可形成亚微米图案的技术“Nano-Rheology Printing(n-RP)”的演讲也吸引了众多目光。

  2. 试制涂布型氧化物半导体TFT,性能良好

  2.1 掌握关键的材料,制造装置厂商的反应趋于明朗

  现在,氧化物半导体成膜使用的是溅射法。而德国的化学企业Evonik Industries介绍的则是涂布法。该公司经营在空气中涂布成膜使用的材料。现在,使用这种材料需要在空气中涂布整枚基板,今后,该公司还将争取开发出只印刷必需部位的墨水,并将其投入实用。

  该公司这次与德国雅各布大学(Jacobs University)共同发表了题为“Development of All Solution Processed TFT in ESL Configuration”的演讲(论文序号:AMD4-2)。图1是TFT的结构与各部分对应的Evonik材料“iXsenic”的关系。该公司的独到之处,是除电极材料外,能够涵盖TFT的所有构成材料,而且提供为评测材料而试制TFT的环境。如图所示,这些材料包括了半导体材料、钝化材料、绝缘层、栅极绝缘膜材料及蚀刻终止层(ES)材料。

 

  图1:Evonik公司的成膜材料“iXsenic”

  该公司在基板上使用硅晶圆作为栅极电极、厚度为230nm的Si热氧化膜作为栅极绝缘膜。氧化物半导体使用槽膜涂布机涂布,在空气中进行了350℃的热处理。在氧化物半导体层上涂布作为ES层的负性光刻胶,使用曝光机形成了有效沟道区域的图案。另外,ES层使用PGMEA溶液显影后,在空气中进行了220℃的热处理。在形成厚度为100nm的钼(Mo)薄膜后,制作出了源漏电极的图案。

  样品检测是在不附着钝化膜的情况下,在空气中进行的。沟道长10μm、宽200μm,栅极绝缘膜厚度为230nm的TFT特性良好,载流子迁移率为13.59cm2/Vs,S值为0.6V/dec.,没有迟滞现象。

  为了查明TFT移动度与沟道长度之间的依赖关系,该公司检测了5μ~400μm的TFT。结果显示,移动度基本固定,平均值为14cm2/Vs。受曝光机的限制,5μm以下的沟道长度未能试制。经确认,iXsenic半导体与Mo源漏极的接触电阻为10Ωcm,电阻较低。栅极电压为-20V、漏极电压为5V、时间为400秒的负偏压应力(NBS)测试的结果比较稳定,ΔV=-0.2V。而栅极电压为20V、漏极电压为5V、时间为4000秒的正偏压应力(PBS)测试的结果则出现了变化,ΔV=3.2V。

  在演讲中,该公司介绍说:“槽膜涂布机在170mm×300mm的基板上涂布iXsenic的厚度分布均匀,为±2.5nm”,“16个TFT特性均匀,移动度良好,全部为10cm2/Vs。”而且,这种涂布方法容易升级成为支持第10代大型基板的技术。iXsenic是溶液合成可以使用的无机金属氧化物半导体,可以在常温常压下使用。如表1所示,因为制造过程无需真空环境,所以制造工艺简单、成品率高,而且成本低廉。

 

  表1:对非晶Si(a-Si)TFT生产线进行改造后的特征比较

  “++”代表非常好,“+”代表好,“o”代表普通,“-”代表差,“--”代表非常差。表中的数字是需要增加的制造装置的种类等。“1”为缝模涂布机、UVO系统、烤箱。“2”为溅镀设备和烤箱。“3”为准分子激光设备、烤箱、更换全部掩模。(根据Evonik的演讲幻灯片制作)

  具有以上特点的iXsenic,最适合使用缝口模头涂布(狭缝涂布)的方法成膜。通过组合使用SCREEN Finetech Solutions(SCREEN FT)的狭缝涂布装置(线性涂布机)等,可以实现简单、成品率高,而且成本低的制造工艺。Evonik与SCREEN FT用几年的时间,使用线性涂布机进行了iXsenic的涂布试验。为使iXsenic半导体材料与制造装置,以及制造工艺实现最佳匹配,签署了战略合作协议。

  不过,作为实用化的前提,氧化物半导体TFT的元件结构,正在从交错结构向自对准的顶栅结构转变。韩国LG显示器已经投入了量产。因此,材料开发很可能会出现变数。

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