不同光刻膠作保護(hù)層對(duì)a-IGZO TFT性能的影響*

張 耿，王 娟，向桂華，蔡君蕊，孫慶華，趙偉明2，，*

(1.中山大學(xué)理工學(xué)院，廣州510275;2.東莞宏威數(shù)碼機(jī)械有限公司，廣東東莞523080;3.東莞彩顯有機(jī)發(fā)光科技有限公司，廣東東莞523080;4.東莞有機(jī)發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東東莞523080)

近年來(lái)，由于氧化物TFT具有高遷移率、較好的均勻性、像素電路簡(jiǎn)單、閾值電壓漂移小、光穩(wěn)定性較好等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)驅(qū)動(dòng)OLED最有力的競(jìng)爭(zhēng)者之一。而非晶In-Ga-Zn-O(IGZO)憑借其簡(jiǎn)單的制備工藝，以及優(yōu)異的光電性能而成為TFT制備的理想材料［1］。

在底柵頂接觸結(jié)構(gòu)中，IGZO溝道暴露在空氣中，容易吸附空氣中的氧氣和H2O，導(dǎo)致IGZO溝道中氧空缺增加，溝道中載流子濃度增加，影響器件的電學(xué)特性，因此需要在背溝道上增加保護(hù)層［2-3］保護(hù)層主要需要提供長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)、物理和機(jī)械穩(wěn)定性，用來(lái)防止器件受到環(huán)境中的酸、水、機(jī)械振動(dòng)等影響，防止光照和偏壓對(duì)器件性能的影響，有效防止在圖形化制作過(guò)程中造成的破壞;保護(hù)層必須絕緣，同時(shí)其制作過(guò)程不能影響器件的原有特性，使器件在使用時(shí)穩(wěn)定、高效、壽命長(zhǎng)，有助于改善器件的光電參數(shù)性能［4-5］。

迄今為止，常見(jiàn)的保護(hù)層材料有 SiOx、SiNxAl2O3、P3HT(即 poly 3-hexylthiophene)、有機(jī)物(如PVP-PMMA即poly 4-vinyl phenol comethyl methacrylate)和 SOG［6-11］。然而 SiOx和 SiNx作為保護(hù)層，其制作需在真空環(huán)境(～10-3Pa)和Plasma轟擊下完成，其中真空環(huán)境會(huì)引起IGZO膜層中的氧脫附，Plasma轟擊將材料中的氧轟出膜層，產(chǎn)生氧空位，導(dǎo)致IGZO膜層中載流子濃度增加;有機(jī)半導(dǎo)體材料很容易與化學(xué)分子反應(yīng)，引起電荷轉(zhuǎn)移;報(bào)道的Al2O3采用蒸發(fā)法鍍膜，也需要真空和高溫處理，會(huì)引起膜層性能變化。本文采用光刻膠作為保護(hù)層，通過(guò)旋涂法快速成膜，不需要經(jīng)過(guò)真空環(huán)境、Plasma轟擊和高溫處理，具有較好的抗酸堿性，制備工藝簡(jiǎn)單，低溫、低成本。研究了不同光刻膠(正性膠和負(fù)性膠)作為保護(hù)層，對(duì)TFT器件電學(xué)特性及其穩(wěn)定性的影響，探討影響產(chǎn)生的原因。

1 實(shí)驗(yàn)條件

本研究中，采用脈沖直流(Pulsed DC，ENI RPG-50)方式濺射制作IGZO膜，IGZO靶直徑為150 mm，功率為30 W，氣壓為0.5 Pa，濺射氣體為單組份的Ar(純度≥5 N)。IGZO-TFT為底柵頂接觸結(jié)構(gòu)，如圖1所示，溝道尺寸W/L=1.0 mm/0.2 mm。IGZO溝道的厚度為30 nm;柵電極采用ITO(150 nm);SD電極采用蒸鍍的Al膜(100 nm)，并利用Shadow Mask圖形化;柵絕緣層采用脈沖直流反應(yīng)濺射制作的 Si3N4/SiO2(300 nm/20 nm)，功率為160 W，工藝氣體分別為:Ar+N2、Ar+O2，總氣壓為0.46 Pa。TFT結(jié)構(gòu)制作完成后，在氧氣氣氛中于300℃下退火1 h。

圖1 底柵頂接觸器件結(jié)構(gòu)示意圖

最后，采用不同光刻膠作為保護(hù)層，包括:正性膠390(SUZHOU RUIHONG)和AZ 310K(AZ Electronic Materials)，負(fù)性膠 EOC130(EVERLIGHT)和SU-8光刻膠(MICROCHEM)。光刻膠保護(hù)層制作后進(jìn)行常規(guī)的固化處理。針對(duì)不同光刻膠的圖形化制作需要，其中采用負(fù)性光刻膠制作保護(hù)層時(shí)，需經(jīng)紫外曝光，正性光刻膠則無(wú)需進(jìn)行曝光。

在制作保護(hù)層前，使用 Keithley2420、2635SourceMeter測(cè)量器件的電學(xué)特性;然后在保護(hù)層制作后、在室溫下于空氣中放置一定時(shí)間后，分別跟蹤監(jiān)測(cè)器件的電學(xué)特性變化情況。

2 分析與討論

在TFT器件上制作四種溝道保護(hù)層的電學(xué)特性變化及器件特性穩(wěn)定性，如圖2～圖5所示。其中，圖2和圖3為正性光刻膠作為保護(hù)層，器件特性變化及空氣中放置穩(wěn)定性變化情況;圖4和圖5為負(fù)性光刻膠作為保護(hù)層，器件特性變化及空氣中放置穩(wěn)定性變化情況。

圖2 正性光刻膠作為保護(hù)層轉(zhuǎn)移特性匯總圖

圖3 正性光刻膠作為保護(hù)層時(shí)，(a)ΔVth和(b)Δμ 及 ΔSS的變化情況

由圖2和圖3可以看出，采用正性光刻膠作為背溝道保護(hù)層，器件電學(xué)特性衰退，Vth增加2.15 V～3.85 V，SS升高 -0.48 V/dec～0.2 V/dec，μ 降低1.7 cm2/Vs～8.05 cm2/Vs;涂膠后短期(～24 h內(nèi)可維持電學(xué)特性基本不變，在空氣中放置48 h后，器件Vth負(fù)向偏移嚴(yán)重，Vth往負(fù)向偏移3.2 V～4.9 V。由于正性膠樹脂是一種叫做線性酚醛樹脂的酚醛甲醛，感光劑是重氮萘醌(DNQ);在曝光前DNQ是一種強(qiáng)烈的溶解抑制劑，降低樹脂的溶解速度;在紫外曝光后，DNQ在光刻膠中化學(xué)分解，成為溶解度增強(qiáng)劑。這種曝光反應(yīng)會(huì)在DNQ中產(chǎn)生羧酸，它在顯影液中溶解度很高［12］。將正性膠涂覆在背溝道上時(shí)，直接進(jìn)行預(yù)固化和200℃主固化，無(wú)需經(jīng)過(guò)紫外曝光，光刻膠里面的溶劑沒(méi)有經(jīng)過(guò)分解和重新聚合;當(dāng)暴露在大氣環(huán)境中時(shí)，光刻膠受到環(huán)境中的紫外光照射，光刻膠分解產(chǎn)生羧酸。正性光刻膠接觸紫外光后，檢測(cè)到其pH值降低1～2。當(dāng)羧酸滲入IGZO膜層時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起器件的電學(xué)性能衰退。因此，采用正性膠作為背溝道保護(hù)層，器件在實(shí)際使用中不穩(wěn)定，電學(xué)特性衰退。

圖4 負(fù)性光刻膠作為保護(hù)層轉(zhuǎn)移特性匯總圖

圖5 負(fù)性光刻膠作為保護(hù)層時(shí)，(a)ΔVth和(b)Δμ 及 ΔSS的變化情況

由圖4和圖5可以看出，采用負(fù)性光刻膠作為背溝道保護(hù)層，TFT特性變化較小。其中，采用EOC130光刻膠做保護(hù)層時(shí)，Vth往左偏移1.9 V，SS升高1 V/dec，μ降低3.4 cm2/Vs;涂膠后短期(～24 h)內(nèi)可維持電學(xué)特性基本不變，在空氣中放置48 h后，Vth往負(fù)向偏移2.15 V。由于該膠中的樹脂是聚異戊二烯，一種天然的橡膠;溶劑是二甲苯;感光劑是一種經(jīng)過(guò)曝光后釋放出氮?dú)獾墓饷魟?，產(chǎn)生的自由基在橡膠分子間形成交聯(lián)。在曝光區(qū)由溶劑引起泡漲;曝光時(shí)光刻膠容易與氮?dú)夥磻?yīng)而抑制交聯(lián)［9］。在曝光后里面的溶劑分解并重新聚合，里面氣孔減少，在200℃固化后氣孔減少到幾乎沒(méi)有，且不會(huì)產(chǎn)生羧酸影響IGZO。通過(guò)檢測(cè)EOC130光刻膠的PH值，發(fā)現(xiàn)曝光前后均無(wú)明顯變化。因此，采用這種光刻膠作為保護(hù)層時(shí)，器件的電學(xué)特性相對(duì)較穩(wěn)定。

對(duì)比圖3和圖5可發(fā)現(xiàn)，采用SU-8光刻膠作為背溝道保護(hù)層，器件特性變化最小。Vth向負(fù)向偏移1.2 V，SS升高0.24 V/dec，μ升高1.4 cm2/Vs尤其涂膠后，即使經(jīng)在空氣中室溫下放置72 h，器件特性對(duì)比制作保護(hù)層后基本無(wú)變化，Vth僅變化0.2 V。由于SU-8光刻膠的樹脂為環(huán)氧基樹脂，其SU-8分子含有八個(gè)環(huán)氧基。在曝光時(shí)，其內(nèi)部的光敏劑(Ar)3S+SbF6-分解為H+SbF6-，其中 H+將質(zhì)化環(huán)氧基團(tuán)，導(dǎo)致環(huán)氧基鏈打開從而產(chǎn)生碳正離子后續(xù)烘烤，使SU-8膠重新聚合，曝光區(qū)產(chǎn)生一個(gè)不易溶解的聚合物網(wǎng)絡(luò)，從而具有較高的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性［13］。SU-8的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使其在酸液、溶劑中抵抗力強(qiáng)，很難剝離。此外，SU-8光刻膠在曝光前后的PH值也無(wú)明顯變化。因此，采用SU-8光刻膠作為溝道保護(hù)層時(shí)，受大氣中環(huán)境影響最小器件在生活中可穩(wěn)定工作。

3 總結(jié)

在此研究中發(fā)現(xiàn)，采用光刻膠作為保護(hù)層時(shí)，保護(hù)層制作后短期內(nèi)可維持器件的電學(xué)特性基本不變;但涂膠后暴露在空氣中一定時(shí)間，器件的電學(xué)特性開始衰退，尤其是閾值電壓變化較明顯，器件工作模式由增強(qiáng)型變?yōu)楹谋M型。

通過(guò)比較得到，采用SU-8負(fù)性光刻膠作為保護(hù)層，保護(hù)層制作后器件特性衰退最小;涂膠后在空氣中放置較穩(wěn)定，放置72h后，器件特性對(duì)比制作保護(hù)層后基本無(wú)變化，即采用SU-8光刻膠作為保護(hù)層，器件特性最穩(wěn)定。

憑借光刻膠本身抗酸堿性強(qiáng)、制備工藝簡(jiǎn)單快速、制作周期短、工藝溫度低、低成本、工藝過(guò)程對(duì)IGZO影響小等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)優(yōu)化選擇光刻膠類型及制作參數(shù)，可以得到理想的TFT器件保護(hù)層。

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