張 奇 ,崔西會 ,方 杰 ,項徽清 ,劉建國

(1.華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心 激光與太赫茲技術(shù)功能實驗室,湖北 武漢 430074;2.中國電子科技集團公司第二十九研究所,四川 成都 610036)

薄膜晶體管(Thin-Film Transistor,TFT)是一種重要的通過電場來調(diào)控半導(dǎo)體薄膜導(dǎo)電能力的有源器件,具有質(zhì)輕、價廉、柔韌性好及可使用材料種類多等特點。TFT 通常由柵電極、柵絕緣層、半導(dǎo)體層、源漏電極和基底構(gòu)成[1],其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。高性能的TFT 材料與器件方面的研究大大推動了平板顯示器[2]、柔性電路[3]、傳感器[4]及射頻識別(RFID)標(biāo)簽[5]等應(yīng)用領(lǐng)域的進步。

圖1 薄膜晶體管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of thin film transistor's structure

TFT 的工作原理是通過對柵電極施加一定的電壓來控制器件有源層內(nèi)部載流子的遷移,使有源層內(nèi)部載流子的濃度發(fā)生改變,從而控制開關(guān)的通斷。在實際工作中,用于評價TFT 性能優(yōu)劣的參數(shù)主要有器件遷移率(μ)、閾值電壓(Vth)、亞閾值擺幅(S)和開關(guān)電流比(Ion/Ioff)等。目前,TFT 的主流制備技術(shù)是基于磁控濺射與光刻-蝕刻相結(jié)合的減材制造技術(shù),該技術(shù)可以精確地控制圖案的形狀和大小,且圖案具有高的分辨率。但該技術(shù)仍有明顯不足,如需經(jīng)過光刻膠涂膠、曝光、顯影、烘烤、濕法或干法刻蝕等多個工藝步驟才能在薄膜上形成特定的圖案。在此過程中,有源層薄膜會受到各種化學(xué)試劑的侵蝕,從而造成TFT 性能的衰減[6]。

增材制造技術(shù)因具有簡單且快捷的制作流程、較高的原材料利用率、無需冗長的工藝步驟和多種加工設(shè)備等優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注。增材制造技術(shù)又稱“3D 打印技術(shù)”,是通過計算機構(gòu)建數(shù)字化模型,并逐層劃分其加工區(qū)域,再通過控制材料的逐層堆疊,從而實現(xiàn)實物模型的制造[7]。目前常見的電子、微電子領(lǐng)域的增材制造技術(shù)主要包括噴墨打印、絲網(wǎng)印刷和微筆直寫等。其中噴墨打印技術(shù)[8]和絲網(wǎng)印刷技術(shù)[9]更適合二維平面電子元器件的制備,其相關(guān)研究主要集中于器件基礎(chǔ)[10-11]、工藝開發(fā)[12]及應(yīng)用[13]等方面。如2011 年1 月,新加坡南洋理工大學(xué)的Wang 等[14]首次利用噴墨打印圖案化的氧化銦鎵鋅(IGZO)有源層薄膜,在500 ℃退火條件下獲得的TFT 器件的遷移率為1.41 cm2/(V·s),開關(guān)比為4.3×107;2016 年6 月,中科院蘇州納米所的崔錚等[15]研究了一種對噴墨打印的IGZO-TFT 進行預(yù)熱的方法,當(dāng)噴墨打印IGZO 薄膜的基板預(yù)熱溫度從40 ℃增加至275 ℃時,噴墨打印的TFT 器件遷移率也從0.31 cm2/(V·s)增加至4.93 cm2/(V·s),開關(guān)比也隨著預(yù)熱溫度的升高從原來的106上升至107。

而微筆直寫技術(shù)[16]由于其制備原理和設(shè)備與噴墨打印、絲網(wǎng)印刷完全不同,使其理論上能夠在任意形狀的表面完成直寫制備任務(wù),進而實現(xiàn)二維功能圖形和三維(3D)立體零件的加工,為在曲面基板表面制備電子元器件提供了新的解決方案,這是其他兩種增材制造技術(shù)所不具備的。近年來,隨著天線、雷達、頻率選擇表面、微波器件、模塑互聯(lián)器件和機電集成器件等持續(xù)向高集成度、高可靠性、多功能、數(shù)字化、柔性化、微型化、輕量化、低能耗等方向持續(xù)發(fā)展,共形制造技術(shù)方興未艾,如何在三維曲面基板上實現(xiàn)電子元器件的增材制造顯得越來越迫切。本文基于微筆直寫的微增材制造技術(shù),實現(xiàn)了用IGZO 作為有源層的TFT 的制備,并采用旋涂技術(shù)對比制備了同樣以IGZO 為有源層的TFT,驗證了采用微筆直寫技術(shù)制備IGZO-TFT 的可行性。

1 實驗

1.1 實驗材料

水合硝酸銦(In(NO3)3·H2O)、硝酸鎵(Ga(NO3)3)、二水合乙酸鋅(Zn(OAc)2·2H2O)、乙二醇甲醚、單乙醇胺等均購買自阿拉丁試劑(上海)有限公司,均未經(jīng)進一步純化而直接使用。重?fù)诫s的N 型硅片(體積電阻率為0.002～0.004 Ω·cm)購自北京特博萬德科技有限公司,使用前采用RCA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗)工藝對其進行清洗,氮氣吹干備用。

1.2 實驗操作

按照In ∶Ga ∶Zn 原子比為12 ∶1 ∶4 的比例(該比例是通過前期多次實驗得到的最佳比例),分別稱取適量的水合硝酸銦、硝酸鎵、二水合乙酸鋅溶于適量的乙二醇甲醚中,混合后,再加入適量的溶膠-凝膠穩(wěn)定劑單乙醇胺,最后配制成In+Ga+Zn 總濃度為0.2 mol/L、單乙醇胺濃度為0.2 mol/L 的IGZO 前驅(qū)體漿料;接下來將漿料在60 ℃水浴鍋中攪拌3 h,然后靜置老化24 h。

用重?fù)诫s的N 型硅片作為制作IGZO-TFT 的襯底兼柵電極,在其表面熱生長100 nm 厚的SiO2薄膜作為柵絕緣層;之后采用微筆直寫技術(shù),通過改變微筆直寫的速度(分別為5,10,15,20,25 mm/s),在SiO2薄膜表面直寫IGZO 前驅(qū)體漿料;接下來,在空氣中,以3 ℃/min 的升溫速率從室溫升溫至150 ℃,并保溫10 min;此后,再升溫至400 ℃,退火1 h,以形成IGZO 有源層;最后采用蒸鍍技術(shù),沉積厚度為100 nm 的金屬Al 薄膜作為源電極和漏電極。制備的IGZO-TFT 的溝道長度L=80 μm、溝道寬度W=500 μm。

作為對比,保持其他條件和參數(shù)不變,采用旋涂技術(shù)旋涂IGZO 前驅(qū)體漿料制備了IGZO 有源層,旋涂工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速3500 r/min,時間35 s。

1.3 測試與表征

采用是德科技(中國)有限公司的Agilent B1500A型半導(dǎo)體參數(shù)分析儀,測試樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線。在測試時,將樣品放置在測試臺上,在顯微鏡下將連接有1,2 號源表的探針分別接觸源漏電極,測試臺本身連接3 號源表,利用軟件分別向1,2,3 號源表施加電壓,其中1 號源表(源電極)保持接地,2 號源表(漏電極)向器件提供恒定電壓VDS,3 號源表(柵電極)向器件提供掃描式電壓VGS,設(shè)備能自動測量電流IDS,并同時在電腦上自動保存數(shù)據(jù)及生成轉(zhuǎn)移特性曲線,即VGS-IDS關(guān)系曲線;同理,在測試晶體管器件的輸出特性時,1 號源表(源電極)保持接地,2 號源表(漏電極)向器件提供掃描式的電壓VDS,3 號源表(柵電極)向器件提供步進式電壓VGS,電腦將自動保存數(shù)據(jù)并生成輸出特性曲線,即VDS-IDS關(guān)系曲線。

采用美國KLA-Tencor 公司的KLA Tencor P-16+型探針輪廓儀測量薄膜厚度。

2 結(jié)果與討論

圖2(a)為采用微增材制造技術(shù)制備的IGZOTFT,這種技術(shù)可以使IGZO 薄膜直接實現(xiàn)圖形化制作,從而大大減少IGZO 漿料的用量,節(jié)約成本;然后再在其表面利用掩膜法局域蒸鍍金屬Al 薄膜作為源電極和漏電極。而采用旋涂技術(shù)制備的IGZO-TFT(圖2(b)),需要先在硅片表面通過旋涂整體制備出IGZO有源層薄膜,然后利用掩膜法局域蒸鍍Al 源電極和漏電極;這種制備方法無法直接實現(xiàn)有源層薄膜的圖形化制造,有源層物質(zhì)存在明顯的浪費現(xiàn)象。

圖2 (a)微增材技術(shù)和(b)旋涂技術(shù)制備的IGZO-TFT 微觀照片F(xiàn)ig.2 Micrographs of IGZO-TFT fabricated by (a) micro-additive and (b) spin-coating technologies

圖3 是采用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀,在暗室環(huán)境下測得的IGZO-TFT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線,并由此得到特性參數(shù)表1?？紤]到柵絕緣層SiO2的厚度為100 nm,過高的柵極電壓會擊穿柵絕緣層而導(dǎo)致TFT 器件失效,因此測量過程中源漏電壓VDS取20 V,柵極電壓范圍為-20～50 V。從圖3 可以看出,兩種制備方法制備的TFT 器件隨著柵極電壓VGS的增加,源漏電流IDS均逐漸增大,當(dāng)VGS在0 V 左右時,IDS都呈數(shù)量級增加,器件的柵電極都能夠調(diào)控其溝道電流,轉(zhuǎn)移特性曲線也都表現(xiàn)出明顯的場效應(yīng)及飽和特性。此外,由表1 可知,旋涂技術(shù)制備的TFT 遷移率達4.59 cm2/(V·s),大于微筆直寫技術(shù)制備的TFT 遷移率1.43 cm2/(V·s),微筆直寫技術(shù)制備的TFT 遷移率與采用噴墨打印技術(shù)制備的TFT 遷移率(1.41 cm2/(V·s))很接近[14]?？赡茉蚴遣捎眯考夹g(shù)制備的IGZO 有源層薄膜均勻性更好,因此制備的器件能性能更優(yōu)。但微增材制備技術(shù)因具有無需掩膜、節(jié)約原材料、可直接進行3D 制造等優(yōu)勢,在今后的電子元器件制備領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力和前景,所以值得深入研究。

表1 微增材技術(shù)和旋涂技術(shù)制備的IGZO-TFT 器件特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of IGZO-TFT fabricated by micro-additive and spin-coating technologies

圖3 微增材技術(shù)和旋涂技術(shù)制備的IGZO-TFT 的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.3 Transfer characteristic curves of IGZO-TFT fabricated by micro-additive and spin-coating technologies

對于基于微筆直寫的微增材制備技術(shù)來說,可以方便地通過調(diào)控微筆直寫的速度等參數(shù)來調(diào)控微增材材料層的厚度及圖形尺寸等,進而調(diào)控器件的性能。因此,接下來探討了利用微增材技術(shù)制備不同有源層厚度的IGZO 器件的性能。

采用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀,在暗室環(huán)境下測得不同直寫速度條件下不同有源層厚度的IGZO-TFT 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線,其器件特性參數(shù)如表2。可以看出,當(dāng)直寫速度從5 mm/s 增加至25 mm/s 時,IGZO 薄膜的厚度從20 nm 逐漸減小至9 nm;此時,IGZO-TFT 的遷移率也從1.43 cm2/(V·s)下降至0.03 cm2/(V·s)。這表明在一定的厚度范圍內(nèi),TFT 器件的遷移率與IGZO 薄膜的厚度成正相關(guān)?？赡艿脑蚴请S著IGZO薄膜厚度的增加,薄膜內(nèi)部的氧空位會逐漸增多,從而產(chǎn)生較多的自由電子,使更多的載流子被吸引到導(dǎo)電溝道內(nèi),從而增加輸出電流[17-18]。而且當(dāng)薄膜太薄時,IGZO 薄膜內(nèi)部會出現(xiàn)大量孔洞和缺陷(圖4),使TFT 器件的載流子遷移率降低,開關(guān)比減小。實驗結(jié)果表明,只有當(dāng)直寫速度在5～25 mm/s 范圍,制備的TFT 器件具有場效應(yīng)。當(dāng)直寫速度低于5 mm/s 時,由于SiO2表面呈現(xiàn)較強的親水性,直寫的IGZO 漿料將會向四周嚴(yán)重擴散,得到的IGZO 有源層圖形邊緣質(zhì)量較低且IGZO 薄膜太厚而無場效應(yīng)現(xiàn)象;當(dāng)直寫速度大于25 mm/s 時,由于直寫速度過快,導(dǎo)致薄膜厚度太小;同時,直寫的IGZO 薄膜表面形貌較差,出現(xiàn)大量孔洞與不連續(xù)等現(xiàn)象,導(dǎo)致制備的TFT 也無場效應(yīng)。

表2 直寫速度對IGZO 薄膜的厚度及IGZO-TFT 器件特性參數(shù)的影響Tab.2 The effect of direct-writing speed on the thickness of IGZO film and the characteristic parameters of devices

圖4 當(dāng)IGZO 膜很薄時的SEM 照片(孔洞與缺陷)Fig.4 SEM photograph of very thin IGZO film(cavity and defect)

而閾值電壓的大小通常與導(dǎo)電溝道中載流子的濃度有關(guān)。在IGZO 薄膜中,氧空位的濃度決定載流子的濃度;在較厚的IGZO 薄膜中,其內(nèi)部擁有更多的氧空位缺陷,意味著薄膜內(nèi)部擁有更多的載流子,能夠在更小的柵極電壓控制下形成導(dǎo)電溝道,因此閾值電壓更低[17]。但在表2 中,獲得的閾值電壓Vth并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律,可能原因是IGZO 半導(dǎo)體膜層太薄,累積在IGZO 和SiO2之間的導(dǎo)電溝道與空氣的距離很近,薄膜內(nèi)部的導(dǎo)電溝道與背溝道處對空氣中的氧氣更為敏感,更容易形成氧空位缺陷,從而影響閾值電壓Vth的大小。公式(1)為有源層薄膜的表面缺陷態(tài)密度NT與一些參數(shù)的關(guān)系:

式中:S為亞閾值擺幅;k為玻爾茲曼常數(shù);T為開爾文溫度;Cox為絕緣層的單位電容;q為電子電荷。

可以看出,亞閾值擺幅S與缺陷態(tài)密度NT成正比。隨著薄膜厚度的增加,薄膜的表面缺陷態(tài)密度也會增加,理論上亞閾值擺幅呈上升的趨勢。但在實際實驗中,由于空氣中的氧氣、水分等會對IGZO 薄膜的缺陷態(tài)密度造成顯著影響,導(dǎo)致實際測得的數(shù)據(jù)與理論值發(fā)生偏差。

而最大開態(tài)電流Ion通常與IGZO 薄膜的特性和場效應(yīng)的離子注入有關(guān),最小關(guān)態(tài)電流Ioff的大小又與有源層和源漏電極的接觸電阻、絕緣層的泄漏電流等有關(guān)。本研究中所制備的TFT 器件的開關(guān)電流比最大值在108數(shù)量級,這種關(guān)斷性能是比較優(yōu)異的。

3 結(jié)論

(1)對比研究了采用微增材制造技術(shù)和旋涂技術(shù)制備IGZO 有源層薄膜獲得的IGZO-TFT 器件的性能。結(jié)果表明微增材制造技術(shù)制備的TFT 器件遷移率為1.43 cm2/(V·s),與噴墨打印制備的TFT 器件的遷移率(1.41 cm2/(V·s))性能相當(dāng),但小于旋涂技術(shù)制備的TFT 器件的遷移率4.59 cm2/(V·s)。

(2)微增材制備技術(shù)可以方便地通過調(diào)控微筆直寫的速度等參數(shù)來調(diào)控微增材材料層的厚度及圖形尺寸等,進而調(diào)控器件的性能;在最佳制備工藝條件下,即IGZO 有源層漿料中In ∶Ga ∶Zn 的原子比為12 ∶1 ∶4(In+Ga+Zn 總濃度為0.2 mol/L),直寫速度為5 mm/s 時,可獲得IGZO 薄膜的厚度約為20 nm,此時器件的遷移率為1.43 cm2/(V·s),開關(guān)電流比大于108。

(3)初步驗證了采用微筆直寫技術(shù)制備IGZO-TFT的可行性。