不同光刻膠作保護層對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.中山大學理工學院，廣州510275;2.東莞宏威數碼機械有限公司，廣東東莞523080;3.東莞彩顯有機發光科技有限公司，廣東東莞523080;4.東莞有機發光顯示產業技術研究院，廣東東莞523080)

近年來，由于氧化物TFT具有高遷移率、較好的均勻性、像素電路簡單、閾值電壓漂移小、光穩定性較好等優勢，是未來驅動OLED最有力的競爭者之一。而非晶In-Ga-Zn-O(IGZO)憑借其簡單的制備工藝，以及優異的光電性能而成為TFT制備的理想材料［1］。

在底柵頂接觸結構中，IGZO溝道暴露在空氣中，容易吸附空氣中的氧氣和H2O，導致IGZO溝道中氧空缺增加，溝道中載流子濃度增加，影響器件的電學特性，因此需要在背溝道上增加保護層［2-3］保護層主要需要提供長時間的化學、物理和機械穩定性，用來防止器件受到環境中的酸、水、機械振動等影響，防止光照和偏壓對器件性能的影響，有效防止在圖形化制作過程中造成的破壞;保護層必須絕緣，同時其制作過程不能影響器件的原有特性，使器件在使用時穩定、高效、壽命長，有助于改善器件的光電參數性能［4-5］。

迄今為止，常見的保護層材料有 SiOx、SiNxAl2O3、P3HT(即 poly 3-hexylthiophene)、有機物(如PVP-PMMA即poly 4-vinyl phenol comethyl methacrylate)和 SOG［6-11］。然而 SiOx和 SiNx作為保護層，其制作需在真空環境(～10-3Pa)和Plasma轟擊下完成，其中真空環境會引起IGZO膜層中的氧脫附，Plasma轟擊將材料中的氧轟出膜層，產生氧空位，導致IGZO膜層中載流子濃度增加;有機半導體材料很容易與化學分子反應，引起電荷轉移;報道的Al2O3采用蒸發法鍍膜，也需要真空和高溫處理，會引起膜層性能變化。本文采用光刻膠作為保護層，通過旋涂法快速成膜，不需要經過真空環境、Plasma轟擊和高溫處理，具有較好的抗酸堿性，制備工藝簡單，低溫、低成本。研究了不同光刻膠(正性膠和負性膠)作為保護層，對TFT器件電學特性及其穩定性的影響，探討影響產生的原因。

1 實驗條件

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為底柵頂接觸結構，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結構制作完成后，在氧氣氣氛中于300℃下退火1 h。

圖1 底柵頂接觸器件結構示意圖

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

在制作保護層前，使用 Keithley2420、2635SourceMeter測量器件的電學特性;然后在保護層制作后、在室溫下于空氣中放置一定時間后，分別跟蹤監測器件的電學特性變化情況。

2 分析與討論

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

圖2 正性光刻膠作為保護層轉移特性匯總圖

圖3 正性光刻膠作為保護層時，(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層，器件電學特性衰退，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內可維持電學特性基本不變，在空氣中放置48 h后，器件Vth負向偏移嚴重，Vth往負向偏移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在光刻膠中化學分解，成為溶解度增強劑。這種曝光反應會在DNQ中產生羧酸，它在顯影液中溶解度很高［12］。將正性膠涂覆在背溝道上時，直接進行預固化和200℃主固化，無需經過紫外曝光，光刻膠里面的溶劑沒有經過分解和重新聚合;當暴露在大氣環境中時，光刻膠受到環境中的紫外光照射，光刻膠分解產生羧酸。正性光刻膠接觸紫外光后，檢測到其pH值降低1～2。當羧酸滲入IGZO膜層時，會發生化學反應，引起器件的電學性能衰退。因此，采用正性膠作為背溝道保護層，器件在實際使用中不穩定，電學特性衰退。

圖4 負性光刻膠作為保護層轉移特性匯總圖

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

由圖4和圖5可以看出，采用負性光刻膠作為背溝道保護層，TFT特性變化較小。其中，采用EOC130光刻膠做保護層時，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)內可維持電學特性基本不變，在空氣中放置48 h后，Vth往負向偏移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;感光劑是一種經過曝光后釋放出氮氣的光敏劑，產生的自由基在橡膠分子間形成交聯。在曝光區由溶劑引起泡漲;曝光時光刻膠容易與氮氣反應而抑制交聯［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有，且不會產生羧酸影響IGZO。通過檢測EOC130光刻膠的PH值，發現曝光前后均無明顯變化。因此，采用這種光刻膠作為保護層時，器件的電學特性相對較穩定。

對比圖3和圖5可發現，采用SU-8光刻膠作為背溝道保護層，器件特性變化最小。Vth向負向偏移1.2 V，SS升高0.24 V/dec，μ升高1.4 cm2/Vs尤其涂膠后，即使經在空氣中室溫下放置72 h，器件特性對比制作保護層后基本無變化，Vth僅變化0.2 V。由于SU-8光刻膠的樹脂為環氧基樹脂，其SU-8分子含有八個環氧基。在曝光時，其內部的光敏劑(Ar)3S+SbF6-分解為H+SbF6-，其中 H+將質化環氧基團，導致環氧基鏈打開從而產生碳正離子后續烘烤，使SU-8膠重新聚合，曝光區產生一個不易溶解的聚合物網絡，從而具有較高的機械和化學穩定性［13］。SU-8的鏈式結構，使其在酸液、溶劑中抵抗力強，很難剝離。此外，SU-8光刻膠在曝光前后的PH值也無明顯變化。因此，采用SU-8光刻膠作為溝道保護層時，受大氣中環境影響最小器件在生活中可穩定工作。

3 總結

在此研究中發現，采用光刻膠作為保護層時，保護層制作后短期內可維持器件的電學特性基本不變;但涂膠后暴露在空氣中一定時間，器件的電學特性開始衰退，尤其是閾值電壓變化較明顯，器件工作模式由增強型變為耗盡型。

通過比較得到，采用SU-8負性光刻膠作為保護層，保護層制作后器件特性衰退最小;涂膠后在空氣中放置較穩定，放置72h后，器件特性對比制作保護層后基本無變化，即采用SU-8光刻膠作為保護層，器件特性最穩定。

憑借光刻膠本身抗酸堿性強、制備工藝簡單快速、制作周期短、工藝溫度低、低成本、工藝過程對IGZO影響小等優勢，通過優化選擇光刻膠類型及制作參數，可以得到理想的TFT器件保護層。

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