不同光刻胶作保护层对a-IGZO TFT性能的影响*

张 耿，王 娟，向桂华，蔡君蕊，孙庆华，赵伟明2，，*

(1.中山大学理工学院，广州510275;2.东莞宏威数码机械有限公司，广东东莞523080;3.东莞彩显有机发光科技有限公司，广东东莞523080;4.东莞有机发光显示产业技术研究院，广东东莞523080)

近年来，由于氧化物TFT具有高迁移率、较好的均匀性、像素电路简单、阈值电压漂移小、光稳定性较好等优势，是未来驱动OLED最有力的竞争者之一。而非晶In-Ga-Zn-O(IGZO)凭借其简单的制备工艺，以及优异的光电性能而成为TFT制备的理想材料［1］。

在底栅顶接触结构中，IGZO沟道暴露在空气中，容易吸附空气中的氧气和H2O，导致IGZO沟道中氧空缺增加，沟道中载流子浓度增加，影响器件的电学特性，因此需要在背沟道上增加保护层［2-3］保护层主要需要提供长时间的化学、物理和机械稳定性，用来防止器件受到环境中的酸、水、机械振动等影响，防止光照和偏压对器件性能的影响，有效防止在图形化制作过程中造成的破坏;保护层必须绝缘，同时其制作过程不能影响器件的原有特性，使器件在使用时稳定、高效、寿命长，有助于改善器件的光电参数性能［4-5］。

迄今为止，常见的保护层材料有 SiOx、SiNxAl2O3、P3HT(即 poly 3-hexylthiophene)、有机物(如PVP-PMMA即poly 4-vinyl phenol comethyl methacrylate)和 SOG［6-11］。然而 SiOx和 SiNx作为保护层，其制作需在真空环境(～10-3Pa)和Plasma轰击下完成，其中真空环境会引起IGZO膜层中的氧脱附，Plasma轰击将材料中的氧轰出膜层，产生氧空位，导致IGZO膜层中载流子浓度增加;有机半导体材料很容易与化学分子反应，引起电荷转移;报道的Al2O3采用蒸发法镀膜，也需要真空和高温处理，会引起膜层性能变化。本文采用光刻胶作为保护层，通过旋涂法快速成膜，不需要经过真空环境、Plasma轰击和高温处理，具有较好的抗酸碱性，制备工艺简单，低温、低成本。研究了不同光刻胶(正性胶和负性胶)作为保护层，对TFT器件电学特性及其稳定性的影响，探讨影响产生的原因。

1 实验条件

本研究中，采用脉冲直流(Pulsed DC，ENI RPG-50)方式溅射制作IGZO膜，IGZO靶直径为150 mm，功率为30 W，气压为0.5 Pa，溅射气体为单组份的Ar(纯度≥5 N)。IGZO-TFT为底栅顶接触结构，如图1所示，沟道尺寸W/L=1.0 mm/0.2 mm。IGZO沟道的厚度为30 nm;栅电极采用ITO(150 nm);SD电极采用蒸镀的Al膜(100 nm)，并利用Shadow Mask图形化;栅绝缘层采用脉冲直流反应溅射制作的 Si3N4/SiO2(300 nm/20 nm)，功率为160 W，工艺气体分别为:Ar+N2、Ar+O2，总气压为0.46 Pa。TFT结构制作完成后，在氧气气氛中于300℃下退火1 h。

图1 底栅顶接触器件结构示意图

最后，采用不同光刻胶作为保护层，包括:正性胶390(SUZHOU RUIHONG)和AZ 310K(AZ Electronic Materials)，负性胶 EOC130(EVERLIGHT)和SU-8光刻胶(MICROCHEM)。光刻胶保护层制作后进行常规的固化处理。针对不同光刻胶的图形化制作需要，其中采用负性光刻胶制作保护层时，需经紫外曝光，正性光刻胶则无需进行曝光。

在制作保护层前，使用 Keithley2420、2635SourceMeter测量器件的电学特性;然后在保护层制作后、在室温下于空气中放置一定时间后，分别跟踪监测器件的电学特性变化情况。

2 分析与讨论

在TFT器件上制作四种沟道保护层的电学特性变化及器件特性稳定性，如图2～图5所示。其中，图2和图3为正性光刻胶作为保护层，器件特性变化及空气中放置稳定性变化情况;图4和图5为负性光刻胶作为保护层，器件特性变化及空气中放置稳定性变化情况。

图2 正性光刻胶作为保护层转移特性汇总图

图3 正性光刻胶作为保护层时，(a)ΔVth和(b)Δμ 及 ΔSS的变化情况

由图2和图3可以看出，采用正性光刻胶作为背沟道保护层，器件电学特性衰退，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;涂胶后短期(～24 h内可维持电学特性基本不变，在空气中放置48 h后，器件Vth负向偏移严重，Vth往负向偏移3.2 V～4.9 V。由于正性胶树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，感光剂是重氮萘醌(DNQ);在曝光前DNQ是一种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度;在紫外曝光后，DNQ在光刻胶中化学分解，成为溶解度增强剂。这种曝光反应会在DNQ中产生羧酸，它在显影液中溶解度很高［12］。将正性胶涂覆在背沟道上时，直接进行预固化和200℃主固化，无需经过紫外曝光，光刻胶里面的溶剂没有经过分解和重新聚合;当暴露在大气环境中时，光刻胶受到环境中的紫外光照射，光刻胶分解产生羧酸。正性光刻胶接触紫外光后，检测到其pH值降低1～2。当羧酸渗入IGZO膜层时，会发生化学反应，引起器件的电学性能衰退。因此，采用正性胶作为背沟道保护层，器件在实际使用中不稳定，电学特性衰退。

图4 负性光刻胶作为保护层转移特性汇总图

图5 负性光刻胶作为保护层时，(a)ΔVth和(b)Δμ 及 ΔSS的变化情况

由图4和图5可以看出，采用负性光刻胶作为背沟道保护层，TFT特性变化较小。其中，采用EOC130光刻胶做保护层时，Vth往左偏移1.9 V，SS升高1 V/dec，μ降低3.4 cm2/Vs;涂胶后短期(～24 h)内可维持电学特性基本不变，在空气中放置48 h后，Vth往负向偏移2.15 V。由于该胶中的树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶;溶剂是二甲苯;感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成交联。在曝光区由溶剂引起泡涨;曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联［9］。在曝光后里面的溶剂分解并重新聚合，里面气孔减少，在200℃固化后气孔减少到几乎没有，且不会产生羧酸影响IGZO。通过检测EOC130光刻胶的PH值，发现曝光前后均无明显变化。因此，采用这种光刻胶作为保护层时，器件的电学特性相对较稳定。

对比图3和图5可发现，采用SU-8光刻胶作为背沟道保护层，器件特性变化最小。Vth向负向偏移1.2 V，SS升高0.24 V/dec，μ升高1.4 cm2/Vs尤其涂胶后，即使经在空气中室温下放置72 h，器件特性对比制作保护层后基本无变化，Vth仅变化0.2 V。由于SU-8光刻胶的树脂为环氧基树脂，其SU-8分子含有八个环氧基。在曝光时，其内部的光敏剂(Ar)3S+SbF6-分解为H+SbF6-，其中 H+将质化环氧基团，导致环氧基链打开从而产生碳正离子后续烘烤，使SU-8胶重新聚合，曝光区产生一个不易溶解的聚合物网络，从而具有较高的机械和化学稳定性［13］。SU-8的链式结构，使其在酸液、溶剂中抵抗力强，很难剥离。此外，SU-8光刻胶在曝光前后的PH值也无明显变化。因此，采用SU-8光刻胶作为沟道保护层时，受大气中环境影响最小器件在生活中可稳定工作。

3 总结

在此研究中发现，采用光刻胶作为保护层时，保护层制作后短期内可维持器件的电学特性基本不变;但涂胶后暴露在空气中一定时间，器件的电学特性开始衰退，尤其是阈值电压变化较明显，器件工作模式由增强型变为耗尽型。

通过比较得到，采用SU-8负性光刻胶作为保护层，保护层制作后器件特性衰退最小;涂胶后在空气中放置较稳定，放置72h后，器件特性对比制作保护层后基本无变化，即采用SU-8光刻胶作为保护层，器件特性最稳定。

凭借光刻胶本身抗酸碱性强、制备工艺简单快速、制作周期短、工艺温度低、低成本、工艺过程对IGZO影响小等优势，通过优化选择光刻胶类型及制作参数，可以得到理想的TFT器件保护层。

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