韓某研究院通過ALD技術(shù)實(shí)現(xiàn)高遷移率 IGZO

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，Display Daily大約六個(gè)月前的一篇文章，詳細(xì)總結(jié)了目前高性能 IGZO的六個(gè)主要技術(shù)驅(qū)動(dòng)類別以及顯示器中更高性能（氧化物）半導(dǎo)體材料的基本原理。

據(jù)介紹，進(jìn)一步提升IGZO的性能通常包括如下幾種方法，這些方法對(duì)應(yīng)不同的機(jī)制：1、工藝優(yōu)化；2、TFT結(jié)構(gòu)；3、結(jié)晶方法；4、柵極改變和電介質(zhì)鈍化；5、控制柵極絕緣體和IGZO 之間界面的粗糙度，還有就是本文特別關(guān)注的方法；6、雙層或多層IGZO或組成部分。

最近，韓國(guó)一家研究所（漢陽(yáng)大學(xué)與細(xì)野小組合作）基于原子層沉積 (ALD，Atomic Layer Deposition)技術(shù)展開了一項(xiàng)非常有進(jìn)益的研究，該技術(shù)和設(shè)備由位于Holst中心的荷蘭研究組織TNO和設(shè)備供應(yīng)商SALDtech提供。這項(xiàng)工作獲得了很重要的成果——為該技術(shù)開拓了一項(xiàng)新的分支和應(yīng)用方案。

ALD技術(shù)是一種利用表面控制氣相前體沉積超薄、均勻、無(wú)針孔致密層的方法，一直被當(dāng)作等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD，常用于沉積TFT中的大多數(shù)膜層）方法的替代。不過，雖然該技術(shù)廣泛用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，但在顯示器制作方面一直被認(rèn)為不具有所需的速度。實(shí)際上，能夠應(yīng)用到顯示器領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵前提就是：大世代線能夠?qū)崿F(xiàn)大約一分鐘的節(jié)拍（工藝時(shí)間）。這在以往幾乎不可能，不過現(xiàn)在隨著上面提到的新技術(shù)——空間原子層沉積（Spatial Atomic Layer Deposition）的引入，這一問題迎刃而解。

從歷史看，ALD技術(shù)于2013 年左右曾短暫亮相于OLED顯示器的制作工藝中。當(dāng)時(shí)，Synos公司首次將該技術(shù)用于OLED的薄膜封裝（TFE，Thin Film Encapsulation）工藝，并獲得顯示器行業(yè)的短暫關(guān)注。不過，這次引入在商業(yè)市場(chǎng)還是沒有成功，不過最近提出的空間ALD技術(shù)也可用于TFE（薄膜封裝）工藝。

位于Holst中心的研究組織TNO與設(shè)備供應(yīng)商SALDtech合作提出一種基于ALD技術(shù)的新方法。如圖1，通過小樣的制作和測(cè)試，這種方法制作出的W和L（與晶體管尺寸相關(guān)的術(shù)語(yǔ)）同為15微米的晶體管具有70 cm²/Vs的電子遷移率。他們的這種專有方法使用到了空間ALD技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，他們用這種技術(shù)在納米疊層中沉積了多層氧化銦、氧化鎵和氧化鋅結(jié)構(gòu)，這些內(nèi)容會(huì)在下面作進(jìn)一步介紹。

圖1. TNO和SALDtech 合作開發(fā)高遷移率納米層壓材料的最新成果。其中a圖顯示IGZO納米層壓結(jié)構(gòu)的TEM圖像，底部外加的紅色線用于示意該薄膜內(nèi)的納米層壓結(jié)構(gòu)；b圖顯示了該IGZO 納米層壓晶體管（w=15 µm，L=15 µm）的轉(zhuǎn)移曲線，左軸對(duì)應(yīng)藍(lán)色曲線的電子遷移率，右軸為紅色曲線的電子遷移率

如果你注意到這項(xiàng)研究所實(shí)現(xiàn)的電子遷移率水平達(dá)到目前量產(chǎn)水平的5倍，那么你會(huì)肯定會(huì)對(duì)這項(xiàng)研究的成果印象深刻。因?yàn)楦唠娮舆w移率的氧化物在某些應(yīng)用中可以用來(lái)替代LTPS，支持更高幀速率、更高像素密度和更窄邊框的顯示器設(shè)計(jì)。

漢陽(yáng)大學(xué)研究人員進(jìn)一步表示，高電子遷移率還可以在一些較為小眾的顯示應(yīng)用領(lǐng)域支持實(shí)現(xiàn)更高的顯示器性能，例如自發(fā)光微型顯示器、生物識(shí)別和光傳感等。

上面提到的納米層壓結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是使用空間ALD設(shè)備在多個(gè)非常薄的三元組中沉積三種不同氧化物材料后實(shí)現(xiàn)的。到目前為止，Holst中心的TNO和SALDtech已經(jīng)使用該技術(shù)沉積出了15個(gè)這樣的三元組，而且每個(gè)三元組的厚度僅為1-2nm。

該研究需要使用ALD技術(shù)，這是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)PVD技術(shù)具有更好的厚度均勻性，尤其是在一些大尺寸基板應(yīng)用中，據(jù)介紹，ALD通常所能實(shí)現(xiàn)的厚度均勻性小于+/- 1%。

正常在沉積前體之前，需要先使用等離子體產(chǎn)生一層自由基，這也是等離子體基ALD（Plasma-based ALD）得名的由來(lái)。具體到該研究中，SALDtech的空間ALD設(shè)備使用一種“印刷頭”噴射器，該噴射器的噴嘴可以將氣態(tài)前體流導(dǎo)至基板。這時(shí)，基板在噴射器下方移動(dòng)，并且每一次在通過前體和等離子體槽下方時(shí)都會(huì)形成一層前體結(jié)構(gòu)（參見如下圖 2）。

該設(shè)備使用很多噴嘴以擴(kuò)展噴射器的噴射范圍，再結(jié)合對(duì)基板的來(lái)回移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)所需的層厚度。實(shí)際上，使用這種空間ALD可以實(shí)現(xiàn)1nm/s的沉積速度，而且該數(shù)值僅受前體反應(yīng)速度的限制。相比較來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的或基于時(shí)間的ALD則僅使用一個(gè)腔室，反應(yīng)氣體在其中依次進(jìn)入。由于這唯一的腔室還需要在不同反應(yīng)氣體之間進(jìn)行吹掃動(dòng)作，而吹掃時(shí)間也會(huì)限制沉積速度，所以傳統(tǒng)ALD的沉積速度只有1nm/min?？梢钥闯鰜?lái)，空間ALD比傳統(tǒng)ALD的沉積速度快100倍。

圖 2：基于窄氣態(tài)前體供應(yīng)系統(tǒng)的空間ALD概念圖

此外，通過在沉積過程中切換前體材料，該設(shè)備可以在不更換基材的情況下沉積出不同材料的納米層壓結(jié)構(gòu)，不過需要在切換之前花幾秒鐘時(shí)間沖洗前體管線。另外，噴射器的長(zhǎng)度也可以擴(kuò)展到2米以上，這樣可以沉積8.5代線甚至更大的基板。實(shí)際上，SALDtech在其面向6代線的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中還加了一個(gè)集群工具，這樣就可以擴(kuò)展到8.5代線。從速度的角度來(lái)看，它也符合批量生產(chǎn)的吞吐量要求。

SALDtech有兩種研發(fā)工具可供客戶基于Spatial ALD 進(jìn)行試驗(yàn)、層優(yōu)化和工藝開發(fā)。其中一種用于30厘米晶圓級(jí)，如圖3 所示，以及標(biāo)準(zhǔn)2代線（370x470mm）基板。在這些工具上開發(fā)的工藝可以一對(duì)一地傳遞到生產(chǎn)級(jí)別的工具上。

圖3：左側(cè)是SALDtech 的專有噴射器，主要用于右側(cè)所示30厘米晶圓級(jí)研發(fā)工具

這些工具支持高達(dá)0.5納米/秒的沉積速率、+/-2%的厚度波動(dòng)以及多達(dá)3個(gè)不同前體源和50° ~200° C的沉積溫度。

當(dāng)今顯示行業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)要么是支持LCD的高動(dòng)態(tài)范圍背光，要么是小尺寸和大尺寸自發(fā)光顯示器——從RGB頂發(fā)光型小尺寸OLED面板到WOLED+CF底發(fā)光型大尺寸OLED，還有一種就是三星公司即將推向市場(chǎng)的QD OLED顯示器。

最后，Micro-LED技術(shù)的研發(fā)仍然獲得高度的關(guān)注，這可能是一種具有高視覺沖擊力同時(shí)也是高成本的顯示技術(shù)。不管怎么樣，所有這些市場(chǎng)都能夠分享到空間ALD制成高電子遷移率氧化物技術(shù)的紅利。小尺寸面板和Micro-LED領(lǐng)域可以使用高電子遷移率IGZO替代LTPS，而已經(jīng)使用IGZO技術(shù)的大尺寸面板，也可以因?yàn)?IGZO性能的提升而獲得額外的好處。