用于氧化物薄膜晶體管的涂層材料的制作方法
【專利說(shuō)明】用于氧化物薄膜晶體管的涂層材料
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 近幾年來(lái)，對(duì)利用（無(wú)定形）金屬氧化物材料作為半導(dǎo)體元件的電子器件的開(kāi)發(fā) 存在增長(zhǎng)的興趣。與目前占優(yōu)勢(shì)的氫化非晶硅（a-Si:H)技術(shù)相比（電子遷移率~lcm2/V_ s)，金屬氧化物電子設(shè)備大有前途，其具有已得到證明的大面積相容性和引人注目的器件 性能（電子遷移率>l〇cm2/V_s)。這些有前途的性能已促使努力制作與低成本、高吞吐量的 卷對(duì)卷制造工藝（roll-to-rollmanufacturingprocess)相容的在柔性塑料襯底上的金 屬氧化物電子設(shè)備。尤其是，基于無(wú)定形氧化物半導(dǎo)體的薄膜晶體管（TFT)技術(shù)正被積極 地研究，連同它們作為有源矩陣液晶顯示器（AMLCD)中的開(kāi)關(guān)器件或外圍驅(qū)動(dòng)器以及作為 用于有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AM0LED)的像素驅(qū)動(dòng)器的用途。
[0003] 在各種無(wú)定形氧化物候選物之中，銦鎵鋅氧化物（IGZ0)由于其高的場(chǎng)效應(yīng)遷移 率、光透明性以及在低溫下的可加工性而最有希望成為用于柔性顯示底板的TFT中的下一 代有源通道材料。盡管其存在希望，但是由于其對(duì)環(huán)境的靈敏度，IGZOTFT經(jīng)受不可靠的 器件操作。特別地，存在于環(huán)境空氣中的小分子物質(zhì)在暴露的背后通道層上的吸附/解吸 以及光敏性（子間隙光響應(yīng)（subgapphotoresponse))可改變IGZ0薄膜中的載流子濃度。 這導(dǎo)致TFT閾值電壓（VTH)的轉(zhuǎn)變，其隨著時(shí)間的推移而導(dǎo)致非均勻性問(wèn)題。已證明，用各 種無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料涂覆IGZ0通道層以改善器件穩(wěn)定性；然而，存在與最先進(jìn)的涂層材 料相關(guān)的已知問(wèn)題。例如，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD)沉積的無(wú)機(jī)涂層材 料諸如SiOjP51^可由于對(duì)TFT的背后通道區(qū)域的等離子體誘導(dǎo)的輻射損傷而導(dǎo)致IGZ0 TFT的電特性退化。同時(shí)，許多有機(jī)涂層材料沒(méi)有很好地粘附到金屬源和漏極接點(diǎn)（drain contact)或者沒(méi)有很好地粘附到IGZ0薄膜本身（由于缺少化學(xué)結(jié)合），這對(duì)于多層疊形 成是成問(wèn)題的，并且可產(chǎn)生長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。最先進(jìn)的有機(jī)涂層材料也不會(huì)阻止周圍環(huán)境 (H20、02、03、C02、CO、NO、N02)中含有的小分子的化學(xué)吸附或物理吸附，和/或不會(huì)阻止光誘 導(dǎo)的載流子的形成。
[0004] 相應(yīng)地，在本領(lǐng)域中存在對(duì)可改善金屬氧化物TFT的器件穩(wěn)定性的新的涂層材料 的需要。
[0005] 發(fā)明概沭
[0006] 根據(jù)上文，本發(fā)明提供了包括共混物的涂層材料，該共混物包括可交聯(lián)組分和穩(wěn) 定劑。在一些實(shí)施方式中，所述共混物材料可以由包括可交聯(lián)組分和穩(wěn)定劑這兩者的涂層 組合物形成。在一些實(shí)施方式中，所述共混物材料可通過(guò)在第一涂層組合物中沉積穩(wěn)定劑 以及在第二涂層組合物中沉積可交聯(lián)組分來(lái)制備（反之亦然）。在一些實(shí)施方式中，所述共 混物材料可通過(guò)在第一涂層組合物中沉積穩(wěn)定劑以及沉積包括可交聯(lián)組分和穩(wěn)定劑這兩 者的第二涂層組合物來(lái)制備。所述穩(wěn)定劑通?？杀幻枋鰹榭赏ㄟ^(guò)消除小分子（例如：水、鹵 化氫）來(lái)化學(xué)地或物理地吸附在金屬氧化物表面上以形成穩(wěn)定的自組裝單分子膜（SAM)。 此外，穩(wěn)定劑SAM可引起靠近金屬氧化物薄膜半導(dǎo)體的表面存在的物理吸附的低分子量的 分子（如：H20、02、03、C02、CO、NO、N02)的解吸，這些物理吸附的低分子量的分子將以其他 方式消極地影響金屬氧化物薄膜晶體管的性能（如：導(dǎo)致不穩(wěn)定性）。所述穩(wěn)定劑典型地 以非常小的量存在于涂層材料中，例如：涂層材料中的可交聯(lián)組分按重量計(jì)在約0.01%至 約30%之間的范圍內(nèi)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述穩(wěn)定劑可按可交聯(lián)組分按重量計(jì)小于 約20%存在，以可交聯(lián)組分按重量計(jì)小于約10%存在，或者以可交聯(lián)組分按重量計(jì)小于約 5 %存在。在一些實(shí)施方式中，在本涂層材料中的可交聯(lián)組分可以選自本領(lǐng)域技術(shù)人員已知 的可用作介電材料、光阻材料、包裝材料、屏障材料或鈍化材料的各種可交聯(lián)聚合物。在一 些實(shí)施方式中，所述可交聯(lián)組分可以是小分子交聯(lián)劑。在一些實(shí)施方式中，所述可交聯(lián)組 分可以包括可交聯(lián)聚合物和小分子交聯(lián)劑這兩者。而且，所述可交聯(lián)聚合物可以被提供為 可聚合的化合物，其在熱處理和/或照射處理或者與引發(fā)劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)可被聚合成可 交聯(lián)聚合物。因此，所述可交聯(lián)組分通常包括一個(gè)或多個(gè)具有至少一個(gè)可交聯(lián)基團(tuán)的化合 物，所述至少一個(gè)可交聯(lián)基團(tuán)諸如但不限于，乙烯基部分、二烯基部分、乙炔基部分、肉桂酸 鹽部分、香豆素基部分、丙烯酸鹽部分或環(huán)氧基部分。本發(fā)明還涉及包括如本文所描述的涂 層材料的金屬氧化物薄膜晶體管以及制作這樣的金屬氧化物薄膜晶體管的方法。該涂層材 料可被用作金屬氧化物薄膜晶體管中的鈍化材料，介電材料和/或界面（如：表面改性劑） 材料，諸如在圖1闡釋的實(shí)施方式中。穩(wěn)定劑的存在可提供益處，諸如改善的器件穩(wěn)定性、 表面脫水，和/或?qū)︵徑难趸锘蚪饘賹拥母玫恼掣健?br>[0007] 上述方面以及本發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢(shì)將從下文附圖、描述和權(quán)利要求中得到更 全面的理解。
[0008] 附圖簡(jiǎn)沭
[0009] 應(yīng)理解，下文描述的附圖僅僅是為了說(shuō)明的目的。附圖不必按比例，通常重點(diǎn)在于 說(shuō)明本發(fā)明的原理。附圖不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0010] 圖1顯示包括鈍化層、介電層和表面改性劑層的底柵頂接觸式（bottom-gate top-contact)金屬氧化物薄膜晶體管（TFT)，它們中的一個(gè)或多個(gè)可包括根據(jù)本發(fā)明的涂 層材料。
[0011] 圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定劑的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。
[0012] 圖3說(shuō)明由于氧氣在金屬氧化物半導(dǎo)體表面上的吸附可引起閾值電壓的正位移 的可能的偏置應(yīng)力機(jī)制。
[0013] 圖4說(shuō)明由于水在金屬氧化物半導(dǎo)體表面上的吸附可引起閾值電壓的負(fù)位移的 可能的偏置應(yīng)力機(jī)制。
[0014] 圖5說(shuō)明在光照明下可導(dǎo)致增強(qiáng)的負(fù)偏置應(yīng)力的可能機(jī)制。
[0015] 圖6說(shuō)明本發(fā)明的穩(wěn)定劑的某些實(shí)施方式可以如何通過(guò)捕獲得靠近背后通道表 面的光激發(fā)的空穴來(lái)減少圖5中顯示的負(fù)偏置應(yīng)力的類型。
[0016]圖7說(shuō)明如何制作根據(jù)本發(fā)明的具有涂層材料的金屬氧化物晶體管的實(shí)施方式。
[0017]圖8說(shuō)明如何制作根據(jù)本發(fā)明的具有涂層材料的金屬氧化物晶體管的可選實(shí)施 方式。
[0018] 圖9顯示具有圖1中顯示的結(jié)構(gòu)和僅由光交聯(lián)聚合物組成的鈍化層（即：沒(méi)有本 發(fā)明的穩(wěn)定劑）的對(duì)比的IGZOTFT器件的傳輸特性。圖9A顯示負(fù)柵偏置溫度應(yīng)力測(cè)試的 結(jié)果。圖9B顯示正柵偏置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。T= 80°C，Va: -30V，并且VDS= 0V。
[0019] 圖10顯示根據(jù)本發(fā)明的具有圖1所示的結(jié)構(gòu)和由光交聯(lián)聚合物和光交聯(lián)穩(wěn)定劑 (光交聯(lián)聚合物按重量計(jì)6% )組成的鈍化層的IGZOTFT的傳輸特性。圖10A顯示負(fù)柵偏 置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。圖10B顯示正柵偏置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。T = 80°C，Ves= -30V，并且VDS= 〇V。
[0020] 圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的具有圖1所示的結(jié)構(gòu)和由光交聯(lián)聚合物和光交聯(lián)穩(wěn)定劑 (光交聯(lián)聚合物按重量計(jì)10%)組成的鈍化層的IGZO TFT的傳輸特性。圖11A顯示負(fù)柵偏 置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。圖11B顯示正柵偏置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。T = 80°C，Ves= -30V， 并且VDS= 0V。
[0021] 圖12顯示具有圖1所示的結(jié)構(gòu)和僅由光交聯(lián)聚合物組成的鈍化層、并具有由光交 聯(lián)膦酸組成的頂部自組裝單分子膜的可比較的IGZO TFT的傳輸特性。圖12A顯示負(fù)柵偏置 溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。圖12B顯示正柵偏置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。T = 80°C，VGS= -30V， 并且VDS= 〇V。
[0022] 圖13顯示具有圖1所示的結(jié)構(gòu)和僅由光交聯(lián)聚合物組成的鈍化層、并具有由脂族 膦酸組成的頂部自組裝單分子膜的對(duì)比的IGZO TFT的傳輸特性。圖13A顯示負(fù)柵偏置溫 度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。圖13B顯示正柵偏置溫度應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。T = 80°C，VGS= -30V，并 且VDS=ov。
[0023] 圖14比較具有根據(jù)本發(fā)明的鈍化層的兩個(gè)IGZO晶體管器件（器件3和器件4) 相對(duì)于控制器件（器件D)的傳輸特性。
[0024] 圖15顯示根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附著力測(cè)試ASTM D3359的分類表。
[0025] 發(fā)明詳沭
[0026] 本發(fā)明提供了為各種益處，可被摻入金屬氧化物薄膜晶體管中的涂層材料（如： 鈍化材料）。所述涂層材料通常包括共混物，所述共混物包括可交聯(lián)組分和穩(wěn)定劑。在一 些實(shí)施方式中，所述涂層材料可以由包括可交聯(lián)組分和穩(wěn)定劑這兩者的涂覆配方（如：鈍 化組合物）制備。在一些實(shí)施方式中，所述涂層材料可