韩某研究院通过ALD技术实现高迁移率 IGZO

CINNO Research产业资讯，Display Daily大约六个月前的一篇文章，详细总结了目前高性能 IGZO的六个主要技术驱动类别以及显示器中更高性能（氧化物）半导体材料的基本原理。

据介绍，进一步提升IGZO的性能通常包括如下几种方法，这些方法对应不同的机制：1、工艺优化；2、TFT结构；3、结晶方法；4、栅极改变和电介质钝化；5、控制栅极绝缘体和IGZO 之间界面的粗糙度，还有就是本文特别关注的方法；6、双层或多层IGZO或组成部分。

最近，韩国一家研究所（汉阳大学与细野小组合作）基于原子层沉积 (ALD，Atomic Layer Deposition)技术展开了一项非常有进益的研究，该技术和设备由位于Holst中心的荷兰研究组织TNO和设备供应商SALDtech提供。这项工作获得了很重要的成果——为该技术开拓了一项新的分支和应用方案。

ALD技术是一种利用表面控制气相前体沉积超薄、均匀、无针孔致密层的方法，一直被当作等离子体增强化学气相沉积（PECVD，常用于沉积TFT中的大多数膜层）方法的替代。不过，虽然该技术广泛用于半导体领域，但在显示器制作方面一直被认为不具有所需的速度。实际上，能够应用到显示器领域的一个关键前提就是：大世代线能够实现大约一分钟的节拍（工艺时间）。这在以往几乎不可能，不过现在随着上面提到的新技术——空间原子层沉积（Spatial Atomic Layer Deposition）的引入，这一问题迎刃而解。

从历史看，ALD技术于2013 年左右曾短暂亮相于OLED显示器的制作工艺中。当时，Synos公司首次将该技术用于OLED的薄膜封装（TFE，Thin Film Encapsulation）工艺，并获得显示器行业的短暂关注。不过，这次引入在商业市场还是没有成功，不过最近提出的空间ALD技术也可用于TFE（薄膜封装）工艺。

位于Holst中心的研究组织TNO与设备供应商SALDtech合作提出一种基于ALD技术的新方法。如图1，通过小样的制作和测试，这种方法制作出的W和L（与晶体管尺寸相关的术语）同为15微米的晶体管具有70 cm²/Vs的电子迁移率。他们的这种专有方法使用到了空间ALD技术，具体来说，他们用这种技术在纳米叠层中沉积了多层氧化铟、氧化镓和氧化锌结构，这些内容会在下面作进一步介绍。

图1. TNO和SALDtech 合作开发高迁移率纳米层压材料的最新成果。其中a图显示IGZO纳米层压结构的TEM图像，底部外加的红色线用于示意该薄膜内的纳米层压结构；b图显示了该IGZO 纳米层压晶体管（w=15 µm，L=15 µm）的转移曲线，左轴对应蓝色曲线的电子迁移率，右轴为红色曲线的电子迁移率

如果你注意到这项研究所实现的电子迁移率水平达到目前量产水平的5倍，那么你会肯定会对这项研究的成果印象深刻。因为更高电子迁移率的氧化物在某些应用中可以用来替代LTPS，支持更高帧速率、更高像素密度和更窄边框的显示器设计。

汉阳大学研究人员进一步表示，高电子迁移率还可以在一些较为小众的显示应用领域支持实现更高的显示器性能，例如自发光微型显示器、生物识别和光传感等。

上面提到的纳米层压结构，实际上是使用空间ALD设备在多个非常薄的三元组中沉积三种不同氧化物材料后实现的。到目前为止，Holst中心的TNO和SALDtech已经使用该技术沉积出了15个这样的三元组，而且每个三元组的厚度仅为1-2nm。

该研究需要使用ALD技术，这是因为它比传统PVD技术具有更好的厚度均匀性，尤其是在一些大尺寸基板应用中，据介绍，ALD通常所能实现的厚度均匀性小于+/- 1%。

正常在沉积前体之前，需要先使用等离子体产生一层自由基，这也是等离子体基ALD（Plasma-based ALD）得名的由来。具体到该研究中，SALDtech的空间ALD设备使用一种“印刷头”喷射器，该喷射器的喷嘴可以将气态前体流导至基板。这时，基板在喷射器下方移动，并且每一次在通过前体和等离子体槽下方时都会形成一层前体结构（参见如下图 2）。

该设备使用很多喷嘴以扩展喷射器的喷射范围，再结合对基板的来回移动，最终实现所需的层厚度。实际上，使用这种空间ALD可以实现1nm/s的沉积速度，而且该数值仅受前体反应速度的限制。相比较来说，传统的或基于时间的ALD则仅使用一个腔室，反应气体在其中依次进入。由于这唯一的腔室还需要在不同反应气体之间进行吹扫动作，而吹扫时间也会限制沉积速度，所以传统ALD的沉积速度只有1nm/min。可以看出来，空间ALD比传统ALD的沉积速度快100倍。

图 2：基于窄气态前体供应系统的空间ALD概念图

此外，通过在沉积过程中切换前体材料，该设备可以在不更换基材的情况下沉积出不同材料的纳米层压结构，不过需要在切换之前花几秒钟时间冲洗前体管线。另外，喷射器的长度也可以扩展到2米以上，这样可以沉积8.5代线甚至更大的基板。实际上，SALDtech在其面向6代线的产品设计过程中还加了一个集群工具，这样就可以扩展到8.5代线。从速度的角度来看，它也符合批量生产的吞吐量要求。

SALDtech有两种研发工具可供客户基于Spatial ALD 进行试验、层优化和工艺开发。其中一种用于30厘米晶圆级，如图3 所示，以及标准2代线（370x470mm）基板。在这些工具上开发的工艺可以一对一地传递到生产级别的工具上。

图3：左侧是SALDtech 的专有喷射器，主要用于右侧所示30厘米晶圆级研发工具

这些工具支持高达0.5纳米/秒的沉积速率、+/-2%的厚度波动以及多达3个不同前体源和50° ~200° C的沉积温度。

当今显示行业的主要增长点要么是支持LCD的高动态范围背光，要么是小尺寸和大尺寸自发光显示器——从RGB顶发光型小尺寸OLED面板到WOLED+CF底发光型大尺寸OLED，还有一种就是三星公司即将推向市场的QD OLED显示器。

最后，Micro-LED技术的研发仍然获得高度的关注，这可能是一种具有高视觉冲击力同时也是高成本的显示技术。不管怎么样，所有这些市场都能够分享到空间ALD制成高电子迁移率氧化物技术的红利。小尺寸面板和Micro-LED领域可以使用高电子迁移率IGZO替代LTPS，而已经使用IGZO技术的大尺寸面板，也可以因为 IGZO性能的提升而获得额外的好处。

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