Realizzazione e caratterizzazione di TFTs in polisilicio su substrati in polyimide per elettronica su plastica

Abstract

In questo lavoro di tesi, svoltosi principalmente presso l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie e l'Istituto per la Microelettronica e Microsistemi del CNR, si sono studiate le possibilità di integrazione di componenti elettronici quali transistor a film sottile (TFTs) in polisilicio e altri dispositivi più complessi come circuiti oscillanti, porte logiche e sensori di gas su substrati flessibili polimerici. In una prima fase del lavoro si sono investigate le proprietà fisiche e chimiche di numerosi polimeri quali Polyethylene terephthalate (PET), Polyethylene naphthalate (PEN), Polycarbonate (PC), Polyethersulfone (PES), Polycyclic Olefin (PCO), Polyarylite (PAR) e Polyimide (PI). Si sono studiate poi le caratteristiche di diversi tipi di PI depositati da fase solida o da fase liquida, essendo questo un polimero particolarmente interessante per la sua alta temperatura di vetrificazione (Tg>350°C) e per il suo basso coefficiente termico di espansione (CTE~3-20 ppm/°C). E' stato individuato, infine, un tipo di PI depositato da fase liquida, con caratteristiche fisiche e chimiche soddisfacenti per il processo di integrazione con i dispositivi in polisilicio. Nella seconda fase del lavoro si è messo a punto un processo fabbricativo a bassa temperatura (<350°C) compatibile con il substrato polimerico di PI. Per raggiungere tale obiettivo sono state utilizzate svariate tecniche di deposizione di film sottili e ricristallizzazione con l'unico scopo di ottenere buone performance in termini di caratteristiche elettriche dei dispositivi in polisilicio minimizzando il budget termico a carico del substrato plastico. A tal fine si è usata la tecnica di ricristallizzazione del silicio amorfo da laser ad eccimeri, proteggendo tale polimero con una serie di strati dielettrici in nitruro di silicio e ossido di silicio dello spessore complessivo di circa 500 nm depositati a bassa temperatura (<300°C) da sistemi assistiti da plasma (ECR-PECVD, rf-PECVD). Tali materiali dielettrici depositati a bassa temperatura non solo si sono dimostrati particolarmente utili come strati inorganici barriera o di incapsulamento, ma hanno anche mostrato caratteristiche elettriche e morfologiche adeguate per il loro impiego come dielettrici di gate nei TFTs. Attraverso una serie di misure di rigidità dielettrica e di densità di stati eseguite su strutture capacitive è stato possibile, inoltre, verificare che film di ossido di silicio, di circa 100 nm di spessore, depositati a temperatura ambiente in sistemi ECR-PECVD e successivamente trattati termicamente in atmosfera controllata di azoto a temperature inferiori ai 350°C, mostrano iniezione di carica per campi elettrici di circa 7 MV/cm e tensioni di breakdown per campi >10 MV/cm. I transistor in polisilicio così realizzati, presentano correnti di perdita <10-12 A, rapporto Ion/Ioff pari a 106, mobilità superiori a 50 cm2/Vs, subthrehold slope di circa 1V/dec e tensioni di soglia di 6 V. I TFTs fabbricati su PI non hanno evidenziato, inoltre, apprezzabili variazioni nelle loro caratteristiche di uscita e di trasferimento una volta sottoposti a stress meccanico di tipo tensile o compressivo per raggi di curvatura fino a R=1.3 cm. Sono stati, infine, eseguiti sui TFTs test di stabilità elettrica ed è stato analizzato il fenomeno del self-heating: per tempi crescenti (fino a 104 s) sono state esaminate le caratteristiche di trasferimento e di uscita dei transistor fabbricati su PI osservando un progressivo danneggiamento delle curve a causa della formazione di stati all.interfaccia ossido/semiconduttore, principalmente nella regione di drain dove i campi elettrici sono sensibilmente più elevati: tale fenomeno risulta del tutto simile a quello osservato sui TFTs realizzati su substrati convenzionali. Il fenomeno del self-heating si è invece dimostrato particolarmente critico per questi dispositivi, in quanto il calore generato durante il funzionamento dei transistor si dissipa molto lentamente a causa della scarsa conduzione termica del substrato isolante. Nella terza ed ultima fase di questo lavoro di ricerca abbiamo progettato e caratterizzato dispositivi elettronici basati su polisilicio, più complessi come porte logiche, oscillatori, circuiti di lettura di diversa configurazione e sensori di gas. Questi circuiti in polisilicio realizzati su polyimide hanno costituito il punto di partenza per la fabbricazione di dispositivi su plastica più complessi quali touch-key e dispositivi a radio-frequenza (RF-ID): tali apparati elettronici sono stati progettati in collaborazione con STMicroelectronics e sono attualmente in fase di valutazione brevettuale. Sono stati, infine, progettati e realizzati su PI, sensori di gas di tipo resistivo (IDE) e capacitivo (IDC) con elettrodo patternato a pettine o a griglia e tali strutture sono state integrate con circuiti di lettura basati su transistor in polisilicio realizzati su un film di PI di 8 .m di spessore. Per la rilevazione dell.ammoniaca è stata impiegata la struttura IDE, scegliendo come materiale attivo un film di polyanilina; tale struttura è stata integrata con un circuito di lettura dalla configurazione a micro-bridge e ha mostrato una risposta soddisfacente anche per concentrazioni di ammoniaca molto basse (0.5 ppm). Utilizzando, invece, un film isolante di BCB, spesso circa 1 .m, abbiamo realizzato un sensore di umidità del tipo IDC: tale dispositivo è stato integrato con un circuito di lettura formato da un ring oscillator a tre stadi con carico passivo, realizzato su PI, e ha mostrato una sensitività pari a 7 Hz/RH%, e caratteristiche di stabilità e velocità di risposta del tutto compatibili con i sensori oggi in commercio.