Повышенная надежность a-IGZO TFT с уменьшенным размером элемента и чистой структурой слоя Etch-Stopper

Фон

В последнее время в дисплеях подчеркиваются не только большие площади и высокое разрешение, но и эстетичный внешний вид [1,2,3]. Узкие лицевые панели были приняты как одна из важнейших особенностей этого дизайна [4]. Чтобы реализовать это, важно интегрировать основные цепи, управляющие дисплеем, в панель. ИС привода затвора на массиве (GOA) - это относительно простой и широко используемый метод, при котором сигнал затвора поступает на панель одна строка за другой, а сигнал V _на перемещается последовательно каждый раз. GOA имеет множество преимуществ, таких как снижение стоимости (устранение затрат на G-IC, устранение процесса связывания G-IC, повышенное использование стеклянной подложки и т. Д.) И эстетический эффект (узкие лицевые панели или устройства без полей) [5]. Однако, в отличие от TFT с отдельными пикселями, для TFT GOA требуются более строгие условия надежности для достижения более высокого выходного тока и более продолжительной работы. В связи с возрастающим в последнее время рыночным спросом на продукцию с высоким разрешением, повышение надежности работы GOA стало неотложной и необходимой [6].

Аморфный оксид индия-галлия-цинка (a-IGZO) широко используется в производстве дисплеев из-за его высокой подвижности электронов при насыщении (5 ~ 10 см ² / В с) и малый ток отключения (<1 пА) [7, 8]. Технология травления по обратному каналу (BCE) широко используется для производства тонкопленочных транзисторов в промышленности [9, 10]. TFT a-IGZO со структурой BCE обладают удовлетворительными характеристиками для отдельных пикселей TFT и уменьшением размера TFT GOA. Однако некоторые ключевые характеристики TFT, в частности стабильность выходного тока, не могут соответствовать условиям высокой токовой нагрузки (HCS), необходимой для TFT GOA [11,12,13], в основном из-за двух особенностей процесса BCE [14]. Во-первых, поверхность пленки a-IGZO (задний канал a-IGZO TFT) подвергается воздействию S / D травителей, которые традиционно состоят из HNO ₃ , H ₃ ЗП ₄ , и CH ₃ COOH, которые имеют высокую скорость травления, не контролируемую для пленок a-IGZO [15]. Мягкий H ₂ О ₂ травитель на основе со стабильным травлением и минимальным повреждением пленок a-IGZO может использоваться для травления S / D электрода (металлическая Cu), но повреждение поверхности пленки a-IGZO все еще неизбежно [16]. Во-вторых, прямой контакт металла S / D (Mo / Cu / Mo) с пленкой a-IGZO может загрязнить задний канал TFT [17]. К счастью, процесс чистого травления (CL-ES), который является менее сложным и дорогостоящим и сводит к минимуму загрязнение, можно использовать для изготовления TFT на основе a-IGZO с улучшенной однородностью и стабильностью для дисплеев с большой площадью [18]. Хотя TFT со структурой CL-ES показывает улучшенные характеристики, вопросы о том, как травитель будет реагировать с пленкой a-IGZO и как Cu ⁺ диффузия в пленки a-IGZO влияет на микроструктуру, и характеристики устройств остаются неясными.

В этом исследовании тонкопленочные транзисторы a-IGZO GOA с уменьшенным размером элемента и чистой структурой заднего канала были изготовлены с помощью процесса CL-ES путем периодического травления многослойного a-IGZO / Mo / Cu / Mo. Кроме того, влияние травителя и Cu ⁺ диффузия на микроструктуру и характеристики TFT-устройств a-IGZO GOA со структурой CL-ES изучаются и сравниваются с таковыми TFT-устройств a-IGZO GOA со структурой BCE. Что еще более важно, стопорный слой от травления устройства CL-ES служит в качестве слоя защиты от травления S / D, а также Cu ⁺ диффузионный барьерный слой, который помогает уменьшить количество дефектов и повысить надежность, надежность при сильноточных напряжениях, значениях SS, сильноточных напряжениях и изменениях порогового напряжения и т. д. Таким образом, эта работа предоставляет прямые доказательства и проницательную демонстрацию того, что улучшенные Производительность TFT со структурой CL-ES сильно коррелирует со структурой CL-ES и его чистыми компонентами и подтверждает, что процесс CL-ES может быть эффективным путем для массового производства дисплеев с удовлетворительными характеристиками.

Экспериментальные методы

Изготовление TFT a-IGZO GOA

Устройства a-IGZO TFT со структурой CL-ES были изготовлены с помощью модифицированного пятиэтапного процесса CL-ES (рис. 1), как сообщалось в нашей предыдущей работе [15]. Сначала электрод затвора был сформирован из металла Mo / Cu, а на изолятор затвора был нанесен двойной слой SiNx / SiOx (3000 Å / 1000 Å) с использованием PECVD при 340 ° C. Во-вторых, пленка a-IGZO размером 300 Å была нанесена с использованием реактивного распыления на постоянном токе магнетроном при комнатной температуре с парциальным давлением кислорода 15%. Слой ограничителя травления (SiOx, ESL) размером 1000 Å был нанесен с использованием PECVD при 240 ° C и реактивно травлен с помощью CF ₄ плазма для формирования рисунка с использованием активной фотолитографической маски процесса BCE в качестве маски травления. На этом этапе пленка a-IGZO под узорами слоя ES была защищена от воздействия CF ₄ плазма, в то время как остальная часть пленки a-IGZO, не защищенная рисунками ES-слоев, также не подвергалась травлению, а была преобразована в проводящую пленку. В-третьих, электроды исток-сток (S / D) (тройные слои Mo / Cu / Mo) были напылены и травлены с использованием H ₂ О ₂ травитель, содержащий 0,2 мас.% фторидной добавки, при этом маска для фотолитографии S / D и рисунок слоя ES служат в качестве маски травления. В-четвертых, был нанесен пассивирующий слой 3000 A. Последующие процессы были аналогичны процессам изготовления типичной задней панели TFT LCD.

Процесс изготовления a-IGZO GOA TFT

Для сравнения:TFT-устройства a-IGZO со структурой BCE были изготовлены с использованием обычного процесса BCE и той же маски BCE.

Характеристика

Морфология, микроструктура и состав образцов были охарактеризованы с помощью SEM (Camscan Mx2600FE), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS, PHI Quantera II) и времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов (IONTOF, TOF-SIMS 5). . Электрические измерения проводились с использованием анализатора характеристик полупроводников (Keysight 4082A) в темноте и при 60 ° C. Для простоты надежность HCS оценивалась в течение более 1000 с с помощью V _GS при 25 В и В _ds при 25 В. Во время оценки состояние GOA TFT контролировалось путем измерения I _ds ток с интервалом в 1 с, а тренд I _ds ток был проанализирован. Я _d -V _г Передаточные характеристики также контролировались с интервалом в 100 с.

Результаты и обсуждение

Устройство GOA TFT, содержащее каналы TFT и компоненты затвора, стока и истока, изготовленные по процессу CL-ES, показано на рис. 2. Для точного измерения каждой характеристики TFT все TFT были отключены с помощью лазера, таким образом становится независимым, так что затвор, исток и сток не могут совместно использовать узел с любым другим TFT. Как отмечено красной линией на рис. 2, этот TFT имеет многоканальную и раздельную конструкцию GOA с шириной и длиной канала 120 мкм и 10 мкм, соответственно, для удобства электрических измерений. Этот TFT также предназначен для обеспечения среднего уровня тока, протекающего по отдельным каналам TFT, путем размещения плавающего металлического элемента (расположенного в середине каналов), который объединяет каждый канал. Перед оценкой надежности HCS отдельная эксплуатационная надежность сначала подтверждается путем оценки электрических помех интересующего TFT от других периферийных TFT. В этом случае I _выкл Измеренный ток шума разделенных TFT GOA составляет 3 пА (вставьте кривую на рис. 2), что подтверждает отсутствие электрических помех от других устройств, составляющих GOA поблизости.

Фотографии TFT GOA, электрически отделенных от цепей GOA (вставка: I _выкл ток шума между интересующим TFT и другими периферийными TFT)

Измеряются и сравниваются несколько размеров элементов TFT со структурой CL-ES и TFT со структурой BCE. Для TFT со структурой CL-ES (рис. 3a) ширина и длина составляют 4 мкм и 6 мкм, соответственно, аналогичные таковым у TFT a-IGZO со структурой BCE на рис. 3b. Как правило, процесс BCE желателен для производства оксидных тонкопленочных транзисторов из-за его небольшого размера. Следовательно, полученные TFT со структурой CL-ES демонстрируют уменьшенный размер элемента и такую ​​же высокую степень интеграции, как и TFT со структурой BCE. Более того, размер поперечного сечения TFT со структурой CL-ES аналогичен размеру TFT со структурой BCE (рис. 3c, d), в то время как TFT со структурой CL-ES демонстрируют отчетливый слой ES, который не наблюдается. в BCE TFT. Процесс CL-ES в основном формирует образцы ES, в то время как процесс периодического травления многослойных a-IGZO / Mo / Cu / Mo может выполняться с такими же масками для активных рисунков и электродов истока-стока, как и в процессе BCE. Поэтому, за исключением шаблонов ES, количество фотолитографических масок, используемых в процессе CL-ES, такое же, как и в процессе BCE. Этот процесс CL-ES позволяет избежать увеличения количества масок по сравнению с обычным процессом ESL и имеет уменьшенный размер элемента, что делает его экономически выгодным для массового производства. Кроме того, без использования полутоновой экспозиции, процедуры упрощения процесса, обычно используемой в индустрии ЖК-дисплеев TFT, снижаются как усложнение процесса, так и стоимость производства.

СЭМ-изображения TFT a-IGZO: a TFT-экран со структурой CL-ES, вид сверху, b TFT со структурой BCE, вид сверху, c Вид в разрезе TFT со структурой CL-ES и d Вид в разрезе TFT со структурой BCE

Для дальнейшего наблюдения за поверхностными дефектами TFT со структурой BCE во время процесса изготовления BCE, состав поверхности пленок a-IGZO до отжига (образец 1), после отжига (образец 2) и после воздействия H ₂ О ₂ Травитель меди (образец 3) исследован методом РФЭС. В полностью сканированных спектрах пленок a-IGZO (рис. 4a – c) пики для элементов In, Ga, Zn, O и C существуют во время процесса изготовления BCE. Как показано на рис. 4d, хотя TFT со структурой BCE не показывает значительных изменений в составе пленок a-IGZO до отжига (образец 1) и после отжига при 330 ° C в течение 1 часа (образец 2), существенные изменения наблюдается после воздействия влажных химикатов (образец 3). В частности, цинк, который имеет относительно низкую энергию связи с кислородом, составляет 4,82% в образце 1 и 5,42% в образце 2, но его содержание снизилось до 3,16% в образце 3. Составы индия минимальны. различных процессов, и относительное процентное изменение Zn по отношению к In огромно, а именно 44,1%, 46,0% и 27,6% для образцов 1, 2 и 3 соответственно. То же самое и с галлием, который также имеет сильное сродство связывания с кислородом. Другими словами, во время процесса влажного травления на открытой задней поверхности оксидного полупроводника возникали нежелательные дефекты, включая значительную потерю Zn и Ga. Причины этого явления могут быть связаны с их разной энергией связи с кислородом и разными молекулярными структурами пленки a-IGZO [19].

XPS-анализ состава поверхности тонких пленок a-IGZO a перед отжигом б после отжига и c после воздействия H ₂ О ₂ Травление меди в процессе до н.э. г Соответствующие атомные проценты для вышеуказанного процесса

Хорошо известно, что химическая стойкость пленок a-IGZO к кислотным травителям очень мала [20]. В частности, резкая потеря Zn, которая, как полагают, определяет молекулярную структуру a-IGZO, вызывает ослабление поверхностной структуры пленок a-IGZO. Кроме того, восстановление Ga, которое подавляет генерацию носителей заряда за счет его сильной энергии связи с кислородом, может увеличить вероятность развития кислородных вакансий [Vo] [21]. Следовательно, TFT GOA со структурой BCE не могут избежать травления заднего канала TFT даже в относительно умеренном H ₂ О ₂ на основе Cu травителя.

Чтобы подтвердить защиту слоя ES, состав области канала a-IGZO TFT изучается с помощью TOF-SIMS для образцов, полученных с помощью процессов BCE и CL-ES (пробка чистого травления) (рис. 5). Поскольку Cu ⁺ в пленке a-IGZO могут образовываться дефекты акцепторного типа и захватывать электроны, канал a-IGZO TFT должен быть чистым для повышения электрической стабильности. Как уже отмечалось, Cu ⁺ пик, обнаруженный в образце BCE, в 20 раз больше, чем в образце CL-ES. Более того, область обнаружения Cu ⁺ перекрывается с областью обнаружения Zn ⁺ и Ga ⁺ в значительной степени (рис. 5а). Эти результаты показали, что пленки a-IGZO в TFT со структурой BCE загрязнены Cu ⁺ из-за прямого контакта пленки a-IGZO в области тыльного канала TFT с металлом Cu. Для тонкопленочных транзисторов со структурой CL-ES (рис. 5b) Cu ⁺ обнаруживается только в области ES, указывая на то, что исключается прямой контакт области канала a-IGZO TFT с металлической Cu. Удивительно, но значительное количество Zn ⁺ появляется в ESL. Рассеянный Zn ⁺ вызвано более высокими условиями плазмы предварительной обработки и условиями давления во время осаждения ESL. Следовательно, слой ES в тонкопленочных транзисторах со структурой CL-ES необходим для повышения электрической стабильности за счет предотвращения повреждения поверхности и загрязнения пленок a-IGZO.

TOF-SIMS анализ канальных областей a-IGZO TFT, изготовленных с помощью a до н.э. и б процессы CL-ES

Оценка сильноточного напряжения (HCS) для TFT GOA a-IGZO со структурой CL-ES и BCE показана на рис. 6a. Для элементов того же размера начальный I _ds Ток TFT со структурой CL-ES составляет 429 мкА, что выше, чем у TFT со структурой BCE (343 мкА). После оценки HCS в течение 1000 с I _ds Ток тонкопленочного транзистора со структурой CL-ES составляет 352 мкА, что составляет примерно 82,2% от его начального значения. Напротив, I _ds Остаточный ток TFT со структурой BCE снизился до 183 мкА и составляет лишь 53,5% от своего начального значения. Кроме того, согласно оценке экстраполяции (рис. 6b), I _ds Остаточный ток TFT со структурой CL-ES, как ожидается, составит 302,6 мкА, сохраняя 70,5% своего начального значения после 10 000 с. Для TFT со структурой BCE, I _ds Остаточный ток резко снижается до 111,7 мкА, сохраняя лишь 33,7% от исходного значения. Следовательно, при тех же выходных характеристиках степень интеграции для GOA TFT, изготовленного с помощью процесса CL-ES, может быть увеличена на целых 271% по сравнению с процессом BCE.

а Экспериментальные данные за 1000 с и б экстраполяция для долгосрочной оценки HCS TFT GOA со структурой CL-ES и BCE

Кроме того, I - V Также измеряются передаточные характеристики TFT GOA со структурой CL-ES и BCE во время оценки надежности HCS (рис. 7 и таблица 1). Для TFT со структурой CL-ES (рис. 7a) пороговое напряжение составляет 0,0 В при начальной оценке HCS (25 ° C) и 3,5 В после оценки HCS при 60 ° C в течение 1000 с. Более того, пороговое напряжение непрерывно сдвигается в положительном направлении с общим изменением ( ΔV _th ) 3,5 В. Значение подпорогового размаха (SS) немного увеличено с 0,09 до 0,16 В / дек. Для TFT со структурой BCE пороговое напряжение намного выше, а именно 4,0 В при 25 ° C, и увеличивается до 11,2 В после оценки HCS при 60 ° C в течение 1000 с. Возможной причиной таких высоких пороговых напряжений является диффузия Cu ⁺ в пленку a-IGZO во время процесса влажного травления в процессе BCE. Cu ⁺ может выступать в качестве дефектов акцепторного типа в пленках a-IGZO, а высокая плотность Cu ⁺ может улавливать большое количество электронов. Захваченные электроны генерируют экранированный кулоновский потенциал, который приводит к явлению переходного сдвига порогового напряжения. Как правило, объем изолятора затвора и вновь образованные дефектные участки внутри объема пленок a-IGZO могут увеличивать значение SS TFT [11]. Эти результаты ясно объясняют уменьшение I _ds остаточный ток в TFT со структурой BCE. Однако значение SS TFT со структурой BCE имеет тенденцию к снижению с 0,46 до 0,24 В / дек. Это уменьшение значения SS является результатом накопления электронов около границы раздела a-IGZO, после чего изолятор затвора может быстро заполнить высокие уровни участков ловушек акцепторного типа, которые существовали изначально. Более того, места захвата заполняются быстрее, чем они генерируются HCS, и, следовательно, количество захваченных электронов постепенно уменьшается с течением времени. Это согласуется с положительным сдвигом порогового напряжения.

Я - V передаточные характеристики, измеренные во время оценки HCS a CL-ES и b TFT GOA со структурой BCE. Поведение c пороговое напряжение и d подпороговое колебание с интервалами 1000 с и V _ds =15 В. Первоначальные измерения I _d -V _d выходные характеристики для e CL-ES- и f TFT GOA со структурой BCE с V _GS =0, 5, 10, 15 и 20 В

Что касается единообразия характеристик для CL-ES, потому что ESL обеспечивает активную защиту обратного канала от Cu ⁺ загрязнение и травление, его результат стабильный по сравнению с BCE. Кроме того, следует отметить, что характеристики выходной кривой не показывают различий для BCE и могут гарантировать производство и стабильность CL-ES (таблица 2, рис. 7e, f).

На рис. 7 c и d показаны результаты подпорогового колебания и поведения порогового напряжения вместе с ходом оценки HCS. Обычно подпороговое значение размаха TFT GOA постепенно увеличивается, как видно для TFT со структурой CL-ES (рис. 7d). Однако TFT со структурой BCE показывает ненормальное поведение, при этом подпороговое значение размаха сначала увеличивается, а затем уменьшается во время оценки HCS. Значение SS TFT со структурой BCE увеличивается с 0,46 до 0,55 В / дек при повышении температуры подложки с 25 до 60 ° C. В то же время пороговое напряжение отрицательно смещается от 4,0 до 2,9 В (рис. 7в). Это ненормальное явление возникает в результате повреждения поверхности пленки a-IGZO водородом ₂ . О ₂ травитель с добавлением фтора. Как упоминалось ранее, повреждение поверхности пленок a-IGZO подразумевает отсутствие атомов Zn, Ga и кислорода, что формирует многочисленные дефектные места, включая кислородные вакансии. Считается, что эти дефектные участки активны как состояния, подобные мелким донорам, которые близки к минимальной зоне проводимости, способны к тепловому возбуждению и действовать как источники электронов для зоны проводимости, что приводит к деградации a- Характеристики IGZO TFT. Основываясь на приведенных выше результатах, TFT со структурой CL-ES с состояниями, подобными малым акцепторам, и недостатком кислорода, которые действуют как состояния, подобные мелким донорам, представляют собой гораздо лучшую структуру, чем TFT со структурой BCE.

Заключение

В заключение мы демонстрируем, что GOA TFT со структурой CL-ES с уменьшенным размером элемента устройства и чистым стопорным слоем травления может значительно улучшить производительность и стабильность устройства. Предлагаемый процесс изготовления TFT со структурой CL-ES сводит к минимуму повреждение и загрязнение заднего канала TFT. Кроме того, при той же степени интеграции, что и у TFT GOA со структурой BCE, процесс TFT со структурой CL-ES может соответствовать целям эстетического дизайна и экономической эффективности производства. GOA TFT со структурой CL-ES демонстрирует превосходные электрические характеристики по сравнению с TFT GOA со структурой BCE, включая гораздо более высокий остаточный ионный ток (~ 187%), гораздо более низкое начальное значение SS (0,09 В / дек) и значительно меньшее изменение порогового напряжения (3,5 В). Это подразумевает возможность создания проектов GOA с гораздо более высокой степенью интеграции и надежности. Повышенная производительность и стабильность предполагают, что TFT со структурой CL-ES, с упрощенным процессом и чистым стопорным слоем травления, успешно преодолевает дефекты, подобные донорам, вызванные недостатком кислорода, и дефекты типа акцептора, вызванные Cu ⁺ диффузия в процессе до нашей эры. Следовательно, чистая композиция поверхности для области канала a-IGZO в TFT со структурой CL-ES важна для производства объединительных плат a-IGZO TFT с высоконадежными дисплеями с высоким разрешением и узкими рамками.

Сокращения

TFT:

Тонкопленочный транзистор

GOA:

ИС привода затвора на массиве

a-IGZO:

Аморфный оксид индия-галлия-цинка

ЖК-дисплей:

Жидкокристаллический дисплей

PEVCD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

ESL:

Стопорный слой протравливания

BCE:

Травление заднего канала

HCS:

Сильноточная нагрузка

SiOx:

Оксид кремния

SiNx:

Нитрид кремния

SS:

Подпороговое колебание