Оптимизация a-IGZO TFT для больших дисплеев с чистым нано-слоем этраж-стоппера

Аннотация

Аморфный индий-галлий-цинк-оксид (a-IGZO) стал ключевым материалом для LCD задних панелей следующего поколения, однако его интеграция в массово произведенные дисплеи ограничена химической чувствительностью при травлении. Мы представляем процесс Чистый Этраж-Стоппер (CL-ES), который вводит ~100 нм SiOₓ этраж-стоппер слой и одновременно травляет 30 нм a-IGZO пленку и источник-сток (S/D) электроды. Фабрикованные на 8.5-поколения 2200 мм × 2500 мм стекле, CL-ES структура обеспечивает насыщенную подвижность 8,05 см²/В·с и однородность порогового напряжения (V_th) 0,72 В, превосходя обычный обратно-канально-этраженный (BCE) дизайн. Под ±30 В стрессом 3600 с, V_th смещения –0,51 В (NBTIS) и +1,94 В (PBTS) заметно меньше BCE аналогов (–3,88 В, +5,58 В). Эти результаты демонстрируют, что a-IGZO TFT, фабрикованные с CL-ES, высоковоспроизводимы, надежны и экономически жизнеспособны для крупноплощадного LCD производства.

Введение

Спрос на более высокое разрешение, более крупные панели плоских дисплеев движет поиск полупроводниковых задних панелей с превосходной электронной подвижностью. Металл-оксидные полупроводники, особенно a-IGZO, предлагают подвижности 5–10 см²/В·с и утечки токов ниже 10 пА, делая их привлекательными альтернативами к кремниевым TFT. Однако слабая химическая стойкость a-IGZO к стандартным травленцам, используемым в пяти-масочных BCE процессах, препятствует его принятию. Al-базированные травленцы растворяют a-IGZO за секунды, и даже более мягкие H₂O₂-базированные травленцы для Cu проводов все еще повреждают канал, ведуя к стехиометрическому дисбалансу, снижению однородности и компрометации надежности приборов. Существующие шести-масочные этраж-стоппер (ES) решения смягчают загрязнение, но увеличивают счетчик масок, паразитную емкость и уменьшают открытые площади. Недавние пяти-масочные полутоновые и lift-off техники остаются недоступными для a-IGZO из-за воздействия активного слоя на стриппинг и фоторезист химикаты, дальнейшее снижение выхода. Поэтому стоимость-эффективный, масок-эффективный процесс, сохраняющий a-IGZO интерфейс, необходим для промышленной масштабируемости.

CL-ES подход удовлетворяет эти требования, интегрируя ESL в стандартный пяти-масочный BCE рабочий процесс. ESL осаждается после a-IGZO слоя и перед S/D структурированием, образуя защитную нано-маску, которая экранирует канал от травленцев, фоторезистов и растворителей. Эта стратегия не только защищает a-IGZO интерфейс, но и позволяет одновременное травление a-IGZO пленки и S/D металлизации, уменьшая ошибки наложения и паразитную емкость. Результат — задняя панель, сохраняющая пропускную способность BCE, в то время как доставляющая чистоту и производительность преимущества этраж-стоппер дизайна.

Методы/Экспериментальная

Фабрикация a-IGZO-базированной TFT задней панели

CL-ES процесс проиллюстрирован на Рис. 1. Двухслойный Mo/Cu (30 нм/250 нм) воротниковый электрод сначала осаждают для обеспечения низкого сопротивления. Стек изолятора воротника — Si₃N₄ (300 нм) за которым следует SiO₂ (100 нм) — выращивают плазменно-усиленным CVD (PECVD) для блокировки Cu окисления и предотвращения ионной диффузии. 30 нм a-IGZO пленка (In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO = 1:1:1) распыляется при комнатной температуре и отжигается при 330 °C в сухом воздухе 1 ч для достижения целевого диапазона подвижности. SiO₂ этраж-стоппер слой (~100 нм) затем осаждают PECVD под идентичными мощностью и давлением условиями, обеспечивая интимный интерфейс с a-IGZO пленкой. Сухое травление (CF₄/O₂, 2000/800 sccm) структурирует ESL, раскрывая только желаемый канальный регион. Поскольку a-IGZO бомбардируется CF₄ плазмой при структурировании ESL, он становится проводящим, образуя внутренний омический контакт с последующим Mo/Cu/Mo S/D стеком (30 нм/300 нм/30 нм) распыленным под теми же условиями. Селективный H₂O₂-фторид травленец удаляет излишки металла без повреждения ESL или a-IGZO. Пассивационный стек состоит из 250 нм SiO₂ слоя за которым следует 200 нм Si₃N₄ слоя, оба осажденные PECVD. Наконец, 40 нм индий-оловянный оксид (ITO) пиксельный электрод распыляется, и прибор отжигается при 230 °C 1 ч в сухом воздухе. Весь процесс использует пять масок, идентично обычному BCE рабочему процессу, обеспечивая совместимость с существующими AM-LCD фабриками. Для сравнения, BCE-структурированный a-IGZO TFT задняя панель фабриковалась следуя стандартному пяти-масочному BCE рецепту, с 70 нм a-IGZO каналом для компенсации потерь травления.

Характеристика

Электрические измерения выполняли при комнатной температуре с Keysight 4082A параметрическим тестером. Негативное смещение температуры освещения стресс (NBTIS) применяли при V_GS = –30 В, V_DS = 15 В, 60 °C и 5000 кд/м² освещения 3600 с. Положительное смещение температуры стресс (PBTS) использовали V_GS = 30 В, V_DS = 15 В, 60 °C ту же продолжительность. Все измерения брали по 42 случайным точкам на 8.5-поколения подложке для оценки однородности.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 подсвечивает CL-ES фабрикационный поток, где ESL нано-маска защищает a-IGZO канал от воздействия травленца в то время как позволяя одновременное S/D травление, тем самым уменьшая шаги наложения и паразитную емкость. SEM изображения (Рис. 3) подтверждают наличие ESL между a-IGZO пленкой и S/D электродами в CL-ES приборах, тогда как BCE приборы показывают a-IGZO канал непосредственно под пассивационным слоем.

Электрические производительности сравнения (Рис. 4) показывают, что CL-ES TFT достигают V_th –0,8 В, SS 0,18 В/дек и подвижность 8,05 см²/В·с, превосходя BCE TFT (V_th = +0,5 В, SS = 0,77 В/дек, подвижность = 6,03 см²/В·с). CL-ES канальная длина (~10 мкм) эффективно определяется ESL паттерном а не интервалом электродов, объясняя слегка меньший включенный ток по сравнению с 5 мкм BCE каналом.

Метрики однородности по 42 точкам измерения (Рис. 5) раскрывают V_th разброс 0,72 В для CL-ES против 2,14 В для BCE, подчеркивая роль ESL в смягчении химического загрязнения и плотности носитель-ловушек на a-IGZO/изолятор интерфейсе.

Надежности тесты дополнительно демонстрируют CL-ES преимущество. Под NBTIS V_th смещения –0,51 В (CL-ES) и –3,88 В (BCE) наблюдаются, с пренебрежимой SS вариацией (<0,1 В/дек) для CL-ES. PBTS результаты показывают V_th смещения +1,94 В (CL-ES) и +5,58 В (BCE), и остаточные отношения включенного тока 88,2% против 41,3% соответственно. Эти находки подтверждают, что ESL сохраняет целостность интерфейса и уменьшает формирование ловушек под стресс условиями.

В целом, CL-ES процесс доставляет превосходную однородность, подвижность и стресс толерантность в то время как поддерживая счетчик масок и площадь прибора BCE. Эта комбинация производительности и производимости позиционирует CL-ES как практичное решение для следующего поколения крупноплощадных LCD задних панелей.

Заключение

Чистый Этраж-Стоппер (CL-ES) процесс успешно интегрирует 100 нм SiO₂ ESL в пяти-масочный a-IGZO TFT рабочий процесс, сохраняя пропускную способность BCE в то время как устраняя химическое воздействие канала. Полученные задние панели демонстрируют V_th распределение 0,72 В, подвижность 8,05 см²/В·с и SS 0,18 В/дек по 2200 мм × 2500 мм подложке. Надежность тестирование показывает V_th смещения –0,51 В (NBTIS) и +1,94 В (PBTS) после 3600 с, с минимальным SS дрейфом, подтверждая усиленную стабильность. Преодолевая бутылочное горлышко химической стойкости, CL-ES техника проложает путь для экономически жизнеспособного, высокого разрешения, крупнопанельного LCD производства.

Аббревиатуры

a-IGZO:

Аморфный индий-галлий-цинк-оксид

AM-LCD:

Активная-матрица жидкокристаллический дисплей

BCE:

Обратно-канальное этражение

ESL:

Этраж-стоппер слой

GOA:

Воротик драйв на массиве

NBTIS:

Негативное смещение температуры освещения стресс

PBTS:

Положительное смещение температуры стресс

SiNx:

Нитрид кремния

SiOx:

Оксид кремния

SS:

Субпороговый наклон

TFT:

Тонкопленочный транзистор

TN LCD:

Завитой нематик жидкокристаллический дисплей