Повышение надежности a-IGZO ТПТ через чистый стоп-слой травления и уменьшение размеров признаков

Аннотация

Мы исследовали, как диффузные Cu⁺ влияют на микроструктуру и производительность аморфных индий-галлия-цинк-оксидных (a-IGZO) тонкопленочных транзисторов (ТПТ) в процессе с чистым стоп-слоем травления (CL-ES) и процессе обратной травки канала (BCE). Метод TOF-SIMS подтвердил, что CL-ES слой, состоящий из чистого SiOx стоп-слоя, защищает a-IGZO канал от травящего раствора источник-сток (S/D) и блокирует диффузию Cu⁺. Следовательно, CL-ES структурированные ТПТ демонстрируют превосходную выходную стабильность (конечный I_ds/начальный I_ds = 82,2%) против BCE-структурированных (53,5%). CL-ES устройства также достигают более низкого начального субпорогового наклона (SS) 0,09 В/дек против 0,46 В/дек и сниженной деградации SS (0,16 В/дек против 0,24 В/дек) после высокотокового стресса (HCS). Особо, сдвиг порогового напряжения составляет всего 3,5 В для CL-ES ТПТ против 7,2 В для BCE ТПТ, указывая на значительно высокую надежность. Результаты указывают, что CL-ES процесс — перспективный маршрут для масштабируемых, высокопроизводительных a-IGZO дисплеев.

Предыстория

Современные дисплеи требуют больших, высокорезультационных панелей с узкими рамками и элегантной эстетикой. Технология Gate-drive IC on array (GOA), где затворные сигналы последовательно подаются на панель, дает экономию затрат (исключая G-IC и стадии бондинга) и позволяет узкорамочные дизайны. Однако GOA ТПТ должны выдавать более высокие выходные токи и более длительные включенные времена, накладывая более строгие требования к надежности, чем индивидуальные пиксельные ТПТ. Аморфный индий-галлий-цинк-оксид (a-IGZO) — ведущий канальный материал благодаря высокой насыщенной электронной подвижности (5–10 см²/(В·с)) и ультра-низкому току утечки (<1 пА). Конвенциональный BCE процесс, экспонирующий a-IGZO обратный канал агрессивным травящим растворам (HNO₃, H₃PO₄, CH₃COOH), широко используется для пиксельных ТПТ, но страдает от травления-индуцированного повреждения и Cu-контаминации канала, ограничивая пригодность для высокотоковых GOA ТПТ. Стратегия чистого стоп-слоя (CL-ES), использующая надежный SiOx слой, может защитить канал от травящих растворов и Cu-диффузии, улучшая однородность и стабильность на больших площадях дисплеев. Настоящее исследование оценивает CL-ES процесс на a-IGZO GOA ТПТ с уменьшенными размерами признаков, сравнивая микроструктуру и электрическую производительность с BCE-контролем.

Экспериментальные методы

Фабрикация a-IGZO GOA ТПТ

CL-ES ТПТ изготавливались модифицированной пятиступенчатой CL-ES последовательностью (рис. 1). Сначала паттернировали Mo/Cu затворный электрод, затем осаждали стек SiNx/SiOx (3000 Å/1000 Å) PECVD при 340 °C. Далее, 300 Å a-IGZO пленку спуттерировали при комнатной температуре с 15% O₂. 1000 Å SiOx стоп-слой (ESL) осаждали при 240 °C и паттернировали CF₄ плазмой, защищая нижележащий a-IGZO в активных областях. Последующие S/D электроды (Mo/Cu/Mo) спуттерировали и травляли 0,2 в.% фторид-содержащим H₂O₂ раствором, используя ES паттерн как маску. Наконец, осаждали 3000 Å пассивирующий слой. BCE устройства производили конвенциональным BCE процессом с идентичными масками для прямого сравнения.

Процесс фабрикации a-IGZO GOA ТПТ.

Характеризация

РЭМ (Camscan Mx2600FE) и XPS (PHI Quantera II) изучали морфологию и состав, TOF-SIMS (IONTOF, TOF-SIMS 5) зондировал Cu диффузию. Электрические тесты на Keysight 4082A в темноте при 60 °C. Надежность при высокотоковом стрессе (HCS) оценивали 1000 с при V_gs = 25 В, V_ds = 25 В, регистрируя I_ds каждую секунду и передаточные характеристики каждые 100 с.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает GOA ТПТ, изготовленный через CL-ES, с шириной и длиной канала 120 мкм и 10 мкм. Все устройства лазерно изолированы для независимых измерений, давая шум I_off 3 пА и подтверждая пренебрежимый кросс-ток.

Фотографии GOA ТПТ, электрически разделенных от GOA цепей (вставка: шум I_off между ТПТ интереса и другими периферийными ТПТ).

РЭМ-анализ (рис. 3) показывает, что CL-ES устройства достигают размеров канала 4 мкм × 6 мкм — сравнимых с BCE — сохраняя ESL слой. CL-ES процесс устраняет необходимость дополнительных литографических шагов сверх BCE, уменьшая число масок и упрощая производство.

РЭМ-изображения a-IGZO ТПТ: a CL-ES вид сверху, b BCE вид сверху, c CL-ES поперечное сечение, d BCE поперечное сечение.

XPS спектры (рис. 4) демонстрируют: BCE процесс не значительно меняет состав a-IGZO после отжига, но вызывает существенную потерю Zn и Ga при воздействии H₂O₂ Cu-травителя. Zn падает с 5,42% до 3,16%, Ga следует схожему тренду, подчеркивая травление-индуцированные дефекты и увеличение кислородных вакансий.

XPS анализ поверхностного состава a-IGZO тонких пленок a до отжига, b после отжига, c после воздействия H₂O₂ Cu-травителя в BCE процессе. d Соответствующие атомные проценты для вышеуказанных процессов.

TOF-SIMS маппинг (рис. 5) подтверждает: Cu⁺ проникает в a-IGZO канал в BCE устройствах, с 20-кратно более высоким Cu пиком по сравнению с CL-ES, где Cu ограничен ESL. Zn диффузия в ESL также указывает, что высокоэнергетическая плазма при осаждении ESL может вводить дефекты. ESL в CL-ES устройствах служит и щитом от травящего раствора, и барьером Cu диффузии, сохраняя чистоту канала.

TOF-SIMS анализ канальных областей a-IGZO ТПТ, изготовленных через a BCE и b CL-ES процессы.

Тесты высокотокового стресса (рис. 6) показывают: CL-ES ТПТ сохраняют 82,2% начального I_ds после 1000 с, тогда как BCE ТПТ падают до 53,5%. Экстраполяция предсказывает: CL-ES сохраняют 70,5% после 10 000 с против 33,7% для BCE, указывая на 271% улучшение интеграционной надежности.

a экспериментальные данные 1000 с и b экстраполяция для долгосрочной HCS оценки CL-ES и BCE GOA ТПТ.

Эволюция передаточных характеристик (рис. 7, таблица 1) раскрывает: CL-ES ТПТ сдвигаются от 0,0 В до 3,5 В в V_th после 1000 с при 60 °C, с умеренным ростом SS с 0,09 до 0,16 В/дек. В контрасте, BCE ТПТ демонстрируют драматичный рост V_th с 4,0 до 11,2 В и снижение SS с 0,46 до 0,24 В/дек, отражая тяжелую Cu-индуцированную ловушку и поверхностное повреждение. CL-ES процесс таким образом дает превосходную электрическую стабильность и однородность.

I-V передаточные характеристики при HCS оценке a CL-ES и b BCE GOA ТПТ. Поведение c порогового напряжения и d субпорогового наклона с интервалами 1000 с при V_ds = 15 В. Начальные измерения I_d-V_d выходных характеристик для e CL-ES и f BCE GOA ТПТ при V_gs = 0, 5, 10, 15, 20 В.

CL-ES ТПТ показывают согласованные выходные кривые между устройствами, тогда как BCE устройства демонстрируют заметные вариации, подчеркивая важность ESL-защиты для однородности на больших площадях.

Заключение

Мы продемонстрировали, что чистый стоп-слой травления (CL-ES) в комбинации с уменьшением размеров признаков драматически улучшает производительность и надежность a-IGZO GOA ТПТ. CL-ES процесс устраняет травление-повреждение и Cu диффузию, ведуя к более высокому остаточному I_ds (≈187% от начального), более низкому начальному SS (0,09 В/дек) и меньшему сдвигу V_th (3,5 В). Эти преимущества позволяют более высокие плотности интеграции, стоимоэффективное производство и надежную работу для дисплеев следующего поколения с узкими рамками и высоким разрешением.

Аббревиатуры

TFT:

Тонкопленочный транзистор

GOA:

Gate-drive IC on array

a-IGZO:

Аморфный индий-галлий-цинк-оксид

LCD:

Жидкокристаллический дисплей

PECVD:

Плазмо-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

ESL:

Стоп-слой травления

BCE:

Обратная травка канала

HCS:

Высокотоковый стресс

SiOx:

Оксид кремния

SiNx:

Нитрид кремния

SS:

Субпороговый наклон