Confiabilidade aprimorada de TFTs a-IGZO com um tamanho de recurso reduzido e uma estrutura de camada Limpa Etch-Stopper

Resumo

Os efeitos de Cu ⁺ difuso em transistores de película fina (TFTs) amorfos de óxido de índio-gálio-zinco (a-IGZO) na microestrutura e desempenho durante um processo de rolha de gravação limpa (CL-ES) e um processo de gravação de canal traseiro (BCE) são investigados e comparados . A camada CL-ES formada com um componente limpo, conforme verificado pelo TOF-SIMS, pode proteger a camada a-IGZO do condicionador S / D e prevenir Cu ⁺ difusão, o que ajuda a reduzir o número de defeitos semelhantes aos do receptor e aumenta a confiabilidade dos TFTs. Os TFTs fabricados com estrutura CL-ES têm uma estabilidade de saída superior (final I _ds / inicial eu _ds =82,2%) em comparação com os TFTs estruturados BCE (53,5%) porque eles têm um melhor valor SS inicial (0,09 V / dec vs 0,46 V / dec) e um melhor valor SS final (0,16 V / dec vs 0,24 V / dec) após a avaliação do estresse de alta corrente (HCS). Em particular, a variação nas tensões limite tem uma grande diferença (3,5 V para os TFTs CL-ES e 7,2 V para os TFTs BCE), o que significa que os TFTs estruturados em CL-ES têm uma confiabilidade maior do que os estruturados em BCE TFTs. Portanto, espera-se que o processo CL-ES promova a aplicação generalizada da tecnologia a-IGZO na indústria de semicondutores.

Histórico

Recentemente, os produtos de exibição têm enfatizado não apenas grandes áreas e altas resoluções, mas também designs exteriores esteticamente agradáveis [1,2,3]. Engastes estreitos foram adotados como uma das características vitais para essa ênfase de design [4]. Para isso, é essencial integrar os circuitos principais que conduzem o display ao painel. Gate drive IC on array (GOA) é um método relativamente simples e comumente usado, onde o sinal do gate entra no painel uma linha após a outra e o V _em move-se sequencialmente a cada vez. GOA tem múltiplas vantagens, como custo reduzido (eliminação dos custos G-IC, remoção do processo de colagem G-IC, maior utilização do substrato de vidro, etc.) e efeito estético (engastes estreitos ou dispositivos sem borda) [5]. Ao contrário dos TFTs de pixel individual, no entanto, os TFTs GOA exigem condições de confiabilidade mais rigorosas para alcançar uma corrente de saída mais alta e um desempenho mais longo no tempo. Com o recente aumento da demanda do mercado por produtos de alta resolução, o aumento da confiabilidade do desempenho do GOA tornou-se urgente e necessário [6].

Óxido de índio-gálio-zinco amorfo (a-IGZO) é amplamente utilizado na indústria de exibição devido à sua mobilidade de elétrons de alta saturação (5 ~ 10 cm ² / V s) e baixa corrente de desligamento (<1 pA) [7, 8]. A tecnologia back channel etch (BCE) é comumente usada para a produção de TFTs na indústria [9, 10]. Os TFTs a-IGZO com estrutura BCE têm características satisfatórias para TFTs de pixel individuais e a redução de tamanho dos TFTs GOA. No entanto, algumas características-chave do TFT, particularmente a estabilidade da corrente de saída, não podem satisfazer o ambiente de alta tensão de corrente (HCS) exigido para GOA TFTs [11,12,13], principalmente devido a duas características do processo BCE [14]. A primeira é que a superfície de um filme a-IGZO (canal traseiro de a-IGZO TFT) é exposta a condicionadores S / D, que tradicionalmente consistem em HNO ₃ , H ₃ PO ₄ e CH ₃ COOH, que tem uma taxa de corrosão rápida que não é controlável para filmes a-IGZO [15]. Um leve H ₂ O ₂ A corrosão à base de ácido com corrosão estável e danos mínimos aos filmes a-IGZO podem ser usados para a corrosão do eletrodo S / D (metal Cu), mas danos à superfície do filme a-IGZO ainda são inevitáveis [16]. Em segundo lugar, o contato direto do metal S / D (Mo / Cu / Mo) com o filme a-IGZO pode contaminar o canal traseiro do TFT [17]. Felizmente, um processo clean etch stopper (CL-ES), que é menos complicado e caro e minimiza a contaminação, pode ser usado para fabricar TFTs baseados em IGZO com uniformidade e estabilidade aprimoradas para telas de grande porte [18]. Embora o TFT estruturado em CL-ES mostre um desempenho aprimorado, as questões de como o decapante reagirá com um filme a-IGZO e como Cu ⁺ a difusão em filmes a-IGZO afeta a microestrutura e o desempenho dos dispositivos permanecem obscuros.

Neste estudo, a-IGZO GOA TFTs com um tamanho de recurso reduzido e estrutura de canal traseiro limpa foram fabricados por meio de um processo CL-ES por ataque em lote de multicamadas a-IGZO / Mo / Cu / Mo. Além disso, a influência do condicionador e Cu ⁺ difusão na microestrutura e desempenho de dispositivos CL-ES a-IGZO GOA TFT estruturados são estudados e comparados com aqueles de dispositivos a-IGZO GOA TFT estruturados BCE. Mais importante ainda, a camada de proteção contra corrosão do dispositivo CL-ES serve como camada de proteção S / D de corrosão, bem como Cu ⁺ camada de barreira de difusão, que ajuda a reduzir a quantidade de defeitos e melhorar a confiabilidade da confiabilidade de alta tensão de corrente, valores de SS, alta tensão de corrente e variações de tensão de limiar, etc. Portanto, este trabalho fornece evidência direta e uma demonstração perspicaz de que o O desempenho dos TFTs estruturados em CL-ES está altamente correlacionado com sua estrutura CL-ES e seus componentes limpos e confirma que o processo CL-ES pode ser uma rota eficiente para a produção em massa de monitores com desempenhos satisfatórios.

Métodos Experimentais

Fabricação de a-IGZO GOA TFTs

Os dispositivos TFT a-IGZO estruturados em CL-ES foram fabricados por meio de um processo CL-ES modificado de cinco etapas (Fig. 1), conforme relatado em nosso trabalho anterior [15]. Primeiro, o eletrodo de porta foi formado com metal Mo / Cu e o isolador de porta foi depositado com uma camada dupla de SiNx / SiOx (3000 Å / 1000 Å) usando PECVD a 340 ° C. Em segundo lugar, um filme a-IGZO de 300 Å foi depositado usando pulverização catódica reativa com magnetron DC à temperatura ambiente com uma pressão parcial de oxigênio de 15%. Uma camada de rolha de corrosão (SiOx, ESL) de 1000 Å foi depositada usando PECVD a 240 ° C e gravada reativamente por CF ₄ plasma para padronização, usando a máscara fotolitográfica ativa do processo BCE como a máscara de corrosão. Para esta etapa, o filme a-IGZO sob os padrões de camada ES foi protegido da exposição ao CF ₄ O plasma, enquanto o resto do filme a-IGZO, não protegido pelos padrões da camada ES, também não foi gravado, mas foi convertido em um filme condutor. Terceiro, os eletrodos fonte-dreno (S / D) (camadas triplas de Mo / Cu / Mo) foram depositados por pulverização catódica e gravados usando um H ₂ O ₂ decapante contendo 0,2% em peso de um aditivo de flúor, com a máscara de fotolitografia S / D e o padrão de camada ES servindo como máscara de corrosão. Quarto, uma camada de passivação de 3000 Å foi depositada. Os processos subsequentes foram semelhantes aos de fabricação de um painel traseiro TFT LCD típico.

Processo de fabricação do a-IGZO GOA TFT

Para efeito de comparação, os dispositivos a-IGZO TFT estruturados com BCE foram fabricados usando o processo BCE convencional e a mesma máscara BCE.

Caracterização

As morfologias, microestruturas e composições das amostras foram caracterizadas usando SEM (Camscan Mx2600FE), espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS, PHI Quantera II) e espectrometria de massa de íons secundários de tempo de voo (IONTOF, TOF-SIMS 5) . As medições elétricas foram realizadas usando um analisador de característica de semicondutor (Keysight 4082A) em um ambiente escuro e a 60 ° C. Para simplificar, a confiabilidade HCS foi avaliada por mais de 1000 s com V _gs a 25 V e V _ds em 25 V. Durante a avaliação, o estado do GOA TFT foi monitorado medindo o I _ds corrente em intervalos de 1 s, e a tendência do I _ds corrente foi analisada. O eu _d -V _g as características de transferência também foram monitoradas em intervalos de 100 s.

Resultados e discussão

O dispositivo GOA TFT, contendo canais TFT e componentes de porta, dreno e fonte, conforme fabricado pelo processo CL-ES, é mostrado na Fig. 2. Para medir com precisão cada característica TFT, todos os TFTs foram desconectados usando um laser, portanto tornando-se independente, de modo que a porta, a fonte e o dreno não possam compartilhar um nó com qualquer outro TFT. Conforme marcado pela linha vermelha na Fig. 2, este TFT tem um projeto estrutural GOA multicanal e separado, com uma largura e comprimento de canal de 120 μm e 10 μm, respectivamente, para conveniência das medições elétricas. Este TFT também foi projetado para ter um nível médio de fluxo de corrente para os canais TFT individuais, colocando uma peça flutuante de metal (localizada no meio dos canais), que integra cada canal. Antes da avaliação da confiabilidade do HCS, a confiabilidade da operação separada é confirmada primeiro pela avaliação da interferência elétrica do TFT de interesse de outros TFTs periféricos. Neste caso, o eu _desligado a corrente de ruído dos GOA TFTs separados é medida em 3 pA (inserir curva na Fig. 2), confirmando que não há interferência elétrica de outros dispositivos GOA constituintes nas proximidades.

Fotografias dos GOA TFTs separados eletricamente dos circuitos GOA (inserir: I _desligado corrente de ruído entre o TFT de interesse e os outros TFTs periféricos)

Vários tamanhos de recursos dos TFTs estruturados CL-ES e TFTs estruturados BCE são medidos e comparados. Para os TFTs estruturados com CL-ES (Fig. 3a), a largura e o comprimento são 4 μm e 6 μm, respectivamente, semelhantes aos dos TFTs a-IGZO estruturados com BCE na Fig. 3b. Geralmente, o processo BCE é desejável para a fabricação de óxido TFT devido ao seu pequeno tamanho de recurso. Portanto, os TFTs estruturados CL-ES obtidos mostram um tamanho de recurso reduzido e um grau de integração tão alto quanto os TFTs estruturados BCE. Além disso, o tamanho da seção transversal dos TFTs estruturados CL-ES é semelhante ao dos TFTs estruturados BCE (Fig. 3c, d), enquanto os TFTs estruturados CL-ES mostram uma camada ES distinta que não é observada nos TFTs do BCE. O processo CL-ES forma principalmente padrões ES, enquanto o processo de gravação em lote em a-IGZO / Mo / Cu / Mo multicamadas pode ser realizado com máscaras semelhantes para os padrões ativos e eletrodos fonte-dreno como aqueles no processo BCE. Portanto, exceto para os padrões ES, o número de máscaras fotolitográficas usadas no processo CL-ES é o mesmo que para o processo BCE. Este processo CL-ES pode evitar o aumento do número de máscaras do processo ESL convencional e possui um tamanho de recurso reduzido, tornando-o economicamente viável para produção em massa. Além disso, sem usar a exposição de meio tom, um procedimento de simplificação do processo convencionalmente usado na indústria de LCD TFT, a complicação do processo e o custo de fabricação são reduzidos.

Imagens SEM dos TFTs a-IGZO: a Vista superior TFT estruturada em CL-ES, b Vista superior TFT estruturada de BCE, c Visão transversal TFT estruturada CL-ES e d Visão transversal TFT estruturada de BCE

Para observar ainda mais os defeitos de superfície dos TFTs estruturados BCE durante o processo de fabricação BCE, a composição da superfície dos filmes a-IGZO antes do recozimento (amostra 1), após o recozimento (amostra 2) e após a exposição ao H ₂ O ₂ O ácido acondicionador (amostra 3) é estudado via XPS. Nos espectros totalmente digitalizados de filmes a-IGZO (Fig. 4a-c), picos para os elementos In, Ga, Zn, O e C existem durante o processo de fabricação BCE. Como mostrado na Fig. 4d, embora o TFT estruturado com BCE não mostre nenhuma mudança significativa na composição dos filmes a-IGZO antes do recozimento (amostra 1) e após o recozimento a 330 ° C por 1 h (amostra 2), as mudanças significativas são observada após a exposição a produtos químicos úmidos (amostra 3). Em particular, o zinco, que tem uma energia de ligação relativamente baixa com o oxigênio, é considerado 4,82% na amostra 1 e 5,42% na amostra 2, mas diminuiu para 3,16% na amostra 3. O índio tem variação mínima nas composições entre os diferentes processos e a mudança percentual relativa de Zn em relação a In é enorme, a saber, 44,1%, 46,0% e 27,6% para as amostras 1, 2 e 3, respectivamente. Isso é semelhante para o gálio, que também tem uma forte afinidade de ligação com o oxigênio. Em outras palavras, durante o processo de corrosão úmida, defeitos indesejados, incluindo uma perda substancial de Zn e Ga, ocorreram na superfície posterior exposta do semicondutor de óxido. As razões para este fenômeno podem estar relacionadas às suas diferentes energias de ligação ao oxigênio e às diferentes estruturas moleculares do filme a-IGZO [19].

Análise XPS da composição da superfície dos filmes finos de a-IGZO a antes do recozimento, b após o recozimento, e c após a exposição ao H ₂ O ₂ Cu etchant durante o processo de BCE. d Porcentagens atômicas correspondentes para o processo acima

É bem conhecido que a resistência química dos filmes de a-IGZO aos condicionadores ácidos é muito fraca [20]. Em particular, a perda abrupta de Zn, que se acredita determinar a estrutura molecular de a-IGZO, causa um enfraquecimento da estrutura superficial dos filmes de a-IGZO. Além disso, a redução de Ga, que suprime a geração de portadores por meio de sua forte energia de ligação com o oxigênio, pode aumentar a probabilidade de desenvolver vacâncias de oxigênio [Vo] [21]. Portanto, GOA TFTs estruturados com BCE não podem evitar danos ao canal de retorno do TFT, mesmo em um H ₂ relativamente moderado O ₂ com base em Cu etchant.

Para confirmar a proteção da camada ES, a composição da região do canal TFT a-IGZO é estudada usando TOF-SIMS para amostras preparadas pelos processos BCE e CL-ES (rolha de corrosão limpa) (Fig. 5). Desde Cu ⁺ no filme a-IGZO pode produzir defeitos do tipo aceitante e prender elétrons, o canal a-IGZO TFT deve ser limpo para aumentar a estabilidade elétrica. Como observado, o Cu ⁺ o pico detectado na amostra BCE é 20 vezes maior do que na amostra CL-ES. Além disso, a região de detecção de Cu ⁺ sobrepõe-se à região de detecção de Zn ⁺ e Ga ⁺ em grande medida (Fig. 5a). Esses resultados indicaram que os filmes a-IGZO nos TFTs estruturados em BCE estão contaminados por Cu ⁺ devido ao contato direto do filme a-IGZO na região do canal traseiro TFT com o metal Cu. Para os TFTs estruturados em CL-ES (Fig. 5b), Cu ⁺ é detectado apenas na região ES, indicando que o contato direto da região do canal a-IGZO TFT com o metal Cu é evitado. Surpreendentemente, uma quantidade considerável de Zn ⁺ aparece no ESL. O Zn difuso ⁺ é causado pelas condições de plasma de pré-tratamento e condições de pressão mais altas durante a deposição de ESL. Portanto, a camada ES em TFTs estruturados em CL-ES é essencial para melhorar a estabilidade elétrica, evitando danos à superfície e contaminação dos filmes a-IGZO.

Análise TOF-SIMS das regiões do canal de a-IGZO TFTs fabricados via a o BCE e b os processos CL-ES

A avaliação de alta tensão de corrente (HCS) para os TFTs GOA a-IGZO estruturados em CL-ES e BCE é mostrada na Fig. 6a. Para os mesmos tamanhos de recursos, o I inicial _ds A corrente do TFT estruturado CL-ES é 429 μA, que é maior do que a do TFT estruturado BCE (343 μA). Após a avaliação HCS por 1000 s, o I _ds A corrente do TFT estruturado em CL-ES é 352 μA, aproximadamente 82,2% de seu valor inicial. Em contraste, o eu _ds a corrente residual do TFT estruturado BCE diminuiu para 183 μA e mantém apenas 53,5% do seu valor inicial. Além disso, conforme avaliado por extrapolação (Fig. 6b), o I _ds A corrente residual do TFT estruturado em CL-ES deve ser 302,6 μA, mantendo 70,5% de seu valor inicial após 10.000 s. Para o TFT estruturado de BCE, o I _ds a corrente residual diminui drasticamente para 111,7 μA, mantendo apenas 33,7% de seu valor inicial. Portanto, sob as mesmas características de saída, o grau de integração para o GOA TFT fabricado por meio do processo CL-ES pode ser aumentado em até 271% em comparação com o do processo BCE.

a Dados experimentais para 1000 se b extrapolação para avaliação HCS de longo prazo dos TFTs GOA estruturados CL-ES e BCE

Além disso, o I - V as características de transferência de TFTs GOA estruturados em CL-ES e BCE durante a avaliação de confiabilidade HCS também são medidas (Fig. 7 e Tabela 1). Para TFT estruturado em CL-ES (Fig. 7a), a tensão limite é de 0,0 V na avaliação HCS inicial (25 ° C) e 3,5 V após a avaliação HCS a 60 ° C por 1000 s. Além disso, a tensão limite muda continuamente na direção positiva com uma mudança total ( ΔV _th ) de 3,5 V. O valor de oscilação de sublimiar (SS) é ligeiramente aumentado de 0,09 para 0,16 V / dec. Para o TFT estruturado BCE, a tensão limite é muito mais alta, ou seja, 4,0 V a 25 ° C, e aumenta para 11,2 V após a avaliação HCS a 60 ° C por 1000 s. Uma possível razão para essas tensões de limite elevado é a difusão de Cu ⁺ no filme a-IGZO durante o processo de corrosão úmida do processo BCE. Cu ⁺ pode atuar como locais de defeito do tipo aceitante em filmes a-IGZO e uma alta densidade de Cu ⁺ pode capturar um grande número de elétrons. Os elétrons presos geram um potencial coulômbico blindado que resulta no fenômeno de mudança de voltagem de limiar transiente. Geralmente, o volume do isolador de porta e os locais de defeito recém-formados dentro do volume dos filmes a-IGZO podem aumentar o valor SS dos TFTs [11]. Esses resultados explicam claramente a diminuição do I _ds corrente residual nos TFTs estruturados BCE. No entanto, o valor SS do TFT estruturado BCE mostra uma tendência de diminuir de 0,46 para 0,24 V / dec. Esse valor decrescente de SS resulta do acúmulo de elétrons próximo à interface a-IGZO, após o qual o isolador de porta pode preencher rapidamente os altos níveis dos locais de armadilha do tipo aceitante que existiam inicialmente. Além disso, os locais de armadilha são preenchidos mais rápido do que são gerados pelo HCS e, portanto, o número de elétrons aprisionados diminui gradualmente ao longo do tempo. Isso está de acordo com o comportamento de mudança positiva da tensão de limiar.

eu - V características de transferência medidas durante a avaliação HCS de a o CL-ES e b os TFTs GOA estruturados pelo BCE. Comportamento de c a tensão limite e d a oscilação sublimiar em intervalos de 1000 se V _ds =15 V. As medições iniciais do I _d -V _d características de saída para e o CL-ES- e f os TFTs GOA estruturados pelo BCE com V _gs =0, 5, 10, 15 e 20 V

Quanto à uniformidade das características para CL-ES, porque ESL fornece proteção de canal traseiro ativa de Cu ⁺ contaminação e danos acidentais, seu resultado é estável em comparação com o de BCE. Além disso, deve-se notar que as características da curva de produto não mostram diferenças para BCE e podem prometer produção e estabilidade de CL-ES (Tabela 2, Fig. 7e, f).

As Figuras 7 c e d mostram os resultados da oscilação sublimiar e do comportamento da tensão limite juntamente com o progresso da avaliação HCS. Geralmente, o valor de oscilação sublimiar do GOA TFT aumenta gradualmente, como visto para o TFT estruturado em CL-ES (Fig. 7d). No entanto, o TFT estruturado BCE mostra um comportamento anormal, com o valor de oscilação sublimiar aumentando inicialmente e subsequentemente diminuindo durante a avaliação HCS. O valor SS do TFT estruturado BCE aumenta de 0,46 para 0,55 V / dec quando a temperatura do substrato aumentou de 25 para 60 ° C. Ao mesmo tempo, a tensão limite muda negativamente de 4,0 para 2,9 V (Fig. 7c). Este fenômeno anormal resulta do dano da superfície do filme a-IGZO pelo H ₂ O ₂ acondicionador com adição de flúor. Como mencionado antes, o dano à superfície dos filmes de a-IGZO implica uma falta de átomos de Zn, Ga e oxigênio, o que forma vários locais de defeito, incluindo vazios de oxigênio. Acredita-se que esses locais de defeito estejam ativos como estados de doador raso, próximos à banda de condução mínima, e são capazes de excitação térmica e agem como fontes de elétrons para a banda de condução, levando à degradação do a- Características IGZO TFT. Com base nos resultados acima, o TFT estruturado em CL-ES com estados semelhantes a aceitadores pequenos e deficiências de oxigênio que atuam como estados semelhantes a doadores superficiais é uma estrutura muito melhor do que o TFT estruturado em BCE.

Conclusão

Em conclusão, demonstramos que GOA TFT CL-ES estruturado, com um tamanho de recurso de dispositivo reduzido e uma camada de rolha de corrosão limpa, pode melhorar significativamente o desempenho e a estabilidade do dispositivo. Com o processo de fabricação de TFT estruturado CL-ES proposto, os danos e a contaminação do canal traseiro do TFT são minimizados. Além disso, para o mesmo grau de integração que o GOA TFT estruturado BCE, o processo TFT estruturado CL-ES pode atender aos objetivos de design estético e eficiência de custos de fabricação. O GOA TFT estruturado CL-ES mostra excelente desempenho elétrico em comparação com o GOA TFT estruturado BCE, incluindo uma corrente de íon residual muito maior (~ 187%), valor SS inicial muito mais baixo (0,09 V / dec) e um variação muito menor da tensão limite (3,5 V). Isso implica na possibilidade de projetos GOA com integração e confiabilidade muito maiores. O desempenho e estabilidade aprimorados sugerem que o TFT estruturado em CL-ES, com um processo simplificado e uma camada de rolha de corrosão limpa, supera com sucesso os defeitos do tipo doador causados por deficiências de oxigênio e os defeitos do tipo aceitante causados por Cu ⁺ difusão durante o processo de BCE. Portanto, uma composição de superfície limpa para a região do canal a-IGZO em TFTs estruturados em CL-ES é importante para a produção de painéis traseiros TFT a-IGZO com telas de alta confiabilidade, alta resolução e moldura estreita.

Abreviações

TFT:: Transistor de filme fino
GOA:: Gate drive IC na matriz
a-IGZO:: Óxido de índio-gálio-zinco amorfo
LCD:: Visor de cristal líquido
PEVCD:: Deposição de vapor químico intensificada por plasma
ESL:: Camada de rolha de corrosão
BCE:: Gravura do canal traseiro
HCS:: Estresse de alta corrente
SiOx:: Óxido de silício
SiNx:: Nitreto de silício
SS:: Balanço abaixo do limiar

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