Verbetering van de prestaties van a-IGZO TFT-apparaten met behulp van een schoon interfaceproces via Etch-Stopper nanolagen

Resultaten en discussie

a-IGZO-gebaseerde TFT vervaardigd via het CL-ES-proces toont hetzelfde maskernummer als dat van het BCE-proces (Fig. 1). Vergeleken met a-IGZO-gebaseerde TFT met BCE-structuur, heeft a-IGZO-gebaseerde TFT met CL-ES-structuur twee voordelen:(1) a-IGZO-gebaseerde backplane geproduceerd met gebruikmaking van CL-ES process deposits gate-isolator, a-IGZO nano -laag en ES-nanolaag achtereenvolgens, vormt vervolgens een ESL-nanomasker door middel van de droog-etsmethode. Dit nieuw gevormde ESL-nanomasker met 100 nm kan de blootstelling van a-IGZO-nanofilm aan etsmiddel, stripper of fotoresist voorkomen. Daarom wordt de verontreiniging op grensvlakken tussen de lagen effectief voorkomen [25]. (2) Tegelijkertijd wordt a-IGZO nanofilm niet beschermd door een ES-laag, maar gebombardeerd door CF₄ plasma tijdens de ESL-nanomaskervorming, wordt dus een geleider. Dit vormt natuurlijk het Ohmse contact tussen de S/D-elektrode van het volgende proces en een IGZO-halfgeleider. Voor een ander deel kan een gelijktijdig etsen van S/D en a-IGZO nanolaag één overlay-toeslag van ESL-(a-IGZO+S/D metallisatie) laag zijn, wat de twee overlayprocesfouten van de a- IGZO-ESL en ES-S/D metallisatielaag in het conventionele ESL-proces (Fig. 2). Het overlay-nummer van de a-IGZO-, ES- en S/D-laag is verminderd, wat resulteerde in de afname van de grootte van het TFT-apparaat dat de parasitaire capaciteit verlaagde. De vlakke structuur van het resultaat is vergelijkbaar met de BCE-structuur (Fig. 3a, b).

(Kleur online) Schema's van gelijktijdige vormingsmethode voor TFT-kanaal en S/D-elektrode in CL-ES-proces. een De eerste stap die poortelektrode vormt. b De tweede stap die een etsstoplaag vormt. c De derde stap die het S/D-fotopatroon vormt. d De vierde stap die S/D-elektrode en actief patroon vormt

(Online kleur) SEM-afbeeldingen van a-IGZO TFT (a , b bovenaanzicht; c , d zijaanzicht) met CL-ES-structuur (a , c ) en BCE-structuur (b , d )

Figuur 3 toont de SEM-afbeeldingen van a-IGZO-gebaseerde TFT's met CL-ES-structuur (Fig. 3a, c) en BCE-structuur (Fig. 3b, d). Vanuit het bovenaanzicht is het moeilijk om de verschillen tussen de CL-ES-structuur en de BCE-structuur te identificeren (Fig. 3a, b). Vanuit het zijaanzicht is een ES-nanolaag te vinden tussen de a-IGZO-nanolaag en de S / D-elektrodelaag in de CL-ES-structuur (figuur 3c). Ondertussen is een passiveringslaag te vinden op de bovenkant van een a-IGZO-nanolaag in BCE-structuur (figuur 3d). In het gepresenteerde CL-ES-proces wordt een a-IGZO-nanolaag met een dikte van 30 nm afgezet. Bovendien is de schade tijdens nat etsen verwaarloosbaar. Voor het BCE-proces wordt een 70 nm a-IGZO-nanolaag afgezet, omdat een a-IGZO-laag compensatie nodig heeft voor etsverlies. Het verschil tussen de diktes van a-IGZO-nanolagen in CL-ES- en BCE-structuren kan worden waargenomen in de SEM-afbeeldingen (Fig. 3c, d).

De IV-kenmerken van een op IGZO gebaseerde TFT met CL-ES-structuur en BCE-structuur worden vergeleken (Fig. 4). De verzadigingselektronenmobiliteit, drempelspanning, subdrempelspanningszwaai (SS) -waarde en meer karakteristieke waarden zijn samengevat in tabel 1. Merk op dat de waarden samengevat in tabel 1 het gemiddelde aantal zijn afgeleid van het midden en de rand van een 8,5 generatie glassubstraat . De op a-IGZO gebaseerde TFT met CL-ES-structuur realiseert V _de van − 0,8 V, SS-waarde van 0,18 V/dec en verzadigingselektronenmobiliteit van 8,05 cm ² /Vs. In de op a-IGZO gebaseerde TFT met BCE-structuur zijn de overeenkomstige resultaten V _de van + 0,5 V, SS-waarde van 0,77 V/dec en verzadigingselektronenmobiliteit van 6,03 cm ² /Vs. Vergeleken met de BCE-structuur vertoont de CL-ES-structuur verbeterde apparaatprestaties. De stroomkarakteristiek van het op a-IGZO gebaseerde TFT-apparaat met CL-ES-structuur is echter lager dan dat van het BCE-gestructureerde apparaat. Dit komt door het feit dat TFT-kanaalstructuren verschillen in CL-ES- en BCE-structuren. Over het algemeen is de BCE-gestructureerde TFT-kanaallengte de afstand tussen S/D-metaalelektroden, en de gemeten kanaallengte in deze studie is 5 um [21]. In de CL-ES-structuur zijn elektroden in contact met de a-IGZO-nanofilm die aan de zijkant van het ESL-nanomasker is uitgerekt. Daarom wordt de kanaallengte bepaald door de afstand tussen de a-IGZO's gedefinieerd aan de zijkanten van de etsstop, maar niet bepaald door de afstand tussen de elektroden. De kanaallengte van het huidige apparaat met CL-ES-structuur wordt gemeten als 10 um.

(Kleur online) Vergelijking van I-V-karakteristiek van a-IGZO TFT's met CL-ES- en BCE-structuur in het midden (a ) en rand (b ) van 8.5 generatie glassubstraat

Zoals weergegeven in tabel 1 zijn de gemeten waarden van I _aan /Ik _uit verhouding (~ 10 ⁶ , zie tabel 1) zijn ongeveer 10 keer kleiner dan de normale waarde (> 10 ⁷ ) van op a-IGZO gebaseerde TFT's. De meetapparatuur die hier gebruikt wordt is namelijk bedoeld voor de 8.5 generatie massaproductie. Voor deze metingen zijn lange kabels nodig, omdat de industriële apparatuur groot is. De lange kabels resulteerden in een verhoogde meetruis. Bij de volgende betrouwbaarheidstests wordt gebruik gemaakt van kleinere meetapparatuur en worden de individuele TFT-apparaten gebruikt als monster voor de meting. Op deze manier wordt de gemeten I _aan /Ik _uit verhoudingen zijn allemaal bovenste 10 ⁷ (zie hieronder).

Het CL-ES-proces is zorgvuldig ontworpen om te voorkomen dat een IGZO-kanaallaag wordt blootgesteld aan etsmiddel, fotoresist of stripper. Tijdens het proces dat CL-ES-proces, poortisolator, a-IGZO nanolaag en ES nanolaag produceert, komt elke tussenlaaginterface in contact met alleen DI-water voor reinigingsdoeleinden. Daarom is de chemische verontreiniging verwaarloosbaar in de isolatorlaag en de a-IGZO-nanolaag [25, 26]. Het BCE-proces stelt echter niet alleen de kanaallaag bloot aan de chemicaliën, maar omvat ook Cu-iondiffusiecontaminatie, aangezien het a-IGZO-kanaal direct wordt blootgesteld aan Cu-metaal. Dit wordt ook vermeden bij apparaten met CL-ES-structuur. Het kanaalgebied van de a-IGZO-nanofilm wordt goed beschermd door ESL-nanomasker. De lage chemische verontreiniging in het CL-ES-proces kan leiden tot een lage carrier-trapdichtheid op het grensvlak tussen a-IGZO-nanolaag en isolatorlaag, wat resulteert in een uitstekende SS-waarde. Deze lage chemische contaminatie van a-IGZO-gebaseerd TFT-apparaat via CL-ES-proces helpt ook de uniformiteit en reproduceerbaarheid van a-IGZO TFT te verbeteren, die zeer belangrijk zijn in industriële productie [27, 28].

Afbeelding 5 toont de gemeten IV-karakteristiek van TFT's met CL-ES-structuur en BCE-structuur afgeleid van 42 meetpunten op een 8,5 generatie substraat. a-IGZO-gebaseerde TFT met CL-ES-structuur heeft een V _de bereik van 0,72 V, terwijl dat van een BCE-gestructureerd apparaat 2,14 V is (tabel 1). Met andere woorden, de uniformiteit van de apparaatprestaties wordt aanzienlijk verbeterd door de CL-ES-structuur.

(Online kleuren) a CL-ES-structuur. b De TFT's IV-overdrachtskarakteristiek van de BCE-structuur. c 42 meetpunten. d de foto van TFT. Allemaal gemeten op een substraat van 8,5 generatie

Afbeelding 6a, b tonen de I-V-karakteristieke verschuiving van respectievelijk CL-ES-gestructureerd apparaat en BCE-gestructureerd apparaat verkregen in NBTIS-tests. De NBTIS-testresultaten zijn samengevat in Tabel 2. Onder de stressconditie beschreven in Tabel 2, de V _de verschuiving van CL-ES-gestructureerd apparaat en BCE-gestructureerd apparaat zijn respectievelijk − 0,51 en − 3,88 V. Bovendien zijn de huidige shift, off-current shift en SS-waardevariantie van het CL-ES-gestructureerde apparaat allemaal lager dan die van het BCE-gestructureerde apparaat (tabel 2); dit komt omdat een op IGZO gebaseerd apparaat met CL-ES-structuur de besmetting van a-IGZO effectief kan voorkomen en een lagere dragervaldichtheid van een IGZO TFT-kanaal. Vooral als we kijken naar het resultaat van de eerste 1000 s van stress, wordt er geen verandering in de SS-waarde waargenomen in een CL-ES-gestructureerd apparaat. Dit fenomeen is vergelijkbaar met de toename van 0,16 V/dec in SS-waarde van een BCE-gestructureerd apparaat, omdat het laat zien dat defecte locaties, die dragervallen kunnen vormen op het oppervlak van een IGZO-nanofilm die het CL-ES TFT-achterkanaal vormt, worden niet extra gecreëerd door elektrische en verlichtingsstress. Deze resultaten bewijzen volledig dat een CL-ES-gestructureerd apparaat veel stabieler is dan een BCE-gestructureerd apparaat. Afbeelding 6c, d toont de IV-curveverschuiving van CL-ES- en BCE-gestructureerde TFT's verkregen uit PBTS-tests. De gedetailleerde PBTS-testresultaten zijn samengevat in tabel 3. Zowel CL-ES-gestructureerde TFT als BCE-gestructureerde TFT zijn afgenomen in ionenstroom tijdens PBTS-evaluatie. Dit wordt veroorzaakt door de verschuiving in V _de naar de positieve richting. Tijdens PBTS-evaluatie, resterende ionenstroomverhouding [(laatste ion/initiële ion) × 100] van de CL-ES-gestructureerde TFT met relatief kleinere V _de positieve verschuiving (+-1,94 V) ligt op het niveau van 88,2%. In vergelijking met de BCE-gestructureerde TFT's resterende ionenstroomverhouding van 41,3%, is CL-ES-gestructureerde TFT aanzienlijk superieur. Dit toont het belangrijke capaciteitsverschil tijdens het ontwerpen van een gate drive on array (GOA) circuit. Anders dan NBTIS, vertoont de SS-waarde van CL-ES-gestructureerde TFT geen significante variatie ((∆SS 0,06 V/dec), of liever afname (∆SS − 0,86) zoals bij BCE-gestructureerde TFT. Dit is misschien te wijten aan de dragers, accumuleren in de binnenruimte en interface tussen gate-isolator en a-IGZO nanofilm door positieve gate-bias, waardoor de carrier-trap-plaats in een vroeg stadium wordt gevuld, waardoor het carrier-trap-fenomeen afneemt. Bovendien treedt het fenomeen van de drempelspanningsverschuiving op door dragerlading gevangen in de buurt van de interface tussen poortisolator en a-IGZO nanofilm Een kleine drempelspanningsverschuiving van CL-ES-gestructureerde TFT geeft aan dat de interface en de binnenruimte van a-IGZO opmerkelijk schoon zijn. suggereert dat de structuur en het proces van de CL-ES leiden tot een betere betrouwbaarheid van het apparaat.

(kleur online) I-V overdrachtskarakteristiek drift van CL-ES (a , c ) en BCE (b , d ) TFT verkregen van NBITS (a , b ) en PBTS-testen (c , d )