Peningkatan Keandalan TFT a-IGZO dengan Ukuran Fitur yang Dikurangi dan Struktur Lapisan Etch-Stopper yang Bersih

Hasil dan Diskusi

Perangkat TFT GOA, yang berisi saluran TFT dan komponen gerbang, saluran, dan sumber, seperti yang diproduksi oleh proses CL-ES, ditunjukkan pada Gambar. 2. Untuk mengukur setiap karakteristik TFT secara akurat, semua TFT diputuskan menggunakan laser, sehingga menjadi independen, sehingga gerbang, sumber, dan saluran tidak dapat berbagi simpul dengan TFT lainnya. Seperti yang ditandai dengan garis merah pada Gambar 2, TFT ini memiliki desain struktural GOA multisaluran dan terpisah, dengan lebar dan panjang saluran masing-masing 120 μm dan 10 μm, untuk kenyamanan pengukuran listrik. TFT ini juga dirancang untuk memiliki tingkat aliran arus rata-rata ke masing-masing saluran TFT dengan menempatkan sepotong logam mengambang (terletak di tengah saluran), yang mengintegrasikan setiap saluran. Sebelum evaluasi keandalan HCS, keandalan operasi terpisah dikonfirmasi terlebih dahulu dengan mengevaluasi interferensi listrik TFT yang diinginkan dari TFT periferal lainnya. Dalam hal ini, saya _nonaktif arus derau dari TFT GOA yang terpisah diukur menjadi 3 pA (sisipkan kurva pada Gambar. 2), yang mengonfirmasikan bahwa tidak ada gangguan listrik dari perangkat penyusun GOA lain di sekitarnya.

Foto-foto TFT GOA yang dipisahkan secara elektrik dari sirkuit GOA (masukkan:I _nonaktif arus noise antara TFT yang diinginkan dan TFT periferal lainnya)

Beberapa ukuran fitur TFT terstruktur CL-ES dan TFT terstruktur BCE diukur dan dibandingkan. Untuk TFT berstruktur CL-ES (Gbr. 3a), lebar dan panjangnya masing-masing adalah 4 μm dan 6 μm, mirip dengan TFT a-IGZO berstruktur BCE pada Gbr.3b. Umumnya, proses BCE diinginkan untuk pembuatan TFT oksida karena ukurannya yang kecil. Oleh karena itu, TFT terstruktur CL-ES yang diperoleh menunjukkan penurunan ukuran fitur dan tingkat integrasi setinggi TFT terstruktur BCE. Selain itu, ukuran penampang TFT berstruktur CL-ES mirip dengan TFT berstruktur BCE (Gbr. 3c, d), sedangkan TFT berstruktur CL-ES menunjukkan lapisan ES berbeda yang tidak diamati dalam TFT BCE. Proses CL-ES terutama membentuk pola ES, sedangkan proses etsa batch pada a-IGZO/Mo/Cu/Mo berlapis-lapis dapat dilakukan dengan topeng serupa untuk pola aktif dan elektroda sumber-penguras seperti pada proses BCE. Oleh karena itu, kecuali untuk pola ES, jumlah topeng fotolitografi yang digunakan dalam proses CL-ES sama dengan untuk proses BCE. Proses CL-ES ini dapat menghindari peningkatan jumlah masker dari proses ESL konvensional dan memiliki ukuran fitur yang berkurang, sehingga ekonomis untuk produksi massal. Selain itu, tanpa menggunakan eksposur setengah nada, prosedur penyederhanaan proses yang biasa digunakan dalam industri LCD TFT, kerumitan proses dan biaya produksi keduanya berkurang.

Gambar SEM dari TFT a-IGZO:a Tampilan atas TFT terstruktur CL-ES, b Tampilan atas TFT terstruktur SM, c Tampilan penampang TFT terstruktur CL-ES, dan d Tampilan penampang TFT terstruktur SM

Untuk mengamati lebih lanjut cacat permukaan TFT berstruktur BCE selama proses fabrikasi BCE, komposisi permukaan film a-IGZO sebelum anil (sampel 1), setelah anil (sampel 2), dan setelah terpapar H₂ O₂ Cu etsa (sampel 3) dipelajari melalui XPS. Dalam spektrum film a-IGZO yang dipindai sepenuhnya (Gbr. 4a-c), puncak untuk elemen In, Ga, Zn, O, dan C ada selama proses fabrikasi BCE. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d, meskipun TFT berstruktur BCE tidak menunjukkan perubahan signifikan dalam komposisi film a-IGZO sebelum anil (sampel 1) dan setelah anil pada 330 °C selama 1  jam (sampel 2), perubahan signifikan terjadi diamati setelah terpapar bahan kimia basah (sampel 3). Secara khusus, seng, yang memiliki energi ikat relatif rendah dengan oksigen, ditemukan 4,82% pada sampel 1 dan 5,42% pada sampel 2, tetapi telah menurun menjadi 3,16% pada sampel 3. Indium memiliki variasi komposisi yang minimal di antara proses yang berbeda, dan persentase perubahan relatif Zn terhadap In sangat besar, yaitu, 44,1%, 46,0%, dan 27,6% untuk sampel 1, 2, dan 3, masing-masing. Ini mirip dengan galium, yang juga memiliki afinitas pengikatan yang kuat dengan oksigen. Dengan kata lain, selama proses etsa basah, cacat yang tidak diinginkan, termasuk hilangnya Zn dan Ga secara substansial, terjadi pada permukaan belakang yang terbuka dari semikonduktor oksida. Alasan untuk fenomena ini mungkin terkait dengan energi pengikatannya yang berbeda terhadap oksigen dan struktur molekul yang berbeda dari film a-IGZO [19].

Analisis XPS dari komposisi permukaan film tipis a-IGZO a sebelum anil, b setelah anil, dan c setelah terpapar H₂ O₂ Cu etsa selama proses SM. d Persentase atom yang sesuai untuk proses di atas

Telah diketahui dengan baik bahwa ketahanan kimia film a-IGZO terhadap etsa asam sangat lemah [20]. Secara khusus, hilangnya Zn secara tiba-tiba, yang diyakini menentukan struktur molekul a-IGZO, menyebabkan melemahnya struktur permukaan film a-IGZO. Selain itu, pengurangan Ga, yang menekan generasi pembawa melalui energi pengikatannya yang kuat dengan oksigen, dapat meningkatkan kemungkinan berkembangnya kekosongan oksigen [Vo] [21]. Oleh karena itu, TFT GOA berstruktur BCE tidak dapat menghindari kerusakan akibat goresan pada saluran belakang TFT, bahkan dalam H₂ yang relatif ringan. O₂ -pengetsa Cu.

Untuk mengkonfirmasi perlindungan lapisan ES, komposisi wilayah saluran TFT a-IGZO dipelajari dengan menggunakan TOF-SIMS untuk sampel yang disiapkan oleh proses BCE dan CL-ES (clean etch stopper) (Gbr. 5). Sejak Cu ⁺ dalam film a-IGZO dapat menghasilkan cacat tipe penerima dan elektron perangkap, saluran TFT a-IGZO harus bersih untuk meningkatkan stabilitas listrik. Seperti yang diamati, Cu ⁺ puncak terdeteksi dalam sampel BCE adalah 20 kali lebih besar dari sampel CL-ES. Selain itu, wilayah deteksi Cu ⁺ tumpang tindih dengan wilayah deteksi Zn ⁺ dan Ga ⁺ sebagian besar (Gbr. 5a). Hasil ini menunjukkan bahwa film a-IGZO dalam TFT berstruktur BCE terkontaminasi oleh Cu ⁺ karena kontak langsung dari film a-IGZO di daerah saluran belakang TFT dengan logam Cu. Untuk TFT terstruktur CL-ES (Gbr. 5b), Cu ⁺ hanya terdeteksi di wilayah ES, menunjukkan bahwa kontak langsung dari wilayah saluran TFT a-IGZO dengan logam Cu dihindari. Anehnya, sejumlah besar Zn ⁺ muncul di ESL. Zn yang tersebar ⁺ disebabkan oleh kondisi plasma pretreatment yang lebih tinggi dan kondisi tekanan selama deposisi ESL. Oleh karena itu, lapisan ES dalam TFT berstruktur CL-ES sangat penting untuk meningkatkan stabilitas listrik dengan menghindari kerusakan permukaan dan kontaminasi film a-IGZO.

Analisis TOF-SIMS dari wilayah saluran TFT a-IGZO yang dibuat melalui a SM dan b proses CL-ES

Evaluasi tegangan arus tinggi (HCS) untuk TFT GOA a-IGZO berstruktur CL-ES dan BCE ditunjukkan pada Gambar 6a. Untuk ukuran fitur yang sama, inisial I _ds arus TFT berstruktur CL-ES adalah 429 μA, yang lebih tinggi dari TFT berstruktur BCE (343 μA). Setelah evaluasi HCS selama 1000 detik, I _ds arus TFT berstruktur CL-ES adalah 352 μA, kira-kira 82,2% dari nilai awalnya. Sebaliknya, I _ds arus sisa dari TFT berstruktur BCE telah menurun menjadi 183 μA dan hanya mempertahankan 53,5% dari nilai awalnya. Selanjutnya, seperti yang dievaluasi dengan ekstrapolasi (Gbr. 6b), I _ds arus sisa dari TFT berstruktur CL-ES diharapkan menjadi 302,6 μA, mempertahankan 70,5% dari nilai awalnya setelah 10.000 s. Untuk TFT berstruktur SM, I _ds arus sisa menurun tajam menjadi 111,7 μA, hanya mempertahankan 33,7% dari nilai awalnya. Oleh karena itu, di bawah karakteristik keluaran yang sama, tingkat integrasi untuk TFT GOA yang dibuat melalui proses CL-ES dapat ditingkatkan sebanyak 271% dibandingkan dengan proses BCE.

a Data eksperimental untuk 1000-an dan b ekstrapolasi untuk evaluasi SKT jangka panjang dari TFT GOA berstruktur CL-ES dan BCE

Selain itu, Saya -V karakteristik transfer TFT GOA terstruktur CL-ES dan BCE selama evaluasi keandalan HCS juga diukur (Gbr. 7 dan Tabel 1). Untuk TFT berstruktur CL-ES (Gbr. 7a), tegangan ambang adalah 0,0 V pada evaluasi HCS awal (25 °C) dan 3,5 V setelah evaluasi HCS pada 60 °C selama 1000 s. Selain itu, tegangan ambang terus bergeser ke arah positif dengan perubahan total (ΔV _th ) sebesar 3.5 V. Nilai sub-threshold swing (SS) sedikit meningkat dari 0,09 menjadi 0,16 V/des. Untuk TFT berstruktur BCE, tegangan ambang jauh lebih tinggi, yaitu 4,0 V pada 25 °C, dan meningkat menjadi 11,2 V setelah evaluasi HCS pada 60 °C selama 1000 s. Alasan yang mungkin untuk tegangan ambang tinggi ini adalah difusi Cu ⁺ ke dalam film a-IGZO selama proses etsa basah dari proses BCE. Cu ⁺ dapat bertindak sebagai situs cacat tipe penerima dalam film a-IGZO, dan densitas Cu ⁺ yang tinggi dapat menangkap sejumlah besar elektron. Elektron yang terperangkap menghasilkan potensial coulombik disaring yang menghasilkan fenomena pergeseran tegangan ambang transien. Umumnya, bulk isolator gerbang dan situs cacat yang baru terbentuk di dalam sebagian besar film a-IGZO dapat meningkatkan nilai SS TFT [11]. Hasil ini dengan jelas menjelaskan penurunan I _ds arus sisa dalam TFT berstruktur BCE. Namun nilai SS dari TFT berstruktur BCE menunjukkan kecenderungan menurun dari 0,46 menjadi 0,24 V/des. Nilai SS yang menurun ini dihasilkan dari elektron yang terakumulasi di dekat antarmuka a-IGZO, setelah itu isolator gerbang dapat dengan cepat mengisi tingkat tinggi situs perangkap tipe penerima yang ada pada awalnya. Selain itu, situs perangkap diisi lebih cepat daripada yang dihasilkan oleh HCS, dan oleh karena itu, jumlah elektron yang terperangkap secara bertahap berkurang seiring waktu. Ini sesuai dengan perilaku pergeseran positif dari tegangan ambang.

Aku -V karakteristik transfer yang diukur selama evaluasi SKT a CL-ES dan b TFT GOA terstruktur BCE. Perilaku c tegangan ambang dan d ayunan sub-ambang pada interval 1000 s dan V _ds = 15 V. Pengukuran awal I _d -V _d karakteristik keluaran untuk e CL-ES- dan f TFT GOA terstruktur SM dengan V _gs = 0, 5, 10, 15, dan 20 V

Adapun keseragaman karakteristik untuk CL-ES, karena ESL memberikan proteksi aktif back channel dari Cu ⁺ kontaminasi dan kerusakan etsa, hasilnya stabil dibandingkan dengan SM. Selain itu, perlu diperhatikan bahwa karakteristik kurva output tidak menunjukkan perbedaan untuk BCE dan dapat menjanjikan produksi dan stabilitas CL-ES (Tabel 2, Gambar 7e, f).

Gambar 7 c dan d menunjukkan hasil dari ayunan sub-ambang dan perilaku tegangan ambang bersama dengan kemajuan evaluasi SKT. Umumnya, nilai ayunan sub-ambang TFT GOA meningkat secara bertahap, seperti yang terlihat untuk TFT terstruktur CL-ES (Gbr. 7d). Namun, TFT terstruktur BCE menunjukkan perilaku abnormal, dengan nilai ayunan sub-ambang meningkat pada awalnya dan kemudian menurun selama evaluasi HCS. Nilai SS dari TFT berstruktur BCE meningkat dari 0,46 menjadi 0,55 V/des ketika suhu substrat meningkat dari 25 menjadi 60 °C. Pada saat yang sama, tegangan ambang bergeser secara negatif dari 4,0 ke 2,9 V (Gbr. 7c). Fenomena abnormal ini dihasilkan dari kerusakan permukaan film a-IGZO oleh H₂ O₂ etsa dengan tambahan fluoride. Seperti disebutkan sebelumnya, kerusakan permukaan film a-IGZO menyiratkan kurangnya atom Zn, Ga, dan oksigen, yang membentuk banyak situs cacat, termasuk kekosongan oksigen. Dipercaya bahwa situs cacat ini aktif sebagai keadaan seperti donor dangkal, yang dekat dengan pita konduksi minimum, dan mampu melakukan eksitasi termal dan bertindak sebagai sumber elektron untuk pita konduksi, yang menyebabkan degradasi a- Karakteristik IGZO TFT. Berdasarkan hasil di atas, TFT berstruktur CL-ES dengan status seperti penerima kecil dan defisiensi oksigen yang bertindak sebagai status mirip donor dangkal adalah struktur yang jauh lebih baik daripada TFT berstruktur BCE.