감소된 피처 크기와 깨끗한 Etch-Stopper 레이어 구조로 a-IGZO TFT의 향상된 신뢰성

결과 및 토론

CL-ES 공정으로 제조된 TFT 채널과 게이트, 드레인 및 소스 구성 요소를 포함하는 GOA TFT 장치는 그림 2에 나와 있습니다. 각 TFT 특성을 정확하게 측정하기 위해 모든 TFT를 레이저를 사용하여 분리했습니다. 게이트, 소스 및 드레인이 다른 TFT와 노드를 공유할 수 없도록 독립되었습니다. 그림 2에서 빨간색 선으로 표시된 것처럼 이 TFT는 전기 측정의 편의를 위해 채널 너비와 길이가 각각 120 μm 및 10 μm인 다중 채널 및 분리된 GOA 구조 설계를 가지고 있습니다. 이 TFT는 또한 각 채널을 통합하는 부동 금속 조각(채널 중간에 위치)을 배치하여 개별 TFT 채널에 평균 수준의 전류가 흐르도록 설계되었습니다. HCS 신뢰도 평가에 앞서 관심 TFT의 다른 주변 TFT들로부터 전기적 간섭을 평가하여 분리된 동작 신뢰도를 먼저 확인한다. 이 경우 나 _꺼짐 분리된 GOA TFT의 노이즈 전류는 3 pA로 측정되어(그림 2의 삽입 곡선), 주변에 다른 GOA 구성 장치로부터 전기적 간섭이 없음을 확인합니다.

GOA 회로에서 전기적으로 분리된 GOA TFT의 사진(삽입:I _꺼짐 관심 TFT와 다른 주변 TFT 사이의 노이즈 전류)

CL-ES 구조의 TFT와 BCE 구조의 TFT의 여러 기능 크기를 측정하고 비교합니다. CL-ES 구조의 TFT(그림 3a)의 경우 너비와 길이는 각각 4 μm와 6 μm로 그림 3b의 BCE 구조 a-IGZO TFT와 유사합니다. 일반적으로 BCE 공정은 피처 크기가 작기 때문에 산화물 TFT 제조에 바람직합니다. 따라서, 얻어진 CL-ES 구조의 TFT는 BCE 구조의 TFT만큼 감소된 피쳐 크기 및 높은 집적도를 나타낸다. 또한, CL-ES 구조의 TFT의 단면 크기는 BCE 구조의 TFT와 유사하지만(그림 3c, d), CL-ES 구조의 TFT는 관찰되지 않는 뚜렷한 ES 층을 보여줍니다. BCE TFT에서. CL-ES 공정은 주로 ES 패턴을 형성하는 반면, 다층 a-IGZO/Mo/Cu/Mo에 대한 일괄 식각 공정은 BCE 공정에서와 유사한 활성 패턴 및 소스-드레인 전극용 마스크로 수행할 수 있습니다. 따라서 ES 패턴을 제외하고 CL-ES 공정에 사용되는 포토리소그래피 마스크의 수는 BCE 공정과 동일합니다. 이 CL-ES 공정은 기존 ESL 공정의 마스크 수 증가를 피할 수 있고 피처 사이즈가 작아 경제적으로 양산이 가능하다. 또한, TFT LCD 산업에서 통상적으로 사용되는 공정 단순화 절차인 Half-tone 노광을 사용하지 않고 공정 복잡도 및 제조 비용을 모두 감소시킨다.

a-IGZO TFT의 SEM 이미지:a CL-ES 구조의 TFT 평면도, b BCE 구조의 TFT 평면도, c CL-ES 구조의 TFT 단면도 및 d BCE 구조의 TFT 단면도

BCE 제조 공정 동안 BCE 구조 TFT의 표면 결함을 추가로 관찰하기 위해 어닐링 전(샘플 1), 어닐링 후(샘플 2) 및 H2에 노출된 후 a-IGZO 필름의 표면 조성 O₂ Cu 에칭액(샘플 3)은 XPS를 통해 연구됩니다. a-IGZO 필름의 전체 스캔 스펙트럼(그림 4a–c)에서 BCE 제조 공정 중에 In, Ga, Zn, O 및 C 원소의 피크가 존재합니다. 그림 4d에서 볼 수 있듯이 BCE 구조의 TFT는 어닐링 전(샘플 1)과 330°C에서 1 시간 동안 어닐링한 후(샘플 2) a-IGZO 막의 조성에 큰 변화가 없었지만, 젖은 화학 물질에 노출된 후 관찰됨(샘플 3). 특히, 산소와의 결합에너지가 비교적 낮은 아연은 시료 1에서 4.82%, 시료 2에서 5.42%로 나타났으나 시료 3에서는 3.16%로 감소하였다. 다른 프로세스와 In에 대한 Zn의 상대적 백분율 변화는 엄청납니다. 즉, 샘플 1, 2 및 3에 대해 각각 44.1%, 46.0% 및 27.6%입니다. 이것은 산소와 강한 결합 친화력을 갖는 갈륨의 경우와 유사합니다. 즉, 습식 식각 과정에서 산화물 반도체의 노출된 후면에 Zn 및 Ga의 상당한 손실을 포함하는 원치 않는 결함이 발생하였다. 이러한 현상의 원인은 산소에 대한 결합 에너지가 다르고 a-IGZO 필름의 분자 구조가 다르기 때문일 수 있습니다[19].

-IGZO 박막 a의 표면 조성에 대한 XPS 분석 어닐링 전, b 어닐링 후 c H₂ 노출 후 O₂ BCE 공정 중 Cu 에칭액. d 위의 프로세스에 대한 해당 원자 백분율

산성 에칭액에 대한 -IGZO 필름의 내화학성은 매우 약한 것으로 잘 알려져 있습니다[20]. 특히, a-IGZO의 분자 구조를 결정짓는 것으로 여겨지는 Zn의 급격한 손실은 a-IGZO 박막의 표면 구조를 약화시키는 원인이 된다. 또한, 산소와의 강한 결합 에너지를 통해 캐리어 생성을 억제하는 Ga의 환원은 산소 결손 발생 가능성을 증가시킬 수 있다[Vo][21]. 따라서 BCE 구조의 GOA TFT는 상대적으로 약한 H₂ 환경에서도 TFT 후면 채널에 대한 에칭 손상을 피할 수 없습니다. O₂ 기반 Cu 에칭제.

ES 층의 보호를 확인하기 위해 BCE 및 CL-ES(clean etch stopper) 공정으로 준비된 샘플에 대해 TOF-SIMS를 사용하여 a-IGZO TFT 채널 영역의 구성을 연구했습니다(그림 5). Cu ⁺ 이후 a-IGZO 필름에서 수용체 형 결함 및 트랩 전자를 생성할 수 있으므로 a-IGZO TFT 채널은 전기적 안정성을 향상시키기 위해 깨끗해야 합니다. 관찰된 바와 같이 Cu ⁺ BCE 샘플에서 검출된 피크는 CL-ES 샘플의 피크보다 20배 더 큽니다. 또한 Cu ⁺ 의 검출 영역은 Zn ⁺ 의 감지 영역과 겹칩니다. 및 Ga ⁺ 상당 부분(그림 5a). 이러한 결과는 BCE 구조의 TFT에서 a-IGZO 필름이 Cu ⁺ 에 의해 오염되었음을 나타냅니다. TFT 후면 채널 영역의 a-IGZO 필름이 Cu 금속과 직접 접촉하기 때문입니다. CL-ES 구조의 TFT(그림 5b)의 경우 Cu ⁺ a-IGZO TFT 채널 영역과 Cu 금속의 직접적인 접촉이 방지됨을 나타내는 ES 영역에서만 감지됩니다. 놀랍게도 상당한 양의 Zn ⁺ ESL에 나타납니다. 확산된 Zn ⁺ 이는 ESL 증착 동안 더 높은 전처리 플라즈마 조건과 압력 조건으로 인해 발생합니다. 따라서 CL-ES 구조의 TFT에서 ES 층은 a-IGZO 필름의 표면 손상 및 오염을 방지하여 전기적 안정성을 향상시키는 데 필수적입니다.

a를 통해 제작된 a-IGZO TFT의 채널 영역에 대한 TOF-SIMS 분석 기원전 및 b CL-ES 프로세스

CL-ES 및 BCE 구조의 GOA a-IGZO TFT에 대한 고전류 응력(HCS) 평가가 그림 6a에 나와 있습니다. 동일한 기능 크기에 대해 초기 I _ds CL-ES 구조의 TFT의 전류는 429 μA로 BCE 구조의 TFT(343 μA)보다 높습니다. 1000 s에 대한 HCS 평가 후, I _ds CL-ES 구조의 TFT의 전류는 초기 값의 약 82.2%인 352 μA입니다. 대조적으로, 나 _ds BCE 구조의 TFT의 잔류 전류는 183 μA로 감소했으며 초기 값의 53.5%만 유지합니다. 또한 외삽법으로 평가한 바와 같이(그림 6b), I _ds CL-ES 구조의 TFT의 잔류 전류는 302.6 μA로 예상되며 10,000 초 후에도 초기 값의 70.5%를 유지합니다. BCE 구조의 TFT의 경우 I _ds 잔류 전류는 초기 값의 33.7%만 유지하면서 111.7 μA로 급격히 감소합니다. 따라서 동일한 출력 특성에서 CL-ES 공정으로 제작된 GOA TFT의 집적도는 BCE 공정 대비 최대 271%까지 증가할 수 있다.

아 1000 및 b에 대한 실험 데이터 CL-ES 및 BCE 구조의 GOA TFT의 장기 HCS 평가를 위한 외삽

또한 나 -V HCS 신뢰성 평가 중 CL-ES 및 BCE 구조의 GOA TFT의 전달 특성도 측정됩니다(그림 7 및 표 1). CL-ES 구조의 TFT(그림 7a)의 경우 임계 전압은 초기 HCS 평가(25 °C)에서 0.0 V이고 1000 초 동안 60 °C에서 HCS 평가 후 3.5 V입니다. 또한 문턱 전압은 총 변화(ΔV _번째 ) 3.5 V의 하위 임계값 스윙(SS) 값이 0.09에서 0.16 V/dec로 약간 증가했습니다. BCE 구조의 TFT의 경우 임계 전압이 훨씬 더 높아 25 °C에서 4.0 V이며 1000 초 동안 60 °C에서 HCS 평가 후 11.2 V로 증가합니다. 이러한 높은 임계 전압의 가능한 이유는 Cu ⁺ 의 확산입니다. BCE 공정의 습식 에칭 공정 동안 a-IGZO 필름으로. Cu ⁺ a-IGZO 필름 및 Cu ⁺ 의 고밀도에서 억셉터형 결함 부위로 작용할 수 있음 많은 수의 전자를 가둘 수 있습니다. 갇힌 전자는 과도 임계 전압 이동 현상을 초래하는 스크리닝된 쿨롱 전위를 생성합니다. 일반적으로 게이트 절연체 벌크와 벌크 a-IGZO 필름 내부에 새로 형성된 결함 사이트는 TFT의 SS 값을 증가시킬 수 있습니다[11]. 이 결과는 I _ds BCE 구조 TFT의 잔류 전류. 그러나 BCE 구조의 TFT의 SS 값은 0.46에서 0.24 V/dec로 감소하는 경향을 보인다. 이 감소하는 SS 값은 a-IGZO 계면 근처에 전자가 축적되기 때문에 발생하며, 그 후 게이트 절연체가 초기에 존재했던 억셉터형 트랩 사이트의 높은 수준을 빠르게 채울 수 있습니다. 더욱이 트랩 사이트는 HCS에 의해 생성되는 것보다 더 빨리 채워지므로 트랩된 전자의 수는 시간이 지남에 따라 점차 감소합니다. 이는 임계 전압의 긍정적인 이동 동작과 일치합니다.

나 -V a의 HCS 평가 중에 측정된 전달 특성 CL-ES 및 b BCE 구조의 GOA TFT. c의 행동 임계 전압 및 d 1000 s 및 V 간격의 하위 임계값 스윙 _ds =15 V. I의 초기 측정 _d -V _d e의 출력 특성 CL-ES- 및 f V가 있는 BCE 구조의 GOA TFT _gs =0, 5, 10, 15 및 20 V

CL-ES의 특성 균일성은 ESL이 Cu ⁺ 로부터 활성 백 채널 보호를 제공하기 때문에 오염 및 식각액 손상으로 BCE에 비해 안정적인 결과를 얻을 수 있습니다. 또한 출력 곡선의 특성은 BCE와 차이가 없으며 CL-ES 생산 및 안정성을 약속할 수 있다는 점에 유의해야 합니다(표 2, 그림 7e, f).

그림 7 c 및 d는 HCS 평가 진행과 함께 하위 임계값 스윙 및 임계값 전압 동작의 결과를 보여줍니다. 일반적으로 GOA TFT의 하위 임계값 스윙 값은 CL-ES 구조의 TFT에서 볼 수 있듯이 점진적으로 증가합니다(그림 7d). 그러나 BCE 구조의 TFT는 초기에 하위 임계값 스윙 값이 증가하고 이후 HCS 평가 중에 감소하는 비정상적인 동작을 보여줍니다. BCE 구조의 TFT의 SS 값은 기판 온도가 25°C에서 60°C로 증가할 때 0.46 에서 0.55 V/dec로 증가합니다. 동시에 문턱 전압은 4.0에서 2.9 V로 음으로 이동합니다(그림 7c). 이 비정상적인 현상은 H₂에 의한 -IGZO 필름 표면의 손상으로 인한 것입니다. O₂ 불소가 첨가된 에칭제. 앞에서 언급한 바와 같이 a-IGZO 필름의 표면 손상은 Zn, Ga 및 산소 원자의 결핍을 의미하며, 이는 산소 결손을 포함하여 수많은 결함 부위를 형성합니다. 이러한 결함 사이트는 최소 전도대에 가깝고 열 여기가 가능하고 전도대에 대한 전자 소스로 작용할 수 있는 얕은 도너 유사 상태로 활성화되어 a- IGZO TFT 특성. 위의 결과에 기초하여, 작은 수용체 유사 상태와 얕은 공여체 유사 상태로 작용하는 산소 결핍을 가진 CL-ES 구조의 TFT는 BCE 구조의 TFT보다 훨씬 더 나은 구조입니다.