洁净刻蚀停止层与特征尺寸缩小提升a-IGZO TFT可靠性

摘要

我们利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）研究了洁净刻蚀停止层（CL-ES）工艺和背沟道刻蚀（BCE）工艺中扩散Cu⁺对非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）薄膜晶体管（TFT）微观结构和性能的影响。结果证实，由洁净SiOₓ刻蚀停止层组成的CL-ES层保护a-IGZO沟道免受源漏（S/D）刻蚀剂侵蚀并阻挡Cu⁺扩散。因此，CL-ES结构TFT表现出优异的输出稳定性（最终I_ds/初始I_ds = 82.2%），远超BCE结构TFT（53.5%）。CL-ES器件还实现更低的初始亚阈值摆幅（SS，0.09 V dec⁻¹ vs 0.46 V dec⁻¹）和更小的SS退化（0.16 V dec⁻¹ vs 0.24 V dec⁻¹，经高电流应力HCS后）。值得注意的是，CL-ES TFT阈值电压偏移仅3.5 V，而BCE TFT为7.2 V，表明可靠性显著更高。结果表明CL-ES工艺是可规模化、高性能a-IGZO显示器的有前途路线。

背景

现代显示产品要求大尺寸、高分辨率、窄边框和优雅外观。阵列上栅驱动IC（GOA）技术通过串行发送栅信号到面板，节省成本（省去G-IC和键合步骤）并实现窄边框设计。然而，GOA TFT需提供更大输出电流和更长导通时间，对可靠性要求比像素TFT更严苛。非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）因高饱和电子迁移率（5–10 cm²V⁻¹s⁻¹）和超低关态电流（<1 pA）成为领先沟道材料。传统BCE工艺将a-IGZO背沟道暴露于强腐蚀刻蚀剂（HNO₃、H₃PO₄、CH₃COOH），广泛用于像素TFT，但受刻蚀剂诱导损伤和沟道Cu污染限制，不适合大电流GOA TFT。采用坚固SiOₓ层的洁净刻蚀停止（CL-ES）策略可屏蔽沟道免受刻蚀剂和Cu扩散，提升大面积显示器均匀性和稳定性。本研究在缩小特征尺寸的a-IGZO GOA TFT上评估CL-ES工艺，对比BCE结构器件的微观结构和电学性能。

实验方法

a-IGZO GOA TFT制备

CL-ES TFT通过改进的五步CL-ES序列制备（图1）。先图形化Mo/Cu栅电极，PECVD在340°C沉积SiNₓ/SiOₓ（3000 Å/1000 Å）介质堆叠。室温溅射300 Å a-IGZO膜（15% O₂）。240°C沉积1000 Å SiOₓ刻蚀停止层（ESL），用CF₄等离子体图形化，保护有源区下a-IGZO。随后溅射S/D电极（Mo/Cu/Mo），用0.2 wt%氟添加剂H₂O₂溶液刻蚀，以ES图形为掩膜。最后沉积3000 Å钝化层。BCE器件用传统BCE工艺和相同掩膜制备以直接对比。

表征

SEM（Camscan Mx2600FE）和XPS（PHI Quantera II）检查形貌和成分；TOF-SIMS（IONTOF, TOF-SIMS 5）探测Cu扩散。电学测试用Keysight 4082A分析仪在暗箱60°C下进行。高电流应力（HCS）可靠性评估：V_gs=25 V、V_ds=25 V下持续1000秒，每秒记录I_ds，每100秒记录传输特性。

结果与讨论

图2展示CL-ES制备的GOA TFT，沟道宽长分别120 µm和10 µm。所有器件激光隔离确保独立测量，I_off噪声3 pA，确认串扰可忽略。

SEM分析（图3）显示CL-ES器件实现4 µm×6 µm沟道尺寸——与BCE器件相当——同时保留ESL层。CL-ES工艺除BCE所用光刻步骤外无需额外光刻，减少掩膜数量，简化生产。

XPS谱（图4）显示BCE工艺退火后不显著改变a-IGZO成分，但经H₂O₂ Cu刻蚀剂暴露后Zn和Ga大量流失。Zn从5.42%降至3.16%，Ga类似趋势，凸显刻蚀剂诱导缺陷和氧空位增加。

TOF-SIMS映射（图5）证实Cu⁺在BCE器件中渗透a-IGZO沟道，Cu峰比CL-ES器件高20倍，后者Cu被限制在ESL内。Zn扩散入ESL也表明ESL沉积高能等离子体可引入缺陷。CL-ES器件的ESL同时作为刻蚀剂屏蔽和Cu扩散屏障，保持沟道纯度。

高电流应力测试（图6）显示CL-ES TFT 1000秒后保留82.2%初始I_ds，BCE TFT跌至53.5%。外推预测CL-ES器件10000秒保持70.5%，BCE仅33.7%，集成可靠性提升271%。

传输特性演变（图7、表1）显示CL-ES TFT经1000秒、60°C HCS后V_th从0.0 V偏移至3.5 V，SS适度从0.09增至0.16 V dec⁻¹。对比BCE TFT V_th剧烈从4.0升至11.2 V，SS从0.46降至0.24 V dec⁻¹，反映严重Cu诱导陷阱形成和表面损伤。CL-ES工艺因此产生优越的电学稳定性和均匀性。

CL-ES TFT显示器件间一致的输出曲线，BCE器件显著变异，凸显基于ESL保护对大面积均匀性的重要性。

结论

我们证明洁净刻蚀停止（CL-ES）层结合特征尺寸缩小，显著提升a-IGZO GOA TFT性能和可靠性。CL-ES工艺消除刻蚀损伤和Cu扩散，实现更高残余I_ds（≈初始值187%）、更低初始SS（0.09 V dec⁻¹）和更小V_th偏移（3.5 V）。这些优势实现更高集成密度、成本效益制造和稳健运行，面向下一代窄边框高分辨率显示器。