O efeito dos parâmetros de anodização na camada dielétrica do óxido de alumínio dos transistores de filme fino
Summary
Os parâmetros de anodização para o crescimento da camada dielétrica de óxido de alumínio de transistores de filme fino de óxido de zinco (TFTs) são variados para determinar os efeitos nas respostas dos parâmetros elétricos. A análise da variância (ANOVA) é aplicada a um projeto Plackett-Burman de experimentos (DOE) para determinar as condições de fabricação que resultam em desempenho otimizado do dispositivo.
Abstract
Óxido de alumínio (Al2O3) é um material isolante constante de baixo custo, facilmente processável e de alto custo dielétrico que é particularmente apropriado para uso como a camada dielétrica de transistores de película fina (TFTs). O crescimento de camadas de óxido de alumínio a partir da anodização de películas de alumínio metálico é muito vantajoso quando comparado a processos sofisticados como a deposição de camadaatômica (ALD) ou métodos de deposição que exigem temperaturas relativamente altas (acima de 300 °C) como combustão aquosa ou pirólise de spray. No entanto, as propriedades elétricas dos transistores são altamente dependentes da presença de defeitos e estados localizados na interface semicondutor/dielétrica, que são fortemente afetados pelos parâmetros de fabricação da camada dielétrica anodizada. Para determinar como vários parâmetros de fabricação influenciam o desempenho do dispositivo sem realizar toda a combinação possível de fatores, utilizou-se uma análise fatorial reduzida com base em um projeto plackett-burman de experimentos (DOE). A escolha deste DOE permite o uso de apenas 12 corridas experimentais de combinações de fatores (em vez de todas as 256 possibilidades) para obter o desempenho otimizado do dispositivo. O ranking dos fatores pelo efeito sobre as respostas dos dispositivos, como a mobilidade TFT, é possível aplicando-se a análise de variância (ANOVA) aos resultados obtidos.
Introduction
Os eletrônicos flexíveis, impressos e de grande porte representam um mercado emergente que deve atrair bilhões de dólares em investimentos nos próximos anos. Para alcançar os requisitos de hardware para a nova geração de smartphones, displays de tela plana e dispositivos de internet das coisas (IoT), há uma enorme demanda por materiais leves, flexíveis e com transmissão óptica no espectro visível sem sacrificar velocidade e alto desempenho. Um ponto-chave é encontrar alternativas ao silício amorfo (a-Si) como o material ativo dos transistores de película fina (TFTs) usados nos circuitos de acionamento da maioria dos atuais monitores de matriz ativa (AMDs). A-Si tem baixa compatibilidade com substratos flexíveis e transparentes, apresenta limitações ao processamento de grandes áreas e possui uma mobilidade portadora de cerca de 1 cm2⁄V-1⁄s-1, que não pode atender às necessidades de resolução e taxa de atualização para displays de próxima geração. Óxidos metálicos semicondutores (SMOs) como óxido de zinco (ZnO)1,2,3, óxido de zinco de índio (IZO)4,5 e óxido de zinco de gálio indium (IGZO)6,7 são bons candidatos para substituir a-Si como a camada ativa de TFTs porque são altamente transparentes no espectro visível, são compatíveis com substratos flexíveis e deposição de grande área e podem alcançar mobilizações de até 80 cm2⁄V-1⁄s-1. Além disso, os SMOs podem ser processados em uma variedade de métodos: RF sputtering6 , deposição a laser pulsada (PLD)8, deposição de vapor químico (CVD)9, deposição de camada atômica (ALD)10, spin-coating11,impressão de jato de tinta12 e spray-pirólise13.
No entanto, poucos desafios como o controle de defeitos intrínsecos, instabilidades estimuladas por ar/UV e formação de estados localizados de interface semicondutor/dielétrica ainda precisam ser superados para permitir a fabricação em larga escala de circuitos que compõem TFTs baseados em SMO. Entre as características desejadas de TFTs de alto desempenho, pode-se citar o baixo consumo de energia, baixa tensão de operação, corrente de vazamento de baixo portão, estabilidade de tensão de limiar e operação de frequência de banda larga, que são extremamente dependentes dos deselétricos do portão (e da interface semicondutor/isolante também). Nesse sentido, materiais dielétricos de alta qualidade14,,15,,16 são particularmente interessantes, pois fornecem grandes valores de capacitância por unidade de área e baixas correntes de vazamento usando filmes relativamente finos. O óxido de alumínio (Al2O3) é um material promissor para a camada dielétrica TFT, uma vez que apresenta uma alta constante dielétrica (de 8 até 12), alta resistência dielétrica, alta resistividade elétrica, alta estabilidade térmica e pode ser processado como filmes extremamente finos e uniformes por várias técnicas diferentes de deposição/crescimento15,17,18,19,20,21. Além disso, o alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, o que significa que ele é facilmente disponível e relativamente barato em comparação com outros elementos usados para produzir dielétricos de alto-k.
Embora a deposição/crescimento de filmes al2O3 thin (abaixo de 100 nm) possa ser alcançado com sucesso por técnicas como rf magnetron sputtering, deposição de vapor químico (DCV), deposição de camada atômica (ALD), o crescimento por anodização de uma fina camada metálica al17,18,,21,22,23,24,25,26 é particularmente interessante para a eletrônica flexível devido à sua simplicidade, baixo custo, baixa temperatura e controle de espessura de filme em escala nanométrica. Além disso, a anodização tem um grande potencial para o processamento roll-to-roll (R2R), que pode ser facilmente adaptado a partir de técnicas de processamento já sendo utilizadas em nível industrial, permitindo uma rápida expansão de fabricação.
O crescimento de Al2O3 por anodização de Al metálico pode ser descrito pelas seguintes equações
2Al + 3 / 2 02 → Al2O3 (1)
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (2)
onde o oxigênio é fornecido pelo oxigênio dissolvido na solução eletrólito ou pelas moléculas adsorvidadas na superfície do filme, enquanto as moléculas de água estão prontamente disponíveis a partir da solução eletrólito. A rugosidade do filme anodizado (que afeta a mobilidade TFT devido à dispersão do portador na interface semicondutor/dielétrica) e a densidade de estados localizados na interface semicondutor/dielétrica (que afeta a tensão do limiar TFT e a histerese elétrica) dependem fortemente dos parâmetros do processo de anodização, para citar alguns: o teor de água, a temperatura e o pH do eletrólito24,27. Outros fatores relacionados à deposição da camada de Al (como taxa de evaporação e espessura metálica) ou a processos pós-anodização (como o recozimento) também podem influenciar o desempenho elétrico de TFTs fabricados. O efeito desses múltiplos fatores nos parâmetros de resposta pode ser estudado variando cada fator individualmente, mantendo todos os outros fatores constantes, o que é uma tarefa extremamente demorada e ineficiente. O desenho de experimentos (DOE), por outro lado, é um método estatístico baseado na variação simultânea de múltiplos parâmetros, o que permite identificar os fatores mais significativos em uma resposta de desempenho de sistema/dispositivo usando um número relativamente reduzido de experimentos28.
Recentemente, utilizou-se uma análise multivariada baseada em um DoE Plackett-Burman29 para analisar os efeitos dos parâmetros de anodização Al2O3 sobre o desempenho dos TfTs ZnO18. Os resultados foram utilizados para encontrar os fatores mais significativos para vários parâmetros de resposta diferentes e aplicados à otimização do desempenho do dispositivo alterando apenas parâmetros relacionados ao processo de anodização da camada dielétrica.
O trabalho atual apresenta todo o protocolo para fabricação de TFTs usando filmes anodizados Al2O3 como dielétricos de portão, bem como uma descrição detalhada para o estudo da influência dos múltiplos parâmetros de anodização no desempenho elétrico do dispositivo usando um DoE Plackett-Burman. A significância dos efeitos nos parâmetros de resposta do TFT, como a mobilidade do transportador, é determinada pela realização da análise de variância (ANOVA) aos resultados obtidos a partir dos experimentos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O processo de anodização utilizado para a obtenção do dielétrico tem forte influência no desempenho dos TFTs fabricados, mantendo constantes todos os parâmetros geométricos e os parâmetros de fabricação do ativo. Para a mobilidade TFT, que é um dos parâmetros de desempenho mais importantes para TFTs, pode variar mais de 2 ordens de magnitude alterando os fatores de fabricação na faixa dada pela Tabela I. Portanto, o controle cuidadoso dos parâmetros de anodização é de grande importância ao fabricar di…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa de São Paulo – FAPESP – Brasil (bolsas 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 e 14/13904-8) e do Programa de Colaboração de Pesquisa Newton Fund da Royal Academy of Engineering. Os autores também reconhecem o apoio técnico de B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima e G.A. de Lima Sobrinho e do grupo do Prof. Marcelo de Carvalho Borba (IGCE/UNESP) para o fornecimento dos equipamentos de filmagem.
Materials
| Acetone | LabSynth | A1017 | ACS reagent grade |
| Aluminum (Al) Wire Evaporation | Kurt J. Lesker Company | EVMAL40060 | 1.5 mm (0.060") Dia.; 1lb; 99.99% |
| Ammonium hydroxide solution | Sigma Aldrich | 338818 | ACS reagent, 28.0-30.0% NH3 basis |
| Chemoface – Software to set a design of experiment (DOE) | Federal University of Lavras (UFLA), Brazil | Free software developed by Federal University of Lavras (UFLA), Brazil – http://www.ufla.br/chemoface/ | |
| Cleaning detergent | Sigma Aldrich | Alconox | Alkaline detergent for substrate cleaning |
| Ethylene glycol | Sigma Aldrich | 102466 | ReagentPlus, ≥99% |
| Isopropanol | LabSynth | A1078 | ACS reagent grade |
| Glass substrates | Sigma Aldrich | CLS294775X50 | Corning microscope slides, plain |
| L-(+)-Tartaric acid | Sigma Aldrich | T109 | ≥99.5% |
| Mechanical shadow mask for deposition of the sputtered ZnO active layer | Lasertools, Brazil | custom mask | 10 mm x 10 mm square. |
| Mechanical shadow mask for TFT gate electrode | Lasertools, Brazil | custom mask | 25 mm long stripe, 3 mm wide. |
| Mechanical shadow mask for TFT source/drain electrodes | Lasertools, Brazil | custom mask | 100 µm stripes, separated by 100 µm gap, overlapping of 5 mm |
| Plasma cleaner | MTI | PDC-32G | Campact plasma cleaner with vacuum pump |
| Sputter coating system | HHV | Auto 500 | RF sputtering system with thickness and deposition rate control |
| Stiring plate | Sun Valley | MS300 | Stiring plate with heating control |
| Thermal evaporator | HHV | Auto 306 | it has a high precision sensor for measure the thickness and rate of deposition of thin films |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2410 | Keithley model 2410 or similar/for anodization process |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2612B | Dual channel source-measure unit (SMU) for TFT measurements |
| Ultrasonic bath | Soni-tech | Soni-top 402A | Ultrasonic bath with heating control |
| Zinc Oxide (ZnO) Sputtering Targets | Kurt J. Lesker Company | EJTZNOX304A3 | 3.0" Dia. x 0.250" Thick; 99.9% |
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