Summary

Der Effekt von Eloxierungsparametern auf die Aluminiumoxid-Dielektrikumsschicht von Dünnschichttransistoren

Published: May 24, 2020
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Summary

Die Eloxierungsparameter für das Wachstum der Aluminiumoxid-Dielektrizitätsschicht von Zinkoxid-Dünnschichttransistoren (TFTs) werden variiert, um die Auswirkungen auf die elektrischen Parameterreaktionen zu bestimmen. Die Varianzanalyse (ANOVA) wird auf ein Plackett-Burman-Experimentdesign (DOE) angewendet, um die Herstellungsbedingungen zu bestimmen, die zu einer optimierten Geräteleistung führen.

Abstract

Aluminiumoxid (Al2O3) ist ein kostengünstiges, leicht verarbeitbares und hochdielektrisches konstantes Isoliermaterial, das sich besonders für den Einsatz als Dielektrikumsschicht von Dünnschichttransistoren (TFTs) eignet. Das Wachstum von Aluminium-Oxid-Schichten aus der Eloxierung metallischer Aluminiumfolien ist im Vergleich zu anspruchsvollen Verfahren wie Atomschichtabscheidung (ALD) oder Abscheidungsmethoden, die relativ hohe Temperaturen (über 300 °C) wie wässrige Verbrennung oder Sprühpyrolyse erfordern, von großem Vorteil. Die elektrischen Eigenschaften der Transistoren sind jedoch stark vom Vorhandensein von Defekten und lokalisierten Zuständen an der Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstelle abhängig, die stark von den Fertigungsparametern der eloxierten Dielektrizitätsschicht beeinflusst werden. Um zu bestimmen, wie mehrere Fertigungsparameter die Geräteleistung beeinflussen, ohne alle möglichen Kombinationen von Faktoren durchzuführen, haben wir eine reduzierte Faktoranalyse auf der Grundlage eines Plackett-Burman-Experimentsentwurfs (DOE) verwendet. Die Wahl dieses DOE erlaubt die Verwendung von nur 12 experimentellen Durchläufen von Kombinationen von Faktoren (anstelle aller 256 Möglichkeiten), um die optimierte Geräteleistung zu erhalten. Die Rangfolge der Faktoren nach den Auswirkungen auf Gerätereaktionen wie die TFT-Mobilität ist möglich, indem die Varianzanalyse (ANOVA) auf die erzielten Ergebnisse angewendet wird.

Introduction

Flexible, gedruckte und großflämliche Elektronik stellen einen aufstrebenden Markt dar, der in den kommenden Jahren Investitionen in Milliardenhöhe anziehen dürfte. Um die Hardware-Anforderungen für die neue Generation von Smartphones, Flachbildschirmen und IoT-Geräten (Internet-of-Things) zu erfüllen, besteht eine große Nachfrage nach Materialien, die leicht, flexibel und mit optischer Durchlässigkeit im sichtbaren Spektrum sind, ohne dabei auf Geschwindigkeit und hohe Leistung zu verzichten. Ein wichtiger Punkt ist die Suche nach Alternativen zu amorphem Silizium (a-Si) als aktives Material der Dünnschichttransistoren (TFTs), die in den Antriebskreisen der meisten aktuellen Aktivmatrix-Displays (AMDs) verwendet werden. a-Si hat eine geringe Kompatibilität zu flexiblen und transparenten Substraten, stellt Einschränkungen bei der Großflächenverarbeitung dar und verfügt über eine Trägermobilität von ca. 1 cm2V-1s-1, die die Anforderungen an Auflösung und Bildwiederholrate für Displays der nächsten Generation nicht erfüllen kann. Halbleitende Metalloxide (SMOs) wie Zinkoxid (ZnO)1,2,3, Indium Zinkoxid (IZO)4,5 und Indium Gallium Zinkoxid (IGZO)6,7 sind gute Kandidaten, um a-Si als aktive Schicht von TFTs zu ersetzen, weil-1sie im sichtbaren Spektrum hochtransparent sind, sind kompatibel zu flexiblen Substraten und großflägter Ablagerung und können Beweglichkeiten bis zu 80 cm-1erreichen. Darüber hinaus können SMOs in einer Vielzahl von Methoden verarbeitet werden: RF Sputtering6 , gepulste Laserabscheidung (PLD)8, chemische Dampfabscheidung (CVD)9, Atomschichtabscheidung (ALD)10, Spin-Coating11, Tintenstrahldruck12 und Sprühpyrolyse13.

Allerdings müssen nur wenige Herausforderungen wie die Kontrolle von Initiierungsdefekten, Luft/UV stimulierte Instabilitäten und die Bildung von Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstellen-Lokalzuständen noch überwunden werden, um die großangelegte Herstellung von Schaltungen aus SMO-basierten TFTs zu ermöglichen. Zu den gewünschten Eigenschaften von Hochleistungs-TFTs gehört der geringe Stromverbrauch, die niedrige Betriebsspannung, der niedrige Gate-Leckstrom, die Schwellenspannungsstabilität und der Breitband-Frequenzbetrieb, die extrem abhängig von der Gate-Dielektrika (und auch der Halbleiter-/Isolatorschnittstelle) sind. In diesem Sinne sind hoch-dielektrische Materialien14,15,16 besonders interessant, da sie große Werte der Kapazität pro Flächeneinheit und niedrige Leckströme mit relativ dünnen Folien liefern. Aluminiumoxid (Al2O3) ist ein vielversprechendes Material für die TFT-Dielektrizitätsschicht, da es eine hohe Dielektrizitätskonstante (von 8 bis 12), eine hohe Dielektrizitätsfestigkeit, einen hohen elektrischen Widerstand, eine hohe thermische Stabilität aufweist und als extrem dünne und gleichmäßige Folien mit mehreren verschiedenen Abscheidungs-/Wachstumstechniken15,17,18,19,20,21verarbeitet werden kann. Darüber hinaus ist Aluminium das dritthäufigste Element in der Erdkruste, was bedeutet, dass es leicht verfügbar und relativ billig im Vergleich zu anderen Elementen, die verwendet werden, um High-k-Dielektrika zu produzieren.

Obwohl die Ablagerung/das Wachstum von Al2O3 dünnen (unter 100 nm) Folien durch Techniken wie HF-Magnetron-Sputtern erfolgreich erreicht werden kann, chemische Dampfabscheidung (CVD), Atomschichtabscheidung (ALD), das Wachstum durch Eloxierung einer dünnen metallischen Al-Schicht17,18,21,22,23,24,25,26 ist aufgrund seiner Einfachheit, niedrigen Kosten, niedrigen Temperatur und Filmdickenregelung im nanometrischen Maßstab besonders interessant für flexible Elektronik. Darüber hinaus hat die Eloxierung ein großes Potenzial für die Walzen-zu-Rolle-Verarbeitung (R2R), die sich leicht an Verarbeitungstechniken anpassen lässt, die bereits auf industrieller Ebene eingesetzt werden, was eine schnelle Hochskalierung ermöglicht.

Al2O3 Wachstum durch Eloxierung von metallischen Al kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden

2Al + 3 / 2 02 x Al2O3 (1)

2Al + 3H2OAl2O3 + 3H2 (2)

wobei der Sauerstoff durch den gelösten Sauerstoff in der Elektrolytlösung oder durch die adsorbierten Moleküle an der Filmoberfläche bereitgestellt wird, während die Wassermoleküle umgehend aus der Elektrolytlösung verfügbar sind. Die eloxierte Filmrauheit (die die TFT-Mobilität durch Trägerstreuung an der Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstelle beeinflusst) und die Dichte der lokalisierten Zustände an der Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstelle (die die TFT-Schwellenspannung und elektrische Hysterese beeinflusst) sind stark von Anodisierungsprozessparametern abhängig, um nur einige zu nennen: den Wassergehalt, die Temperatur und den pH-Wert des Elektrolyten24,27. Andere Faktoren im Zusammenhang mit der Al-Schicht-Abscheidung (wie Verdunstungsrate und Metalldicke) oder nach der Anodisierung (wie Glühen) können auch die elektrische Leistung von hergestellten TFTs beeinflussen. Die Auswirkungen dieser mehrfachen Faktoren auf die Ansprechparameter können untersucht werden, indem jeder Faktor einzeln variiert wird, während alle anderen Faktoren konstant bleiben, was eine extrem zeitaufwändige und ineffiziente Aufgabe ist. Die Versuchsplanung (DOE) hingegen ist eine statistische Methode, die auf der gleichzeitigen Variation mehrerer Parameter basiert, die es ermöglicht, die wichtigsten Faktoren auf einer System-/Geräteleistungsreaktion mithilfe einer relativ reduzierten Anzahl von Experimenten zu identifizieren28.

Kürzlich haben wir eine multivariate Analyse auf Basis eines Plackett-Burman29 DOE verwendet, um die Auswirkungen von Al2O 3-Eloxierungsparametern auf die Leistung von sputterten ZnO TFTs3 18zu analysieren. Die Ergebnisse wurden verwendet, um die wichtigsten Faktoren für mehrere verschiedene Ansprechparameter zu finden und auf die Optimierung der Geräteleistung angewendet, die nur Parameter im Zusammenhang mit dem Eloxierungsprozess der dielektrischen Schicht ändert.

Die aktuelle Arbeit präsentiert das gesamte Protokoll zur Herstellung von TFTs mit eloxierten Al2O3-Folien als Gate Dielektrika sowie eine detaillierte Beschreibung für die Untersuchung des Einflusses der mehrfachen Eloxalisierungsparameter auf die elektrische Leistung des Geräts mit Hilfe eines Plackett-Burman DOE. Die Bedeutung der Auswirkungen auf TFT-Antwortparameter wie die Carrier-Mobilität wird durch die Analyse der Varianz (ANOVA) zu den Ergebnissen der Experimente bestimmt.

Protocol

Das in dieser Arbeit beschriebene Protokoll ist unterteilt in: i) Vorbereitung der elektrolytischen Lösung zur Eloxierung; ii) Substratreinigung und -zubereitung; iii) Anodisierungsprozess; iv) Ablagerung der aktiven TFT-Schicht und der Abfluss-/Quellenelektroden; v) TFT-Elektrocharakterisierung und -analyse und vi) Anwendung von ANOVA zur Bestimmung der Bedeutung der Herstellungsfaktoren für die TFT-Mobilität. 1. Vorbereitung der elektrolytischen Anodisierungslösung Führen Sie …

Representative Results

Acht verschiedene Parameter für die Herstellung von Aluminiumoxidschichten wurden als Herstellungsfaktoren verwendet, mit denen wir den Einfluss auf die TFT-Leistung analysierten. Diese Faktoren werden in Tabelle 1aufgezählt, in der die entsprechenden Werte “niedrig” (-1) und “hoch” (+1) für den zweistufigen faktoriellen DOE dargestellt werden. Der Einfachheit halber wurde jeder Fertigungsfaktor durch einen Großbuchstaben (A, B, C usw.) und die entsprechende “niedrige” ode…

Discussion

Der Eloxalisierungsprozess, der zur Gewinnung des Dielektrikums verwendet wird, hat einen starken Einfluss auf die Leistung der hergestellten TFTs, wobei alle geometrischen Parameter und die Fertigungsparameter des Aktiven konstant bleiben. Für die TFT-Mobilität, die einer der wichtigsten Leistungsparameter für TFTs ist, kann sie mehr als 2 Größenordnungen variieren, indem sie die Fertigungsfaktoren in der in Tabelle I angegebenen Spanne ändert. Daher ist die sorgfältige Kontrolle der Eloxalisierungsparameter bei …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung der Forschungsstiftung FAPESP – Brasilien (Zuschüsse 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 und 14/13904-8) und des Research Collaboration Program Newton Fund der Royal Academy of Engineering. Die Autoren würdigen auch die technische Unterstützung von B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima und G.A. de Lima Sobrinho und der Gruppe von Prof. Marcelo de Carvalho Borba (IGCE/UNESP) für die Bereitstellung der Filmausrüstung.

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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Citazione di questo articolo
Gomes, T. C., Kumar, D., Alves, N., Kettle, J., Fugikawa-Santos, L. The Effect of Anodization Parameters on the Aluminum Oxide Dielectric Layer of Thin-Film Transistors. J. Vis. Exp. (159), e60798, doi:10.3791/60798 (2020).

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