Effekten af annodisering parametre på aluminiumoxid dielektriske lag af tyndfilm transistorer
Summary
Annodiseringsparametre for vækst af aluminiumoxiddielektrisk lag af zinkoxid tyndfilmstransistorer (TFTs) er varierede for at bestemme virkningerne på de elektriske parameterreaktioner. Analyse af varians (ANOVA) anvendes på en Plackett-Burman design af eksperimenter (DOE) for at bestemme de produktionsforhold, der resulterer i optimeret enhed ydeevne.
Abstract
Aluminiumoxid (Al2O3) er en lav pris, let procesbart og høj dielektrisk konstant isolerende materiale, der er særligt velegnet til brug som det dielektriske lag af tyndfilmstransistorer (TFTs). Vækst af aluminiumoxid lag fra annodisering af metallisk aluminium film er meget fordelagtigt i forhold til avancerede processer såsom atomlag aflejring (ALD) eller aflejring metoder, der kræver relativt høje temperaturer (over 300 °C) såsom vandig forbrænding eller spray-pyrolyse. Transistorernes elektriske egenskaber er imidlertid stærkt afhængige af tilstedeværelsen af defekter og lokaliserede tilstande ved halvleder/dielektrisk grænseflade, som er stærkt påvirket af produktionsparametrene for det annodiserede dielektriske lag. For at bestemme, hvordan flere fabrikationsparametre påvirker enhedens ydeevne uden at udføre alle mulige kombinationer af faktorer, brugte vi en reduceret faktoranalyse baseret på et Plackett-Burman-design af eksperimenter (DOE). Valget af denne DOE tillader brug af kun 12 eksperimentelle kørsler af kombinationer af faktorer (i stedet for alle 256 muligheder) for at opnå den optimerede enhed ydeevne. Placeringen af faktorerne ved effekten på enhedens reaktioner, såsom TFT-mobiliteten, er mulig ved at anvende variansanalyse (ANOVA) på de opnåede resultater.
Introduction
Fleksibel, trykt og stort område elektronik repræsenterer et nyt marked, der forventes at tiltrække milliarder af dollars i investeringer i de kommende år. For at opnå hardwarekravene til den nye generation af smartphones, fladskærme og IoT-enheder (Internet-of-Things), er der stor efterspørgsel efter materialer, der er lette, fleksible og med optisk transmission i det synlige spektrum uden at gå på kompromis med hastighed og høj ydeevne. Et centralt punkt er at finde alternativer til amorf silicium (a-Si) som det aktive materiale af tyndfilmstransistorer (TFT’er), der anvendes i drevkredsløbene i de fleste af de nuværende aktive matrixdisplays (AMD’er). a-Si har lav kompatibilitet med fleksible og gennemsigtige underlag, har begrænsninger for behandling i store områder og har en operatørmobilitet på ca. 1 cm2∙V-1∙s-1, som ikke kan opfylde behovet for opløsning og opdateringshastighed for næste generations skærme. Halvledende metaloxider (SMO’er) såsom zinkoxid (ZnO)1,,2,,3,indium zinkoxid (IZO)4,,5 og indium gallium zinkoxid (IGZO)6,7 er gode kandidater til at erstatte a-Si som det aktive lag af TFT’er, fordi de er meget gennemsigtige i det synlige spektrum, er kompatible med fleksible underlag og store områdeaflejringer og kan opnå mobiliteter så højt som 80 cm2∙V-1∙s-1. Desuden kan SMO’er behandles i en række forskellige metoder: RF sputtering6 , pulserende laser aflejring (PLD)8, kemisk damp aflejring (CVD)9, atomlag aflejring (ALD)10, spin-belægning11, ink-jet udskrivning12 og spray-pyrolyse13.
Men kun få udfordringer såsom kontrol af iboende defekter, luft / UV stimuleret ustabilitet og dannelse af halvleder / dielektrisk interface lokaliserede stater stadig skal overvindes for at muliggøre storstilet fremstilling af kredsløb, der omfatter SMO-baserede TFTs. Blandt de ønskede egenskaber ved højtydende TFTs, kan man nævne det lave strømforbrug, lav driftsspænding, lav gate lækagestrøm, tærskel spændingsstabilitet og wideband frekvens drift, som er yderst afhængige af porten dielectrics (og halvleder / isolator interface samt). I denne forstand, høj-κ dielektriske materialer14,15,16 er særligt interessant, da de giver store værdier af kapacitans per enhed område og lav lækage strømme ved hjælp af relativt tynde film. Aluminiumoxid (Al2O3) er et lovende materiale til TFT dielektriske lag, da det præsenterer en høj dielektrisk konstant (fra 8 op til 12), høj dielektrisk styrke, høj elektrisk resistivitet, høj termisk stabilitet og kan behandles som ekstremt tynde og ensartede film ved flere forskellige deposition / vækst teknikker15,17,18,19,20,21. Derudover aluminium er den tredje mest rigelige element i Jordens skorpe, hvad betyder, at det er let tilgængelige og relativt billige i forhold til andre elementer, der anvendes til at producere high-k dielectrics.
Selv om deposition / vækst af Al2O3 tynde (under 100 nm) film kan med held opnås ved teknikker såsom RF magnetron sputtering, kemisk damp aflejring (CVD), atomlag aflejring (ALD), væksten ved anodisering af en tynd metallisk Al lag17,,18,,21,,22,,23,,24,25,,26 er særligt interessant for fleksibel elektronik på grund af sin enkelhed, lave omkostninger, lav temperatur, og tykkelse ser tykkelse i nanometrisk skala. Desuden har annodisering et stort potentiale for roll-to-roll (R2R) behandling, som let kan tilpasses fra forarbejdningsteknikker, der allerede anvendes på industrielt plan, hvilket muliggør hurtig produktionsopskalering.
Al2O3 vækst ved anodisering af metallisk Al kan beskrives ved følgende ligninger
2Al + 3 / 2 02 → Al2O3 (1)
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (2)
hvor ilten leveres af den opløste ilt i elektrolytteopløsningen eller af adsorberemolekylerne på filmoverfladen, mens vandmolekylerne straks fås fra elektrolytopløsningen. Den annodiserede film ruhed (som påvirker TFT mobilitet på grund af luftfartsselskab spredning på halvleder / dielektrisk interface) og tætheden af lokaliserede stater på halvleder / dielektrisk grænseflade (som påvirker TFT tærskel spænding og elektrisk hysterese) er stærkt afhængige af annodisering procesparametre, for at nævne nogle få: vandindholdet, temperaturen og pH af elektrolytten24,27. Andre faktorer relateret til Al lag aflejring (som fordampning sats og metal tykkelse) eller til post-anodisering processer (som glødning) kan også påvirke den elektriske ydeevne fabrikerede TFTs. Virkningen af disse mange faktorer på responsparametre kan undersøges ved at variere hver faktor individuelt og samtidig holde alle andre faktorer konstante, hvilket er en ekstremt tidskrævende og ineffektiv opgave. Design af forsøg (DOE), på den anden side, er en statistisk metode baseret på den samtidige variation af flere parametre, som gør det muligt at identificere de vigtigste faktorer på et system / enhed ydeevne respons ved hjælp af et relativt reduceret antal eksperimenter28.
For nylig har vi brugt multivariat analyse baseret på en Plackett-Burman29 DOE til at analysere virkningerne af Al2O3 anodisering parametre på udførelsen af sputtered ZnO TFTs18. Resultaterne blev brugt til at finde de mest betydningsfulde faktorer for flere forskellige responsparametre og anvendt på optimering af enhedens ydeevne, der kun ændrer parametre relateret til anodiseringsprocessen for det dielektriske lag.
Det nuværende arbejde præsenterer hele protokollen for fremstilling tfts ved hjælp af annodiseret Al2O3 film som gate dielectrics, samt en detaljeret beskrivelse af undersøgelsen af indflydelsen af de mange annodisering parametre på enhedens elektriske ydeevne ved hjælp af en Plackett-Burman DOE. Betydningen af virkningerne på TFT-responsparametre såsom bærestolens mobilitet bestemmes ved at udføre variansanalyse (ANOVA) på resultaterne fra forsøgene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den annodiseringsproces, der anvendes til at opnå dielektriske har en stærk indflydelse på udførelsen af TFTs fremstillet, holde konstant alle geometriske parametre og fabrikation parametre af de aktive. For TFT-mobiliteten, som er en af de vigtigste præstationsparametre for TFT’er, kan den variere mere end 2 størrelsesordener ved at ændre produktionsfaktorerne i det område, der er angivet i tabel I. Derfor er den omhyggelige kontrol af anodiseringsparametrene af stor betydning, når der fremstilles anordninger b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender den finansielle støtte fra São Paulo Research Foundation – FAPESP – Brasilien (tilskud 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 og 14/13904-8) og Research Collaboration Program Newton Fund fra Royal Academy of Engineering. Forfatterne anerkender også den tekniske støtte fra B. F. da Silva, JP Braga, JB Cantuaria, G.R. de Lima og G.A. de Lima Sobrinho og Prof. Marcelo de Carvalho Borba gruppe (IGCE / UNESP) for at levere filme udstyr.
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% |
References
- Fortunato, E. M. C., et al. Fully Transparent ZnO Thin-Film Transistor Produced at Room Temperature. Advanced Materials. 17 (5), 590-594 (2005).
- Fortunato, E. M. C., et al. Wide-bandgap high-mobility ZnO thin-film transistors produced at room temperature. Applied Physics Letters. 85 (13), 2541-2543 (2004).
- Nomura, K., et al. Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor. Science. 300 (5623), 1269-1272 (2003).
- Noviyana, I., et al. High Mobility Thin Film Transistors Based on Amorphous Indium Zinc Tin Oxide. Materials. 10 (7), (2017).
- Nomura, K., et al. Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors. Japanese Journal of Applied Physics. 45 (5), 4303-4308 (2006).
- Kamiya, T., Nomura, K., Hosono, H. Present status of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors. Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4), 044305 (2010).
- Lin, C. I., Fang, Y. K., Chang, W. C. The IGZO fully transparent oxide thin film transistor on glass substrate. International Journal of Nanotechnology. 12, 3 (2015).
- Craciun, V., et al. Optical properties of amorphous indium zinc oxide thin films synthesized by pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 306, 52-55 (2014).
- Suh, S., Hoffman, D. M. A new metal-organic precursor for the low-temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition of zinc oxide. Journal of Materials Science Letters. 8, 789-791 (1999).
- Lin, Y. -. Y., Hsu, C. -. C., Tseng, M. -. H., Shyue, J. -. J., Tsai, F. -. Y. Stable and High-Performance Flexible ZnO Thin-Film Transistors by Atomic Layer Deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (40), 22610-22617 (2015).
- Walker, D. E., et al. High mobility indium zinc oxide thin film field-effect transistors by semiconductor layer engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 4 (12), 6835-6841 (2012).
- Meyers, S. T., et al. Aqueous Inorganic Inks for Low-Temperature Fabrication of ZnO TFTs. Journal of the American Chemical Society. 130 (51), 17603-17609 (2008).
- Krunks, M., Mellikov, E. Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method. Thin Solid Films. 270 (1-2), 33-36 (1995).
- Adamopoulos, G., Thomas, S., Bradley, D. D. C., McLachlan, M. A., Anthopoulos, T. D. Low-voltage ZnO thin-film transistors based on Y2O3 and Al2O3 high-k dielectrics deposited by spray pyrolysis in air. Applied Physics Letters. 98 (12), 123503 (2011).
- Branquinho, R., et al. Aqueous combustion synthesis of aluminum oxide thin films and application as gate dielectric in GZTO solution-based TFTs. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (22), 19592-19599 (2014).
- Shan, F., et al. Low-Voltage High-Stability InZnO Thin-Film Transistor Using Ultra-Thin Solution-Processed ZrOx Dielectric. Journal of Display Technology. 11 (6), 541-546 (2015).
- Lin, Y., et al. A Highly Controllable Electrochemical Anodization Process to Fabricate Porous Anodic Aluminum Oxide Membranes. Nanoscale Research Letters. 10 (1), 495 (2015).
- Gomes, T. C., Kumar, D., Fugikawa-Santos, L., Alves, N., Kettle, J. Optimization of the Anodization Processing for Aluminum Oxide Gate Dielectrics in ZnO Thin Film Transistors by Multivariate Analysis. ACS Combinatorial Science. , (2019).
- Min, L., et al. Dual Gate Indium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors Based on Anodic Aluminum Oxide Gate Dielectrics. IEEE Transactions on Electron Devices. 61 (7), 2448-2453 (2014).
- Liu, A., et al. Eco-friendly water-induced aluminum oxide dielectrics and their application in a hybrid metal oxide/polymer TFT. RSC Advances. 5 (105), 86606-86613 (2015).
- Berndt, L. Anodization of Aluminum in Highly Viscous Phosphoric Acid. PART 2: Investigation of Anodic Oxide Formation and Dissolution Rates. International Journal of Electrochemical Science. , 9531-9550 (2018).
- Huang, S. Z., Hwu, J. G. Electrical characterization and process control of cost-effective high-k aluminum oxide gate dielectrics prepared by anodization followed by furnace annealing. IEEE Transactions on Electron Devices. 50 (7), 1658-1664 (2003).
- Iino, Y., et al. Organic Thin-Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxidized High-Dielectric-Constant Insulators. Japanese Journal of Applied Physics. 42, 299-304 (2003).
- Hickmott, T. W. Electrolyte effects on charge, polarization, and conduction in thin anodic Al2O3 films. I. Initial charge and temperature-dependent polarization. Journal of Applied Physics. 102 (9), 093706 (2007).
- Majewski, L. A., Schroeder, R., Grell, M. One Volt Organic Transistor. Advanced Materials. 17 (2), 192-196 (2005).
- Hickmott, T. W. Temperature dependence of the dielectric response of anodized Al-Al2O3-metal capacitors. Journal of Applied Physics. 93 (6), 3461-3469 (2003).
- Hickmott, T. W. Interface states at the anodized Al2O3-metal interface. Journal of Applied Physics. 89 (10), 5502-5508 (2001).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. . DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. , (2015).
- Ferreira, S. L. C., et al. Robustness evaluation in analytical methods optimized using experimental designs. Microchemical Journal. 131, 163-169 (2017).
- Nunes, C. A., Freitas, M. P., Pinheiro, A. C. M., Bastos, S. C. Chemoface: a novel free user-friendly interface for chemometrics. Journal of the Brazilian Chemical Society. 23 (11), 2003-2010 (2012).
