L'effetto dei parametri di anodizzazione sullo strato didielettrico dell'ossido di alluminio dei transistor a film sottile
Summary
I parametri di anodizzazione per la crescita dello strato dielettrico di ossido di alluminio dei transistor a film sottile di ossido di zinco (TCT) sono diversi per determinare gli effetti sulle risposte dei parametri elettrici. L’analisi della varianza (ANOVA) viene applicata a una progettazione Plackett-Burman di esperimenti (DOE) per determinare le condizioni di produzione che determinano prestazioni ottimizzate del dispositivo.
Abstract
L’ossido di alluminio (Al2O3)è un materiale isolante costante a basso costo, facilmente lavorabile e ad alto dielettrico che è particolarmente appropriato per l’uso come strato dielettrico di transistor a film sottile (TFT). La crescita degli strati di ossido di alluminio dall’anodizzazione delle pellicole metalliche in alluminio è notevolmente vantaggiosa rispetto a processi sofisticati come la deposizione di strati atomici (ALD) o i metodi di deposizione che richiedono temperature relativamente elevate (sopra i 300 gradi centigradi) come la combustione acquosa o la pirolisi a spruzzo. Tuttavia, le proprietà elettriche dei transistor dipendono fortemente dalla presenza di difetti e stati localizzati nell’interfaccia semiconduttore/dielettrica, fortemente influenzati dai parametri di produzione dello strato dielettrico anodizzato. Per determinare in che modo diversi parametri di fabbricazione influenzano le prestazioni del dispositivo senza eseguire tutte le possibili combinazioni di fattori, abbiamo utilizzato un’analisi fattoriale ridotta basata su una progettazione di esperimenti (DOE) Plackett-Burman. La scelta di questo DOE permette l’uso di solo 12 esecuzioni sperimentali di combinazioni di fattori (invece di tutte le 256 possibilità) per ottenere le prestazioni ottimizzate del dispositivo. La classificazione dei fattori in base all’effetto sulle risposte dei dispositivi come la mobilità TFT è possibile applicando l’analisi della varianza (ANOVA) ai risultati ottenuti.
Introduction
L’elettronica flessibile, stampata e di grandi aree rappresenta un mercato emergente che dovrebbe attirare miliardi di dollari di investimenti nei prossimi anni. Per raggiungere i requisiti hardware per la nuova generazione di smartphone, display a pannello piatto e dispositivi Internet-of-things (IoT), c’è una grande domanda di materiali che sono leggeri, flessibili e con trasmissione ottica nello spettro visibile senza sacrificare la velocità e le alte prestazioni. Un punto chiave è quello di trovare alternative al silicio amorfo (a-Si) come materiale attivo dei transistor a film sottile (TFT) utilizzati nei circuiti di trasmissione della maggior parte degli attuali display a matrice attiva (AMD). a-Si ha una bassa compatibilità con i substrati flessibili e trasparenti, presenta limitazioni all’elaborazione di grandi aree e ha una mobilità del vettore di circa 1 cm2e V-1, che non può soddisfare le esigenze di risoluzione e frequenza di aggiornamento per i display di nuova generazione.-1 Gli ossidi metallici semiconduttori (SMO) come l’ossido di zinco1,2,3, l’ossido di zinco indium(IO) 4,5 e l’ossido di zinco indium gallium(IG-O) 6,7 sono buoni candidati per sostituire a-Si come strato attivo di TCT perché sono altamente trasparenti nello spettro visibile, sono compatibili con substrati flessibili e la deposizione di grandi aree e possono raggiungere mobilitazioni fino a 80 cm2– V-1s-1. Inoltre, gli SMO possono essere elaborati in una varietà di metodi: RF sputtering6 , pulsed laser deposition (PLD)8, chimica vapor deposition (CVD)9, deposizione atomica (ALD)10, spin-coating11, stampa a getto d’inchiostro12 e pirolisi a spruzzo13.
Tuttavia, poche sfide come il controllo dei difetti intrinseci, le instabilità stimolate aria/UV e la formazione di stati localizzati di semiconduttori/interfaccia dielettriche devono ancora essere superate per consentire la produzione su larga scala di circuiti che comprendono TF basati su SMO. Tra le caratteristiche desiderate di TFT ad alte prestazioni, si può citare il basso consumo energetico, bassa tensione di funzionamento, bassa corrente di perdita del cancello, stabilità della tensione di soglia e funzionamento della frequenza a banda larga, che sono estremamente dipendenti dai dielettricisti cancello (e l’interfaccia semiconduttore / isolante pure). In questo senso, i materiali dielettrici ad alta quota14,15,16 sono particolarmente interessanti in quanto forniscono grandi valori di capacità per unità di superficie e correnti di perdita a bassa luminosità utilizzando pellicole relativamente sottili. L’ossido di alluminio (Al2O3) è un materiale promettente per lo strato dielettrico TFT in quanto presenta un’alta costante dielettrica (da 8 a 12), alta resistenza dielettrica, elevata resistenza elettrica, alta stabilità termica e può essere elaborato come pellicole estremamente sottili e uniformi con diverse tecniche di deposizione/crescita15,17,1818,19,2020,21. Inoltre, l’alluminio è il terzo elemento più abbondante nella crosta terrestre, il che significa che è facilmente disponibile e relativamente economico rispetto ad altri elementi utilizzati per produrre dielettriche ad alto k.
Anche se la deposizione/crescita di Al2O3 pellicole sottili (sotto i 100 nm) possono essere raggiunte con successo da tecniche come lo sputtering magnetron RF, deposizione di vapore chimico (CVD), deposizione di strato atomico (ALD), la crescita per anodizzazione di un sottile strato Metallico Al17,18,21,22,23,24,25,26è particolarmente interessante per l’elettronica flessibile a causa della sua semplicità, basso costo, bassa temperatura, e il controllo dello spessore della pellicola in scala nanometrica.26 Inoltre, l’anodizzazione ha un grande potenziale per la lavorazione roll-to-roll (R2R), che può essere facilmente adattata dalle tecniche di lavorazione già in uso a livello industriale, consentendo un rapido upscaling della produzione.
La crescita di Al2O3 mediante anodizzazione dell’Al metallico può essere descritta dalle seguenti equazioni
2Al – 3 / 2 02 : Al2O3 (1)
2Al : 3H2O : Al2O3 : 3H2 (2)
dove l’ossigeno è fornito dall’ossigeno disciolto nella soluzione elettrolitica o dalle molecole adsorbite sulla superficie della pellicola, mentre le molecole d’acqua sono prontamente disponibili dalla soluzione elettrolitica. La rugosità anodizza della pellicola (che colpisce la mobilità tFT dovuta alla dispersione del vettore all’interfaccia semiconduttore/dielettrica) e la densità degli stati localizzati nell’interfaccia semiconduttore/dielettrica (che colpisce la tensione di soglia TFT e l’isteresi elettrica) dipendono fortemente dai parametri di processo di anodizzazione, per citarne alcuni: il contenuto d’acqua, la temperatura e il pH dell’elettrolita24,27. Altri fattori legati alla deposizione dello strato Al (come il tasso di evaporazione e lo spessore del metallo) o ai processi post-anodizzazione (come l’annealing) possono anche influenzare le prestazioni elettriche dei TFT fabbricati. L’effetto di questi molteplici fattori sui parametri di risposta può essere studiato variando ogni fattore individualmente, mantenendo costanti tutti gli altri fattori, il che è un compito estremamente dispendioso in termini di tempo e inefficiente. La progettazione di esperimenti (DOE), d’altra parte, è un metodo statistico basato sulla variazione simultanea di più parametri, che consente l’identificazione dei fattori più significativi su una risposta alle prestazioni di sistema/dispositivo utilizzando un numero relativamente ridotto di esperimenti28.
Recentemente, abbiamo utilizzato l’analisi multivariata basata su un Plackett-Burman29 DOE per analizzare gli effetti dei parametri di anodizzazione Al2O3 sulle prestazioni di sputtered TFT18. I risultati sono stati utilizzati per trovare i fattori più significativi per diversi parametri di risposta e applicati all’ottimizzazione delle prestazioni del dispositivo modificando solo i parametri relativi al processo di anodizzazione dello strato dielettrico.
Il lavoro attuale presenta l’intero protocollo per la produzione di TTT utilizzando anodizzati Al2O3 film come dielettrici del cancello, nonché una descrizione dettagliata per lo studio dell’influenza dei molteplici parametri di anodizzazione sulle prestazioni elettriche del dispositivo utilizzando un Plackett-Burman DOE. L’importanza degli effetti sui parametri di risposta TFT come la mobilità del vettore è determinata eseguendo l’analisi della varianza (ANOVA) ai risultati ottenuti dagli esperimenti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il processo di anodizzazione utilizzato per ottenere il dielettrico ha una forte influenza sulle prestazioni dei TFT fabbricati, mantenendo costanti tutti i parametri geometrici e i parametri di fabbricazione degli attivi. Per la mobilità TFT, che è uno dei parametri di performance più importanti per i TFT, può variare più di 2 ordini di grandezza modificando i fattori di produzione nell’intervallo fornito dalla tabella I. Pertanto, l’attento controllo dei parametri di anodizzazione è di grande importanza quando si…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono il sostegno finanziario della Fondazione di Ricerca di San Paolo – FAPESP – Brasile (concede 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 e 14/13904-8) e del programma di collaborazione di ricerca Newton Fund della Royal Academy of Engineering. Gli autori riconoscono anche il supporto tecnico di B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima e G.A. de Lima Sobrinho e del gruppo del prof.
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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