薄膜トランジスタの酸化アルミニウム誘電体層に及ぼす陽極化パラメータの効果
Summary
酸化亜鉛薄膜トランジスタ(TfT)の酸化アルミニウム誘電体層の成長のための陽極酸化パラメータは、電気的パラメータ応答に及ぼす影響を決定するために変化する。分散分析(ANOVA)は、実験のプラケット・バーマン計画(DOE)に適用され、デバイス性能の最適化をもたらす製造条件を決定します。
Abstract
酸化アルミニウム(Al2O3)3は、薄膜トランジスタ(TfT)の誘電体層として使用するのに特に適した、低コストで加工しやすく、高誘電性絶縁性絶縁材である。2金属アルミニウムフィルムの陽極酸化によるアルミニウム酸化物層の成長は、水性燃焼や噴霧熱分解などの比較的高温(300°C以上)を必要とする原子層堆積(ALD)や堆積法などの高度なプロセスと比較すると、大きな利点があります。しかし、トランジスタの電気特性は、半導体/誘電体界面における欠陥や局在状態の存在に大きく依存しており、陽極酸化誘電体層の製造パラメータの影響を強く受けます。いくつかの製造パラメータが、可能なすべての組み合わせ因子を実行せずにデバイスのパフォーマンスに与える影響を判断するために、実験のプラケットーバーマン計画(DOE)に基づく要因分析の低減を用いた。このDOEを選択すると、(すべての256の可能性の代わりに)要因の組み合わせの12の実験的な実行を使用して、最適化されたデバイスのパフォーマンスを得ることができます。TFTモビリティなどのデバイス応答に対する影響による因子のランキングは、得られた結果に分散分析(ANOVA)を適用することによって可能です。
Introduction
柔軟で印刷された広域エレクトロニクスは、今後数年間で数十億ドルの投資を集める新興市場を表しています。新世代のスマートフォン、フラットパネルディスプレイ、モノのインターネット(IoT)デバイスのハードウェア要件を達成するために、軽量で柔軟性があり、可視スペクトルの光透過率を持つ材料に対する需要が非常に高く、速度と高性能を犠牲にします。重要なポイントは、現在のアクティブマトリックスディスプレイ(AMD)のほとんどの駆動回路で使用される薄膜トランジスタ(TTF)の活物質としてアモルファスシリコン(a-Si)に代わるものを見つけることです。a-Siは、柔軟で透明な基板との互換性が低く、大面積処理に制限があり、キャリアモビリティは約1cm2の∙V-1の∙s-1で、次世代ディスプレイの解像度とリフレッシュレートのニーズを満たすことができません。酸化亜鉛(ZnO)1、2、3、酸化インジウム亜鉛,2,3(IZO)4、5、酸化亜鉛イン,5ジウム(IGZO)6、7などの半導体金属酸化物(SMO)は、可視スペクトルにおいて6,7高い透過性を持つため、A-SiをTTFの活性層に置き換える有力候補である。 柔軟な基板と大面積の堆積に対応し、80 cm2の∙V-1の∙s-1と高い移動を達成することができます。14また、SMOは、RFスパッタリング6、パルスレーザー蒸着(PLD)8、化学気相蒸着(CVD)9、原子層堆積(ALD)10、スピンコート11、インク10ジェット印刷12および噴霧熱分解13の様々な方法で処理することができる。89
しかし、SMOベースのTTFを含む回路の大規模な製造を可能にするために、本質的な欠陥の制御、空気/UV刺激不安定性、半導体/誘電界局面局在化状態の形成などの課題はほとんどありません。高性能なTTFの望ましい特性の中で、低消費電力、低動作電圧、低ゲートリーク電流、閾値電圧安定性、広帯域周波数動作などは、ゲート誘電体(および半導体/絶縁体インタフェース)に大きく依存しています。この意味で、高κ誘電体材料1414,15,16は、比較的薄膜を用いて単位面積当たりの容量の大きな値と低漏れ電流を提供するため特に興味深い。,15,16酸化アルミニウム(Al2O3)は、高誘電率(8~12)、高誘電率、高い電気抵抗率、高い熱安定性を有し、いくつかの異なる堆積/成長技術15、17、18、19、20、21,17,18によって極めて薄く均一な膜として処理することができるため,19,20、TFT21誘電層にとって有望な材料である。さらに、アルミニウムは地球の地殻の中で3番目に豊富な元素であり、高k誘電体を製造するために使用される他の元素と比較して、簡単に入手でき、比較的安価であることを意味します。
Al2O3薄膜(100nm以下)のフィルムの蒸着/成長はRFマグネトロンスパッタリングなどの技術によって正常に達成できるが、 化学気相成長(CVD)、原子層,堆積(ALD)、薄金属Al層17、18、21、23、24、25、26の陽極酸化による成長は、ナノメートルスケールでの簡易性、低コスト、低温度、および膜厚制御のために、フレキシブルエレクトロニクスにとって特に興味深いものです。17,18,21,22,23,2425,26また、陽極酸化はロール・ツー・ロール(R2R)処理に大きな可能性を秘めており、すでに工業レベルで使用されている加工技術から容易に適応することができ、迅速な製造アップスケーリングが可能です。
金属Alの3陽極酸化によるAl2O3成長は、以下の式で記述できる
2Al + 3 / 2 02 → Al2O33 (1)
2Al + 3H2O → Al2O33 + 3H2 (2)
ここで酸素は、電解液中の溶存酸素によって、またはフィルム表面の吸着分子によって提供されるのに対し、水分子は電解質溶液から速やかに入手できる。陽極酸化フィルム粗さ(半導体/誘電界面でのキャリア散乱によるTFT移動度に影響を与える)と半導体/誘電界面(TFT閾値電圧および電気ヒステリシスに影響を与える)における局在状態の密度は、陽極酸化プロセスパラメータに大きく依存している:水分含有量、温度および電解質24,27,27のpH。Al層堆積(蒸発速度や金属厚さなど)や陽極酸化後のプロセス(アニーリングなど)に関連する他の要因も、製造されたTTFの電気的性能に影響を与える可能性があります。応答パラメータに対するこれらの複数の因子の影響は、他のすべての因子を一定に保ちながら各因子を個別に変化させることによって調べることができ、これは非常に時間がかかり、非効率的な作業です。一方、実験計画(DOE)は、複数パラメータの同時変動に基づく統計的手法であり、比較的少ない数の実験28を用いることによって、システム/デバイス性能応答に関する最も重要な因子を同定できる。
最近、プラケットーバーマン29 DOEに基づく多変量解析を用い、スパッタリングZnO TFTs18の性能に及ぼすAl2O3陽極化パラメータの効果を分析した。結果は、いくつかの異なる応答パラメータの最も重要な要因を見つけるために使用され、誘電体層の陽極酸化プロセスに関連するパラメータのみを変更するデバイスの性能の最適化に適用されました。
現在の研究では、陽極酸化アル2O3フィルムをゲート誘電体として製造3するための全プロトコルと、プラケットーバーマンDOEを用いたデバイス電気性能に対する複数の陽極化パラメータの影響に関する詳細な説明を提示している。キャリア移動度などのTFT応答パラメータに及ぼす影響の意義は、実験から得られた結果に対する分散分析(ANOVA)を行うことによって決定されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
誘電体を得るために使用される陽極酸化プロセスは、TTF製造の性能に強い影響を及ぼし、すべての幾何学的パラメータおよび活性の製造パラメータを一定に保ちます。TFT の最も重要なパフォーマンス パラメータの 1 つである TFT モビリティでは、表 I で指定された範囲の製造係数を変更することで、2 桁以上の大きさを変化させることができます。したがって、陽極酸化パラメータの注意深?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、サンパウロ研究財団- FAPESP – ブラジル(助成金19/05620-3、19/08019-9、19/01671-2、16/03484-7および14/13904-8)と研究協力プログラムニュートン基金からの財政的支援を認める。著者はまた、撮影装置を提供するためのB.F.ダ・シルバ、J.P.ブラガ、J.B.カントゥアリア、G.R.デ・リマ、G.A.デ・リマ・ソブリニョ、マルセロ・デ・カルヴァーリョ・ボルバ教授のグループ(IGCE/UNESP)からの技術サポートを認めています。
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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