Effekten av anodiseringparametere på aluminiumoksiddielektrisk lag av tynnfilmtransistorer
Summary
Anodiseringsparametere for vekst av aluminiumoksiddielektrisk lag av sinkoksid tynnfilmtransistorer (TFTs) er varierte for å bestemme effekten på de elektriske parameterresponsene. Analyse av varians (ANOVA) brukes på en Plackett-Burman-design av eksperimenter (DOE) for å bestemme produksjonsforholdene som resulterer i optimalisert enhetsytelse.
Abstract
Aluminiumoksid (Al2O3) er en lav pris, lett bearbeidelig og høy dielektrisk konstant isolerende materiale som er spesielt egnet for bruk som det dielektriske laget av tynnfilmtransistorer (TFTs). Vekst av aluminium-oksid lag fra anodisering av metalliske aluminium filmer er sterkt fordelaktig i forhold til sofistikerte prosesser som atomlag deponering (ALD) eller deponeringsmetoder som krever relativt høye temperaturer (over 300 °C) som vandig forbrenning eller spray-pyrolyse. Imidlertid er de elektriske egenskapene til transistorene svært avhengige av tilstedeværelsen av defekter og lokaliserte tilstander ved halvleder /dielektrisk grensesnitt, som er sterkt påvirket av produksjonsparametrene til det elokserte dielektriske laget. For å finne ut hvordan flere fabrikasjonsparametere påvirker enhetens ytelse uten å utføre alle mulige kombinasjoner av faktorer, brukte vi en redusert faktoriell analyse basert på en Plackett-Burman-design av eksperimenter (DOE). Valget av denne DOE tillater bruk av bare 12 eksperimentelle kjøringer av kombinasjoner av faktorer (i stedet for alle 256 muligheter) for å oppnå optimalisert enhetsytelse. Rangeringen av faktorene ved effekten på enhetsresponser som TFT mobilitet er mulig ved å bruke analyse av varians (ANOVA) til de oppnådde resultatene.
Introduction
Fleksibel, trykt og stor arealelektronikk representerer et fremvoksende marked som forventes å tiltrekke seg milliarder av dollar i investeringer i de kommende årene. For å oppnå maskinvarekravene for den nye generasjonen smarttelefoner, flatskjermer og Tingenes Internett-enheter (IoT), er det stor etterspørsel etter materialer som er lette, fleksible og med optisk overføring i det synlige spekteret uten å ofre hastighet og høy ytelse. Et sentralt poeng er å finne alternativer til amorfe silisium (a-Si) som det aktive materialet til tynnfilmtransistorene (TFTs) som brukes i drivkretsene til de fleste av de nåværende aktive matriseskjermene (AMDs). a-Si har lav kompatibilitet til fleksible og gjennomsiktige underlag, presenterer begrensninger for storarealbehandling, og har en bærermobilitet på ca. 1 cm2∙V-1∙s-1, som ikke kan dekke behovene til oppløsning og oppdateringsfrekvens for neste generasjons skjermer. Halvledende metalloksider (SMOer) som sinkoksid (ZnO)1,2,3, indium sinkoksid (IZO)4,5 og indium gallium sinkoksid (IGZO)6,7 er gode kandidater til å erstatte a-Si som det aktive laget av TFTs fordi de er svært gjennomsiktige i det synlige spekteret, er kompatible med fleksible underlag og store områdeavsetning og kan oppnå mobiliteter så høyt som 80 cm2∙V-1∙s-1. Videre kan SMOer behandles i en rekke metoder: RF sputtering6 , pulserende laserdeponering (PLD)8, kjemisk dampdeponering (CVD)9, atomlagdeponerings (ALD)10, spin-belegg11, blekkstråleutskrift12 og spray-pyrolyse13.
Imidlertid må få utfordringer som kontroll av iboende defekter, luft / UV stimulert ustabilitet og dannelse av halvleder / dielektrisk grensesnitt lokaliserte stater fortsatt må overvinnes for å muliggjøre storskala produksjon av kretser bestående av SMO-baserte TFTs. Blant de ønskede egenskapene til høyytelses TFTs kan man nevne lavt strømforbruk, lav driftsspenning, lav portlekkasjestrøm, terskelspenningsstabilitet og bredbåndsfrekvensdrift, som er ekstremt avhengig av portdielektriske (og halvleder/isolatorgrensesnittet også). I denne forstand, høy-κ dielektriske materialer14,15,16 er spesielt interessant siden de gir store verdier av kapasitans per enhet område og lav lekkasje strømmer ved hjelp av relativt tynne filmer. Aluminiumoksid (Al2O3) er et lovende materiale for TFT dielektrisk lag siden det presenterer en høy dielektrisk konstant (fra 8 til 12), høy dielektrisk styrke, høy elektrisk resistivitet, høy termisk stabilitet og kan behandles som ekstremt tynne og ensartede filmer av flere forskjellige deponering / vekst teknikker15,17,18,19,20,21. I tillegg er aluminium det tredje mest tallrike elementet i jordskorpen, noe som betyr at den er lett tilgjengelig og relativt billig sammenlignet med andre elementer som brukes til å produsere høy-k dielektriske.
Selv om deponering/vekst av Al2O3 tynne (under 100 nm) kan filmer oppnås med hell ved teknikker som RF magnetron sputtering, kjemisk damp deponering (CVD), atomlagdeponerings (ALD), veksten ved anodisering av et tynt metallisk Al-lag17,,18,,21,,22,,23,,24,,25,26 er spesielt interessant for fleksibel elektronikk på grunn av sin enkelhet, lave kostnader, lav temperatur og filmtykkelseskontroll i nanometrisk skala. Dessuten har anodisering et stort potensial for roll-to-roll (R2R) behandling, som lett kan tilpasses fra behandlingsteknikker som allerede brukes på industrielt nivå, noe som tillater rask produksjon oppskalering.
Al2O3 vekst ved anodisering av metallisk Al kan beskrives av følgende ligninger
2Al + 3 / 2 02 → Al2O3 (1)
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (2)
hvor oksygenet leveres av oppløst oksygen i elektrolyttløsningen eller av adsorbedmolekylene på filmoverflaten, mens vannmolekylene straks er tilgjengelige fra elektrolyttløsningen. Den anodiserte filmruheten (som påvirker TFT-mobiliteten på grunn av bærerspredning ved halvleder/dielektrisk grensesnitt) og tettheten av lokaliserte stater ved halvleder/dielektrisk grensesnitt (som påvirker TFT-terskelspenningen og elektrisk hysterese) er sterkt avhengig av anodiseringsprosessparametere, for å nevne noen: vanninnholdet, temperaturen og pH-en til elektrolytten24,27. Andre faktorer knyttet til Al-lagavsetning (som fordampningshastighet og metalltykkelse) eller til post-anodiseringsprosesser (som gløding) kan også påvirke den elektriske ytelsen til fabrikkerte TFTs. Effekten av disse flere faktorene på responsparametere kan studeres ved å variere hver faktor individuelt samtidig som alle andre faktorer holdes konstante, noe som er en ekstremt tidkrevende og ineffektiv oppgave. Design av eksperimenter (DOE), derimot, er en statistisk metode basert på samtidig variasjon av flere parametere, som tillater identifisering av de viktigste faktorene på et system / enhets ytelsesrespons ved hjelp av et relativt redusert antall eksperimenter28.
Nylig har vi brukt multivariatanalyse basert på en Plackett-Burman29 DOE for å analysere effekten av Al2O3 anodiseringsparametere på ytelsen til sputtered ZnO TFTs18. Resultatene ble brukt til å finne de viktigste faktorene for flere forskjellige svarparametere og brukt på optimalisering av enhetens ytelse som endret bare parametere knyttet til anodiseringsprosessen til det dielektriske laget.
Det nåværende arbeidet presenterer hele protokollen for produksjon av TFTs ved hjelp av anodiserte Al2O3-filmer som gate dielectricals, samt en detaljert beskrivelse for studiet av påvirkning av de flere anodiseringsparametrene på enhetens elektriske ytelse ved hjelp av en Plackett-Burman DOE. Betydningen av effektene på TFT-responsparametere som transportørmobiliteten bestemmes ved å utføre analyse av varians (ANOVA) til resultatene fra forsøkene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Anodiseringsprosessen som brukes til å oppnå dielektrisk har en sterk innflytelse på ytelsen til TFTs fabrikkert, holde konstant alle geometriske parametere og fabrikasjon parametere av de aktive. For TFT-mobiliteten, som er en av de viktigste ytelsesparametrene for TFTs, kan den variere mer enn 2 størrelsesordener ved å endre produksjonsfaktorene i området gitt av tabell I. Derfor er forsiktig kontroll av anodiseringsparametrene av stor betydning ved fabrikasjon av enheter som består av anodisert Al2O<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkjenner den økonomiske støtten fra São Paulo Research Foundation – FAPESP – Brasil (gir 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. Forfattere anerkjenner også teknisk støtte fra B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima og G.A. de Lima Sobrinho og Prof. Marcelo de Carvalho Borbas gruppe (IGCE/UNESP) for å gi filmutstyret.
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).
