השפעת הפרמטרים של אנוזציה על השכבה הדיאלקטרי של תחמוצת האלומיניום של טרנזיסטורים הסרט דק
Summary
פרמטרים של אנוזציה לצמיחה של שכבת אלומיניום תחמוצת מדידות של אבץ-תחמוצת הסרט דק טרנזיסטורים (TFTs תרי) הם מגוונים כדי לקבוע את ההשפעות על התגובות פרמטרים חשמליים. ניתוח השונות (ANOVA) מוחל על עיצוב מפלקט-בורטמן של ניסויים (DOE) כדי לקבוע את תנאי הייצור שיגרמו לביצועי המכשיר הממוטב.
Abstract
אלומיניום-תחמוצת (אל2O3) הוא עלות נמוכה, בקלות מעבד מדידות גבוהה מתמדת חומר בידוד המתאים במיוחד לשימוש כמו שכבת מדידות של סרט דק טרנזיסטורים (tfts תרי). צמיחה של שכבות אלומיניום-תחמוצת מאנוזציה של סרטי אלומיניום מתכתי הוא יתרון מאוד כאשר לעומת תהליכים מתוחכמים כגון עדות שכבה אטומית (אלד) או שיטות התצהיר הדורשות טמפרטורות גבוהות יחסית (מעל 300 ° c) כגון בעירה מימית או תרסיס פירוליזה. עם זאת, תכונות החשמל של טרנזיסטורים הם תלויים מאוד בנוכחות של פגמים ומדינות מקומי בממשק מוליך למחצה/מדידות, אשר מושפעים מאוד על ידי הפרמטרים הייצור של שכבת האלומיניום. כדי לקבוע כיצד מספר פרמטרים הייצור להשפיע על ביצועי המכשיר מבלי לבצע את כל השילוב האפשרי של גורמים, השתמשנו בניתוח עצרת מופחת המבוסס על עיצוב מפלקט-Burman של ניסויים (DOE). הבחירה של DOE זו מאפשרת את השימוש רק 12 מסלולים ניסיוניים של שילובים של גורמים (במקום כל 256 האפשרויות) כדי להשיג את ביצועי המכשיר אופטימיזציה. דירוג הגורמים על-ידי ההשפעה על תגובות להתקן כגון ניידות TFT אפשרי על-ידי החלת ניתוח השונות (ANOVA) לתוצאות שהתקבלו.
Introduction
אלקטרוניקה גמישה, מודפסת ובעלת שטח גדול, מייצגת שוק מתעורר הצפוי למשוך מיליארדי דולרים בהשקעות בשנים הקרובות. כדי להשיג את דרישות החומרה עבור הדור החדש של טלפונים חכמים, צגים שטוחים והתקנים לאינטרנט (הרבה), יש דרישה עצומה לחומרים קלים, גמישים עם מסירת אופטית בספקטרום גלוי מבלי להתפשר על מהירות וביצועים גבוהים. נקודת מפתח היא למצוא חלופות סיליקון אמורפיים (א-סי) כמו החומר הפעיל של טרנזיסטורים הסרט הדק (TFTs תרי) המשמשים את מעגלי הכונן של רוב הצגים הפעילים מטריצה הנוכחית (AMDs). a-Si יש תאימות נמוכה מצעים גמישים ושקופים, מציג מגבלות על עיבוד שטח גדול, ויש לו ניידות הספק של כ 1 ס”מ2∙ V-1∙ s-1, אשר אינו יכול לענות על הצרכים של רזולוציה וקצב רענון עבור מציג הדור הבא. וליכים מתכת תחמוצות (smos) כמו תחמוצת אבץ (zno)1,2,3, האינדיום תחמוצת אבץ (עיזו)4,5 ו-אינדיום תחמוצות אבץ תחמוצת (igzo)6,7 הם מועמדים טובים להחליף א-סי כמו שכבת הפעיל של בתרי כי הם שקופים מאוד בספקטרום גלוי, תואמים מצעים גמישים ובשטח גדול התצהיר ניתן להשיג mobilities גבוה ככל 80 ס”מ2∙ V-1∙ s-1 יתר על כן, SMOs יכול להיות מעובד במגוון של שיטות: התזה RF6 , לייזר פעמו התצהיר (pld)8, כימית ההצהרה התצהיר (cvd)9, שכבה אטומית תצהיר (אלד)10, ספין ציפוי11, דיו-סילון הדפסה12 ו ספריי פירוליזה13.
עם זאת, כמה אתגרים כגון השליטה של פגמים פנימיים, אוויר/UV מגורה היווצרות והקמת ממשק מוליך למחצה/דיאלקטרי מקומי עדיין צריך להיות להתגבר כדי לאפשר ייצור בקנה מידה גדול של מעגלים המורכב מבוססי SMO. בין המאפיינים הרצויים של ביצועים גבוהים tfts אחד יכול להזכיר את צריכת החשמל נמוכה, מתח המבצע נמוך, דליפת שער נמוכה הנוכחי, יציבות מתח הסף הפעולה תדירות הרצועה, אשר תלויים מאוד על השער דיאלקטרים אלקטרוניקה (ואת ממשק מוליך למחצה/בידוד). במובן זה, high-κ חומרים מדידות14,15,16 הם מעניינים במיוחד מאז הם מספקים ערכים גדולים של קיבוליות לכל אזור היחידה וזרמים דליפה נמוכה באמצעות סרטים דקים יחסית. אלומיניום אוקסיד (אל2O3) הוא חומר מבטיח עבור שכבת מדידות TFT מאז הוא מציג קבוע מדידות גבוהה (מ 8 עד 12), חוזק מדידות גבוהה, גבוהה משקעי חשמל, יציבות תרמית גבוהה ניתן לעבד כמו סרטים דקים מאוד ואחיד על ידי מספר שונים התצהיר/צמיחה טכניקות15,17,18,19,20,21. בנוסף, אלומיניום הוא המרכיב השלישי ביותר בשפע בקרום כדור הארץ, מה שאומר שזה זמין בקלות יחסית זול בהשוואה לאלמנטים אחרים המשמשים להפקת גבוהה-k dielectrics.
למרות התצהיר/צמיחה של אל2O3 דק (מתחת 100 nm) הסרטים ניתן להשיג בהצלחה על ידי טכניקות כגון RF מגנטרון התזה, שכבת האטום לתצהיר (cvd), בתצהיר שכבה אטומית (אלד), הצמיחה על ידי אנוזציה של שכבה מתכתי דקה17,18,21,22,23,24,25,26 מעניין במיוחד עבור אלקטרוניקה גמישה בשל פשטותו, עלות נמוכה, טמפרטורה נמוכה, ובקרת עובי הסרט בקנה מידה של ננו. בנוסף, לאנוזציה יש פוטנציאל גדול עבור עיבוד רול אל רול (R2R), אשר ניתן להתאים בקלות מתוך טכניקות עיבוד כבר בשימוש ברמה התעשייתית, המתיר ייצור מהיר שינוי גודל.
ניתן לתאר את הצמיחה של אל2או3 על-ידי אנוזציה של אל מתכתי על-ידי המשוואות הבאות
2אל + 3/2 02 → אל2O3 (1)
2אל + 3h2o → אל2o3 + 3h2 (2)
כאשר החמצן מסופק על ידי חמצן מומס בתמיסה האלקטרוליט או על ידי מולקולות נספחת על פני הסרט, בעוד מולקולות המים זמינים מייד מהפתרון האלקטרוליט. החספוס הסרט (אשר משפיע על הניידות TFT בשל פיזור הספק בממשק מוליך למחצה/דיאלקטרי) ואת צפיפות המדינות המותאמות לשפות אחרות בממשק מוליך למחצה/דיאלקטרי (אשר משפיע על מתח הסף TFT והיסטרזיס חשמלי) תלויים מאוד בפרמטרים של תהליך אנוזציה, לשם מספר: תוכן24המים, הטמפרטורהו-pH27של גורמים אחרים הקשורים שכבה אל התצהיר (כמו שיעור האידוי ועובי מתכת) או לפוסט-אנוזציה תהליכים (כמו ריפוי) יכול גם להשפיע על ביצועי החשמל של מתכות מפוברק. ההשפעה של גורמים אלה מרובים על פרמטרים התגובה ניתן ללמוד על ידי שינוי כל גורם בנפרד תוך שמירה על כל הגורמים האחרים קבוע, שהיא משימה מאוד גוזלת זמן ובלתי יעיל. עיצוב של ניסויים (DOE), מצד שני, היא שיטה סטטיסטית המבוססת על וריאציה בו של פרמטרים מרובים, אשר מאפשר זיהוי של הגורמים המשמעותיים ביותר על תגובת מערכת/התקן ביצועים באמצעות מספר מופחת יחסית של ניסויים28.
לאחרונה, השתמשנו בניתוח מרובה משתנים על בסיס פלקט-Burman29 DOE כדי לנתח את ההשפעות של אל2O3 הפרמטרים של אנוזציה על הביצועים של בורסות zno בתרי18. התוצאות שימשו כדי למצוא את הגורמים המשמעותיים ביותר עבור מספר פרמטרי תגובה שונים ולהחיל אופטימיזציה של ביצועי המכשיר שינוי רק פרמטרים הקשורים לתהליך האנוזציה של הרובד הדיאלקטרי.
העבודה הנוכחית מציגה את הפרוטוקול כולו לייצור מבוכי באמצעות האלומיניום2O3 סרטים כמו השער dielectrics אלקטרוניקה, כמו גם תיאור מפורט לחקר ההשפעה של פרמטרים מרובים אנוזציה על ביצועי המכשיר החשמלי באמצעות מפלקט-burman DOE. משמעות ההשפעות על פרמטרי התגובה של TFT כגון ניידות הספק נקבעת על-ידי ביצוע ניתוח השונות (ANOVA) לתוצאות שהתקבלו מהניסויים.
Protocol
Representative Results
Discussion
תהליך האנוזציה המשמש כדי להשיג את החומר הדיאלקטרי יש השפעה חזקה על הביצועים של הקרעים המציא, שמירה על כל הפרמטרים הגיאומטריים והפרמטרים הייצור של הפעיל. עבור הניידות TFT, שהוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר ביצועים עבור TFTs זה יכול להשתנות יותר 2 הזמנות של גודל על ידי שינוי גורמי הייצור בטווח שנ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים בתמיכה הפיננסית מקרן סאו פאולו למחקר – FAPESP – ברזיל (מענקים 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 ו-14/13904-8) ו תוכנית שיתוף פעולה מחקר של ניוטון קרן של האקדמיה המלכותית להנדסה. מחברים גם מכירים את התמיכה הטכנית מ-B. F. da סילבה, ג’יי. פי בראגה, ג’יי-בי Cantuaria, G.R. דה לימה ו G.A. דה לימה Sobrinho ו פרופסור מרסלו דה Carvalho של הקבוצה של בורה (IGCE/UNESP) לאספקת ציוד הצילום.
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).
