박막 트랜지스터의 알루미늄 산화물 유전체 층에 대한 양극 산화 매개변수의 영향

요약

아연 산화물 박막 트랜지스터 (TIT)의 알루미늄 산화물 유전체 층의 성장을위한 양극 산화 매개변수는 전기 적 매개 변수 응답에 미치는 영향을 결정하기 위해 다양합니다. 분산 분석(ANOVA)은 Plackett-Burman 실험 설계(DOE)에 적용되어 최적화된 장치 성능을 초래하는 제조 조건을 결정합니다.

초록

알루미늄 산화물_(Al2O3)은박막 트랜지스터 (TIT)의 유전체 층으로 사용하기에 특히 적합한 저렴한 비용, 쉽게 처리 및 높은 유전체 일정한 절연 재료입니다. 금속 알루미늄 필름의 양극 산화에서 알루미늄 산화물 층의 성장은 수성 연소 또는 분무 열분해와 같은 상대적으로 높은 온도 (300 ° C 이상)를 요구하는 원자 층 증착 (ALD) 또는 증착 방법과 같은 정교한 공정에 비해 크게 유리합니다. 그러나 트랜지스터의 전기적 특성은 양극 산화 처리된 유전체 층의 제조 파라미터에 의해 크게 영향을 받는 반도체/유전체 인터페이스에서 결함 및 국지상태의 존재에 크게 의존합니다. 여러 제작 파라미터가 가능한 모든 요인 조합을 수행하지 않고 장치 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 Plackett-Burman 실험 설계(DOE)를 기반으로 한 감소된 요인 분석을 사용했습니다. 이 DOE를 선택하면 256개의 가능성 대신 12개의 실험적인 요소 조합만 사용하여 최적화된 장치 성능을 얻을 수 있습니다. TFT 이동성과 같은 디바이스 반응에 미치는 영향에 의한 요인의 순위는 얻어진 결과에 분산(ANOVA)의 분석을 적용함으로써 가능하다.

서문

유연하고 인쇄된 대형 전자 장치는 향후 수십억 달러의 투자를 유치할 것으로 예상되는 신흥 시장을 나타냅니다. 차세대 스마트폰, 평면 패널 디스플레이 및 사물 인터넷(IoT) 장치에 대한 하드웨어 요구 사항을 달성하기 위해 속도와 높은 성능을 희생하지 않으면서 가시 스펙트럼에서 가볍고 유연하며 광학 송신이 가능한 소재에 대한 수요가 매우 많습니다. 핵심은 현재 대부분의 활성 매트릭스 디스플레이(AmD)의 구동 회로에 사용되는 박막 트랜지스터(TT)의 활성 물질로서 비정질 실리콘(a-Si)에 대한 대안을 찾는 것입니다. a-Si는 유연하고 투명한 기판과의 호환성이 낮고, 대면적 처리에 한계를 제시하며, 차세대 디스플레이에^-1대한 해상도 및 새로 고침 빈도의 요구를 충족할 수 없는 약 1cm^{2∙V-1 ∙1의}캐리어 이동성을 가지고 있습니다. 산화 아연 (ZnO)^1,2,,3,인듐 산화 아연²(IZO)^4,,5 및 인듐 갈륨 산화 아연 산화물 (IGZO)^6,,7과 같은 반도체 금속 산화물 (SMO)은 가시 스펙트럼에서 매우 투명하기 때문에 TT의 활성 층으로 A-Si를 대체 할 수있는 좋은 후보입니다. 유연한 기판 및 넓은 면적 증착에 호환되며 80cm^{2∙V -1 ∙1의}높은 동원을 달성 할 수 있습니다^. 또한, SMO는 RF 스퍼터링^6, 펄스 레이저 증착(PLD)^8,화학증기 증착(CVD)^9,원자층 증착(ALD)^10,스핀 코팅^11,잉크젯 프린팅¹² 및 분무 열분해¹³등 다양한 방법으로 처리될 수 있다.

그러나 SMO 기반 TIT를 포함하는 회로의 대규모 제조를 가능하게 하기 위해 본질적인 결함, 공기/UV 자극 불안정성 및 반도체/유전체 인터페이스 국소 형성과 같은 몇 가지 과제는 여전히 극복해야 합니다. 고성능 TGT의 원하는 특성 중 하나는 게이트 유전체 (및 반도체 / 절연체 인터페이스)에 매우 의존하는 낮은 전력 소비, 낮은 작동 전압, 낮은 게이트 누설 전류, 임계 전압 안정성 및 광대역 주파수 작동을 언급 할 수 있습니다. 이러한 의미에서, 고θ 유전체 재료^{14,,15,,16은} 상대적으로 얇은 필름을 사용하여 단위 면적당 커패시턴스와 낮은 누설 전류의 큰 값을 제공하기 때문에 특히 흥미롭습니다. 알루미늄 산화물_(Al2O3)은높은 유전체 상수 (8 ~ 12), 높은 유전체 강도, 높은 전기 저항성, 높은 열 안정성을 제시하기 때문에 TFT 유전체 층의 유망한 재료이며 여러 가지 증착 / 성장 기술^{15,17,,,18,,19,,20, 21에}의해 매우 얇고 균일 한 필름으로 처리 될 수 있습니다.^20, 또한, 알루미늄은 지구 지각에서 세 번째로 가장 풍부한 원소이며, 이는 고k 유전체를 생산하는 데 사용되는 다른 원소에 비해 쉽게 사용할 수 있고 상대적으로 저렴하다는 것을 의미합니다.

Al₂O₃ 박막(100nm 이하)의 증착/성장은 RF 마그네트론 스퍼터링과 같은 기술로 성공적으로 달성될 수 있지만, 화학 기증기 증착 (CVD), 원자 층 증착 (ALD), 얇은 금속 Al 층^{17,,18,21,,22,,23,,24,,25,,26의} 양극에 의한 양극 산화에 의한 성장은 나노 미터 규모의 단순성, 저비용, 저온 및 필름 두께 제어로 인해 유연한 전자 제품에 특히 흥미롭습니다.^, 게다가, 양극 산화는 롤 투 롤 (R2R) 처리에 대한 큰 잠재력을 가지고, 이는 쉽게 빠른 제조 업 스케일링을 허용, 산업 수준에서 이미 사용되는 처리 기술에서 적용 할 수 있습니다.

금속 Al의 양극 산화에 의한_Al2O3 성장은 다음 방정식으로 설명할 수 있습니다.

2Al + 3 / 2 0₂ → 알₂O₃ (1)

2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ (2)

여기서 산소는 전해질 용액 또는 필름 표면에 흡착 된 분자에 의해 용존 산소에 의해 제공되는 반면, 물 분자는 전해질 용액에서 즉시 사용할 수 있습니다. 양극 산화 필름 거칠기 (반도체 / 유전체 인터페이스에서 캐리어 산란으로 인한 TFT 이동성에 영향을 미치는) 및 반도체 / 유전체 인터페이스에서 국부적 인 상태의 밀도 (TFT 임계 전압 및 전기 히스테리시스에 영향을 미치는)는 양극 산화 처리 매개 변수에 크게 의존합니다 : 수분 함량, 온도 및 전해질^,24의pH.²⁴ Al 층 증착(예: 증발 속도 및 금속 두께)이나 양극 산화 후 공정(예: 어닐링)과 관련된 다른 요인도 제조된 TGT의 전기적 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 응답 매개 변수에 대한 이러한 여러 요인의 효과는 다른 모든 요소를 일정하게 유지하면서 각 요소를 개별적으로 변화시켜 연구할 수 있으며, 이는 매우 시간이 많이 걸리고 비효율적인 작업입니다. 실험의 설계(DOE)는, 다중 파라미터의 동시 변동에 기초한 통계적 방법이며, 이는 상대적으로 감소된 실험^수(28)를이용하여 시스템/디바이스 성능 반응에서 가장 중요한 인자를 식별할 수 있도록 한다.

최근에는 Plackett-Burman²⁹ DOE를 기반으로 다변량 분석을 사용하여 스퍼터드 ZnO TfTs^18의성능에 대한 Al_2O3 양극 진화 파라미터의 효과를 분석했습니다. 결과는 여러 가지 다른 응답 파라미터에 대한 가장 중요한 요인을 찾아 내고 유전체 층의 양극 산화 처리 과정과 관련된 파라미터만을 변경하는 장치 성능의 최적화에 적용되었다.

현재 의 작품은 양극 산화 Al_2O3 필름을 게이트 유전체로 사용하여 TFT 제조를 위한 전체 프로토콜을 제시하고, Plackett-Burman DOE를 사용하여 장치 전기 성능에 대한 다중 양극 산화 매개변수의 영향에 대한 연구에 대한 자세한 설명을 제시한다. 캐리어 이동성과 같은 TFT 응답 파라미터에 대한 영향의 유의성은 실험으로부터 얻은 결과에 대한 분산(ANOVA)의 분석을 수행함으로써 결정된다.

프로토콜

본 서에 기재된 프로토콜은 양극산화를 위한 전해용액의 제제로 구분된다. ii) 기판 세척 및 준비; iii) 양극 산화 처리; iv) TFT 활성 층 및 배수 /소스 전극의 증착; v) TFT 이동성에서 제조 요인의 유의를 결정하기 위해 ANOVA의 TFT 전기적 특성화 및 분석 및 vi) 적용.

1. 양극 산화를위한 전해 용액의 준비

1. 샘플 준비 중에 먼지나 오염 물질을 방지하기 위해 클린룸 또는 층류 캐비닛 내부에서 프로토콜의 모든 절차를 수행합니다.
2. 양극 산화 전해 용액으로 사용되는 다른 물 / 에틸렌 글리콜 부피 비율 (16 % 및 30 %)에서 타르타르산 (0.1 M)의 두 가지 용액을 준비하십시오. 전해 용액의 수분 함량을 양극 산화 층의 제조 매개 변수로 사용합니다.
3. 150 mL 비커에서 1.5 g의 타르타르산을 탈이온수 16 mL에 용해시키고 에틸렌 글리콜 84 mL를 용해하여 16 % 물 전해질 스톡 솔루션을 얻습니다. 30% 물 전해질 스톡 용액의 경우 타르타르산 1.5 g, 탈이온수 30 mL, 에틸렌 글리콜 70 mL를 사용하십시오. 마그네틱 바를 사용하여 두 용액을 30분 간 저어줍니다.
4. 전해 용액의 pH를 대략적으로 조정하기 위해 20 mL 비커에 수산화 암모늄 (NH₄OH) 용액 (구입시, 28 – 30 % NH₃ 부피)의 약 10-20 mL을 분리하십시오.
5. 원래 NH₄OH 용액으로부터 희석 된 용액 (약 2 % 부피)의 80 mL을 준비하여 전해 용액의 pH를 미세하게 제어합니다.
6. 전해질 용액을 150 mL 비커로 분리하여 용액의 pH를 조정합니다.
7. 벤치 pH 미터를 사용하여 전해 용액의 pH를 측정합니다. pH가 원하는 pH(5 또는 6)에 가까워질 때까지 더 농축된_NH4OH를 파이펫팅을 시작한다.
8. 피펫은 pH가 원하는 값으로 설정될 때까지 전해 액에 더 희석된_NH4OH 용액을 한다. 전해질 용액을 pH 값 5 및 6으로 준비하여 양극 산화 처리에 미치는 영향을 연구합니다.

2. 기판 세척 및 준비

1. 20mm x 25mm 유리 슬라이드(두께 1.1mm)를 기판으로 사용하십시오.
2. 유리 슬라이드를 가열된(60°C) 알칼리성 세제 용액(탈이온수5%)에서 15분 동안 음파처리하여 탈이온수에서 풍부하게 헹구고 깨끗한 건조한 공기(CDA) 또는 질소에서 건조시다.
3. 유리 슬라이드를 아세톤(ACS 시약 등급 또는 우수)으로 5분 동안 초음파 처리합니다.
4. 유리 슬라이드를 이소프로판올(ACS 시약 등급 또는 우수)에서 5분 동안 초음파 처리합니다.
5. 플라즈마 클리너의 챔버에 기판을 삽입하고 뚜껑을 닫고 진공 펌프를 사용하여 챔버를 배출하십시오.
6. 진공이 완료되면 RF 발전기를 중간 전력(10.5W)에서 5분 동안 켭니다. 플라즈마 세척 후, 기판은 알루미늄 게이트 증착을 위해 준비된다.

3. 알루미늄 게이트 전극 증발

1. 유리 슬라이드를 기계식 섀도우 마스크에 삽입하여 25 x 3mm의 알루미늄 스트라이프를 증착합니다. 이러한 알루미늄 스트라이프는 TFT 게이트 전극으로 사용되며 양극산화물에 의해 형성된 알루미늄 산화물 층은 TFT 유전체층이 될 것이다. 게이트 전극에 대한 섀도우 마스크 설계의 예는 보조 파일에 제시된다.
2. 알루미늄 층 증착을 위해 열 증발 챔버의 챔버 내부에 그림자 마스크가 있는 기판을 놓습니다. 챔버를 닫습니다. 챔버 대피 절차를 시작합니다. 챔버 압력이 2.0 x 10^-6 mbar 미만이 될 때까지 기다렸다가 열 증발을 시작합니다.
3. 알루미늄 층을 적증합니다. 두 개의 서로 다른 두께(60nm 및 200nm)를 사용하여 유전체 층에 미치는 영향을 평가합니다. 두 개의 서로 다른 증발 속도를 사용하여 5 Å/s 및 15 Å/s를 사용하여 Al 증발 속도의 영향을 연구합니다.
4. 알루미늄 증발 후 증발 챔버에서 샘플을 제거합니다.
5. 마스크에서 알루미늄 줄무늬가있는 유리 슬라이드를 제거하고 알루미늄 층이 제대로 증착되었는지 확인하십시오. 전극은 양극 처리에 사용할 준비가 되었습니다.

4. 알루미늄 층의 양극 산화 공정

1. 비커 위에 맞는 플라스틱 뚜껑에 악어 클립 커넥터 두 개를 부착합니다. 이 뚜껑은 3 D 인쇄 할 수 있습니다.
2. 클립 커넥터 중 하나를 유리 슬라이드의 알루미늄 스트립에 연결하고 다른 하나는 금도금 스테인리스 강판(두께 0.8mm, 두께 20 x 25mm)에 연결합니다. 약 2cm의 분리 거리로 두 전극을 서로 향하게합니다.
3. 150 mL 비커에 전해 액 (pH 조정 후)의 약 150 mL을 사용합니다. 작은 마그네틱 바를 사용하여 양극 산화 처리 절차 중에 용액을 저어줍니다.
4. 비커를 가열된 마그네틱 교반기 위에 놓습니다. 온도를 원하는 값으로 조절하였다(40°C 및 60°C는 현재 종이에 사용하였다).
5. 클립 커넥터에 부착된 플라스틱 뚜껑으로 비커를 덮어 전극을 전해액에 담그습니다.
6. 알루미늄 전극을 양극 출력과 황금도금 스테인리스 스틸 전극에 연결하여 전류/전압 소스 및 측정 장치(SMU)의 음극 출력에 연결합니다.
7. 알루미늄 전극의 침수 면적을 계산하고 원하는 전류 밀도에 해당하는 상수 전류를 적용 (우리는 두 값 0.45 mA / cm² 및 0.65 mA /^cm2를사용) 미리 설정 된 최종 값까지 전압의 선형 증가를 모니터링 (우리는 사용 V_F = 30 V F_F + 40 V).
8. 최종 전압이 달성된 후, SMU를 전류 소스에서 전압 소스로 전환하고 0(약 5분) 옆의 전류 감소까지 충분히 긴 시간 동안 일정한 전압(최종 전압과 동일)을 가합니다. Python 2.7의 스크립트를 사용하여 양극 산화 처리 중에 SMU를 자동으로 제어합니다. 이 스크립트의 복사본은 추가 파일 섹션에서 사용할 수 있습니다.
9. 전해 액에서 전극을 제거하고 탈이온수로 풍부하게 헹구고 CDA 또는 질소로 건조시키고 사용할 때까지 Al/Al₂O₃ 유리 기판을 보관하십시오.
10. 유전체 층에 어닐링의 효과를 관찰하기 위해, 1시간 동안 150°C에서 오븐에 기판을 어닐링한다.

5. ZnO 액티브 층의 증착

1. 활성 층 증착을 위해 적절한 기계적 그림자 마스크에 양극 산화 알루미늄 산화물 층으로 기판을 삽입하십시오.
2. 스퍼터링 시스템의 챔버 내부에 마스크가 있는 기판을 놓습니다. ZnO 사용 (99.9%) 스퍼터링 대상. 챔버를 닫고 대피 절차를 시작합니다.
3. Ar 압력을 1.2 x 10^-2 Torr로 조정하고 RF 전력을 75W로 조정하고 ZnO 증착을 시작합니다. 활성 층 두께가 40 nm를 달성할 때 0.5 Å/s. ZnO 증착을 중지하여 증착 속도를 제어합니다.
4. 챔버를 열고 샘플을 제거합니다.

6. 드레인 및 소스 전극 증착

1. TFT 소스/드레인 전극 증착을 위한 적절한 기계적 그림자 마스크에 스퍼터링된 ZnO 층으로 샘플을 삽입합니다. 적절한 드레인 및 소스 전극 간격은 100 μm이며 측면이 5mm입니다. 드레인/소스 마스크 디자인의 템플릿은 보조 파일과 함께 제공됩니다. 이러한 구성에서 드레인 및 소스 전극은 모두 동일하며 장치 작동시 변경 없이 교체할 수 있습니다.
2. 열 증발 시스템의 챔버 내부에 그림자 마스크에 부착 된 샘플을 배치하고 알루미늄 증발을위한 절차를 시작합니다.
3. 100 nm Al 층을 5 Å/s의 증착 속도로 증착하여 활성 층 위에 배수/소스 전극을 얻어 TFT 제조 절차를 완료합니다.
4. 증발 챔버에서 TT를 제거하고 증착 된 전극의 품질을 확인하고 사용할 때까지 빛으로부터 보호 된 저장하십시오.

7. TFT 전기 특성화

1. TT를 반도체 프로브 스테이션 또는 사용자 지정 샘플 홀더에 놓습니다. 전기 접합을 위해 스프링 프로브 커넥터를 사용하여 게이트, 드레인 및 소스 전극을 연결합니다.
2. 프로브를 2채널 소스 측정 장치(Keithley 2612B 이상 권장)에 연결합니다. 게이트 전극을 채널 1의 "높은" 출력/입력과 드레인(또는 소스) 전극을 채널 2의 "높은" 출력/입력에 연결합니다. 연결이 끊어진 상태로 유지된 채널과 소스(또는 드레인) 전극의 "낮은" 출력/입력 단자짧은 값입니다.
3. 특성 TFT 곡선을 구합니다. 게이트(V_g)에일정한 전압 바이어스를 적용하고 드레인 소스 전압(V_DS)을스윕하고 드레인 소스 전류(I_DS)를기록하여 출력 곡선을 얻습니다. 게이트전압(Vg)을_g스윕하고 드레인 소스 전압(V DS)을 일정하게 유지하면서 드레인 소스전류(I_DS)를기록하여 전달 _곡선을구합니다.
4. 드레인 전류의 제곱근과 게이트 전압(((I_DS)^1/2 대 V_g)을플롯하고 곡선 의 선형 부분의 x축 절편으로부터 곡선 경사 및 임계 전압으로부터 포화체제에서_s캐리어 이동성을 얻습니다.
5. 원하는 경우 다른 곳에서 설명한 대로 트랜지스터 곡선에서 다른 성능 매개^{변수를 결정합니다 18.}

8. ANOVA 및 장치 성능에 대한 설계 요인의 영향

1. 소프트웨어를 사용하여 8가지 제작 요소를 고려하여 Placket-Burman 매트릭스를 기반으로 실험 설계(DOE)를 설정합니다. 우리는 Lavras의 연방 대학에 의해 개발 된 무료, 사용자 친화적 인 소프트웨어입니다 Chemoface를 사용 (UFLA), 브라질³⁰.
2. 양극 산화 매개변수인 요소로 사용: i) Al 레이어의 두께; ii) Al 증발 속도; iii) 전해용액 내의 수분 함량; iv) 전해질의 온도; v) 전해용액의 pH; vi) 양극 산화 처리 중 전류 밀도; vii) 어닐링 온도 및 VIII) 양극 산화 의 최종 전압.
3. 각 요소에 대해 표 1에지정된 대로 두 가지 수준을 고려합니다.
4. 표 2에서제공한 DOE 소프트웨어의 도움을 받는 Plackett-Burman 설계 테이블을 조립합니다.
5. 표 2에서생성된 12개의 "런"에 따라 제작 파라미터를 변화시달리는 TT를 준비한다. 각 실행은 2단계, 8-파라미터 실험에 대해 모든 256(2⁸⁾가능한 조합을 수행할 필요 없이 제조 계수의 대표적인 변형을 제공한다.
6. 각 실행의 제조 방향에 따라 TFT 특성화(예: TFT 이동성)의 성능 데이터와 함께 소프트웨어에서 DOE 테이블을 공급합니다.
7. 동일한 제작 계수를 사용하여 여러 장치에서 복제를 추가하여 해석의 자유도 수를 늘립니다.
8. 데이터에서 ANOVA를 수행하고 출력을 분석하여 TFT 성능에 가장 영향을 미치는 양극 산화 처리 매개 변수를 결정합니다.

결과

8개의 다른 알루미늄 산화물 층 제조 파라미터는 우리가 TFT 성능에 대한 영향을 분석하는 데 사용되는 제조 인자로 사용되었습니다. 이러한 요소는 표 1에서모두 수행되며, 여기서 2단계 요인 DOE에 대한 해당 "낮음"(-1) 및 "높음"(+1) 값이 표시됩니다.

단순화를 위해 각 제조 계수는 대문자(A, B, C 등)와 각각 -1 및 +1로 표시되는 해당 "낮음" 또는 "높음" 수준으로 지정?...

토론

유전체를 얻기 위해 사용되는 양극 산화 처리는 모든 기하학적 파라미터와 활성의 제조 파라미터를 일정하게 유지하면서 제작된 TT의 성능에 큰 영향을 미칩니다. TFT의 가장 중요한 성능 파라미터 중 하나인 TFT 이동성의 경우 표 I에서 제공하는 범위의 제조 계수를 변경하여 2배 이상의 크기가 달라질 수 있습니다. 따라서 양극 산화 처리 된 Al_2O3 게이트 유전체를 포함하는 장치를 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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%