Transistor Film Tipis a-InGaZnO Performa Tinggi dengan Anggaran Termal Sangat Rendah dengan Menggunakan Dielektrik Al2O3 yang Kaya Hidrogen
Abstrak
Karakteristik kelistrikan transistor film tipis (TFT) In-Ga-Zn-O (a-IGZO) amorf dibandingkan dengan menggunakan O2 deposisi lapisan atom yang ditingkatkan plasma Al2 O3 dielektrik pada temperatur yang berbeda. TFT a-IGZO berkinerja tinggi berhasil didemonstrasikan dengan Al2 O3 dielektrik yang diendapkan pada suhu kamar, yang menunjukkan mobilitas efek medan tinggi sebesar 19,5 cm
2
V
− 1
s
− 1
, ayunan subambang kecil 160 mV/des, tegangan ambang rendah 0,1 V, rasio arus hidup/mati besar 4,5 × 10
8
, dan stabilitas bias gerbang negatif dan positif yang unggul. Hal ini dikaitkan dengan Al2 . yang kaya hidrogen O3 dielektrik yang diendapkan pada suhu kamar dibandingkan dengan suhu deposisi yang lebih tinggi, sehingga secara efisien mempasifkan keadaan antarmuka a-IGZO/Al2 O3 dan kekosongan oksigen dan meningkatkan konduktivitas saluran a-IGZO dengan menghasilkan elektron tambahan karena peningkatan doping hidrogen selama sputtering IGZO. Anggaran termal yang sangat rendah untuk TFT a-IGZO berkinerja tinggi sangat menarik untuk aplikasi elektronik yang fleksibel.
Latar Belakang
Transistor film tipis (A-IGZO) berbasis Amorphous In-Ga-Zn-O (a-IGZO) telah menarik banyak perhatian dalam dekade terakhir karena mobilitasnya yang tinggi, keseragaman yang baik, transparansi cahaya tampak yang tinggi, dan suhu proses yang rendah. 2,3]. Keunggulan ini menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk penerapan elektronik generasi berikutnya, seperti layar transparan, perangkat fleksibel, atau elektronik yang dapat dikenakan. Khususnya, untuk aplikasi elektronik fleksibel, TFT umumnya dibuat pada substrat polimer stabil termal rendah. Dengan demikian, perlu untuk mengurangi anggaran termal dari fabrikasi TFT a-IGZO. Untuk tujuan ini, banyak peneliti telah fokus pada TFT a-IGZO dengan isolator gerbang fabrikasi suhu kamar, seperti sputtering [4,5,6], proses larutan [7,8,9], penguapan e-beam [10], dan anodisasi [11]. Namun, film dielektrik ini sering mengalami kepadatan tinggi perangkap dan hamburan antarmuka dielektrik/a-IGZO yang kuat, sehingga mengakibatkan mobilitas efek medan terbatas, ayunan subthreshold yang besar, dan rasio arus on/off yang kecil [4,5,6 ,7,8,9,10,11].
Di sisi lain, deposisi lapisan atom (ALD) adalah teknik yang menjanjikan, yang dapat memberikan film berkualitas tinggi, kontrol ketebalan film yang tepat, keseragaman yang baik pada area yang luas, dan suhu proses yang rendah [12,13,14]. Zheng dkk. [15] melaporkan bahwa a-IGZO TFT dengan ALD SiO2 dielektrik menunjukkan kinerja listrik yang sangat baik tanpa perlu pasca-anil. Namun, suhu substrat tinggi 250 °C diperlukan untuk ALD SiO2 film [15], yang lebih tinggi dari suhu transisi gelas substrat plastik paling fleksibel. Menariknya, dilaporkan bahwa ALD dari Al2 O3 film dapat direalisasikan bahkan pada suhu kamar (RT) [16, 17]; sementara itu, Al2 O3 film yang diendapkan di RT mengandung sejumlah besar pengotor hidrogen (H) [17]. Namun, sejauh pengetahuan kami, Al2 . yang kaya-H tersebut di atas O3 film belum pernah digunakan sebagai isolator gerbang di TFT a-IGZO. Oleh karena itu, diinginkan untuk mengeksplorasi TFT a-IGZO dengan RT ALD Al2 O3 isolator gerbang.
Dalam surat ini, TFT a-IGZO berkinerja tinggi berhasil dibuat dengan suhu ruangan yang diendapkan Al2 O3 dielektrik gerbang. Dengan membandingkan karakteristik TFT a-IGZO dengan berbagai Al2 O3 isolator gerbang disimpan pada suhu yang berbeda, mekanisme yang mendasarinya telah ditangani.
Metode
Wafer silikon tipe-p yang didoping tinggi (< 0,0015 Ω cm) dibersihkan dengan proses RCA standar dan berfungsi sebagai elektroda gerbang. Empat puluh nanometer Al2 O3 film diendapkan dalam sistem ALD komersial (Picsun Ltd.) menggunakan trimetiluminium (TMA) dan O2 plasma sebagai prekursor dan reaktan, masing-masing. Satu siklus pertumbuhan terdiri dari pulsa TMA 0,1 detik, 10 detik N2 bersihkan, 8 detik O2 pulsa plasma, dan 10 s N2 membersihkan. TMA dipertahankan pada 18 °C untuk tekanan dan dosis uap yang stabil, dan O2 laju aliran gas ditetapkan pada 150 sccm dengan daya generator plasma 2500 W. Selanjutnya, film a-IGZO 40-nm diendapkan dengan RF sputtering menggunakan target keramik IGZO dengan rasio atom In:Ga:Zn:O = 1 :1:1:4. Selama sputtering, tekanan kerja dan Ar dan O2 laju aliran gas ditetapkan masing-masing pada 0,88 Pa dan 48 dan 2 sccm. Daerah aktif dibentuk oleh fotolitografi dan etsa basah. Setelah itu, elektroda sumber/tiriskan dari lapisan ganda Au 30-nm Ti/70-nm disiapkan dengan penguapan berkas elektron dan metode pengangkatan. Tidak ada proses anil lebih lanjut yang diterapkan pada perangkat ini.
Sifat listrik TFT a-IGZO dikarakterisasi menggunakan penganalisis perangkat semikonduktor (Agilent Tech B1500A) dalam kotak gelap pada suhu kamar. Stabilitas perangkat diukur di bawah tekanan bias gerbang positif dan negatif, masing-masing. Profil kedalaman unsur dan komposisi kimia masing-masing diukur dengan spektrometri massa ion sekunder (SIMS) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS).
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a membandingkan konstanta dielektrik Al2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda sebagai fungsi frekuensi (yaitu, dari 10 Hz hingga 10
5
Hz). Saat suhu deposisi meningkat dari 100 menjadi 150 °C, film menunjukkan penurunan konstanta dielektrik secara bertahap. Tren serupa juga dilaporkan dalam literatur sebelumnya untuk perubahan suhu deposisi dari RT ke 150 °C [18, 19]. Ini karena RT Al2 O3 film mengandung konsentrasi hidrogen (H) tertinggi dalam bentuk gugus OH. Dengan demikian, konstanta dielektrik yang sesuai ditingkatkan karena rotasi lebih banyak gugus OH dalam medan listrik [20]. Dalam hal frekuensi pengukuran 10 Hz, konstanta dielektrik yang diekstraksi untuk RT, 100 °C, dan 150 °C Al2 O3 film masing-masing sama dengan 8.6, 7.9, dan 7.4, yang digunakan untuk ekstraksi mobilitas efek medan (μFE ) dan kepadatan perangkap antarmuka (Ditu ) dari perangkat TFT yang dibuat. Gambar 1b menunjukkan karakteristik arus bocor dari Al2 yang berbeda O3 film. Ditemukan bahwa RT Al2 O3 film menunjukkan rapat arus bocor kecil sebesar 2,38 × 10
− 8
A/cm
2
pada 2 MV/cm dan medan listrik tembus 5,3 MV/cm. Selain itu, medan listrik yang rusak meningkat secara bertahap dengan meningkatnya suhu pengendapan dari 100 menjadi 150 °C.
Sifat kelistrikan Al2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda. a Konstanta dielektrik versus frekuensi. b Kerapatan arus bocor versus medan listrik
Gambar 2 menunjukkan kurva transfer tipikal TFT a-IGZO dengan Al2 yang berbeda O3 isolator gerbang. RT Al2 O3 TFT menunjukkan performa terbaik, seperti μ . tinggi FE dari 19,5 cm
2
V
− 1
s
− 1
, ayunan subthreshold kecil (SS) 160 mV/des, tegangan ambang kecil (VB ) 0,1 V, dan rasio arus hidup/mati yang besar (Ihidup/mati ) dari 4,5 × 10
8
. Namun, TFT a-IGZO dengan Al2 O3 isolator gerbang yang disimpan pada 100 dan 150 °C menunjukkan kinerja yang jauh lebih buruk, yaitu, arus aktif yang berkurang (10
− 7
dan 3 × 10
− 9
A) dan SS yang terdegradasi. Ditu di antarmuka Al2 O3 /a-IGZO dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut [21]:
dimana e , k , T , dan q masing-masing mewakili bilangan Euler, konstanta Boltzmann, suhu absolut, dan muatan elektron satuan. Csapi adalah kapasitansi dielektrik gerbang per satuan luas. Untuk RT Al2 O3 TFT, Ditu sama dengan 1,1 × 10
12
eV
− 1
cm
− 2
, yang lebih dari satu atau dua kali lebih rendah daripada TFT dengan Al2 O3 isolator gerbang disimpan pada 100 dan 150 °C.
Kurva transfer TFT a-IGZO dengan ALD Al2 O3 isolator gerbang disimpan pada suhu yang berbeda bersama-sama dengan parameter perangkat yang diekstraksi
Stabilitas bias gerbang perangkat selanjutnya diukur dengan menerapkan tegangan negatif dan positif. Gambar 3 menunjukkan VB bergeser sebagai fungsi waktu tegangan bias untuk TFT yang berbeda. Dalam hal tegangan bias gerbang negatif (NGBS), RT Al2 O3 TFT menunjukkan V . yang dapat diabaikan B pergeseran 0.04 V setelah ditekankan pada 10 V selama 40 min. Namun, Al2 . bersuhu lebih tinggi O3 isolator gerbang menghasilkan V . yang lebih besar B bergeser terutama untuk 150 °C. Stabilitas NGBS yang begitu tinggi untuk RT Al2 O3 harus dikaitkan dengan konsentrasi kekosongan oksigen yang rendah (VO ) di saluran a-IGZO [22]. Sehubungan dengan tegangan bias gerbang positif (PGBS), RT Al2 O3 TFT menunjukkan VB pergeseran 1,47 V, yang jauh lebih kecil daripada yang (8,8 V dan 12.1 V) untuk 100 dan 150 °C Al2 O3 TFT. Selain itu, pengaruh waktu penyimpanan pada kinerja perangkat diselidiki, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Meskipun tidak ada lapisan pasivasi yang tercakup di saluran belakang, perangkat masih mempertahankan kinerja yang sangat baik setelah disimpan dalam lemari (20% RH) selama 60 hari pada suhu 30 °C; sementara itu, tidak ada variasi signifikan dalam μFE dan SS diamati. Ini menunjukkan RT Al2 O3 TFT tanpa lapisan pasif apa pun memiliki stabilitas yang bergantung pada waktu penyimpanan yang baik dalam suasana saat ini.
VB pergeseran sebagai fungsi waktu tegangan bias di bawah NGBS = − 10 V dan PGBS = 10 V untuk TFT dengan Al2 O3 isolator disimpan pada suhu yang berbeda
Stabilitas tergantung waktu dari RT Al2 O3 TFT setelah disimpan dalam lemari (20% RH) pada suhu 30 °C. a Kurva transfer. b Mobilitas dan ayunan di bawah ambang batas
Tabel 1 membandingkan kinerja RT Al2 kami O3 TFT dengan laporan lainnya. Ditemukan bahwa perangkat kami menunjukkan V . mendekati nol B , SS lebih kecil, dan lebih besar Ihidup/mati dalam kasus mobilitas sebanding [4, 23]. Meskipun menggunakan Ta2 O5 isolator gerbang dapat memperoleh mobilitas 61.5 cm yang lebih tinggi
2
V
− 1
s
− 1
, baik SS dan Akuhidup/mati memburuk secara signifikan [10]. Singkatnya, RT Al2 kami O3 TFT memiliki kinerja komprehensif yang unggul dibandingkan dengan Al2 . 100 dan 150 °C O3 TFT. Karena semua langkah pemrosesan identik kecuali langkah pengendapan Al2 O3 , perbedaan performa listrik yang signifikan seperti itu seharusnya berasal dari Al2 O3 isolator gerbang.
Untuk memahami mekanisme yang mendasari, profil kedalaman elemen dalam a-IGZO/Al2 O3 film bertumpuk dianalisis oleh SMIS. Gambar 5a menunjukkan ketergantungan konsentrasi H pada kedalaman tumpukan IGZO/Al2 O3 , di mana Al2 O3 film diendapkan pada RT dan 150 °C, masing-masing. Sebagai perbandingan, film IGZO yang diendapkan pada substrat Si kosong juga dianalisis. Film IGZO yang diendapkan pada Si kosong mengandung konsentrasi H ~ 3 × 10
21
cm
− 3
, yang berasal dari gas sisa dalam sistem sputtering dan menyerap H2 /H2 molekul O pada permukaan Si. Kedua film IGZO disimpan di Al2 O3 film mengandung konsentrasi H+ yang lebih tinggi dari pada substrat Si kosong. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi H seharusnya berasal dari pelepasan pengotor H pada Al2 . yang mendasarinya O3 film selama sputtering IGZO. Selain itu, diamati bahwa konsentrasi H dalam film IGZO di atas RT Al2 O3 film lebih tinggi dari pada film 150 °C di wilayah antarmuka-dekat, yang dapat memberikan pasivasi keadaan antarmuka yang lebih efisien. Hal ini meningkatkan stabilitas SS dan PGBS dari RT Al2 O3 TFT dengan mengurangi jebakan pembawa antarmuka. Selain itu, spektrum O 1s XPS dari film a-IGZO di dekat antarmuka IGZO/Al2 O3 dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Puncak yang dipasang terletak di 530.2 ± 0.1 eV, 530.9 ± 0.1 eV, dan 531.6 ± 0.1 eV, sesuai dengan O
2−
ion terikat dengan logam (O1), VO (O2), dan gugus OH (O3), masing-masing [13, 24]. Persentase O2 adalah 26,3% pada lapisan a-IGZO di atas Si telanjang; namun, turun menjadi 12,3% dan 6,8% untuk 150 °C dan RT Al2 O3 film yang mendasari, masing-masing. Ini menunjukkan bahwa lebih banyak VO di saluran IGZO dapat secara efektif dipasifkan oleh pengotor H tambahan yang berasal dari Al2 yang mendasarinya O3 film, terutama untuk RT Al2 O3 film dengan konsentrasi H yang lebih tinggi. Dilaporkan bahwa ketika VO dan H keduanya hadir dalam film a-IGZO, mereka dapat bergabung untuk membentuk keadaan stabil di mana H terperangkap di VO (VO H), dan V . yang dihasilkan O H adalah donor tingkat dangkal [25,26,27]. Dengan demikian, peningkatan doping H ke dalam saluran IGZO di atas RT Al2 O3 meningkatkan konduktivitas saluran dengan menyediakan elektron tambahan. Selanjutnya, V . kecil B shift di bawah NGBS untuk RT Al2 O3 TFT juga dapat dikaitkan dengan pasif H efektif dari VO [28]. Seperti yang dilaporkan dalam literatur, ketidakstabilan TFT di bawah NGBS berasal dari ionisasi netral VO (VO → VO
2+
+2e
−
) [17, 29]. Selain itu, persentase O3 film a-IGZO di RT Al2 O3 adalah 6,9%, yang lebih tinggi dari pada 150 °C Al2 O3 (5,3%) dan Si telanjang (4,6%), masing-masing. Gugus OH dapat berasal dari reaksi O
2−
+ H → OH
−
+ e
−
selama pengendapan film IGZO [30]. Dengan demikian, peningkatan doping H ke dalam saluran IGZO di atas RT Al2 O3 film menghasilkan lebih banyak gugus OH dan juga berkontribusi untuk meningkatkan konduktivitas saluran.
a Profil SIMS konsentrasi hidrogen dalam Al2 O3 diendapkan pada RT dan 150 °C. b Spektrum XPS O1s resolusi tinggi dari saluran IGZO disimpan di RT Al2 O3 , 150 °C Al2 O3 , dan Si telanjang
Kesimpulan
TFT a-IGZO berkinerja tinggi berhasil dibuat di bawah anggaran termal RT yang sangat rendah menggunakan Al2 yang kaya H O3 dielektrik gerbang disiapkan oleh O2 ALD yang ditingkatkan plasma. Ini dianggap berasal dari fakta bahwa Al2 O3 dielektrik yang disimpan di RT mengandung lebih banyak pengotor hidrogen daripada yang disimpan pada suhu yang lebih tinggi. Dengan demikian, pengotor H yang dilepaskan selama sputtering IGZO menghasilkan lebih banyak elektron, dan secara efisien mempasifkan keadaan antarmuka a-IGZO/Al2 O3 dan VO di saluran a-IGZO.
