Высокопроизводительные тонкопленочные транзисторы a-InGaZnO с чрезвычайно низким тепловым бюджетом за счет использования диэлектрика из Al2O3, богатого водородом

Фон

Тонкопленочные транзисторы (TFT) на основе аморфного In-Ga-Zn-O (a-IGZO) привлекли большое внимание в последнее десятилетие из-за их высокой мобильности, хорошей однородности, высокой прозрачности для видимого света и низкой температуры процесса [1, 2,3]. Эти достоинства делают его многообещающим кандидатом для применения в электронике следующего поколения, такой как прозрачный дисплей, гибкие устройства или носимая электроника. В частности, для приложений гибкой электроники TFT обычно изготавливаются на полимерных подложках с низкой термостойкостью. Таким образом, необходимо сократить тепловой бюджет изготовления a-IGZO TFT. С этой целью многие исследователи сосредоточили внимание на a-IGZO TFT с изоляторами затвора, изготовленными при комнатной температуре, такими как распыление [4,5,6], процесс растворения [7,8,9], испарение электронным пучком [10] и анодирование [11]. Однако эти диэлектрические пленки часто страдают от высокой плотности ловушек и сильного межфазного рассеяния диэлектрик / a-IGZO, что приводит к ограниченной подвижности полевого эффекта, большому подпороговому размаху и малому отношению тока включения / выключения [4,5,6 , 7,8,9,10,11].

С другой стороны, осаждение атомных слоев (ALD) является многообещающим методом, который может обеспечить получение высококачественных пленок, точный контроль толщины пленки, хорошую однородность на большой площади и низкую температуру процесса [12,13,14]. Zheng et al. [15] сообщили, что a-IGZO TFT с ALD SiO ₂ диэлектрик показал отличные электрические характеристики без необходимости последующего отжига. Однако для ALD SiO ₂ требуется высокая температура подложки 250 ° C. пленки [15], что выше температуры стеклования большинства гибких пластиковых подложек. Интересно, что сообщается, что ALD Al ₂ О ₃ пленки могут быть реализованы даже при комнатной температуре (RT) [16,17]; между тем, Аль ₂ О ₃ пленка, осажденная при КТ, содержит большое количество примесей водорода (H) [17]. Однако, насколько нам известно, вышеупомянутый H-богатый Al ₂ О ₃ Пленка никогда не использовалась в качестве изолятора затвора в a-IGZO TFT. Поэтому желательно изучить a-IGZO TFT с RT ALD Al ₂ О ₃ изолятор ворот.

В этом письме был успешно изготовлен высокопроизводительный a-IGZO TFT с нанесенным при комнатной температуре Al ₂ О ₃ затвор диэлектрик. Путем сравнения характеристик тонкопленочных транзисторов a-IGZO с различными Al ₂ О ₃ изоляторы затвора осаждались при разных температурах, был рассмотрен основной механизм.

Методы

Сильнолегированные кремниевые пластины p-типа (<0,0015 Ом · см) очищались стандартными процессами RCA и служили электродами затвора. Сорок нанометровый Al ₂ О ₃ пленки были нанесены в коммерческой системе ALD (Picsun Ltd.) с использованием триметилалюминия (ТМА) и O ₂ плазма в качестве прекурсора и реагента соответственно. Один цикл роста состоял из импульса ТМА 0,1 с, 10 с N ₂ продувка, 8 с O ₂ плазменный импульс, и 10 с N ₂ удалять. ТМА поддерживали при 18 ° C для стабильного давления пара и дозы, а O ₂ скорость потока газа была зафиксирована на уровне 150 см3 / мин при мощности плазменного генератора 2500 Вт. Затем пленки a-IGZO толщиной 40 нм были нанесены методом высокочастотного распыления с использованием керамической мишени IGZO с атомным соотношением In:Ga:Zn:O =1. :1:1:4. Во время распыления рабочее давление и Ar и O ₂ Расход газа был установлен на уровне 0,88 Па и 48 и 2 куб. м3 соответственно. Активная область формировалась методами фотолитографии и влажного травления. После этого были приготовлены электроды истока / стока из бислоев Ti 30 нм и Au 70 нм электронно-лучевым испарением и методом отрыва. Никаких дополнительных процессов отжига на этих устройствах не применялось.

Электрические свойства a-IGZO TFT были охарактеризованы с использованием анализатора полупроводниковых приборов (Agilent Tech B1500A) в темном боксе при комнатной температуре. Стабильность устройства измерялась при положительном и отрицательном смещении затвора соответственно. Глубинные профили элементов и химический состав были измерены с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) соответственно.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а сравниваются диэлектрические проницаемости Al ₂ . О ₃ пленки, осажденные при различных температурах в зависимости от частоты (т. е. от 10 Гц до 10 ⁵ Гц). При повышении температуры осаждения от 100 до 150 ° C диэлектрическая проницаемость пленки постепенно уменьшается. Подобная тенденция также отмечалась в предыдущей литературе при изменении температуры осаждения от RT до 150 ° C [18, 19]. Это потому, что RT Al ₂ О ₃ пленка содержит самую высокую концентрацию водорода (H) в виде групп ОН. Таким образом, соответствующая диэлектрическая проницаемость увеличивается за счет вращения большего количества групп ОН в электрическом поле [20]. Что касается частоты измерения 10 Гц, извлеченные диэлектрические постоянные для RT, 100 ° C и 150 ° C Al ₂ О ₃ пленки равны 8,6, 7,9 и 7,4 соответственно, которые используются для извлечения полевой подвижности ( μ _FE ) и межфазной плотности ловушек ( D _это ) изготовленного TFT-устройства. На рисунке 1b показаны характеристики тока утечки различных Al ₂ . О ₃ фильмы. Установлено, что RT Al ₂ О ₃ пленка имеет небольшую плотность тока утечки 2,38 × 10 ^{- 8} А / см ² при 2 МВ / см и электрическом поле пробоя 5,3 МВ / см. Кроме того, электрическое поле пробоя постепенно увеличивается с увеличением температуры осаждения от 100 до 150 ° C.

Электрические свойства Al ₂ О ₃ пленки, осажденные при разных температурах. а Диэлектрическая проницаемость в зависимости от частоты. б Плотность тока утечки в зависимости от электрического поля

На рисунке 2 показаны типичные переходные кривые для тонкопленочных транзисторов a-IGZO с различным содержанием Al ₂ . О ₃ изоляторы ворот. РТ Аль ₂ О ₃ TFT показывает лучшую производительность, например высокий μ _FE 19,5 см ² V ^{- 1} s ^{- 1} , малое подпороговое колебание (SS) 160 мВ / дек, небольшое пороговое напряжение ( В _T ) 0,1 В и большой коэффициент включения / выключения ( I _{вкл / выкл} ) 4,5 × 10 ⁸ . Однако тонкопленочные транзисторы a-IGZO с Al ₂ О ₃ изоляторы затвора, осажденные как при 100, так и при 150 ° C, показывают гораздо худшие характеристики, т. е. меньшие токи включения (10 ^{- 7} и 3 × 10 ^{- 9} А) и деградированный СС. D _это на интерфейсе Al ₂ О ₃ / a-IGZO можно рассчитать на основе следующего уравнения [21]:

где e , k , Т , и q представляют собой число Эйлера, постоянную Больцмана, абсолютную температуру и единичный заряд электрона соответственно. C _бык - диэлектрическая емкость затвора на единицу площади. Для РТ Аль ₂ О ₃ TFT, D _это равно 1,1 × 10 ¹² эВ ^{- 1} см ^{- 2} , что более чем в 1-2 раза ниже, чем у TFT с Al ₂ О ₃ изоляторы ворот наплавленные при 100 и 150 ° С.

Кривые передачи a-IGZO TFT с ALD Al ₂ О ₃ изоляторы затвора, наплавленные при разных температурах вместе с извлеченными параметрами устройства

Стабильность смещения затвора устройств была дополнительно измерена путем приложения отрицательного и положительного напряжения. На рисунке 3 показан V _T сдвиг как функция времени напряжения смещения для различных TFT. Что касается отрицательного напряжения смещения затвора (NGBS), RT Al ₂ О ₃ TFT показывает незначительное V _T сдвиг -0,04 В после напряжения -10 В в течение 40 мин. Однако более высокотемпературный Al ₂ О ₃ изоляторы ворот генерируют больше V _T сдвигается особенно на 150 ° C. Такая высокая стабильность NGBS для RT Al ₂ О ₃ следует отнести к низкой концентрации кислородных вакансий ( V _O ) в канале a-IGZO [22]. Что касается положительного напряжения смещения затвора (PGBS), RT Al ₂ О ₃ TFT показывает V _T сдвиг 1,47 В, что намного меньше значений (8,8 В и 12,1 В) для Al ₂ при 100 и 150 ° C О ₃ TFT. Кроме того, было исследовано влияние времени хранения на характеристики устройства, как показано на рис. 4. Хотя задний канал не покрыт пассивирующим слоем, устройство по-прежнему сохраняет отличные характеристики после хранения в шкафу (относительная влажность 20%). 60 дней при 30 ° С; между тем, нет значительных изменений в μ _FE и СС наблюдаются. Это указывает на RT Al ₂ О ₃ TFT без пассивирующего слоя обладают хорошей стабильностью в зависимости от времени хранения в текущих условиях.

V _T сдвиг как функция времени напряжения смещения при NGBS =- 10 В и PGBS =10 В для TFT с Al ₂ О ₃ изоляторы нанесены при разных температурах

Стабильность RT Al ₂ в зависимости от времени О ₃ TFT после хранения в шкафу (относительная влажность 20%) при 30 ° C. а Кривые передачи. б Подвижность и подпороговые колебания

В таблице 1 сравниваются характеристики нашего RT Al ₂ О ₃ TFT с другими отчетами. Было обнаружено, что наше устройство показывает близкий к нулю V _T , меньшая SS и большая I _{вкл / выкл} в случае сопоставимой подвижности [4, 23]. Хотя используется Ta ₂ О ₅ изолятор затвора может получить более высокую подвижность 61,5 см ² V ^{- 1} s ^{- 1} , как SS, так и I _{вкл / выкл} значительно ухудшаются [10]. Одним словом, наш RT Al ₂ О ₃ TFT обладает превосходными характеристиками по сравнению с Al ₂ при 100 и 150 ° C. О ₃ TFT. Поскольку все этапы обработки идентичны, за исключением этапа нанесения Al ₂ О ₃ , такие значительные различия в электрических характеристиках должны происходить от Al ₂ О ₃ изоляторы ворот.

Чтобы понять основной механизм, глубинные профили элементов в a-IGZO / Al ₂ О ₃ сложенные пленки были проанализированы СМИС. На рис. 5а показана зависимость концентрации H от глубины в стопках IGZO / Al ₂ . О ₃ , где Al ₂ О ₃ Пленки осаждали при КТ и 150 ° C соответственно. Для сравнения также была проанализирована пленка IGZO, нанесенная на голую подложку Si. Пленка IGZO, нанесенная на чистый Si, содержит концентрацию H ~ 3 × 10 ²¹ . см ^{- 3} , который возникает из остаточного газа в системе распыления и абсорбированного H ₂ / H ₂ Молекулы O на поверхности Si. Обе пленки IGZO, нанесенные на Al ₂ О ₃ пленки содержат более высокие концентрации H, чем на голой подложке Si. Это указывает на то, что повышенные концентрации H должны происходить из-за высвобождения примесей H в нижележащем Al ₂ О ₃ пленки при напылении ИГЗО. Кроме того, наблюдается, что концентрация H в пленке IGZO поверх RT Al ₂ О ₃ пленка выше, чем на 150 ° C, в приграничной области, что может обеспечить более эффективную пассивацию межфазных состояний. Таким образом, улучшается стабильность SS и PGBS RT Al ₂ О ₃ TFT за счет уменьшения захвата межфазных носителей. Кроме того, O 1s XPS-спектры пленок a-IGZO вблизи границы раздела IGZO / Al ₂ О ₃ были проанализированы, как показано на рис. 5b. Соответствующие пики расположены при 530,2 ± 0,1 эВ, 530,9 ± 0,1 эВ и 531,6 ± 0,1 эВ, что соответствует O ^2- ионы, связанные с металлом (O1), V _O (O2) и OH-группы (O3) соответственно [13, 24]. Процент O2 составляет 26,3% в слое a-IGZO поверх чистого Si; однако она снижается до 12,3% и 6,8% для 150 ° C и RT Al ₂ О ₃ лежащие в основе пленки соответственно. Это означает, что больше V _O в канале IGZO может быть эффективно пассивирован дополнительными примесями H, происходящими из нижележащего Al ₂ О ₃ пленки, специально для RT Al ₂ О ₃ пленка с более высокой концентрацией H. Сообщается, что когда V _O и H оба присутствуют в пленке a-IGZO, они могут объединяться, чтобы сформировать стабильное состояние, в котором H удерживается на V _O ( V _O H), и полученный V _O H - донор мелкого уровня [25,26,27]. Таким образом, усиленное легирование H в канал IGZO поверх RT Al ₂ О ₃ улучшает проводимость канала за счет дополнительных электронов. Кроме того, маленький V _T сдвиг под НГБС по РТ Аль ₂ О ₃ TFT также можно отнести к эффективной H-пассивации V _O [28]. Как сообщается в литературе, нестабильность TFT под NGBS происходит из-за ионизации нейтрального V _O ( V _O → V _O ²⁺ + 2e ^- ) [17, 29]. Кроме того, процентное содержание O3 в пленке a-IGZO на RT Al ₂ О ₃ составляет 6,9%, что выше, чем у 150 ° C Al ₂ О ₃ (5,3%) и чистый Si (4,6%) соответственно. Группа ОН могла возникнуть в результате реакции O ^2- + H → OH ^- + E ^- при нанесении пленок IGZO [30]. Таким образом, усиленное легирование H в канал IGZO поверх RT Al ₂ О ₃ пленка генерирует больше групп ОН, а также способствует улучшению проводимости канала.

а SIMS-профили концентрации водорода в Al ₂ О ₃ осажден при комнатной температуре и 150 ° C. б O1s XPS-спектры высокого разрешения канала IGZO, нанесенного на RT Al ₂ О ₃ , 150 ° С Al ₂ О ₃ , и голый Si

Выводы

Высокопроизводительный a-IGZO TFT был успешно изготовлен при чрезвычайно низком тепловом балансе RT с использованием H-богатого Al ₂ О ₃ диэлектрик затвора, изготовленный из O ₂ ALD с плазменным усилением. Это объясняется тем, что Al ₂ О ₃ диэлектрик, осажденный при КТ, содержит больше примесей водорода, чем осажденный при более высоких температурах. Таким образом, высвободившиеся примеси H во время распыления IGZO генерировали больше электронов и эффективно пассивировали межфазные состояния a-IGZO / Al ₂ О ₃ и V _O в канале a-IGZO.

Сокращения

a-IGZO:

Аморфный In-Ga-Zn-O

ALD:

Осаждение атомного слоя

D _это :

Плотность межфазной ловушки

H:

Водород

I _{вкл / выкл} :

Коэффициент текущей / выключенной текущей ликвидности

NGBS:

Отрицательное напряжение смещения затвора

PGBS:

Положительное напряжение смещения затвора

RT:

Комнатная температура

SIMS:

Масс-спектрометрия вторичных ионов

SS:

Подпороговое колебание

TFT:

Тонкопленочный транзистор

V _O :

Кислородная вакансия

V _O H:

Водород, захваченный кислородной вакансией

V _T :

Пороговое напряжение

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

μ _FE :

Полевая подвижность