Сравнительное изучение струйно-печатных и спин-нанесенных ZrO₂ диэлектриков для высокопроизводительных IGZO тонкопленочных транзисторов

Аннотация

В этом исследовании мы спроектировали низкоутечный ZrO₂ диэлектрик с использованием прямого струйного печати для спуттеренного индия-галлия-цинка оксида (IGZO) тонкопленочных транзисторов (TFT). И спин-нанесенные, и струйно-печатные ZrO₂ пленки изготавливались для оценки их динамики формирования и электрических характеристик. Высокоразрешающая ТЭМ подтвердила однородность ZrO₂ слоев, в то время как XPS раскрыла сниженную плотность кислородных вакансий в струйно-печатных пленках. Струйно-печатный TFT продемонстрировал превосходную насыщенную подвижность 12,4 см²/В·с, отношение I_on/I_off 10⁶, напряжение включения 0 В и лишь 1,4 В смещение V_th после одного часа положительного смещения (PBS). Низкий ток выключенного состояния обусловлен плотной, свободной от вакансий пленкой. Однако устройство страдает от выраженного смещения V_th под PBS, приписываемого In-богатому заднему каналу, который легко адсорбирует H₂O и O₂, действуя как акцепторные ловушки. Эти находки подчеркивают потенциал струйно-печатных оксидных диэлектриков для высокопроизводительных, масштабируемых оксидных TFT, в то же время подчеркивая необходимость интерфейсной инженерии для смягчения смещения, индуцированного смещением.

Фон

Металл-оксидные диэлектрики стали перспективными заменами конвенциональных SiO₂ и SiNx в TFT, предлагая высокую емкость, минимальные дефектные состояния и широкие запрещенные зоны, преобразующиеся в высокую подвижность и ультра-низкий ток выключения [1–3]. Следовательно, вакуумно-осажденные оксидные диэлектрики широко применяются в дисплеях, сенсорных массивах и схемах управления [4]. Раствористый процесс — включающий спин-нанесение, струйную печать, спрей-нанесение и щелевое наносение — привлек значительный интерес за свою стоимостную эффективность и масштабируемость [5, 6]. Среди них прямая струйная печать особенно привлекательна, так как позволяет паттернирование без фотолитографии. Тем не менее, струйно-печатные TFT обычно отстают от вакуумных аналогов по электрической производительности из-за проблем таких как неконтролируемое распространение предшественника и интерфейсная совместимость с полупроводниковым слоем [7].

Маршрут фабрикации глубоко влияет на электрические свойства диэлектрика. Спин-нанесение — зрелая техника, дающая пленки с плотностью утечки ниже 10⁻⁶ А/см² при 1 МВ/см и полем пробоя превышающим 2 МВ/см, дающими TFT подвижность около 10 см²/В·с. В противовес, струйно-печатные диэлектрики часто демонстрируют плотность утечки на два порядка выше (>10⁻⁴ А/см² при 1 МВ/см) и подвижность ниже 5 см²/В·с. Мало исследований систематически сравнивали струйно-печатные и спин-нанесенные диэлектрики, особенно касательно плотности пленки, шероховатости поверхности и интерфейсной однородности — ключевых детерминант TFT производительности [8, 9]. Эта работа закрывает этот пробел, систематически противопоставляя процессы формирования пленки и электрические результаты спин-нанесенных versus струйно-печатных ZrO₂ диэлектриков на спуттеренных IGZO TFT.

Мы синтезировали высококачественные ZrO₂ пленки как спин-нанесением, так и струйной печатью, затем оценили их влияние на IGZO TFT. Спин-нанесение полагается на центробежную силу для получения однородного, хоть и потенциально дисперсного, покрытия пленки, тогда как струйная печать зависит от динамики жидкости — гравитации, поверхностного натяжения и вязкоупругости — для осаждения дискретных капель. Оптимизируя расстояние между каплями, скорость струи, состав чернил и температуру подложки, мы контролировали струйной процесс. XPS и IV измерения указали, что двухслойная струйно-печатная ZrO₂ пленка демонстрировала меньше кислородных вакансий по сравнению со спин-нанесенным аналогом, приводя к лучшей однородности и сниженной дефектности. Струйно-печатный диэлектрик достиг более низкой утечки, более высокой подвижности, большего on/off отношения и более высокого смещения V_th под PBS, хотя с уменьшенной смещением стабильности из-за формирования In-богатого заднего канала, поглощающего атмосферные H₂O и O₂. Наши находки демонстрируют, что прямая струйная печать может производить плотные оксидные диэлектрики, но интерфейсные дефекты должны быть управляемы для обеспечения электрической стабильности.

Методы

Материалы

Предшественник ZrO₂ раствор готовили растворением 0,6 М ZrOCl₂·8H₂O в 10 мл смеси 2-метоксиэтанола (2MOE) и этиленгликоля (соотношение 2:3) для достижения желаемого поверхностного натяжения. Раствор перемешивали на 500 об/мин при комнатной температуре 2 ч и затем выдерживали минимум 24 ч. ITO подложки чистили изопропиловым спиртом и деионизированной водой, за которым следовала 100-Вт UV озонная обработка (250 нм) для улучшения смачиваемости поверхности. Спин-нанесенные пленки осаждали при 5000 об/мин 45 с, в то время как струйно-печатные пленки осаждали с расстоянием между каплями 30 мкм и температурой сопла 30 °C. Обе пленки отжигали при 350 °C в воздухе 1 ч. 10-нм IGZO слой спуттерировали DC пульсирующей системой (1 мТорр, O₂:Ar = 5%) и паттернили теневой маской. IGZO отжигали при 300 °C 1 ч. Размеры канала 550 мкм × 450 мкм (W/L = 1,22). Наконец, 150-нм Al источник/сток электроды осаждали DC спуттерированием при комнатной температуре.

Инструменты

XPS (ESCALAB250Xi, Thermo-Fisher) измерял химические состояния при базовом давлении 7,5×10⁻⁵ мТорр. Поперечно-сечение ТЭМ (JEM-2100F, JEOL) и ЭДРС картирование (Bruker) давали элементное распределение. Емкость-Напряжение (C-V) характеристики записывали на Agilent 4284A LCR метре в темноте и при окружающих условиях. Трансфер характеристики и уточки токи измеряли на Agilent 4156C полупроводниковом параметрическом анализаторе, сканируя V_GS от –5 В до +5 В при V_DS = 5 В. Полевая подвижность извлекали из насыщенной области по I_DS = (W µ C_i/2L)(V_GS–V_th)². Относительная диэлектрическая постоянная рассчитывали из ε_r = (C·d)/(ε_0·S).

Результаты и обсуждение

Рис. 1 иллюстрирует контрастирующие механизмы формирования пленки спин-нанесения и струйной печати. Спин-нанесение заставляет капли равномерно распределяться через центробежную силу, производя однородное распределение, но оставляя пустоты из-за выброса капель. Струйная печать, однако, опирается на баланс между распределением и ретракцией, управляемый гравитацией, поверхностным натяжением и вязкостью чернил. Тонко настраивая расстояние между каплями, скорость струи, состав чернил и температуру подложки, мы контролировали струйной процесс. UV озонная обработка значительно улучшила смачиваемость предшественника; 40-секундное воздействие озона дало лучшую морфологию (см. доп. рис. S1). Многослойная печать эффективно запечатывала вакансии и повышала плотность пленки, как свидетельствует увеличение толщины от 45 нм (один слой) до 60 нм (два слоя) без простой аддитивной зависимости (доп. рис. S2).

O 1s XPS спектры (рис. 2) были деконволютированы на три компоненты: металл-кислородные связи (V_M-O, ~529,8 эВ), кислородные вакансии (V_O, ~531,7 эВ) и слабо связанные виды (V_M-OR, ~532,1 эВ) [17,18]. Двухслойная струйно-печатная пленка (DP2) демонстрировала 81,57 % V_M-O и наименьшую долю V_O, подтверждая более плотный, свободный от вакансий диэлектрик. AFM (доп. рис. S3) раскрыл, что спин-нанесенные пленки имели наиболее гладкую поверхность (R_q = 0,29 нм), в то время как DP1 и DP2 показывали R_q 1,05 нм и 0,67 нм соответственно — иллюстрируя снижение шероховатости дополнительными слоями.

Электрические тесты Al/ZrO₂/ITO конденсаторов (рис. 3) показали, что DP1 страдал от высокой утечки из-за обилия вакансий, в то время как DP2 достиг плотности утечки 2,4×10⁻⁵ А/см² при 1 МВ/см и поле пробоя > 2,5 МВ/см. Емкость-Напряжение кривые (рис. 4) дали относительные диэлектрические постоянные 19,2 (SC), 20,1 (DP1) и 18,8 (DP2), согласующиеся с литературным значением (~18). Гистерезис был минимален для SC и увеличивался для DP1, отражая роль однородности пленки на плотность ловушек.

Трансфер характеристики под отрицательным (NBS) и положительным (PBS) смещением (рис. 5) раскрыли, что DP2-IGZO TFT доставляли более высокую насыщенную подвижность (12,5 см²/В·с) и I_on/I_off отношение (10⁶) по сравнению с SC-IGZO (10,2 см²/В·с, 2×10⁵). Смещения V_th были пренебрежимо малы после NBS для обоих устройств, указывая на хорошее сопротивление дырочным ловушкам. Однако под PBS SC-IGZO показывало 0,4 В смещение, тогда как DP2-IGZO страдало от выраженного 1,2 В смещения — приписываемого In-богатому заднему каналу, поглощающему H₂O и O₂, которые действуют как акцепторные ловушки. ТЭМ и ЭДРС (рис. 6) подтвердили формирование In-богатого региона на интерфейсе Al/IGZO в DP2 устройствах, приводящее к увеличению дрейфа V_th.

Бэнд-диаграмма анализ (рис. 7) предполагает, что в то время как DP2-ZrO₂ TFT накапливают больше носителей в статическом состоянии из-за превосходной изоляции, они более восприимчивы к акцепторно-подобным ловушкам под PBS. Адсорбированные H₂O и O₂ молекулы формируют гидроксидные виды, потребляющие электроны, сдвигая V_th положительно. Различные энергии диссоциации кислородных связей — Zr–O (756 кДж/моль) vs Ga–O (364 кДж/моль) и In–O (336 кДж/моль) — способствуют включению кислорода в ZrO₂, оставляя In и Zn мигрировать к заднему каналу, где они реагируют с окружающими видами. Стратегии такие как топ-гейт архитектуры, интерфейсные пассивационные слои или послеосадочные обработки могут смягчить PBS-индуцированную деградацию и являются перспективными направлениями для будущих исследований.

Заключение

Мы успешно изготовили плотный, низкоутечный, струйно-печатный ZrO₂ гейт изолятор, используя многослойную стратегию печати, которая обходит необходимость в фотолитографическом паттернировании, делая ее привлекательной для крупноплощадного, стоимостно-эффективного производства. Струйно-печатная пленка продемонстрировала более высокую плотность и более низкую концентрацию кислородных вакансий, чем ее спин-нанесенный аналог, как подтверждено XPS и ТЭМ. Ее плотность утечки (2,4×10⁻⁵ А/см² при 1 МВ/см) и поле пробоя (> 2 МВ/см) превзошли спин-нанесенные пленки. Полученный IGZO TFT достиг насыщенной подвижности 12,4 см²/В·с, отношения I_on/I_off 10⁶, напряжения включения 0 В и смещения V_th 1,2 В после одного часа PBS. ТЭМ и ЭДРС раскрыли In-богатый задний канал, поглощающий атмосферные H₂O и O₂, действующие как акцепторные ловушки и вызывающие наблюдаемый дрейф V_th. Несмотря на эту проблему стабильности, метрики производительности демонстрируют, что струйная печать может доставлять высококачественные оксидные диэлектрики. С дальнейшей оптимизацией интерфейса — такими как пассивационные слои или альтернативные гейт архитектуры — струйно-печатные диэлектрики держат большую надежду для масштабируемых, высокопроизводительных оксидных TFT.

Аббревиатуры

2MOE:

Метоксиэтанол (растворитель)

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

Al:

Алюминий

DP1/2:

Прямое печать 1/2 слой

EDS:

Электронная дифференциальная система

H₂O:

Водная молекула

IGZO:

Индий-галлий-цинк оксид (оксидный полупроводник)

ITO:

Индий-оловый оксид (электрод)

O 1s:

Оксид 1s атомная орбиталь

O₂:

Кислородная молекула

PBS/NBS:

Положительное/отрицательное смещение смещения (режим теста)

SC:

Спин-нанесенный

SiNₓ:

Нитрид кремния (диэлектрик)

SiO₂:

Диоксид кремния (диэлектрик)

TEM:

Пропускная электронная микроскопия

TFT:

Тонкопленочный транзистор

UV:

Ультрафиолет

V_M-O:

Процент металл-кислородной связи

V_M-OR:

Процент металл-органической связи

V_O:

Процент вакантной оксидной связи

V_th:

Пороговое напряжение

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

ZrO₂:

Цирконий диоксид (оксидный диэлектрик)

ZrOCl₂·8H₂O:

Оксихлорид циркония октагидрат (материал)