ALD Al₂O₃ при комнатной температуре обеспечивает сверхнизкий тепловой бюджет и высокую подвижность a-IGZO тонкопленочных транзисторов

Аннотация

Мы демонстрируем, что a-IGZO тонкопленочные транзисторы (TFT), изготовленные с воротниковым диэлектриком Al₂O₃, осажденным плазменно-усиленным ALD при комнатной температуре (RT), демонстрируют выдающуюся производительность: полевую подвижность 19,5 см² В⁻¹ с⁻¹, субпороговый спад (SS) 160 мВ дек⁻¹, пороговое напряжение (V_T) 0,1 В, отношение вкл/выкл 4,5 × 10⁸ и превосходную смещение-стабильность. Высокая подвижность и низкое смещение смещения приписываются водородно-богатому слою Al₂O₃, который пассивирует интерфейсные состояния и кислородные вакансии в a-IGZO канале, генерируя дополнительные носители. Этот подход обеспечивает нулевой тепловой бюджет, высокопроизводительный TFT, идеальный для гибкой электроники.

Введение

Аморфные In-Ga-Zn-O (a-IGZO) TFT ценятся за их высокую подвижность, отличную равномерность, видимую прозрачность и низкотемпературную технологичность, делая их ведущими кандидатами для дисплеев следующего поколения, гибких устройств и носимой электроники. Для гибких подложок тепловой бюджет должен быть минимизирован; поэтому исследователи изучали воротниковые диэлектрики при комнатной температуре, такие как спуттерирование, раствористые процессы, электронно-лучевое испарение и анодирование. Однако эти пленки обычно содержат высокую плотность ловушек и сильное интерфейсное рассеяние, ограничивая подвижность, увеличивая SS и уменьшая отношения вкл/выкл.

Атомно-слойное осаждение (ALD) предлагает точный контроль толщины, равномерность на больших площадях и низкотемпературную обработку. Хотя ALD SiO₂ требует 250 °C — выше температур перехода многих полимеров — Al₂O₃ может осаждаться при RT. RT-ALD Al₂O₃ известно, что содержит изобилие водородных примесей, однако оно не использовалось как воротниковый изолятор в a-IGZO TFT. Это исследование заполняет этот пробел, демонстрируя a-IGZO TFT с воротниковым диэлектриком RT-ALD Al₂O₃ и раскрывая лежащий в основе механизм.

Методы

Сильно легированные p-типа кремниевые подложки (≤0,0015 Ом·см) служили воротниками после RCA очистки. 40-нм слой Al₂O₃ осаждался в коммерческой ALD системе с использованием триметилалюминия (TMA) и O₂ плазмы, с циклом 0,1 с импульс TMA, 10 с N₂ пурга, 8 с O₂ плазма импульс и 10 с N₂ пурга. TMA держался при 18 °C, поток O₂ 150 сccm с мощностью плазмы 2500 Вт. 40-нм a-IGZO пленка (In:Ga:Zn:O = 1:1:1:4) затем спуттерировалась при 0,88 Па, 48 сccm Ar и 2 сccm O₂. Фотолитография и влажное травление определяли активную область, за чем следовали 30-нм Ti/70-нм Au контакты источник/сток через электронно-лучевое испарение и lift-off. Никакой пост-отжиг не выполнялся.

Характеристики устройств измерялись анализатором Agilent B1500A в темной коробке при комнатной температуре. Устойчивость к смещению смещения оценивалась под отрицательным и положительным воротниковым смещением. Глубинные профили и химический состав изучались вторично-ионной масс-спектрометрией (SIMS) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS) соответственно.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1a показывает диэлектрическую проницаемость Al₂O₃, осажденного при RT, 100 °C и 150 °C в зависимости от частоты. По мере повышения температуры осаждения диэлектрическая проницаемость уменьшается (8,6 → 7,9 → 7,4 при 10 Гц), что согласуется с уменьшением OH-групп, ассоциированных с водородом, повышающих проницаемость. Рисунок 1b иллюстрирует просадочные характеристики: RT-Al₂O₃ демонстрирует наименьшую плотность утечки (2,38 × 10⁻⁸ А см⁻² при 2 МВ см⁻¹) и наибольшее пробойное поле (5,3 МВ см⁻¹).

Передаточные кривые (Рисунок 2) раскрывают, что RT-Al₂O₃ TFT превосходит свои более высокотемпературные аналоги: μ_FE = 19,5 см² В⁻¹ с⁻¹, SS = 160 мВ дек⁻¹, V_T = 0,1 В и I_on/off = 4,5 × 10⁸. Устройства с Al₂O₃, осажденным при 100 °C и 150 °C, показывают заметно более низкие токи в открытом состоянии и деградированный SS. Расчетные плотности интерфейсных ловушек (D_it) подтверждают, что RT устройство имеет D_it = 1,1 × 10¹² эВ⁻¹ см⁻², примерно в два раза меньше, чем у более высокотемпературных устройств.

Тесты смещения смещения (Рисунок 3) демонстрируют исключительную стабильность: под −10 В в течение 40 мин RT устройство демонстрирует пренебрежимое смещение V_T (−0,04 В), в то время как 150 °C устройство смещается на 12,1 В. Положительное смещение смещения (10 В) дает смещение V_T 1,47 В для RT устройства против 8,8 В и 12,1 В для 100 °C и 150 °C устройств соответственно. Хранительная стабильность (Рисунок 4) показывает, что RT устройство сохраняет свою μ_FE и SS после 60 дней при 30 °C и 20% относительной влажности, даже без пассивации заднего канала.

Таблица 1 сравнивает RT-Al₂O₃ устройство с недавними отчетами. Оно достигает близкого к нулю V_T, низкого SS и высокого I_on/off с сравнимой подвижностью, превосходя устройства с Ta₂O₅ или более высокотемпературными Al₂O₃ диэлектриками. Единственная переменная между устройствами — температура осаждения Al₂O₃, подчеркивающая критическую роль водородного содержимого.

SIMS глубинный профилирование (Рисунок 5a) показывает, что Al₂O₃, осажденный при RT, содержит более высокую концентрацию водорода, который высвобождается при спуттерировании IGZO. Это повышенное H-концентрация в IGZO слое (≈ 1,5 × 10²² см⁻³ для RT против 8 × 10²¹ см⁻³ для 150 °C) приводит к более эффективной пассивации интерфейсных состояний и кислородных вакансий. XPS O 1s спектры (Рисунок 5b) раскрывают уменьшенные пики кислородных вакансий (O₂) в IGZO канале для RT устройства (6,8% против 12,3% для 150 °C), подтверждая, что H₂O и OH группы, генерируемые при осаждении, компенсируют вакансии, создавая поверхностные донорные состояния (V_OH), которые повышают проводимость и улучшают смещение-стабильность.

Заключение

Мы показали, что a-IGZO TFT, изготовленные с водородно-богатым воротниковым диэлектриком Al₂O₃, осажденным RT-ALD, достигают высокой подвижности, низкого субпорогового спада и надежной смещение-стабильности — и все это без всякого пост-отжига. Превосходная производительность происходит из обильного водорода, высвобождаемого из RT-Al₂O₃ слоя, который пассивирует интерфейсные состояния и кислородные вакансии, генерируя дополнительные носители в IGZO канале. Этот подход с нулевым тепловым бюджетом высоко совместим с гибкой электроникой и другими приложениями, требующими низкотемпературной обработки.