Hochleistungs-a-InGaZnO-Dünnschichttransistoren mit extrem niedrigem Wärmebudget durch Verwendung eines wasserstoffreichen Al2O3-Dielektrikums

Hintergrund

Amorphe In-Ga-Zn-O (a-IGZO)-basierte Dünnschichttransistoren (TFTs) haben in den letzten zehn Jahren aufgrund ihrer hohen Mobilität, guten Gleichmäßigkeit, hohen Transparenz für sichtbares Licht und niedriger Prozesstemperatur viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1, 2,3]. Diese Vorzüge machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Anwendung von Elektronik der nächsten Generation, wie beispielsweise transparente Displays, flexible Geräte oder tragbare Elektronik. Insbesondere für Anwendungen flexibler Elektronik werden TFTs im Allgemeinen auf Polymersubstraten mit geringer thermischer Stabilität hergestellt. Somit ist es notwendig, das thermische Budget der a-IGZO-TFT-Herstellung zu reduzieren. Zu diesem Zweck konzentrieren sich viele Forscher auf a-IGZO-TFTs mit bei Raumtemperatur hergestellten Gate-Isolatoren, wie Sputtern [4,5,6], Lösungsverfahren [7,8,9], Elektronenstrahlverdampfung [10] und Anodisierung [11]. Diese dielektrischen Filme leiden jedoch häufig unter einer hohen Fallendichte und einer starken dielektrischen/a-IGZO-Grenzflächenstreuung, was zu einer begrenzten Feldeffektmobilität, einem großen Unterschwellenhub und einem kleinen Ein-/Aus-Stromverhältnis führt [4,5,6 ,7,8,9,10,11].

Andererseits ist die Atomlagenabscheidung (ALD) eine vielversprechende Technik, die qualitativ hochwertige Filme, eine präzise Steuerung der Filmdicke, eine gute Gleichmäßigkeit über einen großen Bereich und eine niedrige Prozesstemperatur liefern kann [12,13,14]. Zhenget al. [15] berichteten, dass der a-IGZO-TFT mit ALD SiO₂ Dielektrikum wies eine ausgezeichnete elektrische Leistung auf, ohne dass ein Nachglühen erforderlich war. Für die ALD von SiO₂ . ist jedoch eine hohe Substrattemperatur von 250°C erforderlich Folien [15], die höher ist als die Glasübergangstemperatur der meisten flexiblen Kunststoffsubstrate. Interessanterweise wird berichtet, dass die ALD von Al₂ O₃ Filme können auch bei Raumtemperatur (RT) realisiert werden [16, 17]; inzwischen die Al₂ O₃ Bei RT abgeschiedener Film enthält eine große Menge an Wasserstoff(H)-Verunreinigungen [17]. Nach unserem besten Wissen ist jedoch das oben erwähnte H-reiche Al₂ O₃ Film wurde nie als Gate-Isolator in einem a-IGZO-TFT verwendet. Daher ist es wünschenswert, den a-IGZO-TFT mit einem RT-ALD Al₂ . zu untersuchen O₃ Torisolator.

In diesem Brief wurde ein Hochleistungs-a-IGZO-TFT erfolgreich mit einem bei Raumtemperatur abgeschiedenen Al₂ . hergestellt O₃ Gate-Dielektrikum. Durch Vergleich der Eigenschaften der a-IGZO-TFTs mit verschiedenen Al₂ O₃ Gate-Isolatoren, die bei verschiedenen Temperaturen abgeschieden wurden, wurde der zugrunde liegende Mechanismus untersucht.

Methoden

Hochdotierte Siliziumwafer vom p-Typ (<0,0015 Ω cm) wurden durch Standard-RCA-Prozesse gereinigt und dienten als Gate-Elektroden. Vierzig-Nanometer-Al₂ O₃ Filme wurden in einem kommerziellen ALD-System (Picsun Ltd.) unter Verwendung von Trimethylaluminium (TMA) und O₂ . abgeschieden Plasma als Vorläufer bzw. Reaktant. Ein Wachstumszyklus bestand aus 0,1 s TMA-Puls, 10 s N₂ Spülen, 8 s O₂ Plasmapuls und 10 s N₂ säubern. Das TMA wurde bei 18 °C für einen stabilen Dampfdruck und eine stabile Dosis gehalten, und das O₂ Die Gasflussrate wurde mit einer Plasmageneratorleistung von 2500 W auf 150 sccm fixiert. Anschließend wurden 40-nm-a-IGZO-Filme durch HF-Sputtern unter Verwendung eines IGZO-Keramiktargets mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn:O = 1 . abgeschieden :1:1:4. Beim Sputtern, Arbeitsdruck und Ar und O₂ Gasflussraten wurden auf 0,88 Pa bzw. 48 und 2 sccm festgelegt. Der aktive Bereich wurde durch Photolithographie und Nassätzen gebildet. Danach wurden Source/Drain-Elektroden aus 30-nm-Ti/70-nm-Au-Doppelschichten durch Elektronenstrahlverdampfung und ein Abhebeverfahren hergestellt. Bei diesen Geräten wurden keine weiteren Glühprozesse angewendet.

Die elektrischen Eigenschaften von a-IGZO-TFTs wurden unter Verwendung eines Halbleitergeräteanalysators (Agilent Tech B1500A) in einer Darkbox bei Raumtemperatur charakterisiert. Die Gerätestabilitäten wurden unter positiven bzw. negativen Gate-Vorspannungsbelastungen gemessen. Die Tiefenprofile der Elemente und die chemische Zusammensetzung wurden durch Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) bzw. Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a vergleicht die Dielektrizitätskonstanten von Al₂ O₃ Filme, die bei verschiedenen Temperaturen als Funktion der Frequenz abgeschieden wurden (d. h. von 10 Hz bis 10 ⁵ Hz). Wenn die Abscheidungstemperatur von 100 auf 150°C ansteigt, zeigt der Film eine allmähliche Abnahme der Dielektrizitätskonstante. Ein ähnlicher Trend wurde auch in früheren Literaturstellen für die Änderung der Abscheidungstemperatur von RT auf 150°C berichtet [18, 19]. Dies liegt daran, dass der RT Al₂ O₃ Film enthält die höchste Konzentration an Wasserstoff (H) in Form von OH-Gruppen. Somit wird die entsprechende Dielektrizitätskonstante durch eine Rotation von mehr OH-Gruppen in einem elektrischen Feld erhöht [20]. In Bezug auf die Messfrequenz von 10 Hz, die extrahierten Dielektrizitätskonstanten für die RT, 100 °C und 150°C Al₂ O₃ Filme sind gleich 8,6, 7,9 bzw. 7,4, die für die Extraktion der Feldeffekt-Mobilität (μ _FE ) und Grenzflächenfallendichte (D _es ) des hergestellten TFT-Geräts. Abbildung 1b zeigt die Leckstromeigenschaften verschiedener Al₂ O₃ Filme. Es wurde festgestellt, dass die RT Al₂ O₃ Film weist eine kleine Leckstromdichte von 2,38 × 10 ^– 8 . auf A/cm ² bei 2 MV/cm und einem elektrischen Durchschlagsfeld von 5,3 MV/cm. Außerdem nimmt das elektrische Durchschlagsfeld mit steigender Abscheidungstemperatur von 100 auf 150°C allmählich zu.

Elektrische Eigenschaften von Al₂ O₃ Filme, die bei unterschiedlichen Temperaturen abgeschieden wurden. a Dielektrizitätskonstante über der Frequenz. b Leckstromdichte versus elektrisches Feld

Abbildung 2 zeigt die typischen Übertragungskurven der a-IGZO-TFTs mit verschiedenen Al₂ O₃ Torisolatoren. Der RT Al₂ O₃ TFT weist die beste Leistung auf, z. B. hohe μ _FE von 19,5 cm ² V ^− 1 s ^− 1 , ein kleiner unterschwellenwert (SS) von 160 mV/dez, eine kleine Schwellenspannung (V _T ) von 0,1 V und einem großen Ein/Aus-Stromverhältnis (I _ein/aus ) von 4,5 × 10 ⁸ . Die a-IGZO-TFTs mit Al₂ O₃ Gate-Isolatoren, die sowohl bei 100 als auch bei 150°C abgeschieden wurden, zeigen eine viel schlechtere Leistung, d. h. reduzierte Einschaltströme (10 ^− 7 und 3 × 10 ^− 9 A) und degradierte SS. Das D _es an der Schnittstelle von Al₂ O₃ /a-IGZO kann nach folgender Gleichung [21] berechnet werden:

$$ {D}_{\textrm{it}}=\left(\frac{\textrm{SS}\times \lg e}{kT/q}-1\right)\frac{C_{ox}}{ q^2} $$ (1)

wo e , k , T , und q repräsentieren die Eulersche Zahl, die Boltzmann-Konstante, die absolute Temperatur bzw. die Einheitselektronenladung. C _Ochse ist die dielektrische Gate-Kapazität pro Flächeneinheit. Für den RT Al₂ O₃ TFT, das D _es ist gleich 1,1 × 10 ¹² eV ^− 1 cm ^− 2 , was mehr als ein- oder zweimal niedriger ist als bei den TFTs mit Al₂ O₃ Gate-Isolatoren, abgeschieden bei 100 und 150°C.

Übertragungskurven der a-IGZO-TFTs mit ALD Al₂ O₃ Gate-Isolatoren, die bei verschiedenen Temperaturen zusammen mit den extrahierten Geräteparametern abgeschieden wurden

Die Gate-Bias-Stabilitäten der Bauelemente wurden ferner durch Anlegen negativer und positiver Spannungen gemessen. Abbildung 3 zeigt das V _T Verschiebung als Funktion der Bias-Stress-Zeit für verschiedene TFTs. In Bezug auf negative Gate-Bias-Belastung (NGBS) ist der RT Al₂ O₃ TFT weist ein vernachlässigbares V . auf _T Verschiebung von − 0.04 V nach Belastung bei − 10 V für 40 min. Al₂ . mit höherer Temperatur O₃ Gateisolatoren erzeugen größere V _T verschiebt sich speziell für 150°C. Solch eine hohe NGBS-Stabilität für RT Al₂ O₃ sollte auf eine niedrige Konzentration von Sauerstoffleerstellen (V _O ) im a-IGZO-Kanal [22]. In Bezug auf positive Gate-Bias-Belastung (PGBS) ist der RT Al₂ O₃ TFT zeigt ein V _T Verschiebung von 1,47 V, was viel kleiner ist als die (8,8 V und 12,1 V) für 100 und 150 °C Al₂ O₃ TFTs. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Lagerzeit auf die Geräteleistung untersucht, wie in Abb. 4 gezeigt. Obwohl keine Passivierungsschicht auf dem hinteren Kanal bedeckt ist, behält das Gerät nach der Aufbewahrung in einem Schrank (20% RH) immer noch eine hervorragende Leistung bei. 60 Tage bei 30 °C; inzwischen keine signifikanten Schwankungen in μ _FE und SS werden beobachtet. Dies zeigt die RT Al₂ . an O₃ TFTs ohne Passivierungsschicht haben eine gute speicherzeitabhängige Stabilität in der aktuellen Umgebung.

V _T Verschiebung als Funktion der Vorspannungszeit unter NGBS = − 10 V und PGBS = 10 V für die TFTs mit Al₂ O₃ bei unterschiedlichen Temperaturen abgeschiedene Isolatoren

Zeitabhängige Stabilität von RT Al₂ O₃ TFT nach Aufbewahrung in einem Schrank (20% RH) bei 30 °C. a Kurven übertragen. b Mobilität und unterschwelliger Schwung

Tabelle 1 vergleicht die Leistung unseres RT Al₂ O₃ TFT mit anderen Berichten. Es wurde festgestellt, dass unser Gerät ein V . nahe Null aufweist _T , kleinere SS und größere I _ein/aus bei vergleichbarer Mobilität [4, 23]. Obwohl ein Ta₂ . verwendet wird O₅ Gate-Isolator kann eine höhere Mobilität von 61,5 cm ² . erreichen V ^− 1 s ^− 1 , sowohl SS als auch I _ein/aus merklich verschlechtern [10]. Kurz gesagt, unser RT Al₂ O₃ TFT besitzt eine überlegene Gesamtleistung im Vergleich zu 100 und 150°C Al₂ O₃ TFTs. Da alle Verarbeitungsschritte bis auf den Abscheidungsschritt von Al₂ . identisch sind O₃ , sollten solche signifikanten Unterschiede in der elektrischen Leistung vom Al₂ . herrühren O₃ Torisolatoren.

Um den zugrunde liegenden Mechanismus zu verstehen, die Tiefenprofile der Elemente im a-IGZO/Al₂ O₃ gestapelte Filme wurden durch SMIS analysiert. Abbildung 5a zeigt die Abhängigkeit der H-Konzentration von der Tiefe in den Stapeln von IGZO/Al₂ O₃ , wobei das Al₂ O₃ Filme wurden bei RT bzw. 150°C abgeschieden. Zum Vergleich wurde auch ein auf einem blanken Si-Substrat abgeschiedener IGZO-Film analysiert. Der auf blankem Si abgeschiedene IGZO-Film enthält eine H-Konzentration von ~ 3 × 10 ²¹ cm ^− 3 , das aus dem Restgas in der Sputteranlage stammt und absorbiertes H₂ /H₂ O-Moleküle auf der Si-Oberfläche. Beide auf dem Al₂ . abgeschiedenen IGZO-Filme O₃ Filme enthalten höhere H-Konzentrationen als auf dem blanken Si-Substrat. Dies weist darauf hin, dass die erhöhten H-Konzentrationen von der Freisetzung von H-Verunreinigungen in dem darunter liegenden Al₂ . herrühren sollten O₃ Filme beim Sputtern von IGZO. Darüber hinaus wird beobachtet, dass die H-Konzentration im IGZO-Film über dem RT Al2 O₃ Der Film ist im grenzflächennahen Bereich höher als der bei 150°C, was eine effizientere Passivierung von Grenzflächenzuständen ermöglichen kann. Dies verbessert somit die SS- und PGBS-Stabilität des RT Al₂ O₃ TFT durch Reduzierung des Einfangens von Grenzflächenträgern. Zusätzlich die O 1s XPS-Spektren der a-IGZO-Filme nahe der Grenzfläche von IGZO/Al₂ O₃ wurden analysiert, wie in Abb. 5b gezeigt. Die angepassten Peaks liegen bei 530,2 ± 0,1 eV, 530,9 ± 0,1 eV und 531,6 ± 0,1 eV, entsprechend O ²⁻ an Metall gebundene Ionen (O1), V _O (O2) bzw. OH-Gruppen (O3) [13, 24]. Der Anteil von O2 beträgt 26,3% in der a-IGZO-Schicht auf dem blanken Si; bei 150°C und RT Al₂ . sinkt sie jedoch auf 12,3 % und 6,8 ​​% O₃ zugrundeliegende Filme bzw. Dies weist darauf hin, dass mehr V _O im IGZO-Kanal kann durch zusätzliche H-Verunreinigungen, die aus dem darunter liegenden Al₂ . stammen, effektiv passiviert werden O₃ Filme, speziell für die RT Al₂ O₃ Film mit einer höheren H-Konzentration. Es wird berichtet, dass wenn V _O und H beide im a-IGZO-Film vorhanden sind, können sie sich zu einem stabilen Zustand verbinden, in dem H bei V . gefangen ist _O (V _O H) und das resultierende V _O H ist ein Donor mit flachem Niveau [25,26,27]. Somit verstärkte H-Dotierung in den IGZO-Kanal über dem RT Al₂ O₃ verbessert die Kanalleitfähigkeit durch Bereitstellung zusätzlicher Elektronen. Außerdem ist das kleine V _T Verschiebung unter der NGBS für die RT Al₂ O₃ TFT kann auch auf die effektive H-Passivierung von V . zurückgeführt werden _O [28]. Wie in der Literatur beschrieben, stammt die Instabilität von TFT unter NGBS von der Ionisierung von neutralem V _O (V _O → V _O ²⁺ +2e ⁻ ) [17, 29]. Darüber hinaus ist der O3-Prozentsatz des a-IGZO-Films auf dem RT Al₂ O₃ ist 6,9 %, was höher ist als die des 150°C Al₂ O₃ (5,3%) bzw. das blanke Si (4,6%). Die OH-Gruppe könnte aus der Reaktion O ²⁻ . stammen + H → OH ⁻ + e ⁻ während der Abscheidung von IGZO-Filmen [30]. Somit ist die verstärkte H-Dotierung in den IGZO-Kanal über dem RT Al₂ O₃ Film erzeugt mehr OH-Gruppen und trägt auch zur Verbesserung der Kanalleitfähigkeit bei.

a SIMS-Profile der Wasserstoffkonzentration in Al₂ O₃ bei RT und 150°C abgeschieden. b Hochauflösende O1s XPS-Spektren des IGZO-Kanals, abgeschieden auf RT Al₂ O₃ , 150°C Al₂ O₃ , und blankes Si

Schlussfolgerungen

Ein hochleistungsfähiger a-IGZO-TFT wurde erfolgreich unter dem extrem niedrigen thermischen Budget von RT unter Verwendung eines H-reichen Al₂ . hergestellt O₃ Gatedielektrikum hergestellt durch O₂ Plasma-verstärkte ALD. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Al₂ O₃ Bei RT abgeschiedenes Dielektrikum enthält mehr Wasserstoffverunreinigungen als die bei höheren Temperaturen abgeschiedenen. Somit erzeugten die freigesetzten H-Verunreinigungen während des Sputterns von IGZO mehr Elektronen und passivierten effizient die Grenzflächenzustände von a-IGZO/Al₂ O₃ und das V _O im a-IGZO-Kanal.

Abkürzungen

a-IGZO:

Amorphes In-Ga-Zn-O

ALD:

Atomlagenabscheidung

D _es :

Grenzflächenfallendichte

H:

Wasserstoff

I _ein/aus :

Ein/Aus-Stromverhältnis

NGBS:

Negative Gate-Bias-Belastung

PGBS:

Positive Gate-Bias-Belastung

RT:

Raumtemperatur

SIMS:

Sekundärionen-Massenspektrometrie

SS:

Schwung unter der Schwelle

TFT:

Dünnschichttransistor

V _O :

Sauerstoff-Stelle

V _O H:

Wasserstoff an Sauerstoffleerstelle eingeschlossen

V _T :

Schwellenspannung

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

μ _FE :

Feldeffekt-Mobilität