阳极氧化参数对薄膜晶体管中氧化铝介电层的影响

摘要

通过改变氧化锌薄膜晶体管（TFT）中铝氧化物介电层生长的阳极氧化参数，研究其对电学参数响应的影响。采用方差分析（ANOVA）对Plackett-Burman实验设计（DOE）进行分析，以确定可实现器件性能最优化的制造条件。

摘要

氧化铝（Al₂O₃）是一种低成本、易于加工且具有高介电常数的绝缘材料，特别适合作为薄膜晶体管（TFT）的介电层使用。与原子层沉积（ALD）等复杂工艺，或需要相对较高温度（高于300 °C）的水相燃烧法、喷雾热解法等沉积方法相比，通过金属铝薄膜阳极氧化生长氧化铝层具有显著优势。然而，晶体管的电学性能高度依赖于半导体/介电层界面处缺陷和局域态的存在，而这些因素又受到阳极氧化介电层制造参数的强烈影响。为了在不进行所有可能因素组合的前提下确定多个制备参数对器件性能的影响，我们采用基于Plackett-Burman实验设计（DOE）的简化因子分析方法。该DOE设计仅需进行12组实验组合（而非全部256种可能），即可获得优化的器件性能。通过对实验结果进行方差分析（ANOVA），可对各因素按其对器件响应（如TFT迁移率）的影响程度进行排序。

引言

柔性、印刷及大面积电子技术代表了一个新兴市场，预计在未来几年将吸引数十亿美元的投资。为了满足新一代智能手机、平板显示器和物联网（IoT）设备的硬件需求，市场迫切需要具备轻质、柔性和可见光谱内高光学透过率的材料，同时不牺牲运行速度和高性能。其中关键的一点是寻找非晶硅（a-Si）的替代材料，作为当前大多数有源矩阵显示器（AMD）驱动电路中薄膜晶体管（TFT）的有源层材料。a-Si 与柔性透明基底的兼容性较差，难以适用于大面积工艺，其载流子迁移率约为 1 cm²∙V^-1∙s^-1，无法满足下一代显示器对分辨率和刷新率的要求。半导体金属氧化物（SMO）如氧化锌（ZnO）^1,2,3、氧化铟锌（IZO）^4,5 和氧化铟镓锌（IGZO）^6,7 是替代 a-Si 作为 TFT 有源层的理想候选材料，因为它们在可见光范围内具有高透明性，与柔性基底和大面积沉积工艺兼容，并且可实现高达 80 cm²∙V^-1∙s^-1

方案

本工作中所述方案分为以下步骤：i）阳极氧化电解液的制备；ii）基底的清洗与准备；iii）阳极氧化过程；iv）薄膜晶体管（TFT）有源层及漏极/源极电极的沉积；v）TFT的电学表征与分析；以及vi）应用方差分析（ANOVA）以确定制造因素对TFT迁移率影响的显著性。

1. 阳极氧化电解液的制备

1. 所有实验步骤均需在洁净室或层流柜内进行，以避免样品制备过程中受到灰尘或污染物的污染。
2. 配制两种不同水/乙二醇体积比（16% 和 30%）的酒石酸溶液（0.1 M），作为阳极氧化电解液。以电解液中的水含量作为调控阳极氧化层制备的参数。
3. 在 150 mL 烧杯中，将 1.5 g 酒石酸溶解于 16 mL 去离子水和 84 mL 乙二醇中，得到含 16% 水的电解液储备溶液。配制含 30% 水的电解液储备溶液时，使用 1.5 g 酒石酸、30 mL 去离子水和 70 mL 乙二醇。用磁力搅拌器搅拌两种溶液各 30 分钟。
4. 在 20 mL 烧杯中分取约 10–20 mL 的氨水（NH₄OH）溶液（市售品，体积分数为 28–30% NH₃），用于电解液 pH 值的粗调。
5. 将原始 NH₄OH 溶液稀释成约 80 mL 的稀释溶液（体积分数约 2%），用于电解液 pH 值的精细调节。
6. 将电解液转移至 150 mL ....

结果

采用八种不同的氧化铝层制备参数作为制造因子，用于分析其对薄膜晶体管（TFT）性能的影响。这些因子列于表1中，其中给出了双水平因子设计实验（DOE）相应的“低”（-1）和“高”（+1）水平值。

为简便起见，每个生产因素用一个大写字母（A、B、C等）表示，相应的“低”水平和“高”水平分别用-1和+1表示。考虑八个因素在两个水平上变化的Plackett-Burman实验设计（DOE）矩阵共产生12组实验运行，各因素水平组合见表2。

每次实验运行来自 表2 定义了用于制备Al的加工条件₂O₃ 用作具有相似预期特性的晶体管组的介电层。每组晶体管均通过薄膜晶体管（TFT）的输出曲线和转移曲线进行电学表征。为获得TFT饱和区的迁移率，我们采用沟道电流（我_D）以及栅极电压：

讨论

用于获得介电层的阳极氧化工艺对所制备薄膜晶体管（TFT）的性能具有显著影响，即使所有几何参数和有源层的制备参数保持恒定。对于TFT迁移率这一TFT最重要的性能参数之一，通过改变表I所列范围内的制造因素，其值可变化超过两个数量级。因此，在制备包含阳极氧化Al₂O₃栅极介电层的器件时，精确控制阳极氧化参数至关重要。半导体/介电层界面处由电荷/偶极子引起的局域态的存在，是导致器件性能变化（尤其是TFT迁移率变化）的最重要原因之一。基底清洗对于避免器件表征过程中电学参数出现非预期波动极为重要。使用无碱性残留的清洁剂、大量去离子水冲洗基底、使用分析纯丙酮和异丙醇进行基底清洗以及等离子清洗，对于确保基底清洁和工艺重复性均具有极端重要性。在阳极氧化层生长完成后，对基底的冲洗和干燥也必须极为谨慎地进行。电解液的pH值、电解液温度的控制以及阳极氧化过程中对电解液的搅拌，同样是导致实验结果随机波动的来源。所有操作步骤均需在洁净室或层流柜内进行，以避免灰尘污染。电解液中所用酸的种类也显著影响阳极氧化过程；然而，由于此类因素在实验设计（DOE）中难以准确量化，我们仅使用酒石酸，因其在阳极氧化中可获得良好效果。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
丙酮	LabSynth	A1017	ACS 试剂级
铝（Al）丝蒸发材料	Kurt J. Lesker 公司	EVMAL40060	1.5 mm（0.060"）直径；1磅；纯度99.99%
氢氧化铵溶液	Sigma Aldrich	338818	ACS 试剂级，以 NH3 计含量为 28.0–30.0%
Chemoface —— 实验设计（DOE）软件	巴西联邦拉夫拉斯大学（UFLA）		由巴西联邦拉夫拉斯大学（UFLA）开发的免费软件 —— http://www.ufla.br/chemoface/
清洗用洗涤剂	Sigma Aldrich	Alconox	用于基底清洗的碱性洗涤剂
乙二醇	Sigma Aldrich	102466	ReagentPlus 级，≥99%
异丙醇	LabSynth	A1078	ACS 试剂级
玻璃基底	Sigma Aldrich	CLS294775X50	康宁显微镜载玻片，普通型
L-(+)-酒石酸	Sigma Aldrich	T109	≥99.5%
用于溅射 ZnO 活性层沉积的机械遮蔽掩模	Lasertools，巴西	定制掩模	10 mm × 10 mm 方形
用于薄膜晶体管栅极电极的机械遮蔽掩模	Lasertools，巴西	定制掩模	长 25 mm，宽 3 mm 的条形
用于薄膜晶体管源极/漏极电极的机械遮蔽掩模	Lasertools，巴西	定制掩模	100 µm 宽条带，间隔 100 µm，重叠长度 5 mm
等离子清洗机	MTI	PDC-32G	带真空泵的小型等离子清洗机
溅射镀膜系统	HHV	Auto 500	射频溅射系统，具备膜厚与沉积速率控制功能
磁力搅拌器	Sun Valley	MS300	带加热控制功能的磁力搅拌器
热蒸发镀膜仪	HHV	Auto 306	配备高精度传感器，用于测量薄膜厚度和沉积速率
双通道源表测量单元	Keithley	2410	Keithley 2410 型或类似型号，用于阳极氧化过程
双通道源表测量单元	Keithley	2612B	双通道源测量单元（SMU），用于薄膜晶体管性能测试
超声波清洗仪	Soni-tech	Soni-top 402A	带加热控制功能的超声波清洗仪
氧化锌（ZnO）溅射靶材	Kurt J. Lesker 公司	EJTZNOX304A3	3.0" 直径 × 0.250" 厚度；纯度 99.9%