Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

تأثير معلمات الأنوديس على طبقة أكسيد الألومنيوم العازلة من الترانزستورات رقيقة الفيلم

Published: May 24, 2020 doi: 10.3791/60798
Automatic Translation
*1, *2, *1, *2, *3
1School of Technology and Sciences, São Paulo State University - UNESP, 2Scholl of Electronic Engineering, Bangor University, 3Institute of Geosciences and Exact Sciences, São Paulo State University - UNESP
* These authors contributed equally

Summary

تتنوع معلمات الأنويد لنمو الطبقة العازلة ثنائية أكسيد الألومنيوم من الترانزستورات الرقيقة (TFTs) من أكسيد الزنك لتحديد الآثار على استجابات المعلمة الكهربائية. يتم تطبيق تحليل التباين (ANOVA) على تصميم Plackett-Burman للتجارب (DOE) لتحديد ظروف التصنيع التي تؤدي إلى تحسين أداء الجهاز.

Abstract

أكسيد الألومنيوم (Al2O3)هو مادة عازلة ثابتة منخفضة التكلفة وسهلة المعالجة وعازلة عالية مناسبة بشكل خاص للاستخدام كطبقة عازلة من الترانزستورات رقيقة الأفلام (TFTs). نمو طبقات أكسيد الألومنيوم من الأنودلة من أفلام الألومنيوم المعدني مفيد للغاية بالمقارنة مع العمليات المتطورة مثل ترسب الطبقة الذرية (ALD) أو طرق الترسيب التي تتطلب درجات حرارة عالية نسبيا (فوق 300 درجة مئوية) مثل الاحتراق المائي أو الانحلال الحراري بالرش. ومع ذلك ، فإن الخصائص الكهربائية للترانزستورات تعتمد بشكل كبير على وجود عيوب وحالات موضعية في واجهة أشباه الموصلات / العازلة ، والتي تتأثر بشدة بمعلمات التصنيع للطبقة العازلة الممغنطة. لتحديد كيفية تأثير العديد من معلمات التصنيع على أداء الجهاز دون إجراء جميع العوامل المتعددة الممكنة ، استخدمنا تحليلًا معامليًا مخفضًا استنادًا إلى تصميم Plackett-Burman للتجارب (DOE). اختيار هذا وزارة التجارة يسمح باستخدام فقط 12 أشواط تجريبية من مجموعات من العوامل (بدلا من جميع الاحتمالات 256) للحصول على أداء الجهاز الأمثل. ترتيب العوامل حسب التأثير على استجابات الجهاز مثل التنقل TFT ممكن من خلال تطبيق تحليل التباين (ANOVA) على النتائج التي تم الحصول عليها.

Introduction

وتمثل الإلكترونيات المرنة والمطبوعة والكبيرة سوقاناشئة من المتوقع أن تجتذب استثمارات ببلايين الدولارات في السنوات المقبلة. لتحقيق متطلبات الأجهزة للجيل الجديد من الهواتف الذكية، وشاشات الألواح المسطحة وأجهزة إنترنت الأشياء (IoT) ، هناك طلب كبير على المواد خفيفة الوزن ومرنة ومع الإرسال البصري في الطيف المرئي دون التضحية بالسرعة والأداء العالي. نقطة رئيسية هي العثور على بدائل للسيليكون غير متبلور (A-Si) كمادة نشطة من الترانزستورات رقيقة الفيلم (TFTs) المستخدمة في دوائر محرك الأقراص من معظم يعرض الحالية المصفوفة النشطة (AMDs). a-Si لديه توافق منخفض لركائز مرنة وشفافة، ويعرض قيودا على تجهيز منطقة كبيرة، ولديه حركة الناقل من حوالي 1 سم2• V-1•s-1، والتي لا يمكن أن تلبي احتياجات القرار ومعدل التحديث لشاشات الجيل القادم.-1 أكاسيد المعادن شبه التوصيل (SMOs) مثل أكسيد الزنك (ZnO)1و2و3و أكسيد الزنك الإنديوم (IZO)4و5 وأكسيد الزنك الغاليوم الإنديوم (IGZO)6،7 مرشحون جيدون لاستبدال A-Si كطبقة نشطة من TFTs لأنها شفافة للغاية في الطيف المرئي ، متوافقة مع ركائز مرنة وترسب منطقة كبيرة ويمكن تحقيق حركات يصل إلى 80 سم2• V-1• s-1. وعلاوة على ذلك، يمكن معالجة SMOs في مجموعة متنوعة من الطرق: RF sputtering6، ترسب الليزر نبض (PLD)8،ترسب بخار الكيميائية (CVD)9،ترسب الطبقة الذرية (ALD)10،تدور طلاء11،الحبر النفاث الطباعة12 ورذاذ الانحلال الحراري13.

ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى التغلب على تحديات قليلة مثل السيطرة على العيوب الجوهرية، ومحفزات عدم الاستقرار في الهواء/الأشعة فوق البنفسجية، وتشكيل وجود حالات محلية لأشباه الموصلات/الوصلات العازلة لتمكين التصنيع على نطاق واسع للدوائر التي تتألف من TFTs القائمة على SMO. من بين الخصائص المطلوبة من TFTs عالية الأداء، يمكن للمرء أن يذكر انخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض الجهد عملية، وانخفاض تيار تسرب البوابة، والاستقرار الجهد عتبة وتشغيل تردد النطاق العريض، والتي تعتمد اعتمادا كبيرا على عازلة البوابة (وواجهة أشباه الموصلات / عازل كذلك). في هذا المعنى، عالية- а المواد عازلة14،15،16 مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها توفر قيما كبيرة من الضخامة لكل وحدة منطقة وتيارات التسرب منخفضة باستخدام أفلام رقيقة نسبيا. أكسيد الألومنيوم (Al2O3)هو مادة واعدة للطبقة عازلة TFT لأنه يقدم ثابت عازلة عالية (من 8 حتى 12)، قوة عازلة عالية، مقاومة كهربائية عالية، استقرار حراري عال ويمكن معالجتها كأفلام رقيقة للغاية وموحدة من قبل عدة تقنيات مختلفة ترسب / النمو15،17،18،19،20،21. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الألومنيوم هو ثالث أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض، مما يعني أنه متاح بسهولة ورخيص نسبيا بالمقارنة مع العناصر الأخرى المستخدمة لإنتاج العازلة عالية الك.

على الرغم من أن ترسب / نمو Al2O3 رقيقة (أقل من 100 نانومتر) يمكن تحقيق الأفلام بنجاح من خلال تقنيات مثل RF magnetron sputtering ، ترسب البخار الكيميائي (CVD) ، ترسب الطبقة الذرية (ALD) ، والنمو عن طريق الأنوثة من طبقة معدنية رقيقة Al17،18،21،22،23،24،25،26 مثير للاهتمام بشكل خاص للإلكترونيات المرنة بسبب بساطتها ، وانخفاض تكلفتها ، وانخفاض درجة الحرارة ، والتحكم في سمك الفيلم في مقياس نانومتري. إلى جانب ذلك ، فإن الأنودجية لديها إمكانات كبيرة لمعالجة لفة إلى لفة (R2R) ، والتي يمكن تكييفها بسهولة من تقنيات المعالجة المستخدمة بالفعل على المستوى الصناعي ، مما يسمح بزيادة التصنيع بسرعة.

يمكن وصف نمو Al2O3 عن طريق الأنويد من Al المعدنية من خلال المعادلات التالية

2آل + 3 / 2 02 → آل2O3 (1)

2آل + 3ح2O → Al2O3 + 3H2 (2)

حيث يتم توفير الأكسجين عن طريق الأكسجين المذاب في محلول المنحل بالكهرباء أو من قبل الجزيئات الممتزة على سطح الفيلم ، في حين أن جزيئات الماء متوفرة على الفور من محلول المنحل بالكهرباء. الخشونة الفيلم أنويد (الذي يؤثر على التنقل TFT بسبب تشتت الناقل في واجهة أشباه الموصلات / dielectric) وكثافة الدول المترجمة في واجهة أشباه الموصلات / dielectric (الذي يؤثر على الجهد عتبة TFT وhysteresis الكهربائية) تعتمد بشدة على معلمات عملية الأنويد، على سبيل المثال لا الحصر: محتوى المياه، ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة من المنحل بالكهرباء24،27. يمكن أن تؤثر العوامل الأخرى المتعلقة بترسب طبقة Al (مثل معدل التبخر وسمك المعدن) أو عمليات ما بعد الأنود (مثل التأني) أيضًا على الأداء الكهربائي لTFTs المصنعة. ويمكن دراسة أثر هذه العوامل المتعددة على بارامترات الاستجابة عن طريق تغيير كل عامل على حدة مع الإبقاء على جميع العوامل الأخرى ثابتة، وهي مهمة تستغرق وقتا طويلا للغاية وغير فعالة. تصميم التجارب (DOE)، من ناحية أخرى، هو طريقة إحصائية تقوم على الاختلاف المتزامن للمعلمات المتعددة، مما يسمح بتحديد أهم العوامل على استجابة أداء النظام / الجهاز باستخدام عدد مخفض نسبيا من التجارب28.

في الآونة الأخيرة، استخدمنا تحليل متعدد المتغيرات على أساس Plackett-بورمان29 وزارة العمل لتحليل آثار Al2O3 معلمات الأنوتد على أداء ZNO TFTs18. تم استخدام النتائج للعثور على أهم العوامل للعديد من معلمات الاستجابة المختلفة وطبقت على تحسين أداء الجهاز تغيير المعلمات فقط المتعلقة بعملية الأنوتد للطبقة العازلة.

يقدم العمل الحالي البروتوكول الكامل لتصنيع TFTs باستخدام أفلام Al2O3 المنفّصة كـ dielectrics البوابة ، بالإضافة إلى وصف مفصل لدراسة تأثير معلمات الأنوتد المتعددة على الأداء الكهربائي للجهاز باستخدام Plackett-Burman DOE. يتم تحديد أهمية الآثار على معلمات استجابة TFT مثل تنقل الناقل من خلال إجراء تحليل التباين (ANOVA) للنتائج التي تم الحصول عليها من التجارب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ويفصل البروتوكول الموصوف في هذا العمل إلى: '1' إعداد الحل الكهرلي للأنوية؛ '2' إعداد المحلول الكهرطي للأنوية؛ '2' إعداد المحلول الكهرطي للأنوهد؛ '2' إعداد المحلول الكهرلي للأنوهد؛ '2' إعداد المحلول الكهارلي للأن 2) تنظيف الركيزة وإعدادها؛ 3) عملية الأنوين؛ 4) ترسب الطبقة النشطة TFT وأقطاب الصرف / المصدر؛ 5) TFT الكهربائية التوصيف والتحليل و6) تطبيق ANOVA لتحديد أهمية عوامل التصنيع في التنقل TFT.

1. إعداد الحل الكهرجي للأنوهد

  1. تنفيذ جميع إجراءات البروتوكول داخل غرفة نظيفة أو خزانة تدفق لامينار، لتجنب الغبار أو الملوثات أثناء إعداد العينة.
  2. إعداد محلولين من حمض الطرطريك (0.1 M) في نسب مختلفة لحجم غليكول الماء / الإيثيلين (16٪ و 30٪)، والتي سيتم استخدامها كحل الأنويد ة كهروتيكية. استخدام محتوى المياه في الحل المنحل بالكهرباء كمعلمة تصنيع الطبقة الأنوهدة.
  3. في كوب 150 مل، حل 1.5 غرام من حمض الطرطريك في 16 مل من الماء المنزوع الأيونات و 84 مل من غليكول الإيثيلين للحصول على محلول مخزون المنحل بالكهرباء الماءي بنسبة 16٪. للحصول على محلول مخزون كهارلت الماء بنسبة 30٪، استخدم 1.5 غرام من حمض الطرطريك، و30 مل من الماء المنزوع الأيونات و70 مل من جلايكول الإيثيلين. حرك كلا الحلين باستخدام شريط مغناطيسي لمدة 30 دقيقة.
  4. فصل حوالي 10-20 مل من هيدروكسيد الأمونيوم (NH4OH) الحل (كما تم شراؤها، 28 - 30٪ NH3 في الحجم) في كوب 20 مل لإجراء التعديل الخام للدرجة الهيدروجينية من الحل المنحل بالكهرباء.
  5. إعداد 80 مل من محلول مخفف (حوالي 2٪ في الحجم) من الحل الأصلي NH4OH لجعل السيطرة الدقيقة على درجة الحموضة من الحل المنحل بالكهرباء.
  6. فصل محلول المنحل بالكهرباء في كوب 150 مل لضبط درجة الحموضة في الحل.
  7. قياس درجة الحموضة من الحل المنحل بالكهرباء باستخدام متر درجة الحموضة مقاعد البدلاء. بدء الأنابيبNH4 OH أكثر تركيزا حتى درجة الحموضة قريبة من الرقم الهيدروجيني المطلوب (5 أو 6).
  8. Pipette أكثر المخفف NH4OH الحل في الحل المنحل بالكهرباء حتى يتم تعيين الرقم الهيدروجيني في القيمة المطلوبة. إعداد حلول المنحل بالكهرباء في قيم درجة الحموضة من 5 و 6 لدراسة التأثير على عملية الأنوجدات.

2. الركيزة التنظيف والتحضير

  1. استخدم شرائح زجاجية مقاس 20 مم × 25 مم (سمكها 1.1 مم) كركائز.
  2. سونيكات الشرائح الزجاجية في محلول المنظفات القلوية ساخنة (60 درجة مئوية) (5٪ في الماء المنزوع الأيونات) لمدة 15 دقيقة. شطف بوفرة في الماء المنزوع الأيونات والجافة في الهواء الجاف النظيف (CDA) أو النيتروجين.
  3. سونيكات الشرائح الزجاجية في الأسيتون (ACS الصف كاشف أو متفوقة) لمدة 5 دقيقة. تجفيف ركائز في CDA أو النيتروجين.
  4. سونيكات الشرائح الزجاجية في isopropanol (ACS الصف كاشف أو متفوقة) لمدة 5 دقيقة. تجفيف ركائز في CDA أو النيتروجين.
  5. إدراج ركائز في غرفة نظافة البلازما، وإغلاق الغطاء وإخلاء الغرفة باستخدام مضخة فراغ.
  6. عندما يتحقق الفراغ، قم بتشغيل مولد RF في طاقة متوسطة (10.5 واط) لمدة 5 دقيقة. بعد تنظيف البلازما، ركائز جاهزة لترسب بوابة الألومنيوم.

3. الألومنيوم بوابة تبخر القطب

  1. أدخل الشرائح الزجاجية في أقنعة الظل الميكانيكية لإيداع شريط الألومنيوم من 25 × 3 ملم. سيتم استخدام شريط الألومنيوم هذا كقطب بوابة TFT وطبقة أكسيد الألومنيوم التي شكلتها الأندانة ستكون طبقة TFT عازلة. مثال على تصميم قناع الظل لقطب البوابة في الملفات التكميلية.
  2. ضع الركائز مع قناع الظل داخل غرفة غرفة التبخر الحرارية لترسيب طبقة الألومنيوم. أغلق الغرفة بدء إجراءات إخلاء الغرفة. انتظر حتى يكون ضغط الغرفة أقل من 2.0 ×10-6 مبار لبدء التبخر الحراري.
  3. إيداع طبقة الألومنيوم. استخدام اثنين من سمك مختلفة (60 نانومتر و 200 نانومتر) لتقييم التأثير على طبقة عازلة. استخدام اثنين من معدلات التبخر المختلفة 5 Å / s و 15 Å / s لدراسة تأثير معدل التبخر آل.
  4. إزالة العينات من غرفة التبخر بعد تبخر الألومنيوم.
  5. إزالة الشرائح الزجاجية مع شريط الألومنيوم من الأقنعة والتحقق مما إذا كان قد تم إيداع طبقة الألومنيوم بشكل صحيح. القطب جاهز لعملية الأنودات.

4. عملية الأنوين من طبقة الألومنيوم

  1. إرفاق اثنين من موصلات مقطع التمساح في غطاء من البلاستيك الذي يناسب على رأس الكأس. يمكن طباعة هذا الغطاء ثلاثي الأبعاد.
  2. قم بتوصيل أحد موصلات القصاصة بشريط الألومنيوم من شريحة زجاجية والآخر بورقة من الفولاذ المقاوم للصدأ مطلية بالذهب (سمكها 0.8 مم، 20 × 25 مم). مواجهة كل من الأقطاب الكهربائية نحو بعضها البعض مع مسافة فصل من حوالي 2 سم.
  3. استخدام ما يقرب من 150 مل من الحل المنحل بالكهرباء (بعد تعديل درجة الحموضة) في كوب 150 مل. استخدام شريط مغناطيسي صغير لتحريك الحل أثناء إجراء الأنوثير.
  4. ضع الكأس فوق التحريك المغناطيسي مع التدفئة. ضبط درجة الحرارة إلى القيمة المطلوبة (تم استخدام 40 درجة مئوية و 60 درجة مئوية في الورق الحالي).
  5. تزج الأقطاب الكهربائية في الحل المنحل بالكهرباء عن طريق تغطية الكأس مع غطاء من البلاستيك تعلق على موصلات مقطع.
  6. ربط القطب الألومنيوم إلى الناتج الإيجابي والقطب الذهبي لوحة الفولاذ المقاوم للصدأ إلى الناتج السلبي لمصدر التيار / الجهد ووحدة القياس (SMU).
  7. حساب المساحة المغمورة من القطب الألومنيوم وتطبيق تيار ثابت يعادل الكثافة الحالية المطلوبة (استخدمنا قيمتين 0.45 mA/cm2 و 0.65 mA/cm2)ورصد الزيادة الخطية للجهد حتى القيمة النهائية المحددة مسبقا (استخدمنا VF = 30 V و VF = 40 V).
  8. بعد تحقيق الجهد النهائي، قم بتبديل SMU من المصدر الحالي إلى مصدر الجهد وتطبيق الجهد المستمر (يساوي الجهد النهائي) خلال فترة طويلة بما يكفي للانخفاض الحالي بجوار الصفر (حوالي 5 دقيقة). استخدام البرنامج النصي في بيثون 2.7 للسيطرة تلقائيا SMU أثناء عملية الأنوجدات. تتوفر نسخة من هذا البرنامج النصي في قسم الملفات التكميلية.
  9. إزالة الأقطاب الكهربائية من الحل المنحل بالكهرباء، وشطف بوفرة مع الماء المنزوع الأيونات، والجافة مع CDA أو النيتروجين وتخزين ركائز الزجاج Al/Al2O3 حتى الاستخدام.
  10. لمراقبة تأثير الصلب على طبقة عازلة، وآنال ركائز في الفرن في 150 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.

5. ترسب طبقة ZnO النشطة

  1. إدراج ركائز مع طبقة أكسيد الألومنيوم أنوبيد في أقنعة الظل الميكانيكية المناسبة لترسيب طبقة نشطة.
  2. ضع الركائز مع الأقنعة داخل غرفة نظام السفلي. استخدام ZnO (99.9٪ ) هدف الممال. أغلق الغرفة وابدأ إجراءات الإخلاء.
  3. ضبط الضغط Ar إلى 1.2 × 10-2 تور وقوة RF إلى 75 W وبدء ترسب ZnO. السيطرة على معدل الترسيب في 0.5 Å / s. وقف ترسب ZnO عندما يحقق سمك طبقة نشطة 40 نانومتر.
  4. فتح الغرفة وإزالة العينات.

6. استنزاف ومصدر ترسب الأقطاب الكهربائية

  1. إدراج العينات مع طبقة ZnO spput في أقنعة الظل الميكانيكية المناسبة لمصدر TFT / استنزاف الأقطاب الكهربائية ترسب. والتباعد المناسب بين المصارف والقطب المصدر هو 100 ميكرومتر، مع تداخل جانبي قدره 5 ملم. يتم توفير قالب من تصميم قناع استنزاف / مصدر مع الملفات التكميلية. في مثل هذا التكوين، لاحظ أن كل من الأقطاب الكهربائية استنزاف والمصدر متطابقة ويمكن أن تكون قابلة للتبديل دون تغيير على تشغيل الجهاز.
  2. ضع العينات المرفقة بأقنعة الظل داخل غرفة نظام التبخر الحراري وابدأ إجراءات تبخر الألومنيوم.
  3. إيداع طبقة Al 100 نانومتر بمعدل ترسيب 5 Å/s للحصول على أقطاب التصريف/المصدر أعلى الطبقة النشطة ، والانتهاء من إجراء تصنيع TFT.
  4. إزالة TFTs من غرفة التبخر، والتحقق من نوعية الأقطاب المودعة وتخزينها محمية من الضوء حتى الاستخدام.

7. TFT التوصيف الكهربائي

  1. ضع TFTs على محطة مسبار أشباه الموصلات أو حامل عينة مخصص. قم بتوصيل البوابة واستنزاف الأقطاب الكهربائية والمصدر باستخدام موصلات سبرينج سبير للاتصالات الكهربائية.
  2. قم بتوصيل المسابير بوحدة قياس مصدر ذات قناتين (موصى به كيثلي 2612B أو ما شابه ذلك). قم بتوصيل قطب البوابة بالإخراج/الإدخال "العالي" للقناة 1 وقطب التصريف (أو المصدر) بالإخراج/الإدخال "العالي" للقناة 2. قصر محطات الإخراج/الإدخال "المنخفضة" لكل من القناتين والقطب المصدر (أو التصريف) الذي ظل مقطوعاً.
  3. الحصول على منحنيات TFT مميزة. الحصول على منحنى الإخراج عن طريق تطبيق التحيز الجهد المستمر عند البوابة(Vز)وتجتاح الجهد استنزاف المصدر(VDS)وتسجيل التيار استنزاف المصدر(أناDS). الحصول على منحنى نقل عن طريق تسجيل التيار استنزاف المصدر(أناDS)في حين تجتاح الجهد بوابة(Vز)والحفاظ على الجهد استنزاف المصدر(VDS)ثابت.
  4. رسم الجذر التربيعي لتيار التصريف مقابل جهد البوابة((IDS)1/2 مقابل Vg)والحصول على تنقل الناقل في نظام التشبع(μs)من منحدر المنحنى وجهد العتبة من تقاطع المحور س للجزء الخطي من المنحنى.
  5. إذا أردت، حدد معلمات الأداء الأخرى من منحنيات الترانزستورات كما هو موضح في مكان آخر18.

8. ANOVA وتأثير عوامل التصميم على أداء الجهاز

  1. استخدام برنامج لتعيين تصميم التجربة (وزارة الطاقة) على أساس مصفوفة Placket-بورمان النظر في 8 عوامل التصنيع. استخدمنا Chemoface ، وهو برنامج مجاني وسهل الاستخدام طورته الجامعة الاتحادية في Lavras (UFLA) ، البرازيل30.
  2. استخدام عوامل معلمات الأنوين: 1) سمك طبقة Al؛ '2' معدل التبخر آل؛ 3) محتوى المياه في الحل المنحل بالكهرباء؛ 4) درجة حرارة المنحل بالكهرباء؛ 5) درجة الحموضة في الحل الكهربي؛ '6' الكثافة الحالية أثناء الأنودين؛ '7' درجة حرارة الصلب والثامن) الجهد النهائي للأنود.
  3. لكل عامل، النظر في مستويين، كما هو معطى في الجدول 1.
  4. تجميع الجدول تصميم Plackett-بورمان بمساعدة برنامج DOE كما هو معطى من قبل الجدول 2.
  5. إعداد TFTs تختلف المعلمة تلفيق وفقا ل12 ولدت "أشواط" من الجدول 2. كل تشغيل يوفر الاختلاف التمثيلي لعوامل التصنيع دون الحاجة إلى تنفيذ جميع 256 (28)تركيبات ممكنة ليومين المستوى ، ثمانية معلمات التجربة.
  6. تغذية جدول وزارة التجارة من البرنامج مع بيانات الأداء من توصيف TFT (على سبيل المثال، TFT التنقل في التشبع) باتباع اتجاهات التصنيع من كل تشغيل.
  7. أضف العديد من النسخ المتماثلة من أجهزة مختلفة باستخدام نفس عوامل التصنيع لزيادة عدد درجات الحرية للتحليل.
  8. تنفيذ ANOVA من البيانات وتحليل الإخراج لتحديد المعلمات الأنوأد التي تؤثر على معظم أداء TFT.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم استخدام ثمانية معلمات مختلفة لتصنيع طبقة أكسيد الألومنيوم كعوامل التصنيع التي استخدمناها لتحليل التأثير على أداء TFT. وترد هذه العوامل في الجدول 1،حيث يتم عرض القيم "المنخفضة" (-1) و "العالية" (+1) ذات المستوىين لـ DOE.

وللبساطة، تم تسمية كل عامل تصنيع بحرف كبير (A، B، C، وما إلى ذلك) والمستوى "المنخفض" أو "العالي" المقابل الذي يمثله -1 و+1، على التوالي. مصفوفة Placket-Burman DOE مراعاة ثمانية عوامل متفاوتة في مستويين نتائج 12 أشواط تجريبية, مع الجمع بين المستويات التي قدمها الجدول 2.

يحدد كل شوط تجريبي من الجدول 2 شروط التصنيع المستخدمة لإنتاج طبقة Al2O3 المستخدمة كطبقة عازلة لمجموعة من الترانزستورات ذات الخصائص المتوقعة المماثلة. تميزت كل مجموعة من الترانزستورات كهربائيا من قبل إخراج TFT ومنحنيات النقل. للحصول على التنقل في نظام تشبع TFT ، نستخدم العلاقة بين القناة الحالية(ID)وجهد البوابة:

Equation 4(3)

حيث ث هو عرض القناة، L،طول القناة، وCi،وباتساع الطبقة عازلة لكل وحدة. يظهر منحنى النقل لـ TFT المبنية وفقًا لمعلمات التصنيع التي يتم توفيرها بواسطة #3 التشغيل من الجدول 2 في الشكل 1. ID1/2مقابل. كما يصور منحنى V G في الشكل 1، مما يسمح بتقييم حركة TFT(μ)من ميل المنحنى وجهد العتبة(Vth)من استقراء المنطقة الخطية إلى المحور الأفقي.

تم حساب قيم التنقل لجميع الترانزستورات المبنية وفقًا لمعلمات الأشواط الـ 12 في جدول واستخدمت لتغذية مدخلات PB DOE المجمعة باستخدام برنامج تحليل DOE/ANOVA (Chemoface). لكل مجموعة من معلمات التصنيع، تم بناء 6 TFTs مكررة، مما أدى إلى 72 جهازا. من خلال أداء ANOVA ، من الممكن ترتيب أهم العوامل ، والتي يمكن التعبير عنها بيانيا باستخدام مخطط Pareto للآثار كما هو موضح في الشكل 2a. ويعرض الشكل 2 النتائج المستخلصة من التحليل بالنظر إلى التنقل TFT كمعلمة استجابة. ويمكن إجراء تحليل مماثل لمعلمات استجابة الجهاز المختلفة (نسبة التشغيل/إيقاف التشغيل، Vth،وما إلى ذلك). ويبين الشكل 2ب جدول الآثار وأهمية العامل المقابل. وتبين النتائج أن العامل الأكثر أهمية للتنقل TFT هو الجهد النهائي (H) المستخدمة أثناء عملية الأنوتد. الجهد النهائي يتناسب مباشرة مع سمك الطبقة العازلة. نسبة النمو حوالي 1.2 نانومتر / V ، مما يؤدي ، على سبيل المثال ، في طبقة سميكة 48 نانومتر عند استخدام الجهد النهائي من 40 V. وكانت العوامل الهامة الأخرى (بالترتيب التالي): معدل التبخر (العامل باء)، وسماكة الطبقة آل (العامل أ)، ومحتوى المياه في المنحل بالكهرباء (العامل C) ودرجة الحموضة في المنحل بالكهرباء (العامل E). وعلاوة على ذلك، تبين أن جميع العوامل الهامة "سلبية"، مما يعني أن حركة TFT تنخفض مع تغير العامل من المستوى "المنخفض" (-1) إلى المستوى "المرتفع" (+1) الذي ينص عليه الجدول 1. يمكن استخدام أهمية عوامل التصنيع كاتجاه للحصول على أداء TFT الأمثل لمعلمة استجابة معينة (TFT التنقل، في الحالة الراهنة).

Figure 1
الشكل 1: منحنى النقل التي تم الحصول عليها من TFT المصنعة وفقا لتشغيل #3. المنحدر من (IDS)1/2 مقابل VGيسمح بتحديد التنقل TFT واعتراض مع المحور س، والجهد عتبة(الخامسth). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: (أ) مخطط Pareto للآثار على التنقل TFT. (ب)جدول الآثار وأهمية العامل المقابل. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

العوامل وحده قيمة "منخفضة" (-1) قيمة "عالية" (+1)
أ سمك الطبقة نانومتر 60 200
ب معدل التبخر آل Å / s 5 15
ج H2O المحتوى % 16 30
د درجة حرارة المنحل بالكهرباء ج 40 60
ه درجة الحموضة من الحل الشلكى - 6 5
و الكثافة الحالية mA/cm2 0.45 0.65
ز الصلب ج لا يوجد علاج حراري آنالفي 150 سC
ح الجهد النهائي الخامس 30 40

الجدول 1: معلمات التصنيع من أكسيد الألومنيوم TFT طبقة عازلة. كل عامل له قيمة "منخفضة" (-1) أو "عالية" (+1) مقابلة.

تشغيل أ ب ج د ه و ز ح
1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
2 1 -1 1 1 -1 1 1 1
3 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1
4 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1
5 1 1 -1 1 1 1 -1 -1
6 -1 1 -1 1 1 -1 1 1
7 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1
8 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1
9 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1
10 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1
11 -1 1 1 -1 1 1 1 -1
12 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1

الجدول 2: تصميم بلاكيت - بورمان (PB) لمصفوفة التجربة

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

عملية الأنويد المستخدمة للحصول على عازلة لها تأثير قوي على أداء TFTs ملفقة، والحفاظ على ثابت جميع المعلمات الهندسية ومعلمات التصنيع من النشطين. بالنسبة للتنقل TFT ، الذي يعد أحد أهم معلمات الأداء لTFTs ، يمكن أن يختلف أكثر من 2 أوامر من الحجم عن طريق تغيير عوامل التصنيع في النطاق الذي ينص عليه الجدول الأول. لذلك ، فإن التحكم الدقيق في معلمات الأنوتد له أهمية كبيرة عند تصنيع الأجهزة التي تتألف من anodized Al2O3 بوابة dielectrics. وجود حالات موضعية بسبب الشحنات / ثنائيات القطب في طبقة أشباه الموصلات / طبقة عازلة هو واحد من أهم أسباب التغيير في أداء الجهاز ، وخاصة بالنسبة للتنقل TFT. تنظيف الركيزة مهم جدا لتجنب الاختلاف زائفة من المعلمات الكهربائية من توصيف الجهاز. استخدام المنظفات القلوية خالية من المخلفات، واستخدام المياه الخالية من الأيونات لالرصه بوفرة، واستخدام الأسيتون النقي التحليلي وisopropanol لتنظيف الركيزة وتنظيف البلازما هي ذات أهمية قصوى لضمان تنظيف الركائز واستنساخ العملية. كما يتم التأنيب وتجفيف الركائز بعد نمو الطبقة الأنوبيدية بعناية فائقة. التحكم في درجة الحموضة من المنحل بالكهرباء، ودرجة حرارة المنحل بالكهرباء واثارة محلول المنحل بالكهرباء أثناء الأنوثيرهي هي أيضا مصادر الاختلاف العشوائي للنتائج. التلوث بالغبار يحتاج أيضا إلى تجنب من خلال تنفيذ جميع الخطوات داخل غرفة نظيفة أو خزانة تدفق اللامينار. نوع الحمض المستخدم في المنحل بالكهرباء يؤثر أيضا بشدة على عملية الأنويد ، ومع ذلك ، لأن تأثير هذا العامل لا يمكن قياسه كميا بشكل صحيح في وزارة الطاقة ، استخدمنا حمض الطرطريك فقط ، مما يؤدي إلى نتائج جيدة للأنويد.

استخدام ANOVA لتحديد أهمية كل عامل تصنيع هو أداة قوية للغاية لتحسين أداء الجهاز. ومع ذلك ، للحصول على نتائج موثوقبها ، من الضروري ضمان أن التباين في معلمة الاستجابة التي تم تحليلها يرجع إلى اختلاف العوامل وليس عن طريق الإجراء التجريبي المجهض. نقطة رئيسية هي جعل العديد من النسخ المتماثلة من كل تشغيل التجريبية ممكن. على الرغم من أن هذا يزيد من عدد التجارب التي تحتاج إلى إجراء، فإنه يزيد من موثوقية التحليل عن طريق زيادة عدد درجات حرية التصميم التجريبي. ومن الاستراتيجيات الجيدة التي اعتمدت في الإجراء الحالي إنتاج عينتين مع 3 عينات من الـ TFTs لكل منهما. لذلك ، تكرر التشغيل التجريبي مرة واحدة فقط ، ولكن كان لدينا 6 نتائج مكررة من أجهزة مختلفة. وقد سمح هذا أيضًا بتقييم التباين في الـ TFTs من نفس الركيزة (نفس الطبقات العازلة وشبه المسيّقة) وللـ TFTs من ركائز مختلفة (طبقات عازلة وشبه مُقبّقة مختلفة ولكنها مفبركة وفقًا لنفس الإجراء). إذا كان التباين بالنسبة للأجهزة المصنعة وفقًا لعوامل التصنيع المماثلة منخفضًا مقارنة ً بالتباين بسبب التغيرات الكبيرة في عوامل التصنيع ، فإن قابلية تكرار العملية مقبولة.

وكما أُشدد من قبل، فإن تصميم باكيت - بورمان للتجارب مناسب جدا ً للتجارب التي تتناول عدداً كبيراً من العوامل، لأنه يسمح بتخفيض كبير في عدد التجارب. بالنسبة لـ 8 عوامل تجريبية، يتم تقليل عدد التجارب مقارنة بتصميم كامل المعامل من 256 (28)إلى 12 فقط. ومع ذلك، فإن هذا التخفيض له تكلفة عدم إمكانية تقييم التفاعل بين العوامل. ولذلك، فبالنسبة للنظم التي يتوقع أن يكون تأثير العوامل المتقاطعة ذات صلة بها، فإن الإثيرات ثنائية الفينيل متعددة البروم ليست الخيار الأفضل. وثمة إمكانية تتمثل في استخدام الإيثر الثنائي الفينيل المتعدد البروم لفحص أهم العوامل، وفي لحظة ثانية، استخدام تصميم عامل كامل لأهم العوامل من الإثيرات ثنائية الفينيل متعددة البروم لتحديد تأثير تفاعلات العوامل.

استخدام برنامج التصميم التجريبي Chemoface30 في التحليل اختياري وينبغي ألا تكون النتائج تابعة له. يمكن إجراء جميع الحسابات اللازمة لتحديد آثار العوامل على استجابة النظام يدويًا (تستغرق وقتًا طويلاً للغاية) أو بواسطة برنامج نصي مخصص لمساعدة الكمبيوتر أو بواسطة برامج احترافية أخرى مثل Minitab أو Design-Expert. ومع ذلك ، Chemoface هي واجهة سهلة الاستخدام وخالية من التكلفة وهي متاحة للتنزيل دون أي قيود.

العمل الحالي يوضح جدوى تصنيع الترانزستورات رقيقة الفيلم تتألف من طبقة Dielectric Al2O3 التي تزرعها الأنوثة من الألومنيوم المعدني. ويمكن توسيع نطاق هذه العملية بسهولة إلى ركائز مرنة، مما يسمح بالإنتاج الضخم للدوائر الإلكترونية المرنة. استخدام تصميم Plackett-Burman للتجارب مجتمعة إلى ANOVA هو طريقة سريعة وقوية لفحص تأثير عوامل التصنيع في استجابة الجهاز ، مما يسمح بتحسين أداء TFT.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

يعترف المؤلفون بالدعم المالي المقدم من مؤسسة ساو باولو للأبحاث – FAPESP – البرازيل (المنح 19/05620-3، 19/08019-9، 19/01671-2، 16/03484-7 و 14/13904-8) وبرنامج التعاون البحثي صندوق نيوتن من الأكاديمية الملكية للهندسة. ويعترف المؤلفون أيضاً بالدعم التقني المقدم من مجموعة ب. ف. دا سيلفا، وجي بي براغا، وجي بي كانتوريا، وجي آر دي ليما، وجي أ. دي ليما سبرينهو، ومجموعة البروفيسور مارسيلو دي كارفالو بوربا (IGCE/UNESP) لتوفير معدات التصوير.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone LabSynth A1017 ACS reagent grade
Aluminum (Al) Wire Evaporation Kurt J. Lesker Company EVMAL40060 1.5 mm (0.060") Dia.; 1lb; 99.99%
Ammonium hydroxide solution Sigma Aldrich 338818 ACS reagent, 28.0-30.0% NH3 basis
Chemoface - Software to set a design of experiment (DOE) Federal University of Lavras (UFLA), Brazil Free software developed by Federal University of Lavras (UFLA), Brazil - http://www.ufla.br/chemoface/
Cleaning detergent Sigma Aldrich Alconox Alkaline detergent for substrate cleaning
Ethylene glycol Sigma Aldrich 102466 ReagentPlus, ≥99%
Isopropanol LabSynth A1078 ACS reagent grade
Glass substrates Sigma Aldrich CLS294775X50 Corning microscope slides, plain
L-(+)-Tartaric acid Sigma Aldrich T109 ≥99.5%
Mechanical shadow mask for deposition of the sputtered ZnO active layer Lasertools, Brazil custom mask 10 mm x 10 mm square.
Mechanical shadow mask for TFT gate electrode Lasertools, Brazil custom mask 25 mm long stripe, 3 mm wide.
Mechanical shadow mask for TFT source/drain electrodes Lasertools, Brazil custom mask 100 µm stripes, separated by 100 µm gap, overlapping of 5 mm
Plasma cleaner MTI PDC-32G Campact plasma cleaner with vacuum pump
Sputter coating system HHV Auto 500 RF sputtering system with thickness and deposition rate control
Stiring plate Sun Valley MS300 Stiring plate with heating control
Thermal evaporator HHV Auto 306 it has a high precision sensor for measure the thickness and rate of deposition of thin films
Two-channel source-measuring unit Keithley 2410 Keithley model 2410 or similar/for anodization process
Two-channel source-measuring unit Keithley 2612B Dual channel source-measure unit (SMU) for TFT measurements
Ultrasonic bath Soni-tech Soni-top 402A Ultrasonic bath with heating control
Zinc Oxide (ZnO) Sputtering Targets Kurt J. Lesker Company EJTZNOX304A3 3.0" Dia. x 0.250" Thick; 99.9%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fortunato, E. M. C., et al. Fully Transparent ZnO Thin-Film Transistor Produced at Room Temperature. Advanced Materials. 17 (5), 590-594 (2005).
  2. Fortunato, E. M. C., et al. Wide-bandgap high-mobility ZnO thin-film transistors produced at room temperature. Applied Physics Letters. 85 (13), 2541-2543 (2004).
  3. Nomura, K., et al. Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor. Science. 300 (5623), 1269-1272 (2003).
  4. Noviyana, I., et al. High Mobility Thin Film Transistors Based on Amorphous Indium Zinc Tin Oxide. Materials. 10 (7), (2017).
  5. Nomura, K., et al. Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors. Japanese Journal of Applied Physics. 45 (5), 4303-4308 (2006).
  6. Kamiya, T., Nomura, K., Hosono, H. Present status of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors. Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4), 044305 (2010).
  7. Lin, C. I., Fang, Y. K., Chang, W. C. The IGZO fully transparent oxide thin film transistor on glass substrate. International Journal of Nanotechnology. 12, 3 (2015).
  8. Craciun, V., et al. Optical properties of amorphous indium zinc oxide thin films synthesized by pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 306, 52-55 (2014).
  9. Suh, S., Hoffman, D. M. A new metal-organic precursor for the low-temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition of zinc oxide. Journal of Materials Science Letters. 8, 789-791 (1999).
  10. Lin, Y. -Y., Hsu, C. -C., Tseng, M. -H., Shyue, J. -J., Tsai, F. -Y. Stable and High-Performance Flexible ZnO Thin-Film Transistors by Atomic Layer Deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (40), 22610-22617 (2015).
  11. Walker, D. E., et al. High mobility indium zinc oxide thin film field-effect transistors by semiconductor layer engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 4 (12), 6835-6841 (2012).
  12. Meyers, S. T., et al. Aqueous Inorganic Inks for Low-Temperature Fabrication of ZnO TFTs. Journal of the American Chemical Society. 130 (51), 17603-17609 (2008).
  13. Krunks, M., Mellikov, E. Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method. Thin Solid Films. 270 (1-2), 33-36 (1995).
  14. Adamopoulos, G., Thomas, S., Bradley, D. D. C., McLachlan, M. A., Anthopoulos, T. D. Low-voltage ZnO thin-film transistors based on Y2O3 and Al2O3 high-k dielectrics deposited by spray pyrolysis in air. Applied Physics Letters. 98 (12), 123503 (2011).
  15. Branquinho, R., et al. Aqueous combustion synthesis of aluminum oxide thin films and application as gate dielectric in GZTO solution-based TFTs. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (22), 19592-19599 (2014).
  16. Shan, F., et al. Low-Voltage High-Stability InZnO Thin-Film Transistor Using Ultra-Thin Solution-Processed ZrOx Dielectric. Journal of Display Technology. 11 (6), 541-546 (2015).
  17. Lin, Y., et al. A Highly Controllable Electrochemical Anodization Process to Fabricate Porous Anodic Aluminum Oxide Membranes. Nanoscale Research Letters. 10 (1), 495 (2015).
  18. Gomes, T. C., Kumar, D., Fugikawa-Santos, L., Alves, N., Kettle, J. Optimization of the Anodization Processing for Aluminum Oxide Gate Dielectrics in ZnO Thin Film Transistors by Multivariate Analysis. ACS Combinatorial Science. , (2019).
  19. Min, L., et al. Dual Gate Indium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors Based on Anodic Aluminum Oxide Gate Dielectrics. IEEE Transactions on Electron Devices. 61 (7), 2448-2453 (2014).
  20. Liu, A., et al. Eco-friendly water-induced aluminum oxide dielectrics and their application in a hybrid metal oxide/polymer TFT. RSC Advances. 5 (105), 86606-86613 (2015).
  21. Berndt, L. Anodization of Aluminum in Highly Viscous Phosphoric Acid. PART 2: Investigation of Anodic Oxide Formation and Dissolution Rates. International Journal of Electrochemical Science. , 9531-9550 (2018).
  22. Huang, S. Z., Hwu, J. G. Electrical characterization and process control of cost-effective high-k aluminum oxide gate dielectrics prepared by anodization followed by furnace annealing. IEEE Transactions on Electron Devices. 50 (7), 1658-1664 (2003).
  23. Iino, Y., et al. Organic Thin-Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxidized High-Dielectric-Constant Insulators. Japanese Journal of Applied Physics. 42, Part 1, No. 1 299-304 (2003).
  24. Hickmott, T. W. Electrolyte effects on charge, polarization, and conduction in thin anodic Al2O3 films. I. Initial charge and temperature-dependent polarization. Journal of Applied Physics. 102 (9), 093706 (2007).
  25. Majewski, L. A., Schroeder, R., Grell, M. One Volt Organic Transistor. Advanced Materials. 17 (2), 192-196 (2005).
  26. Hickmott, T. W. Temperature dependence of the dielectric response of anodized Al-Al2O3-metal capacitors. Journal of Applied Physics. 93 (6), 3461-3469 (2003).
  27. Hickmott, T. W. Interface states at the anodized Al2O3-metal interface. Journal of Applied Physics. 89 (10), 5502-5508 (2001).
  28. Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. , CRC Press. Boca Raton. (2015).
  29. Ferreira, S. L. C., et al. Robustness evaluation in analytical methods optimized using experimental designs. Microchemical Journal. 131, 163-169 (2017).
  30. Nunes, C. A., Freitas, M. P., Pinheiro, A. C. M., Bastos, S. C. Chemoface: a novel free user-friendly interface for chemometrics. Journal of the Brazilian Chemical Society. 23 (11), 2003-2010 (2012).

Tags

الكيمياء، العدد 159، الأنوديس، أكسيد الألومنيوم، طبقة عازلة، ترانزستور رقيقة الفيلم، أكسيد الزنك، ANOVA
تأثير معلمات الأنوديس على طبقة أكسيد الألومنيوم العازلة من الترانزستورات رقيقة الفيلم
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gomes, T. C., Kumar, D., Alves, N.,… More

Gomes, T. C., Kumar, D., Alves, N., Kettle, J., Fugikawa-Santos, L. The Effect of Anodization Parameters on the Aluminum Oxide Dielectric Layer of Thin-Film Transistors. J. Vis. Exp. (159), e60798, doi:10.3791/60798 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter