Hoogwaardige a-InGaZnO dunnefilmtransistoren met extreem laag thermisch budget door gebruik te maken van een waterstofrijk Al2O3-diëlektricum

Resultaten en discussie

Figuur 1a vergelijkt de diëlektrische constanten van de Al₂ O₃ films afgezet bij verschillende temperaturen als functie van de frequentie (d.w.z. van 10 Hz tot 10 ⁵ Hz). Naarmate de depositietemperatuur stijgt van 100 tot 150 °C, vertoont de film een ​​geleidelijke afname van de diëlektrische constante. Een vergelijkbare trend werd ook gerapporteerd in eerdere literatuur voor de depositietemperatuur die veranderde van RT naar 150 °C [18, 19]. Dit komt omdat de RT Al₂ O₃ film bevat de hoogste concentratie waterstof (H) in de vorm van OH-groepen. De corresponderende diëlektrische constante wordt dus verbeterd door een rotatie van meer OH-groepen in een elektrisch veld [20]. In termen van de meetfrequentie van 10 Hz, de geëxtraheerde diëlektrische constanten voor de RT, 100 °C en 150 °C Al₂ O₃ films zijn gelijk aan respectievelijk 8,6, 7,9 en 7,4, die worden gebruikt voor de extractie van de veldeffectmobiliteit (μ _FE ) en grensvlakdichtheid (D _het ) van het gefabriceerde TFT-apparaat. Afbeelding 1b toont de lekstroomkenmerken van verschillende Al₂ O₃ films. Het blijkt dat de RT Al₂ O₃ film vertoont een kleine lekstroomdichtheid van 2,38 × 10 ^− 8 A/cm ² bij 2 MV/cm en een elektrisch doorslagveld van 5,3 MV/cm. Bovendien neemt het elektrische doorslagveld geleidelijk toe met toenemende depositietemperatuur van 100 tot 150 °C.

Elektrische eigenschappen van Al₂ O₃ films afgezet bij verschillende temperaturen. een Diëlektrische constante versus frequentie. b Lekstroomdichtheid versus elektrisch veld

Afbeelding 2 toont de typische overdrachtscurves van de a-IGZO TFT's met verschillende Al₂ O₃ poort isolatoren. De RT Al₂ O₃ TFT vertoont de beste prestaties, zoals hoge μ _FE van 19,5 cm ² V ^− 1 s ^− 1 , een kleine subthreshold swing (SS) van 160 mV/dec, een kleine drempelspanning (V _T ) van 0,1 V en een grote aan/uit stroomverhouding (I _aan/uit ) van 4,5 × 10 ⁸ . De a-IGZO TFT's met Al₂ O₃ gate-isolatoren die bij zowel 100 als 150 °C zijn gedeponeerd, vertonen een veel slechtere prestatie, d.w.z. verminderde aan-stromen (10 ^− 7 en 3 × 10 ^− 9 A) en gedegradeerde SS. De D _het op de interface van Al₂ O₃ /a-IGZO kan worden berekend op basis van de volgende vergelijking [21]:

waar e , k , T , en q vertegenwoordigen respectievelijk het Euler-getal, de Boltzmann-constante, de absolute temperatuur en de eenheidselektronenlading. C _os is de gate diëlektrische capaciteit per oppervlakte-eenheid. Voor de RT Al₂ O₃ TFT, de D _het is gelijk aan 1,1 × 10 ¹² eV ^− 1 cm ^− 2 , wat meer dan een of twee keer lager is dan die voor de TFT's met de Al₂ O₃ poortisolatoren gedeponeerd bij 100 en 150 °C.

Transfercurves van de a-IGZO TFT's met ALD Al₂ O₃ poortisolatoren afgezet bij verschillende temperaturen samen met de geëxtraheerde apparaatparameters

De gate-biasstabiliteiten van de apparaten werden verder gemeten door negatieve en positieve spanningen aan te leggen. Afbeelding 3 toont de V _T verschuiving als een functie van bias-stresstijd voor verschillende TFT's. In termen van negatieve gate bias stress (NGBS), is de RT Al₂ O₃ TFT vertoont een verwaarloosbare V _T verschuiving van − 0.04 V na 40 min te zijn gestrest bij − 10 V. Echter, hogere temperatuur Al₂ O₃ poortisolatoren genereren grotere V _T verschuift speciaal voor 150°C. Zo'n hoge NGBS-stabiliteit voor RT Al₂ O₃ moet worden toegeschreven aan een lage concentratie van zuurstofvacatures (V _O ) in het a-IGZO-kanaal [22]. Met betrekking tot positieve gate bias stress (PGBS), de RT Al₂ O₃ TFT toont een V _T verschuiving van 1,47 V, wat veel kleiner is dan die (8,8 V en 12,1 V) voor de 100 en 150 °C Al₂ O₃ TFT's. Bovendien werd de invloed van opslagtijd op de prestaties van het apparaat onderzocht, zoals weergegeven in Fig. 4. Hoewel er geen passiveringslaag is bedekt op het achterste kanaal, behoudt het apparaat nog steeds uitstekende prestaties nadat het in een kast is bewaard (20% RV) gedurende 60 dagen bij 30 °C; ondertussen zijn er geen significante variaties in μ _FE en SS worden waargenomen. Dit geeft de RT Al₂ . aan O₃ TFT's zonder passiveringslaag hebben een goede opslagtijdafhankelijke stabiliteit in de huidige omgeving.

V _T verschuiving als functie van de spanningstijd van de bias onder NGBS = − 10 V en PGBS = 10 V voor de TFT's met Al₂ O₃ isolatoren afgezet bij verschillende temperaturen

Tijdsafhankelijke stabiliteit van RT Al₂ O₃ TFT na bewaring in een kast (20% RV) bij 30 °C. een Overdracht bochten. b Mobiliteit en swing onder de drempel

Tabel 1 vergelijkt de prestaties van onze RT Al₂ O₃ TFT met andere rapporten. Het is gebleken dat ons apparaat een nul-nabij V . vertoont _T , kleinere SS en grotere I _aan/uit bij vergelijkbare mobiliteit [4, 23]. Hoewel het gebruik van een Ta₂ O₅ poortisolator kan een hogere mobiliteit van 61,5 cm verkrijgen ² V ^− 1 s ^− 1 , zowel SS als I _aan/uit opmerkelijk achteruitgaan [10]. Kortom, onze RT Al₂ O₃ TFT heeft een superieure uitgebreide prestatie in vergelijking met de 100 en 150 °C Al₂ O₃ TFT's. Aangezien alle verwerkingsstappen identiek zijn, behalve de depositiestap van Al₂ O₃ , zouden dergelijke significante verschillen in elektrische prestaties afkomstig moeten zijn van de Al₂ O₃ poortisolatoren.

Om het onderliggende mechanisme te begrijpen, zijn de diepteprofielen van de elementen in de a-IGZO/Al₂ O₃ gestapelde films werden geanalyseerd door SMIS. Figuur 5a toont de afhankelijkheid van de H-concentratie van de diepte in de stapels van IGZO/Al₂ O₃ , waarbij de Al₂ O₃ films werden respectievelijk bij kamertemperatuur en 150°C gedeponeerd. Ter vergelijking werd ook een IGZO-film die op een kaal Si-substraat was afgezet, geanalyseerd. De IGZO-film afgezet op kale Si bevat een H-concentratie van ~ 3 × 10 ²¹ cm ^− 3 , die afkomstig is van het restgas in het sputtersysteem en H₂ . heeft geabsorbeerd /H₂ O-moleculen op het Si-oppervlak. Beide IGZO-films gedeponeerd op de Al₂ O₃ films bevatten hogere H-concentraties dan die op het kale Si-substraat. Dit geeft aan dat de verhoogde H-concentraties afkomstig moeten zijn van het vrijkomen van H-onzuiverheden in het onderliggende Al₂ O₃ films tijdens het sputteren van IGZO. Bovendien wordt waargenomen dat de H-concentratie in de IGZO-film bovenop de RT Al₂ O₃ film is hoger dan die op de 150 ° C in het grensvlak-nabije gebied, wat een efficiëntere passivering van grensvlaktoestanden kan bieden. Dit verbetert dus de SS- en PGBS-stabiliteit van de RT Al₂ O₃ TFT door het verminderen van interfacial carrier trapping. Bovendien zijn de O 1s XPS-spectra van de a-IGZO-films nabij het grensvlak van IGZO/Al₂ O₃ werden geanalyseerd, zoals weergegeven in figuur 5b. De gemonteerde pieken bevinden zich op 530,2 ± 0.1 eV, 530,9 ± 0.1 eV en 531,6 ± 0.1 eV, wat overeenkomt met O ²⁻ ionen gebonden met metaal (O1), V _O (O2) en OH-groepen (O3), respectievelijk [13, 24]. Het percentage O2 is 26,3% in de a-IGZO-laag bovenop het kale Si; het neemt echter af tot 12,3% en 6,8% voor de 150 °C en RT Al₂ O₃ onderliggende films, respectievelijk. Dit geeft aan dat meer V _O in het IGZO-kanaal kan effectief worden gepassiveerd door extra H-onzuiverheden afkomstig van het onderliggende Al₂ O₃ films, speciaal voor de RT Al₂ O₃ film met een hogere H-concentratie. Het is gemeld dat wanneer V _O en H beide aanwezig zijn in de a-IGZO-film, kunnen ze combineren om een ​​stabiele toestand te vormen waarin H wordt opgesloten bij V _O (V _O H), en de resulterende V _O H is een ondiepe donor [25,26,27]. Dus verbeterde H-doping in het IGZO-kanaal bovenop de RT Al₂ O₃ verbetert de kanaalgeleiding door extra elektronen te leveren. Verder is de kleine V _T shift onder de NGBS voor de RT Al₂ O₃ TFT kan ook worden toegeschreven aan de effectieve H-passivering van V _O [28]. Zoals gerapporteerd in de literatuur, komt de instabiliteit van TFT onder NGBS voort uit ionisatie van neutrale V _O (V _O → V _O ²⁺ +2e ⁻ ) [17, 29]. Bovendien is het O3-percentage van de a-IGZO-film op de RT Al₂ O₃ is 6,9%, wat hoger is dan die op de 150 °C Al₂ O₃ (5,3%) en het kale Si (4,6%) respectievelijk. De OH-groep kan afkomstig zijn van de reactie O ²⁻ + H → OH ⁻ + e ⁻ tijdens depositie van IGZO-films [30]. Dus de verbeterde H-doping in het IGZO-kanaal bovenop de RT Al₂ O₃ film genereert meer OH-groepen en draagt ​​ook bij aan het verbeteren van de kanaalgeleiding.

een SIMS-profielen van waterstofconcentratie in Al₂ O₃ gedeponeerd bij kamertemperatuur en 150°C. b Hoge resolutie O1s XPS-spectra van het IGZO-kanaal gedeponeerd op RT Al₂ O₃ , 150 °C Al₂ O₃ , en blote Si