氧化鉿/氧化鋁交疊介電層應用於可撓性P型氧化亞錫薄膜電晶體之研究

HfO2/Al2O3 Multilayer Gate Dielectrics for Flexible P-Type SnO Thin-Film Transistors

李承哲(Cheng-Che Lee)

指導教授 ： 陳奕君

國立臺灣大學/電機資訊學院/光電工程學研究所/碩士(2016年)

https://doi.org/10.6342/NTU201603542

摘要

本研究成功地利用交疊結構製備較薄且絕緣能力良好的氧化鉿/氧化鋁交疊介電薄膜，並應用於可撓性p型氧化亞錫薄膜電晶體之閘極介電層，再以氮化矽作為背通道鈍化層，進一步改善氧化亞錫薄膜電晶體元件特性。並且探討機械應變對可撓性氧化亞錫薄膜電晶體電特性的影響。最後，我們研究可撓性氧化亞錫薄膜電晶體在電偏壓下的穩定性，並且探討機械應變對此特性的影響。
研究中以原子層沉積系統於200 ℃製備氧化鉿及氧化鉿/氧化鋁交疊介電薄膜。低掠角X光繞射結果顯示氧化鉿薄膜為多晶結構，而氧化鉿/氧化鋁交疊薄膜則呈現非晶結構。標準片50 nm厚氧化鉿具有良好的絕緣特性，35 nm則漏電流過大，相對地，35 nm厚氧化鉿/氧化鋁交疊薄膜具有更佳的絕緣特性，且厚度降低至22 nm同樣具有良好的絕緣能力，有利於應用可撓性氧化亞錫薄膜電晶體。接著，我們使用射頻磁控濺鍍系統製備電晶體主動層材料，製程中以金屬錫作為靶材，通入微量氧氣，搭配後退火製程以得到氧化亞錫薄膜。
可撓性氧化亞錫薄膜電晶體採倒置交錯型結構，以35 nm及22 nm氧化鉿/氧化鋁交疊薄膜作為閘極介電層所獲得之元件電特性表現與使用50 nm氧化鉿閘極介電層相當。電晶體的場效載子遷移率與臨界電壓隨著張應變量增大而下降，次臨界擺幅呈現上升趨勢，在承受壓應變時，則無明顯的電性變化。相較於50 nm氧化鉿介電層，使用較薄的氧化鉿/氧化鋁交疊介電層，在機械應變影響下電晶體的特性參數變化皆較小。在閘極正偏壓穩定性測試部份，與使用50 nm氧化鉿介電層的結果相似，具氧化鉿/氧化鋁交疊閘極介電層的電晶體其正偏壓不穩定性主要來自於界面缺陷或介電層內部缺陷的電荷捕捉；但在負偏壓測試中，可能是受到氧化鋁與氧化亞錫間界面特性不佳的影響，造成次臨界擺幅隨之改變，由此可得知偏壓不穩定性來源同時包含界面缺陷的電荷捕捉及額外缺陷的產生。此外，在定偏壓穩定性測試下，相較於50 nm氧化鉿介電層，由於22 nm的氧化鉿/氧化鋁交疊薄膜所承受的電場較大，因此電晶體的臨界電壓偏移量較大，且可能因受到氧化鋁影響，負偏壓測試下，此偏移量在機械應變影響下會顯著增加，反觀正偏壓測試，使用22 nm氧化鉿/氧化鋁交疊閘極介電層的氧化亞錫薄膜電晶體其臨界電壓偏移量值在機械應變影響下則相對穩定。

關鍵字

可撓性電子元件 ； p型氧化物半導體 ； 薄膜電晶體 ； 氧化亞錫 ； 交疊介電層 ； 彎曲測試 ； 偏壓穩定性

並列摘要

In this research, a relatively thinner HfO2/Al2O3 (AHO) multilayer with good insulating property was introduced as novel gate dielectrics for on-foil flexible p-type tin monoxide (SnO) thin-film transistors (TFTs). To improve the electrical performance of flexible SnO TFTs, back channels of TFTs were passivated with a SiNx layer. Besides, the electrical characteristics of flexible SnO TFTs under the influence of mechanical strains were evaluated. Finally, the influence of mechanical strains on the gate-bias stress stability of flexible SnO TFTs was studied.
The dielectrics, including a standard HfO2 single layer and an AHO multilayer were deposited by atomic layer deposition (ALD) at 200°C. The grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) patterns showed the HfO2 layer was polycrystalline while the AHO multilayer had an amorphous structure. The standard 50-nm-thick HfO2 single layer shows good insulating property, but 35-nm-thick HfO2 layer had high leakage current. The AHO multilayers with thickness of 35 nm and 22 nm relatively showed better insulating property. It was promising for the implementation of flexible SnO TFTs. The active layer, 15-nm-thick SnO thin film, was deposited by reactive rf-magetron sputtering using a metallic tin target in O2/Ar ambient at room temperature, followed by a furnace annealing at 225

並列關鍵字

flexible electronics ； p-type oxide-based semiconductor ； thin-film transistor (TFT) ； tin monoxide (SnO) ； multilayered dielectric ； bending test ； gate-bias stress stability

參考文獻

[1] T. Afentakis, M. K. Hatalis, A. T. Voutsas, and J. W. Hartzell, "Poly-silicon TFT AM-OLED on thin flexible metal substrates," in Electronic Imaging 2003, 2003, pp. 187-191.

[2] J. Nichols, T. Jackson, M.-H. Lu, and M. Hack, "a-Si: H TFT phosphorescent OLED active matrix pixels fabricated on polymeric substrates," in Device Research Conference, 2004. 62nd DRC. Conference Digest 2004, pp. 59-60.

[3] L. Zhou, A. Wanga, S.-C. Wu, J. Sun, S. Park, and T. N. Jackson, "All-organic active matrix flexible display," Applied Physics Letters, vol. 88, p. 3502, 2006.

[4] G. Gelinck, P. Heremans, K. Nomoto, and T. D. Anthopoulos, "Organic transistors in optical displays and microelectronic applications," Advanced Materials, vol. 22, pp. 3778-3798, 2010.

[5] D. Braga and G. Horowitz, "High‐performance organic field‐effect transistors," Advanced Materials, vol. 21, pp. 1473-1486, 2009.