Atomic Layer Deposition of Al2O3 Dielectrics for Low-Temperature TFT Process

Abstract

Thin-film-transistor (TFT) technology has been prominent in the modern era, being devices particularly suitable for large-area applications such as displays and flexible electronics. When thinking about applications demanding low cost and/or mechanical flexibility, there is a need for a process that can deliver quality films in substrates which require a low thermal budget. In this work, Atomic Layer Deposition (ALD) is studied as a process for low-temperature depositions of Al2O3 dielectric layers to be used in a well-established oxide TFT process. The first part of this work focused on establishing and optimizing a 150 ºC ALD process for Al2O3, through adjustment of precursor exposure and purge times, which was done by studying both the optical and electrical properties of the dielectrics and comparing these to ones grown at 200 ºC. Optical results showed good quality film growth, uniform film thickness throughout 3” substrates, and a constant growth-per-cycle for a given process. The optimized 150 ºC Al2O3 layers had a dielectric constant of 8.4±0.6 and a breakdown field of 4.0±2.1 MV/cm, which are comparable to state-of-the-art Al2O3 films fabricated at 200 °C or higher temperatures. The second part of this work was the implementation of the 50 nm thick optimized ALD dielectric as a gate insulator in top-gate and bottom-gate oxide TFTs based on indium-gallium zinc oxide (IGZO) semiconductor. The bottom-gate transistors show hysteresis in the transfer curves, unlike the top-gate transistors, associated to charge trapping at the Al2O3/IGZO interface arising from the damage of the IGZO sputtering process. The bottom-gate and top-gate transistors have average saturation mobility of 6.3 cm2/Vs and 1.3 cm2/Vs, respectively, and a SS of approximately 0.1 V/dec and 0.2 V/dec. While future engineering of the dielectric/semiconductor stack can further improve device performance and stability, the results obtained already demonstrate that 150 °C Al2O3 layers by ALD are very good candidates for flexible oxide TFTs on temperature-sensitive substrates.

A tecnologia de transístores de filme fino (TFT) é cada vez mais importante na atualidade, devido à aplicabilidade destes dispositivos em tecnologias de grande área como mostradores e eletrónica flexível. A necessidade de baixo custo e flexibilidade mecânica nestas áreas incita a procura de um processo capaz de produzir filmes de alta qualidade acomodados a substratos que requerem baixas temperaturas. Neste trabalho, a técnica de deposição de camadas atómicas (ALD) é estudada para deposições de camadas dielétricas de Al2O3 a baixa temperatura, para uso em tecnologia TFT de óxidos. A primeira parte deste trabalho focou-se na otimização de um processo de ALD para Al2O3 a 150ºC, através de ajustes nos tempos de exposição e purga do precursor e do elemento reativo. Para tal, estudaram-se as propriedades elétricas e óticas do dielétrico e compararam-se com as propriedades de Al2O3 depositado a 200 ºC. As propriedades óticas demostraram crescimento de boa qualidade dos filmes, espessura uniforme ao longo de substratos de 3” e um crescimento por ciclo constante para cada processo. As camadas depositadas a 150 ºC apresentaram uma constante dielétrica de 8.4±0.6 e um campo elétrico de rutura de 4.0±2.1 MV/cm, que são equiparáveis ao estado da arte de filmes de Al2O3 fabricados a temperaturas iguais ou superiores a 200 °C. A segunda parte centrou-se na implementação da camada de 50 nm do processo otimizado como dielétrico da porta em TFTs top-gate e bottom-gate de óxido de índio-gálio-zinco (IGZO). Os transístores bottom-gate apresentam histerese nas curvas de transferência, ao contrário dos top-gate, que se deve à acumulação de cargas na interface Al2O3/IGZO proveniente dos danos da pulverização catódica de IGZO. Os transístores bottom-gate e top-gate apresentam, respetivamente, mobilidades de 6.3 cm2/Vs e 1.3 cm2/Vs e SS de 0.1 V/dec e 0.2 V/dec. Embora seja possível melhorar o desempenho dos dispositivos, os resultados obtidos demonstram que as camadas de Al2O3 a 150 ºC são já boas candidatas para processos de TFTs de óxidos flexíveis em substratos sensíveis à temperatura.