氧氮化鉿介電層於五苯環有機薄膜電晶體之特性探討

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研究生：	蔡立軒 Tsai, Li-Shiuan
論文名稱：	氧氮化鉿介電層於五苯環有機薄膜電晶體之特性探討 Nitrogen incorporated Hafnium Dioxide dielectric thin film For Organic Thin Film Transistors
指導教授：	黃振昌 Hwang, Jenn-Chang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	68
中文關鍵詞：	有機薄膜電晶體、氧氮化鉿、五苯環、閘極介電層
外文關鍵詞：	OTFT, HfON, pentacene, gate dielectric
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二氧化鉿為高介電係數(high-K)之介電層材料，其理論介電係數約為25，利用此高介電常數之薄膜作為閘極介電層可以降低操作電壓並且縮小元件尺寸，符合未來低耗能和微電子元件製作。有機薄膜電晶體(Organic thin film transistors)主要應用於軟性電子元件上，而作為主動層(Active layers)的有機薄膜有很多種類，而本研究中使用的五苯環(Pentacene)是普遍被應用在OTFTs元件上的有機薄膜主動層之一。
本研究中的試片製備為使用Hf的靶材，並以射頻反應式磁控濺鍍系統(RF Reactive Magnetron Sputter System) 在製程中利用質流控制器(Mass Flow Controller)來控制 Ar、O2、N2的流量來成長氧氮化鉿以及二氧化鉿介電層薄膜，再比較不同參數下二氧化鉿薄膜以及氧氮化鉿薄膜並探討二者之薄膜性質。在沉積氮氧化鉿介電層前，先沉積一層快閃金屬層，可以有效降低介電層的平整度，在相同製程條件下，表面粗糙度從沒有快閃金屬層的 Ra=1.972nm 降低到有快閃金屬層的Ra=1.414nm，藉此可以提升元件特性，載子遷移率從0.086 cm2/V．s 提升到0.174 cm2/V．s，起始電壓從-0.7V 降低到-0.31V，Ion/Ioff 從 0.9x103 提升到 3.2x103，S.S.更是從-0.368 V/dec降低到-0.209 V/dec。實驗結果顯示，在表面能較低的氮氧化鉿薄膜上成長的五苯環薄膜較佳，有比較好的元件電子遷移率。
本研究利用射頻反應式濺鍍系統沉積氧氮化鉿薄膜，作為五苯
環薄膜電晶體的閘極介電層時可以提高元件特性。

Hafnium oxide is a high-k dielectric material which have dielectric constant of 25,high-k dielectric material use to be a gate oxide can decrease the threshold voltage and device scale for low voltage and microelectronics. Organic thin film transistors has been used to fabricate soft electronics devices. The active layers for OTFTs is numerous, pentacene for our research is one of most used OTFTs active layers.
In this thesis, we fabricate the HfO2 and HfON thin film by RF Reactive Magnetron Sputter System. The target is Hf metal for 99.99%, and we use Mass Flow Controller to put the Ar-O2-N2 mix gas in the chamber.HfO2 or HfON thin film would deposit on the substrate by Hf sputtering atoms react for O2 and N2.We deposit different recipes film to research their properties. Before depositing the dielectric film, we pre-deposit a Hf thin film. The thin film can decrease roughness for dielectric film, surface roughness decrease from Ra=1.972nm without Hf pre-sputtered to Ra=1.414nm with Hf pre-sputtered, this fabrication increase the device characteristics ,mobility increase from 0.086 cm2/V．s to 0.174 cm2/V．s, threshold voltage decrease from -0.7V to -0.31V,on-off ratio increase from 0.9x103 to 3.2x103, subthreshold swing decrease from -0.368 V/dec to -0.209 V/dec.
In our research, a low surface energy dielectric film would have better device characteristics of pentacene based OTFTs. In this thesis, we deposit HfON thin film by Reactive Magnetron Sputter System, and make a OTFT device which have a better characteristics.

總目錄
誌謝    I
摘要    III
Abstract    V
總目錄    VII
表目錄    XI
圖目錄    XII
第一章    緒論    1
1-1    研究動機    1
1-2    論文架構    2
第二章     文獻回顧    3
2-1  有機薄膜電晶體簡介    3
2-2  有機薄膜電晶體的結構    4
2-3  有機薄膜電晶體結構中所使用的材料    5
2-3.1 基材    5
2-3.2 主動層    5
2-3.3 介電層    6
2-4  五苯環的應用    6
2-5  高介電常數材料簡介    7
2-6 二氧化鉿的材料特性與應用    8
2-7 二氧化鉿的製備方法    9
2-7.1 原子層沉積(ALD)    9
2-7.2 溶膠凝膠製程(Sol-gel)    10
2-7.3 氧電漿氧化法(Oxidation plasma)    10
2-7.4 濺鍍法(Sputtering)    10
第三章  實驗步驟與分析    16
3-1 實驗流程    16
3-2 實驗裝置    17
3-2.1 反應式射頻濺鍍    17
3-2.2  熱蒸鍍    18
3-3 實驗程序    18
3-3.1 介電層沉積    18
3-3.2 五苯環薄膜沉積    21
3-3.3 有機薄膜電晶體的製備    22
第四章    氧氮化鉿介電層的薄膜特性之研究    32
4-1  氧氮化鉿介電層薄膜結晶性與抗漏電之影響    32
4-1.1 結晶性    32
4-1.2 氮摻雜對於漏電流的影響    33
4-2  C-V曲線與薄膜電荷之討論    33
4-3  氧氮化鉿薄膜表面粗糙度之討論    34
4-3.1 製程溫度    35
4-3.2 電子槍功率對於薄膜平坦度的影響    35
4-3.3 反應氣體流量比    36
第五章    五苯環薄膜成長於疏水性氧氮化鉿薄膜之探討    47
第六章    氧氮化鉿介電層於五苯環有機薄膜電晶體上的探討        52
6.1  薄膜氮氧比與元件特性之影響    52
6.2  Hf快閃金屬層對於元件之影響    54
總結    63
參考文獻    64


表目錄
表2-1 用於有機薄膜電晶體的介電層材料列表    12
表2-2 有機薄膜電晶體常用的介電材料和性質    13
表5-1 時效性處理過後的介電層表面能及接觸角的比較    49
表6-1 不同氮流率的氧氮化鉿薄膜的電性數值比較    58
表6-2 快閃金屬層應用於氧氮化鉿薄膜的電性數值比較    62

圖目錄

圖2-1 OTFT元件結構(a) bottom contact (b) top contact    14
圖2-2 五苯環原子鍵結結構圖[38]    15
圖2-3 Oxidation plasma 法製備二氧化鉿薄膜[35]    15
圖3-1 反應式射頻濺鍍示意圖    28
圖3-2 熱蒸鍍示意圖    28
圖3-3 RCA清洗流程圖    29
圖3-4 AFM工作原理示意圖    30
圖3-5 ESCA示意圖[46]    31
圖3-6 Contact angle 示意圖    31
圖4-1 氧氮化鉿在不同溫度下的XRD圖(a)30W、150℃ (b)30W、350℃    38
圖4-2 氧氮化鉿和二氧化鉿之漏電流比較    39
圖4-4 MIM結構    40
圖4-4 MIS結構    40
圖4-5 介電層含氮量不同的遲滯曲線變化 (a)HfO2薄膜(b)Ar:O2:N2=2:1:17 HfON薄膜    42
圖4-6 固定電子槍功率以及氣體流量，在不同基板溫度下成長介電層薄膜的AFM表面形貌，溫度依序為 (a)50℃ (b)100℃ (c)150℃     43
圖4-7 固定基板溫度以及氣體流量，以不同電子槍功率成長介電層薄膜的AFM表面形貌圖，功率依序為 (a) 80W Ra=1.813nm (b) 100W Ra=1.925nm (c) 150W Ra=2.028nm    44
圖4-8 固定基板溫度以及電子鎗功率，改變氣體流量比成長介電層薄膜的AFM表面形貌圖，流量比依序為 (a) 2:4 (b) 2:4:14    45
圖4-9 不同氣體流量下成長介電層薄膜的XPS圖譜，依序為(a) Hf 4f(b) O 2s(Hf-O~531.6 eV) (c) N 1s(Hf-N~395-398eV)[29]    46
圖5-1 氧氮化鉿薄膜的表面和薄膜內部的碳1s XPS圖譜 (碳碳鍵的Binding Energy約為284.5eV)    49
圖5-2 不同時間之時效性處理，對於介電層Contact angle的影響 (a) 1day (b) 7days 。    50
圖5-3  時效性處理對於有機薄膜電晶體的電性變化。    51
圖6-1 二氧化鉿和氧氮化鉿薄膜的有機薄膜電晶體電性比較，(a) Ar/O2/N2 比為2/18/0 (b) Ar/O2/N2 比為2/4/14    56
圖6-2 OTFT之VD-ID圖(a) Ar/O2/N2 比為2/18/0 (b) Ar/O2/N2 比為2/4/14    57
圖6-3 快閃金屬層對於氧氮化鉿薄膜平整度的影響，依序為(a) Ar/O2/N2 =2/4/0  Ra=1.972nm (b) Ar/O2/N2 =2/4/14  Ra=1.414nm (c) Ar/O2/N2 =2/4/20 Ra=1.151nm    59
圖6-4 氧氮化鉿在預鍍快閃金屬層後的電性曲線變化以及跟氮流率的關係，(a)無快閃金屬層、Ar/O2/N2 =2/4/14 (b)有快閃金屬層、Ar/O2/N2 =2/4/14    60
圖6-5 氧氮化鉿在預鍍快閃金屬層後的電性曲線變化以及跟氮流率的關係，(c)有快閃金屬層、Ar/O2/N2 =2/4/20。    61

                                

參考文獻

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