Spanningspolariteitsafhankelijke programmering van a-IGZO TFT-geheugens met ALD ZnO laadopslaglaag

Samenvatting

Amorfe In-Ga-Zn-O (a-IGZO) dunfilmtransistor (TFT) geheugens trekken veel aandacht voor toekomstige system-on-panel toepassingen, maar vertonen doorgaans een slechte wis-efficiëntie. In dit artikel onderzoeken we de spanningspolariteitsafhankelijke programmeerkenmerken van een a-IGZO TFT-geheugen met een atoomlaagafgeschieden ZnO laadopslaglaag (CTL). De onbehandelde apparaten tonen elektrisch programmeerbare kenmerken niet alleen onder positieve gate-bias, maar ook onder negatieve gate-bias. In het bijzonder kan de laatste een veel hogere programmeerefficiëntie genereren dan de eerste. Bij toepassing van een gate-biaspuls van +13 V/1 μs toont het apparaat een drempelspanningsverschuiving (ΔV_th) van 2 V; en de ΔV_th is zo groot als -6,5 V voor een gate-biaspuls van -13 V/1 μs. In het geval van 12 V/1 ms programmeren (P) en -12 V/10 μs wissen (E), kan een geheugenvenster van zo groot als 7,2 V worden bereikt na 10³ P/E-cycli. Door de ZnO CTL's die in O₂ of N₂ geanneald zijn te vergelijken met de as-deposited laag, wordt geconcludeerd dat zuurstofvacature-gerelateerde defecten de bipolaire programmeerkenmerken van de TFT-geheugenapparaten domineren. Bij programmeren met positieve gate-spanning worden elektronen geïnjecteerd vanuit het IGZO-kanaal in de ZnO-laag en preferentieel vastgevangen in diepe niveaus van enkel geïoniseerde zuurstofvacature (V_O⁺) en dubbel geïoniseerde zuurstofvacature (V_O²⁺). Bij programmeren met negatieve gate-spanning worden elektronen gemakkelijk ontvangen uit neutrale zuurstofvacatures vanwege ondiepe donoren en tunnelen terug naar het kanaal. Dit leidt tot een zeer efficiënt wissen door de vorming van additionele geïoniseerde zuurstofvacatures met positieve ladingen.

Achtergrond

Een dunfilmtransistor (TFT) gebaseerd op amorfe indium-gallium-zink-oxide (a-IGZO) is uitgebreid bestudeerd voor toepassingen in flexibele en transparante elektronische systemen. Dit wordt toegeschreven aan specifieke eigenschappen van a-IGZO films zoals goede uniformiteit, lage verwerkingstemperatuur, zichtbare lichtdoorlatendheid en hoge elektronenmobiliteit. Naast dit zijn ook a-IGZO TFT niet-vluchtige geheugens voorgesteld, en de niet-vluchtige datalageringscapaciteit vergroot het toepassingsbereik van het a-IGZO TFT-apparaat. Als typische architectuur van niet-vluchtige geheugenapparaten is een floating-gate a-IGZO TFT-geheugen in de laatste jaren intensief onderzocht. Tot nu toe zijn verschillende materialen verkend als floating gate (d.w.z. laadopslagmedium), zoals dielectrica, metal nanokristallen en halfgeleidende materialen. Omdat a-IGZO een natuurlijke n-type halfgeleider is, en gat-inversie nauwelijks gerealiseerd wordt in een a-IGZO TFT onder een negatieve gate-bias, hebben a-IGZO TFT-geheugens doorgaans een slechte wis-efficiëntie. Met andere woorden, de meeste a-IGZO TFT-geheugens kunnen niet elektrisch gewist worden door gat-injectie vanuit het kanaal. Niettemin fabriceren Zhang et al. een TFT-geheugen met a-IGZO als zowel de laadopslaglaag (CTL) als de kanaallaag, wat elektrisch programmeer- en wisbare kenmerken vertoonde, evenals goede dataretentie. Ook onderzochten Yun et al. de kenmerken van a-IGZO TFT-geheugens met verschillende compositionele IGZO CTL, wat een afnemend geheugenvenster toonde met toenemende O₂ gedeeltelijke druk tijdens sputtering depositie van de CTL. Bovendien rapporteerde Bak et al. de prestaties van a-IGZO TFT-geheugens met verschillende geleidende ZnO CTL's en concludeerde dat de geoptimaliseerde elektronische natuur van de bandgapstructuur voor de ZnO CTL een van de belangrijkste factoren kan zijn om hoogfunctionele oxide TFT-geheugens te realiseren. Hoewel de bovengenoemde oxide halfgeleider CTL-gebaseerde a-IGZO TFT-geheugens superieure elektrische programmeer-/wissnelheden vertonen, zijn de bipolaire programmeerkenmerken van de bovengenoemde apparaten niet gerapporteerd, en de bijbehorende vangstprocessen van verschillende ladingen in de CTL van oxide halfgeleiders zijn nog niet helder, met name voor de vangst van positieve ladingen.

In dit werk is een bipolaire programmeerbaar a-IGZO TFT-geheugen gefabriceerd door gebruik te maken van een atoomlaagafgeschieden ZnO-film als CTL. Door de bipolaire programmeerkenmerken van de TFT-geheugenapparaten met de as-deposited, O₂- of N₂-geannealde ZnO CTL's te vergelijken, werden de vangstprocessen van verschillende ladingen in de ZnO-laag besproken. Het blijkt dat zuurstofvacature-gerelateerde defecten de bipolaire programmeerkenmerken van de a-IGZO TFT-geheugenapparaten domineren.

Methoden

P-type Si (100) wafers met een resistiviteit van 0,001-0,005 Ω cm werden gereinigd met het standaard RCA reinigingsproces en gebruikt als de achtergate van het apparaet. Vervolgens werden 35-nm Al₂O₃ en 20-nm ZnO films successief gedeponeerd door atoomlaagafscheiding (ALD) bij respectievelijk 250 °C en 200 °C, die fungeerden als blokkeringslaag en CTL van het TFT-geheugen. Het is op te merken dat de ZnO-film een root-mean-square (RMS) ruwheid van 0,553 nm heeft. Vervolgens werden fotolithografie en natte etching uitgevoerd om de CTL van ZnO te definiëren. Daarna werd een 8-nm Al₂O₃ tunnelingslaag gegroeid door ALD. De precursors diethylzink (DEZ)/H₂O en TMA/H₂O werden gebruikt voor de groei van respectievelijk ZnO en Al₂O₃ films. Daarna werd een 40-nm a-IGZO film gedeponeerd door radiofrequentie magnetron sputtering als kanaallaag bij kamertemperatuur met behulp van een InGaZnO₄ target. Het actieve kanaal met een breedte (W)/lengte (L) van 100/10 μm werd vervolgens gedefinieerd door fotolithografie en uitgezoond HCl etching. Bron- en draincontacten van Ti/Au (30 nm/70 nm) werden gevormd door e-bundel verdamping gevolgd door een lift-off proces. Ten slotte werden alle gefabriceerde apparaten geanneald bij 250 °C in O₂ gedurende 5 min om de prestaties te verbeteren. De elektrische karakterisaties werden uitgevoerd met een halfgeleider parameter analyzer (Agilent B1500A) bij kamertemperatuur. De drempelspanning (V_th) is gedefinieerd als de gate-spanning waarbij de drainstroom gelijk is aan W/L×10⁻⁹ A. De dragerconcentratie van ZnO films werd afgeleid uit Hall-effect metingen (Ecopia HMS-3000) bij kamertemperatuur.

Resultaten en Discussie

Figuur 1 toont de schematische diagrammen van het gefabriceerde a-IGZO TFT-geheugenapparaat onder respectievelijk positieve en negatieve bias programmering. Tijdens elektrische programmering wordt een elektrische puls toegepast op de achtergate, en de bron- en drainelektrodes zijn gegrond. Figuur 2 toont de programmeerkenmerken van de onbehandelde geheugenapparaten onder verschillende condities. Voor het onbehandelde geheugenapparaat toont het een aan/uit stroomverhouding (I_on/I_off) van 1,5 × 10⁷, veld-effect mobiliteit van 7,1 cm² V⁻¹ s⁻¹, en een subdrempelhelling (SS) van 0,67 V/dec. Wat betreft 80 ms programmeren bij verschillende positieve biases, verschuift de I_d–V_g curve geleidelijk in de richting van een positieve bias als functie van de programmeerspanning, bijvoorbeeld de resulterende V_th verschuiving ten opzichte van het onbehandelde apparaat (ΔV_th) neemt toe van 1,3 tot 4,8 V met toenemende programmeerspanning van 8 tot 13 V, wat programmeerverzadiging aan 12 V vertoont, zoals getoond in Fig. 2a. Een dergelijke significante ΔV_th suggereert dat aanzienlijke elektronen van het n-type a-IGZO kanaal worden geïnjecteerd in de ZnO CTL. Bovendien, wanneer de programmeerspanning vastligt op 13 V, neemt de ΔV_th langzaam toe van 2 tot 3,1 V met verlengen van de programmeertijd van 1 μs tot 30 ms, zoals getoond in Fig. 2c. Interessant is dat wanneer het onbehandelde geheugenapparaat geprogrammeerd wordt met een negatieve gate-bias, de V_th een opvallende verschuiving in de richting van een negatieve bias vertoont, getoond in Fig. 2b. Voor constante programmeertijd van 80 ms, vergroot de ΔV_th van -5,2 tot -7,4 V met toenemende programmeerbias van -8 tot -13 V. Zelfs als het onbehandelde geheugenapparaat geprogrammeerd wordt bij -13 V gedurende 1 μs, kan het ook een ΔV_th van zo groot als -6,5 V demonstreren, getoond in Fig. 2d. Dit betekent dat een zeer groot aantal elektronen ontvangen wordt uit de CTL, wat resulteert in het achterblijven van veel positieve ladingen.

Om het laadvangsteffect van de ZnO-laag te begrijpen, zijn ook a-IGZO TFT's zonder ZnO CTL gefabriceerd als controle apparaten voor vergelijking. Figuur 3 toont de overbrengkenmerken van de controle apparaten wanneer ze geprogrammeerd worden onder verschillende positieve en negatieve biases. Het blijkt dat het apparaat geen waarneembare ΔV_th vertoont ongeacht de polariteit en amplitude van de programmeerspanning. Dit geeft aan dat de bovengenoemde duidelijke ΔV_th voor de geheugenapparaten toegeschreven moet worden aan de ZnO CTL. Aan de andere kant, het is op te merken dat IGZO een natuurlijke n-type halfgeleider is, dus elektronen in het IGZO kanaal kunnen gemakkelijk geïnjecteerd worden in de ZnO CTL onder een positieve gate-bias (bijv. +9 V). Echter, wanneer een negatieve programmeerbias wordt toegepast op de gate-elektrode van het apparaat, neigt het a-IGZO kanaal ertoe uitgedund te worden, en gat-conductie is nauwelijks bereikbaar. In dit geval kan het apparaat niet geprogrammeerd worden via gat-injectie vanuit het kanaal, en de unieke mogelijkheid van elektrische programmering is te realiseren door ontvangen van intrinsieke elektronen in de onbehandelde ZnO CTL. Onze experimentele resultaten wijzen erop dat het apparaat gemakkelijk geprogrammeerd kan worden onder negatieve gate-biases, zie Fig. 2d. Figuur 4 toont de uithoudingskenmerken van het geheugen als functie van programmeren/wissen (P/E) cycli. Het apparaat vertoont een geheugenvenster van 3,7 V voor 10³ P/E cycli in het geval van 11 V/1 ms programmeren en -9 V/10 μs wissen. Verder kan een geheugenvenster van zo groot als 7,2 V bereikt worden na 10³ P/E cycli met betrekking tot 12 V/1 ms programmeren en -12 V/10 μs wissen. Tabel 1 vergelijkt de programmeer- en wiskarakteristieken van diverse a-IGZO TFT-geheugens. Vergeleken met andere apparaten, vertoont ons apparaat een veel hogere wisefficiëntie zelfs onder een lagere bias (-12 V) en veel kortere tijd (10 μs), ondanks geen opvallende superioriteit in programmeerefficiëntie.

Om de oorsprong van elektronen die ontvangen worden uit de onbehandelde ZnO CTL te verduidelijken, worden verschillende verwerkte ZnO CTL's vergeleken in de a-IGZO TFT-geheugenapparaten. Figuur 5 toont de programmeerspanningsafhankelijkheid van ΔV_th voor de apparaten met verschillende ZnO CTL's. Het wordt waargenomen dat, voor de geheugenapparaten met de as-deposited en N₂-geannealde ZnO CTL's, de resulterende ΔV_th een vergelijkbare toenemende neiging vertoont met toenemende programmeerspanning ondanks spanningpolariteiten. Echter, voor het geheugenapparaat met de O₂-geannealde ZnO CTL, toont de absolute waarde van ΔV_th een significante afname onder dezelfde programmeercondities, bijvoorbeeld de absolute waarde van ΔV_th neemt met 2 en 3 V respectievelijk af in het geval van 13 V/80 ms en -12 V/1 μs programmeerpulsen. Verder worden verzadigde programmeergedragingen waargenomen voor de O₂-geannealde ZnO CTL in het geval van positieve en negatieve gate-biases. Dit zou toegeschreven moeten worden aan beperkte vallen in de CTL. Kortom, de na-annealing in O₂ bij 250 °C verlaagt het aantal valencentra in de ZnO-film, wat leidt tot een afname in laadopslagcapaciteit.

Om de invloed van na-annealing op de eigenschappen van de ZnO-film te onderzoeken, worden de as-deposited en verwerkte ZnO films gekarakteriseerd door Hall-effect metingen en XPS. Zoals getoond in Fig. 6, toont de ZnO-film geanneald in N₂ bij 250 °C een dragerconcentratie van 4,4×10¹⁹ cm⁻³, wat zeer dichtbij ligt bij die (4,5 × 10¹⁹ cm⁻³) van de as-deposited ZnO-film; echter, de ZnO-film geanneald in O₂ bij 250 °C vertoont een opmerkelijke afname in dragerconcentratie, namelijk 1,8 × 10¹⁸ cm⁻³. Er wordt gerapporteerd dat de intrinsieke donoren in n-type ZnO halfgeleiderfilms zuurstofvacatures zijn. Kwon et al. rapporteerden ook dat de O/Zn atomaire verhouding in de ALD ZnO-film geleidelijk afnam van 0,90 tot 0,78 met toenemende depositietemperatuur van 70 tot 130 °C. Dit onthult het bestaan van zuurstofvacatures in ALD ZnO-films. Daarom zou de O₂-annealing geïnduceerde afname in drager (electron) concentratie gerelateerd moeten zijn aan de reductie van zuurstofvacatures in de ZnO-film. Verder worden hoogresolutie O1s XPS spectra van de as-deposited ZnO-film en die geanneald in N₂ of O₂ geanalyseerd, zoals getoond in Fig. 7. De gedekonvolueerde drie pieken zijn gecentreerd op 530,0, 531,6, en 532,4 eV, corresponderend met O²⁻ ionen gebonden aan Zn²⁺ (O1), zuurstofvacatures (O2), en chemisorbeerde zuurstofelementen (–OH, etc.) (O3), respectievelijk. Vergeleken met de as-deposited ZnO-film, genereert de na-annealing in O₂ een afname van 2,1% in het relatieve percentage van O2. Niettemin, voor de ZnO-film geanneald in N₂, is het relatieve percentage van O2 bijna onveranderd. Deze resultaten wijzen erop dat O₂ annealing zuurstofvacatures in de ZnO-film kan passiveren, maar N₂ annealing niet. Dit bevestigt verder de correlatie tussen zuurstofvacatures en dragerconcentratie.

Op basis van de bovengenoemde experimentele resultaten kan geconcludeerd worden dat de programmeerkenmerken van de onbehandelde geheugenapparaten gedomineerd worden door de concentratie van zuurstofvacature-gerelateerde defecten in de ZnO CTL. Met andere woorden, zuurstofvacatures in de ZnO-film dienen primair als valencentra voor de vangst van positieve en negatieve ladingen. Er wordt gerapporteerd dat zuurstofvacature-gerelateerde defecten in ZnO neutrale zuurstofvacature (V_O), enkel geïoniseerde zuurstofvacature (V_O⁺), en dubbel geïoniseerde zuurstofvacature (V_O²⁺) omvatten, wier energieniveaus respectievelijk op 0,02-0,04, 0,3-0,45, en 0,61 eV liggen onder het geleidingsbandminimum van ZnO. Aangezien de as-deposited ZnO-film in ons geval een hoge elektronenconcentratie vertoont, zou de concentratie van neutrale zuurstofvacatures die dienen als ondiepe donoren veel hoger moeten zijn dan die van geïoniseerde zuurstofvacatures (V_O⁺ en V_O²⁺). Wat betreft programmeren met een positieve gate-bias, worden elektronen in de accumulatielaag van het a-IGZO kanaal geïnjecteerd in de ZnO-laag via het Fowler-Nordheim (F-N) tunnelmechanisme, wat gedemonstreerd wordt door een incrementele ΔV_th met toenemende programmeerspanning in Fig. 2a. Tegelijkertijd wordt verwacht dat deze elektrenen preferentieel vastgevangen worden in diepe niveaus van V_O⁺ en V_O²⁺, zoals afgebeeld in Fig. 8a. Dit veroorzaakt een verschuiving van V_th in de richting van een positieve bias. Natuurlijk kunnen naast zuurstofvacatures die elektronen vangen, ook andere defecten elektronen vangen. Onze experimentele gegevens wijzen erop dat zuurstofvacatures een cruciale rol spelen bij elektronenvangst alsook positieve lading vangst, zoals onthuld in Fig. 5. Bij negatieve programmeerspanning doneren de neutrale zuurstofvacatures in de onbehandelde ZnO CTL dominant elektronen vanwege het ondiepste energieniveau, en de vrijgekomen elektronen tunnelen van de ZnO CTL in het kanaal, wat leidt tot de vorming van positief geladen zuurstofvacatures (bijv. V_O⁺), zoals getoond in Fig. 8b. Dit veroorzaakt een verschuiving van V_th in de richting van negatieve bias, zoals aangegeven in Fig. 2b. Verder, vanwege een hogere concentratie van neutrale zuurstofvacatures (V_O) in de as-deposited CTL van ZnO, vertoont het onbehandelde geheugenapparaat een veel hogere programmeerefficiëntie onder de negatieve gate-bias dan onder de positieve gate-bias. Bijvoorbeeld, de absolute waarde van ΔV_th is zo groot als 6,5 V na programmeren bij -13 V gedurende 1 μs (zie Fig. 2d); echter, de ΔV_th is gelijk aan 2 V na programmeren bij 13 V gedurende 1 μs (Fig. 2c). Dit is omdat de eerste voornamelijk bepaald wordt door de concentratie van V_O, en de laatste gedomineerd wordt door de concentraties van V_O⁺ en V_O²⁺.

Conclusies

Samengevat, we hebben een bipolaire programmeerbaar a-IGZO TFT-geheugen gefabriceerd met een atoomlaagafgeschieden ZnO CTL. Vergeleken met programmeren onder een positieve gate-bias, kan programmeren onder een negatieve gate-bias een veel hogere efficiëntie genereren. Dit is omdat verschillende zuurstofvacature-defecten effectief zijn tijdens spanningspolariteitsafhankelijke programmering. Dat wil zeggen, diepe defecten van V_O⁺ en V_O²⁺ spelen een sleutelrol voor elektronenvangst tijdens positieve bias programmering, en ondiepe defecten van V_O doneren voornamelijk elektronen tijdens negatieve bias programmering, wat resulteert in de generatie van positief geladen zuurstofvacatures.