Программирование памяти на ТТП a-IGZO с алд-слоем ZnO для заряда: зависимость от полярности напряжения

Аннотация

Память на тонкопленочных транзисторах (ТТП) на основе аморфного оксида индия-галлия-цинка (a-IGZO) привлекает большой интерес для будущих приложений system-on-panel; однако такие устройства обычно демонстрирую низкую эффективность стирания. В данной работе исследуются зависимости программирования от полярности напряжения для ТТП a-IGZO со слоем заряда (CTL), осажденным методом атомно-слойного осаждения (АСО) из оксида цинка (ZnO). Необработанные устройства показывают электрически программируемые характеристики не только при положительном смещении на затворе, но и при отрицательном. Причем программирование отрицательным смещением обеспечивает значительно более высокую эффективность. При импульсе +13 В/1 мкс смещение порогового напряжения (ΔV_th) составляет 2 В, а для импульса -13 В/1 мкс ΔV_th достигает -6,5 В. В режиме программирования 12 В/1 мс и стирания -12 В/10 мкс достигается окно памяти 7,2 В после 10³ циклов. Сравнение ZnO CTL, отожженных в O₂ или N₂, с неотожженным слоем показывает, что дефекты, связанные с вакансиями кислорода (V_O), доминируют в биполярных характеристиках программирования. При положительном смещении электроны из канала IGZO внедряются в слой ZnO и захватываются глубокими уровнями одноионных (V_O⁺) и двухионных (V_O²⁺) вакансий кислорода. При отрицательном смещении электроны легко детраппируются из нейтральных вакансий кислорода (мелкие доноры) и туннельно возвращаются в канал, что приводит к эффективному стиранию за счет формирования дополнительных заряженных положительно ионизированных вакансий.

Введение

Тонкопленочные транзисторы (ТТП) на основе аморфного оксида индия-галлия-цинка (a-IGZO) широко изучаются для гибких и прозрачных электронных систем [1–12] благодаря хорошей однородности, низкой температуре обработки, прозрачности во видимом диапазоне и высокой подвижности электронов [13]. Кроме того, предложены энергонезависимые памяти на ТТП a-IGZO, расширяющие сферу применения таких устройств. Типичной архитектурой является ТТП с плавающим затвором. В качестве плавающего затвора (среды хранения заряда) исследовались различные материалы: диэлектрики [14, 15], металлические нанокристаллы [16, 17] и полупроводниковые материалы [18–21]. Поскольку a-IGZO — естественный n-тип полупроводник, инверсия дыр под отрицательным смещением затвора практически не реализуется, поэтому такие памяти обычно имеют низкую эффективность стирания [14–16]. Тем не менее, Zhang et al. [21] создали память с a-IGZO как слоем заряда и каналом, проявившую электрическое программирование/стирание и хорошее удержание данных. Yun et al. [18] изучали a-IGZO CTL с разным составом, показывая уменьшение окна памяти с ростом парциального давления O₂ при спуттеринге. Bak et al. [20] сообщали о производительности с ZnO CTL разной проводимости, подчеркивая важность оптимизированной зонной структуры. Хотя упомянутые памяти на основе оксидных полупроводников CTL демонстрируют высокие скорости программирования/стирания, их биполярные характеристики и процессы захвата зарядов, особенно положительных, оставались неясными.

В этой работе изготовлена биполярно программируемая память a-IGZO ТТП со слоем ZnO, осажденным методом АСО. Сравнение характеристик устройств с неотожженным, отожженным в O₂ и N₂ ZnO CTL позволило обсудить процессы захвата зарядов. Установлено, что дефекты, связанные с вакансиями кислорода, доминируют в биполярном программировании.

Методы

Использовались p-Si (100) подложки с удельным сопротивлением 0,001–0,005 Ом·см, очищенные стандартным RCA-процессом, в качестве заднего затвора. Последовательно осаждали 35 нм Al₂O₃ и 20 нм ZnO методом АСО при 250 °C и 200 °C соответственно (блокирующий слой и CTL). Шероховатость ZnO (RMS) составляла 0,553 нм. Фотолитографией и мокрым травлением формировали CTL. Затем осаждали 8 нм Al₂O₃ туннельный слой методом АСО. Предкурсоры: диэтилцинк (DEZ)/H₂O для ZnO и TMA/H₂O для Al₂O₃. 40-нм канал a-IGZO осаждали РЧ-магнетронным спуттерингом при комнатной температуре с мишенью InGaZnO₄. Активный канал (W/L = 100/10 мкм) формировали фотолитографией и травлением разбавленным HCl. Контакты истока/стоки Ti/Au (30/70 нм) — электронно-лучевым испарением с lift-off. Все устройства отжигали при 250 °C в O₂ 5 мин. Электрические измерения — на Agilent B1500A при комнатной температуре. Пороговое напряжение V_th определено как напряжение затвора при токе стока W/L×10⁻⁹ А. Концентрация носителей в ZnO измерялась Холлом (Ecopia HMS-3000).

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает схемы устройства при программировании положительным и отрицательным смещением. Импульс подается на задний затвор, исток и сток заземлены. Рис. 2 демонстрирует характеристики программирования. Необработанное устройство имеет отношение I_on/I_off = 1,5×10⁷, подвижность 7,1 см²/В·с, субпороговый наклон 0,67 В/dec. При программировании 80 мс разными положительными смещениями кривая I_d–V_g сдвигается в сторону положительных смещений: ΔV_th растет от 1,3 до 4,8 В при увеличении напряжения с 8 до 13 В, насыщаясь при 12 В (рис. 2a). Это указывает на значительное внедрение электронов из n-канала в ZnO CTL. При фиксированных 13 В ΔV_th медленно растет от 2 до 3,1 В при увеличении времени с 1 мкс до 30 мс (рис. 2c). Интересно, что при отрицательном смещении V_th сдвигается в отрицательную сторону (рис. 2b). Для 80 мс ΔV_th увеличивается по модулю от -5,2 до -7,4 В при смещении от -8 до -13 В. Даже при -13 В/1 мкс ΔV_th = -6,5 В (рис. 2d), что означает массовое детраппирование электронов и накопление положительных зарядов.

Для понимания роли ZnO изготовили контрольные ТТП без ZnO CTL. Рис. 3 показывает их передаточные характеристики: заметного ΔV_th нет при любой полярности и амплитуде, подтверждая, что эффект обусловлен ZnO CTL. При положительном смещении электроны легко внедряются из n-IGZO в ZnO. При отрицательном смещении канал обедняется, инъекция дыр невозможна [15], поэтому программирование возможно только за счет детраппирования собственных электронов из pristine ZnO. Экспериментально подтверждается легкое программирование отрицательным смещением (рис. 2d).

Рис. 4 показывает выносливость (циклы P/E). При 11 В/1 мс (P) и -9 В/10 мкс (E) окно памяти 3,7 В после 10³ циклов. При 12 В/1 мс (P) и -12 В/10 мкс (E) окно достигает 7,2 В. Таблица 1 сравнивает с другими a-IGZO ТТП памятью [14, 22, 23]: наше устройство показывает гораздо более высокую эффективность стирания при более низком смещении (-12 В) и более коротком времени (10 мкс), не уступая в эффективности программирования.

Для выяснения происхождения детраппируемых электронов сравнили различные обработки ZnO CTL. Рис. 5 показывает зависимость ΔV_th от напряжения программирования для устройств с as-deposited, N₂- и O₂-отожженным ZnO. Для as-deposited и N₂-отожженного ΔV_th показывает похожее возрастание с ростом напряжения обеих полярностей. Для O₂-отожженного модуль ΔV_th значительно уменьшается: на 2 и 3 В соответственно для 13 В/80 мс и -12 В/1 мкс. Наблюдается насыщение программирования при обеих полярностях, что указывает на ограниченное число ловушек. Отжиг в O₂ при 250 °C уменьшает число ловушечных центров в ZnO, снижая способность к захвату заряда.

Для изучения влияния отжига на свойства ZnO провели Холловские замеры и XPS. Рис. 6: ZnO, отожженный в N₂ при 250 °C, имеет концентрацию носителей 4,4×10¹⁹ см^-3, близкую к as-deposited (4,5×10¹⁹ см^-3). Отжиг в O₂ при 250 °C резко снижает концентрацию до 1,8×10¹⁸ см^-3. Известно, что собственные доноры в n-ZnO — вакансии кислорода [24]. Kwon et al. [25] показывали снижение отношения O/Zn в ALD ZnO с 0,90 до 0,78 при повышении температуры осаждения 70–130 °C, подтверждая наличие вакансий. Следовательно, снижение концентрации электронов при O₂-отжиге связано с восстановлением вакансий кислорода.

Рис. 7: высокоразрешающие O1s XPS спектры as-deposited ZnO и отожженных в N₂ или O₂. Три пика: 530,0 эВ (O^2-, связанные с Zn²⁺ — O1), 531,6 эВ (вакансии кислорода — O2), 532,4 эВ (хемисорбированный кислород/–OH — O3) [26]. Относительная доля O2 уменьшается на 2,1% после O₂-отжига по сравнению с as-deposited, а при N₂-отжиге остается почти неизменной. Это подтверждает, что O₂ отжиг пассивирует вакансии кислорода, а N₂ — нет, что коррелирует с концентрацией носителей.

На основе результатов: программирование pristine устройств доминируется концентрацией дефектов, связанных с вакансиями кислорода в ZnO CTL. Вакансии служат ловушками для зарядов обоих знаков. В ZnO выделяют нейтральную (V_O), одноионную (V_O⁺) и двухионную (V_O²⁺) вакансии с уровнями 0,02–0,04, 0,3–0,45 и 0,61 эВ ниже дна зоны проводимости [27, 28]. Поскольку as-deposited ZnO имеет высокую электронную концентрацию, концентрация V_O (мелкие доноры) гораздо выше, чем V_O⁺ и V_O²⁺.

Программирование положительным смещением: электроны из накопленного слоя a-IGZO внедряются в ZnO механизмом Флаулера-Нордгейма (подтверждается ростом ΔV_th с напряжением на рис. 2a). Предположительно, они предпочтительно захватываются глубокими уровнями V_O⁺ и V_O²⁺ (рис. 8a), вызывая сдвиг V_th в положительную сторону. Другие дефекты также могут захватывать электроны, но данные рис. 5 показывают решающую роль вакансий кислорода.

Программирование отрицательным смещением: нейтральные вакансии V_O в pristine ZnO CTL доминируют как доноры электронов из-за наимелчайшего уровня [27, 28]. Выпущенные электроны туннельно возвращаются в канал, образуя заряженные положительно вакансии (например, V_O⁺) (рис. 8b). Это сдвигает V_th в отрицательную сторону (рис. 2b). Благодаря более высокой концентрации V_O в as-deposited CTL, эффективность программирования при отрицательном смещении значительно выше: |ΔV_th| = 6,5 В при -13 В/1 мкс (рис. 2d) против 2 В при +13 В/1 мкс (рис. 2c). Первое определяется концентрацией V_O, второе — V_O⁺ и V_O²⁺.

Заключение

Изготовлена биполярно программируемая память a-IGZO ТТП со слоем ZnO CTL, осажденным методом АСО. Программирование отрицательным смещением дает гораздо более высокую эффективность, чем положительным. Это обусловлено действием разных дефектов вакансий кислорода: глубокие V_O⁺ и V_O²⁺ ключевы для захвата электронов при положительном смещении, а мелкие V_O — главные доноры электронов при отрицательном, образуя заряженные положительно вакансии.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы, включены в рукопись.

Аббревиатуры

a-IGZO:

Аморфный оксид индия-галлия-цинка

ALD:

Атомно-слойное осаждение

CTL:

Слой заряда

TFT:

Тонкопленочный транзистор

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия