Spannungspolaritätsabhängige Programmierung von a-IGZO TFT-Speichern mit ALD ZnO-Ladungsfangschicht

Zusammenfassung

Amorphe In–Ga–Zn-O (a-IGZO) Dünnschichttransistor (TFT)-Speicher ziehen für zukünftige System-on-Panel-Anwendungen großes Interesse auf sich; sie weisen jedoch meist eine schlechte Löscheffizienz auf. In dieser Arbeit untersuchen wir das spannungspolaritätsabhängige Programmierverhalten eines a-IGZO TFT-Speichers mit einer per atomarer Lagendeposition (ALD) hergestellten ZnO-Ladungsfangschicht (CTL). Die unbearbeiteten Geräte zeigen elektrisch programmierbare Eigenschaften nicht nur unter positiven Gate-Spannungen, sondern auch unter negativen Gate-Spannungen. Insbesondere letztere erzeugen eine deutlich höhere Programmiereffizienz. Bei einem Gate-Spannungspuls von +13 V/1 μs zeigt das Gerät eine Schwellenspannungsverschiebung (ΔV_th) von 2 V; bei einem Puls von −13 V/1 μs beträgt ΔV_th sogar −6,5 V. Im Fall von 12 V/1 ms Programmieren (P) und −12 V/10 μs Löschen (E) lässt sich ein Speicherfenster von 7,2 V nach 10³ P/E-Zyklen erreichen. Durch Vergleich von ZnO CTLs, die in O₂ oder N₂ geglüht wurden, mit der als-deponierten Schicht wird geschlossen, dass sauerstoffvacanzbedingte Defekte (V_O) die bipolaren Programmierungseigenschaften dominieren. Bei positiver Gate-Spannung werden Elektronen aus dem IGZO-Kanal in die ZnO-Schicht injiziert und bevorzugt an tiefen Niveaus einfach (V_O⁺) und doppelt ionisierter Sauerstoffvacanzen (V_O²⁺) gefangen. Bei negativer Gate-Spannung werden Elektronen leicht aus neutralen Sauerstoffvacanzen (V_O) entfangen, da diese flache Donatoren darstellen, und tunneln zurück in den Kanal. Dies führt durch die Bildung zusätzlicher ionisierter Sauerstoffvacanzen mit positiven Ladungen zu hocheffizientem Löschen.

Hintergrund

Dünnschichttransistoren (TFT) auf Basis von amorphem Indium-Gallium-Zink-Oxid (a-IGZO) wurden intensiv für flexible und transparente elektronische Systeme erforscht. Dies liegt an spezifischen Eigenschaften von a-IGZO-Schichten wie guter Gleichmäßigkeit, niedriger Prozesstemperatur, Transparenz im sichtbaren Licht und hoher Elektronenbeweglichkeit. Daneben wurden auch a-IGZO TFT-Feichspeicher vorgeschlagen, deren nichtflüchtige Datenspeicherfähigkeit den Anwendungsbereich erweitert. Als typische Architektur nichtflüchtiger Speicher wurde der Floating-Gate a-IGZO TFT-Speicher in den letzten Jahren intensiv untersucht. Bisher wurden verschiedene Materialien als Floating Gate (Ladungsspeichermedium) erforscht, darunter Dielektrika, Metall-Nanokristalle und Halbleitermaterialien. Da a-IGZO ein natürlicher n-Typ-Halbleiter ist und Lochinversion unter negativer Gate-Spannung kaum realisierbar ist, weisen a-IGZO TFT-Speicher meist eine schlechte Löscheffizienz auf. Die meisten können nicht elektrisch durch Lochinjektion aus dem Kanal gelöscht werden. Dennoch zeigten Zhang et al. einen TFT-Speicher, der a-IGZO sowohl als CTL als auch als Kanalschicht nutzte und elektrisch programmier- und löschbare Eigenschaften sowie gute Datenerhaltung aufwies. Yun et al. untersuchten a-IGZO TFT-Speicher mit unterschiedlichen IGZO-CTL-Zusammensetzungen und stellten ein abnehmendes Speicherfenster mit steigendem O₂-Partialdruck während der Sputterdeposition der CTL fest. Bak et al. berichteten über die Leistung von a-IGZO TFT-Speichern mit verschieden leitfähigen ZnO CTLs und folgerten, dass die optimierte elektronische Natur der Bandlückenstruktur der ZnO CTL einer der wichtigsten Faktoren für hochfunktionale Oxid-TFT-Speicher sein könnte. Obwohl die genannten oxidischen Halbleiter-CTL-basierten a-IGZO TFT-Speicher überlegene elektrische Programmier-/Löschgeschwindigkeiten aufweisen, wurden die bipolaren Programmierungseigenschaften dieser Geräte bisher nicht berichtet, und die entsprechenden Fangprozesse verschiedener Ladungen in der CTL von Oxidhalbleitern sind noch unklar, insbesondere das Fangen positiver Ladungen.

In dieser Arbeit wurde ein bipolar programmierbarer a-IGZO TFT-Speicher unter Verwendung eines per ALD hergestellten ZnO-Films als CTL gefertigt. Durch Vergleich der bipolaren Programmierungseigenschaften der TFT-Speichergeräte mit als-deponierten, in O₂- oder N₂-geglühten ZnO CTLs wurden die Fangprozesse verschiedener Ladungen in der ZnO-Schicht diskutiert. Es zeigt sich, dass sauerstoffvacanzbedingte Defekte die bipolaren Programmierungseigenschaften der a-IGZO TFT-Speichergeräte dominieren.

Methoden

P-typische Si (100) Wafer mit einem Widerstand von 0,001–0,005 Ω·cm wurden im standardmäßigen RCA-Reinigungsprozess gereinigt und als Back-Gate des Geräts verwendet. Anschließend wurden 35 nm Al₂O₃ und 20 nm ZnO-Schichten nacheinander per atomarer Lagendeposition (ALD) bei 250 °C bzw. 200 °C abgeschieden, die als Blockierschicht und CTL des TFT-Speichers dienten. Der ZnO-Film weist eine RMS-Rauheit von 0,553 nm auf. Danach wurden Photolithografie und Nassätzen durchgeführt, um die ZnO-CTL zu strukturieren. Daraufhin wurde eine 8 nm dicke Al₂O₃-Tunnelschicht per ALD aufgewachsen. Als Vorläufer dienten Diethylzink (DEZ)/H₂O für ZnO und TMA/H₂O für Al₂O₃. Anschließend wurde ein 40 nm dicker a-IGZO-Film per Hochfrequenz-Magnetronsputtern als Kanalschicht bei Raumtemperatur unter Verwendung eines InGaZnO₄-Targets abgeschieden. Der aktive Kanal mit einer Breite (W)/Länge (L) von 100/10 μm wurde durch Photolithografie und verdünnte HCl-Ätzung definiert. Source- und Drain-Kontakte aus Ti/Au (30 nm/70 nm) wurden durch Elektronenstrahlverdampfung und anschließendes Lift-off-Verfahren hergestellt. Schließlich wurden alle gefertigten Geräte bei 250 °C in O₂ für 5 min geglüht, um ihre Leistung zu verbessern. Die elektrischen Charakterisierungen erfolgten mit einem Halbleiter-Parameteranalysator (Agilent B1500A) bei Raumtemperatur. Die Schwellenspannung (V_th) ist definiert als die Gate-Spannung, bei der der Drainstrom gleich W/L×10⁻⁹ A ist. Die Trägerkonzentration der ZnO-Filme wurde aus Hall-Effekt-Messungen (Ecopia HMS-3000) bei Raumtemperatur extrahiert.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die schematischen Diagramme des gefertigten a-IGZO TFT-Speichergeräts unter positiver und negativer Bias-Programmierung. Während der elektrischen Programmierung wird ein elektrischer Puls an das Back-Gate angelegt, während Source- und Drain-Elektroden geerdet sind. Abbildung 2 zeigt die Programmierungseigenschaften der unbearbeiteten Speichergeräte unter verschiedenen Bedingungen. Das unbearbeitete Speichergerät weist ein Ein/Aus-Stromverhältnis (I_on/I_off) von 1,5 × 10⁷, eine Feldeffektbeweglichkeit von 7,1 cm² V⁻¹ s⁻¹ und einen Subthreshold-Swing (SS) von 0,67 V/dec auf. Bei 80 ms Programmierung mit verschiedenen positiven Spannungen verschiebt sich die I_d–V_g-Kurve allmählich in Richtung positiver Bias als Funktion der Programmierspannung; die resultierende V_th-Verschiebung relativ zum unbearbeiteten Gerät (ΔV_th) nimmt von 1,3 auf 4,8 V zu, wenn die Programmierspannung von 8 auf 13 V steigt, wobei bei 12 V Programmiersättigung eintritt (Abb. 2a). Eine so signifikante ΔV_th deutet darauf hin, dass beträchtliche Elektronen aus dem n-Typ a-IGZO-Kanal in die ZnO-CTL injiziert werden. Bei konstanter Programmierspannung von 13 V steigt ΔV_th langsam von 2 auf 3,1 V, wenn die Programmierzeit von 1 μs auf 30 ms verlängert wird (Abb. 2c). Interessanterweise zeigt das unbearbeitete Speichergerät bei Programmierung mit negativer Gate-Spannung eine bemerkenswerte V_th-Verschiebung in Richtung negativen Bias (Abb. 2b). Bei konstanter Programmierzeit von 80 ms vergrößert sich ΔV_th von −5,2 auf −7,4 V, wenn der Programmierbias von −8 auf −13 V erhöht wird. Selbst bei Programmierung bei −13 V für 1 μs demonstriert das Gerät ein ΔV_th von −6,5 V (Abb. 2d). Dies bedeutet, dass eine sehr große Anzahl von Elektronen aus der CTL entfangen wird, wodurch reichlich positive Ladungen verbleiben.

Um den Ladungsfangeffekt der ZnO-Schicht zu verstehen, wurden a-IGZO TFTs ohne ZnO-CTL als Kontrollgeräte zum Vergleich gefertigt. Abbildung 3 zeigt die Übertragungseigenschaften der Kontrollgeräte bei Programmierung unter verschiedenen positiven und negativen Biases. Das Gerät zeigt unabhängig von Polarität und Amplitude der Programmierspannung keine erkennbare ΔV_th. Dies deutet darauf hin, dass die oben genannten eindeutigen ΔV_th der Speichergeräte auf die ZnO-CTL zurückzuführen sind. Da IGZO ein natürlicher n-Typ-Halbleiter ist, können Elektronen im IGZO-Kanal unter positiver Gate-Spannung (z. B. +9 V) leicht in die ZnO-CTL injiziert werden. Wird jedoch ein negativer Programmierbias an die Gate-Elektrode angelegt, neigt der a-IGZO-Kanal zur Verarmung, und Lochleitung ist kaum erreichbar. In diesem Fall kann das Gerät nicht durch Lochinjektion aus dem Kanal programmiert werden; die einzige Möglichkeit der elektrischen Programmierung ist die Entfangung intrinsischer Elektronen in der unbearbeiteten ZnO-CTL. Tatsächlich zeigen unsere experimentellen Ergebnisse, dass das Gerät leicht unter negativen Gate-Biases programmierbar ist (Abb. 2d). Abbildung 4 zeigt die Ausdauereigenschaften des Speichers als Funktion der Programmier-/Löschzyklen (P/E). Das Gerät weist ein Speicherfenster von 3,7 V für 10³ P/E-Zyklen bei 11 V/1 ms Programmierung und −9 V/10 μs Löschen auf. Ein Speicherfenster von bis zu 7,2 V lässt sich bei 10³ P/E-Zyklen mit 12 V/1 ms Programmierung und −12 V/10 μs Löschen erreichen. Tabelle 1 vergleicht die Programmierungs- und Löscheigenschaften verschiedener a-IGZO TFT-Speicher. Im Vergleich zu anderen Geräten weist unser Gerät eine deutlich höhere Löscheffizienz sogar unter niedrigerer Spannung (−12 V) und viel kürzerer Zeit (10 μs) auf, obwohl die Programmiereffizienz nicht überlegen ist.

Um den Ursprung der aus der unbearbeiteten ZnO-CTL entfangenen Elektronen zu klären, werden verschieden bearbeitete ZnO-CTLs in den a-IGZO TFT-Speichergeräten verglichen. Abbildung 5 zeigt die Abhängigkeit der ΔV_th von der Programmierspannung für Geräte mit unterschiedlichen ZnO-CTLs. Für die Speichergeräte mit als-deponierten und N₂-geglühten ZnO-CTLs zeigt die resultierende ΔV_th einen ähnlichen steigenden Trend mit steigender Programmierspannung, unabhängig von der Spannungspolarität. Für das Speichergerät mit O₂-geglühter ZnO-CTL hingegen verringert sich der Betrag von ΔV_th unter gleichen Programmierbedingungen signifikant, z. B. um 2 V und 3 V bei 13 V/80 ms bzw. −12 V/1 μs Programmierpulsen. Zudem werden gesättigte Programmierverhalten für die O₂-geglühte ZnO-CTL bei positiven und negativen Gate-Biases beobachtet. Dies ist auf begrenzte Fallenzentren in der CTL zurückzuführen. Kurz gesagt reduziert das Nachglühen in O₂ bei 250 °C die Anzahl der Fallenzentren im ZnO-Film, was zu einer Verringerung der Ladungsfangkapazität führt.

Um den Einfluss des Nachglühens auf die Eigenschaften des ZnO-Films zu untersuchen, werden die als-deponierten und bearbeiteten ZnO-Filme durch Hall-Effekt-Messungen und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) charakterisiert. Wie in Abbildung 6 gezeigt, weist der in N₂ bei 250 °C geglühte ZnO-Film eine Trägerkonzentration von 4,4×10¹⁹ cm⁻³ auf, was dem Wert (4,5 × 10¹⁹ cm⁻³) des als-deponierten ZnO-Films sehr nahekommt; der in O₂ bei 250 °C geglühte ZnO-Film zeigt jedoch eine bemerkenswerte Abnahme der Trägerkonzentration auf 1,8 × 10¹⁸ cm⁻³. Es ist bekannt, dass intrinsische Donatoren in n-Typ ZnO-Halbleiterfilmen Sauerstoffvacanzen sind. Kwon et al. berichteten, dass das O/Zn-Atomverhältnis im ALD ZnO-Film mit steigender Depositionstemperatur von 70 auf 130 °C allmählich von 0,90 auf 0,78 abnimmt, was die Existenz von Sauerstoffvacanzen in ALD ZnO-Filmen belegt. Daher sollte die durch O₂-Glühen induzierte Abnahme der Trägerkonzentration (Elektronen) mit der Reduktion von Sauerstoffvacanzen im ZnO-Film zusammenhängen. Weiterhin werden hochauflösende O1s-XPS-Spektren des als-deponierten ZnO-Films und der in N₂ oder O₂ geglühten Filme analysiert (Abb. 7). Die drei dekonvolutierten Peaks liegen bei 530,0, 531,6 und 532,4 eV und entsprechen O²⁻-Ionen, die an Zn²⁺ gebunden sind (O1), Sauerstoffvacanzen (O2) und chemisorbierten Sauerstoffelementen (–OH etc.) (O3). Im Vergleich zum als-deponierten ZnO-Film bewirkt das Nachglühen in O₂ eine Abnahme von 2,1 % im relativen Anteil von O2. Für den in N₂ geglühten ZnO-Film bleibt der relative Anteil von O2 nahezu unverändert. Diese Ergebnisse zeigen, dass O₂-Glühen Sauerstoffvacanzen im ZnO-Film passivieren kann, N₂-Glühen jedoch nicht. Dies bestätigt weiter die Korrelation zwischen Sauerstoffvacanzen und Trägerkonzentration.

Basierend auf den vorgenannten experimentellen Ergebnissen lässt sich schließen, dass die Programmierungseigenschaften der unbearbeiteten Speichergeräte von der Konzentration sauerstoffvacanzbedingter Defekte in der ZnO-CTL dominiert werden. Mit anderen Worten: Sauerstoffvacanzen im ZnO-Film dienen primär als Fallenzentren für das Fangen positiver und negativer Ladungen. In der Literatur werden sauerstoffvacanzbedingte Defekte in ZnO in neutrale Sauerstoffvacanz (V_O), einfach ionisierte Sauerstoffvacanz (V_O⁺) und doppelt ionisierte Sauerstoffvacanz (V_O²⁺) unterteilt, deren Energieniveaus 0,02–0,04, 0,3–0,45 und 0,61 eV unterhalb des Leitungsbandminimums von ZnO liegen. Da der als-deponierte ZnO-Film in unserem Fall eine hohe Elektronenkonzentration aufweist, sollte die Konzentration neutraler Sauerstoffvacanzen als flache Donatoren weit höher sein als die von ionisierten Sauerstoffvacanzen (V_O⁺ und V_O²⁺). Bei Programmierung mit positiver Gate-Spannung werden Elektronen in der Akkumulationsschicht des a-IGZO-Kanals über den Fowler-Nordheim-Tunnelmechanismus (F-N) in die ZnO-Schicht injiziert, was durch die inkrementelle ΔV_th mit steigender Programmierspannung in Abb. 2a demonstriert wird. Erwartungsgemäß werden diese Elektronen bevorzugt an tiefen Niveaus von V_O⁺ und V_O²⁺ gefangen (Abb. 8a). Dies verursacht eine Verschiebung von V_th in Richtung positiven Bias. Natürlich könnten neben Sauerstoffvacanzen, die Elektronen fangen, auch andere Defekte Elektronen einfangen. Unsere experimentellen Daten zeigen jedoch, dass Sauerstoffvacanzen eine entscheidende Rolle sowohl beim Elektronenfang als auch bei der Erfassung positiver Ladungen spielen (Abb. 5). Unter negativer Programmierspannung spenden die neutralen Sauerstoffvacanzen in der unbearbeiteten ZnO-CTL dominierend Elektronen aufgrund des flachsten Energieniveaus, und die freigesetzten Elektronen tunneln von der ZnO-CTL in den Kanal, was zur Bildung positiv geladener Sauerstoffvacanzen (z. B. V_O⁺) führt (Abb. 8b). Dies verursacht eine Verschiebung von V_th in Richtung negativen Bias (Abb. 2b). Aufgrund der höheren Konzentration neutraler Sauerstoffvacanzen (V_O) in der als-deponierten ZnO-CTL weist das unbearbeitete Speichergerät eine viel höhere Programmiereffizienz unter negativem Gate-Bias als unter positivem Gate-Bias auf. Beispielsweise beträgt der Betrag von ΔV_th nach Programmierung bei −13 V für 1 μs bis zu 6,5 V (Abb. 2d); nach Programmierung bei +13 V für 1 μs beträgt ΔV_th jedoch nur 2 V (Abb. 2c). Dies liegt daran, dass der erste Fall hauptsächlich durch die Konzentration von V_O bestimmt wird, der zweite durch die Konzentrationen von V_O⁺ und V_O²⁺ dominiert wird.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir einen bipolar programmierbaren a-IGZO TFT-Speicher mit einer per ALD hergestellten ZnO-CTL gefertigt. Im Vergleich zur Programmierung unter positiver Gate-Spannung erzeugt die Programmierung unter negativer Gate-Spannung eine viel höhere Effizienz. Dies liegt daran, dass während der spannungspolaritätsabhängigen Programmierung unterschiedliche Sauerstoffvacanzdefekte wirksam werden. Tiefe Defekte von V_O⁺ und V_O²⁺ spielen eine Schlüsselrolle beim Elektronenfang während der positiven Bias-Programmierung, während flache Defekte von V_O während der negativen Bias-Programmierung hauptsächlich Elektronen spenden, was zur Erzeugung positiv geladener Sauerstoffvacanzen führt.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Manuskripts stützen, sind im Manuskript enthalten.

Abkürzungen

a-IGZO:

Amorphes Indium-Gallium-Zink-Oxid

ALD:

Atomare Lagendeposition

CTL:

Ladungsfangschicht

TFT:

Dünnschichttransistor

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie