Programação Dependente da Polaridade da Tensão em Memórias TFT de a-IGZO com Camada de Armadilha de Carga ZnO Depositada por ALD

Resumo

Memórias de transistor de filme fino (TFT) baseadas em óxido de índio-gálio-zinco amorfo (a-IGZO) vêm atraindo grande interesse para futuras aplicações de sistema no painel; no entanto, geralmente apresentam baixa eficiência de apagamento. Neste artigo, investigamos comportamentos de programação dependentes da polaridade da tensão em uma memória TFT a-IGZO com uma camada de armadilha de carga (CTL) de ZnO depositada por deposição atômica (ALD). Os dispositivos puros demonstram características programáveis eletricamente não apenas sob polarizações positivas de porta, mas também sob polarizações negativas. Em particular, esta última pode gerar uma eficiência de programação muito maior que a primeira. Ao aplicar um pulso de polarização de porta de +13 V/1 µs, o dispositivo apresenta um deslocamento de tensão de limiar (ΔV_th) de 2 V; e o ΔV_th chega a −6,5 V para um pulso de polarização de porta de −13 V/1 µs. No caso de programação de 12 V/1 ms e apagamento de −12 V/10 µs, uma janela de memória de até 7,2 V pode ser alcançada em 10³ ciclos P/E. Ao comparar CTLs de ZnO recozidos em O₂ ou N₂ com o depositado in situ, conclui-se que defeitos relacionados a vacâncias de oxigênio (V_O) dominam as características de programação bipolar dos dispositivos de memória TFT. Para programação em tensão de porta positiva, elétrons são injetados do canal IGZO na camada de ZnO e aprisionados preferencialmente em níveis profundos de vacância de oxigênio simplesmente ionizada (V_O⁺) e duplamente ionizada (V_O²⁺). Em relação à programação em tensão de porta negativa, elétrons são facilmente dessorvidos de vacâncias de oxigênio neutras devido a doadores rasos e tunelam de volta para o canal. Isso leva a um apagamento altamente eficiente pela formação de vacâncias de oxigênio ionizadas adicionais com cargas positivas.

Introdução

Transistores de filme fino (TFT) baseados em óxido de índio-gálio-zinco amorfo (a-IGZO) têm sido extensivamente estudados para aplicação em sistemas eletrônicos flexíveis e transparentes. Isso se deve a propriedades específicas dos filmes a-IGZO, como boa uniformidade, baixa temperatura de processamento, transparência à luz visível e alta mobilidade eletrônica. Além disso, memórias não voláteis TFT a-IGZO também foram propostas, expandindo o escopo de utilização desses dispositivos. Como arquitetura típica de memórias não voláteis, memórias TFT a-IGZO com porta flutuante têm sido intensivamente investigadas. Até agora, diversos materiais foram explorados como porta flutuante (meio de armazenamento de carga), como dielétricos, nanocristais metálicos e materiais semicondutores. Como o a-IGZO é um semicondutor naturalmente tipo n, e a inversão de lacunas é dificilmente realizada em um TFT a-IGZO sob polarização negativa de porta, as memórias TFT a-IGZO geralmente têm baixa eficiência de apagamento. Em outras palavras, a maioria não pode ser apagada eletricamente através de injeção de lacunas do canal. No entanto, Zhang et al. fabricaram uma memória TFT usando a-IGZO tanto como camada de armadilha de carga quanto como camada de canal, que exibiu características programáveis e apagáveis eletricamente, além de boa retenção de dados. Yun et al. investigaram características de memórias TFT a-IGZO com diferentes CTLs de IGZO composicional, revelando diminuição da janela de memória com aumento da pressão parcial de O₂ durante deposição do CTL. Bak et al. relataram desempenho de memórias TFT a-IGZO com vários CTLs de ZnO de condutividade variada, inferindo que a natureza eletrônica otimizada da estrutura de banda proibida para o CTL de ZnO poderia ser um dos fatores mais importantes para realizar memórias TFT de óxido altamente funcionais. Embora as memórias TFT a-IGZO baseadas em CTL de semicondutor de óxido exibam velocidades superiores de programação/apagamento elétrico, as características de programação bipolar dos dispositivos mencionados não foram relatadas, e os processos de captura de diferentes cargas no CTL de semicondutor de óxido ainda não estão claros, especialmente para o aprisionamento de cargas positivas.

Neste trabalho, uma memória TFT a-IGZO programável bipolarmente foi fabricada usando um filme de ZnO depositado por ALD como CTL. Ao comparar as características de programação bipolar dos dispositivos de memória TFT com CTLs de ZnO depositado in situ, recozido em O₂ ou N₂, os processos de captura de diferentes cargas na camada de ZnO foram discutidos. Revela-se que defeitos relacionados a vacâncias de oxigênio dominam as características de programação bipolar dos dispositivos de memória TFT a-IGZO.

Métodos

Wafers de Si tipo p (100) com resistividade de 0,001–0,005 Ω·cm foram limpos pelo processo padrão RCA e usados como porta traseira do dispositivo. Em seguida, filmes de 35 nm de Al₂O₃ e 20 nm de ZnO foram depositados sucessivamente por deposição atômica (ALD) a 250 °C e 200 °C, servindo como camada de bloqueio e CTL da memória TFT, respectivamente. Vale mencionar que o filme de ZnO apresenta rugosidade quadrática média (RMS) de 0,553 nm. Subsequentemente, fotolitografia e gravação úmida foram realizadas para definir o CTL de ZnO. Depois, uma camada de tunelamento de 8 nm de Al₂O₃ foi crescida por ALD. Os precursores de dietilzinco (DEZ)/H₂O e TMA/H₂O foram usados para o crescimento dos filmes de ZnO e Al₂O₃, respectivamente. Posteriormente, um filme de 40 nm de a-IGZO foi depositado por sputtering de radiofrequência como camada de canal à temperatura ambiente usando alvo de InGaZnO₄. O canal ativo com largura (W)/comprimento (L) de 100/10 µm foi definido por fotolitografia e gravação com HCl diluído. Contatos de fonte e dreno de Ti/Au (30 nm/70 nm) foram formados por evaporação por feixe de elétrons seguida de processo lift-off. Finalmente, todos os dispositivos fabricados foram recozidos a 250 °C em O₂ por 5 min para melhorar o desempenho. As caracterizações elétricas foram realizadas usando um analisador de parâmetros semicondutores (Agilent B1500A) à temperatura ambiente. A tensão de limiar (V_th) é definida como a tensão de porta na qual a corrente de dreno iguala W/L×10⁻⁹ A. A concentração de portadores dos filmes de ZnO foi extraída de medições de efeito Hall (Ecopia HMS-3000) à temperatura ambiente.

Resultados e Discussão

A Figura 1 mostra diagramas esquemáticos do dispositivo de memória TFT a-IGZO fabricado sob programação de polarização positiva e negativa, respectivamente. Durante a programação elétrica, um pulso elétrico é aplicado na porta traseira, e os eletrodos de fonte e dreno são aterrados. A Figura 2 mostra as características de programação dos dispositivos de memória puros sob diferentes condições. Para o dispositivo de memória puro, exibe razão de corrente on/off (I_on/I_off) de 1,5 × 10⁷, mobilidade de efeito de campo de 7,1 cm² V⁻¹ s⁻¹ e swing subthreshold (SS) de 0,67 V/dec. Em termos de programação de 80 ms em diferentes polarizações positivas, a curva I_d–V_g move-se gradualmente na direção de polarização positiva como função da tensão de programação; por exemplo, o deslocamento V_th resultante relativo ao dispositivo puro (ΔV_th) aumenta de 1,3 para 4,8 V com aumento da tensão de programação de 8 para 13 V, exibindo saturação de programação a 12 V, como mostrado na Fig. 2a. Tal ΔV_th significativo sugere que elétrons consideráveis do canal n-tipo a-IGZO são injetados no CTL de ZnO. Além disso, quando a tensão de programação é fixada em 13 V, o ΔV_th aumenta lentamente de 2 para 3,1 V com prolongamento do tempo de programação de 1 µs a 30 ms, como mostrado na Fig. 2c. Curiosamente, quando o dispositivo de memória puro é programado em polarização negativa de porta, o V_th exibe deslocamento notável na direção de polarização negativa, mostrado na Fig. 2b. Para tempo de programação constante de 80 ms, o ΔV_th aumenta de −5,2 para −7,4 V com aumento da polarização de programação de −8 para −13 V. Mesmo se o dispositivo de memória puro for programado a −13 V por 1 µs, também demonstra um ΔV_th de até −6,5 V, mostrado na Fig. 2d. Isso significa que um número muito grande de elétrons são dessorvidos do CTL, resultando na permanência de muitas cargas positivas.

Para entender o efeito de armadilha de carga da camada de ZnO, TFTs a-IGZO sem CTL de ZnO também foram fabricados como dispositivos de controle para comparação. A Figura 3 mostra as características de transferência dos dispositivos de controle quando programados sob diferentes polarizações positivas e negativas. Verifica-se que o dispositivo não exibe ΔV_th discernível independentemente da polaridade e amplitude da tensão de programação. Isso indica que o ΔV_th distinto para os dispositivos de memória deve ser atribuído ao CTL de ZnO. Por outro lado, observa-se que IGZO é um semicondutor naturalmente tipo n; assim, elétrons no canal IGZO podem ser facilmente injetados no CTL de ZnO sob polarização positiva de porta (ex.: +9 V). No entanto, quando uma polarização de programação negativa é aplicada ao eletrodo de porta do dispositivo, o canal a-IGZO tende a ser depletado, e a condução de lacunas é dificilmente alcançada. Neste caso, o dispositivo não pode ser programado via injeção de lacunas do canal, e a única possibilidade de programação elétrica é realizada por dessorção de elétrons intrínsecos no CTL de ZnO puro. De fato, nossos resultados experimentais indicam que o dispositivo pode ser facilmente programado sob polarizações negativas de porta, veja Fig. 2d. A Figura 4 mostra as características de endurance da memória em função de ciclos de programação/apagamento (P/E). O dispositivo exibe janela de memória de 3,7 V para 10³ ciclos P/E no caso de programação 11 V/1 ms e apagamento −9 V/10 µs. Além disso, uma janela de memória de até 7,2 V pode ser alcançada em 10³ ciclos P/E com programação 12 V/1 ms e apagamento −12 V/10 µs. A Tabela 1 compara as características de programação e apagamento de várias memórias TFT a-IGZO. Comparado a outros dispositivos, o nosso exibe eficiência de apagamento muito maior mesmo sob polarização mais baixa (−12 V) e tempo muito mais curto (10 µs), apesar de não apresentar superioridade notável em eficiência de programação.

Para esclarecer a origem dos elétrons dessorvidos do CTL de ZnO puro, vários CTLs de ZnO processados são comparados nos dispositivos de memória TFT a-IGZO. A Figura 5 mostra a dependência da tensão de programação do △V_th para dispositivos com diferentes CTLs de ZnO. Observa-se que, para os dispositivos de memória com CTLs de ZnO depositado in situ e recozido em N₂, o ΔV_th resultante exibe tendência de aumento semelhante com elevação da tensão de programação independentemente das polaridades. No entanto, para o dispositivo de memória com CTL de ZnO recozido em O₂, o valor absoluto do ΔV_th mostra diminuição significativa sob a mesma condição de programação; por exemplo, o valor absoluto do ΔV_th diminui em 2 e 3 V, respectivamente, no caso de pulsos de programação de 13 V/80 ms e −12 V/1 µs. Além disso, comportamentos de programação saturada são observados para o CTL de ZnO recozido em O₂ no caso de polarizações positivas e negativas de porta. Isso deve ser atribuído a armadilhas limitadas no CTL. Em suma, o recozimento pós-deposição em O₂ a 250 °C reduz o número de centros de armadilha no filme de ZnO, levando a diminuição da capacidade de armadilha de carga.

Para investigar a influência do recozimento pós-deposição nas propriedades do filme de ZnO, os filmes de ZnO depositados in situ e processados são caracterizados por medições de efeito Hall e XPS. Como mostrado na Fig. 6, o filme de ZnO recozido em N₂ a 250 °C mostra concentração de portadores de 4,4×10¹⁹ cm⁻³, muito próxima à (4,5 × 10¹⁹ cm⁻³) do filme de ZnO depositado in situ; no entanto, o filme de ZnO recozido em O₂ a 250 °C exibe diminuição notável na concentração de portadores, igual a 1,8 × 10¹⁸ cm⁻³. Relata-se que os doadores intrínsecos em filmes semicondutores de ZnO tipo n são vacâncias de oxigênio. Kwon et al. também relataram que a razão atômica O/Zn no filme de ZnO ALD diminui gradualmente de 0,90 para 0,78 com aumento da temperatura de deposição de 70 a 130 °C. Isso revela a existência de vacâncias de oxigênio em filmes de ZnO ALD. Portanto, a diminuição da concentração de portadores (elétrons) induzida pelo recozimento em O₂ deve estar relacionada à redução de vacâncias de oxigênio no filme de ZnO. Além disso, espectros XPS de alta resolução O1s do filme de ZnO depositado in situ e dos recozidos em N₂ ou O₂ são analisados, como mostrado na Fig. 7. Os três picos desconvoluídos estão centrados em 530,0, 531,6 e 532,4 eV, correspondentes a íons O²⁻ ligados a Zn²⁺ (O1), vacâncias de oxigênio (O2) e elemento oxigênio quimissorvido (–OH, etc.) (O3), respectivamente. Comparado com o filme de ZnO depositado in situ, o recozimento pós-deposição em O₂ gera diminuição de 2,1% na porcentagem relativa de O2. No entanto, para o filme de ZnO recozido em N₂, a porcentagem relativa de O2 permanece quase inalterada. Esses resultados indicam que o recozimento em O₂ pode passivar vacâncias de oxigênio no filme de ZnO, mas o recozimento em N₂ não o faz. Isso confirma ainda a correlação entre vacâncias de oxigênio e concentração de portadores.

Baseado nos resultados experimentais supracitados, pode-se concluir que as características de programação dos dispositivos de memória puros são dominadas pela concentração de defeitos relacionados a vacâncias de oxigênio no CTL de ZnO. Em outras palavras, vacâncias de oxigênio no filme de ZnO servem principalmente como centros de armadilha para aprisionamento de cargas positivas e negativas. Relata-se que defeitos relacionados a vacâncias de oxigênio em ZnO incluem vacância de oxigênio neutra (V_O), vacância de oxigênio simplesmente ionizada (V_O⁺) e vacância de oxigênio duplamente ionizada (V_O²⁺), cujos níveis de energia estão localizados a 0,02–0,04, 0,3–0,45 e 0,61 eV, respectivamente, abaixo do mínimo da banda de condução do ZnO. Como o filme de ZnO depositado in situ mostra alta concentração de elétrons no nosso caso, a concentração de vacâncias de oxigênio neutras servindo como doadores rasos deve ser muito maior que a de vacâncias ionizadas (V_O⁺ e V_O²⁺). Em termos de programação em polarização positiva de porta, elétrons na camada de acumulação do canal a-IGZO são injetados na camada de ZnO pelo mecanismo de tunelamento Fowler-Nordheim (F-N), demonstrado pelo ΔV_th incremental com aumento da tensão de programação na Fig. 2a. Espera-se que esses elétrons sejam aprisionados preferencialmente em níveis profundos de V_O⁺ e V_O²⁺, como representado na Fig. 8a. Isso causa deslocamento de V_th na direção de polarização positiva. Claro, além de vacâncias de oxigênio que aprisionam elétrons, outros defeitos também poderiam capturar elétrons. No entanto, nossos dados experimentais indicam que vacâncias de oxigênio desempenham papel crucial no aprisionamento de elétrons e captura de cargas positivas, como revelado na Fig. 5. Sob tensão de programação negativa, as vacâncias de oxigênio neutras no CTL de ZnO puro doam elétrons dominantemente devido ao nível de energia mais raso, e os elétrons liberados tunelam do CTL de ZnO para o canal, levando à formação de vacâncias de oxigênio carregadas positivamente (ex.: V_O⁺), como mostrado na Fig. 8b. Isso causa deslocamento de V_th na direção de polarização negativa, como indicado na Fig. 2b. Além disso, devido à maior concentração de vacâncias de oxigênio neutras (V_O) no CTL de ZnO depositado in situ, o dispositivo de memória puro exibe eficiência de programação muito maior sob polarização negativa de porta do que sob polarização positiva. Por exemplo, o valor absoluto do ΔV_th chega a 6,5 V após programação a −13 V por 1 µs (veja Fig. 2d); no entanto, o ΔV_th é igual a 2 V após programação a 13 V por 1 µs (Fig. 2c). Isso ocorre porque o primeiro é determinado principalmente pela concentração de V_O, e o segundo é dominado pelas concentrações de V_O⁺ e V_O²⁺.

Conclusões

Em resumo, fabricamos uma memória TFT a-IGZO programável bipolarmente com CTL de ZnO depositado por ALD. Comparado com a programação sob polarização positiva de porta, a programação sob polarização negativa pode gerar eficiência muito maior. Isso ocorre porque diferentes defeitos de vacância de oxigênio entram em ação durante a programação dependente da polaridade da tensão. Ou seja, defeitos profundos de V_O⁺ e V_O²⁺ desempenham papel chave no aprisionamento de elétrons durante programação com polarização positiva, e defeitos rasos de V_O doam elétrons principalmente durante programação com polarização negativa, resultando na geração de vacâncias de oxigênio carregadas positivamente.