Pemrograman Bergantung pada Polarisasi Tegangan pada Memori TFT a-IGZO dengan Lapisan Penangkap Muatan ZnO ALD
Abstrak
Memori transistor tipis (TFT) a-IGZO (In-Ga-Zn-O amorf) menarik perhatian besar untuk aplikasi sistem-on-panel di masa depan; namun, biasanya menunjukkan efesi penghapusan yang buruk. Dalam artikel ini, kami mengkaji perilaku pemrograman bergantung pada polarisasi tegangan pada memori TFT a-IGZO dengan lapisan penangkap muatan (CTL) ZnO yang ditingkatkan dengan pelapisan lapisan atom (ALD). Perangkat asli menunjukkan karakteristik yang dapat diprogram secara listrik tidak hanya di bawah bias gate positif, tetapi juga di bawah bias gate negatif. Khususnya, bias negatif dapat menghasilkan efesi pemrograman yang jauh lebih tinggi dibandingkan bias positif. Dengan penerapan pulsa bias gate +13 V/1 μs, perangkat menunjukkan geseran tegangan ambang (ΔVth) sebesar 2 V; sedangkan ΔVth mencapai −6,5 V untuk pulsa bias gate −13 V/1 μs. Dalam kasus pemrograman (P) 12 V/1 ms dan penghapusan (E) −12 V/10 μs, jendela memori sebesar 7,2 V dapat dicapai pada 10³ siklus P/E. Dengan membandingkan CTL ZnO yang dianil dalam O₂ atau N₂ dengan yang asli (as-deposited), disimpulkan bahwa defek terkait rongga oksigen (V_O) mendominasi karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat memori TFT. Untuk pemrograman pada tegangan gate positif, elektron disuntik dari saluran IGZO ke dalam lapisan ZnO dan terutama tertangkap pada level dalam rongga oksigen terionisasi satu kali (V_O⁺) dan rongga oksigen terionisasi dua kali (V_O²⁺). Untuk pemrograman pada tegangan gate negatif, elektron mudah dilepaskan dari rongga oksigen netral karena donator dangkal dan menyalir kembali ke saluran. Hal ini menghasilkan penghapusan yang sangat efesi melalui pembentukan rongga oksigen terionisasi tambahan dengan muatan positif.
Latar Belakang
Transistor tipis (TFT) berdasarkan oksida indium-galim-sink amorf (a-IGZO) telah banyak dipelajari untuk aplikasi sistem elektronik fleksibel dan transparan [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. Hal ini dikaitkan dengan beberapa properti spesifik film a-IGZO seperti keseragaman yang baik, suhu pemrosesan rendah, transparansi cahaya visible, dan mobilitas elektron tinggi [13]. Selain itu, memori nonvolatil TFT a-IGZO juga telah diusulkan, dan kemampuan penyimpanan data nonvolatilnya memperluas cakupan penggunaan perangkat TFT a-IGZO. Sebagai arsitektur tipikal perangkat memori nonvolatil, memori TFT a-IGZO dengan gate terapung telah diteliti secara intensif dalam beberapa tahun terakhir. Hingga saat ini, berbagai bahan telah dieksplorasi sebagai gate terapung (yaitu, medium penyimpanan muatan), seperti dielektrik [14, 15], kristal nano logam [16, 17], dan bahan semiconductor [18,19,20,21]. Karena a-IGZO adalah semiconductor tipe-n alami, dan inversi lubang jarang terwujud dalam TFT a-IGZO di bawah bias gate negatif, maka memori TFT a-IGZO biasanya memiliki efesi penghapusan yang buruk. Dengan kata lain, sebagian besar memori TFT a-IGZO tidak dapat dihapus secara listrik melalui suntikan lubang dari saluran [14,15,16]. Namun, Zhang et al. [21] membuat memori TFT menggunakan a-IGZO sebagai lapisan penangkap muatan (CTL) dan lapisan saluran, yang menunjukkan karakteristik yang dapat diprogram dan dihapus secara listrik, serta retensi data yang baik. Sementara itu, Yun et al. juga menyelidiki karakteristik memori TFT a-IGZO dengan komposisi IGZO CTL yang berbeda, mengungkapkan penurunan jendela memori dengan peningkatan tekanan parsial O₂ (P_O2) selama pengendapan solut CTL [18]. Selain itu, Bak et al. melaporkan kinerja memori TFT a-IGZO dengan berbagai CTL ZnO konduktivitas dan menyimpulkan bahwa sifat elektronik optimal dari struktur jarak band untuk CTL ZnO dapat menjadi salah satu faktor terpenting untuk mewujudkan memori TFT oksida yang berfungsi tinggi [20]. Meskipun memori TFT a-IGZO berbasis CTL semiconductor oksida yang disebutkan di atas menunjukkan kecepatan pemrograman/penghapusan listrik yang unggul, karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat yang disebutkan di atas belum dilaporkan, dan proses tangkapan muatan yang berbeda dalam CTL semiconductor oksida belum jelas, terutama untuk penangkapan muatan positif.
Dalam penelitian ini, memori TFT a-IGZO yang dapat diprogram bipolar dibuat menggunakan film ZnO yang ditingkatkan ALD sebagai CTL. Dengan membandingkan karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat memori TFT dengan CTL ZnO asli, yang dianil O₂, atau yang dianil N₂, proses tangkapan muatan yang berbeda dalam lapisan ZnO dibahas. Terungkap bahwa defek terkait rongga oksigen mendominasi karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat memori TFT a-IGZO.
Metode
Wafer Si tipe-p (100) dengan resistivitas 0,001–0,005 Ω cm dibersihkan menggunakan proses pembersihan RCA standar dan digunakan sebagai gate belakang perangkat. Kemudian, film 35-nm Al₂O₃ dan 20-nm ZnO ditingkatkan berturut-turut oleh pelapisan lapisan atom (ALD) pada suhu 250 °C dan 200 °C, yang masing-masing berfungsi sebagai lapisan pemblokir dan CTL dari memori TFT. Perlu disebutkan bahwa film ZnO memiliki kekasaran root-mean-square (RMS) sebesar 0,553 nm. Selanjutnya, fotolitografi dan etching basah dilakukan untuk menentukan CTL ZnO. Setelah itu, lapisan tunnel 8-nm Al₂O₃ ditumbuhkan oleh ALD. Prakurzor dietilzink (DEZ)/H₂O dan TMA/H₂O digunakan untuk pertumbuhan film ZnO dan Al₂O₃, masing-masing. Kemudian, film 40-nm a-IGZO ditetapkan oleh solutron magnetron radio frekuensi sebagai lapisan saluran pada suhu ruangan menggunakan target InGaZnO₄. Saluran aktif dengan lebar (W)/panjang (L) 100/10 μm kemudian ditentukan oleh fotolitografi dan etching HCl yang dihaluskan. Kontak sumber dan drain Ti/Au (30 nm/70 nm) dibentuk oleh evaporasi e-beam diikuti oleh proses lift-off. Terakhir, semua perangkat yang dibuat dianil pada 250 °C dalam O₂ selama 5 menit untuk meningkatkan kinerjanya. Karakterisasi listrik dilakukan menggunakan analyzer parameter semiconductor (Agilent B1500A) pada suhu ruangan. Tegangan ambang (Vth) didefinisikan sebagai tegangan gate di mana arus drain sama dengan W/L×10⁻⁹ A. Konsentrasi carrier film ZnO diekstraksi dari pengukuran efek Hall (Ecopia HMS-3000) pada suhu ruangan.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan skema perangkat memori TFT a-IGZO yang dibuat di bawah pemrograman bias positif dan negatif, masing-masing. Selama pemrograman listrik, pulsa listrik diberikan pada gate belakang, dan elektroda sumber serta drain di-gratkan. Gambar 2 menunjukkan karakteristik pemrograman perangkat memori asli di bawah berbagai kondisi. Untuk perangkat memori asli, perangkat ini menunjukkan rasio arus on/off (I_on/I_off) sebesar 1,5 × 10⁷, mobilitas efek lapangan 7,1 cm² V⁻¹ s⁻¹, dan geseran subthreshold (SS) 0,67 V/dec. Dalam hal pemrograman 80 ms pada berbagai bias positif, kurva I_d–V_g bergerak secara bertahap dalam arah bias positif sebagai fungsi tegangan pemrograman, misalnya, geseran Vth yang dihasilkan relatif terhadap perangkat asli (ΔVth) meningkat dari 1,3 ke 4,8 V dengan peningkatan tegangan pemrograman dari 8 ke 13 V, menunjukkan saturasi pemrograman pada 12 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. ΔVth yang signifikan ini menunjukkan bahwa sejumlah besar elektron dari saluran a-IGZO tipe-n disuntik ke dalam CTL ZnO. Selain itu, ketika tegangan pemrograman tetap pada 13 V, ΔVth meningkat perlahan dari 2 ke 3,1 V dengan perpanjangan waktu pemrograman dari 1 μs ke 30 ms, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Menariknya, ketika perangkat memori asli diprogram pada bias gate negatif, Vth menunjukkan geseran yang signifikan menuju bias negatif, ditunjukkan pada Gambar 2b. Untuk waktu pemrograman konstan 80 ms, ΔVth memperbesar dari −5,2 ke −7,4 V dengan peningkatan bias pemrograman dari −8 ke −13 V. Bahkan jika perangkat memori asli diprogram pada −13 V selama 1 μs, perangkat ini juga dapat menunjukkan ΔVth sebesar −6,5 V, ditunjukkan pada Gambar 2d. Ini berarti sejumlah besar elektron dilepaskan dari CTL, sehingga menghasilkan sisa banyak muatan positif.
Skema potongan melintang perangkat memori TFT a-IGZO yang diprogram di bawah bias gate positif (a) dan bias gate negatif (b), masing-masing.
Kurva transfer perangkat memori TFT a-IGZO dan yang diprogram a pada berbagai bias gate positif untuk waktu konstan 80 ms, b pada berbagai bias gate negatif untuk waktu konstan 80 ms, c pada 13 V untuk berbagai waktu pemrograman, dan d pada −13 V untuk berbagai waktu pemrograman. Semua kurva transfer untuk setiap gambar diukur pada perangkat yang sama, dan semua operasi pemrograman dilakukan secara berurutan.
Untuk memahami efek penangkap muatan lapisan ZnO, TFT a-IGZO tanpa CTL ZnO juga dibuat sebagai perangkat kontrol untuk perbandingan. Gambar 3 menunjukkan karakteristik transfer perangkat kontrol saat diprogram di bawah berbagai bias positif dan negatif, masing-masing. Ditemukan bahwa perangkat tidak menunjukkan ΔVth yang terdeteksi terlepas dari polaritas dan amplitudo tegangan pemrograman. Ini menunjukkan bahwa ΔVth yang berbeda yang disebutkan di atas untuk perangkat memori harus disebabkan oleh CTL ZnO. Di sisi lain, perlu diperhatikan bahwa IGZO adalah semiconductor tipe-n alami, sehingga elektron dalam saluran IGZO dapat dengan mudah disuntik ke dalam CTL ZnO di bawah bias gate positif (misalnya, +9 V). Namun, ketika bias pemrograman negatif diberikan pada elektroda gate perangkat, saluran a-IGZO cenderung terdeplen, dan konduksi lubang jarang tercapai [15]. Dalam kasus ini, perangkat tidak dapat diprogram melalui suntikan lubang dari saluran, dan kemungkinan unik pemrograman listrik harus direalisikan melalui dilepasan elektron intrinsik dalam CTL ZnO asli. Faktanya, hasil eksperimen kami menunjukkan bahwa perangkat dapat dengan mudah diprogram di bawah bias gate negatif, lihat Gambar 2d. Gambar 4 menunjukkan karakteristik daya tahan memori sebagai fungsi siklus pemrograman/penghapusan (P/E). Perangkat menunjukkan jendela memori 3,7 V untuk 10³ siklus P/E dalam kasus pemrograman 11 V/1 ms dan penghapusan −9 V/10 μs. Selanjutnya, jendela memori sebesar 7,2 V dapat dicapai pada 10³ siklus P/E dengan mengenai pemrograman 12 V/1 ms dan penghapusan −12 V/10 μs. Tabel 1 membandingkan karakteristik pemrograman dan penghapusan berbagai memori TFT a-IGZO [14, 22, 23]. Dibandingkan dengan perangkat lain, perangkat kami menunjukkan efesi penghapusan yang jauh lebih tinggi bahkan di bawah bias yang lebih rendah (−12 V) dan waktu yang jauh lebih singkat (10 μs) meskipun tidak menunjukkan keunggulan yang signifikan dalam efesi pemrograman.
Kurva transfer perangkat TFT a-IGZO dan yang diprogram a pada berbagai bias gate positif untuk waktu konstan 80 ms dan b pada berbagai bias gate negatif untuk waktu konstan 80 ms
Karakteristik daya tahan perangkat memori TFT a-IGZO sebagai fungsi siklus P/E
Untuk mengklarifikasi asal elektron yang dilepaskan dari CTL ZnO asli, berbagai CTL ZnO yang diproses dibandingkan dalam perangkat memori TFT a-IGZO. Gambar 5 menunjukkan ketergantungan tegangan pemrograman dari ΔVth untuk perangkat dengan berbagai CTL ZnO. Teramati bahwa, untuk perangkat memori dengan CTL ZnO asli dan yang dianil N₂, ΔVth yang dihasilkan menunjukkan kecenderungan meningkat yang serupa dengan peningkatan tegangan pemrograman terlepas dari polaritas tegangan. Namun, untuk perangkat memori dengan CTL ZnO yang dianil O₂, nilai mutlak ΔVth menunjukkan penurunan yang signifikan di bawah kondisi pemrograman yang sama, misalnya, nilai mutlak ΔVth menurun sebesar 2 dan 3 V, masing-masing, dalam kasus pulsa pemrograman 13 V/80 ms dan −12 V/1 μs. Selain itu, perilaku pemrograman yang terobservasi terlihat saturasi untuk CTL ZnO yang dianil O₂ dalam kasus bias gate positif dan negatif. Ini harus disebabkan oleh jumlah terbatas jebakan dalam CTL. Singkatnya, anil pasca di O₂ pada 250 °C mengurangi jumlah pusat jebakan dalam film ZnO, sehingga mengakibatkan penurunan kapasitas penangkap muatan.
Geseran tegangan ambang perangkat memori TFT a-IGZO dengan berbagai lapisan penangkap muatan ZnO yang diproses sebagai fungsi a tegangan pemrograman positif untuk waktu pemrograman konstan 80 ms dan b tegangan pemrograman negatif untuk waktu pemrograman konstan 1 μs. Untuk setiap kondisi, lima perangkat diukur.
Untuk menyelidiki pengaruh anil pasca terhadap properti film ZnO, film ZnO asli dan yang diproses dikarakterisasi menggunakan pengukuran efek Hall dan XPS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, film ZnO yang dianil dalam N₂ pada 250 °C menunjukkan konsentrasi carrier 4,4×10¹⁹ cm⁻³, yang sangat dekat dengan konsentrasi film ZnO asli (4,5 × 10¹⁹ cm⁻³); namun, film ZnO yang dianil dalam O₂ pada 250 °C menunjukkan penurunan yang signifikan dalam konsentrasi carrier, yang setara dengan 1,8 × 10¹⁸ cm⁻³. Dilaporkan bahwa donator intrinsik dalam film semiconductor ZnO tipe-n adalah rongga oksigen [24]. Kwon et al. juga melaporkan bahwa rasio atom O/Zn dalam film ZnO ALD menurun secara bertahap dari 0,90 ke 0,78 dengan peningkatan suhu pengendapan dari 70 ke 130 °C [25]. Ini mengungkapkan keberadaan rongga oksigen dalam film ZnO ALD. Oleh karena itu, penurunan konsentrasi carrier (elektron) yang diinduksi oleh anil O₂ seharusnya terkait dengan pengurangan rongga oksigen dalam film ZnO. Selanjutnya, spektrum XPS O1s resolusi tinggi dari film ZnO asli dan yang dianil dalam N₂ atau O₂ dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Tiga puncak yang diuraikan berpusat pada 530,0, 531,6, dan 532,4 eV, masing-masing berkorespondensi dengan ion O²⁺ yang terikat dengan Zn²⁺ (O1), rongga oksigen (O2), dan elemen oksigen yang terserap kimiawi (–OH, dll.) (O3) [26]. Dibandingkan dengan film ZnO asli, anil pasca dalam O₂ menghasilkan penurunan 2,1% dalam persentase relatif O2. Namun, untuk film ZnO yang dianil dalam N₂, persentase relatif O2 hampir tidak berubah. Hasil ini menunjukkan bahwa anil O₂ dapat memassivasi rongga oksigen dalam film ZnO, tetapi anil N₂ tidak dapat melakukannya. Ini lebih mengonfirmasi korelasi antara rongga oksigen dan konsentrasi carrier.
Konsentrasi carrier film ZnO asli dan yang dianil di bawah berbagai kondisi.
Spektrum XPS O1s resolusi tinggi film ZnO asli dan yang dianil pada 250 °C dalam O₂ dan N₂, masing-masing. O1 dan O2 berkorespondensi dengan ion O²⁺ yang terikat dengan Zn²⁺ dan rongga oksigen, masing-masing. O3 dikaitkan dengan elemen oksigen yang terserap kimiawi (–OH, dll). Untuk menghilangkan kontaminan permukaan yang tidak sengaja, semua sampel di-etch dengan bombardir ion Ar in situ.
Berdasarkan hasil eksperimen di atas, dapat disimpulkan bahwa karakteristik pemrograman perangkat memori asli didominasi oleh konsentrasi defek terkait rongga oksigen dalam CTL ZnO. Dengan kata lain, rongga oksigen dalam film ZnO terutama berfungsi sebagai pusat jebakan untuk penangkap muatan positif dan negatif. Dilaporkan bahwa defek terkait rongga oksigen dalam ZnO mencakup rongga oksigen netral (V_O), rongga oksigen terionisasi satu kali (V_O⁺), dan rongga oksigen terionisasi dua kali (V_O²⁺), yang tingkat energi mereka masing-masing terletak pada 0,02–0,04, 0,3–0,45, dan 0,61 eV di bawah minimum konduksi band ZnO [27, 28]. Karena film ZnO asli menunjukkan konsentrasi elektron yang tinggi dalam kasus kami, konsentrasi rongga oksigen netral yang berfungsi sebagai donator dangkal harus jauh lebih tinggi dibandingkan rongga oksigen terionisasi (V_O⁺ dan V_O²⁺). Dalam hal pemrograman pada bias gate positif, elektron dalam lapisan akumulasi saluran a-IGZO disuntik ke dalam lapisan ZnO melalui mekanisme tunnel Fowler–Nordheim (F-N), yang dibuktikan oleh ΔVth bertambah dengan peningkatan tegangan pemrograman pada Gambar 2a. Sementara itu, diharapkan bahwa elektron ini terutama tertangkap pada level dalam V_O⁺ dan V_O²⁺, seperti digambarkan pada Gambar 8a. Ini menyebabkan geseran Vth menuju bias positif. Tentu saja, selain rongga oksigen yang menangkap elektron, defek lain juga dapat menangkap elektron. Namun, data eksperimen kami menunjukkan bahwa rongga oksigen memainkan peran penting dalam penangkapan elektron serta penangkapan muatan positif, seperti yang terungkap pada Gambar 5. Di bawah tegangan pemrograman negatif, rongga oksigen netral dalam CTL ZnO asli terutama mendonasikan elektron karena tingkat energi paling dangkal [27, 28], dan elektron yang dilepaskan menyalir dari CTL ZnO ke saluran, sehingga mengakibatkan pembentukan rongga oksigen yang terionisasi positif (misalnya, V_O⁺), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b. Ini menyebabkan geseran Vth dalam arah bias negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Selanjutnya, karena konsentrasi rongga oksigen netral (V_O) yang lebih tinggi dalam CTL ZnO asli, perangkat memori asli menunjukkan efesi pemrograman yang jauh lebih tinggi di bawah bias gate negatif dibandingkan di bawah bias gate positif. Misalnya, nilai mutlak ΔVth sebesar 6,5 V setelah pemrograman pada −13 V selama 1 μs (lihat Gambar 2d); namun, ΔVth setara dengan 2 V setelah pemrograman pada 13 V selama 1 μs (Gambar 2c). Ini karena yang pertama ditentukan terutama oleh konsentrasi V_O, dan yang terakhir didominasi oleh konsentrasi V_O⁺ dan V_O²⁺.
Diagram rentang energi perangkat memori TFT a-IGZO yang diprogram di a bias gate positif dan b bias gate negatif, masing-masing. V_o, V_o⁺, dan V_o²⁺ masing-masing menunjukkan rongga oksigen netral, rongga oksigen terionisasi satu kali, dan rongga oksigen terionisasi dua kali.
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah membuat memori TFT a-IGZO yang dapat diprogram bipolar dengan CTL ZnO yang ditingkatkan ALD. Dibandingkan dengan pemrograman di bawah bias gate positif, pemrograman di bawah bias gate negatif dapat menghasilkan efesi yang jauh lebih tinggi. Ini karena defek rongga oksigen yang berbeda aktif selama pemrograman bergantung pada polaritas tegangan. Artinya, defek dalam V_O⁺ dan V_O²⁺ memainkan peran kunci untuk penangkapan elektron selama pemrograman bias positif, dan defek dangkal V_O terutama mendonasikan elektron selama pemrograman bias negatif, menghasilkan pembentukan rongga oksigen yang terionisasi positif.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang mendukung kesimpulan naskah ini termasuk dalam naskah.
