Programación de memorias TFT a-IGZO dependiente de la polaridad del voltaje con capa de atrapamiento de carga ZnO depositada por ALD

Resumen

Las memorias de transistores de película delgada (TFT) basadas en óxido de indio-galio-zinc amorfo (a-IGZO) atraen gran interés para futuras aplicaciones de sistema en panel; sin embargo, suelen exhibir una baja eficiencia de borrado. En este artículo, investigamos los comportamientos de programación dependientes de la polaridad del voltaje en una memoria TFT a-IGZO con una capa de atrapamiento de carga (CTL) de ZnO depositada por deposición de capas atómicas (ALD). Los dispositivos vírgenes demuestran características eléctricamente programables no solo bajo polarizaciones de compuerta positivas, sino también bajo polarizaciones negativas. En particular, estas últimas pueden generar una eficiencia de programación mucho mayor que las primeras. Al aplicar un pulso de polarización de compuerta de +13 V/1 μs, el dispositivo muestra un desplazamiento del voltaje umbral (ΔV_th) de 2 V; mientras que el ΔV_th alcanza -6,5 V para un pulso de -13 V/1 μs. En el caso de programación (P) a 12 V/1 ms y borrado (E) a -12 V/10 μs, se logra una ventana de memoria de 7,2 V a 10³ ciclos P/E. Al comparar las CTL de ZnO recocidas en O₂ o N₂ con la depositada sin recocido, se concluye que los defectos relacionados con vacancias de oxígeno (V_O) dominan las características de programación bipolar de los dispositivos TFT. Para programación a voltaje positivo, los electrones se inyectan desde el canal IGZO hacia la capa ZnO y quedan atrapados preferentemente en niveles profundos de vacancias de oxígeno simple (V_O⁺) y doblemente ionizadas (V_O²⁺). En la programación a voltaje negativo, los electrones se desatrapan fácilmente de las vacancias de oxígeno neutras debido a donadores poco profundos y tunelizan de vuelta al canal, lo que conduce a un borrado altamente eficiente mediante la formación de vacancias de oxígeno ionizadas adicionales con cargas positivas.

Introducción

Los transistores de película delgada (TFT) basados en óxido de indio-galio-zinc amorfo (a-IGZO) se han estudiado ampliamente para aplicaciones en sistemas electrónicos flexibles y transparentes. Esto se atribuye a propiedades específicas del a-IGZO como buena uniformidad, baja temperatura de procesamiento, transparencia a la luz visible y alta movilidad electrónica. Además, se han propuesto memorias no volátiles TFT a-IGZO, ampliando el alcance de utilización de estos dispositivos. Como arquitectura típica, las memorias TFT a-IGZO con compuerta flotante se han investigado intensamente. Hasta ahora, se han explorado diversos materiales como compuerta flotante (medio de almacenamiento de carga), como dieléctricos, nanocristales metálicos y materiales semiconductores. Dado que el a-IGZO es un semiconductor tipo n natural y la inversión de huecos es difícil bajo polarización negativa, las memorias TFT a-IGZO suelen tener pobre eficiencia de borrado. Sin embargo, Zhang et al. fabricaron una memoria TFT usando a-IGZO como capa de atrapamiento y canal, mostrando características programables y borrables eléctricamente con buena retención. Yun et al. investigaron memorias TFT a-IGZO con CTL de IGZO de diferente composición, revelando una ventana de memoria decreciente al aumentar la presión parcial de O₂ durante la deposición por sputtering. Bak et al. reportaron el rendimiento de memorias TFT a-IGZO con CTL de ZnO de diversas conductividades, inferiendo que la naturaleza electrónica optimizada de la estructura de banda prohibida del ZnO podría ser clave para memorias TFT de óxido altamente funcionales. Aunque estas memorias basadas en CTL de semiconductor de óxido exhiben velocidades superiores de programación/borrado, no se han reportado sus características de programación bipolar ni los procesos de captura de cargas en el CTL, especialmente para atrapamiento de cargas positivas.

En este trabajo, se fabricó una memoria TFT a-IGZO programable bipolarmente usando una película de ZnO depositada por ALD como CTL. Al comparar las características de programación bipolar de dispositivos con CTL de ZnO sin recocido, recocido en O₂ o N₂, se discuten los procesos de captura de diferentes cargas en la capa ZnO. Se revela que los defectos relacionados con vacancias de oxígeno dominan las características de programación bipolar de las memorias TFT a-IGZO.

Métodos

Obleas de Si tipo P (100) con resistividad de 0,001–0,005 Ω·cm se limpiaron mediante proceso RCA estándar y se usaron como compuerta trasera. Luego, se depositaron sucesivamente 35 nm de Al₂O₃ y 20 nm de ZnO por ALD a 250 °C y 200 °C, sirviendo como capa de bloqueo y CTL respectivamente. La película ZnO presenta rugosidad RMS de 0,553 nm. Posteriormente, se realizó fotolitografía y grabado húmedo para definir el CTL de ZnO. Después, se creció una capa de tunelizado de 8 nm Al₂O₃ por ALD. Los precursores dietilzinc (DEZ)/H₂O y TMA/H₂O se usaron para el crecimiento de ZnO y Al₂O₃ respectivamente. Luego, se depositó una película a-IGZO de 40 nm por sputtering de magnetrón de radiofrecuencia como capa de canal a temperatura ambiente usando blanco InGaZnO₄. El canal activo con ancho/longitud (W/L) de 100/10 μm se definió por fotolitografía y grabado con HCl diluido. Contactos de fuente/drenaje Ti/Au (30 nm/70 nm) se formaron por evaporación e-beam seguido de lift-off. Finalmente, todos los dispositivos se recocieron a 250 °C en O₂ por 5 min para mejorar rendimiento. Las caracterizaciones eléctricas se realizaron con analizador de parámetros semiconductor (Agilent B1500A) a temperatura ambiente. El voltaje umbral (V_th) se define como el voltaje de compuerta donde la corriente de drenaje iguala W/L×10⁻⁹ A. La concentración de portadores de películas ZnO se extrajo de mediciones Hall (Ecopia HMS-3000) a temperatura ambiente.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra diagramas esquemáticos del dispositivo memoria TFT a-IGZO fabricado bajo programación con polarización positiva y negativa. Durante la programación eléctrica, se aplica un pulso en la compuerta trasera mientras fuente y drenaje están conectados a tierra. La Figura 2 muestra las características de programación de dispositivos vírgenes bajo diferentes condiciones. El dispositivo vírgeno exhibe relación corriente encendido/apagado (I_on/I_off) de 1,5×10⁷, movilidad de efecto de campo de 7,1 cm² V⁻¹ s⁻¹ y subthreshold swing (SS) de 0,67 V/dec. En programación de 80 ms a diferentes polarizaciones positivas, la curva I_d–V_g se desplaza gradualmente hacia polarización positiva según aumenta el voltaje; el ΔV_th relativo al dispositivo vírgeno aumenta de 1,3 a 4,8 V al incrementar voltaje de 8 a 13 V, mostrando saturación a 12 V (Fig. 2a). Este ΔV_th significativo sugiere inyección considerable de electrones desde el canal n-type a-IGZO hacia la CTL ZnO. Además, al fijar voltaje en 13 V, el ΔV_th aumenta lentamente de 2 a 3,1 V al prolongar tiempo de 1 μs a 30 ms (Fig. 2c). Sorprendentemente, al programar a polarización negativa, el V_th muestra desplazamiento notable hacia polarización negativa (Fig. 2b). Para tiempo constante de 80 ms, el ΔV_th aumenta de -5,2 a -7,4 V al incrementar polarización de -8 a -13 V. Incluso a -13 V por 1 μs, el dispositivo muestra ΔV_th de -6,5 V (Fig. 2d), indicando que gran número de electrones se desatraen de la CTL, dejando abundantes cargas positivas.

Para entender el efecto de atrapamiento de carga de la capa ZnO, se fabricaron TFT a-IGZO sin CTL ZnO como dispositivos de control. La Figura 3 muestra sus características de transferencia bajo diferentes polarizaciones. El dispositivo no muestra ΔV_th discernible independientemente de polaridad y amplitud, indicando que el ΔV_th distintivo en dispositivos memoria se debe a la CTL ZnO. Por otro lado, al aplicar polarización negativa, el canal a-IGZO tiende a deplecionarse y la conducción de huecos es difícil. El dispositivo no puede programarse por inyección de huecos, por lo que la única posibilidad es desatrapamiento de electrones intrínsecos en la CTL ZnO vírgen. Los resultados experimentales confirman que el dispositivo se programa fácilmente bajo polarizaciones negativas (Fig. 2d). La Figura 4 muestra características de resistencia como función de ciclos P/E. El dispositivo exhibe ventana de memoria de 3,7 V para 10³ ciclos con 11 V/1 ms programación y -9 V/10 μs borrado. Además, se logra ventana de 7,2 V a 10³ ciclos con 12 V/1 ms programación y -12 V/10 μs borrado. La Tabla 1 compara características de programación/borrado de diversas memorias TFT a-IGZO. Comparado con otros dispositivos, el nuestro muestra mucho mayor eficiencia de borrado incluso bajo menor polarización (-12 V) y tiempo más corto (10 μs), a pesar de no tener superioridad notable en eficiencia de programación.

Para clarificar el origen de electrones desatrapados de la CTL ZnO vírgen, se comparan diversos CTL ZnO procesados. La Figura 5 muestra la dependencia del ΔV_th con voltaje de programación para dispositivos con diferentes CTL ZnO. Para CTL sin recocido y recocido en N₂, el ΔV_th resultante muestra tendencia creciente similar al aumentar voltaje independientemente de polaridad. Sin embargo, para CTL recocido en O₂, el valor absoluto de ΔV_th disminuye significativamente bajo mismas condiciones; disminuye 2 y 3 V respectivamente para pulsos 13 V/80 ms y -12 V/1 μs. Se observan comportamientos de programación saturada para CTL recocido en O₂ en ambas polaridades, atribuible a trampas limitadas en la CTL. En resumen, el recocido en O₂ a 250 °C reduce centros de trampa en la película ZnO, disminuyendo capacidad de atrapamiento de carga.

Para investigar la influencia del recocido en propiedades de la película ZnO, se caracterizaron películas sin recocido y procesadas mediante mediciones Hall y XPS. Como muestra Figura 6, la película ZnO recocida en N₂ a 250 °C muestra concentración de portadores de 4,4×10¹⁹ cm⁻³, muy cercana a la de la película sin recocido (4,5×10¹⁹ cm⁻³); sin embargo, la recocida en O₂ exhibe disminución notable a 1,8×10¹⁸ cm⁻³. Se reporta que donadores intrínsecos en películas semiconductoras ZnO tipo n son vacancias de oxígeno. Kwon et al. reportaron que la relación atómica O/Zn en ZnO ALD disminuye de 0,90 a 0,78 al aumentar temperatura de deposición de 70 a 130 °C, revelando existencia de vacancias de oxígeno en películas ZnO ALD. Por tanto, la disminución de concentración de portadores (electrones) inducida por recocido en O₂ debe relacionarse con reducción de vacancias de oxígeno en la película ZnO. Además, se analizaron espectros XPS O1s de alta resolución de películas sin recocido y recocidas en N₂ u O₂ (Fig. 7). Los tres picos desconvolucionados centrados en 530,0, 531,6 y 532,4 eV corresponden a iones O²⁻ unidos a Zn²⁺ (O1), vacancias de oxígeno (O2) y oxígeno quimisorbido (–OH, etc.) (O3). Comparado con película sin recocido, el recocido en O₂ genera disminución de 2,1% en porcentaje relativo de O2; mientras que para recocido en N₂, el porcentaje de O2 permanece casi inalterado. Estos resultados indican que el recocido en O₂ puede pasivar vacancias de oxígeno en la película ZnO, pero el recocido en N₂ no. Esto confirma la correlación entre vacancias de oxígeno y concentración de portadores.

Basado en resultados experimentales, se concluye que las características de programación de dispositivos vírgenes están dominadas por la concentración de defectos relacionados con vacancias de oxígeno en la CTL ZnO. Las vacancias de oxígeno en la película ZnO sirven principalmente como centros de trampa para atrapamiento de cargas positivas y negativas. Se reporta que defectos relacionados con vacancias de oxígeno en ZnO incluyen vacancia neutra (V_O), simple ionizada (V_O⁺) y doblemente ionizada (V_O²⁺), con niveles energéticos a 0,02–0,04, 0,3–0,45 y 0,61 eV respectivamente por debajo del mínimo de banda de conducción del ZnO. Dado que la película ZnO sin recocido muestra alta concentración electrónica, la concentración de vacancias neutras (donadores poco profundos) debe ser mucho mayor que la de vacancias ionizadas. En programación a polarización positiva, electrones en capa de acumulación del canal a-IGZO se inyectan en la capa ZnO por tunelizado Fowler-Nordheim (F-N), demostrado por ΔV_th incremental al aumentar voltaje (Fig. 2a). Se espera que estos electrones queden atrapados preferentemente en niveles profundos de V_O⁺ y V_O²⁺ (Fig. 8a), causando desplazamiento V_th hacia polarización positiva. En programación a polarización negativa, las vacancias neutras en la CTL ZnO vírgen donan electrones predominantemente debido al nivel energético más somero, y los electrones liberados tunelizan desde la CTL ZnO al canal, formando vacancias de oxígeno cargadas positivamente (ej. V_O⁺) (Fig. 8b), desplazando V_th hacia polarización negativa (Fig. 2b). Debido a mayor concentración de V_O en la CTL ZnO sin recocido, el dispositivo vírgen exhibe mucho mayor eficiencia de programación bajo polarización negativa que positiva. Por ejemplo, |ΔV_th| = 6,5 V tras programar a -13 V/1 μs (Fig. 2d), mientras que ΔV_th = 2 V a 13 V/1 μs (Fig. 2c). Esto se debe a que el primero está determinado principalmente por concentración de V_O, y el segundo por concentraciones de V_O⁺ y V_O²⁺.

Conclusiones

En resumen, fabricamos una memoria TFT a-IGZO programable bipolarmente con CTL ZnO depositada por ALD. Comparado con programación bajo polarización positiva, la programación bajo polarización negativa genera mucha mayor eficiencia. Esto se debe a que diferentes defectos de vacancia de oxígeno actúan durante la programación dependiente de polaridad: defectos profundos V_O⁺ y V_O²⁺ juegan papel clave en atrapamiento de electrones durante programación a polarización positiva, mientras defectos someros V_O donan electrones principalmente durante programación a polarización negativa, generando vacancias de oxígeno cargadas positivamente.