Programmation des mémoires TFT a-IGZO dépendante de la polarité de tension avec couche de piégeage de charge ZnO par ALD

Résumé

Les mémoires à transistors à couches minces (TFT) à base d'oxyde d'indium-gallium-zinc amorphe (a-IGZO) suscitent un vif intérêt pour les futures applications de systèmes sur panneau ; toutefois, elles présentent généralement une faible efficacité d'effacement. Dans cet article, nous étudions les comportements de programmation dépendants de la polarité de tension d'une mémoire TFT a-IGZO dotée d'une couche de piégeage de charge (CTL) en ZnO déposée par dépôt de couches atomiques (ALD). Les dispositifs bruts présentent des caractéristiques programmables électriquement non seulement sous des biais de grille positifs, mais aussi sous des biais négatifs. En particulier, ce dernier génère une efficacité de programmation bien supérieure. Sous une impulsion de biais de grille de +13 V/1 μs, le dispositif affiche un décalage de tension de seuil (ΔV_th) de 2 V ; alors que pour une impulsion de −13 V/1 μs, le ΔV_th atteint −6,5 V. Dans le cas d'une programmation à 12 V/1 ms et d'un effacement à −12 V/10 μs, une fenêtre de mémoire de 7,2 V est obtenue après 10³ cycles P/E. En comparant les CTL en ZnO recuits sous O₂ ou N₂ avec celui tel que déposé, on conclut que les défauts liés aux lacunes d'oxygène (V_O) dominent les caractéristiques de programmation bipolaire des dispositifs TFT. Pour la programmation sous tension de grille positive, les électrons sont injectés du canal IGZO vers la couche ZnO et piégés préférentiellement aux niveaux profonds des lacunes d'oxygène simplement ionisées (V_O⁺) et doublement ionisées (V_O²⁺). Pour la programmation sous tension négative, les électrons sont facilement désengagés des lacunes d'oxygène neutres en raison de leur niveau donneur peu profond et tunnellent vers le canal, conduisant à une formation efficace de lacunes d'oxygène ionisées additionnelles à charges positives.

Contexte

Les transistors à couches minces (TFT) à base d'oxyde d'indium-gallium-zinc amorphe (a-IGZO) sont largement étudiés pour les systèmes électroniques flexibles et transparents, grâce à l'uniformité des couches d'a-IGZO, leur faible température de traitement, leur transparence à la lumière visible et leur haute mobilité électronique. Les mémoires non volatiles à base d'a-IGZO TFT ont également été proposées, élargissant le champ d'application de ces dispositifs. En tant qu'architecture typique, les mémoires TFT a-IGZO à grille flottante ont été intensivement étudiées. Divers matériaux ont été explorés comme grille flottante (milieu de stockage de charge) : diélectriques, nanocristaux métalliques et matériaux semi-conducteurs. Comme l'a-IGZO est un semi-conducteur de type n naturel, l'inversion de trous est difficile à réaliser sous biais de grille négatif, ce qui entraîne généralement une faible efficacité d'effacement dans les mémoires TFT a-IGZO. La plupart ne peuvent pas être effacées électriquement par injection de trous depuis le canal. Néanmoins, Zhang et al. ont fabriqué une mémoire TFT utilisant l'a-IGZO comme couche de piégeage de charge et couche de canal, présentant des caractéristiques programmables et effaçables électriquement avec une bonne rétention de données. Yun et al. ont étudié les mémoires TFT a-IGZO avec différentes couches CTL IGZO compositionnelles, révélant une diminution de la fenêtre de mémoire avec l'augmentation de la pression partielle d'O₂ lors du pulvérisation. Bak et al. ont rapporté les performances de mémoires TFT a-IGZO avec diverses couches CTL ZnO de conductivité différente, suggérant que la nature électronique optimisée de la structure de bande interdite du ZnO CTL est un facteur clé pour réaliser des mémoires TFT oxydes hautement fonctionnelles. Bien que ces mémoires à base de CTL semi-conducteur oxyde présentent des vitesses de programmation/effacement électriques supérieures, leurs caractéristiques de programmation bipolaire n'ont pas été rapportées, et les processus de capture de charges dans la CTL d'oxyde semi-conducteur restent flous, notamment pour le piégeage des charges positives.

Dans ce travail, une mémoire TFT a-IGZO programmable de manière bipolaire a été fabriquée en utilisant un film ZnO déposé par ALD comme CTL. En comparant les caractéristiques de programmation bipolaire des dispositifs avec des CTL ZnO tels que déposés, recuits sous O₂ ou N₂, les processus de capture de différentes charges dans la couche ZnO ont été discutés. Il est révélé que les défauts liés aux lacunes d'oxygène dominent les caractéristiques de programmation bipolaire des dispositifs de mémoire TFT a-IGZO.

Méthodes

Des wafers Si de type P (100) avec une résistivité de 0,001–0,005 Ω·cm ont été nettoyés par le procédé RCA standard et utilisés comme grille arrière. Ensuite, des films de 35 nm d'Al₂O₃ et 20 nm de ZnO ont été déposés successivement par ALD à 250 °C et 200 °C, servant respectivement de couche de blocage et de CTL. Le film ZnO présente une rugosité quadratique moyenne (RMS) de 0,553 nm. La photolithographie et la gravure humide ont défini la CTL ZnO. Une couche de tunnel Al₂O₃ de 8 nm a été déposée par ALD. Les précurseurs diéthylzinc (DEZ)/H₂O et TMA/H₂O ont été utilisés pour la croissance de ZnO et Al₂O₃. Un film a-IGZO de 40 nm a été déposé par pulvérisation magnétron RF comme couche de canal à température ambiante avec une cible InGaZnO₄. Le canal actif (W/L = 100/10 μm) a été défini par photolithographie et gravure HCl dilué. Les contacts source/drain Ti/Au (30 nm/70 nm) ont été formés par évaporation par faisceau d'électrons et lift-off. Tous les dispositifs ont été recuits à 250 °C sous O₂ pendant 5 min pour améliorer les performances. Les caractérisations électriques ont été réalisées avec un analyseur de paramètres semi-conducteurs (Agilent B1500A) à température ambiante. La tension de seuil (V_th) est définie comme la tension de grille où le courant de drain égale W/L × 10⁻⁹ A. La concentration de porteurs des films ZnO a été extraite par mesures Hall (Ecopia HMS-3000) à température ambiante.

Résultats et discussion

La figure 1 montre les schémas du dispositif mémoire TFT a-IGZO programmé sous biais de grille positif et négatif. Lors de la programmation électrique, une impulsion électrique est appliquée sur la grille arrière, source et drain étant mis à la terre. La figure 2 présente les caractéristiques de programmation des dispositifs bruts sous différentes conditions. Le dispositif brut présente un rapport de courant marche/arrêt (I_on/I_off) de 1,5 × 10⁷, une mobilité à effet de champ de 7,1 cm² V⁻¹ s⁻¹ et un facteur de sous-seuil (SS) de 0,67 V/déc. Pour une programmation de 80 ms à différents biais positifs, la courbe I_d–V_g se décale progressivement vers les biais positifs en fonction de la tension de programmation : le ΔV_th relatif au dispositif brut augmente de 1,3 à 4,8 V quand la tension passe de 8 à 13 V, avec saturation à 12 V (fig. 2a). Ce ΔV_th significatif suggère l'injection d'un grand nombre d'électrons du canal a-IGZO de type n vers la CTL ZnO. De plus, à 13 V fixe, le ΔV_th augmente lentement de 2 à 3,1 V en prolongeant le temps de 1 μs à 30 ms (fig. 2c). Fait intéressant, sous biais de grille négatif, le V_th se décale notablement vers les biais négatifs (fig. 2b). Pour un temps constant de 80 ms, le ΔV_th passe de −5,2 à −7,4 V quand le biais varie de −8 à −13 V. Même à −13 V pendant 1 μs, le dispositif montre un ΔV_th de −6,5 V (fig. 2d), indiquant un désengagement massif d'électrons de la CTL et la persistance de nombreuses charges positives.

Pour comprendre l'effet de piégeage de charge de la couche ZnO, des TFT a-IGZO sans CTL ZnO ont été fabriqués comme dispositifs témoins. La figure 3 montre leurs caractéristiques de transfert sous différents biais. Aucun ΔV_th discernable n'est observé, quelle que soit la polarité ou l'amplitude de la tension de programmation, confirmant que le ΔV_th distinct des dispositifs mémoire provient de la CTL ZnO. D'autre part, l'IGZO étant de type n, les électrons du canal sont facilement injectés dans la CTL ZnO sous biais positif (ex. +9 V). Sous biais négatif, le canal a-IGZO se déplète et la conduction de trous est quasi inexistante. Le dispositif ne peut donc pas être programmé par injection de trous ; la seule possibilité est le désengagement d'électrons intrinsèques de la CTL ZnO brute. Nos résultats montrent que le dispositif se programme aisément sous biais négatifs (fig. 2d). La figure 4 présente l'endurance en fonction des cycles P/E. Le dispositif affiche une fenêtre de mémoire de 3,7 V pour 10³ cycles P/E avec programmation 11 V/1 ms et effacement −9 V/10 μs. Une fenêtre de 7,2 V est atteinte pour 10³ cycles avec 12 V/1 ms (P) et −12 V/10 μs (E). Le tableau 1 compare les caractéristiques de programmation/effacement de diverses mémoires TFT a-IGZO. Notre dispositif présente une efficacité d'effacement bien supérieure même sous biais plus faible (−12 V) et temps plus court (10 μs), sans supériorité notable en efficacité de programmation.

Pour clarifier l'origine des électrons désengagés de la CTL ZnO brute, divers CTL ZnO traités sont comparés. La figure 5 montre la dépendance du ΔV_th par rapport à la tension de programmation pour les dispositifs avec différents CTL ZnO. Pour les CTL tels que déposés et recuits sous N₂, le ΔV_th montre une tendance croissante similaire avec l'augmentation de la tension de programmation, quelle que soit la polarité. Pour le CTL recuit sous O₂, la valeur absolue du ΔV_th diminue significativement sous les mêmes conditions : baisse de 2 V et 3 V respectivement pour 13 V/80 ms et −12 V/1 μs. Des comportements de programmation saturée sont observés pour le CTL recuit sous O₂ aux deux polarités, attribué à un nombre limité de pièges dans la CTL. En résumé, le recuit sous O₂ à 250 °C réduit le nombre de centres de piégeage dans le film ZnO, diminuant sa capacité de piégeage de charge.

Pour étudier l'influence du recuit sur les propriétés du film ZnO, les films tels que déposés et traités ont été caractérisés par mesures Hall et XPS. La figure 6 montre que le film ZnO recuit sous N₂ à 250 °C présente une concentration de porteurs de 4,4 × 10¹⁹ cm⁻³, proche de celle du film tel que déposé (4,5 × 10¹⁹ cm⁻³) ; tandis que le film recuit sous O₂ montre une diminution remarquable à 1,8 × 10¹⁸ cm⁻³. Les donneurs intrinsèques du ZnO de type n sont les lacunes d'oxygène. Kwon et al. ont rapporté que le rapport atomique O/Zn dans les films ZnO ALD diminue de 0,90 à 0,78 quand la température de dépôt passe de 70 à 130 °C, confirmant l'existence de lacunes d'oxygène. La diminution de concentration de porteurs (électrons) induite par le recuit O₂ est donc liée à la réduction des lacunes d'oxygène. Les spectres XPS O1s haute résolution (fig. 7) montrent trois pics déconvolués à 530,0 ; 531,6 et 532,4 eV, correspondant aux ions O²⁻ liés à Zn²⁺ (O1), lacunes d'oxygène (O2) et oxygène chimisorbé (–OH, etc.) (O3). Comparé au film tel que déposé, le recuit O₂ génère une diminution de 2,1 % du pourcentage relatif de O2, tandis que le recuit N₂ laisse ce pourcentage quasi inchangé. Cela indique que le recuit O₂ passivent les lacunes d'oxygène, contrairement au recuit N₂, confirmant la corrélation entre lacunes d'oxygène et concentration de porteurs.

D'après ces résultats, on conclut que les caractéristiques de programmation des dispositifs bruts sont dominées par la concentration de défauts liés aux lacunes d'oxygène dans la CTL ZnO. Les lacunes d'oxygène servent principalement de centres de piégeage pour les charges positives et négatives. Les défauts liés aux lacunes d'oxygène dans le ZnO incluent : lacune neutre (V_O), simplement ionisée (V_O⁺) et doublement ionisée (V_O²⁺), dont les niveaux d'énergie sont situés à 0,02–0,04 ; 0,3–0,45 et 0,61 eV sous le minimum de la bande de conduction du ZnO. Comme le film ZnO tel que déposé montre une haute concentration électronique, la concentration de V_O neutres (donneurs peu profonds) est bien supérieure à celle des V_O⁺ et V_O²⁺. Sous biais de grille positif, les électrons de la couche d'accumulation du canal a-IGZO sont injectés dans la couche ZnO par tunneling Fowler-Nordheim (F-N), comme le montre l'augmentation incrémentale du ΔV_th avec la tension de programmation (fig. 2a). Ces électrons sont piégés préférentiellement aux niveaux profonds de V_O⁺ et V_O²⁺ (fig. 8a), causant un décalage du V_th vers le positif. D'autres défauts peuvent aussi capturer des électrons, mais nos données indiquent que les lacunes d'oxygène jouent un rôle crucial dans le piégeage d'électrons et la capture de charges positives (fig. 5). Sous biais négatif, les V_O neutres de la CTL ZnO brute donnent principalement des électrons en raison de leur niveau d'énergie le plus bas, et les électrons libérés tunnellent de la CTL vers le canal, formant des lacunes d'oxygène chargées positivement (ex. V_O⁺) (fig. 8b), décalant le V_th vers le négatif (fig. 2b). Grâce à la concentration plus élevée de V_O dans la CTL ZnO brute, le dispositif brut présente une efficacité de programmation bien supérieure sous biais négatif que positif. Par exemple, |ΔV_th| = 6,5 V après −13 V/1 μs (fig. 2d) contre ΔV_th = 2 V après +13 V/1 μs (fig. 2c). Le premier est déterminé par la concentration de V_O, le second par celles de V_O⁺ et V_O²⁺.

Conclusions

En résumé, nous avons fabriqué une mémoire TFT a-IGZO programmable de manière bipolaire avec une CTL ZnO déposée par ALD. Comparée à la programmation sous biais positif, la programmation sous biais négatif génère une efficacité bien plus élevée. Cela s'explique par l'intervention de différents défauts de lacunes d'oxygène lors de la programmation dépendante de la polarité : les défauts profonds V_O⁺ et V_O²⁺ sont clés pour le piégeage d'électrons sous biais positif, tandis que les défauts peu profonds V_O donnent principalement des électrons sous biais négatif, générant des lacunes d'oxygène chargées positivement.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de ce manuscrit sont inclus dans le manuscrit.

Abréviations

a-IGZO :

Oxyde d'indium-gallium-zinc amorphe

ALD :

Dépôt de couches atomiques

CTL :

Couche de piégeage de charge

TFT :

Transistor à couches minces

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X