원자층 증착 ZnO 전하 트래핑이 있는 비정질 In–Ga–Zn–O 박막 트랜지스터 메모리의 전압 극성 종속 프로그래밍 동작 레이어

결과 및 토론

그림 1은 각각 포지티브 및 네거티브 바이어스 프로그래밍 하에서 제작된 a-IGZO TFT 메모리 장치의 개략도를 보여줍니다. 전기 프로그래밍 동안 전기 펄스가 백 게이트에 적용되고 소스 및 드레인 전극이 접지됩니다. 그림 2는 다양한 조건에서 원시 메모리 장치의 프로그래밍 특성을 보여줍니다. 원시 메모리 장치의 경우 온/오프 전류 비율(I _켜기 /나 _꺼짐 ) / 1.5 × 10 ⁷ , 7.1cm ² 의 전계 효과 이동성 V ⁻¹ s ⁻¹ , 그리고 0.67 V/dec의 하위 임계값 스윙(SS). 다양한 양의 바이어스에서 80ms 프로그래밍의 관점에서 I _d –V _g 곡선은 프로그래밍 전압의 함수로 양의 바이어스 방향으로 점진적으로 이동합니다(예:결과 V_th). 깨끗한 장치를 기준으로 한 이동(ΔV_th ) 프로그래밍 전압이 8V에서 13V로 증가함에 따라 1.3V에서 4.8V로 증가하여 그림 2a와 같이 12V에서 프로그래밍 포화를 나타냅니다. 이렇게 중요한 ΔV_th 은 n형 a-IGZO 채널에서 상당한 양의 전자가 ZnO CTL에 주입되었음을 시사합니다. 또한 프로그래밍 전압이 13V로 고정되면 ΔV_th 그림 2c와 같이 프로그래밍 시간을 1μs에서 30ms로 연장하면서 2V에서 3.1V로 천천히 증가합니다. 흥미롭게도 원시 메모리 장치가 음의 게이트 바이어스로 프로그래밍되면 V_th 그림 2b에 표시된 것처럼 음의 바이어스로 눈에 띄게 이동합니다. 80ms의 일정한 프로그래밍 시간에 대해 ΔV_th 프로그래밍 바이어스가 -8V에서 -13V로 증가하면 -5.2V에서 -7.4V로 확대됩니다. 원시 메모리 장치가 1μs 동안 -13V로 프로그래밍되더라도 ΔV_th 그림 2d에 표시된 -6.5V만큼 큽니다. 이는 매우 많은 수의 전자가 CTL에서 탈거되어 많은 양전하가 남아 있음을 의미합니다.

포지티브 게이트 바이어스(a ) 및 음의 게이트 바이어스(b ), 각각.

a-IGZO TFT 메모리 장치의 전송 곡선과 프로그래밍된 a 80ms의 일정한 시간 동안 다양한 양의 게이트 바이어스에서 b 80ms의 일정한 시간 동안 다양한 음의 게이트 바이어스에서 c 다양한 프로그래밍 시간 동안 13V, d 다양한 프로그래밍 시간 동안 -13V에서. 각 그림에 대한 모든 전달 곡선은 동일한 장치에서 측정되었으며 모든 프로그래밍 작업은 순서대로 수행되었습니다.

ZnO 층의 전하 트래핑 효과를 이해하기 위해 ZnO CTL이 없는 a-IGZO TFT도 비교를 위한 제어 장치로 제작되었습니다. 그림 3은 각각 다른 포지티브 및 네거티브 바이어스에서 프로그래밍될 때 제어 장치의 전달 특성을 보여줍니다. 장치가 식별 가능한 ΔV_th를 나타내지 않는 것으로 확인되었습니다. 프로그래밍 전압 극성 및 진폭에 관계없이. 이는 앞서 언급한 별개의 ΔV_th 메모리 장치의 경우 ZnO CTL에 귀속되어야 합니다. 반면, IGZO는 천연 n형 반도체이므로 IGZO 채널의 전자가 양의 게이트 바이어스(예:.)에서 ZnO CTL로 쉽게 주입될 수 있습니다. , +9V). 그러나 소자의 게이트 전극에 음의 프로그래밍 바이어스가 가해지면 a-IGZO 채널이 공핍되는 경향이 있고 정공 전도가 거의 이루어지지 않는다[15]. 이 경우, 장치는 채널에서 정공 주입을 통해 프로그래밍할 수 없으므로 전기 프로그래밍의 고유한 가능성은 깨끗한 ZnO CTL에서 고유 전자의 트랩핑을 제거하여 실현되어야 합니다. 실제로, 우리의 실험 결과는 장치가 음의 게이트 바이어스에서 쉽게 프로그래밍될 수 있음을 나타냅니다(그림 2d 참조). 그림 4는 P/E(프로그래밍/소거) 주기의 함수로서 메모리의 내구성 특성을 보여줍니다. 기기는 10 ³ 에 대해 3.7V의 메모리 창을 나타냅니다. 11V/1ms 프로그래밍 및 -9V/10μs 소거의 경우 P/E 사이클의 또한 10 ³ 에서 최대 7.2V의 메모리 창을 달성할 수 있습니다. 12V/1ms 프로그래밍 및 -12V/10μs 소거에 대한 P/E 사이클의. 표 1은 다양한 a-IGZO TFT 메모리의 프로그래밍 및 소거 특성을 비교합니다[14, 22, 23]. 다른 장치에 비해 우리 장치는 프로그래밍 효율이 크게 우수하지 않음에도 불구하고 더 낮은 바이어스(-12V) 및 훨씬 짧은 시간(10μs)에서도 훨씬 더 높은 소거 효율을 나타냅니다.

a-IGZO TFT 장치의 전송 곡선과 프로그래밍된 a 80ms 및 b의 일정한 시간 동안 서로 다른 양의 게이트 바이어스에서 80ms의 일정한 시간 동안 서로 다른 음의 게이트 바이어스에서

P/E 주기에 따른 a-IGZO TFT 메모리 소자의 내구성 특성

깨끗한 ZnO CTL에서 포획된 전자의 기원을 명확히 하기 위해 다양한 처리된 ZnO CTL을 a-IGZO TFT 메모리 장치에서 비교했습니다. 그림 5는 △V_th의 프로그래밍 전압 의존성을 보여줍니다. 다른 ZnO CTL을 가진 장치의 경우. as-deposited 및 N₂가 있는 메모리 장치의 경우 -어닐링된 ZnO CTL, 결과 ΔV_th 전압 극성에도 불구하고 프로그래밍 전압을 높이면 유사한 증가 경향을 보입니다. 그러나 O₂가 있는 메모리 장치의 경우 - 어닐링된 ZnO CTL, ΔV_th의 절대값 동일한 프로그래밍 조건(예:ΔV_th의 절대값)에서 상당한 감소를 나타냅니다. 13V/80ms 및 -12V/1μs 프로그래밍 펄스의 경우 각각 2V 및 3V 감소합니다. 또한 O₂에 대해 포화 프로그래밍 동작이 관찰됩니다. - 양극 및 음극 게이트 바이어스의 경우 어닐링된 ZnO CTL. 이것은 CTL의 제한된 트랩에 기인해야 합니다. 한마디로 O₂에서의 포스트 어닐링 250°C에서 ZnO 필름의 트랩 센터 수를 줄여 전하 트래핑 용량을 감소시킵니다.

a의 함수로 처리된 ZnO 전하 트래핑 레이어가 서로 다른 a-IGZO TFT 메모리 장치의 임계 전압 이동 80ms의 일정한 프로그래밍 시간 및 b에 대한 양의 프로그래밍 전압 1μs의 일정한 프로그래밍 시간을 위한 네거티브 프로그래밍 전압. 각 조건에 대해 5개의 기기가 측정되었습니다.

ZnO 필름의 특성에 대한 포스트 어닐링의 영향을 조사하기 위해 증착된 상태로 처리된 ZnO 필름은 홀 효과 측정 및 XPS로 특성화됩니다. 도 6에 도시된 바와 같이, N₂에서 어닐링된 ZnO 필름 250°C에서 4.4×10 ¹⁹ 의 캐리어 농도를 나타냅니다. cm ⁻³ , 이에 매우 가깝습니다(4.5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) 그대로 증착된 ZnO 필름; 그러나 O₂에서 어닐링된 ZnO 필름 250°C에서 1.8 × 10 ¹⁸ 에 해당하는 운반체 농도의 현저한 감소를 나타냅니다. cm ⁻³ . n형 ZnO 반도체 필름의 진성 공여체는 산소 결손(oxygen vacancy)이라고 보고되었다[24]. Kwon et al. 또한 ALD ZnO 필름의 O/Zn 원자비는 증착 온도가 70에서 130°C로 증가함에 따라 0.90에서 0.78로 점진적으로 감소한다고 보고했습니다[25]. 이것은 ALD ZnO 필름에 산소 결손이 있음을 나타냅니다. 따라서 O₂ - 어닐링으로 인한 캐리어(전자) 농도 감소는 ZnO 필름의 산소 결손 감소와 관련되어야 합니다. 또한, 증착된 ZnO 필름과 N₂에서 어닐링된 필름의 고해상도 O1s XPS 스펙트럼 또는 O₂ deconvoluted 3개의 피크는 O ^2- 에 해당하는 530.0, 531.6 및 532.4 eV의 중심에 있습니다. Zn ²⁺ 에 결합된 이온 (O1), 산소 결손 (O2) 및 화학 흡착 산소 원소 (-OH 등) (O3) [26]. 증착된 ZnO 필름과 비교하여 O₂의 포스트 어닐링 O2의 상대적 비율이 2.1% 감소합니다. 그럼에도 불구하고, N₂에서 어닐링된 ZnO 필름의 경우 , O2의 상대 비율은 거의 변하지 않습니다. 이 결과는 O₂ 어닐링은 ZnO 필름의 산소 결손을 부동태화할 수 있지만 N₂ 어닐링은 할 수 없습니다. 이것은 산소 결손과 운반체 농도 사이의 상관관계를 더욱 확증합니다.

증착된 ZnO 필름과 다른 조건에서 열처리된 필름의 캐리어 농도

증착된 ZnO 필름과 O₂에서 250°C에서 어닐링된 필름의 고해상도 O1s XPS 스펙트럼 및 N₂ , 각각. O1 및 O2는 O ²⁻ 에 해당합니다. Zn ²⁺ 에 결합된 이온 및 산소 결손, 각각. O3는 화학 흡착된 산소 원소(-OH 등)에 기인합니다. 의도하지 않은 표면 오염 물질을 제거하기 위해 모든 샘플을 제자리에서 Ar 이온 충격으로 에칭했습니다.

위의 실험 결과에 기초하여 원시 메모리 소자의 프로그래밍 특성은 ZnO CTL에서 산소 결손 관련 결함의 농도에 의해 지배된다는 결론을 내릴 수 있습니다. 즉, ZnO 필름의 산소 결손은 주로 양전하와 음전하를 트래핑하기 위한 트랩 센터 역할을 합니다. ZnO의 산소 결손 관련 결함에는 중성 산소 결손(V_O ), 단일 이온화된 산소 결손(V_O ⁺ ) 및 이중 이온화된 산소 결손(V_O ²⁺ ), 에너지 준위는 각각 0.02–0.04, 0.3–0.45, 0.61 eV에 위치하며 전도대 최소값인 ZnO[27, 28]보다 낮습니다. 우리의 경우 증착된 ZnO 필름은 높은 전자 농도를 나타내기 때문에 얕은 도너 역할을 하는 중성 산소 결손의 농도는 이온화된 산소 결손의 농도보다 훨씬 높아야 합니다(V_O ⁺ 및 V_O ²⁺ ). 양의 게이트 바이어스에서의 프로그래밍 측면에서, a-IGZO 채널의 축적층에 있는 전자는 Fowler-Nordheim(FN) 터널링 메커니즘에 의해 ZnO 층으로 주입되며, 이는 증분 ΔV_{th 그림 2a에서 프로그래밍 전압을 향상시킵니다. 한편, 이들 전자는 VO의 깊은 수준에서 우선적으로 포획될 것으로 예상된다. ⁺ 및 VO ²⁺ , 도 8a에 도시된 바와 같이. 이로 인해 Vth가 이동합니다. 긍정적인 편향으로. 물론 전자를 포획하는 산소 결손 외에도 다른 결함도 전자를 포획할 수 있습니다. 그러나 우리의 실험 데이터는 그림 5에서 알 수 있듯이 산소 결손이 전자 트래핑과 양전하 포획에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다. 음의 프로그래밍 전압에서 깨끗한 ZnO CTL의 중성 산소 결손은 가장 얕은 에너지 준위[27, 28] 및 방출된 전자는 ZnO CTL에서 채널로 터널링하여 양전하를 띤 산소 결손(예:VO ⁺ ), 도 8b에 도시된 바와 같이. 이로 인해 Vth가 이동합니다. 그림 2b에 표시된 것처럼 음의 바이어스 방향으로. 또한, 중성 산소 결손의 더 높은 농도로 인해(VO ) ZnO의 증착된 CTL에서 원시 메모리 장치는 양의 게이트 바이어스보다 음의 게이트 바이어스에서 훨씬 더 높은 프로그래밍 효율을 나타냅니다. 예를 들어, ΔVth의 절대값 1μs 동안 -13V에서 프로그래밍 후 6.5V만큼 큽니다(그림 2d 참조). 그러나 ΔV번째 1μs 동안 13V에서 프로그래밍한 후 2V와 같습니다(그림 2c). 전자는 주로 VO의 농도에 의해 결정되기 때문입니다. , 후자는 VO의 농도에 의해 지배됩니다. ⁺ 및 VO ²⁺ .}

a에 프로그래밍된 a-IGZO TFT 메모리 장치의 에너지 밴드 다이어그램 양의 게이트 바이어스 및 b 각각 음의 게이트 바이어스. V_o , V_o ⁺ , 및 V_o ²⁺ 중성 산소 결손, 단일 이온화 산소 결손 및 이중 이온화 산소 결손을 각각 나타냅니다.