Brug af palladium til at løse kontaktproblemer med nedgravede oxid-tyndfilmtransistorer

En ny metode, der anvender palladium til at injicere brint i de dybt begravede oxid-metalelektrodekontakter på amorfe oxidhalvledere (AOS'er), som reducerer kontaktmodstanden, er blevet udviklet af videnskabsmænd ved Tokyo Tech. Denne innovative metode præsenterer en værdifuld løsning til at løse AOS'ers kontaktproblemer og baner vejen for deres anvendelse i næste generations lagerenheder og skærme.

Tyndfilmstransistorer (TFT'er) baseret på amorfe oxid-halvledere (AOS'er) har fået stor opmærksomhed for applikationer i næste generations lagringsenheder såsom kondensatorløs dynamic-random access memory (DRAM) og high-density DRAM-teknologier. Sådanne lagerenheder anvender komplekse arkitekturer med TFT'er stablet lodret for at opnå høje lagertætheder.

På trods af deres potentiale lider AOS TFT'er af kontaktproblemer mellem AOS'er og elektroder, hvilket resulterer i for høj kontaktmodstand, hvilket forringer ladningsbærerens mobilitet og øger strømforbruget. Desuden forværrer vertikalt stablede arkitekturer disse problemer yderligere.

Mange metoder er blevet foreslået til at løse disse problemer, herunder aflejring af et stærkt ledende oxidmellemlag mellem kontakterne, dannelse af ilttomheder på AOS-kontaktoverfladen og overfladebehandling med plasma. Brint spiller en nøglerolle i disse metoder, da det, når det dissocieres til atomært brint og injiceres i AOS-elektrodens kontaktområde, genererer ladningsbærere og derved reducerer kontaktmodstanden.

Disse metoder er imidlertid energikrævende eller kræver flere trin, og selvom de effektivt adresserer den høje kontaktmodstand af den eksponerede øvre overflade af halvlederne, er de upraktiske til nedgravede kontakter inden for lagerenheders komplekse nanoskalaarkitekturer.

For at løse dette problem har et team af forskere (adjunkt Masatake Tsuji, doktorand Yuhao Shi og æresprofessor Hideo Hosono) fra MDX Research Center for Element Strategy ved International Research Frontiers Initiative ved Tokyo Institute of Technology nu udviklet en roman brintinjektionsmetode. Deres resultater blev offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano den 22. marts 2024.

I denne innovative metode bruges en elektrode bestående af et passende metal, som kan katalysere dissociationen af ​​brint ved lave temperaturer, til at transportere atombrinten til AOS-elektrodegrænsefladen, hvilket resulterer i et stærkt ledende oxidlag. Valg af passende elektrodemateriale er derfor nøglen til implementering af denne strategi.

Dr. Tsuji forklarer, "Denne metode kræver et metal, der har en høj hydrogendiffusionshastighed og hydrogenopløselighed for at forkorte efterbehandlingstider og reducere behandlingstemperaturer. I denne undersøgelse brugte vi palladium (Pd), da det opfylder den dobbelte rolle som katalyserende hydrogendissociation og -transport, hvilket gør det til det bedst egnede materiale til brintinjektion i AOS TFT'er ved lave temperaturer, selv ved dybe interne kontakter."

For at demonstrere effektiviteten af ​​denne metode fremstillede holdet amorfe indium galliumoxid (a-IGZO) TFT'er med Pd tyndfilmselektroder som hydrogentransportveje. TFT'erne blev varmebehandlet i en 5% hydrogenatmosfære ved en temperatur på 150°C i 10 minutter. Dette resulterede i transport af atomart brint med Pd til a-IGZO-Pd grænsefladen, der udløste en reaktion mellem oxygen og brint, der danner et stærkt ledende grænsefladelag.

Testning viste, at på grund af det ledende lag blev kontaktmodstanden af ​​TFT'erne reduceret med to størrelsesordener. Desuden steg ladebærerens mobilitet fra 3,2 cm ² V ^–1 s ^–1 til næsten 20 cm ² V ^–1 s ^–1 , hvilket repræsenterer en væsentlig forbedring.

"Vores metode gør det muligt for brint hurtigt at nå oxid-Pd-grænsefladen selv i enhedens indre, op til en dybde på 100 μm. Dette gør den yderst velegnet til at løse kontaktproblemer med AOS-baserede lagerenheder" bemærker Dr. Tsuji. Derudover bevarede denne metode stabiliteten af ​​TFT'erne, hvilket tyder på ingen bivirkninger på grund af hydrogendiffusion i elektroderne.

Dr. Tsuji understreger potentialet i undersøgelsen og konkluderer:"Denne tilgang er specielt skræddersyet til komplekse enhedsarkitekturer, og repræsenterer en værdifuld løsning til anvendelsen af ​​AOS i næste generations hukommelsesenheder og skærme." IGZO-TFT er nu en de facto standard til at drive pixels på fladskærme. Den nuværende teknologi vil fremlægge sin anvendelse til hukommelsen.

Flere oplysninger: Yuhao Shi et al, tilgang til dannelse af lav kontaktmodstand på begravet grænseflade i oxidtyndfilmstransistorer:Udnyttelse af palladiummedieret brintvej, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c02101

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Tokyo Institute of Technology