利用钯解决埋层氧化物薄膜晶体管的接触问题

东京工业大学的科学家们开发了一种新方法，利用钯将氢注入非晶氧化物半导体(AOS)存储器件的深埋氧化物金属电极触点中，从而降低接触电阻。这种创新方法为解决 AOS 的接触问题提供了一种有价值的解决方案，为其在下一代存储设备和显示器中的应用铺平了道路。

基于非晶氧化物半导体 (AOS) 的薄膜晶体管 (TFT) 在无电容器动态随机存取存储器 (DRAM) 和度 DRAM 技术等下一代存储设备中的应用引起了广泛关注。此类存储设备采用复杂的架构，其中TFT垂直堆叠以实现高存储密度。

尽管具有潜力，AOS TFT 仍面临 AOS 和电极之间的接触问题，导致接触电阻过高，从而降低载流子迁移率并增加功耗。此外，垂直堆叠架构进一步加剧了这些问题。

人们提出了许多方法来解决这些问题，包括在触点之间沉积高导电氧化物夹层、在AOS接触表面上形成氧空位以及用等离子体进行表面处理。氢在这些方法中起着关键作用，因为当它离解成原子氢并注入AOS电极接触区域时，会产生电荷载流子，从而降低接触电阻。

然而，这些方法是能源密集型的或需要多个步骤，虽然它们有效地解决了半导体暴露上表面的高接触电阻，但它们对于存储器件的复杂纳米级架构内的埋入接触点来说是不切实际的。

为了解决这个问题，东京工业大学国际研究前沿计划 MDX 元素战略研究中心的一个研究小组(助理教授 Masatake Tsuji、博士生 Yuhao Shi 和名誉教授 Hideo Hosono)现已开发出一种新颖的注氢法。他们的研究结果于 2024 年 3 月 22 日在线发表在《ACS Nano》杂志上。

在这种创新方法中，由合适的金属制成的电极可以在低温下催化氢的解离，用于将原子氢传输到AOS-电极界面，从而形成高导电性的氧化物层。因此，选择合适的电极材料是实施该策略的关键。

Tsuji 博士解释说：“这种方法需要具有高氢扩散速率和氢溶解度的金属，以缩短后处理时间并降低加工温度。在这项研究中，我们使用了钯 (Pd)，因为它具有催化的双重作用。氢解离和传输，使其成为低温下 AOS TFT 中氢注入的最合适材料，即使是在深内部接触处。”

为了证明该方法的有效性，该团队制造了非晶氧化铟镓(a-IGZO)TFT，并以钯薄膜电极作为氢传输路径。将TFT在5%氢气氛中在150℃的温度下热处理10分钟。这导致原子氢通过 Pd传输到 a-IGZO-Pd 界面，引发氧和氢之间的反应，形成高导电界面层。

测试表明，由于导电层的存在，TFT的接触电阻降低了两个数量级。此外，载流子迁移率从3.2 cm 2 V –1 s –1增加到近20 cm 2 V –1 s –1，代表着显着的改进。

“我们的方法使氢气能够快速到达氧化物-Pd 界面，甚至在器件内部，深度可达 100 μm。这使得它非常适合解决基于 AOS 的存储器件的接触问题”Tsuji 博士说道。此外，这种方法保留了 TFT 的稳定性，表明电极中氢扩散不会产生副作用。

Tsuji 博士强调了这项研究的潜力，他总结道：“这种方法是专门为复杂的设备架构量身定制的，代表了 AOS 在下一代存储设备和显示器中应用的宝贵解决方案。” IGZO-TFT 现在已成为驱动平板显示器像素的事实上的标准。本技术将提出其在存储器方面的应用。

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