Verwendung von Palladium zur Lösung von Kontaktproblemen in vergrabenen Dünnoxidschichttransistoren

Wissenschaftler von Tokyo Tech haben eine neue Methode entwickelt, bei der Palladium verwendet wird, um Wasserstoff in die tief vergrabenen Oxid-Metall-Elektrodenkontakte von Speichergeräten aus amorphen Oxidhalbleitern (AOS) zu injizieren und so den Kontaktwiderstand zu verringern. Diese innovative Methode stellt eine wertvolle Lösung zur Lösung der Kontaktprobleme von AOS dar und ebnet den Weg für deren Anwendung in Speichergeräten und Displays der nächsten Generation.

Dünnschichttransistoren (TFTs) auf Basis amorpher Oxidhalbleiter (AOS) haben große Aufmerksamkeit für Anwendungen in Speichergeräten der nächsten Generation erregt, beispielsweise in kondensatorlosen dynamischen Direktzugriffsspeichern (DRAMs) und DRAM-Technologien mit hoher Dichte. Solche Speichergeräte nutzen komplexe Architekturen mit vertikal gestapelten TFTs, um hohe Speicherdichten zu erreichen.

Trotz ihres Potenzials leiden TFT-AOSs unter Kontaktproblemen zwischen den AOSs und den Elektroden, was zu einem zu hohen Kontaktwiderstand führt, wodurch die Beweglichkeit der Ladungsträger beeinträchtigt und der Stromverbrauch erhöht wird. Darüber hinaus verschärfen vertikal gestapelte Architekturen diese Probleme zusätzlich.

Zur Lösung dieser Probleme wurden viele Methoden vorgeschlagen, darunter die Abscheidung einer hochleitfähigen Oxidzwischenschicht zwischen den Kontakten, die Bildung von Sauerstofffehlstellen auf der AOS-Kontaktoberfläche und die Plasmaoberflächenbehandlung. Wasserstoff spielt bei diesen Methoden eine Schlüsselrolle, denn wenn er in atomaren Wasserstoff dissoziiert und in den Kontaktbereich der AOS-Elektrode injiziert wird, erzeugt er Ladungsträger und verringert dadurch den Kontaktwiderstand.

Diese Methoden sind jedoch energieintensiv oder erfordern mehrere Schritte, und während sie den hohen Kontaktwiderstand der freiliegenden Oberfläche von Halbleitern effektiv angehen, sind sie für vergrabene Kontakte in komplexen Architekturen im Nanomaßstab von Speichergeräten nicht praktikabel.

Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forscherteam (Assistenzprofessor Masatake Tsuji, Doktorand Yuhao Shi und Honorarprofessor Hideo Hosono) vom MDX Research Center for Element Strategy der International Research Frontiers Initiative am Tokyo Institute of Technology nun einen Roman entwickelt. wasserstoffinjektionsverfahren. Ihre Ergebnisse wurden online in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Nano am 22. März 2024.

Bei dieser innovativen Methode wird eine Elektrode aus einem geeigneten Metall, das die Dissoziation von Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen katalysieren kann, verwendet, um atomaren Wasserstoff zur AOS-Elektroden-Grenzfläche zu transportieren, was zu einer hochleitfähigen Oxidschicht führt. Daher ist die Wahl des geeigneten Elektrodenmaterials für die Umsetzung dieser Strategie von entscheidender Bedeutung.

Dr. Tsuji erklärt: „Diese Methode erfordert ein Metall mit einer hohen Diffusionsrate und Wasserstofflöslichkeit, um die Nachbearbeitungszeiten zu verkürzen und die Verarbeitungstemperaturen zu senken. In dieser Studie haben wir Palladium (Pd) verwendet, da es die doppelte Rolle eines Katalysators erfüllt. Wasserstoffdissoziation und -transport, was es zum am besten geeigneten Material für die Wasserstoffinjektion in AOS-TFTs bei niedrigen Temperaturen macht, selbst bei tiefen internen Kontakten.

Um die Wirksamkeit dieser Methode zu demonstrieren, stellte das Team amorphe Indium-Galliumoxid-TFTs (a-IGZO) mit Pd-Dünnschichtelektroden als Wasserstofftransportwege her. Die TFTs wurden in einer Atmosphäre mit 5 % Wasserstoff bei einer Temperatur von 150 °C 10 Minuten lang wärmebehandelt. Dies führte dazu, dass das Pd atomaren Wasserstoff zur a-IGZO-Pd-Grenzfläche transportierte, was eine Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff auslöste und eine hochleitfähige Grenzflächenschicht bildete.

Tests ergaben, dass sich der Kontaktwiderstand von TFTs durch die leitfähige Schicht um zwei Größenordnungen verringerte. Zusätzlich erhöhte sich die Beweglichkeit der Ladungsträger um 3,2 cm²V^-1S^-1 fast 20 cm²V^-1S^-1was eine wesentliche Verbesserung darstellt.

„Unsere Methode ermöglicht es Wasserstoff, die Oxid-Pd-Grenzfläche auch innerhalb des Geräts schnell bis zu einer Tiefe von 100 μm zu erreichen. Damit ist es ideal geeignet, Kontaktprobleme von Pd-Geräten zu lösen. AOS-basierte Speichersysteme“, bemerkt Dr. Tsuji. Darüber hinaus bewahrt diese Methode die Stabilität von TFTs, was darauf hindeutet, dass keine Nebenwirkungen aufgrund der Wasserstoffdiffusion in den Elektroden auftreten.

Dr. Tsuji hebt das Potenzial der Studie hervor und kommt zu dem Schluss: „Dieser Ansatz eignet sich speziell für komplexe Gerätearchitekturen und stellt eine wertvolle Lösung für die Anwendung von AOS in Speichergeräten und Displays der nächsten Generation dar.“ » IGZO-TFT ist mittlerweile ein De-facto-Standard für die Ansteuerung von Flachbildschirmpixeln. Die aktuelle Technologie wird ihre Anwendung auf das Gedächtnis vorschlagen.