Utilisation du palladium pour résoudre les problèmes de contact des transistors à couches minces d’oxyde enterrés

Une nouvelle méthode utilisant du palladium pour injecter de l’hydrogène dans les contacts d’électrodes oxyde-métal profondément enfouis des dispositifs de stockage à semi-conducteurs à oxyde amorphe (AOS), réduisant ainsi la résistance de contact, a été développée par des scientifiques de Tokyo Tech. Cette méthode innovante présente une solution précieuse pour résoudre les problèmes de contact des AOS, ouvrant la voie à leur application dans les dispositifs de stockage et les écrans de nouvelle génération.

Les transistors à couches minces (TFT) basés sur des semi-conducteurs à oxyde amorphe (AOS) ont suscité une attention considérable pour les applications dans les dispositifs de stockage de nouvelle génération, tels que les mémoires vives dynamiques (DRAM) sans condensateur et les technologies DRAM haute densité. De tels dispositifs de stockage utilisent des architectures complexes avec des TFT empilés verticalement pour atteindre des densités de stockage élevées.

Malgré leur potentiel, les AOS TFT souffrent de problèmes de contact entre les AOS et les électrodes, ce qui entraîne une résistance de contact trop élevée, dégradant ainsi la mobilité des porteurs de charge et augmentant la consommation d’énergie. De plus, les architectures empilées verticalement exacerbent encore ces problèmes.

De nombreuses méthodes ont été proposées pour résoudre ces problèmes, notamment le dépôt d’une couche intermédiaire d’oxyde hautement conductrice entre les contacts, formant des lacunes en oxygène sur la surface du contact AOS et le traitement de surface au plasma. L’hydrogène joue un rôle clé dans ces méthodes, car lorsqu’il est dissocié en hydrogène atomique et injecté dans la zone de contact de l’électrode AOS, il génère des porteurs de charge, réduisant ainsi la résistance de contact.

Cependant, ces méthodes sont gourmandes en énergie ou nécessitent plusieurs étapes et, même si elles répondent efficacement à la résistance de contact élevée de la surface supérieure exposée des semi-conducteurs, elles ne sont pas pratiques pour les contacts enterrés au sein des architectures complexes à l’échelle nanométrique des dispositifs de stockage.

Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs (professeur adjoint Masatake Tsuji, doctorant Yuhao Shi et professeur honoraire Hideo Hosono) du Centre de recherche MDX pour la stratégie des éléments de l’International Research Frontiers Initiative de l’Institut de technologie de Tokyo a maintenant développé un roman. méthode d’injection d’hydrogène. Leurs conclusions ont été publié en ligne dans le journal ACS Nano le 22 mars 2024.

Dans cette méthode innovante, une électrode constituée d’un métal approprié, capable de catalyser la dissociation de l’hydrogène à basse température, est utilisée pour transporter l’hydrogène atomique jusqu’à l’interface AOS-électrode, ce qui donne lieu à une couche d’oxyde hautement conductrice. Le choix du matériau d’électrode approprié est donc essentiel pour mettre en œuvre cette stratégie.

Le Dr Tsuji explique : « Cette méthode nécessite un métal doté d’un taux de diffusion et d’une solubilité élevés de l’hydrogène pour raccourcir les temps de post-traitement et réduire les températures de traitement. Dans cette étude, nous avons utilisé le palladium (Pd) car il remplit le double rôle de catalyseur. la dissociation et le transport de l’hydrogène, ce qui en fait le matériau le plus approprié pour l’injection d’hydrogène dans les TFT AOS à basse température, même lors de contacts internes profonds.

Pour démontrer l’efficacité de cette méthode, l’équipe a fabriqué des TFT d’oxyde d’indium et de gallium amorphe (a-IGZO) avec des électrodes à couche mince de Pd comme voies de transport de l’hydrogène. Les TFT ont été traités thermiquement dans une atmosphère à 5 % d’hydrogène à une température de 150°C pendant 10 minutes. Cela a entraîné le transport de l’hydrogène atomique par le Pd vers l’interface a-IGZO-Pd, déclenchant une réaction entre l’oxygène et l’hydrogène, formant une couche interfaciale hautement conductrice.

Les tests ont révélé qu’en raison de la couche conductrice, la résistance de contact des TFT était réduite de deux ordres de grandeur. De plus, la mobilité des porteurs de charge est passée de 3,2 cm2V–1s–1 à près de 20 cm2V–1s–1, ce qui représente une amélioration substantielle.

« Notre méthode permet à l’hydrogène d’atteindre rapidement l’interface oxyde-Pd, même à l’intérieur du dispositif, jusqu’à une profondeur de 100 μm. Cela la rend parfaitement adaptée pour résoudre les problèmes de contact des dispositifs de stockage basés sur AOS », remarque le Dr Tsuji. De plus, cette méthode préserve la stabilité des TFT, ce qui suggère l’absence d’effets secondaires dus à la diffusion d’hydrogène dans les électrodes.

Soulignant le potentiel de l’étude, le Dr Tsuji conclut : « Cette approche est spécifiquement adaptée aux architectures de dispositifs complexes, représentant une solution précieuse pour l’application de l’AOS dans les dispositifs de mémoire et les écrans de nouvelle génération. » IGZO-TFT est désormais une norme de facto pour piloter les pixels des écrans plats. La technologie actuelle proposera son application à la mémoire.