氧化物薄膜晶体管低接触电阻形成技术研究：钯介导氢传输路径的应用

本研究报告介绍由Yuhao Shi、Masatake Tsuji*、Hanjun Cho、Shigenori Ueda、Junghwan Kim*和Hideo Hosono*团队发表在ACS Nano期刊上的创新性研究成果，题为”Approach to Low Contact Resistance Formation on Buried Interface in Oxide Thin-Film Transistors: Utilization of Palladium-Mediated Hydrogen Pathway”。

作者及研究机构
这项研究由东京工业大学的MDX Research Center for Element Strategy团队主导完成，通讯作者为Masatake Tsuji、Junghwan Kim和Hideo Hosono。该论文于近期发表在ACS Nano期刊上。

学术背景与研究目的

非晶氧化物半导体(AOS)因其极低的关断电流和低温加工特性，成为下一代高密度存储器件的理想候选材料。然而随着存储器件向垂直堆叠结构发展，纳米尺度复杂结构中的内部接触问题日益突出。传统表面处理方法难以解决AOS器件深埋界面的接触问题。

研究团队注意到氢在氧化物半导体中能显著影响载流子浓度这一特性。当氧化物半导体的导带最小值(ECBM)低于氢的电荷转移能级E(H+/H-)时，注入的氢会被电离产生电子载流子。基于此，作者提出利用钯(Pd)薄膜作为高效活性氢传输通道的创新思路，通过低温氢退火处理在深埋界面形成高导电金属中间层，从而解决器件内部接触问题。

研究方法与技术路线

1. 器件设计与制备

研究团队制备了底栅底接触(BGBC)结构的a-IGZO薄膜晶体管作为验证平台： - 采用重掺杂p型Si晶圆作为底栅基板，热氧化生长150nm SiO₂栅介质层 - 溅射5nm Ti粘附层后，热蒸发沉积30nm Pd作为源/漏电极 - 通过150W射频磁控溅射沉积20nm a-IGZO(In:Ga:Zn=1:1:1)沟道层 - 覆盖50nm ZnSiOₓ(ZSOx)钝化层用于隔离环境杂质 - 所有器件在空气中300℃退火1小时完成制备

2. 氢退火处理工艺

• 在5% H₂/95% N₂气氛中，1atm压力下进行退火
• 对比研究了100℃、150℃和200℃三种温度下的处理效果
• 退火时间从6分钟到20分钟不等
• 通过传输线法(TLM)精确提取接触电阻变化

3. 表征与分析方法

研究采用了多种先进表征技术： - HXAPES(硬X射线光电子能谱)：使用SPring-8 BL09XU光束线(光子能量5.95keV)分析界面化学状态 - SIMS(二次离子质谱)：获得氢元素在界面区域的深度分布 - XRD(X射线衍射)：研究界面金属间化合物的形成 - AC-Hall效应测试：评估a-IGZO和ZSOx钝化层的电学性质 - 电性能测试：使用Keysight B2912A测量单元在真空环境下完成

主要研究结果

1. 接触电阻显著降低

TLM测量结果显示： - 原始器件的接触电阻高达3kΩ·cm，表现出肖特基接触特性 - 150℃下氢退火10分钟后，接触电阻降至6.1Ω·cm，降幅达两个数量级 - 有效沟道长度变化为0.044μm，表明形成了良好的欧姆接触

温度和时间依赖性研究表明： - 100℃需要20分钟才能实现欧姆接触 - 200℃下仅需6分钟即可获得低于10Ω·cm的接触电阻 - 150℃退火10分钟被确定为最佳处理条件

2. 界面金属化机制

通过HXAPES分析揭示： - 氢退火后在Pd/a-IGZO界面检测到明显的In⁰、Ga⁰和Zn⁰金属态峰 - 不同发射角(15°、30°和88.5°)测量证实金属化主要发生在近Pd界面区域 - 相比之下，Au电极样品或无钝化层样品在相同处理后未显示金属峰

XRD结果进一步证实： - Pd(111)衍射峰位移表明形成了金属间化合物PdZnₓ - 这种相的形成有助于提高界面导电性

3. 器件性能提升

电学测试表明： - BGBC结构器件的场效应迁移率从3.2 cm²V⁻¹s⁻¹提升至18 cm²V⁻¹s⁻¹ - Au电极器件在相同处理后性能无变化，证实Pd的特殊作用 - 器件稳定性测试显示阈值电压漂移极小：NBS下仅-0.05V，PBS下+0.11V - 60℃高温偏压下仍然保持优良稳定性

4. 氢分布与传输机制

SIMS深度剖析显示： - Pd/a-IGZO界面处形成明显的氢富集层 - 随着退火温度升高(100→150→200℃)，界面氢浓度逐渐增加 - 沟道区域氢含量仅轻微增加，表明ZSOx钝化层有效阻挡了氢扩散

结论与价值

本研究开创性地利用Pd薄膜作为高效氢传输通道，成功解决了氧化物半导体器件深埋界面的接触问题。研究成果具有以下重要价值：

科学价值

1. 首次证实Pd可在低温(150℃)下将氢高效传输至深埋界面(深度达100μm)
2. 阐明了氢诱导界面金属化的机制：活性氢原子与a-IGZO反应生成氧空位和金属相
3. 发现了界面处PdZnₓ金属间化合物的形成及其对降低接触电阻的作用

技术价值

1. 开发了一种与复杂架构兼容的低成本、低温接触电阻降低技术
2. 迁移率提升至20 cm²V⁻¹s⁻¹，同时保持极佳的偏压稳定性
3. 为氧化物半导体在高密度存储和显示器件中的应用开辟了新途径

应用前景

该方法特别适用于： - 垂直堆叠的高密度DRAM架构 - 3D集成的氧化物半导体存储器 - 柔性显示器中的底接触TFT阵列 - 其他需要解决深埋界面接触问题的氧化物电子器件

研究亮点

1. 创新性方法：首次提出并验证利用Pd作为氢传输通道解决深埋界面接触问题
2. 机制创新：阐明了氢在Pd中的传输动力学与界面金属化的协同作用机理
3. 工艺优势：仅需150℃低温处理10分钟即可实现优异效果，完全兼容现有半导体工艺
4. 综合性能：在显著降低接触电阻的同时，保持了器件的稳定性和可靠性
5. 普适潜力：方法可拓展至高迁移率氧化物半导体材料，为复杂架构器件提供通用解决方案

此项研究为氧化物半导体在下一代电子器件中的应用提供了关键技术突破，特别是对于需要垂直集成的存储器架构具有重要意义。通过巧妙利用Pd的氢催化与传输特性，团队成功解决了长期困扰氧化物半导体器件的内部接触难题，为该领域的发展开辟了新方向。