Utilizando paládio para resolver problemas de contato de transistores de película fina de óxido enterrado

Um novo método que emprega paládio para injetar hidrogênio nos contatos de eletrodo de óxido metálico profundamente enterrados de dispositivos de armazenamento de semicondutores de óxido amorfo (AOSs), o que reduz a resistência de contato, foi desenvolvido por cientistas da Tokyo Tech. Este método inovador apresenta uma solução valiosa para resolver os problemas de contato dos AOSs, abrindo caminho para sua aplicação em dispositivos de armazenamento e monitores de próxima geração.

Transistores de filme fino (TFTs) baseados em semicondutores de óxido amorfo (AOSs) têm atraído atenção considerável para aplicações em dispositivos de armazenamento de próxima geração, como memória de acesso aleatório dinâmico (DRAM) sem capacitor e tecnologias DRAM de alta densidade. Esses dispositivos de armazenamento empregam arquiteturas complexas com TFTs empilhados verticalmente para atingir altas densidades de armazenamento.

Apesar do seu potencial, os TFTs AOS sofrem de problemas de contato entre os AOS e os eletrodos, resultando em uma resistência de contato excessivamente alta, degradando assim a mobilidade do portador de carga e aumentando o consumo de energia. Além disso, as arquiteturas empilhadas verticalmente agravam ainda mais esses problemas.

Muitos métodos foram propostos para resolver esses problemas, incluindo a deposição de uma camada intermediária de óxido altamente condutora entre os contatos, formando vagas de oxigênio na superfície de contato do AOS e o tratamento de superfície com plasma. O hidrogênio desempenha um papel fundamental nesses métodos, pois, quando dissociado em hidrogênio atômico e injetado na área de contato do eletrodo AOS, gera portadores de carga, reduzindo assim a resistência de contato.

No entanto, esses métodos consomem muita energia ou exigem múltiplas etapas e, embora abordem efetivamente a alta resistência de contato da superfície superior exposta dos semicondutores, são impraticáveis ​​para contatos enterrados nas complexas arquiteturas em nanoescala de dispositivos de armazenamento.

Para resolver esta questão, uma equipe de pesquisadores (Professor Assistente Masatake Tsuji, estudante de doutorado Yuhao Shi e Professor Honorário Hideo Hosono) do Centro de Pesquisa MDX para Estratégia de Elementos da Iniciativa Internacional de Fronteiras de Pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio desenvolveu agora um romance método de injeção de hidrogênio. Suas descobertas foram publicadas online na revista ACS Nano em 22 de março de 2024.

Neste método inovador, um eletrodo feito de um metal adequado, que pode catalisar a dissociação do hidrogênio em baixas temperaturas, é utilizado para transportar o hidrogênio atômico até a interface eletrodo AOS, resultando em uma camada de óxido altamente condutora. A escolha do material de eletrodo adequado é, portanto, fundamental para a implementação desta estratégia.

Dr. Tsuji explica: “Este método requer um metal que tenha uma alta taxa de difusão de hidrogênio e solubilidade de hidrogênio para encurtar os tempos de pós-tratamento e reduzir as temperaturas de processamento. Neste estudo, utilizamos paládio (Pd), pois ele cumpre o duplo papel de catalisar dissociação e transporte de hidrogênio, tornando-o o material mais adequado para injeção de hidrogênio em TFTs AOS em baixas temperaturas, mesmo em contatos internos profundos.”

Para demonstrar a eficácia deste método, a equipe fabricou TFTs de óxido de gálio e índio amorfo (a-IGZO) com eletrodos de película fina de Pd como vias de transporte de hidrogênio. Os TFTs foram tratados termicamente numa atmosfera de hidrogénio a 5% a uma temperatura de 150°C durante 10 minutos. Isto resultou no transporte de hidrogênio atômico pelo Pd para a interface a-IGZO-Pd, desencadeando uma reação entre oxigênio e hidrogênio, formando uma camada interfacial altamente condutora.

Os testes revelaram que, devido à camada condutora, a resistência de contato dos TFTs foi reduzida em duas ordens de grandeza. Além disso, a mobilidade do portador de carga aumentou de 3,2 cm²V^–1é^–1 para quase 20 cm²V^–1é^–1representando uma melhoria substancial.

“Nosso método permite que o hidrogênio alcance rapidamente a interface óxido-Pd, mesmo no interior do dispositivo, até uma profundidade de 100 μm. Isso o torna altamente adequado para resolver os problemas de contato de dispositivos de armazenamento baseados em AOS”, comenta o Dr. Além disso, este método preservou a estabilidade dos TFTs, sugerindo não haver efeitos colaterais devido à difusão de hidrogênio nos eletrodos.

Enfatizando o potencial do estudo, o Dr. Tsuji conclui: “Esta abordagem é especificamente adaptada para arquiteturas de dispositivos complexos, representando uma solução valiosa para a aplicação de AOS em dispositivos de memória e monitores de próxima geração”. IGZO-TFT é agora um padrão de fato para controlar os pixels de telas planas. A tecnologia atual apresentará sua aplicação à memória.