《Advanced Functional Materials》：通过电极自分层和快速光子烧结的自对准栅极金属氧化物晶体管的接触工程（IF=19.059）

发布日期：2024-08-23浏览次数：454

背景：

金属氧化物薄膜晶体管(TFT)为新兴的透明和柔性微电子应用提供了绝佳的机会。不幸的是，它们的性能受到与寄生效应相关的限制的阻碍，例如寄生电极重叠电容和高接触电阻，这会严重限制它们的动态行为。本文报道了一种制造共面自对准栅极(SAG)氧化铟镓锌(IGZO)晶体管的创新方法，该晶体管具有工程源/漏极触点。制造过程从栅极电极/电介质堆栈的沉积和图案化开始，并使用有机自组装单层(SAM)作为表面能改性剂对其进行功能化。随后在栅极电极堆栈上沉积第二个金(Au)电极。在温和的超声处理下，通过自分层去除两个电极之间的重叠区域，形成完美对齐的共面Au-Gate-Au电极。通过旋涂IGZO前体，然后进行快速光子烧结，完成器件制造。用Au/In和Au/ITO等双金属电极代替金源/漏极接触，可以降低接触电阻，并在不增加制造复杂性的情况下显著提高晶体管性能。该方法具有高度可扩展性、稳定性，并适用于其他半导体材料。

文献介绍：

金属氧化物具有一系列有利的物理特性，包括高载流子迁移率、可调能带结构、出色的光学透明度和机械柔韧性，因此在学术研究和工业界引起了极大关注。这些非凡的特性使金属氧化物和化合物成为开发下一代（光）电子设备的主要候选材料。值得注意的是，氧化铟(In₂O₃)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)和氧化铟镓锌(IGZO)已成为TFT中有前途的半导体或导电材料，得益于各种可扩展沉积技术的优势以及与现有互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的良好兼容性。在这些金属氧化物中，尤其是IGZO，已成为平板显示器TFT中领先的半导体通道材料。然而，随着未来电子需求向高数据速率射频（RF）转发器和智能传感器网络发展，对具有增强性能的金属氧化物TFT的需求日益增长，特别是在工作频率（f_T）方面。

实现高f_T值需要解决几个关键挑战，主要与寄生效应有关，包括栅极(G)和S/D电极之间的重叠电容和访问电阻。这些寄生效应已被确定为实现高速TFT的限制因素。已经探索了各种策略来减轻这些影响。例如，已经利用自对准U形或T形顶栅结构来最小化G和S/D电极之间的重叠区域，从而减少寄生电容。然而，这些结构通常会在侧壁下方留下一个非栅极访问长度，该长度等于侧壁间隔层的厚度并充当访问电阻，从而显著降低设备的性能。此外，在这方面还提出了自对准底栅TFT结构，其中大多数是使用背面曝光技术在透明基板上制造的。然而，这种方法引发了与现有工业TFT制造工艺的兼容性问题，并在精确控制电极分离方面带来了挑战。因此，随后的自对准底部栅极TFT结构表现出可重复性问题和一定程度的寄生电容和访问电阻，限制了它们在高级电子应用中的功能。因此，理想的器件几何形状是消除寄生电容的几何形状，这是通过消除G和S/D电极之间的所有重叠来实现的，同时通过将S/D电极拉近到G电极来降低访问电阻。

接触电阻(R_C)是金属氧化物TFTs的另一个关键问题。例如，在存在肖特基势垒的情况下，大多数载流子注入/提取可能被严重抑制，并且对于通道长度(Lch)低于100nm的导状态，R_C可能主导总电阻(Rtotal)。因此，选择金属的S/D触点强烈影响金属氧化物TFT性能。采用与金属氧化物半导体导带具有良好费米能级对准的电极对于实现更有效的电子注入半导体和降低R_C至关重要。为此，在S/D金属电极和通道材料之间插入超薄层如ITO、氧化锌(ZnO)和掺铝氧化锌(AZO)作为中间层，以降低有效势垒高度和降低R_C。然而，尽管具有很好的特性，但这种层间策略主要应用于具有传统结构的金属氧化物TFTs中，而它们在基于纳米间隙的SAG TFTs中的作用仍未被探索。开发具有超低接触电阻的纳米间隙SAG金属氧化物TFTs对于实现快速开关速度和低工作电压的下一代金属氧化物集成电路具有重要意义。

在此，我们开发了一种简单的方法来制造具有双层S/D电极的大规模纳米间隙SAG IGZO晶体管。通过用非有机SAM修饰栅极/介电层，随后沉积的S/D层可以在栅极/介电层上自对齐，在G和S/D之间形成≈17nm的纳米隙。这种自对准过程消除了寄生电极重叠，并确保了超短距离，即G和S/D电极之间的纳米间隙，从而使寄生电容和接入电阻最小化。我们在SAG结构中引入双层S/D电极，包括Au/In和Au/ITO，以进一步增强电子注入并降低接触电阻。这些结构与溶液处理的IGZO相结合，作为通道半导体，其沉积通过氙闪光灯的快速光子烧结处理。所得到的Au/ITO S/D电极SAG IGZO TFTs具有高电子迁移率(3.56cm²V⁻¹s⁻¹)、小亚阈值摆幅(80mVDec^-1))、高通断电流比(≈106)、低接触电阻12Ωcm、低工作电压(<2V)和可忽略的工作滞后。这项工作展示了TFT技术的进步，并有望用于各种电子应用，包括高频电路等。