《Advanced Functional Materials》：通過電極自分層和快速光子燒結的自對準柵極金屬氧化物晶體管的接觸工程（IF=19.059）

背景：

金屬氧化物薄膜晶體管(TFT)為新興的透明和柔性微電子應用提供了絕佳的機會。不幸的是，它們的性能受到與寄生效應相關的限制的阻礙，例如寄生電極重疊電容和高接觸電阻，這會嚴重限制它們的動態(tài)行為。本文報道了一種制造共面自對準柵極(SAG)氧化銦鎵鋅(IGZO)晶體管的創(chuàng)新方法，該晶體管具有工程源/漏極觸點。制造過程從柵極電極/電介質堆棧的沉積和圖案化開始，并使用有機自組裝單層(SAM)作為表面能改性劑對其進行功能化。隨后在柵極電極堆棧上沉積第二個金(Au)電極。在溫和的超聲處理下，通過自分層去除兩個電極之間的重疊區(qū)域，形成完美對齊的共面Au-Gate-Au電極。通過旋涂IGZO前體，然后進行快速光子燒結，完成器件制造。用Au/In和Au/ITO等雙金屬電極代替金源/漏極接觸，可以降低接觸電阻，并在不增加制造復雜性的情況下顯著提高晶體管性能。該方法具有高度可擴展性、穩(wěn)定性，并適用于其他半導體材料。

文獻介紹：

金屬氧化物具有一系列有利的物理特性，包括高載流子遷移率、可調(diào)能帶結構、出色的光學透明度和機械柔韌性，因此在學術研究和工業(yè)界引起了極大關注。這些非凡的特性使金屬氧化物和化合物成為開發(fā)下一代（光）電子設備的主要候選材料。值得注意的是，氧化銦(In₂O₃)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)和氧化銦鎵鋅(IGZO)已成為TFT中有前途的半導體或導電材料，得益于各種可擴展沉積技術的優(yōu)勢以及與現(xiàn)有互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的良好兼容性。在這些金屬氧化物中，尤其是IGZO，已成為平板顯示器TFT中領先的半導體通道材料。然而，隨著未來電子需求向高數(shù)據(jù)速率射頻（RF）轉發(fā)器和智能傳感器網(wǎng)絡發(fā)展，對具有增強性能的金屬氧化物TFT的需求日益增長，特別是在工作頻率（f_T）方面。

實現(xiàn)高f_T值需要解決幾個關鍵挑戰(zhàn)，主要與寄生效應有關，包括柵極(G)和S/D電極之間的重疊電容和訪問電阻。這些寄生效應已被確定為實現(xiàn)高速TFT的限制因素。已經(jīng)探索了各種策略來減輕這些影響。例如，已經(jīng)利用自對準U形或T形頂柵結構來最小化G和S/D電極之間的重疊區(qū)域，從而減少寄生電容。然而，這些結構通常會在側壁下方留下一個非柵極訪問長度，該長度等于側壁間隔層的厚度并充當訪問電阻，從而顯著降低設備的性能。此外，在這方面還提出了自對準底柵TFT結構，其中大多數(shù)是使用背面曝光技術在透明基板上制造的。然而，這種方法引發(fā)了與現(xiàn)有工業(yè)TFT制造工藝的兼容性問題，并在精確控制電極分離方面帶來了挑戰(zhàn)。因此，隨后的自對準底部柵極TFT結構表現(xiàn)出可重復性問題和一定程度的寄生電容和訪問電阻，限制了它們在高級電子應用中的功能。因此，理想的器件幾何形狀是消除寄生電容的幾何形狀，這是通過消除G和S/D電極之間的所有重疊來實現(xiàn)的，同時通過將S/D電極拉近到G電極來降低訪問電阻。

接觸電阻(R_C)是金屬氧化物TFTs的另一個關鍵問題。例如，在存在肖特基勢壘的情況下，大多數(shù)載流子注入/提取可能被嚴重抑制，并且對于通道長度(Lch)低于100nm的導狀態(tài)，R_C可能主導總電阻(Rtotal)。因此，選擇金屬的S/D觸點強烈影響金屬氧化物TFT性能。采用與金屬氧化物半導體導帶具有良好費米能級對準的電極對于實現(xiàn)更有效的電子注入半導體和降低R_C至關重要。為此，在S/D金屬電極和通道材料之間插入超薄層如ITO、氧化鋅(ZnO)和摻鋁氧化鋅(AZO)作為中間層，以降低有效勢壘高度和降低R_C。然而，盡管具有很好的特性，但這種層間策略主要應用于具有傳統(tǒng)結構的金屬氧化物TFTs中，而它們在基于納米間隙的SAG TFTs中的作用仍未被探索。開發(fā)具有超低接觸電阻的納米間隙SAG金屬氧化物TFTs對于實現(xiàn)快速開關速度和低工作電壓的下一代金屬氧化物集成電路具有重要意義。

在此，我們開發(fā)了一種簡單的方法來制造具有雙層S/D電極的大規(guī)模納米間隙SAG IGZO晶體管。通過用非有機SAM修飾柵極/介電層，隨后沉積的S/D層可以在柵極/介電層上自對齊，在G和S/D之間形成≈17nm的納米隙。這種自對準過程消除了寄生電極重疊，并確保了超短距離，即G和S/D電極之間的納米間隙，從而使寄生電容和接入電阻最小化。我們在SAG結構中引入雙層S/D電極，包括Au/In和Au/ITO，以進一步增強電子注入并降低接觸電阻。這些結構與溶液處理的IGZO相結合，作為通道半導體，其沉積通過氙閃光燈的快速光子燒結處理。所得到的Au/ITO S/D電極SAG IGZO TFTs具有高電子遷移率(3.56cm²V^?1s^?1)、小亞閾值擺幅(80mVDec^-1))、高通斷電流比(≈106)、低接觸電阻12Ωcm、低工作電壓(<2V)和可忽略的工作滯后。這項工作展示了TFT技術的進步，并有望用于各種電子應用，包括高頻電路等。

引用：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202406044

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