In-poor IGZO: superior resilience to hydrogen in forming gas anneal and PBTI

弹性(材料科学) 材料科学 工程物理 环境科学 光电子学 化学 复合材料 物理 有机化学
作者
Anastasiia Kruv,Michiel J. van Setten,Adrian Chasin,Daisuke Matsubayashi,Harold Dekkers,Alexandru Pavel,Yanfen Wan,Kishor S. Trivedi,Nouredine Rassoul,Junfeng Li,Yong Jiang,Subhali Subhechha,Geoffrey Pourtois,Attilio Belmonte,Gouri Sankar Kar
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2412.07362
摘要

Integrating In-Ga-Zn-oxide (IGZO) channel transistors in silicon-based ecosystems requires the resilience of the channel material to hydrogen treatment. Standard IGZO, containing 40% In (metal ratio) suffers from degradation under forming gas anneal (FGA) and hydrogen (H) driven positive bias temperature instability (PBTI). We demonstrate scaled top-gated ALD transistors with an In-poor (In $\le$ 17%) IGZO channel that show superior resilience to hydrogen compared to the In-rich (In=40%) counterpart. The devices, fabricated with a 300-mm FAB process with dimensions down to $W_\mathrm{CH} \times L_\mathrm{TG} = 80 \times 40 \mathrm{nm}^2$, show excellent stability in 2-hour 420$^\circ$C forming gas anneal ($0.06 \le \left| \Delta V_{\mathrm{TH}} \right| \le 0.33\mathrm{V}$) and improved resilience to H in PBTI at 125$^\circ$C (down to no detectable H-induced $V_{\mathrm{TH}}$ shift) compared to In-rich devices. We demonstrate that the device degradation by H in the FGA is different from the H-induced VTH instability in PBTI, namely oxygen scavenging by H and H release from a gate-dielectric into the channel, respectively, and that resilience to H in one process does not automatically translate to resilience to H in the other one. This significant improvement in IGZO resilience to H enables the use of FGA treatments during fabrication needed for silicon technology compatibility, as well as further scaling and 3D integration, bringing IGZO-based technologies closer to mass production.

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