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Neue plasmabasierte Verfahren für die Fertigung der Hochleistungselektronik von morgen

Im Zuge eines zunehmenden Interesses an neuartigen Werkstoffen, die möglicherweise Silizium in den elektronischen Hochleistungsgeräten der Zukunft ersetzen könnten, finden derzeit 2D-Materialien, wie Übergangsmetall-Dichalkogenide, aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften erhebliche Beachtung. Eine EU-Initiative hat sich der äußerst herausfordernden Aufgabe gestellt, neuartige Verfahren, die auf gepulstem Plasma beruhen, besser zu verstehen und steuern zu können. Dies soll einer großmaßstäblichen Integration von Übergangsmetall-Dichalkogeniden in hochentwickelten Geräten zugutekommen.

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Während die außergewöhnlichen Eigenschaften von Übergangsmetall-Dichalkogeniden bereits anhand mechanisch exfolierter Flocken nachgewiesen wurden, gestaltet sich die breitflächige Einbindung dieser Materialien in komplexe Geräte weiterhin überaus schwierig. „Aufgrund der extremen Empfindlichkeit und Zerbrechlichkeit von 2D-Kristallen im Vergleich mit klassischen Grundmaterialien müssen sämtliche Verfahrenstechnologien, die in Halbleiter-Fabrikationsanlagen zur Anwendung kommen, erneut überprüft werden“, so Stefan De Gendt, Leiter des EU-finanzierten Projekts PULSE2D. „Wir haben eine plasmabasierte Technologie entwickelt, um die Übergangsmetall-Dichalkogenid-Materialien mit einer Genauigkeit im atomaren Bereich zu säubern, zu funktionalisieren und zu ätzen.“ Dieses Forschungsvorhaben wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt.

Plasmabehandlung von Übergangsmetall-Dichalkogenid-Materialien auf ganzen Wafern

Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Daniil Marinov gelangen erste Schritte, er konnte nämlich Einsichten in die fundamentalen Mechanismen der Interaktionen von Plasma und Übergangsmetall-Dichalkogeniden gewinnen. Er zeigte auf, dass niederenergetische Plasmaionen (unter 10 eV) selbst wenn keine Vorspannung anliegt, in der Lage sind, die 2D-Schichten irreparabel zu beschädigen. „Das bedeutet, dass für Prozesse, bei denen geringe Beschädigungen auftreten können, wie Reinigung oder Funktionalisierung, Ionenbeschuss vollständig ausgeschlossen werden sollte“, erklärt Marinov. „Deshalb fanden sorgfältige Untersuchungen zum Einsatz einer externen Plasmaquelle statt.“ Zusammen mit dem Projektkoordinator Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) wies der Stipendiat nach, dass das externe Wasserstoffplasma Polymerrückstände vollständig beseitigte und nur geringste Veränderungen der Materialeigenschaften auftraten. „Keine der bestehenden Reinigungstechnologien ermöglicht eine vollständige Entfernung von Polymerrückständen, ohne die 2D-Schichten zu beschädigen“, erläutert Marinov. Unter Zuhilfenahme von ab-initio-Simulationen untersuchten sie die Mechanismen der Interaktionen von Plasma und Oberflächen. Um den Kontaktwiderstand in den auf Übergangsmetall-Dichalkogeniden basierenden Feldeffekttransistoren zu reduzieren, griff das Forschungsteam erfolgreich auf externes Wasserstoffplasma in Kombination mit molekularem Doping zurück. „Durch Plasmareinigung kann der Kontaktwiderstand verringert werden, was besonders wichtig ist, da Kontakte die Leistung ultraskalierter Übergangsmetall-Dichalkogenid-Geräte begrenzen.“ Für die Integration von Übergangsmetall-Dichalkogeniden im Wafermaßstab nahm Marinov außerdem die Anwendung eines Verfahrens namens Atomlagenätzen in den Fokus. „Selektives Ätzen der Gate-Dielektrika stellt einen entscheidenden Schritt für den Anschluss des Übergangsmetall-Dichalkogenid-Kanals in Feldeffekttransistoren dar“, führt er aus. Marinov und das IMEC-Team testeten, ob unter Verwendung von Bortrichlorid und Chlor das Atomlagenätzen für High-k-Dielektrika-Schichten geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Nutzung des Atomlagenätzverfahrens die Gate-Dielektrika selektiv bis zum Siliziumdioxid, das auf die High-k-Schnittstellen des Übergangsmetall-Dichalkogenids aufgebracht ist, entfernt werden können. „Dies ermöglicht erstmals die Ausbildung von auf den 2D-Schichten befindlichen Kontakten in einer Art und Weise, die in Halbleiter-Fabrikationsanlagen anwendbar ist.“

Die Nukleation bei der Atomlagenabscheidung optimieren

Ein weiteres Ziel des Projektes war es, den bei der Atomlagenabscheidung der Gate-Dielektrika auf Molybdändisulfid erzielten Filmabschluss zu verbessern. „Wir belegten, dass eine Vorbehandlung des externen Wasserstoffplasmas zusammen mit molekularem Doping durch Chlor und Carbonylsulfid genutzt werden kann, um die Nukleation bei der Atomlagenabscheidung auf einer Übergangsmetall-Dichalkogenid-Oberfläche zu optimieren“, fährt Marinov fort. „Allerdings kommt es aufgrund der verbesserten Nukleation zu Materialschäden.“ Um dies zu beheben, wurde ein alternativer Atomlagenabscheidungsprozess mit umfassenderer Exposition der Übergangsmetall-Dichalkogenid-Oberfläche gegenüber Vorläufermolekülen vorgeschlagen. „Die im Rahmen von PULSE2D entwickelten Plasmaverfahren sowie das erworbene fundamentale Verständnis zu Interaktionen von Plasma und Oberflächen von 2D-Materialien finden Einsatz bei der Fertigung neuer Geräte, die auf derartigen Materialien basieren und für Logik-, Speicher- und Optoelektronik-Anwendungen gedacht sind“, schließt Marinov.

Schlüsselbegriffe

PULSE2D, Übergangsmetall-Dichalkogenide, Plasma, Atomlagenätzen, 2D-Schichten, 2D-Materialien, Übergangsmetall-Dichalkogenid-Materialien, Interaktionen von Plasma und Oberflächen

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