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Nuevas técnicas a base de plasma para fabricar la electrónica de alto rendimiento del futuro

Debido al creciente interés en nuevos materiales que puedan sustituir al silicio en los dispositivos electrónicos de alto rendimiento del futuro, los materiales bidimensionales (2D), como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD, por sus siglas en inglés) han suscitado una gran atracción por sus propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas únicas. Una iniciativa de la Unión Europea ha abordado la muy difícil tarea de comprender y controlar mejor las nuevas tecnologías de plasma pulsado para su integración de TMD a gran escala en dispositivos sofisticados.

Energía

Si bien se han demostrado las propiedades excepcionales del TMD en copos exfoliados mecánicamente, la integración extensa de estos materiales en dispositivos complejos sigue siendo extremadamente complicada. Según declara Stefan De Gendt, supervisor principal del proyecto PULSE2D financiado con fondos europeos: «Debido a la extrema sensibilidad y fragilidad de los cristales 2D en comparación con los materiales clásicos a granel, hay que volver a analizar todas las tecnologías de procesamiento utilizadas en las fábricas de semiconductores. Desarrollamos una tecnología a base de plasma para limpiar, funcionalizar y grabar materiales de TMD con una precisión de escala atómica». Esta investigación se ha llevado a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie.

Procesamiento de plasma de materiales de TMD en obleas completas

Daniil Marinov, beneficiario de una beca de investigación Marie Skłodowska-Curie, comenzó por conocer mejor los mecanismos fundamentales de las interacciones plasma-TMD. Demostró que, incluso en ausencia de tensión de polarización aplicada, los iones de plasma de baja energía (menos de 10 eV) son capaces de dañar las capas 2D de forma irreparable. Según explica Marinov: «Esto significa que para procesos de daño reducido, como la limpieza o la funcionalización, debe descartarse por completo el bombardeo de iones. Por eso se ha investigado a fondo la aplicación de una fuente de plasma remoto». Junto con el coordinador del proyecto, el Centro Interuniversitario de Microelectrónica (IMEC), el becario demostró que el plasma de hidrógeno remoto elimina por completo los residuos de polímeros, lo que se traduce en solo una pequeña modificación de las propiedades del material. «Ninguna de las tecnologías de limpieza actuales es capaz de eliminar completamente los residuos de polímeros sin dañar las capas 2D», señala Marinov. A través de simulaciones «ab initio», investigaron los mecanismos de las interacciones plasma-superficie. Para reducir la resistencia de contacto en los transistores de efecto de campo a base de TMD, el equipo de investigación aplicó con éxito el plasma de hidrógeno remoto en combinación con el dopaje molecular. «La limpieza con plasma puede reducir la resistencia de contacto, lo cual reviste una importancia primordial porque los contactos limitan el rendimiento de los dispositivos de TMD ultraescalados». Marinov también se centró en la aplicación de la técnica de grabado de la capa atómica (ALE, por sus siglas en inglés) para la integración a escala de oblea de los TMD. «El grabado selectivo de los dieléctricos de puerta es un paso esencial para contactar el canal de TMD en los transistores de efecto de campo», explica. Marinov y el equipo del IMEC estudiaron el ALE de las capas de alta permitividad dieléctrica (high-κ) en la química de tricloruro de boro (BCl3)/dicloro (Cl2). Los hallazgos muestran que mediante el proceso de ALE, los materiales dieléctricos de puerta pueden eliminarse de forma selectiva para depositar dióxido de silicio en la interfase TMD high-κ. «Por primera vez, esto permite la formación de contactos superiores a las capas 2D de una manera compatible con la fabricación».

Mejora de la nucleación de la deposición de capas atómicas

Otro objetivo del proyecto era mejorar el cierre de la película durante la deposición de capas atómicas (ALD) de dieléctrica de puerta en el disulfuro de molibdeno (MoS2). Marinov continúa: «Demostramos que el pretratamiento remoto con plasma de hidrógeno combinado con dopaje molecular con Cl2 y sulfuro de carbonilo (OCS) puede utilizarse para mejorar la nucleación de la ALD en una superficie de TMD. Sin embargo, la mejora de la nucleación se produce a expensas de los daños materiales». Para hacer frente a esto, se propuso un proceso alternativo de ALD con una exposición prolongada de la superficie de TMD a las moléculas precursoras. «Los procesos de plasma desarrollados en el marco de PULSE2D y la comprensión fundamental adquirida de las interacciones plasma-superficie con los materiales 2D se aplicarán para la producción de nuevos dispositivos basados en dichos materiales con aplicaciones lógicas, de memoria y optoelectrónicas», concluye Marinov.

Palabras clave

PULSE2D, TMD, plasma, ALE, capas 2D, materiales 2D, materiales de TMD, interacciones plasma-superficie

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