De nouvelles techniques au plasma pour la fabrication les produits électroniques hautement performants de demain
Bien que les propriétés exceptionnelles des TMD aient été démontrées sur des claies exfoliées mécaniquement, une intégration à grande échelle de ces matériaux dans des dispositifs complexes reste extrêmement exigeante. «En raison de l’extrême sensibilité et fragilité des cristaux 2D par rapport aux matériaux en vrac classiques, toutes les technologies de traitement utilisées dans la fabrication des semi-conducteurs doivent être réexaminées», explique Stefan De Gendt, superviseur en chef du projet PULSE2D, financé par l’UE. «Nous avons développé une technologie plasma pour nettoyer, fonctionnaliser et éroder des TMD avec une précision à l’échelle atomique.» Ces recherches ont été entreprises avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.
Traitement plasma des TMD sur des plaquettes complètes
Daniil Marinov, boursier du programme Marie Skłodowska-Curie, a commencé par recueillir des informations sur les mécanismes fondamentaux des interactions TMD-plasma. Il a montré que, même en l’absence d’une tension de polarisation, les ions de plasma à faible énergie (moins de 10 eV) peuvent endommager les couches 2D jusqu’à un point où elles ne peuvent plus être réparées. «Cela signifie que pour les processus à faibles dommages tels que le nettoyage ou la fonctionnalisation, un bombardement ionique devrait être entièrement exclu», explique Daniil Marinov. «Voilà pourquoi l’utilisation d’une source plasma distante a été soigneusement étudiée.» Avec le coordinateur du projet de l’Interuniversity Microelectronics Center (IMEC), M. Marinov a démontré que les résidus de polymère sont entièrement éliminés par le plasma H2 distant, n’entraînant ainsi qu’une modification mineure des propriétés du matériau. «Aucune des technologies de nettoyage existantes ne peut éliminer totalement les résidus de polymère sans endommager les couches 2D», indique Daniil Marinov. À l’aide de simulations ab initio, ils ont étudié les mécanismes des interactions plasma-surface. Pour réduire la résistance de contact des transistors à effet de champ à base de TMD, l’équipe de recherche a appliqué avec succès du plasma d’hydrogène distant en combinaison avec le dopage moléculaire. «Le nettoyage au plasma peut réduire la résistance de contact, ce qui est d’une importance capitale car les contacts limitent les performances des dispositifs TMD à ultra échelle.» Daniil Marinov s’est également efforcé d’appliquer la technique d’érodage de la couche atomique (ALE) pour l’intégration des TMD sur les plaquettes. «Une érosion sélective des diélectriques de porte est une étape critique pour le contact du canal TMD dans les transistors à effet de champ», a-t-il indiqué. Daniil Marinov et l’équipe de l’IMEC ont étudié l’ALE des couches diélectriques à haute permittivité dans la chimie BCI3/Cl2. Les résultats montrent qu’en utilisant le procédé d’ALE, les matériaux diélectriques peuvent être retirés de manière sélective en dioxyde de silicium déposé à l’interface TMD à haute permittivité. «Pour la première fois, cela permet la formation de contacts de surface avec les couches 2D de manière compatible pour la fabrication.»
Amélioration de la nucléation du dépôt de couches atomiques (ALD)
L’amélioration de la fermeture du film lors du dépôt par couche atomique des diélectriques de porte sur le disulfure de molybdène, MoS2, était l’un des autres objectifs du projet. «Nous avons montré que le pré-traitement au plasma d’hydrogène distant associé au dopage moléculaire avec le Cl2 et le sulfure de carbonyle peut être utilisé pour améliorer la nucléation de l’ALD sur une surface de TMD», poursuit Daniil Marinov. «Cependant, l’amélioration de la nucléation entraîne des dommages matériels.» Pour y remédier, un processus ALD alternatif avec une exposition prolongée de la surface des TMD aux molécules précurseurs a été proposé. «Les processus plasma développés au cours du projet PULSE2D et la compréhension fondamentale acquise des interactions plasma-surface avec des matériaux 2D seront appliqués lors de la production de nouveaux dispositifs à base de matériaux similaires pour des applications de logique, de mémoire et d’optoélectronique», conclut Daniil Marinov.
