Nowe techniki plazmowe pozwolą na wytwarzanie wysokowydajnej elektroniki jutra
Pomimo tego, że dotychczas udało się wykazać wyjątkowe właściwości dichalkogenków metali przejściowych na podstawie mechanicznie złuszczonych płatków, integracja tych materiałów w złożonych urządzeniach na szeroką skalę pozostaje nadal olbrzymim wyzwaniem. „Ze względu na wyjątkową czułość i kruchość dwuwymiarowych kryształów w porównaniu z klasycznymi materiałami o skali makro konieczne będzie ponowne przyjrzenie się i wprowadzenie odpowiednich zmian w technologiach przetwarzania wykorzystywanych w produkcji półprzewodników”, twierdzi Stefan De Gendt, kierownik finansowanego przez Unię Europejską projektu PULSE2D. „W tym celu opracowaliśmy technologię plazmową wykorzystywaną do czyszczenia, funkcjonalizowania i wytrawiania dichalkogenków metali przejściowych z dokładnością mierzoną w atomach”. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Plazmowa obróbka dichalkogenków metali przejściowych na pełnych plastrach
Daniil Marinov, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”, rozpoczął swoje badania od dogłębnego zapoznania się z podstawowymi mechanizmami oddziaływań pomiędzy plazmą i dichalkogenkami metali przejściowych. Badacz wykazał, że nawet w przypadku braku przyłożonego napięcia początkowego, jony niskoenergetycznej plazmy (poniżej 10 eV) są w stanie naruszać warstwy 2D w sposób, który jest niemożliwy do naprawy. „W praktyce oznacza to, że w przypadku procesów nieniszczących, takich jak czyszczenie lub funkcjonalizacja, należy wykluczyć całkowicie możliwość stosowania bombardowania jonowego”, wyjaśnia Marinov. „Właśnie dlatego badania skupiły się w następnej kolejności na możliwości zastosowania zdalnego źródła plazmy”. Wraz z koordynującą projekt organizacją Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC), badacz wykazał możliwość całkowitego usuwania pozostałości polimeru przy pomocy zdalnej plazmy H2, która powoduje jedynie niewielką modyfikację właściwości materiału. „Żadna z istniejących technologii czyszczenia nie jest w stanie całkowicie wyeliminować pozostałości polimerów bez uszkodzenia warstw 2D”, dodaje Marinov. Wykorzystując symulacje ab initio, badacze zajęli się sprawdzaniem mechanizmów oddziaływań między plazmą i powierzchnią materiału. W celu zmniejszenia oporności styków w tranzystorach polowych opartych na dichalkogenkach metali przejściowych zespół badawczy z powodzeniem zastosował zdalną plazmę wodorową w połączeniu z domieszką molekularną. „Czyszczenie plazmowe może zmniejszyć oporność styków, co stanowi jedną z najważniejszych kwestii, ponieważ styki ograniczają osiągi ultra-skalowanych urządzeń wykonanych z dichalkogenków metali przejściowych. Marinov skupił się również na zastosowaniu techniki wytrawiania warstw atomowych (ALE) w celu integracji plastrów dichalkogenków. „Selektywne wytrawianie dielektryków bramkowych jest kluczowym krokiem prowadzącym do wykorzystania kanału dichalkogenkowego w tranzystorach polowych”, dodaje. Wraz z zespołem IMEC, Marinov zbadał możliwość wytrawiania warstw atomowych w celu uzyskania warstw dielektrycznych o wysokim współczynniku κ przy użyciu mieszaniny BCl3/Cl2. Wnioski wyciągnięte z badania pokazują, że dzięki zastosowaniu tego procesu jest możliwe selektywne usuwanie materiałów dielektryków bramkowych do dwutlenku krzemu osadzającego się na styku z dichalkogenkiem metali przejściowych o wysokim współczynniku κ. „Dzięki temu po raz pierwszy udało się wytworzyć styki na warstwach dwuwymiarowych w sposób zgodny z obecnymi technologiami produkcji”.
Usprawnianie procesu nukleacji w ramach osadzania warstw atomowych
Kolejnym celem projektu była poprawa procesu osadzania warstw atomowych dielektryków bramkowych na dwusiarczku molibdenu (MoS2). „Udało nam się skutecznie wykazać, że wstępna zdalna obróbka przy pomocy plazmy wodorowej w połączeniu z domieszką molekularną z Cl2 i siarczkiem karbonylu może zostać wykorzystana do poprawy nukleacji w ramach procesu osadzania warstw atomowych na podłożu z dichalkogenków metali przejściowych,” dodaje Marinov. „Lepsza nukleacja odbywa się jednak w tym przypadku kosztem strat materiałowych”. W celu rozwiązania tego problemu naukowcy zaproponowali nowe podejście do procesu osadzania warstw atomowych, obejmujące bardziej długotrwałe wystawienie powierzchni dichalkogenkowej na działanie cząsteczek prekursorów. „Procesy plazmowe opracowane w ramach projektu PULSE2D i zdobyta wiedza na temat oddziaływań między plazmą i powierzchnią materiałów dwuwymiarowych znajdą zastosowanie w produkcji nowych urządzeń opartych na takich materiałach – pamięci, a także układów optoelektronicznych i logicznych”, podsumowuje Marinov.
