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臺式ALD，Nat. Mater.！二維晶體管介電層集成研究取得重要進展
臺式三維原子層沉積系統(tǒng)-ALD
體積小巧，可放在實驗桌上
多片4，6，8 英寸樣品同時沉積
厚度均勻性高于99%
適合復(fù)雜/ 摻雜薄膜沉積
二維半導(dǎo)體表面沉積利器
......
體積小巧，可放在實驗桌上
多片4，6，8 英寸樣品同時沉積
厚度均勻性高于99%
適合復(fù)雜/ 摻雜薄膜沉積
二維半導(dǎo)體表面沉積利器
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隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，基于硅半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管（FET）的尺寸不斷縮小，目前已經(jīng)接近其物理極限。在新興材料中，二維半導(dǎo)體可達到原子級厚度且保持高載流子遷移率，理論上可實現(xiàn)優(yōu)異的柵極控制，因而被認為是用于下一代場效應(yīng)晶體管的理想溝道材料。然而，由于二維半導(dǎo)體表面無懸掛鍵，很難在其表面集成高質(zhì)量的介電層，這是目前該領(lǐng)域的重大難題。
為解決上述問題，華中科技大學(xué)翟天佑團隊以無機分子晶體Sb2O3作為緩沖層，發(fā)明了一種在二維材料表面集成超薄高k介電層的普適性方法。利用該緩沖層法制備的HfO2/Sb2O3復(fù)合介電層可實現(xiàn)0.67 nm的等效氧化層厚度（EOT），是目前報道的二維晶體管介電層中zui低的。高質(zhì)量的界面降低了界面態(tài)密度，由單層MoS2溝道和HfO2/Sb2O3復(fù)合介電層構(gòu)成的FET在0.4 V的超低工作電壓下即可獲得超過106的開關(guān)比，其柵極控制效率優(yōu)于目前報道的其他所有FET。該項成果以“Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”為題發(fā)表于國際高水平期刊Nature Materials。
Sb2O3緩沖層的作用機理如下：一方面，Sb2O3可與二維半導(dǎo)體間形成高質(zhì)量的范德華界面；另一方面，Sb2O3覆蓋了二維材料原有的疏水表面，提供了高度親水的表面，提升了與傳統(tǒng)原子層沉積（ALD）工藝的相容性，便于集成超薄高k介電層。圖1a展示了在MoS2二維半導(dǎo)體表面集成HfO2/Sb2O3復(fù)合介電層的過程。作者利用熱蒸鍍法制備了Sb2O3緩沖層，隨后使用美國Arradiance公司的GEMStar系列臺式原子層沉積(ALD)系統(tǒng)制備了致密均勻的HfO2層（圖1b）。此外，作者還利用該臺式ALD設(shè)備在MoS2/Sb2O3上生長了常見介電層Al2O3和ZrO2(圖1c, 1d)，證明了該方法的普適性。
圖1. （a）在MoS2二維半導(dǎo)體表面集成HfO2/Sb2O3復(fù)合介電層的過程,(b)-(c)樣品的AFM圖像。
隨后，作者用第一性原理計算研究了Sb2O3緩沖層對ALD過程的促進原理。如圖2a-2b所示，H2O分子在MoS2表面的吸附距離為約3?,在Sb2O3表面的吸附距離減小至約2?，接近于水中氫鍵的長度。同時，H2O分子在Sb2O3表面的吸附能大幅高于在MoS2表面的吸附能（圖2c）。上述結(jié)果表明Sb2O3緩沖層可促進ALD過程中的前驅(qū)體吸附，有助于介電層的生長。
圖2. H2O分子在(a)MoS2和（b）Sb2O3表面的吸附構(gòu)型，（c）H2O分子在MoS2和Sb2O3表面的吸附能。
本文所使用的美國Arradiance公司的GEMStar系列臺式原子層沉積系統(tǒng)如圖3所示，在小巧的機身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子層沉積所需的所有功能，可容納9片8英寸基片同時沉積。全系配備熱壁，結(jié)合前驅(qū)體瓶加熱，管路加熱，橫向噴頭等設(shè)計，使溫度均勻性高達99.9%，氣流對溫度影響減少到0.03%以下。高溫度穩(wěn)定度的設(shè)計不僅可在8英寸基體上實現(xiàn)厚度均勻的膜沉積（其厚度均勻性高于99%），而且適合對具有超高長徑比孔徑的3D結(jié)構(gòu)進行均勻薄膜覆蓋，在高達1500：1長徑比微納深孔內(nèi)部也可均勻沉積。此外，該設(shè)備還具有節(jié)約前驅(qū)體原料，制備效率高，性價比高等優(yōu)點。該設(shè)備已幫助國內(nèi)外用戶取得大量Nature、Science級別的研究成果。
圖3. 美國Arradiance公司生產(chǎn)的GEMStar系列臺式三維原子層沉積系統(tǒng)
參考文獻：
[1]. Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. Nat. Mater., 2023, DOI:10.1038/s41563-023-01626-w
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