Atoom laag depositie van enkel- en meervoudig gelaagde transitie metaaldichalcogenides voor toekomstige generatie logic toepassingen.

Groep-VI transitiemetaaldichalcogenides (MX2), zoals wolfraamdisulfide (WS2), vertegenwoordigen een opkomende groep van twee-dimensionale (2D) halfgeleiders. Ze bezitten complementaire eigenschappen ten opzichte van silicium, het conventionele kanaalmateriaal in nano-elektronische transistoren. Het bekomen van de beoogde functionaliteit vereist atomaire controle over het aantal monolagen en over hun structuur en morfologie. Bovendien is er nood aan industrieel relevante synthesetechnieken die compatibel zijn met temperatuurgevoelige structuren. De ontwikkeling van dergelijke processen voor de depositie van 2D MX2 monolagen, zoals chemische-dampdepositie (CVD) en atoomlaagdepositie (ALD), wordt echter gehinderd door een gebrek aan fundamenteel inzicht in de groei- en nucleatiemechanismen. Daarom onderzoeken wij in deze doctoraatsthesis de groei- en nucleatiemechanismen van WS2 ALD en CVD processen bij lage depositietemperaturen (< 450 °C), op basis van een analyse van de samenstelling, structuur en morfologie van de WS2 depositie.

Het beschouwde modelsysteem gebruikt de wolfraamhexafluoride (WF6) en diwaterstofsulfide (H2S) precursoren. We vergelijken WS2 depositie op twee startoppervlakken met een verschillende reactiviteit ten opzichte van de precursoren, namelijk alumina en silica. De adsorptiesnelheid van de precursoren op het startoppervlak en de mobiliteit van de geadsorbeerde precursordeeltjes bepalen de structuur en kristalgrootte van de WS2 lagen. De adsorptiesnelheid van de precursoren is laag op het inherent weinig reactieve SiO2-oppervlak. Dit laat diffusie van de geadsorbeerde deeltjes toe en laterale groei van de WS2 kristallen. Tijdens het thermische ALD en CVD proces is de groeisnelheid van de WS2 kristallen op SiO2 echter bijzonder traag, wat praktische toepassingen beperkt. De groeisnelheid kan aanzienlijk verhoogd worden door een reducerend agens, zoals H2 plasma, toe te voegen in een ternair plasma-gebaseerd PEALD proces. Het H2 plasma vormt reactieve oppervlaktegroepen voor de adsorptie van WF6, en reduceert geadsorbeerde W6+ -oppervlaktedeeltjes. De WS2 kristallen groeien voornamelijk lateraal door preferentiële incorporatie van oppervlaktedeeltjes aan de kristalranden. Deze kristalranden zijn namelijk meer reactief dan het (0002) WS2 kristalvlak. Onze inzichten in het groei- en nucleatiemechanisme van het PEALD proces laten ons toe om de samenstelling van de WS2 kristallen, de oriëntatie van het (0002) kristalvlak en de kristaldimensies te veranderen. Bovendien toont ons onderzoek aan dat WS2 kristallen lateraal kunnen uitgroeien vanuit welbepaalde posities op het startoppervlak. Dit “controlled seeding” concept is veelbelovend om de korrelgrenzen in WS2 buiten het actieve deel van de transistor te houden. Tot dusver vertonen andere WS2 ALD processen in de huidige literatuur slechts een beperkte kristalgrootte. Daarentegen, het inzicht in het groeimechanisme van het WS2 PEALD proces biedt een perspectief om de kristaldimensies te vergroten, zelfs bij lage depositietemperaturen (< 450 °C).