Plasmafysica en Chemie Uitdagingen voor de Interconnect Technologie van 2D Materialen.

Transitie-metaal dichalcogeniden zoals MoS2 of WS2 zijn halfgeleidende materialen met een gelaagde structuur. Eén enkele laag bestaat uit een vlak van metaalatomen dat aan de boven- en onderkant wordt afgesloten door de zwavel, seleen of tellurium chalcogeenatomen. Deze lagen vertonen een sterke covalente binding in het vlak, terwijl de Van-der-Waals-bindingen tussen aangrenzende lagen zwak zijn. Die zwakke bindingen maken microsplitsing en extractie van een monolaag mogelijk. Transistors gebouwd op dergelijke monolagennanosheets zijn veelbelovend vanwege de hoge elektrostatische controle in vergelijking met een bulk halfgeleider. Dit is belangrijk voor een hoge schakelsnelheid en een laag stroomverbruik in de OFF-toestand. Toch vertonen prototypen van dergelijke nanoschijftransistoren defecten vanwege het fabricageproces. Gesloten films over een groot oppervlak kunnen niet verkregen worden door mechanische splitsing van millimetersgrote kristallen. Voor verwerking op wafer-niveau zijn synthetische groeimethoden nodig. Het is een uitdaging om met synthetische groeitechnieken enkele lagen te verkrijgen met grote laterale kristallen of zelfs zonder korrelgrenzen. Dit vereist vooraf geconditioneerde monokristallijne substraten, afzetting op hoge temperatuur en polymeerondersteunde overdracht naar andere beoogde substraten. Dergelijke overdracht leidt tot scheuren in de film en het resterend polymeer uit het bindmateriaal degradeert de veelbelovende eigenschappen van de lagen. Afgezien van de overdracht is het vormen van gestapelde 2D-laagpatronen noodzakelijk om elektrische geïntegreerde schakelingen te maken. De vormgeving van een 2D-materiaal, of een ander materiaal erboven, is een uitdaging. De integratie van de nanosheets in geminiaturiseerde schakelingen kan niet worden verwezenlijkt met conventionele  droge etstechnieken, met radiofrequent, vanwege de afwezigheid van etsstoplagen en de kwetsbaarheid van de dunne lagen. Om deze problemen in groei en integratie te elimineren, hebben we de depositiemethoden onderzocht op wafer-niveau en lage-schade integratieschema's.

Daarom hebben we de groei van MoS2 bestudeerd met een hybride fysisch-chemische dampdepositie waarvoor metaallagen werden afgezet en vervolgens in H2S werden verzwaveld om 2D-lagen met een groot oppervlak te verkrijgen. De invloed van de verzwavelingstemperatuur, tijd, gedeeltelijke H2S-druk en H2-toevoeging op de stoichiometrie, kristalliniteit en ruwheid werden onderzocht. Verder werd een selectieve lage temperatuurafzetting-en-conversieproces geanalyseerd bij 450 °C voor WS2  groei met WF6, H2S en Si als precursors. Si werd gebruikt als een reductant voor WF6 om dunne W-films af te zetten en H2S converteerde deze film in situ. De impact van de hoeveelheid reductant, de oppervlaktetoestand ervan, het temperatuurvenster en de benodigde tijd voor de omzetting van Si in W en W in WS2 werden bestudeerd. Verdere kwaliteitsverbeteringsstrategieën op WS2 werden geïmplementeerd door extra afdeklagen te gebruiken in combinatie met gloeien. Afdeklagen zoals Ni en Co voor metaal-geïnduceerde kristallisatie werden vergeleken met diëlektrische afdeklagen. De impact van de metalen afdeklaag, en de dikte ervan, op de herkristallisatie werd geëvalueerd. De eigenschap van de diëlektrische afdeklaag om zwavelverlies onder hoge temperatuur te onderdrukken, werd onderzocht. De uitstookstappen, die werden uitgevoerd door snelle thermische gloeiing en nanoseconde lasergloeiing, werden besproken.

Uiteindelijk werd de fabricage van een heterostack met een MoS2-basislaag en selectief gegroeide WS2 bestudeerd. Atoomlaagetsen werd geïdentificeerd als een aantrekkelijke techniek om de vaste precursor, Si, van het MoS2 laag-voor-laag te verwijderen. Het in situ verwijderen van natuurlijk groeiend SiO2 en de impact op MoS2 werd bepaald. Het gecreëerde Si op MoS2-patroon werd vervolgens omgezet in een WS2 op MoS2-patroon door het eerder ontwikkelde selectieve WF6/H2S-proces. Door zijn zelflimiterende karakter biedt deze procedure een aantrekkelijke, schaalbare manier om het vervaardigen van 2D-apparaten met CMOS-compatibele processen mogelijk te maken en draagt deze bij tot essentiële vooruitgang op het gebied van 2D-materiaaltechnologie.