MC方案｜氮化硼封裝對2D半導(dǎo)體層等離子體處理的影響(上篇)

更新時(shí)間：2024-12-26 點(diǎn)擊次數(shù)：622

二維(2D)過渡金屬二硫族化合物(TMDCs)在光學(xué)、電子學(xué)、催化和能量存儲方面的應(yīng)用是研究的熱點(diǎn)。當(dāng)封裝在沒有電荷無序的環(huán)境中時(shí)，它們的光學(xué)和電子性質(zhì)可以顯著增強(qiáng)。因?yàn)榱降?h-BN)是原子級薄的、高度結(jié)晶的并且是強(qiáng)絕緣體，所以它是封裝和鈍化TMDCs常用的2D材料之一。在這份報(bào)告中，我們研究了超薄氮化硼如何屏蔽底層金屬氧化物半導(dǎo)體在半導(dǎo)體器件制造和后處理過程中通常使用的高能氬等離子體的TMDCs層。像差校正的掃描透射電子顯微鏡用于分析h-BN和MoS₂中的缺陷形成這些觀察結(jié)果與拉曼光譜和光致發(fā)光光譜相關(guān)。我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了h-BN對于短時(shí)間的等離子體暴露(< 30秒)是有效的阻擋層，但是對于長時(shí)間的暴露是無效的，長時(shí)間的暴露會(huì)在下面的MoS₂中導(dǎo)致廣泛的碰撞損傷和非晶化.

導(dǎo)言介紹

將層狀范德瓦爾斯晶體分離成原子級薄的二維(2D)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了對凝聚態(tài)物理的重要新認(rèn)識，^1,2這又導(dǎo)致了全新的電子設(shè)備設(shè)計(jì)。^3,4在這些系統(tǒng)的合成路線、基本物理現(xiàn)象和器件特性的研究上已經(jīng)花費(fèi)了大量的努力。然而，對設(shè)備處理的關(guān)注較少。最終，所有2D材料的應(yīng)用都需要對晶體質(zhì)量、厚度(層數(shù))以及器件加工條件進(jìn)行精確控制。在這種背景下，我們提出了一個(gè)與微電子學(xué)中普遍存在的工藝相關(guān)的古老而相關(guān)的問題：等離子體處理。

等離子體處理廣泛用于清潔、功能化和鈍化表面，以及蝕刻材料。^5–11從石墨烯器件研究的早期開始，它就被應(yīng)用于2D材料。^12–15然而，人們很快意識到高能等離子體會(huì)影響2D材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，從而降低電子設(shè)備中的橫向傳輸。^16–18因此，需要高質(zhì)量、穩(wěn)定且可擴(kuò)展的封裝材料來保護(hù)2D器件通道，這也是研究的目標(biāo)。然而，尚不清楚等離子體處理是否導(dǎo)致封裝層中的電荷結(jié)合，這降低了結(jié)構(gòu)完整的2D材料中的載流子傳輸，或者是否直接損壞了材料。在這些情況下，通常使用電荷傳輸測量來推斷缺陷形成的作用，但是傳輸測量僅提供缺陷引入的間接證據(jù)。這些事實(shí)促使我們使用直接方法來探索等離子體蝕刻條件如何影響封裝層和有源溝道。

在所有高性能2D半導(dǎo)體器件中，隔離或封裝有源半導(dǎo)體層以限制電荷不均勻性和暴露于加工化學(xué)品是至關(guān)重要的。需要封裝來保護(hù)電子器件，例如晶體管和光電器件，晶體管的溝道埋在電介質(zhì)絕緣體下，光電器件的結(jié)埋在觸點(diǎn)和阻擋層下。電荷不均勻性是由俘獲電荷、懸掛鍵和離子鍵的偶極子造成的，所有這些都阻礙了電子傳輸并抑制了2D層中的輻射復(fù)合。有機(jī)層(聚合物)和平的、高度結(jié)晶的、幾乎共價(jià)的材料，例如六方氮化硼(h-BN)¹⁹已經(jīng)證明是2D通道和活性層的有效基底和密封劑。^20–22然而，聚合物和有機(jī)小分子容易受到熱損傷，并且在暴露于溶劑時(shí)會(huì)膨脹和溶解。這意味著它們不適合作為半導(dǎo)體器件制造和加工過程中的密封劑。然而，h-BN具有高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，使其成為潛在的優(yōu)良密封劑。已經(jīng)開發(fā)了用于h-BN封裝的石墨烯和2D半導(dǎo)體器件的直接生長和轉(zhuǎn)移的幾種方案。^23–26在這些研究中，光刻后蝕刻步驟對于限定通道和接觸是BBKS少的。盡管一些研究假設(shè)h-BN足以保護(hù)下面的活性2D層，^27–30還沒有系統(tǒng)的研究提供其有效性的機(jī)制。在這項(xiàng)研究中，我們對h-BN層作為密封劑的功效進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。我們將光譜學(xué)和原子分辨率成像分析相關(guān)聯(lián)，以理解等離子體劑量變化、連續(xù)等離子體暴露、密封劑和底層厚度如何影響損傷累積率。

實(shí)驗(yàn)部分

材料和方法

機(jī)械剝離2D MoS₂如別處所述，使用常規(guī)透明膠帶法制備層。³¹有意選擇剝離層的厚度，使得每個(gè)樣品可以重復(fù)進(jìn)行多次分析。通過使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模的干轉(zhuǎn)移技術(shù)，將剝離的h-BN和MoS₂層轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上。干轉(zhuǎn)移技術(shù)使用電動(dòng)顯微操作臺(X-Y-Z軸)，連接光學(xué)顯微鏡和自制加熱臺（基于熱電材料）。在將MoS₂層轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上之后，樣品在石英管爐中的封閉氣體（Ar?+?H2）環(huán)境中，以去除所有PDMS污染物。在300℃溫度下退火4小時(shí)，以清除污染物并釋放在基于壓力的干轉(zhuǎn)移方法中產(chǎn)生的應(yīng)變。值得注意的是，2H相MoS₂在300°C的還原性氣氛中極其穩(wěn)定。這已經(jīng)被先前幾個(gè)研究證實(shí)，并且在我們選擇的退火溫度下沒有觀察到結(jié)構(gòu)相變或缺陷形成的證據(jù)。^32,33同樣地，將h-BN和MoS₂層轉(zhuǎn)移到專用SiNx TEM網(wǎng)格（Norcada股份有限公司，直徑為100μm 的孔 3×3陣列）并以相同的方式退火，以在照射和隨后的掃描透射電子顯微鏡（STEM）表征之前去除 PDMS 污染。這里使用兩種不同的等離子體輻照系統(tǒng)，在不同的曝光時(shí)間下處理不同的樣品。在所有等離子體暴露分析均使用超純氬氣 (99.995%)。專用的等離子清潔系統(tǒng)可用于固定 TEM 支架，這樣我們就可以在將 TEM 網(wǎng)格安裝到 TEM 支架上，對樣品進(jìn)行多次曝光處理。TEM 分析（TEM 網(wǎng)格上的樣品）與拉曼分析（SiO2/Si 襯底上的樣品）的等離子體暴露時(shí)間不同，因?yàn)楦鶕?jù)可用配置，兩個(gè)系統(tǒng)中樣品距等離子體源的定位距離不同。

特性描述

拉曼光譜以及光致發(fā)光測量使用LabRAM HR Evolution HORIBA系統(tǒng)進(jìn)行。使用光斑尺寸約 0.5μm、激光功率 1% 的 633 nm 激光對 h-BN 和 MoS₂ 層進(jìn)行診斷缺陷相關(guān)分析。在本例中，PL 分析使用 405nm 激光，激光功率為 0.1% (0.25μW)，采集時(shí)間為 1s。使用美國Olympus的光學(xué)顯微鏡對等離子體處理前后的所有樣品進(jìn)行捕獲和分析。等離子體清洗機(jī)（Tergeo Plasma Cleaner）在 0.35Torr 基礎(chǔ)真空環(huán)境下使用 65sccm 的 Ar（99.995% 純度）流量和 50W 射頻功率。在專用TEM等離子體清潔系統(tǒng)(Gatan，Solarus 950)的情況下使用相同的參數(shù)。高角度環(huán)形暗場(HAADF)-STEM已用于直接觀察所有樣品的缺陷演變。所有樣品均使用經(jīng)過像差校正的 JEOL NEOARM STEM，其加速電壓為 200kV，會(huì)聚角為 25-29mrad。對于 JEOL NEOARM STEM，聚光鏡孔徑為 40μm，成像相機(jī)長度為 4cm，探頭電流為 120pA。所有捕獲的 STEM 圖像均使用 Gatan gms 軟件和相關(guān)的 Gatan 明場和高角度環(huán)形暗場探測器收集。使用 imagej 中提供的自適應(yīng)高斯模糊函數(shù)（半徑為 1-2 像素）對實(shí)驗(yàn)獲取的 STEM 圖像進(jìn)行平滑處理。

參考文獻(xiàn)

1.T.?Mueller and E.?Malic, npj 2D Mater. Appl.?2, 29 (2018). PS//doi.org/10.1038/s41699-018-0074-2

2.D.?Jariwala, V. K.?Sangwan, L. J.?Lauhon, T. J.?Marks, and M. C.?Hersam, ACS Nano?8, 1102 (2014).PS//doi.org/10.1021/nn500064s

3.D.?Jariwala, T. J.?Marks, and M. C.?Hersam, Nat. Mater.?16, 170 (2017). PS//doi.org/10.1038/nmat4703

4.P.?Kumar and B.?Viswanath, Cryst. Growth Des.?16, 7145 (2016). PS//doi.org/10.1021/acs.cgd.6b01367

5.P.?Kumar?et al, ACS Appl. Nano Mater.?3, 3750 (2020). PS//doi.org/10.1021/acsanm.0c00027

6.A.?Nipane, D.?Karmakar, N.?Kaushik, S.?Karande, and S.?Lodha, ACS Nano?10, 2128 (2016).PS//doi.org/10.1021/acsnano.5b06529

7.S. M.?Rossnagel, J. J.?Cuomo, and W. D.?Westwood, Handbook of Plasma Processing Technology: Fundamentals, Etching, Deposition, and Surface Interactions (Noyes Publications, Park Ridge, NJ, 1990).

8.E.?Polydorou?et al, J. Mater. Chem. A?4, 11844 (2016).PS//doi.org/10.1039/C6TA03594A

9.T.?Hsu, B.?Anthony, R.?Qian, J.?Irby, S.?Banerjee, A.?Tasch, S.?Lin, H.?Marcus, and C.?Magee, J. Electron. Mater.?20, 279 (1991). PS//doi.org/10.1007/BF02651904

10.W.?Lu?et al, Nano Res.?7, 853 (2014). PS//doi.org/10.1007/s12274-014-0446-7

11.A. N.?Hoffman, M. G.?Stanford, M. G.?Sales, C.?Zhang, I. N.?Ivanov, S. J.?McDonnell, D. G.?Mandrus, and P. D.?Rack, 2D Mater.?6, 045024 (2019). PS//doi.org/10.1088/2053-1583/ab2fa7

12.M. C.?Prado, D.?Jariwala, T. J.?Marks, and M. C.?Hersam, Appl. Phys. Lett.?102, 193111 (2013). PS://doi.org/10.1063/1.4807425

13.M. G.?Stanford, P. D.?Rack, and D.?Jariwala, npj 2D Mater. Appl.?2, 20 (2018). PS//doi.org/10.1038/s41699-018-0065-3

14.B. M.?Foley, S. C.?Hernández, J. C.?Duda, J. T.?Robinson, S. G.?Walton, and P. E.?Hopkins, Nano Lett.?15, 4876 (2015). PS//doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b00381

15.H.?Park, G. H.?Shin, K. J.?Lee, and S.-Y.?Choi, Nanoscale?10, 15205 (2018). PS//doi.org/10.1039/C8NR02451K

16.M. R.?Islam, N.?Kang, U.?Bhanu, H. P.?Paudel, M.?Erementchouk, L.?Tetard, M. N.?Leuenberger, and S. I.?Khondaker, Nanoscale?6, 10033 (2014). PS//doi.org/10.1039/C4NR02142H

17.H.?Nan, R.?Zhou, X.?Gu, S.?Xiao, and K.?Ostrikov, Nanoscale?11, 19202 (2019). PS//doi.org/10.1039/C9NR05522C

18.B.?Chamlagain and S. I.?Khondaker, Appl. Phys. Lett.?116, 223102 (2020). PS//doi.org/10.1063/5.0008850

19.K. H.?Michel and B.?Verberck, Phys. Status Solidi B?246, 2802 (2009).PS//doi.org/10.1002/pssb.200982307

20.X.?Cui?et al, Nat. Nanotechnol.?10, 534 (2015). PS//doi.org/10.1038/nnano.2015.70

21.W.?Bao, X.?Cai, D.?Kim, K.?Sridhara, and M. S.?Fuhrer, Appl. Phys. Lett.?102, 042104 (2013).PS://doi.org/10.1063/1.4789365

22.J.?Mun?et al, ACS Appl Electron. Mater.?1, 608 (2019). PS//doi.org/10.1021/acsaelm.9b00078

23.L.?Wang?et al, Science?342, 614 (2013). PS//doi.org/10.1126/science.1244358

24.F.?Pizzocchero, L.?Gammelgaard, B. S.?Jessen, J. M.?Caridad, L.?Wang, J.?Hone, P.?B?ggild, and T. J.?Booth, Nat. Commun.?7, 11894 (2016). PS//doi.org/10.1038/ncomms11894

25.A. S.?Mayorov?et al, Nano Lett.?11, 2396 (2011). PS//doi.org/10.1021/nl200758b

26.K.?Zhang, Y.?Feng, F.?Wang, Z.?Yang, and J.?Wang, J. Mater. Chem. C?5, 11992 (2017). PS//doi.org/10.1039/C7TC04300G

27.J. I. J.?Wang, Y.?Yang, Y.-A.?Chen, K.?Watanabe, T.?Taniguchi, H. O. H.?Churchill, and P.?Jarillo-Herrero, Nano Lett.?15, 1898 (2015). PS//doi.org/10.1021/nl504750f

28.X.?Chen?et al, Nat. Commun.?6, 7315 (2015). PS//doi.org/10.1038/ncomms8315

29.H.?Arora?et al, ACS Appl. Mater. Interfaces?11, 43480 (2019). PS//doi.org/10.1021/acsami.9b13442

30.A. A.?Zibrov, C.?Kometter, H.?Zhou, E. M.?Spanton, T.?Taniguchi, K.?Watanabe, M. P.?Zaletel, and A. F.?Young, Nature?549, 360 (2017). PS//doi.org/10.1038/nature23893

31.H.?Li, J.?Wu, Z.?Yin, and H.?Zhang, Acc. Chem. Res.?47, 1067 (2014). PS//doi.org/10.1021/ar4002312

32.K. E.?Dungey, M. D.?Curtis, and J. E.?Penner-Hahn, Chem. Mater.?10, 2152 (1998). PS//doi.org/10.1021/cm980034u

33.R.?Yang, X.?Zheng, Z.?Wang, C. J.?Miller, and P. X.-L.?Feng, J. Vac. Sci. Technol. B?32, 061203 (2014). PS//doi.org/10.1116/1.4898117