二維材料 ALD 的晶圓級集成變化

來源:《半導體芯科技》雜志文章

在晶圓級集成 ALD 生長的二維材料，需要克服先進工藝開發(fā)的挑戰(zhàn)。

作者：Friedrich Witek，德國森泰科儀器（SENTECH Instruments）公司高級經(jīng)理

德國“波鴻二維電子系統(tǒng)微電子研究實驗室”（Research Laboratory Microelectronics Bochum for 2D Electronic Systems, ForLab PICT2DES）項目旨在實現(xiàn)晶圓級微電子和微系統(tǒng)技術的高級應用。二維（2D）材料（比如過渡金屬硫化物 (TMD)）所具有的獨特光學、熱學和機械特性，在不斷發(fā)展的微技術領域（包括高靈敏度傳感器、超薄邏輯器件、納米發(fā)電機、電子器件和光電器件）有著極為廣闊的應用前景。雖然此類材料會帶來一些工藝上的挑戰(zhàn)，但是，通過二維材料的層厚控制能夠調(diào)節(jié)電氣和光學特性，這一點在未來的應用場合中具有巨大的潛力。

波鴻魯爾大學（RUB）正致力于建立一個穩(wěn)定且可擴展的工藝鏈，該工藝鏈集成了晶圓級的高良率增材和減材技術，可以轉移到工業(yè)用途。在電子和傳感器領域使用最薄的二維材料，可實現(xiàn)全新、透明、靈活的生物相容性解決方案，并將資源消耗降至最低。

01利用二硫化鉬（MoS2）二維材料，彌合晶圓級微電子和微系統(tǒng)技術的研究與應用之間的差距

使用超薄二維材料建立穩(wěn)定、可擴展的高良率晶圓級工藝，需要應對多項工藝挑戰(zhàn)：

? 在低加工溫度下實現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的單層精確生長

? 在二維材料上實現(xiàn)無損等離子體沉積

? 對二維材料實現(xiàn)均勻、單層、精確、低損傷、選擇性蝕刻

? 電接觸

在工業(yè)環(huán)境中使用二維材料面臨的主要障礙之一是，材料的生長需具有與硅（Si）相似的穩(wěn)定性、低缺陷密度和可靠性。從工業(yè)角度來看，避免二維材料的轉移過程耗費大量的時間和成本是理想的，因此需要一種自下而上的方法，即：在目標襯底上直接沉積高質(zhì)量的二維薄膜。由于襯底對溫度很敏感，所以為二維柔性電子器件開發(fā)的自下而上的工藝流程應具有盡可能低的加工溫度。因此，必須在晶圓片上實現(xiàn)包括二維材料的層堆棧（layer stacks）的良好受控和共形生長。

對于實際的器件和系統(tǒng)，有必要與二維材料進行介質(zhì)集成。許多二維材料的帶隙，以及從直接能帶結構到間接能帶結構的轉變都取決于沉積層數(shù)。因此，在不影響底層的情況下實現(xiàn)均勻單層精確沉積的技術至關重要，但是非常具有挑戰(zhàn)性。

由于 MoS2 表面沒有化學鍵，因此無法與金屬結合，從而導致肖特基勢壘較高，且載流子注入效率較低。

MoS2 有兩種不同的穩(wěn)定相，一種是金屬 1T 相，另一種是半導體 2H 相，如此一來，雖然新的橫向相變觸點能夠在實驗室規(guī)模的薄片上成功展示，但是還必需在晶圓規(guī)模上予以證實。

02項目要求

需要實施一種具有成本效益的創(chuàng)新型單層精確沉積、蝕刻和制備技術。柔性微電子和超靈敏微型傳感器的制造工藝需要在低溫下工作，并可擴展到 200 mm 晶圓技術。此外，該系統(tǒng)還需要與德國微電子研究中心（Research Fab Microelectronics Germany，F(xiàn)MD）和工業(yè)用戶兼容。

03滿足項目要求

超薄二維薄膜對環(huán)境濕度和氧氣非常敏感。為了避免樣品在轉移過程中發(fā)生降解，需要采用一種大型多腔室集群設備（cluster tool），該設備能夠提供二維材料生長的直接包封，而不會破壞真空。由于要擴展到晶圓級，因此該多腔室集群設備需要研究大規(guī)模生產(chǎn)技術的性能、晶圓間一致性、均勻性和可重復性，以及單層原子層沉積（ALD）生長。

經(jīng)過公開商業(yè)招標流程，項目最終選擇了 SENTECHInstruments 公司的多腔室集群設備（圖 1）。

圖1：SENTECH 的集成型多腔室集群設備。

該解決方案為等離子體增強型原子層蝕刻（PEALE）、電感耦合等離子體增強型化學真空沉積（ICPECVD）、電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP-RIE）和等離子體增強型原子層沉積（PEALD）等各種工藝類型均提供了優(yōu)良的模塊。

對于PEALD 工藝，使用的是 SENTECH 的真實遠端電導耦合等離子體（True Remote Conductively Coupled Plasma，CCP）源，從而實現(xiàn)了二維材料的低損傷沉積。

另一個關鍵因素是 SENTECH 平面三螺旋天線（Planar Triple Spiral Antenna, PTSA）ICP 源，可以在二維材料沉積后對其進行低損傷加工。這些獨特的多腔室集群設備為應用等離子體動力學和電氣工程教席（Chair of Applied Plasma Dynamics and Electrical Engineering，AEPT）要求的所有等離子體診斷提供端口接入。原位ALD 和原子層蝕刻（ALE）監(jiān)測系統(tǒng)可以在整個過程中對二維材料的單層沉積和蝕刻提供出色的控制。該項目要求高度定制化，而經(jīng)驗豐富的 SENTECH 跨學科領域項目團隊能夠與波鴻魯爾大學（RUB）的跨學科團隊共同完成這一任務。

04采用多腔室集群設備的工藝整合

工藝步驟：

? 襯底預處理

? 高介電常數(shù)介電材料（ALD）

? 二次襯底預處理

? 二維材料的單層精確沉積

? 表面鈍化和鈍化層，

都完全可以在真空條件下進行，因此表面極為潔凈，這對器件內(nèi)部的正常接口至關重要。對于在真空環(huán)境之外進行的工藝步驟，通過保護性封裝膜和金屬化對器件進行鈍化處理，因此可以避免二維超薄薄膜的完全降解。

05等離子體加工的主要目標

等離子體加工中所需具備的關鍵因素有：

? 與常用器件材料的兼容性

? 高水平控制

? 能夠在不改變二維器件的物理、電子和光學特性的情況下進行高分辨率圖案化，即無損加工。

需要進行等離子體表面改性、襯底預處理、單層精確燒蝕和單層精確沉積。在所有的情況下，都必須精確控制等離子體特性，因此需要定制的等離子體診斷環(huán)，在 RIE（反應離子蝕刻）腔室（用于氟氣）和 ALE（原子層蝕刻）腔室內(nèi)都引入了這種診斷環(huán)。

這些診斷環(huán)是可拆卸的，這意味著它們可以用傳統(tǒng)的間隔環(huán)來替換，從而能對工藝進行比較，并轉移到任何 RIE 系統(tǒng)。它們還允許使用不同的等離子體診斷工具（例如阻滯場能量分析儀傳感器陣列），以確定離子能量分布函數(shù)和離子通量。此外，利用光發(fā)射譜來獲取等離子體成分的相關信息。

06支持復雜多腔室集群設備的基礎設施配置

由于該項目的復雜性和跨學科性質(zhì)，且采用了集成型多腔室集群設備，因此需要進行大量的預先規(guī)劃工作。所有的利益相關方通力合作，以確保從設備交付、安裝到正常運行的整個過程中，將復雜性和故障停機時間降到最低。多腔室集群設備的配置非常復雜，因此，作為一所大學，為基礎設施提供支持是一項重大挑戰(zhàn)。多腔室集群設備需要 14 條工藝氣體管線、42 個工藝氣體入口和大約 300 米長的氣體供應（主要是在多腔室集群設備內(nèi)，也用于現(xiàn)場安裝）不銹鋼管道，以上這些必須安裝在一個房間內(nèi)。

由于 Cl 基氣體、H2S 和硅烷以及高度易燃和有毒的ALD 前體具有潛在的危險性，因此必須將多腔室集群設備及其外加設備（包括氣體供應和廢氣管理）完全集成到潔凈室的安全基礎設施中。作為項目的額外組成部分，需要就廢氣凈化裝置（作為三柱系統(tǒng)的干床吸收器）額外發(fā)布招標公告。這必需較快地完成，以確保與其他機械設備的進度時間表相一致。

SENTECH 應用團隊、工程部門、技術服務部門與波鴻魯爾大學（RUB）的專家們經(jīng)過不到一年的跨學科規(guī)劃討論，對多腔室集群設備進行了客戶特定的修改。然而，由于多腔室集群設備和所需基礎設施的規(guī)模和復雜性，事實證明，前期規(guī)劃對于在規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)項目目標是非常寶貴的。密切的合作確保了機器配置、基礎設施以及氣體傳感器安全系統(tǒng)與新設備的兼容性和實施問題都提前做好了計劃。

集成型多腔室集群設備避免了交叉污染、不希望有的摻雜和暴露在潮濕環(huán)境下等不良問題，從而提高了薄膜質(zhì)量。自 2022 年 3 月以來，此多腔室集群設備一直在運轉，初步結果十分喜人。作為由德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的 ForMikro 項目 FlexTMDSense（“基于二維材料系統(tǒng)的新型柔性傳感器系統(tǒng)研究”）的聯(lián)合工作的一部分，計劃在未來開展合作并進行系統(tǒng)調(diào)適。研究課題包括基于 TMD 材料類二維半導體薄膜的超薄 pH 和氣體傳感器系統(tǒng)。

如需進一步了解多腔室集群設備和定制等離子診斷環(huán)、工藝程序、以及該項目的初步研究成果，可以索取完整的案例研究報告副本。請登錄 www.sentech.com 獲取相關信息。

07關于波鴻魯爾大學

波鴻魯爾大學（RUB）位于魯爾區(qū)（Ruhrgebiet），設有21 個學院，有來自世界各國的 42,600 多名學生。RUB是著名的國際頂級科研機構，也是由德國教育研究部資助的 12 個“德國微電子研究實驗室”（ForLab）之一。ForLab 項目的設立旨在為微電子學開辟新的研究領域，并充當從科學到產(chǎn)業(yè)的過渡中心。

08關于 SENTECH Instruments 公司

SENTECH Instruments 公司開發(fā)、制造和銷售創(chuàng)新設備，專注于半導體技術、微系統(tǒng)、光伏、納米技術和材料研究領域的薄膜沉積、結構化和特性分析。SENTECH 采用橢圓偏光儀和反射儀為非接觸、非侵入式光學特性分析提供先進的解決方案。SENTECH 是使用等離子體工藝技術進行薄膜 ALE 和 ALD 的高水平專業(yè)廠家，為許多尖端應用提供支持。

審核編輯 黃宇