二维材料 ALD 的晶圆级集成变化

来源:《半导体芯科技》杂志文章

在晶圆级集成 ALD 生长的二维材料，需要克服先进工艺开发的挑战。

作者：Friedrich Witek，德国森泰科仪器（SENTECH Instruments）公司高级经理

德国“波鸿二维电子系统微电子研究实验室”（Research Laboratory Microelectronics Bochum for 2D Electronic Systems, ForLab PICT2DES）项目旨在实现晶圆级微电子和微系统技术的高级应用。二维（2D）材料（比如过渡金属硫化物 (TMD)）所具有的独特光学、热学和机械特性，在不断发展的微技术领域（包括高灵敏度传感器、超薄逻辑器件、纳米发电机、电子器件和光电器件）有着极为广阔的应用前景。虽然此类材料会带来一些工艺上的挑战，但是，通过二维材料的层厚控制能够调节电气和光学特性，这一点在未来的应用场合中具有巨大的潜力。

波鸿鲁尔大学（RUB）正致力于建立一个稳定且可扩展的工艺链，该工艺链集成了晶圆级的高良率增材和减材技术，可以转移到工业用途。在电子和传感器领域使用最薄的二维材料，可实现全新、透明、灵活的生物相容性解决方案，并将资源消耗降至最低。

01利用二硫化钼（MoS2）二维材料，弥合晶圆级微电子和微系统技术的研究与应用之间的差距

使用超薄二维材料建立稳定、可扩展的高良率晶圆级工艺，需要应对多项工艺挑战：

• 在低加工温度下实现高质量、大面积的单层精确生长

• 在二维材料上实现无损等离子体沉积

• 对二维材料实现均匀、单层、精确、低损伤、选择性蚀刻

• 电接触

在工业环境中使用二维材料面临的主要障碍之一是，材料的生长需具有与硅（Si）相似的稳定性、低缺陷密度和可靠性。从工业角度来看，避免二维材料的转移过程耗费大量的时间和成本是理想的，因此需要一种自下而上的方法，即：在目标衬底上直接沉积高质量的二维薄膜。由于衬底对温度很敏感，所以为二维柔性电子器件开发的自下而上的工艺流程应具有尽可能低的加工温度。因此，必须在晶圆片上实现包括二维材料的层堆栈（layer stacks）的良好受控和共形生长。

对于实际的器件和系统，有必要与二维材料进行介质集成。许多二维材料的带隙，以及从直接能带结构到间接能带结构的转变都取决于沉积层数。因此，在不影响底层的情况下实现均匀单层精确沉积的技术至关重要，但是非常具有挑战性。

由于 MoS2 表面没有化学键，因此无法与金属结合，从而导致肖特基势垒较高，且载流子注入效率较低。

MoS2 有两种不同的稳定相，一种是金属 1T 相，另一种是半导体 2H 相，如此一来，虽然新的横向相变触点能够在实验室规模的薄片上成功展示，但是还必需在晶圆规模上予以证实。

02项目要求

需要实施一种具有成本效益的创新型单层精确沉积、蚀刻和制备技术。柔性微电子和超灵敏微型传感器的制造工艺需要在低温下工作，并可扩展到 200 mm 晶圆技术。此外，该系统还需要与德国微电子研究中心（Research Fab Microelectronics Germany，FMD）和工业用户兼容。

03满足项目要求

超薄二维薄膜对环境湿度和氧气非常敏感。为了避免样品在转移过程中发生降解，需要采用一种大型多腔室集群设备（cluster tool），该设备能够提供二维材料生长的直接包封，而不会破坏真空。由于要扩展到晶圆级，因此该多腔室集群设备需要研究大规模生产技术的性能、晶圆间一致性、均匀性和可重复性，以及单层原子层沉积（ALD）生长。

经过公开商业招标流程，项目最终选择了 SENTECHInstruments 公司的多腔室集群设备（图 1）。

图1：SENTECH 的集成型多腔室集群设备。

该解决方案为等离子体增强型原子层蚀刻（PEALE）、电感耦合等离子体增强型化学真空沉积（ICPECVD）、电感耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP-RIE）和等离子体增强型原子层沉积（PEALD）等各种工艺类型均提供了优良的模块。

对于PEALD 工艺，使用的是 SENTECH 的真实远端电导耦合等离子体（True Remote Conductively Coupled Plasma，CCP）源，从而实现了二维材料的低损伤沉积。

另一个关键因素是 SENTECH 平面三螺旋天线（Planar Triple Spiral Antenna, PTSA）ICP 源，可以在二维材料沉积后对其进行低损伤加工。这些独特的多腔室集群设备为应用等离子体动力学和电气工程教席（Chair of Applied Plasma Dynamics and Electrical Engineering，AEPT）要求的所有等离子体诊断提供端口接入。原位ALD 和原子层蚀刻（ALE）监测系统可以在整个过程中对二维材料的单层沉积和蚀刻提供出色的控制。该项目要求高度定制化，而经验丰富的 SENTECH 跨学科领域项目团队能够与波鸿鲁尔大学（RUB）的跨学科团队共同完成这一任务。

04采用多腔室集群设备的工艺整合

工艺步骤：

• 衬底预处理

• 高介电常数介电材料（ALD）

• 二次衬底预处理

• 二维材料的单层精确沉积

• 表面钝化和钝化层，

都完全可以在真空条件下进行，因此表面极为洁净，这对器件内部的正常接口至关重要。对于在真空环境之外进行的工艺步骤，通过保护性封装膜和金属化对器件进行钝化处理，因此可以避免二维超薄薄膜的完全降解。

05等离子体加工的主要目标

等离子体加工中所需具备的关键因素有：

• 与常用器件材料的兼容性

• 高水平控制

• 能够在不改变二维器件的物理、电子和光学特性的情况下进行高分辨率图案化，即无损加工。

需要进行等离子体表面改性、衬底预处理、单层精确烧蚀和单层精确沉积。在所有的情况下，都必须精确控制等离子体特性，因此需要定制的等离子体诊断环，在 RIE（反应离子蚀刻）腔室（用于氟气）和 ALE（原子层蚀刻）腔室内都引入了这种诊断环。

这些诊断环是可拆卸的，这意味着它们可以用传统的间隔环来替换，从而能对工艺进行比较，并转移到任何 RIE 系统。它们还允许使用不同的等离子体诊断工具（例如阻滞场能量分析仪传感器阵列），以确定离子能量分布函数和离子通量。此外，利用光发射谱来获取等离子体成分的相关信息。

06支持复杂多腔室集群设备的基础设施配置

由于该项目的复杂性和跨学科性质，且采用了集成型多腔室集群设备，因此需要进行大量的预先规划工作。所有的利益相关方通力合作，以确保从设备交付、安装到正常运行的整个过程中，将复杂性和故障停机时间降到最低。多腔室集群设备的配置非常复杂，因此，作为一所大学，为基础设施提供支持是一项重大挑战。多腔室集群设备需要 14 条工艺气体管线、42 个工艺气体入口和大约 300 米长的气体供应（主要是在多腔室集群设备内，也用于现场安装）不锈钢管道，以上这些必须安装在一个房间内。

由于 Cl 基气体、H2S 和硅烷以及高度易燃和有毒的ALD 前体具有潜在的危险性，因此必须将多腔室集群设备及其外加设备（包括气体供应和废气管理）完全集成到洁净室的安全基础设施中。作为项目的额外组成部分，需要就废气净化装置（作为三柱系统的干床吸收器）额外发布招标公告。这必需较快地完成，以确保与其他机械设备的进度时间表相一致。

SENTECH 应用团队、工程部门、技术服务部门与波鸿鲁尔大学（RUB）的专家们经过不到一年的跨学科规划讨论，对多腔室集群设备进行了客户特定的修改。然而，由于多腔室集群设备和所需基础设施的规模和复杂性，事实证明，前期规划对于在规定时间内实现项目目标是非常宝贵的。密切的合作确保了机器配置、基础设施以及气体传感器安全系统与新设备的兼容性和实施问题都提前做好了计划。

集成型多腔室集群设备避免了交叉污染、不希望有的掺杂和暴露在潮湿环境下等不良问题，从而提高了薄膜质量。自 2022 年 3 月以来，此多腔室集群设备一直在运转，初步结果十分喜人。作为由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的 ForMikro 项目 FlexTMDSense（“基于二维材料系统的新型柔性传感器系统研究”）的联合工作的一部分，计划在未来开展合作并进行系统调适。研究课题包括基于 TMD 材料类二维半导体薄膜的超薄 pH 和气体传感器系统。

如需进一步了解多腔室集群设备和定制等离子诊断环、工艺程序、以及该项目的初步研究成果，可以索取完整的案例研究报告副本。请登录 www.sentech.com 获取相关信息。

07关于波鸿鲁尔大学

波鸿鲁尔大学（RUB）位于鲁尔区（Ruhrgebiet），设有21 个学院，有来自世界各国的 42,600 多名学生。RUB是著名的国际顶级科研机构，也是由德国教育研究部资助的 12 个“德国微电子研究实验室”（ForLab）之一。ForLab 项目的设立旨在为微电子学开辟新的研究领域，并充当从科学到产业的过渡中心。

08关于 SENTECH Instruments 公司

SENTECH Instruments 公司开发、制造和销售创新设备，专注于半导体技术、微系统、光伏、纳米技术和材料研究领域的薄膜沉积、结构化和特性分析。SENTECH 采用椭圆偏光仪和反射仪为非接触、非侵入式光学特性分析提供先进的解决方案。SENTECH 是使用等离子体工艺技术进行薄膜 ALE 和 ALD 的高水平专业厂家，为许多尖端应用提供支持。

审核编辑 黄宇