二維材料 ALD 的晶圓級(jí)集成變化

來(lái)源:《半導(dǎo)體芯科技》雜志文章

在晶圓級(jí)集成 ALD 生長(zhǎng)的二維材料，需要克服先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn)。

作者：Friedrich Witek，德國(guó)森泰科儀器（SENTECH Instruments）公司高級(jí)經(jīng)理

德國(guó)“波鴻二維電子系統(tǒng)微電子研究實(shí)驗(yàn)室”（Research Laboratory Microelectronics Bochum for 2D Electronic Systems, ForLab PICT2DES）項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)微電子和微系統(tǒng)技術(shù)的高級(jí)應(yīng)用。二維（2D）材料（比如過(guò)渡金屬硫化物 (TMD)）所具有的獨(dú)特光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械特性，在不斷發(fā)展的微技術(shù)領(lǐng)域（包括高靈敏度傳感器、超薄邏輯器件、納米發(fā)電機(jī)、電子器件和光電器件）有著極為廣闊的應(yīng)用前景。雖然此類(lèi)材料會(huì)帶來(lái)一些工藝上的挑戰(zhàn)，但是，通過(guò)二維材料的層厚控制能夠調(diào)節(jié)電氣和光學(xué)特性，這一點(diǎn)在未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)合中具有巨大的潛力。

波鴻魯爾大學(xué)（RUB）正致力于建立一個(gè)穩(wěn)定且可擴(kuò)展的工藝鏈，該工藝鏈集成了晶圓級(jí)的高良率增材和減材技術(shù)，可以轉(zhuǎn)移到工業(yè)用途。在電子和傳感器領(lǐng)域使用最薄的二維材料，可實(shí)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(jí)微電子和微系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用之間的差距

使用超薄二維材料建立穩(wěn)定、可擴(kuò)展的高良率晶圓級(jí)工藝，需要應(yīng)對(duì)多項(xiàng)工藝挑戰(zhàn)：

? 在低加工溫度下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的單層精確生長(zhǎng)

? 在二維材料上實(shí)現(xiàn)無(wú)損等離子體沉積

? 對(duì)二維材料實(shí)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(zhǎng)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(lái)看，避免二維材料的轉(zhuǎn)移過(guò)程耗費(fèi)大量的時(shí)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(biāo)襯底上直接沉積高質(zhì)量的二維薄膜。由于襯底對(duì)溫度很敏感，所以為二維柔性電子器件開(kāi)發(fā)的自下而上的工藝流程應(yīng)具有盡可能低的加工溫度。因此，必須在晶圓片上實(shí)現(xiàn)包括二維材料的層堆棧（layer stacks）的良好受控和共形生長(zhǎng)。

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

由于 MoS2 表面沒(méi)有化學(xué)鍵，因此無(wú)法與金屬結(jié)合，從而導(dǎo)致肖特基勢(shì)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(dǎo)體 2H 相，如此一來(lái)，雖然新的橫向相變觸點(diǎn)能夠在實(shí)驗(yàn)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(shí)。

02項(xiàng)目要求

需要實(shí)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(shù)。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(kuò)展到 200 mm 晶圓技術(shù)。此外，該系統(tǒng)還需要與德國(guó)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(xiàng)目要求

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

經(jīng)過(guò)公開(kāi)商業(yè)招標(biāo)流程，項(xiàng)目最終選擇了 SENTECHInstruments 公司的多腔室集群設(shè)備（圖 1）。

圖1：SENTECH 的集成型多腔室集群設(shè)備。

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

對(duì)于PEALD 工藝，使用的是 SENTECH 的真實(shí)遠(yuǎn)端電導(dǎo)耦合等離子體（True Remote Conductively Coupled Plasma，CCP）源，從而實(shí)現(xiàn)了二維材料的低損傷沉積。

另一個(gè)關(guān)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(duì)其進(jìn)行低損傷加工。這些獨(dú)特的多腔室集群設(shè)備為應(yīng)用等離子體動(dòng)力學(xué)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(cè)系統(tǒng)可以在整個(gè)過(guò)程中對(duì)二維材料的單層沉積和蝕刻提供出色的控制。該項(xiàng)目要求高度定制化，而經(jīng)驗(yàn)豐富的 SENTECH 跨學(xué)科領(lǐng)域項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠與波鴻魯爾大學(xué)（RUB）的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)共同完成這一任務(wù)。

04采用多腔室集群設(shè)備的工藝整合

工藝步驟：

? 襯底預(yù)處理

? 高介電常數(shù)介電材料（ALD）

? 二次襯底預(yù)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(jìn)行，因此表面極為潔凈，這對(duì)器件內(nèi)部的正常接口至關(guān)重要。對(duì)于在真空環(huán)境之外進(jìn)行的工藝步驟，通過(guò)保護(hù)性封裝膜和金屬化對(duì)器件進(jìn)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(biāo)

等離子體加工中所需具備的關(guān)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(xué)特性的情況下進(jìn)行高分辨率圖案化，即無(wú)損加工。

需要進(jìn)行等離子體表面改性、襯底預(yù)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(yīng)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(lái)替換，從而能對(duì)工藝進(jìn)行比較，并轉(zhuǎn)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(chǎng)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(lái)獲取等離子體成分的相關(guān)信息。

06支持復(fù)雜多腔室集群設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施配置

由于該項(xiàng)目的復(fù)雜性和跨學(xué)科性質(zhì)，且采用了集成型多腔室集群設(shè)備，因此需要進(jìn)行大量的預(yù)先規(guī)劃工作。所有的利益相關(guān)方通力合作，以確保從設(shè)備交付、安裝到正常運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，將復(fù)雜性和故障停機(jī)時(shí)間降到最低。多腔室集群設(shè)備的配置非常復(fù)雜，因此，作為一所大學(xué)，為基礎(chǔ)設(shè)施提供支持是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。多腔室集群設(shè)備需要 14 條工藝氣體管線、42 個(gè)工藝氣體入口和大約 300 米長(zhǎng)的氣體供應(yīng)（主要是在多腔室集群設(shè)備內(nèi)，也用于現(xiàn)場(chǎng)安裝）不銹鋼管道，以上這些必須安裝在一個(gè)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(xiǎn)性，因此必須將多腔室集群設(shè)備及其外加設(shè)備（包括氣體供應(yīng)和廢氣管理）完全集成到潔凈室的安全基礎(chǔ)設(shè)施中。作為項(xiàng)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(biāo)公告。這必需較快地完成，以確保與其他機(jī)械設(shè)備的進(jìn)度時(shí)間表相一致。

SENTECH 應(yīng)用團(tuán)隊(duì)、工程部門(mén)、技術(shù)服務(wù)部門(mén)與波鴻魯爾大學(xué)（RUB）的專(zhuān)家們經(jīng)過(guò)不到一年的跨學(xué)科規(guī)劃討論，對(duì)多腔室集群設(shè)備進(jìn)行了客戶特定的修改。然而，由于多腔室集群設(shè)備和所需基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模和復(fù)雜性，事實(shí)證明，前期規(guī)劃對(duì)于在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)是非常寶貴的。密切的合作確保了機(jī)器配置、基礎(chǔ)設(shè)施以及氣體傳感器安全系統(tǒng)與新設(shè)備的兼容性和實(shí)施問(wèn)題都提前做好了計(jì)劃。

集成型多腔室集群設(shè)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(wèn)題，從而提高了薄膜質(zhì)量。自 2022 年 3 月以來(lái)，此多腔室集群設(shè)備一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，初步結(jié)果十分喜人。作為由德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的 ForMikro 項(xiàng)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(jì)劃在未來(lái)開(kāi)展合作并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)適。研究課題包括基于 TMD 材料類(lèi)二維半導(dǎo)體薄膜的超薄 pH 和氣體傳感器系統(tǒng)。

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

07關(guān)于波鴻魯爾大學(xué)

波鴻魯爾大學(xué)（RUB）位于魯爾區(qū)（Ruhrgebiet），設(shè)有21 個(gè)學(xué)院，有來(lái)自世界各國(guó)的 42,600 多名學(xué)生。RUB是著名的國(guó)際頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)，也是由德國(guó)教育研究部資助的 12 個(gè)“德國(guó)微電子研究實(shí)驗(yàn)室”（ForLab）之一。ForLab 項(xiàng)目的設(shè)立旨在為微電子學(xué)開(kāi)辟新的研究領(lǐng)域，并充當(dāng)從科學(xué)到產(chǎn)業(yè)的過(guò)渡中心。

08關(guān)于 SENTECH Instruments 公司

SENTECH Instruments 公司開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售創(chuàng)新設(shè)備，專(zhuān)注于半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)、光伏、納米技術(shù)和材料研究領(lǐng)域的薄膜沉積、結(jié)構(gòu)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(xué)特性分析提供先進(jìn)的解決方案。SENTECH 是使用等離子體工藝技術(shù)進(jìn)行薄膜 ALE 和 ALD 的高水平專(zhuān)業(yè)廠家，為許多尖端應(yīng)用提供支持。

審核編輯 黃宇