臺(tái)式ALD，Nat. Mater.！二維晶體管介電層集成研究取得重要進(jìn)展
臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)-ald
體積小巧，可放在實(shí)驗(yàn)桌上
多片4，6，8 英寸樣品同時(shí)沉積
厚度均勻性高于99%
適合復(fù)雜/ 摻雜薄膜沉積
二維半導(dǎo)體表面沉積利器
......
隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，基于硅半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（fet）的尺寸不斷縮小，目前已經(jīng)接近其物理極限。在新興材料中，二維半導(dǎo)體可達(dá)到原子級(jí)厚度且保持高載流子遷移率，理論上可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的柵極控制，因而被認(rèn)為是用于下一代場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理想溝道材料。然而，由于二維半導(dǎo)體表面無懸掛鍵，很難在其表面集成高質(zhì)量的介電層，這是目前該領(lǐng)域的重大難題。
為解決上述問題，華中科技大學(xué)翟天佑團(tuán)隊(duì)以無機(jī)分子晶體sb2o3作為緩沖層，發(fā)明了一種在二維材料表面集成超薄高k介電層的普適性方法。利用該緩沖層法制備的hfo2/sb2o3復(fù)合介電層可實(shí)現(xiàn)0.67 nm的等效氧化層厚度（eot），是目前報(bào)道的二維晶體管介電層中zui低的。高質(zhì)量的界面降低了界面態(tài)密度，由單層mos2溝道和hfo2/sb2o3復(fù)合介電層構(gòu)成的fet在0.4 v的超低工作電壓下即可獲得超過106的開關(guān)比，其柵極控制效率優(yōu)于目前報(bào)道的其他所有fet。該項(xiàng)成果以“scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”為題發(fā)表于國際高水平期刊nature materials。
sb2o3緩沖層的作用機(jī)理如下：一方面，sb2o3可與二維半導(dǎo)體間形成高質(zhì)量的范德華界面；另一方面，sb2o3覆蓋了二維材料原有的疏水表面，提供了高度親水的表面，提升了與傳統(tǒng)原子層沉積（ald）工藝的相容性，便于集成超薄高k介電層。圖1a展示了在mos2二維半導(dǎo)體表面集成hfo2/sb2o3復(fù)合介電層的過程。作者利用熱蒸鍍法制備了sb2o3緩沖層，隨后使用美國arradiance公司的gemstar系列臺(tái)式原子層沉積(ald)系統(tǒng)制備了致密均勻的hfo2層（圖1b）。此外，作者還利用該臺(tái)式ald設(shè)備在mos2/sb2o3上生長(zhǎng)了常見介電層al2o3和zro2(圖1c, 1d)，證明了該方法的普適性。
圖1. （a）在mos2二維半導(dǎo)體表面集成hfo2/sb2o3復(fù)合介電層的過程,(b)-(c)樣品的afm圖像。
隨后，作者用第一性原理計(jì)算研究了sb2o3緩沖層對(duì)ald過程的促進(jìn)原理。如圖2a-2b所示，h2o分子在mos2表面的吸附距離為約3?,在sb2o3表面的吸附距離減小至約2?，接近于水中氫鍵的長(zhǎng)度。同時(shí)，h2o分子在sb2o3表面的吸附能大幅高于在mos2表面的吸附能（圖2c）。上述結(jié)果表明sb2o3緩沖層可促進(jìn)ald過程中的前驅(qū)體吸附，有助于介電層的生長(zhǎng)。
圖2. h2o分子在(a)mos2和（b）sb2o3表面的吸附構(gòu)型，（c）h2o分子在mos2和sb2o3表面的吸附能。
本文所使用的美國arradiance公司的gemstar系列臺(tái)式原子層沉積系統(tǒng)如圖3所示，在小巧的機(jī)身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子層沉積所需的所有功能，可容納9片8英寸基片同時(shí)沉積。全系配備熱壁，結(jié)合前驅(qū)體瓶加熱，管路加熱，橫向噴頭等設(shè)計(jì)，使溫度均勻性高達(dá)99.9%，氣流對(duì)溫度影響減少到0.03%以下。高溫度穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)不僅可在8英寸基體上實(shí)現(xiàn)厚度均勻的膜沉積（其厚度均勻性高于99%），而且適合對(duì)具有超高長(zhǎng)徑比孔徑的3d結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻薄膜覆蓋，在高達(dá)1500：1長(zhǎng)徑比微納深孔內(nèi)部也可均勻沉積。此外，該設(shè)備還具有節(jié)約前驅(qū)體原料，制備效率高，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備已幫助國內(nèi)外用戶取得大量nature、science級(jí)別的研究成果。
圖3. 美國arradiance公司生產(chǎn)的gemstar系列臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)：
[1]. scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. nat. mater., 2023, doi:10.1038/s41563-023-01626-w
相關(guān)產(chǎn)品:
1. 臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)-ald
分體式電腦快速凍融試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)流程
IPS媒介擴(kuò)大人類胚胎和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞
門窗節(jié)能不必?fù)Q，請(qǐng)更換節(jié)能門窗密封條
使用西安管道高壓清洗機(jī)時(shí)要注意哪些問題
祁立環(huán)保：支持疊螺脫水機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)及原理
臺(tái)式ALD，Nat. Mater.！二維晶體管介電層集成研究取得重要進(jìn)展
寧波雨污水管道缺陷探查專業(yè)分包
平面磨床加工前砂輪的準(zhǔn)備內(nèi)容
快速壓緊制樣粉碎機(jī)無需固定
如何制備蛋白質(zhì)電泳凝膠？
閥門鋼材的用途分類表示方法
小鼠載脂蛋白A1（apo-A1）酶聯(lián)免疫分析試劑盒實(shí)驗(yàn)步驟
農(nóng)藥殘留測(cè)定儀加強(qiáng)對(duì)果蔬質(zhì)量管理
淺談一體化預(yù)制泵站的特點(diǎn)
立式低溫恒溫槽的工作原理是什么？
電氣高壓試驗(yàn)人員操作規(guī)程
NORD減速機(jī)常見問題資料技術(shù)參數(shù)分為哪些
無處不在的需要供水設(shè)備的用途
故障電弧探測(cè)器的用途
高低溫試驗(yàn)箱采購時(shí)如何選擇廠家
體積小巧，可放在實(shí)驗(yàn)桌上
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......
隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，基于硅半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（fet）的尺寸不斷縮小，目前已經(jīng)接近其物理極限。在新興材料中，二維半導(dǎo)體可達(dá)到原子級(jí)厚度且保持高載流子遷移率，理論上可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的柵極控制，因而被認(rèn)為是用于下一代場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理想溝道材料。然而，由于二維半導(dǎo)體表面無懸掛鍵，很難在其表面集成高質(zhì)量的介電層，這是目前該領(lǐng)域的重大難題。
為解決上述問題，華中科技大學(xué)翟天佑團(tuán)隊(duì)以無機(jī)分子晶體sb2o3作為緩沖層，發(fā)明了一種在二維材料表面集成超薄高k介電層的普適性方法。利用該緩沖層法制備的hfo2/sb2o3復(fù)合介電層可實(shí)現(xiàn)0.67 nm的等效氧化層厚度（eot），是目前報(bào)道的二維晶體管介電層中zui低的。高質(zhì)量的界面降低了界面態(tài)密度，由單層mos2溝道和hfo2/sb2o3復(fù)合介電層構(gòu)成的fet在0.4 v的超低工作電壓下即可獲得超過106的開關(guān)比，其柵極控制效率優(yōu)于目前報(bào)道的其他所有fet。該項(xiàng)成果以“scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”為題發(fā)表于國際高水平期刊nature materials。
sb2o3緩沖層的作用機(jī)理如下：一方面，sb2o3可與二維半導(dǎo)體間形成高質(zhì)量的范德華界面；另一方面，sb2o3覆蓋了二維材料原有的疏水表面，提供了高度親水的表面，提升了與傳統(tǒng)原子層沉積（ald）工藝的相容性，便于集成超薄高k介電層。圖1a展示了在mos2二維半導(dǎo)體表面集成hfo2/sb2o3復(fù)合介電層的過程。作者利用熱蒸鍍法制備了sb2o3緩沖層，隨后使用美國arradiance公司的gemstar系列臺(tái)式原子層沉積(ald)系統(tǒng)制備了致密均勻的hfo2層（圖1b）。此外，作者還利用該臺(tái)式ald設(shè)備在mos2/sb2o3上生長(zhǎng)了常見介電層al2o3和zro2(圖1c, 1d)，證明了該方法的普適性。
圖1. （a）在mos2二維半導(dǎo)體表面集成hfo2/sb2o3復(fù)合介電層的過程,(b)-(c)樣品的afm圖像。
隨后，作者用第一性原理計(jì)算研究了sb2o3緩沖層對(duì)ald過程的促進(jìn)原理。如圖2a-2b所示，h2o分子在mos2表面的吸附距離為約3?,在sb2o3表面的吸附距離減小至約2?，接近于水中氫鍵的長(zhǎng)度。同時(shí)，h2o分子在sb2o3表面的吸附能大幅高于在mos2表面的吸附能（圖2c）。上述結(jié)果表明sb2o3緩沖層可促進(jìn)ald過程中的前驅(qū)體吸附，有助于介電層的生長(zhǎng)。
圖2. h2o分子在(a)mos2和（b）sb2o3表面的吸附構(gòu)型，（c）h2o分子在mos2和sb2o3表面的吸附能。
本文所使用的美國arradiance公司的gemstar系列臺(tái)式原子層沉積系統(tǒng)如圖3所示，在小巧的機(jī)身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子層沉積所需的所有功能，可容納9片8英寸基片同時(shí)沉積。全系配備熱壁，結(jié)合前驅(qū)體瓶加熱，管路加熱，橫向噴頭等設(shè)計(jì)，使溫度均勻性高達(dá)99.9%，氣流對(duì)溫度影響減少到0.03%以下。高溫度穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)不僅可在8英寸基體上實(shí)現(xiàn)厚度均勻的膜沉積（其厚度均勻性高于99%），而且適合對(duì)具有超高長(zhǎng)徑比孔徑的3d結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻薄膜覆蓋，在高達(dá)1500：1長(zhǎng)徑比微納深孔內(nèi)部也可均勻沉積。此外，該設(shè)備還具有節(jié)約前驅(qū)體原料，制備效率高，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備已幫助國內(nèi)外用戶取得大量nature、science級(jí)別的研究成果。
圖3. 美國arradiance公司生產(chǎn)的gemstar系列臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)：
[1]. scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. nat. mater., 2023, doi:10.1038/s41563-023-01626-w
相關(guān)產(chǎn)品:
1. 臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)-ald
分體式電腦快速凍融試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)流程
IPS媒介擴(kuò)大人類胚胎和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞
門窗節(jié)能不必?fù)Q，請(qǐng)更換節(jié)能門窗密封條
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