Применение метода атомно-слоевого осаждения для получения полупроводниковых 2D MoS2 и WS2 слоев на больших площадях.

В связи с разработкой в Проекте 2019 основ технологии получения тонких слоев дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) MoS2(WS2) электронного качества, полученных на подложках больших площадей, Проект 2022 ставит задачи по применению этих ДПМ-слоев в наноэлектронных устройствах. Это прежде всего коротко-канальные МДП-транзисторные структуры, в том числе с использованием сегнетоэлектрического слоя в подзатворном диэлектрике для получения эффекта отрицательной емкости (negative capacitance, NC). Такое сочетание может помочь решить ряд важных проблем современной наноэлектроники. Действительно, транзисторы на основе двумерных ДПМ должны показывать бóльшую по сравнению с другими полупроводниками устойчивостью к эффекту короткого канала из-за трех факторов: 1)относительная легкость получения сверхтонкого, вплоть до одного монослоя (~0.7нм), «тела» канала из-за Ван-Дер-Ваальсовой структуры ДПМ 2)низкая диэлектрическая проницаемость ДПМ (ε (MoS2)=3.3, ε(Si)=11.7) 3)МДП 2D MoS2 транзисторы относятся к так называемому типу junction-less транзисторов, то есть в них отсутствует проблема достаточно глубоких ионно-имплантированных областей стока\истока, что приводит к эффекту «drain induced barrier lowering» – индуцированное стоком снижение потенциального барьера, препятствующее уменьшению канала объемного кремниевого транзистора. Конечно, известно, что зачастую МДП 2D транзисторы оказываются открыты при нулевом напряжении на затворе, однако, во-первых, уже опубликованы работы, в которых транзисторы на основе тонких слоев WS2 слоев нормально закрыты /M. Chubarov et al. Wafer-Scale Epitaxial Growth of Unidirectional WS2 Monolayers on Sapphire, ACS Nano 2021 15 (2), 2532-2541/, а во-вторых, cуществуют подходы, например поверхностное легирование канала или подбор работы выхода затвора, позволяющие сдвинуть запирающее напряжение в положительную область /Geonwook Yoo et al. Applied Physics Letters 108, 263106 (2016)/. Все эти три фактора должны позволить ослабить ограничения на минимально допустимую длину канала и, следовательно, повысить плотность интеграции логических устройств. С другой стороны, использование эффекта отрицательной емкости за счет сегнетоэлектрика в подзатворном диэлектрике может помочь повысить крутизну подпороговой характеристики, и, в принципе, даже обойти фундаментальное ограничение в 60 мВ/дек. А повышение крутизны подпороговой характеристики должно позволить снизить рабочие напряжения и тепловыделение логических элементов наноэлектроники следующего поколения. При разработке подходов к решению проблемы учитывались известные в научном сообществе результаты, демонстрирующие как использование двумерных ДПМ в качестве материала канала транзистора с повышенной устойчивостью к эффекту короткого канала /Desai, S. B. Et al. MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths. Science, 354, 99–102 (2016)/, так и интеграцию ДПМ канала c сегнетоэлектрическим слоем в подзатворном диэлектрике для повышения крутизны подпороговой характеристики /Tu L. et al. Ultrasensitive negative capacitance phototransistors, Nature Communications v. 11, 1-8, (2020)/. Однако следует отметить, что эти исследования пока носили «раздельный» характер. Прежде всего, исследования по разработке устройств с коротким каналом ведутся отдельно от исследований транзисторов с использованием эффекта отрицательной емкости. Кроме того, они ведутся пока только на слоях MoS2 с микронными латеральными размерами, полученными эксфолиацией от объемных кристаллов ДПМ. В рамках же предлагаемого проекта предполагается создание МДП транзисторов на основе синтезированных тонких слоев ДПМ, а такой подход, во-первых, предполагает лучшую воспроизводимость технологии, а во-вторых, допускает использование коммерчески значимых площадей 2D MoS2 слоев. Кроме того, подавляющее большинство исследований по 2D ДПМ MoS2(WS2) транзисторам проводится с использованием архитектуры с глобальным нижним затвором, которая далека от реальных практик промышленного изготовления современных транзисторных структур, а в рамках данного проекта планируется разработка технологии изготовления таких структур с индивидуальным верхним затвором с использованием стандартных процедур литографии и сухого плазмохимического травления. Тут также можно отметить, что в подзатворном диэлектрике планируется использовать КМОП-совместимые материалы, в частности HfxZr1-xOу в качестве сегнетоэлектрического слоя и слой обычного диэлектрика из ряда HfO2, Al2O3, Ta2O5. Особое внимание будет также уделено исследованию состояния границы раздела ДПМ и подзатворного диэлектрика и ее влияния на скорость носителей в канале транзистора так как в исследованиях по МДП MoS2(WS2) транзисторам этому вопросу пока уделяется мало внимания, а ведь роль поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик может быть определяющей в приповерхностной подвижности носителей в канале транзистора. Учитывая приведенные данные можно заключить, что планируемые к решению задачи Проекта оказываются научно-значимы и не решены мировым научным сообществом. Их решение должно привести к получению новых знаний на пути решения таких основных проблем развития логических устройств современной наноэлектроники, как повышение плотности интеграции и снижение энергопотребления.