Un metodo Standard e affidabile per fabbricare nanoelettronica bidimensionale

Riepilogo

L'articolo mira a introdurre una procedura di fabbricazione standard e affidabile per lo sviluppo della futura basso nanoelettronica dimensionale.

Abstract

Materiali di bidimensionale (2D) hanno attirato l'attenzione enorme a causa di loro proprietà uniche e le potenziali applicazioni. Poiché wafer scala sintesi di materiali 2D sono ancora in fase nascente, gli scienziati completamente non possono basarsi sulle tecniche di semiconduttori tradizionali per la ricerca. Processi delicati da individuare i materiali alla definizione di elettrodo devono essere ben controllati. In questo articolo, un protocollo universale fabbricazione necessaria nella produzione di elettronica su scala nanometrica, come 2D quasi eterogiunzione bipolare Transistor (Q-HBT) e 2D retro-gated transistori sono dimostrati. Questo protocollo riguarda la determinazione della posizione del materiale, Litografia a fascio di elettroni (EBL), definizione di elettrodo metallico, et al. Un racconto di passo per passo le procedure di fabbricazione per questi dispositivi inoltre sono presentati. Inoltre, i risultati mostrano che ogni dispositivo fabbricato ha raggiunto ad alte prestazioni con elevata ripetibilità. Questo lavoro rivela una descrizione completa del flusso di processo per la preparazione di 2D nano-elettronica, consente i gruppi di ricerca accedere a queste informazioni e spianare la strada verso l'elettronica del futuro.

Introduzione

Da decenni passati, l'umanità sta vivendo rapid downscale delle dimensioni dei transistor e, di conseguenza, un aumento esponenziale del numero di transistor nei circuiti integrati (ICs). Questo mantiene il continuo progresso della tecnologia basata sul silicio complementari metal-oxide semiconductor (CMOS)¹. Inoltre, questa tendenza attuale con le dimensioni e le prestazioni dei dispositivi fabbricati sono ancora in pista con la legge di Moore, che afferma che il numero di transistor su chip elettronici, nonché le loro prestazioni, raddoppia circa ogni due anni². Transistor CMOS sono presenti nella maggior parte, se non tutti, dei dispositivi elettronici disponibili sul mercato e rendendo così parte integrante della vita umana. A causa di questo, ci sono continue richieste per miglioramenti in chip di dimensioni e prestazioni che hanno spinto i produttori a continuare a seguire pista legge del Moore.

Purtroppo, la legge di Moore sembra essere prossimo alla fine a causa della quantità di calore generato come più circuiti di silicio sono infilati in una piccola area². Ciò richiede nuovi tipi di materiali che possono fornire lo stesso, se non meglio, prestazioni come il silicio e, allo stesso tempo, può essere implementato in scala relativamente ridotta. Recentemente, nuovi materiali promettenti sono stati soggetti di molte ricerche di scienza dei materiali. Tali materiali come unidimensionale (1D) carbonio nanotubes^3,4,5,6,7, grafene 2D^{8,9,10, 11 , 12}e metalli di transizione dichalcogenides (TMDs)^{13,14,15,16,17,18}, sono buoni candidati che possono essere utilizzati come sostituire il silicio CMOS e continuare la pista legge del Moore.

Fabbricazione di piccoli dispositivi richiede attenta determinazione della posizione del materiale di procedere con successo per le altre tecniche di fabbricazione come la litografia e definizione di elettrodo metallico. Quindi, il metodo presentato in questa carta è stato progettato per rispondere a questa esigenza. Rispetto al tradizionale semiconductor fabrication tecniche¹⁹, l'approccio presentato in questo paper è Sarto-misura allo sviluppo di dispositivi su scala ridotta che necessita di maggiore attenzione in termini di trovare la posizione del materiale. Lo scopo di questo metodo è affidabile fabbricare dispositivi di nanomateriale 2D, come 2D retro-gated transistori e Q-HBTs, utilizzando processi di fabbricazione standard. Questo può servire come una piattaforma per gli sviluppi futuri nanomacchina come spiana la strada verso la produzione di dispositivi futuri avanzate nano-scala.

Nella sezione procedimento, i processi di fabbricazione per dispositivi basati su materiali 2D vale a dire, il Q-HBT e 2D retro-gated transistor sono discussi in dettaglio. Elettrone fascio patterning combinato con determinazione di posizione materiale ed elettrodo metallico definizione comprende il protocollo, poiché essi sono tenuti in entrambi i processi menzionati. Parte 1 viene illustrato il processo di fabbricazione dettagliata di Q-HBTs²⁰; e parte 2 viene illustrato un approccio universale per ottenere il bisolfuro di molibdeno di chemical vapor deposition (CVD) (MoS₂) retro-gated transistori dal trasferimento a lift-off²¹, che è stato completamente indicato nell'articolo. Il flusso di processo dettagliato è illustrato nella (Figura 1).

Protocollo

1. processo di fabbricazione di transistor 2D Quasi-heterojunction

1. Preparare commerciale c-aereo zaffiro.
   1. Lavare l'intero singolo-lato di zaffiro (2 pollici) con acetone.
   2. Sciacquare il substrato di zaffiro con alcool isopropilico.
2. Crescere MoS₂ su substrato di zaffiro utilizzando CVD in una fornace di pareti calde.
   1. Posto 0,6 g di polvere di molibdeno triossido (MoO₃) in una barca di quarzo situato presso il riscaldamento zona centro del forno. Mettere il substrato dello zaffiro a valle accanto alla barca di quarzo contenente la polvere di₃ MoO.
   2. Preparare la polvere di zolfo (S) in una barca di quarzo separato sul lato a Monte del forno. Mantenere la sua temperatura a 190 ° C durante la reazione.
   3. Utilizzare argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flusso per portare i vapori di₃ S e MoO al substrato di zaffiro durante il riscaldamento della zona centro a 750 ° C.
   4. Mantenere la zona di riscaldamento, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata crescita di 750 ° C, per 15 min e poi naturalmente raffreddare il forno a temperatura ambiente.
3. Eseguire EBL.
   Nota: Un Au sottile di circa 5 nm è stato depositato da sputtering per lo scarico durante tutti i processi di EBL su substrato di zaffiro
   1. Identificare, utilizzando un microscopio ottico, un'area dove si osservano fiocchi di MoS₂ monostrato, quindi progettare il layout del modello di striscia per quel settore specifico utilizzando un software di progettazione (AutoCAD).
   2. Spin-cappotto photoresist (PR), metacrilato di polymethyl (PMMA) ad esempio o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione dopo spin-coating.
   3. Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.
   4. Convertire il layout di modello al punto 1.3.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.
   5. Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle righe nel layout.
      Nota: Per la larghezza della riga più stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm²; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm²; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm².
   6. Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.
   7. Applicare cuocere post-esposizione (PEB) sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.
   8. Utilizzare tetrametilammonio idrossido (TMAH) 2,38% come sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.
   9. Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.
   10. Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.
4. Definire le strutture di striscia con acquaforte di 50 W ossigeno (O₂) del plasma (1^st acquaforte) per 30 s a 2 min e Rimuovi PR con 50 mL di acetone.
5. Crescere diseleniuro di tungsteno (WSe₂) mediante CVD nella posizione di destinazione, che si tradurrà in una crescita preferita di WSe₂ strato tra le strisce di₂ MoS già esistente sul substrato di zaffiro.
   1. Posto 0,6 g di polvere di tungsteno triossido (WO₃) in una barca di quarzo situato presso il riscaldamento zona centro del forno. Mettere il substrato dello zaffiro a valle accanto alla barca di quarzo contenente la polvere di₃ WO.
   2. Preparare la polvere di selenio (Se) in una barca di quarzo separato sul lato a Monte del forno. Mantenere la sua temperatura a 260 ° C durante la reazione.
   3. Utilizzare Ar/H₂ (Ar = 90 sccm, H₂ = 6 sccm, 20 Torr) gas flusso per portare i vapori di₃ Se e WO al substrato di zaffiro durante il riscaldamento della zona centro a 925 ° C.
   4. Mantenere la zona di riscaldamento, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata crescita di 925 ° C, per 15 min e poi naturalmente raffreddare il forno a temperatura ambiente.
6. Fabbricare le matrici metallico della pastiglia e i segni di allineamento.
   1. Sovrapporre i modelli di matrici metallico della pastiglia e allineamento i marchi mediante fotolitografia patterning tecnica.
   2. Deposito 20 nm/60 nm Ti/Au utilizzando la pistola di elettrone evaporatore.
      Nota: L'oro è usato per evitare l'ossidazione dei rilievi del metallo.
   3. Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone mentre controllo l'intero processo tramite microscopia ottica finché le pastiglie in metallo diventano evidenti.
7. Eseguire un altro processo EBL per sovrapporre un reticolo di forma del nastro in cima MoS₂- WSe₂ eterogiunzione.
   1. Misurare lo spostamento delle coordinate tra la località di destinazione in MoS₂- WSe₂ eterogiunzione e i segni di allineamento mediante microscopia ottica e progettare il layout della barra multifunzione-forma sulla base di queste misurazioni utilizzando un software (AutoCAD).
   2. Spin-cappotto PR, per esempio PMMA o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione dopo spin-coating.
   3. Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.
   4. Convertire il layout di ripetizione nel passaggio 1.7.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.
   5. Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle righe nel layout.
      Nota: Per la larghezza della riga più stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm²; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm²; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm².
   6. Impostare la macchina EBL tale che la posizione dei segni di allineamento nel substrato zaffiro corrisponde la sua corrispondenza nel layout.
   7. Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.
   8. Applicare PEB sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.
   9. Utilizzare TMAH 2,38% come lo sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.
   10. Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.
   11. Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.
8. Utilizzare acquaforte di O₂ al plasma (2^nd acquaforte) per definire un'eterogiunzione laterali a forma di nastro e rimuovere PR dall'acetone.
9. Eseguire il processo di EBL per sovrapporre il modello degli elettrodi metallici Ti/Au.
   1. Misurare lo spostamento delle coordinate tra la località di destinazione in MoS₂- WSe₂ eterogiunzione e i segni di allineamento mediante microscopia ottica e progettare il layout di elettrodo metallico sulla base di queste misurazioni utilizzando un software (AutoCAD).
   2. Spin-cappotto PR, per esempio PMMA o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione dopo spin-coating.
   3. Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.
   4. Convertire il layout di ripetizione nel passaggio 1.9.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.
   5. Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle linee metalliche nel layout.
      Nota: Per la larghezza della linea metallo stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm²; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm²; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm².
   6. Impostare la macchina EBL tale che le posizioni dei segni di allineamento nel substrato zaffiro corrisponde la sua corrispondenza nel layout.
   7. Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.
   8. Applicare PEB sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.
   9. Utilizzare TMAH 2,38% come lo sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.
   10. Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.
   11. Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.
10. Eseguire il lift-off e deposizione metallica Ti/Au
    1. Cassetta di metallo di Ti/Au usando la pistola di elettrone evaporatore con lo spessore di meno di 100 nm, in caso contrario, sarà difficile rimuovere il PR e il metallo indesiderato di Lift-off.
    2. Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone mentre controllo l'intero processo tramite microscopia ottica finché ci sono solo linee di metallo e pastiglie a sinistra.
11. Eseguire il processo di EBL nel passaggio 1,9 ma sovrapposizione pattern di elettrodo metallico di Pd/Au invece Ti/Au.
12. Eseguire il processo di deposizione e Lift-off metallo nel passaggio 1.10 ma depositare Pd/Au invece Ti/Au.

2. processo di fabbricazione 2D Back-gated transistori

1. Preparare il retro-gated Si/SiO₂ substrati con segni di allineamento.
   1. Preparare il substrato SiO₂/Si fatti in casa o commerciale.
   2. Consente di definire il segno di allineamento fotolitografia o tecniche di campitura EBL.
   3. Eseguire reattiva ion etching (RIE) sul substrato di SiO₂/Si finché non raggiunge la profondità totale dell'area target 1000 nm e rimuovere il PR da plasma di₂ O di rivelare i segni di allineamento formata.
   4. I modelli di matrici di pad in metallo mediante fotolitografia patterning tecnica di sovrapposizione.
   5. Deposito 20 nm/60 nm Ti/Au utilizzando la pistola di elettrone evaporatore.
      Nota: L'oro è usato per evitare l'ossidazione dei rilievi del metallo.
   6. Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone durante l'intero processo di monitoraggio mediante microscopia ottica fino a quando le pastiglie in metallo diventano evidenti.
2. Eseguire il CVD di MoS₂ su substrato di zaffiro in una fornace di pareti calde.
   1. Posto 0,6 g di MoO₃ in polvere in una barca di quarzo situato presso il riscaldamento zona centro del forno. Mettere il substrato dello zaffiro a valle accanto alla barca di quarzo contenente la polvere di₃ MoO.
   2. Preparare la polvere di S in una barca di quarzo separato sul lato a Monte del forno. Mantenere la sua temperatura a 190 ° C durante la reazione.
   3. Utilizzare argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flusso per portare i vapori di₃ S e MoO al substrato di zaffiro durante il riscaldamento della zona centro a 750 ° C.
   4. Mantenere la zona di riscaldamento, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata crescita di 750 ° C, per 15 min e poi naturalmente raffreddare il forno a temperatura ambiente.
3. Consente di trasferire il substrato di retro-gated SiO₂/Si MoS₂ dallo zaffiro.
   1. Cappotto di spin PMMA con la velocità di centrifuga di 3500 rpm per 30 s sopra il film₂ MoS.
   2. Cuocere il MoS₂/sapphire campione a 120 ° C per 3 min per rinforzare lo strato di PMMA.
   3. Immergere il MoS₂/Sapphire campione in 50 mL di soluzione di ammoniaca (14,5%) per circa 30 min a 2 h per separare il film₂ MoS dal substrato dello zaffiro.
   4. Pick up il film e trasferirlo al SiO₂/Si substrato.
   5. Cuocere l'esempio di MoS₂/SiO₂/Si al fine di migliorare l'adesione tra il MoS₂ e SiO₂ strati. Riscaldare il campione a 120 ° C per circa 30 min a 1 h.
   6. Rimuovere il PMMA lavandolo con 30 mL di acetone per circa 30 min a 2 h.
   7. Sciacquare il campione con alcool isopropilico e utilizzare l'azoto per soffiarlo asciutto.
4. Eseguire EBL.
   Nota: Non c'è nessun Au sottile depositato sul substrato di SiO₂/Si durante processo di EBL, poiché Si è in qualche modo conduttivo.
   1. Misurare lo spostamento delle coordinate tra la località di destinazione e l'allineamento contrassegna mediante microscopia ottica e, sulla base di queste misurazioni, progettare il layout di modello degli elettrodi metallici utilizzando un software di progettazione.
      Nota: Elettrodi metallici collegare i punti di destinazione nel campione₂ MoS per i rilievi del metallo nel SiO₂/Si substrato.
   2. Spin-cappotto PR, per esempio PMMA o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione.
   3. Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.
   4. Convertire il layout di modello al punto 2.4.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.
   5. Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle linee metalliche nel layout.
      Nota: Per la larghezza della linea metallo stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm²; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm²; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm².
   6. Impostare la macchina EBL tale che la posizione dei segni di allineamento nel substrato Si/SiO₂ partite relativa corrispondenza nel layout.
   7. Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.
   8. Applicare PEB sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.
   9. Utilizzare TMAH 2,38% come lo sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.
   10. Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.
   11. Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.
5. Eseguire il lift-off e deposizione di metallo Au
   1. Cassetta di metallo Au utilizzando la pistola di elettrone evaporatore con lo spessore di meno di 100 nm, in caso contrario, sarà difficile rimuovere il PR e il metallo indesiderato di Lift-off.
   2. Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone durante il monitoraggio del processo tramite microscopia ottica, fino a quando non ci sono solo linee di metallo e pastiglie a sinistra.

Risultati

I processi di fabbricazione del dispositivo sono stati applicati a molte delle ricerche dell'autore corrispondente che coinvolgono lo sviluppo di dispositivi materiale 2D. In questa parte, i risultati di alcune di queste ricerche sono presentati per dimostrare l'effettività del protocollo discusso sopra. Un monostrato di laterale WSe₂-MoS₂ Q-HBT²⁰ è selezionato come il primo esempio. Utilizzando i processi di fabbricazione del dispositivo st...

Discussione

In questo articolo vengono illustrate le procedure dettagliate di fabbricare romanzo elettronica basata su materiali 2D in scala nanometrica. Poiché le procedure di preparazione dei campioni di ogni applicazione presentano differenze con l'altro, i processi sovrapposti sono stati trattati come protocollo. Elettrone fascio patterning combinato con determinazione di posizione materiale e definizione di elettrodo metallico serve quindi come il protocollo qui. Tra i due tipi di dispositivi citati, l'intero processo di trans...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
E-gun Evaporator	AST	PEVA 600I
Au slug, 99.99%	Well-Being Enterprise Co	N/A
Ti slug, 99.99%	Well-Being Enterprise Co	N/A
E-beam Lithography System	Elionix	ELS7500-EX
Cold Wall CVD System	Sulfur Science	SCW600S
C-plane Sapphire substrate	Summit-Tech	X171999	(0001) ± 0.2 ° one side polished
100 nm SiO2/Si			Fabricated in NDL
Ammonia Solution	BASF	Ammonia Solution 28% Selectipur
Molybdenum (Mo), 99.95%	Summit-Tech	N/A
Tungsten (W), 99.95%	Summit-Tech	N/A
Sulfur (S), 99.5%	Sigma-Aldrich	13803
Polymethyl Methacrylate (PMMA)	Microchem	8110788	Use for transfer process
Spin Coater	Laurell	WS 400B 6NPP LITE
Acetone	BASF	Acetone EL Selectipur
Isopropanol (IPA)	BASF	2-Propanol UPS
Photo Resist for EBL	TOK	TDUR-P-015
Plasma Cleaner	Harrick Plasma	PDC-32G	Oxygen plasma