Article de méthode

Une méthode fiable et Standard pour fabriquer deux dimensions nanoélectronique

DOI :

10.3791/57885

⸱

28 août 2018

 ,  ,  , 
1Department of Physics, National Taiwan Normal University, 2National Applied Research Laboratories (NARL), National Nano Device Laboratories (NDL)

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L’article vise à introduire une procédure de fabrication standard et fiable pour le développement de la nanoélectronique dimensionnelle faible future.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Des matériaux bidimensionnels (2D) ont attiré l’attention énorme en raison de leurs propriétés uniques et les applications potentielles. Wafer scale synthèse de matériaux 2D étant encore au stade naissant, scientifiques ne peuvent pas entièrement utilisent des techniques de semiconducteurs traditionnels de recherche connexe. Délicats processus de localiser les matériaux à la définition de l’électrode doivent être bien contrôlée. Dans cet article, un protocole de fabrication universal requis en fabrication nanométriques électronique, tels que 2D quasi-hétérojonction bipolaire transistors (Q-HBT) et des transistors de découpage en arrière 2D sont démontrés. Ce protocole comprend la détermination de la position matérielle, lithographie par faisceau d’électrons (EBL), définition de l’électrode métallique, et al. Un récit étape par étape les procédures de fabrication de ces appareils sont également présentées. En outre, les résultats montrent que chaque appareil fabriqué a atteint haute performance avec une répétabilité élevée. Ce travail révèle une description complète des flux de processus de préparation 2D nano-électronique, permet d’accéder à ces informations et ouvrir la voie à la future électronique, les groupes de recherche.

Introduction

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Depuis le cours des décennies, l’humanité connaît rapid descendantes de la taille des transistors et, par conséquent, une augmentation exponentielle du nombre de transistors dans des circuits intégrés (ICs). Cela maintient le progrès continu de la base de silicium complémentaire (CMOS) metal-oxide semiconductor technologie1. En outre, cette tendance actuelle de la taille et les performances des dispositifs préfabriqués sont toujours sur la bonne voie avec la Loi de Moore, qui stipule que le nombre de transistors sur les puces électroniques, ainsi que leur performance, double environ tous les deux ans2. Transistors CMOS sont présents dans la plupart, sinon la totalité, des appareils électroniques disponibles sur le marché et donc ce qui en fait partie intégrante de la vie humaine. Pour cette raison, il y a des demandes continues à améliorer la taille de la puce et les performances qui ont poussé les fabricants à suivre la voie de droit de la Moore.

Malheureusement, la Loi de Moore semble être touche à sa fin en raison de la quantité de chaleur générée que plusieurs circuits de silicium sont entassés dans une petite zone2. Cela appelle de nouveaux types de matériaux qui peuvent fournir les mêmes, si ce n’est mieux, les performances comme silicium et, en même temps, peut être implémenté dans relativement modestes. Récemment, les nouveaux matériaux prometteurs ont été sujets à de nombreuses recherches de science des matériaux. Des matériaux tels qu’unidimensionnelle (1D) carbon nanotubes3,4,5,6,7, graphène 2D8,9,10, 11 , 12et métaux de transition multiples (TMDs)13,14,15,16,17,18, sont de bons candidats qui peuvent être utilisés comme remplacer le CMOS sur silicium et continuer la piste Loi de Moore.

Fabrication de dispositifs à petite échelle exige une évaluation minutieuse des emplacement du matériau de procéder avec succès aux autres techniques de fabrication comme la lithographie et de la définition de l’électrode métallique. Ainsi, la méthode présentée dans le présent document a été conçue pour répondre à ce besoin. Par rapport à la traditionnelle semi-conducteur fabrication techniques19, l’approche présentée dans le présent document est équipée sur mesure pour le développement de petits dispositifs qui nécessite plus d’attention en ce qui concerne la recherche de l’emplacement du matériel. Cette méthode vise à fabriquer avec fiabilité nanomatériau 2D périphériques, tels que les transistors de découpage en arrière 2D et Q-HBTs, à l’aide de procédés de fabrication standard. Cela peut servir comme une plate-forme pour les développements futurs nanodispositif car elle ouvre la voie vers la production de dispositifs nanométriques avancées futures.

Dans la section de la procédure, les processus de fabrication des dispositifs à base de matériaux 2D à savoir, le Q-HBT et 2D transistor dos-dépendants sont examinées en détail. Électron faisceau structuration combinée avec la détermination de la situation matérielle et électrode métallique définition comprend le protocole étant donné qu’ils sont tenus dans les deux cas mentionnés. Partie 1 décrit le procédé de fabrication étape par étape de Q-HBTs20; et partie 2 illustre une approche universelle pour obtenir le bisulfure de molybdène chemical vapor deposition (CVD) (MoS2) transistors de découpage en arrière de transfert au décollage21, qui s’est avérée complètement dans l’article. Le flux de processus détaillé est illustré dans (Figure 1).

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Protocole

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1. procédé de Fabrication de Transistors 2D Quasi-hétérojonction

  1. Préparation commerciale c-avion saphir.
    1. Laver le saphir poli toute simple-côté (2 pouces) avec de l’acétone.
    2. Rincer le substrat de saphir avec de l’alcool isopropylique.
  2. Croître MoS2 sur substrat de saphir dans un four chaud-mur à l’aide de CVD.
    1. Lieu de 0,6 g de poudre (MoO3) du trioxyde de molybdène dans un bateau de quartz situé au chauffage Centre de la zone du four. Mettre le substrat de saphir en aval à côté de l’embarcation de quartz contenant de la poudre de3 MoO.
    2. Préparer la poudre de soufre (S) dans un bateau de quartz séparés sur le côté en amont de la fournaise. Maintenir sa température à 190 ° C au cours de la réaction.
    3. Utiliser l’argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gaz flux pour apporter les vapeurs de3 S et MoO au saphir substrat pendant le chauffage de la zone centrale à 750 ° C.
    4. Garder la zone de cuisson, après avoir atteint la température désirée de la croissance de 750 ° C, pendant 15 minutes et puis naturellement refroidir le four à température ambiante.
  3. Effectuer l’EBL.
    NOTE : A mince Au total d’environ 5 nm a été déposé par la pulvérisation pour décharger pendant tous les processus d’EBL sur substrat de saphir
    1. Identifier, à l’aide d’un microscope optique, un endroit où les flocons de monocouche2 MoS sont aperçus, puis concevoir la présentation de motif de rayure pour cette zone spécifique à l’aide d’un logiciel de dessin (AutoCAD).
    2. Spin-couche photosensible (PR), par exemple de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou P015, sur le dessus de l’échantillon à 2000 tr/min pendant 60 s (température ambiante). Veiller à ce que le PR a couvert l’ensemble de l’échantillon après Enduction centrifuge.
    3. Chauffer l’échantillon (cuisson douce) à 100 ° C pendant 90 s pour évaporer les solvants dans la PR et d’améliorer l’adhérence.
    4. Convertir un fichier spécifique de la mise en page du modèle à l’étape 1.3.1 (exemple : fichier GDS) et de le transférer dans le logiciel EBL.
    5. Déterminer la dose idéale de faisceau d’électrons basée sur la largeur des raies dans la mise en page.
      Remarque : Pour les épaisseurs inférieures à 1 µm, la dose idéale de faisceau d’électrons est 110 µ c/cm2; la largeur de ligne 1 à 5 µm, la dose est de 100 µ c/cm2; et pour la largeur de la ligne plus large que 5 µm, la dose est de 80 µ c/cm2.
    6. Commencer à exposer l’échantillon à faisceau d’électrons.
    7. Appliquer après l’exposition au four (PEB) sur l’échantillon après l’exposition afin de réduire les effets de l’onde stationnaire. Chauffer l’échantillon à 120 ° C pendant 90 s.
    8. Utiliser de tétraméthylammonium hydroxyde (TMAH) 2,38 % en tant que développeur. Immergez l’échantillon à TMAH pour 80 s. lavent le TMAH avec 200 mL d’eau désionisée pendant 10 s.
    9. Examinez si le modèle est bien développé par microscopie optique.
    10. Faire cuire dur pour se débarrasser de l’eau supplémentaire en chaleur PR. l’échantillon à 110 ° C pendant 90 s.
  4. Définir les structures de bande à l’aide de gravure au plasma d’oxygène (O2) 50 W (1st eau-forte) pendant 30 s à 2 min et PR enlever à l’aide de 50 mL d’acétone.
  5. Croître disélénure de tungstène (WSe2) à l’aide de maladies cardiovasculaires sur l’emplacement de la cible, qui se traduira par une croissance plue de WSe2 couche entre les bandes de2 MoS déjà existants sur le substrat de saphir.
    1. Lieu de 0,6 g de poudre de tungstène trioxyde (WO3) dans un bateau de quartz situé au chauffage Centre de la zone du four. Mettre le substrat de saphir en aval à côté de l’embarcation de quartz contenant de la poudre de3 WO.
    2. Préparer la poudre de sélénium (Se) dans un bateau de quartz séparés sur le côté en amont de la fournaise. Maintenir sa température à 260 ° C au cours de la réaction.
    3. Utiliser Ar/H2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, 20 Torr) gaz flux pour apporter les vapeurs de3 Se et malheur au saphir substrat pendant le chauffage de la zone centre et 925 ° C.
    4. Garder la zone de cuisson, après avoir atteint la température désirée de la croissance de 925 ° C, pendant 15 minutes et puis naturellement refroidir le four à température ambiante.
  6. Fabriquer les tableaux de métal et de repères.
    1. Les modèles de tableaux de métal et l’alignement de superposition les marques à l’aide de la photolithographie répétition technique.
    2. Dépôt 20 nm/60 nm Ti / à l’aide du canon à électrons évaporateur.
      Remarque : L’or est utilisé pour éviter l’oxydation des électrodes métalliques.
    3. Préparer et submerger l’échantillon de 100 mL d’acétone pour dissoudre PR et d’effectuer le décollage. Secouer et faire sauter l’acétone tout en contrôlant l’ensemble du processus par l’intermédiaire de la microscopie optique, jusqu'à ce que les patins métalliques deviennent apparents.
  7. Effectuer un autre processus EBL pour superposer un motif de forme de ruban sur le dessus de l’hétérojonction MoS2WSe -2 .
    1. Mesurer le déplacement coordonnée entre la localisation de la cible dans l’hétérojonction MoS2WSe -2 et les repères à l’aide de la microscopie optique et concevoir la présentation ruban-forme basée sur ces mesures à l’aide d’un logiciel (AutoCAD).
    2. Spin-manteau PR, par exemple, PMMA ou P015, sur le dessus de l’échantillon à 2000 tr/min pendant 60 s (température ambiante). Veiller à ce que le PR a couvert l’ensemble de l’échantillon après Enduction centrifuge.
    3. Chauffer l’échantillon (cuisson douce) à 100 ° C pendant 90 s pour évaporer les solvants dans la PR et d’améliorer l’adhérence.
    4. Convertir un fichier spécifique de la mise en page du modèle à l’étape 1.7.1 (exemple : fichier GDS) et de le transférer dans le logiciel EBL.
    5. Déterminer la dose idéale de faisceau d’électrons basée sur la largeur des raies dans la mise en page.
      Remarque : Pour les épaisseurs inférieures à 1 µm, la dose idéale de faisceau d’électrons est 110 µ c/cm2; la largeur de ligne 1 à 5 µm, la dose est de 100 µ c/cm2; et pour la largeur de la ligne plus large que 5 µm, la dose est de 80 µ c/cm2.
    6. Mettre en place la machine EBL telle que la position de l’alignement de marques dans le substrat de saphir correspond à sa correspondance dans la mise en page.
    7. Commencer à exposer l’échantillon à faisceau d’électrons.
    8. Appliquer PEB sur l’échantillon après l’exposition afin de réduire les effets de l’onde stationnaire. Chauffer l’échantillon à 120 ° C pendant 90 s.
    9. Utilisez TMAH 2,38 % comme le développeur. Immergez l’échantillon à TMAH pour 80 s. lavent le TMAH avec 200 mL d’eau désionisée pendant 10 s.
    10. Examinez si le modèle est bien développé par microscopie optique.
    11. Faire cuire dur pour se débarrasser de l’eau supplémentaire en chaleur PR. l’échantillon à 110 ° C pendant 90 s.
  8. Gravure au plasma O2 (2nd eau-forte) permet de définir une hétérojonction latérale en forme de ruban et enlever PR par l’acétone.
  9. Effectuer le processus d’EBL pour superposer le modèle des électrodes métalliques Ti/Au.
    1. Mesurer le déplacement coordonnée entre la localisation de la cible dans l’hétérojonction MoS2WSe -2 et les repères à l’aide de la microscopie optique et concevoir la présentation de l’électrode métallique basée sur ces mesures à l’aide d’un logiciel (AutoCAD).
    2. Spin-manteau PR, par exemple, PMMA ou P015, sur le dessus de l’échantillon à 2000 tr/min pendant 60 s (température ambiante). Veiller à ce que le PR a couvert l’ensemble de l’échantillon après Enduction centrifuge.
    3. Chauffer l’échantillon (cuisson douce) à 100 ° C pendant 90 s pour évaporer les solvants dans la PR et d’améliorer l’adhérence.
    4. Convertir un fichier spécifique de la mise en page du modèle à l’étape 1.9.1 (exemple : fichier GDS) et de le transférer dans le logiciel EBL.
    5. Déterminer la dose idéale de faisceau d’électrons basée sur la largeur des lignes métalliques dans la mise en page.
      NOTE : La largeur de ligne métallique inférieure à 1 µm, la dose idéale de faisceau d’électrons est 110 µ c/cm2; la largeur de ligne 1 à 5 µm, la dose est de 100 µ c/cm2; et pour la largeur de la ligne plus large que 5 µm, la dose est de 80 µ c/cm2.
    6. Mettre en place la machine EBL telle que les positions des marques alignement dans le substrat de saphir correspond à sa correspondance dans la mise en page.
    7. Commencer à exposer l’échantillon à faisceau d’électrons.
    8. Appliquer PEB sur l’échantillon après l’exposition afin de réduire les effets de l’onde stationnaire. Chauffer l’échantillon à 120 ° C pendant 90 s.
    9. Utilisez TMAH 2,38 % comme le développeur. Immergez l’échantillon à TMAH pour 80 s. lavent le TMAH avec 200 mL d’eau désionisée pendant 10 s.
    10. Examinez si le modèle est bien développé par microscopie optique.
    11. Faire cuire dur pour se débarrasser de l’eau supplémentaire en chaleur PR. l’échantillon à 110 ° C pendant 90 s.
  10. Effectuer le déjaugeage et Ti/Au dépôt métallique
    1. Dépôt de métal Ti / à l’aide de Canon à électrons évaporateur avec l’épaisseur inférieure à 100 nm, sinon, il sera difficile d’enlever le PR et le métal non désiré de décollage.
    2. Préparer et submerger l’échantillon de 100 mL d’acétone pour dissoudre PR et d’effectuer le décollage. Agiter et souffler l’acétone tout en contrôlant l’ensemble du processus par l’intermédiaire de la microscopie optique, jusqu'à ce qu’il y a seulement des lignes métalliques et tampons à gauche.
  11. Exécuter le processus EBL d’étape 1.9 mais incrustation de motif de l’électrode métallique de la Pd / au lieu de Ti/Au.
  12. Effectuer le processus de dépôt et déjaugeage métallique à l’étape 1.10 mais dépôt Pd / au lieu de Ti/Au.

2. procédé de Fabrication de Transistors de découpage en arrière 2D

  1. Préparation des dos-gated TR/SiO2 substrats avec repères.
    1. Préparer la maison ou du commerce SiO2/Si substrat.
    2. Utilisez photolithographie ou techniques de structuration EBL pour définir le repère d’alignement.
    3. Effectuer ionique réactive (RIE) de gravure sur le SiO2/Si substrat jusqu'à ce que la profondeur totale de la zone cible atteint 1000 nm et enlevez le PR en plasma2 O pour révéler les repères formé.
    4. Les modèles de tableaux de métal à l’aide de la photolithographie répétition technique de superposition.
    5. Dépôt 20 nm/60 nm Ti / à l’aide du canon à électrons évaporateur.
      Remarque : L’or est utilisé pour éviter l’oxydation des électrodes métalliques.
    6. Préparer et submerger l’échantillon de 100 mL d’acétone pour dissoudre PR et d’effectuer le décollage. Secouer et faire sauter l’acétone tout en contrôlant l’ensemble du processus par microscopie optique, jusqu'à ce que les patins métalliques deviennent apparents.
  2. Effectuez CVD de MoS2 sur substrat de saphir dans un four chaud-mur.
    1. Lieu de 0,6 g de poudre3 MoO dans un bateau de quartz situé au chauffage Centre de la zone du four. Mettre le substrat de saphir en aval à côté de l’embarcation de quartz contenant de la poudre de3 MoO.
    2. Préparer la poudre de S dans un bateau de quartz séparés sur le côté en amont de la fournaise. Maintenir sa température à 190 ° C au cours de la réaction.
    3. Utiliser l’argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gaz flux pour apporter les vapeurs de3 S et MoO au saphir substrat pendant le chauffage de la zone centrale à 750 ° C.
    4. Garder la zone de cuisson, après avoir atteint la température désirée de la croissance de 750 ° C, pendant 15 minutes et puis naturellement refroidir le four à température ambiante.
  3. Transférez MoS2 le saphir au substrat /Si2SiO dos-dépendants.
    1. Manteau de spin PMMA avec la vitesse d’essorage de 3500 tr/min pendant 30 s sur le film de2 MoS.
    2. Cuire au four de la /sapphire de2MoS échantillon à 120 ° C pendant 3 min afin de renforcer le revêtement de PMMA.
    3. Trempez le MoS2échantillon /Sapphire dans 50 mL d’ammoniaque (14,5 %) pendant environ 30 min à 2 h pour séparer le film de2 MoS le substrat de saphir.
    4. Ramasser le film et le transférer au substrat SiO2/Si.
    5. Cuire au four de l’échantillon MoS2/SiO2/Si afin d’améliorer l’adhérence entre le MoS2 et SiO2 couches. Chauffer l’échantillon à 120 ° C pendant environ 30 min à 1 h.
    6. Retirez le PMMA par lavage avec 30 mL d’acétone pendant environ 30 min à 2 h.
    7. Rincer l’échantillon avec de l’alcool isopropylique et d’azote permet de souffler il sèche.
  4. Effectuer l’EBL.
    Remarque : Il n’y a aucun Au mince déposé sur SiO2/Si substrat au cours du processus d’EBL Si étant en quelque sorte conductrice.
    1. Mesurer le déplacement coordonnée entre l’emplacement de la cible et l’alignement marque par microscopie optique et, selon ces mesures, concevoir la présentation de modèle des électrodes métalliques à l’aide d’un logiciel de conception.
      Remarque : Des électrodes métalliques relier les points de la cible dans l’échantillon de2 MoS sur les plaquettes métalliques dans le substrat de /Si2SiO.
    2. Spin-manteau PR, par exemple, PMMA ou P015, sur le dessus de l’échantillon à 2000 tr/min pendant 60 s (température ambiante). Veiller à ce que le PR a couvert l’ensemble de l’échantillon.
    3. Chauffer l’échantillon (cuisson douce) à 100 ° C pendant 90 s pour évaporer les solvants dans la PR et d’améliorer l’adhérence.
    4. Convertir un fichier spécifique de la mise en page du modèle à l’étape 2.4.1 (exemple : fichier GDS) et de le transférer dans le logiciel EBL.
    5. Déterminer la dose idéale de faisceau d’électrons basée sur la largeur des lignes métalliques dans la mise en page.
      NOTE : La largeur de ligne métallique inférieure à 1 µm, la dose idéale de faisceau d’électrons est 110 µ c/cm2; la largeur de ligne 1 à 5 µm, la dose est de 100 µ c/cm2; et pour la largeur de la ligne plus large que 5 µm, la dose est de 80 µ c/cm2.
    6. Mettre en place la machine EBL telle que la position des marques alignement dans le Si/SiO2 substrat correspond à sa correspondance dans la mise en page.
    7. Commencer à exposer l’échantillon à faisceau d’électrons.
    8. Appliquer PEB sur l’échantillon après l’exposition afin de réduire les effets de l’onde stationnaire. Chauffer l’échantillon à 120 ° C pendant 90 s.
    9. Utilisez TMAH 2,38 % comme le développeur. Immergez l’échantillon à TMAH pour 80 s. lavent le TMAH avec 200 mL d’eau désionisée pendant 10 s.
    10. Examinez si le modèle est bien développé par microscopie optique.
    11. Faire cuire dur pour se débarrasser de l’eau supplémentaire en chaleur PR. l’échantillon à 110 ° C pendant 90 s.
  5. Effectuer le déjaugeage et les dépôts de métaux Au
    1. Dépôt de métal à l’aide de Canon à électrons évaporateur avec l’épaisseur inférieure à 100 nm, sinon, il sera difficile d’enlever le PR et le métal non désiré de décollage.
    2. Préparer et submerger l’échantillon de 100 mL d’acétone pour dissoudre PR et d’effectuer le décollage. Agiter et souffler l’acétone tout en surveillant le processus par l’intermédiaire de la microscopie optique, jusqu'à ce qu’il y a seulement des lignes métalliques et tampons à gauche.

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Résultats

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les processus de fabrication du dispositif ont été appliquées à plusieurs des recherches de l’auteur correspondant, qui implique l’élaboration de dispositifs matériels 2D. Dans cette partie, les résultats de certaines de ces recherches sont présentés pour illustrer l’effectivité du protocole susmentionné. Une monocouche de latéral WSe2-MoS2 Q-HBT20 est sélectionné comme le premier exemple. En utilisant les procédés de fabrication de dispositif...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dans cet article, on démontre les procédures détaillées de fabrication électronique novateur basé sur des matériaux 2D à l’échelle du nanomètre. Étant donné que les procédures de préparation des échantillons de chaque application ont des différences entre eux, les processus superposés ont été traités comme le protocole. Électron faisceau structuration combinée avec la détermination de la situation matérielle et électrode métallique définition sert donc le protocole ici. Parmi les deux types de dispositifs mentionnés, l’e...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce travail a été soutenu par le Conseil National de la Science, Taïwan sous le contrat no. PLUS 105-2112-M-003-016-MY3. Ce travail a été également en partie pris en charge par le laboratoire de faisceau électronique en génie électrique de l’Université nationale de Taïwan et les laboratoires nationaux de dispositif de Nano.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
E-gun ÉvaporateurASTPEVA 600I
Au slug, 99.99 %Well-Being Enterprise CoN/A
Ti slug, 99.99 %Well-Being Enterprise CoN/A E-beam
Lithography SystemElionixELS7500--EX
Cold Wall CVD SystemSulfur ScienceSCW600S
C-plane Substrat SapphireSummit-TechX171999(0001) ± ; 0,2 ° ; un côté poli
100 nm SiO2/SiFabriqué en solution d’ammoniac NDL
Solution d’ammoniacBASF
(Mo), 99,95 %Summit-TechN/A
Tungstène (W), 99,95 %Summit-TechN/A
Soufre (S), 99,5 %Sigma-Aldrich13803
Polyméthacrylate de méthyle (PMMA)Microchem8110788Utilisation pour le processus de transfert
Spin CoaterLaurellWS 400B 6NPP LITE
AcétoneBASFAcétone EL Selectipur
Isopropanol (IPA)BASF2-Propanol UPS
Photo Resist pour EBLTOKTDUR-P-015
Nettoyeur de plasmaHarrick PlasmaPDC-32GPlasma d’oxygène
28 % Molybdène sélectif

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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