Американские исследователи разработали химически усиленный плазменный метод для производства транзисторов нового поколения
По мере того как кремниевая электроника приближается к своим физическим пределам, учёные всё активнее изучают ультратонкие материалы, такие как дисульфид молибдена, чтобы создавать более компактные и производительные транзисторы будущего.
Производство транзисторов, объединяющих кремний с переходными дихалькогенидами металлов (TMD), требует чрезвычайно точного технологического контроля. Инженерам необходимо удалять атомы только из верхнего слоя серы, не затрагивая нижележащие слои материала. Такая операция проводится с использованием плазмы — ионизированного состояния вещества, которое также встречается в Солнце и звёздах и активно изучается.
При строго контролируемых условиях частицы плазмы сталкиваются с поверхностью TMD-материала и выбивают атомы серы. Однако этот процесс крайне чувствителен: слишком слабое воздействие не удаляет нужный слой, а слишком сильное — повреждает слой молибдена под ним, ухудшая свойства материала и снижая эффективность транзистора.
Основная проблема заключается в узком «окне процесса», при котором возможно точное удаление верхнего слоя без повреждения структуры ниже. Используя компьютерное моделирование, исследовательская группа установила, что предварительная обработка дисульфида молибдена кислородом или фтором существенно улучшает контроль над процессом травления.
Результаты, опубликованные в журнале «Письма по физической химии», показали, что поверхностные покрытия значительно снижают энергию, необходимую для удаления атомов серы. Для необработанной поверхности требуется около 30 электронвольт, тогда как после обработки фтором этот порог снижается примерно до 10 электронвольт, а при использовании кислорода — до около 14 электронвольт. Это существенно уменьшает риск повреждения нижних слоёв материала.
Снижение энергетического порога важно потому, что ионы плазмы не обладают одинаковой энергией: их распределение всегда варьируется в процессе обработки. В случае необработанной поверхности разница между энергией, достаточной для удаления серы, и энергией, способной повредить слой молибдена, крайне мала. Это делает процесс нестабильным и трудно контролируемым.
Уменьшение порога удаления серы до 10–14 электронвольт значительно расширяет безопасный диапазон работы, в котором можно аккуратно удалять верхний слой, не разрушая структуру нижележащего материала.
Вместо того чтобы полагаться исключительно на физическое воздействие плазмы, исследователи предложили химически усиленный подход. Когда ион сталкивается с поверхностью дисульфида молибдена, покрытой кислородом, два атома кислорода вступают в реакцию с атомом серы, образуя диоксид серы — стабильную газовую молекулу, которая легко отделяется от поверхности и рассеивается.
Фтор действует аналогичным образом, формируя соединения серы и фтора, которые также легче удаляются. По словам ведущего автора исследования Юрия Поляченко, метод работает за счёт образования промежуточных химических соединений, ослабляющих связи и существенно упрощающих отделение атомов серы от поверхности материала.
Сейчас работа находится на стадии перехода от доказательства концепции к более детальной оценке надёжности и масштабируемости технологии. В первую очередь исследователи планируют точно определить степень возможной деградации материала, возникающей в процессе обработки, а не просто факт её наличия.
Далее команда намерена проверить, можно ли распространить этот химически усиленный метод на более широкий класс родственных материалов. В частности, рассматривается замена молибдена на вольфрам или серы на селен в аналогичных слоистых структурах, чтобы оценить универсальность подхода и его потенциал для применения в более широком спектре полупроводниковых технологий следующего поколения.
Исследование в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.