來源:《半導體芯科技》雜志文章

在晶圓級集成 ALD 生長的二維材料，需要克服先進工藝開發的挑戰。

作者：Friedrich Witek，德國森泰科儀器（SENTECH Instruments）公司高級經理

德國“波鴻二維電子系統微電子研究實驗室”（Research Laboratory Microelectronics Bochum for 2D Electronic Systems, ForLab PICT2DES）項目旨在實現晶圓級微電子和微系統技術的高級應用。二維（2D）材料（比如過渡金屬硫化物 (TMD)）所具有的獨特光學、熱學和機械特性，在不斷發展的微技術領域（包括高靈敏度傳感器、超薄邏輯器件、納米發電機、電子器件和光電器件）有著極為廣闊的應用前景。雖然此類材料會帶來一些工藝上的挑戰，但是，通過二維材料的層厚控制能夠調節電氣和光學特性，這一點在未來的應用場合中具有巨大的潛力。

波鴻魯爾大學（RUB）正致力于建立一個穩定且可擴展的工藝鏈，該工藝鏈集成了晶圓級的高良率增材和減材技術，可以轉移到工業用途。在電子和傳感器領域使用最薄的二維材料，可實現全新、透明、靈活的生物相容性解決方案，并將資源消耗降至最低。

01利用二硫化鉬（MoS2）二維材料，彌合晶圓級微電子和微系統技術的研究與應用之間的差距

使用超薄二維材料建立穩定、可擴展的高良率晶圓級工藝，需要應對多項工藝挑戰：

? 在低加工溫度下實現高質量、大面積的單層精確生長

? 在二維材料上實現無損等離子體沉積

? 對二維材料實現均勻、單層、精確、低損傷、選擇性蝕刻

? 電接觸

在工業環境中使用二維材料面臨的主要障礙之一是，材料的生長需具有與硅（Si）相似的穩定性、低缺陷密度和可靠性。從工業角度來看，避免二維材料的轉移過程耗費大量的時間和成本是理想的，因此需要一種自下而上的方法，即：在目標襯底上直接沉積高質量的二維薄膜。由于襯底對溫度很敏感，所以為二維柔性電子器件開發的自下而上的工藝流程應具有盡可能低的加工溫度。因此，必須在晶圓片上實現包括二維材料的層堆棧（layer stacks）的良好受控和共形生長。

對于實際的器件和系統，有必要與二維材料進行介質集成。許多二維材料的帶隙，以及從直接能帶結構到間接能帶結構的轉變都取決于沉積層數。因此，在不影響底層的情況下實現均勻單層精確沉積的技術至關重要，但是非常具有挑戰性。

由于 MoS2 表面沒有化學鍵，因此無法與金屬結合，從而導致肖特基勢壘較高，且載流子注入效率較低。

MoS2 有兩種不同的穩定相，一種是金屬 1T 相，另一種是半導體 2H 相，如此一來，雖然新的橫向相變觸點能夠在實驗室規模的薄片上成功展示，但是還必需在晶圓規模上予以證實。

02項目要求

需要實施一種具有成本效益的創新型單層精確沉積、蝕刻和制備技術。柔性微電子和超靈敏微型傳感器的制造工藝需要在低溫下工作，并可擴展到 200 mm 晶圓技術。此外，該系統還需要與德國微電子研究中心（Research Fab Microelectronics Germany，FMD）和工業用戶兼容。

03滿足項目要求

超薄二維薄膜對環境濕度和氧氣非常敏感。為了避免樣品在轉移過程中發生降解，需要采用一種大型多腔室集群設備（cluster tool），該設備能夠提供二維材料生長的直接包封，而不會破壞真空。由于要擴展到晶圓級，因此該多腔室集群設備需要研究大規模生產技術的性能、晶圓間一致性、均勻性和可重復性，以及單層原子層沉積（ALD）生長。

經過公開商業招標流程，項目最終選擇了 SENTECHInstruments 公司的多腔室集群設備（圖 1）。

圖1：SENTECH 的集成型多腔室集群設備。

該解決方案為等離子體增強型原子層蝕刻（PEALE）、電感耦合等離子體增強型化學真空沉積（ICPECVD）、電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP-RIE）和等離子體增強型原子層沉積（PEALD）等各種工藝類型均提供了優良的模塊。

對于PEALD 工藝，使用的是 SENTECH 的真實遠端電導耦合等離子體（True Remote Conductively Coupled Plasma，CCP）源，從而實現了二維材料的低損傷沉積。

另一個關鍵因素是 SENTECH 平面三螺旋天線（Planar Triple Spiral Antenna, PTSA）ICP 源，可以在二維材料沉積后對其進行低損傷加工。這些獨特的多腔室集群設備為應用等離子體動力學和電氣工程教席（Chair of Applied Plasma Dynamics and Electrical Engineering，AEPT）要求的所有等離子體診斷提供端口接入。原位ALD 和原子層蝕刻（ALE）監測系統可以在整個過程中對二維材料的單層沉積和蝕刻提供出色的控制。該項目要求高度定制化，而經驗豐富的 SENTECH 跨學科領域項目團隊能夠與波鴻魯爾大學（RUB）的跨學科團隊共同完成這一任務。

04采用多腔室集群設備的工藝整合

工藝步驟：

? 襯底預處理

? 高介電常數介電材料（ALD）

? 二次襯底預處理

? 二維材料的單層精確沉積

? 表面鈍化和鈍化層，

都完全可以在真空條件下進行，因此表面極為潔凈，這對器件內部的正常接口至關重要。對于在真空環境之外進行的工藝步驟，通過保護性封裝膜和金屬化對器件進行鈍化處理，因此可以避免二維超薄薄膜的完全降解。

05等離子體加工的主要目標

等離子體加工中所需具備的關鍵因素有：

? 與常用器件材料的兼容性

? 高水平控制

? 能夠在不改變二維器件的物理、電子和光學特性的情況下進行高分辨率圖案化，即無損加工。

需要進行等離子體表面改性、襯底預處理、單層精確燒蝕和單層精確沉積。在所有的情況下，都必須精確控制等離子體特性，因此需要定制的等離子體診斷環，在 RIE（反應離子蝕刻）腔室（用于氟氣）和 ALE（原子層蝕刻）腔室內都引入了這種診斷環。

這些診斷環是可拆卸的，這意味著它們可以用傳統的間隔環來替換，從而能對工藝進行比較，并轉移到任何 RIE 系統。它們還允許使用不同的等離子體診斷工具（例如阻滯場能量分析儀傳感器陣列），以確定離子能量分布函數和離子通量。此外，利用光發射譜來獲取等離子體成分的相關信息。

06支持復雜多腔室集群設備的基礎設施配置

由于該項目的復雜性和跨學科性質，且采用了集成型多腔室集群設備，因此需要進行大量的預先規劃工作。所有的利益相關方通力合作，以確保從設備交付、安裝到正常運行的整個過程中，將復雜性和故障停機時間降到最低。多腔室集群設備的配置非常復雜，因此，作為一所大學，為基礎設施提供支持是一項重大挑戰。多腔室集群設備需要 14 條工藝氣體管線、42 個工藝氣體入口和大約 300 米長的氣體供應（主要是在多腔室集群設備內，也用于現場安裝）不銹鋼管道，以上這些必須安裝在一個房間內。

由于 Cl 基氣體、H2S 和硅烷以及高度易燃和有毒的ALD 前體具有潛在的危險性，因此必須將多腔室集群設備及其外加設備（包括氣體供應和廢氣管理）完全集成到潔凈室的安全基礎設施中。作為項目的額外組成部分，需要就廢氣凈化裝置（作為三柱系統的干床吸收器）額外發布招標公告。這必需較快地完成，以確保與其他機械設備的進度時間表相一致。

SENTECH 應用團隊、工程部門、技術服務部門與波鴻魯爾大學（RUB）的專家們經過不到一年的跨學科規劃討論，對多腔室集群設備進行了客戶特定的修改。然而，由于多腔室集群設備和所需基礎設施的規模和復雜性，事實證明，前期規劃對于在規定時間內實現項目目標是非常寶貴的。密切的合作確保了機器配置、基礎設施以及氣體傳感器安全系統與新設備的兼容性和實施問題都提前做好了計劃。

集成型多腔室集群設備避免了交叉污染、不希望有的摻雜和暴露在潮濕環境下等不良問題，從而提高了薄膜質量。自 2022 年 3 月以來，此多腔室集群設備一直在運轉，初步結果十分喜人。作為由德國聯邦教育與研究部（BMBF）資助的 ForMikro 項目 FlexTMDSense（“基于二維材料系統的新型柔性傳感器系統研究”）的聯合工作的一部分，計劃在未來開展合作并進行系統調適。研究課題包括基于 TMD 材料類二維半導體薄膜的超薄 pH 和氣體傳感器系統。

如需進一步了解多腔室集群設備和定制等離子診斷環、工藝程序、以及該項目的初步研究成果，可以索取完整的案例研究報告副本。請登錄 www.sentech.com 獲取相關信息。

07關于波鴻魯爾大學

波鴻魯爾大學（RUB）位于魯爾區（Ruhrgebiet），設有21 個學院，有來自世界各國的 42,600 多名學生。RUB是著名的國際頂級科研機構，也是由德國教育研究部資助的 12 個“德國微電子研究實驗室”（ForLab）之一。ForLab 項目的設立旨在為微電子學開辟新的研究領域，并充當從科學到產業的過渡中心。

08關于 SENTECH Instruments 公司

SENTECH Instruments 公司開發、制造和銷售創新設備，專注于半導體技術、微系統、光伏、納米技術和材料研究領域的薄膜沉積、結構化和特性分析。SENTECH 采用橢圓偏光儀和反射儀為非接觸、非侵入式光學特性分析提供先進的解決方案。SENTECH 是使用等離子體工藝技術進行薄膜 ALE 和 ALD 的高水平專業廠家，為許多尖端應用提供支持。

審核編輯 黃宇