КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-19-00278
НазваниеПрименение туннельно-тонких диэлектриков для инжиниринга контактов металл/MoS2 в полевых транзисторах с 2D полупроводниковым каналом
РуководительМаркеев Андрей Михайлович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва
Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2026 г. |
Конкурс№92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые словадвумерные материалы, дихалькогениды переходных металлов, атомно-слоевое осаждение, индуцированные металлом уровни в запрещенной зоне, пиннинг уровня Ферми, контактное сопротивление, барьер Шоттки, полевой транзистор
Код ГРНТИ47.09.48
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) (MoS₂, WS₂, WSe₂) – относятся к классу Ван-дер-Ваальсовых материалов, которые относительно легко могут быть получены в форме монослоев толщиной ~0,7 нм обладая при этом значимой шириной запрещенной зоны ~1,6-1,8 эВ. Эти двумерные полупроводники стабильны химически и характеризуется атомарно гладкой поверхностью. В последние годы серьезные успехи достигнуты в эпитаксиальном росте монослойных MoS₂ плёнок электронного качества с подвижностью носителей ~ 40-50 см²/В∙с на подложках больших площадей. Такие величины подвижности как минимум на порядок превосходят подвижность в кремнии сравнимой толщины. Поэтому 2D-ДПМ считаются одними из основных кандидатов в материалы для ультратонких, с толщиной менее 3 нм, каналов транзисторов следующего поколения, в том числе изготавливаемых по архитектуре Gate-All-Around.
Тем не менее, существуют серьезные сложности на пути использования MoS₂ и других ДПМ в качестве материалов канала. Одной из ключевых оказалась проблема получения низкого сопротивления в контактах Ме/MoS₂ истока/стока: типичные значения составляют ~10-20 кОм•мкм, на два порядка выше чем в кремниевой технологии ~0,1 кОм•мкм. Это мешает в полной мере реализовать положительные качества таких материалов там, где они должны давать наибольшее преимущество - в продолжении скэйлинга длины канала. Для ДПМ - транзистора сопротивление контактов истока/стока становится сопоставимым с сопротивлением канала, что приводит к серьезному ухудшению всех основных характеристик при длине канала существенно выше теоретического предела для ДПМ (<10 нм). Проблема высокого сопротивления контактов Me/MoS₂ связана с появлением промежуточных уровней в запрещенной зоне полупроводника (metal induced gap states (MIGS), приводящих к пиннингу уровня Ферми, что ведет к большой величине барьера Шоттки. Причина появления MIGS – это проникновение волновых функций электронов из металла в 2D-полупроводник из-за образования химической связи между металлом контакта и халькогеном ДПМ. Для решения данной проблемы мы предлагаем ослабить проникновение волновых функций электронов металла в 2D-ДПМ за счет встраивания туннельно-тонкого диэлектрика между металлом и 2D-ДПМ. Это приведет к уменьшению пиннинга и уменьшению величины барьера Шоттки. Поскольку предполагается изготавливать диэлектрик туннельно-тонким, то носители заряда смогут туннелировать через энергетический барьер, создаваемый им в 2D полупроводник.
Для решения этой задачи требуется метод прецизионного нанесения ультратонких (1-2 нм) диэлектрических слоев. Метод атомно-слоевого осаждения (АСО) благодаря использованию самонасыщаемых поверхностных реакций зарекомендовал себя как метод, позволяющий получать диэлектрики практически с атомарной точностью задания толщины. В этой связи, планируется использовать АСО в качестве основного метода для встраивания туннельно-тонких диэлектриков между металлом и 2D-полупроводником. По атомно-слоевому осаждению туннельно-тонких диэлектриков для инжиниринга контактов Me/ДПМ имеется буквально несколько работ. При этом остаются невыясненными все основные вопросы, а именно, каков оптимальный материал и какова оптимальная толщина для АСО туннельно-тонкого диэлектрика. Кроме того, для процессов АСО характерна проблема длительного инкубационного периода на 2D-ДПМ, в результате возможно возникновение проблем со получением сплошных слоев туннельно-тонких диэлектриков. Поэтому нами также предполагается цикл исследований по функционализации поверхности MoS₂. Для измерения взаимного расположения зон в структурах Me/диэлектрик/MoS₂ планируется использовать метод РФЭС, являющийся одним из самых точных методов для этой задачи.
В итоге, мы полагаем, что предлагаемое решение проблемы улучшения качества контактов Me/MoS₂ обладает научной новизной и актуальностью для микроэлектроники логических устройств, построенных на материалах новой генерации, а именно на 2D полупроводниках.
Ожидаемые результаты
В проекте планируется разработать основы технологии контактов истока/стока 2D-MoS₂-транзисторов с контактным сопротивлением ~0.1-0.5кОм∙мкм, т.е. сравнимых по качеству с омическими контактами в кремниевой КМОП-технологии. Снижение контактного сопротивления будет обеспечиваться за счет встраивания туннельно-тонкого диэлектрика между металлом контакта и 2D - MoS₂ каналом. В качестве основного метода нанесения туннельно-тонких диэлектриков планируется использовать метод атомно-слоевого осаждения (АСО), который позволяет практически с атомарной точностью контролировать толщину оксидного диэлектрика. При разработке этой технологии должны быть также получены следующие научные результаты:
- результаты модельных исследований по выявлению зависимости величины барьера Шоттки контактов истока\стока от Eg встраиваемого диэлектрика и сдвига его зоны проводимости по отношению к MoS₂ (Conduction Band Offset), на основании которых будет предложен оптимальный диэлектрик из ряда: TiO₂, Ta₂O₅, ZnO, HfO₂;
- разработанная методика РФЭС-определения взаимного расположения зон в двуслойной структуре туннельно-тонкий диэлектрик/двумерный MoS₂ толщиной 0.7-3.5 нм и в трехслойной структуре металл/туннельно-тонкий диэлектрик/двумерный MoS₂;
- результаты исследований по функционализации поверхности MoS₂ озоном/ионами гелия низких энергий и по ее влиянию на сплошность туннельно-тонких диэлектриков, полученных методом АСО на MoS₂; Данные о сплошности АСО - диэлектриков будут получены методами атомно-силовой микроскопии и РФЭС с угловым разрешением.
- результаты исследований о возможности применения в контактах исток/сток 2D MoS₂-транзистора металлов, технологически совместимых с современным микроэлектронным производством: Ti, Co, Ru, TiN;
- результаты по исследованию влияния туннельно-тонкого диэлектрика на величину барьера Шоттки в контактах Ме/MoS₂. Варьируемый параметр - толщина АСО диэлектрика. Результаты должны быть получены с помощью РФЭС;
- результаты сравнительных исследований величины барьера Шоттки в контактах Ме/MoS₂ и Ме/Диэлектрик/MoS₂, измеренных методом РФЭС с данными получаемыми из вольт-амперных характеристик, измеренных при различных температурах.
- результаты проверочных исследований по влиянию встроенного диэлектрика на величину сопротивления контактов Ме/Диэлектрик/MoS₂; результаты измерений контактного сопротивления с использованием метода TLM;
- изготовленные 2D- MoS₂ полевые транзисторы c контактами истока/стока на основе Me/туннельно-тонкий диэлектрик/MoS₂ структур;
- результаты исследований по влиянию туннельно- тонкого диэлектрика в контактах исток/сток на ключевые характеристики транзистора: Ion, Ion/Ioff, полевая подвижность, подпороговая крутизна.
Выполнение данного проекта позволит решить одну из основных проблем на пути применения двумерных полупроводников в качестве материала канала при переходе на транзисторы нового поколения (< 3nm Ultra Thin Body технология), а именно неприемлемо высокое сопротивление контактов истока/стока. С учетом того, что исследования по этой проблемы ведутся практическим всеми ведущими научными центрами по 2D-микроэлектронике (Stanford University, IMEC, 2-D Crystal Consortium, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, University of California at Santa Barbara) успешное получение запланированных научных результатов делает этот проект значимым и соответствующим мировому уровню.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ