Разработана новая технология для устранения дефектов в перспективном полупроводниковом материале, дисульфиде молибдена (MoS2), при низкой температуре 200°C. Это достижение может стать ключевым для создания полупроводниковых чипов нового поколения, отличающихся высокой производительностью и низким энергопотреблением.
Исследование проведено под руководством профессора Джимин Квон из Департамента электротехники Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в сотрудничестве с профессором Ён-Ён Но из Департамента химической инженерии Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH). Ведущим автором научной работы, опубликованной в журнале ACS Nano, является доктор Хаксун Чжон.
Дисульфид молибдена (MoS2) рассматривается как один из наиболее многообещающих материалов для будущих полупроводников. Его использование потенциально позволяет увеличить плотность размещения компонентов на чипе, минимизировать токи утечки и, как следствие, создавать энергоэффективные чипы, не выделяющие избыточного тепла. Современные микросхемы размером примерно с ноготь уже содержат миллиарды компонентов.
Основной преградой на пути коммерциализации MoS2 является необходимость удаления дефектов, возникающих при его интеграции в чипы, при температурах, не повреждающих уже существующие кремниевые структуры. Процесс интеграции на поздних этапах производства (Back-End-of-Line, BEOL) требует температур ниже 350°C.
Наиболее распространенным типом дефектов в MoS2, образующихся в процессе осаждения материала, являются вакансии серы (Sulfur Vacancies, SVs). Эти дефекты нарушают идеальное атомное соотношение молибдена к сере (Mo:S), которое в дефектном материале обычно составляет около 1:1.68, вместо теоретического близкого к 1:2.
Наличие вакансий серы препятствует эффективному движению электронов, что негативно сказывается на производительности и долговечности полупроводниковых устройств. Целью исследователей было восстановление атомной структуры материала до близкого к идеальному соотношения.
Для устранения дефектов команда использовала химическое соединение пентафторбензолтиол (PFBT) при температуре всего 200°C. Молекула PFBT имеет гексагональное бензольное кольцо, тиольную функциональную группу (-SH) и атомы фтора (-F).
Механизм восстановления заключается в том, что атом серы из тиольной группы PFBT напрямую встраивается в место вакансии серы (SV) в структуре MoS2. Атомы фтора в молекуле PFBT способствуют удалению оставшейся части молекулы после того, как сера заполнила дефект.
Возможность такой химической реакции была подтверждена методами моделирования молекулярной динамики. Экспериментально, с помощью рентгеновской спектроскопии, было продемонстрировано, что вакансии серы действительно заполняются при низкой температуре 200°C.
В результате применения разработанной методики удалось восстановить атомное соотношение Mo:S до почти идеального значения 1:1.98. Это привело к значительному улучшению характеристик транзисторов, изготовленных из восстановленного MoS2.
Подвижность носителей заряда, напрямую влияющая на скорость работы устройства, увеличилась в 2.5 раза по сравнению с транзисторами из материала с дефектами. Показатель подпороговой крутизны (Subthreshold swing), характеризующий энергопотребление, снизился примерно на 40%.
Критически важно, что весь процесс ремонта дефектов происходит при температуре ниже 200°C, что полностью совместимо с существующими технологическими процессами производства кремниевых полупроводников на этапе BEOL, где температурный предел составляет 350°C.
Профессор Квон подчеркивает, что данная работа решает серьезную проблему дефектов в виде вакансий серы, актуальную для разработки полупроводниковых устройств нанометровых технологических узлов. В планах исследовательской группы расширение работ по использованию органических молекул для восстановления дефектов, улучшение свойств межфазных границ и применение разработанных подходов к другим перспективным полупроводниковым материалам помимо MoS2.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование проведено под руководством профессора Джимин Квон из Департамента электротехники Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в сотрудничестве с профессором Ён-Ён Но из Департамента химической инженерии Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH). Ведущим автором научной работы, опубликованной в журнале ACS Nano, является доктор Хаксун Чжон.
Дисульфид молибдена (MoS2) рассматривается как один из наиболее многообещающих материалов для будущих полупроводников. Его использование потенциально позволяет увеличить плотность размещения компонентов на чипе, минимизировать токи утечки и, как следствие, создавать энергоэффективные чипы, не выделяющие избыточного тепла. Современные микросхемы размером примерно с ноготь уже содержат миллиарды компонентов.
Основной преградой на пути коммерциализации MoS2 является необходимость удаления дефектов, возникающих при его интеграции в чипы, при температурах, не повреждающих уже существующие кремниевые структуры. Процесс интеграции на поздних этапах производства (Back-End-of-Line, BEOL) требует температур ниже 350°C.
Наиболее распространенным типом дефектов в MoS2, образующихся в процессе осаждения материала, являются вакансии серы (Sulfur Vacancies, SVs). Эти дефекты нарушают идеальное атомное соотношение молибдена к сере (Mo:S), которое в дефектном материале обычно составляет около 1:1.68, вместо теоретического близкого к 1:2.
Наличие вакансий серы препятствует эффективному движению электронов, что негативно сказывается на производительности и долговечности полупроводниковых устройств. Целью исследователей было восстановление атомной структуры материала до близкого к идеальному соотношения.
Для устранения дефектов команда использовала химическое соединение пентафторбензолтиол (PFBT) при температуре всего 200°C. Молекула PFBT имеет гексагональное бензольное кольцо, тиольную функциональную группу (-SH) и атомы фтора (-F).
Механизм восстановления заключается в том, что атом серы из тиольной группы PFBT напрямую встраивается в место вакансии серы (SV) в структуре MoS2. Атомы фтора в молекуле PFBT способствуют удалению оставшейся части молекулы после того, как сера заполнила дефект.
Возможность такой химической реакции была подтверждена методами моделирования молекулярной динамики. Экспериментально, с помощью рентгеновской спектроскопии, было продемонстрировано, что вакансии серы действительно заполняются при низкой температуре 200°C.
В результате применения разработанной методики удалось восстановить атомное соотношение Mo:S до почти идеального значения 1:1.98. Это привело к значительному улучшению характеристик транзисторов, изготовленных из восстановленного MoS2.
Подвижность носителей заряда, напрямую влияющая на скорость работы устройства, увеличилась в 2.5 раза по сравнению с транзисторами из материала с дефектами. Показатель подпороговой крутизны (Subthreshold swing), характеризующий энергопотребление, снизился примерно на 40%.
Критически важно, что весь процесс ремонта дефектов происходит при температуре ниже 200°C, что полностью совместимо с существующими технологическими процессами производства кремниевых полупроводников на этапе BEOL, где температурный предел составляет 350°C.
Профессор Квон подчеркивает, что данная работа решает серьезную проблему дефектов в виде вакансий серы, актуальную для разработки полупроводниковых устройств нанометровых технологических узлов. В планах исследовательской группы расширение работ по использованию органических молекул для восстановления дефектов, улучшение свойств межфазных границ и применение разработанных подходов к другим перспективным полупроводниковым материалам помимо MoS2.
