• 成果速递 | 小型無掩膜光刻直寫系統(MicroWriter)在复旦大学包文中教授課題組的最新研究应用
  • 儀器信息網 2019/10/15 13:55:34 加載中...
  • 文章導讀


    複旦大學微電子學院包文中教授課題組主要的研究領域包括二維層狀材料的能帶調控、器件工藝及應用,包括二硫化钼(MoS2),黑磷等。近日,其课题组利用小型台式無掩膜光刻直寫系統(MicroWriter ML3)在新型二维层状材料MoS2的器件制備、轉移和應用等方面取得了一系列矚目的研究成果。

        

    引言


    隨著電子信息産業的高速發展,集成電路的需求出現了井噴式的增長。使得掩膜的需求急劇增加,目前制作掩膜的主要技術是電子束直寫,但該制作效率非常低下,並且成本也不容小觑,在這種背景下人們把目光轉移到了無掩膜光刻技術。

    英國Durham Magneto Optics公司致力于研發小型台式無掩膜光刻直寫系統(MicroWriter ML3,爲微流控、MEMS、半導體、自旋電子學等研究領域提供方便高效的微加工方案。傳統的光刻工藝中所使用的鉻玻璃掩膜板需要由專業供應商提供,但是在研發過程中,掩膜板的設計通常需要根據實際情況多次改變。無掩膜光刻技術通過以軟件設計電子掩膜板的方法,克服了這一問題。與通過物理掩膜板進行光照的傳統工藝不同,激光直寫是通過電腦控制DMD微鏡矩陣開關,經過光學系統調制,在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。同时其还具备结构紧凑(70cm x 70cm x 70cm)、高直写速度,高分辨率(xy:<1 μm)的特点。采用集成化设计,全自动控制,可靠性高,操作简便。     

    1.png


    正文


    包文中教授課題組利用小型台式無掩膜光刻直寫系統(MicroWriter ML3)在新型二维层状材料MoS2的器件制備、轉移和應用等方面取得了一系列矚目的研究成果。

    (一) SMALL: 高性能的具备实际应用前景的晶圆级MoS2晶體管 

    原子層級的過渡金屬二硫化物(TMD)被認爲是下一代半導體器件的重要研究熱點。然而,目前絕大部分的器件都是基于層間剝離來獲取金屬硫化物層,這樣只能實現微米級的制備。在本文中,作者提出一種利用化學氣相沈積(CVD)制備多層MoS2薄層,進而改善所制備器件的相關性能。采用四探針法測量證明接觸電阻降低一個數量級。進一步,基于該法制備的連續大面積MoS2薄層,采用小型無掩膜光刻直寫系統MicroWriter ML3构筑了顶栅极场效应晶體管(FET)阵列。研究表明其阈值電壓和場效應遷移率均有明顯的提升,平均迁移率可以达到70 cm2v-1s-1可與層間剝離法制備的MoS2 FET最好結果相媲美。本工作創制了一種規模化制備二維tmd功能器件和集成電路應用的有效方法。 

     3.png

    图1. (a-e) 利用CVD法制备大面积多层MoS2的原理示意及形貌结果。(g, h, i, j) 单层MoS2邊界及多層MoS2片層島的AFM測試結果,拉曼譜及光致發光譜結果


    4.png 

    图2. 利用無掩膜激光直寫系統(MicroWriter)MoS2薄層上制備的多探針(二探針/四探針)測量系統,以及在不同條件下測量的接觸電阻和遷移率結果。證明所制多層mos2的平均迁移率可以达到70 cm2v-1s-1

     

    5.png

    图3. 利用無掩膜光刻直寫系統(MicroWriter)制備的大面積規模級MoS2 FET陣列,及其場效應遷移率和阈值電壓的分布性測量結果,證明該規模級MoS2 FET陣列具備優異且穩定的均一特性 

    (二) Nanotechnology: 用于高性能场效应晶體管的晶圆级可转移多层MoS2的制備

        利用化学气相沉积(CVD)制备半导体型过渡金属二硫化物(TMD)是一种制备半导体器件的新途径,然而实现连续均匀的多层TMD薄膜制备仍然需要克服特殊的生长动力学问题。在本文中,作者利用多层堆叠(layer-by-layer)及转移工艺,制备出均匀、无缺陷的多层MoS2 薄膜。同時,利用無掩膜光刻直寫系統(MicroWriter)在其基础上制备场效应晶體管(FET)器件。分别實現1層、2層、3層和4層MoS2 FRT的制備,並深入研究不同條件下器件的遷移率變化,最終發現隨著MoS2 堆疊層數的增加,電子遷移率隨之增加,但電流開關比反而減小。綜合遷移率和電流開關變化,2層/3層MoS2 FET是最優設計器件。此外,雙柵極結構也被證明可以改善對多層mos2通道的靜電控制。 

     7.png

    图4 (a) 多层MoS2 结构的制備/转移流程示意;(b) 单层/双层MoS2 薄膜的光学形貌;(c) 双层MoS2 薄膜的afm表面形貌结果;(d) 单层/双层MoS2 薄膜的拉曼譜結果

     8.png

    图5 (a) 背栅极MoS2 FET阵列制备流程示意;(b) 利用無掩膜激光直寫系統(MicroWriter)制備的MoS2 FET器件的表面光学形貌(利用MicroWriter特有的虚拟掩膜对准技术(VMA),可以高效直观地在感兴趣区域实现图形曝光);(c-f) 不同结构的MoS2 FET器件的輸出特性及轉移特性測量結果

    9.png

     

    图6 (a) 利用MicroWriter在Si/SiO2晶圆上制備的大范围MoS2 FET器件陣列,其中包含1層和2層MoS2;(b) 相应阵列区域的迁移率和阈值电压分布结果,证明其优异的均一特性

    10.png

    图7 (a) 双栅极MoS2器件的结构原理;(b) 利用無掩膜激光直寫系統(MicroWriter)制備的大面积双栅极MoS2器件的形貌结果;(c, d) 2层MoS2雙柵極器件的電學測量結果。


    相關參考:

    1. high-performance wafer-scale mos2 transistors toward practical application. small 2018, 1803465

    2. wafer-scale transferred multilayer mos2 for high performance field effect transistors. nanotechnology, 2019, 30,174002

  • [來源:QUANTUM量子科學儀器貿易(北京)有限公司]
下載APP,看資訊更方便
推荐視頻
換一換
      相關産品
      熱文推薦
          相關新聞
          加載中...
          正在發送請求......
          APP內打開