Banduitlijning in MoS₂/HfO₂ heterojuncties via gecontroleerde nitridatie

Samenvatting

We onderzochten hoe een stikstofplasmabehandeling de banduitlijning tussen few-laags MoS₂ en HfO₂ verandert met behulp van X-fotoelektronspectroscopie (XPS). De valentiebandverschuiving (VBO) en geleidingsbandverschuiving (CBO) van de MoS₂/HfO₂ heterojunctie bleken 2,09 ± 0,1 eV en 2,41 ± 0,1 eV zonder nitridatie, en 2,34 ± 0,1 eV en 2,16 ± 0,1 eV met nitridatie, respectievelijk. De afstembaarheid ontstaat door Mo-N bindingvorming en oppervlaktebandbuiging in HfO₂ geïnduceerd door stikstofincorporatie. Deze studie toont aan dat strategische nitridatie gebruikt kan worden om het energielandschap van MoS₂/HfO₂ interfaces te engineer, wat een weg biedt om 2D-materiaal-gebaseerde elektronische apparaten te optimaliseren.

Achtergrond

Gelaagde overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMDCs) hebben intense onderzoeksaandacht getrokken vanwege hun unieke elektronische en optische eigenschappen die hoog afstembaar zijn met laagdikte. Molybdeen-disulfide (MoS₂) is met name veelbelovend als kanaalmateriaal voor post-7-nm schaling, met een direct bandgat van 1,8 eV in de monolage en een indirect bandgat van 1,2 eV in bulkvorm. In tegenstelling tot grafene's nul bandgat, stelt MoS₂'s dikte-afhankelijke bandgat zowel optische als elektrische toepassingen in staat. De toestandsdichtheid in few-laags MoS₂ is ruwweg drie keer zo hoog als die van de monolage, wat vertaalt naar hogere ballistische dryfstromen. Gevolgd kan few-laags MoS₂ significante voordelen bieden voor transistordesign vergeleken met zijn monolage equivalent.

Terwijl siliciumoxide-gebaseerde dielektrica hun fysieke limieten benaderen vanwege hun lage dielektrische constante, zijn high-k dielektrica zoals Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂ en h-BN geïntegreerd met MoS₂ om dunne equivalente-oxidendikten (EOT) en hoge prestaties te bereiken. HfO₂ is met name aantrekkelijk vanwege zijn hoge dielektrische constante (~20) en compatibiliteit met poly-SiGe, TaN en polykristallijn silicium gates. Echter, HfO₂ lijdt aan slechte thermische stabiliteit, hoge lekkagestromen en significante valdedichtheden, wat passiveringsstrategieën zoals interface nitridatie of fluorinatie motiveert.

In dit werk onderzochten we de banduitlijning van few-laags MoS₂ op HfO₂ dielektrica met en zonder stikstofplasmabehandeling, en karakteriseerden de interfaciale chemie met XPS.

Methoden

SiO₂/Si wafers (280 nm SiO₂) werden achtereenvolgens gereinigd in aceton en isopropanol (10 min elk) door ultrasoonde agitatie, gevolgd door DI water afspoelen en N₂ drogen. Few-laags MoS₂ films werden gegroeid op SiO₂/Si door chemische dampdepositie (CVD) met MoO₃ (0,08 mg, 99% Alfa Aesar) en S poeder (1 g, 99%). Na groei werden de MoS₂ films overgedragen op HfO₂/Si substracten met een PMMA-geassisteerde natte overdrachtsmethode. PMMA werd opgespind op MoS₂/SiO₂/Si, de SiO₂ laag geëtst in KOH, en de drijvende MoS₂/PMMA stapel op HfO₂/Si gegoten voordat PMMA in aceton werd opgelost.

HfO₂ lagen werden gedeponeerd door atomlaagdepositie (ALD) bij 200 °C met tetrakis(ethylmethylamido)hafnium (TEMAH) en H₂O als precursors. Om de stikstofincorporatie te optimaliseren, gaf secundaire-ionen massaspectrometrie (SIMS) aan dat 70 s N₂ plasma excessieve stikstof in het oxide introduceerde, wat de kwaliteit degradeerde, terwijl 30 s geen detecteerbaar oppervlaktestikstof produceerde. Voor de genitrideerde monsters werd een 50 s N₂ plasma behandeling (3 Pa) toegepast op HfO₂/Si vóór MoS₂ overdracht. Deze conditie leverde een stikstofdosis van ~8,4 × 10¹⁴ atomen cm⁻², overeenkomend met ~1,5% stikstofconcentratie zoals bevestigd door XPS. Vier monsters werden voorbereid voor XPS analyse: (1) MoS₂ op SiO₂/Si, (2) bulk HfO₂ op Si, (3) MoS₂ op as-gegroeid HfO₂, en (4) MoS₂ op N₂-plasma-behandeld HfO₂.

Resultaten en Discussie

Raman spectroscopie (RENISHAW InVia) bevestigde dat het overdrachtsproces de kristalkwaliteit van few-laags MoS₂ behield. Twee prominente pieken bij 382,86 cm⁻¹ (E₂g¹) en 406,43 cm⁻¹ (A₁g) toonden geen significante verschuiving na overdracht, wat minimale spanning of defectintroduktie aangeeft. De frequentiescheiding (Δk ≈ 23,57 cm⁻¹) correspondeert met vier-tot-vijf lagen, bevestigd door HRTEM metingen van ~2,8 nm dikte.

SIMS diepteprofiel van het genitrideerde monster onthulde een stikstofconcentratiegradiënt, met stikstof die in de HfO₂ laag diffuseerde en accumuleerde bij de HfO₂/Si interface. De N 1s XPS spectra toonden een lage-intensiteit piek bij ~395,8 eV in de genitrideerde heterojunctie, wat wijst op Mo-N bindingvorming.

Om de VBO te extraheren, werden XPS spectra van Mo 3d en Hf 4f kernniveaus opgenomen met 0,05 eV stapgrootte met een VG ESCALAB 220i-XL systeem (Al Kα, 1486,6 eV). De bindingsenergieverschillen (BEDs) tussen kernniveaus en het valentiebandmaximum (VBM) werden bepaald als 228,49 ± 0,1 eV voor Mo 3d₅/₂ in MoS₂ (monster 1) en 14,10 ± 0,1 eV voor Hf 4f₇/₂ in bulk HfO₂ (monster 2). Voor de heterojuncties verschuifde de Mo 3d₅/₂ piek van 229,45 ± 0,05 eV (monster 3) naar 229,90 ± 0,05 eV (monster 4) bij nitridatie, wat ladingsoverdracht over de Mo-N interface weerspiegelt. evenzo verschuifde de Hf 4f₇/₂ piek van 17,40 ± 0,05 eV naar 17,60 ± 0,05 eV, en de O 1s piek verschuifde met 0,20 eV naar hogere bindingsenergie. Deze verschuivingen duiden op neerwaartse bandbuiging in HfO₂, consistent met stikstof-geïnduceerde donor-achtige defecten.

Met de Kraut-methode werd de VBO (ΔE_V) berekend als 2,09 ± 0,1 eV voor de genitrideerde heterojunctie en 2,34 ± 0,1 eV voor de niet-genitrideerde. De CBO (ΔE_C) werd afgeleid uit het bandgatverschil (HfO₂: 5,9 ± 0,1 eV; MoS₂: 1,4 ± 0,1 eV) en de VBO: 2,41 ± 0,1 eV (genitrideerd) versus 2,16 ± 0,1 eV (niet-genitrideerd). Banddiagrammen illustreren dat beide heterojuncties sterke insluiting bieden voor elektronen en gaten, essentieel voor MoS₂-gebaseerde FETs. De genitrideerde interface, met zijn hogere CBO, is met name gunstig voor n-kanaal apparaten.

Conclusies

Onze XPS studie toont aan dat een korte N₂ plasma behandeling van HfO₂ vóór MoS₂ depositie de interfaciale banduitlijning significant kan wijzigen. De niet-genitrideerde heterojunctie vertoont een VBO van 2,34 ± 0,1 eV en een CBO van 2,16 ± 0,1 eV, terwijl nitridatie de VBO verlaagt tot 2,09 ± 0,1 eV en de CBO verhoogt tot 2,41 ± 0,1 eV. De waargenomen Mo-N binding en stikstof-geïnduceerde donor-toestanden verklaren de bandbuiging en de verbeterde elektroneninsluiting. Deze bevindingen bieden een duidelijke route voor band-engineering van 2D/high-k interfaces, wat de weg baant voor betrouwbaardere en hogere prestaties MoS₂-gebaseerde elektronica.

Afkortingen

ALD

Atomlaagdepositie

BE

Bindingsenergie

BED

Bindingsenergieverschil

CBO

Geleidingsbandverschuiving

CL

Kernniveau

CVD

Chemische dampdepositie

FET

Veldeffecttransistor

HfO₂

Hafniumoxide

HRTEM

Hoogresolutie transmissie-elektronenmicroscoop

MoS₂

Molybdeendisulfide

PMMA

Poly(methylmethacrylaat)

SIMS

Secundaire-ionen massaspectrometrie

SL

Enkellaags

TEMAH

Tetrakis(ethylmethylamido)hafnium

TMDC

Overgangsmetaal-dichalcogenide

VBM

Valentiebandmaximum

VBO

Valentiebandverschuiving

XPS

X-fotoelektronspectroscopie