Новое исследование, проведенное Принстонским университетом, показывает, что путем введения небольших количеств кислорода или фтора на поверхность конкретных двумерных материалов можно значительно улучшить управляемость процессом плазменного травления, что, как ожидается, будет способствовать производству нового поколения меньших, быстрых и более энергоэффективных компьютерных чипов. Это революционное достижение обеспечивает ключевые технологические средства для внедрения новых ультратонких материалов на основе традиционных кремниевых процессов.

Сегодняшние коммерческие чипы содержат миллиарды кремниевых транзисторов на квадратный дюйм, но кремниевые материалы постепенно приближаются к физическим пределам с точки зрения уменьшения размера и улучшения производительности. Чтобы продолжить развитие закона Мура, научно-исследовательское сообщество обратило свое внимание на тип ультратонкого дихалькогенида переходного металла (TMD), надеясь, что он сможет работать в сочетании с кремнием для создания будущих транзисторных структур. Среди этих материалов-кандидатов особый интерес представляет дисульфид молибдена (MoS₂), поскольку он имеет толщину всего три атомных слоя: слой атомов молибдена посередине и слой атомов серы сверху и снизу.

Чтобы эффективно интегрировать этот тип материала TMD в структуру чипа, производственный процесс часто требует «отслаивания только одного слоя» — точного удаления верхнего слоя атомов серы на поверхности, оставляя при этом нижний слой молибдена и нижний слой серы нетронутыми. В настоящее время в промышленности обычно используется метод плазменного травления, в котором используются заряженные частицы высокой энергии, аналогичные физическому состоянию Солнца и звезд, для бомбардировки поверхности материала и выбивания атомов один за другим.

Трудность состоит в том, что в плазме существует распределение энергии ионов, а технологическое окно чрезвычайно узко, чтобы удалить атомы серы на поверхности, не повреждая атомы молибдена непосредственно под ним. Если энергия немного ниже, атомы серы не могут быть удалены полностью; если энергия немного выше, слой молибдена может быть поврежден, в результате чего весь материал потеряет свою ценность как высокопроизводительный канальный слой. Именно эта проблема управления процессом «небольшого различия» на протяжении многих лет ограничивала широкомасштабное применение материалов TMD в передовых производственных процессах.

Эта работа, проведенная исследовательской группой из Принстона и других институтов посредством крупномасштабного компьютерного моделирования, нашла, казалось бы, простое, но очень эффективное решение «химической помощи»: функциональное покрытие поверхности дисульфида молибдена кислородом или фтором перед плазменной обработкой. Результаты моделирования показывают, что этот дополнительный шаг значительно расширяет окно безопасности процесса, упрощая удаление только верхнего слоя атомов серы, не повреждая нижележащий слой молибдена.

Исследования показывают, что для удаления одного атома серы с поверхности необработанного дисульфида молибдена требуется падающая энергия примерно 30 электронвольт. После предварительного покрытия фтором этот энергетический порог можно снизить примерно до 10 электрон-вольт; с кислородным покрытием его можно снизить примерно до 14 электронвольт. Для сравнения, энергии, соответствующие двум результатам «удаления серы» и «пробивания слоя молибдена» в исходной ситуации, очень близки, что затрудняет предотвращение повреждения основной части материала во время фактической обработки.

При использовании покрытий из кислорода или фтора энергия, необходимая для отделения атомов серы, значительно снижается, что приводит к увеличению расстояния от «порога повреждения». В этом более широком рабочем окне, даже если существуют определенные колебания энергии ионов в плазме, все равно существует большая вероятность того, что будет запущено только селективное удаление атомов серы на поверхности без повреждения слоя молибдена в ядре структуры. Эта разница имеет решающее значение для достижения точности на атомном уровне в производстве полупроводников.

Исследовательская группа отметила, что ключ к новой стратегии заключается в том, чтобы «позволить химическим реакциям помочь», а не полностью полагаться на физическое воздействие частиц плазмы. Когда высокоскоростные ионы ударяются о поверхность MoS₂, предварительно покрытую кислородом, два близлежащих атома кислорода будут стремиться объединиться с атомом серы, образуя молекулу сернистого газа. Эта молекула термодинамически очень стабильна и ее легче самопроизвольно отделить от поверхности материала, что эквивалентно «отнятию серы посредством химической реакции».

Аналогичным образом, если используется фтористое покрытие, будет генерироваться промежуточное соединение, содержащее связи сера-фтор, которые также легче разорвать, чем исходные связи S-Mo, тем самым достигается мягкое и селективное травление поверхности. Первый автор статьи Юрий Поляченко, аспирант химического факультета Принстонского университета и член Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL), работавший летом 2025 года, заявил, что они не разрывали напрямую самые прочные химические связи внутри материала, а сначала генерировали «лучшие» промежуточные продукты посредством функционализации, а затем удаляли их с меньшей энергией.

Этот результат был опубликован в «Журнале физической химии» и подробно обсуждает влияние различных методов функционализации поверхности на энергетические барьеры и риски повреждения. Текущая работа по моделированию в основном сосредоточена на ответе на вопрос: «Будет ли он поврежден?» На следующем этапе команда планирует провести дальнейшую количественную оценку конкретных типов и плотности дефектов, возникающих в различных условиях процесса, тем самым предоставив отрасли более подробные рекомендации по эксплуатационным параметрам.

Исследователи также планируют распространить эту идею на более широкий спектр материальных систем, таких как замена молибдена на вольфрам, замена серы на селен и т. д., чтобы увидеть, применима ли эта комбинация функционализации кислородом/фтором и плазменного селективного травления. Если подобные эффекты можно будет воспроизвести в различных материалах TMD, это откроет больше возможностей для выбора ультратонких материалов каналов и проектирования многослойных структур в будущем.

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США и проводилось в рамках исследовательского проекта в области микроэлектроники Центра экстремальной литографии и инновационных материалов, осуществляемого Принстонской лабораторией физики плазмы. Соответствующие крупномасштабные численные модели в основном выполняются в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) и высокопроизводительных вычислительных кластерах Stellar, Della и Tiger Принстонского университета.