[发明专利]过渡金属二硫属化物薄膜的原子层沉积和蚀刻

说明书

提供了用于沉积诸如铼硫化物薄膜的过渡金属二硫属化物(TMDC)膜的气相沉积方法。在一些实施例中，使用沉积循环沉积TMDC薄膜，其中反应空间中的衬底与气相过渡金属前驱体(诸如过渡金属卤化物)、包括还原剂的反应物(诸如NH₃)和硫属化物前驱体交替地并按顺序地接触。在一些实施例中，使用气相铼卤化物前驱体、还原剂和硫前驱体来沉积铼硫化物薄膜。可以通过化学气相蚀刻来蚀刻沉积的TMDC膜，学气相蚀刻使用诸如O₂的氧化剂作为蚀刻反应物和诸如N₂的惰性气体以移除过量蚀刻反应物。TMDC薄膜可以找到例如作为2D材料的用途。

技术领域

本申请总体上涉及一种用于形成过渡金属二硫属化物膜(诸如铼硫化物膜)的原子层沉积方法和一种用于蚀刻这样的膜的化学气相蚀刻方法。

背景技术

过渡金属二硫属化物(TMDC)膜(诸如铼硫化物薄膜)在广泛的不同应用中找到用途。例如，铼二硫化物已经展现相似于2D材料的行为，即使在3D块状形式下。因此，这样的膜可以在低摩擦应用、瞄准光子学(targeting photonics)、光催化、水裂解、锂离子或锂硫电池、太阳能电池应用和量子计算以及超快速数据处理中找到应用。

发明内容

过渡金属二硫属化物(TMDC)膜可以通过气相沉积工艺(诸如原子层沉积(ALD)或脉冲化学气相沉积(CVD)工艺)来沉积。过渡金属二硫属化物膜可以通过包括多个沉积循环的方法沉积，在所述多个沉积循环中，衬底与包括过渡金属前驱体的第一反应物(诸如过渡金属卤化物)、包括还原剂的第二反应物(诸如NH₃或硅烷或硼烷化合物)和包括硫属化物前驱体的第三反应物交替地接触。在一些实施例中，硫属化物前驱体包括硫、硒或碲。在一些实施例中，TMDC具有分子式MX₂，其中M是过渡金属且X是S、Te或Se。在一些实施例中，M是Mo、W、Re、Nb、Ni或V。在一些实施例中，M是Mo、W或Re。在一些实施例中，沉积过渡金属硫化物。在一些实施例中，TMDC膜包括ReS₂、TaS₂、ZrS₂、HfS₂或SnS₂。在一些实施例中，TMDC膜包括ReTe₂、TaTe₂、ZrTe₂、HfTe₂或SnTe₂。在一些实施例中，TMDC膜包括ReSe₂、TaSe₂、ZrSe₂、HfSe₂或SnSe₂。

在一些实施例中，方法是原子层沉积方法，其中衬底与包括气相过渡金属前驱体的第一反应物、第二反应物和包括硫属化物前驱体的第三反应物交替地并按顺序地接触。过量前驱体或反应物可以在接触步骤之间连同任何反应副产物被从反应空间移除。在一些实施例中，进行两个或更多个顺序沉积循环，直到期望厚度的TMDC薄膜已经沉积在衬底上。

在一些实施例中，在约200至约500℃的沉积温度下进行TMDC沉积循环。在一些实施例中，在约400℃的沉积温度下进行沉积循环。

在一些实施例中，TMDC薄膜是二维材料。

在一些实施例中，TMDC膜找到例如以下的应用：作为2D材料，作为逻辑装置中的沟道材料，作为栅极堆叠中的功函数金属，作为金属帽层(例如铜、钴或钨帽层)，或作为3D-结构的接触金属层或作为填充层，诸如通孔、沟道或其他结构。在一些实施例中，TMDC薄膜用于诸如MEMS中的低摩擦层、瞄准光子学、光催化、水裂解，或锂离子或锂硫电池的应用中。