DE102013111791A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Nano-Schichten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines elektrisch isolierenden, elektrisch halbleitenden oder elektrisch leitenden Kristalls (16) auf einem Substrat (10, 20), sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein erstes chemisches Element als Bestandteil eines ersten gasförmigen Ausgangsstoffs (1) und zumindest ein zweites chemisches Element als Bestandteil eines zweiten gasförmigen Ausgangsstoffs (2) durch ein Gaseinlassorgan (5) eines CVD-Reaktors (12) in eine Prozesskammer (8) des CVD-Reaktors (12) gebracht werden, wobei in der Prozesskammer (8) ein Suszeptor (9) angeordnet ist, der zumindest ein Substrat (10, 20) trägt und der von einer Heizung (11) auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird, wobei die gasförmigen Ausgangsstoffe (1, 2) in der Prozesskammer (8) reagieren und auf dem Substrat (10) eine Schicht abgeschieden wird, die aus den zumindest zwei chemischen Elementen besteht. Um großflächig zweidimensionale Kristalle auf Substraten, beispielsweise Siliziumsubstraten und insbesondere SiO2-Oberflächen eines Siliziumsubstrates abzuscheiden, so dass aus den so beschichteten Substraten Halbleiterbauelemente gefertigt werden können, wird vorgeschlagen, dass die gasförmigen Ausgangsstoffe (1, 2) Elemente aufweisen, die einen zweidimensionalen Kristall (16) ausbilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines elektrisch isolierenden, elektrisch halbleitenden oder elektrisch leitenden Kristalls auf einem Substrat, wobei ein erstes chemisches Element als Bestandteil eines ersten gasförmigen Ausgangsstoffs und zumindest ein zweites chemisches Element als Bestandteil eines zweiten gasförmigen Ausgangsstoffs durch ein Gaseinlassorgan eines CVD-Reaktors in eine Prozesskammer des CVD-Reaktors gebracht werden, wobei in der Prozesskammer ein Suszeptor angeordnet ist, der zumindest ein Substrat trägt und der von einer Heizung auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird, wobei aus den Elementen der gasförmigen Ausgangsstoffe auf dem Substrat ein Kristall abgeschieden wird, der aus den zumindest zwei chemischen Elementen besteht. Das Verfahren wird insbesondere bei einer Prozesstemperatur zwischen 400 und 1.000°C durchgeführt, wobei eine chemischen Reaktion insbesondere auf der Oberfläche des Substrates oder einer bereits auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht stattfinden kann.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gasversorgungssystem zur Bereitstellung der reaktiven Gase, ein Gasleit-/Schaltsystem zur Zuleitung der Gase vom Gasversorgungssystem zu einem CVD-Reaktor, wobei der CVD-Reaktor ein Gaseinlassorgan aufweist, mit dem die Gase in eine Prozesskammer des CVD-Reaktors einleitbar ist, wobei die Prozesskammer einen beheizbaren Suszeptor aufweist, der in der Lage ist, zumindest ein zu beschichtendes Substrat zu tragen und mit einem Gasauslassorgan zum Abtransport von gasförmigen Reaktionsprodukten oder eines Trägergases aus der Prozesskammer.
  • Eine Vorrichtung zum Abscheiden von III-V-Schichten, die einen Volumenkristall oder dicke Schichten ausbildet, zeigt beispielsweise die DE 10 2011 002 145 . Ein Volumenkristall oder ein dreidimensionaler Kristall zeichnet sich dadurch aus, dass die die Kristallstruktur definierende Elementarzelle sich in allen drei Raumrichtungen beliebig oft fortsetzen kann. Ein derartiger Kristall besitzt somit eine Elementarzelle, die sich in der Flächenerstreckungsrichtung des Substrates (der XY-Ebene) und in einer Richtung der Oberflächennormalen der Substratoberfläche (Z-Richtung) ausdehnen kann.
  • Die WO 2012/093360 A1 beschreibt Feldeffekttransistoren, bei denen der Kanal zwischen Source und Drain aus einer Nano-Schicht, nämlich einer zweidimensionalen Struktur, beispielsweise MoS2 besteht. Die Druckschrift offenbart auch andere zweidimensionale Kristallstrukturen, beispielsweise MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2 oder WTe2. Ein zweidimensionaler Kristall hat im Gegensatz zu einem dreidimensionalen Kristall keine sich in der dritten Raumrichtung wiederholenden Elementarzellen. Die Elementarzellen haben die Eigenschaft, sich lediglich in der XY-Ebene beliebig oft zu wiederholen. Liegen zwei zweidimensionale Kristallstrukturen übereinander, so bilden ihre Berührungsflächen Gleitflächen aus. Zweidimensionale Kristalle oder flächige Kristalle werden in der Technik auch als Schmiermittel benutzt. Beispielsweise bildet MoS2 einen zweidimensionalen Kristall, wobei die beiden voneinander wegweisenden Flächen jeweils von Schwefelatomen gebildet sind, die jeweils über ein in der Kristallmitte liegendes Molybdänatom miteinander verbunden sind. Derartige Kristalle bilden halbleitende oder isolierende, d. h. eine Bandlücke aufweisende Kristalle. Kohlenstoff bildet beispielsweise den als Graphen bezeichneten zweidimensionalen elektrischen Leiter.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der großflächig zweidimensionale Kristalle auf Substraten, beispielsweise Siliziumsubstraten und insbesondere SiO2-Oberflächen eines Siliziumsubstrates abgeschieden werden können, so dass aus den so beschichteten Substraten Halbleiterbauelemente gefertigt werden können.
  • Erfindungsgemäß werden die aus mindestens zwei chemisch voneinander verschiedenen Elementen bestehenden zweidimensionalen Kristalle bei erhöhten Temperaturen abgeschieden. Zum Abscheiden derartiger Nano-Schichten werden zumindest zwei Ausgangsstoffe verwendet, die sich zu einem zweidimensionalen Kristall anordnen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass jeder der mindestens zwei Ausgangsstoffe nur eines der Elemente der mindestens zwei Elemente aufweist, aus denen der zweidimensionale Kristall besteht. Dabei können die beiden chemischen Elemente, aus denen der zweidimensionale Kristall besteht, ein Metall und ein Nichtmetall sein. Insbesondere kann das Metall Molybdän, Titan, Tantal, Niob, Rhenium oder Wolfram sein. Das zweite Element kann Selen, Tellur oder Schwefel sein. Insbesondere kann das zweite chemische Element ein Element der achten Hauptgruppe und das erste chemische Element ein Element der zweiten Hauptgruppe sein. Es ist aber auch vorgesehen, dass mit dem Verfahren oder der Vorrichtung Graphen als elektrisch leitende zweidimensionale Schicht abgeschieden wird. Hierzu wird als Ausgangsstoff ein kohlenstoffhaltiges Gas, beispielsweise Methan, verwendet. Die gasförmigen Ausgangsstoffe werden bevorzugt mit Hilfe eines Trägergases, beispielsweise Wasserstoff, oder einem Edelgas in die Prozesskammer transportiert. Erfindungsgemäß wird ein CVD-Reaktor verwendet, der ein Gasversorgungssystem aufweist. Das Gasversorgungssystem besitzt eine Vielzahl von Quellen für voneinander verschiedene Prozessgase. Beispielsweise kann das Gasversorgungssystem eine Metall-Halogenverbindung bereitstellen oder eine metallorganische Verbindung. Die nichtmetallische Komponente wird vorzugsweise als Hydrid bereitgestellt. Über ein Gasschalt-Leitsystem ist das Gasversorgungssystem mit dem Gaseinlassorgan eines CVD-Reaktors verbunden. Durch das Gaseinlassorgan werden die reaktiven Gase bevorzugt zusammen mit einem inerten Trägergas in die Prozesskammer eingeleitet. Es können zwei miteinander chemisch reagierende Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Zwischen den Gasen kann es zu einer chemischen Reaktion in der Gasphase kommen. Es ist aber auch vorgesehen, dass die reaktiven Gase nur an der Oberfläche des Substrages chemisch miteinander reagieren. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Gase chemisch nur mit der Oberfläche des Substrates, nicht aber miteinander reagieren. Beispielsweise können sich die Prozessgase pyrolytisch an der Substratoberfläche zerlegen. Die Zerlegungsprodukte bilden dann die Schicht. In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass die voneinander verschiedenen Prozessgase zeitlich nacheinander und getrennt voneinander in die Prozesskammer eingeleitet werden, so dass zum Abscheiden eines MoS2-Kristalles beispielsweise zunächst ein schwefelhaltiges Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, so dass sich auf der Oberfläche des Substrates eine Schwefel-Monolage bildet. Danach wird ein Molybdän beinhaltendes Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet, so dass sich auf der Schwefel-Monolage eine Molybdän-Monolage abscheidet. Schließlich wird zur Vervollkommnung der zweidimensionalen Kristallstruktur wiederum ein Schwefel aufweisendes Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet, so dass sich auf der Molybdän-Monolage eine Schwefel-Monolage abscheidet. Insgesamt bildet sich dann ein aus drei Monolagen bestehender zweidimensionaler Kristall, wobei die beiden voneinander wegweisenden Monolagen aus denselben Elementen bestehen. Die Prozesskammer besitzt einen auf eine Prozesstemperatur beheizbaren Suszeptor, auf dem mindestens ein Substrat aufliegt. Bei dem Substrat kann es sich um ein Siliziumsubstrat handeln. Die Oberfläche des Siliziumsubstrates kann vorbehandelt sein. Sie kann aus Siliziumoxid (SiO2) bestehen. Die Vorrichtung besitzt darüber hinaus eine elektrische Steuerungseinrichtung und ein Gasauslassorgan, mit dem gasförmige Reaktionsprodukte, aber auch das Trägergas, aus der Prozesskammer entfernt werden können. Stromabwärts des Gasauslassorganes kann sich ein Druckregelventil und eine Vakuumpumpe befinden. Der CVD-Reaktor kann mit einem automatischen Be- und Entladesystem be- und entladen werden. Innerhalb der Prozesskammer sind darüber hinaus Messeinrichtungen vorgesehen, mit denen die Schichtdicke, die Oberflächentemperatur des Substrates und eventuelle interne Spannungen des Schichtensystems gemessen werden können. Es sind insbesondere optische In-Situ-Messelemente vorgesehen.
  • Die Abscheidung der zweidimensionalen Kristalle erfolgt ohne Unterbrechung, d. h. ohne die Entfernung des Substrates aus der Prozesskammer zwischen zwei Prozessschritten, in denen jeweils eine Schicht abgeschieden wird. Es ist somit möglich, lediglich durch Wechseln der Gasphasenzusammensetzungen beziehungsweise der Wachstumstemperaturen Schichtsysteme auf einem Substrat abzuscheiden, bei denen zumindest eine Schicht eine zweidimensionale nichtleitende, halbleitende oder elektrisch leitende Schicht ist, wobei diese Schicht von einem zweidimensionalen Kristall ausgebildet ist. Die weiteren Schichten, die ohne zwischenzeitliche Entnahme des Substrates aus der Prozesskammer auf das Substrat oder auf die zweidimensionale Schicht abgeschieden werden, können von Volumenkristallen gebildet sein, die eine einstellbare Schichtdicke aufweisen. Die von einem zweidimensionalen Kristall gebildete zweidimensionale Schicht hat eine durch die Elementarzelle festgelegte, nicht einstellbare Schichtdicke. Es ist bevorzugt nicht vorgesehen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber grundsätzlich möglich, mehrere zweidimensionale Kristalle unmittelbar aufeinander abzuscheiden. Die einzelnen Kristalle hätten dann nur eine schwache, im Allgemeinen nicht chemische Bindung zum jeweils anderen zweidimensionalen Kristall. Es würde sich dann eine in Richtung der Flächennormalen der Substratoberfläche polykristalline Schicht ausbilden, deren Schichtdicke durch die Anzahl der aufeinander abgeschiedenen Nano-Schichten eingestellt werden könnte. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft aber bevorzugt das Abscheiden von jeweils nur einer Nano-Schicht. Eine halbleitende Schicht kann zudem durch die Beimischung eines Dotierstoffs dotiert werden. Auch die Beimischung des Dotierstoffs erfolgt vorzugsweise ebenfalls über das Gasversorgungssystem, so dass ein gasförmiger Dotierstoff den gasförmigen reaktiven Substanzen beigemischt wird. Durch Änderung der Prozessparameter, Totaldruck, Wachstumstemperatur oder Gasphasenzusammensetzung kann auch die Stöchiometrie der abgeschiedenen Schichten beeinflusst werden. Das Abscheiden einer zweidimensionalen mono- oder polykristallinen Schicht kann auf vorstrukturierten oder unstrukturierten Substraten oder bereits beschichteten Substraten erfolgen. Die Oberfläche, auf die die zweidimensionale Kristalle abgeschieden wird, kann Amorph oder Kristallin sein. Die abgeschiedenen zweidimensionalen Kristalle werden bevorzugt zur Herstellung von Feldeffekttransistoren verwendet, wobei halbleitende zweidimensionale Kristalle bevorzugt den Kanal des Feldeffekttransistors bilden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine elektrisch leitende zweidimensionale Kristalle, beispielsweise eine Graphenschicht, abgeschieden wird und dass diese Graphenschicht zur Kontaktierung des Kanals dient. Beispielsweise kann eine Graphenschichtstruktur unmittelbar auf eine isolierende Oberfläche eines Substrates, beispielsweise auf eine SiO2-Schicht abgeschieden werden. Diese Schicht kann gegebenenfalls nach einem Zwischenschritt, in dem die Schicht strukturiert worden ist, mit einem zweidimensionalen halbleitenden Kristall beschichtet werden, der mit den zuvor abgeschiedenen Graphen-Schichten in elektrisch leitendem Kontakt steht, so dass Graphen den Source-Kontakt und den Drain-Kontakt ausbildet. Auf dieses Schichtsystem kann in derselben oder in einer anderen Prozesskammer eine High-k-Schicht abgeschieden werden. Auf dieser elektrisch isolierenden Schicht kann dann die Gate-Elektrode angebracht werden. Auch dies erfolgt entweder in derselben oder in einer anderen Prozesskammer. Bei der Gate-Elektrode kann es sich um einen Tunnelkontakt handeln, der eine ein- oder mehrschichtige Graphenschicht aufweist. Das Abscheiden der einzelnen Schichtfolgen aufeinander erfolgt bevorzugt derart, dass sich keine störenden Oberflächenzustände, beispielsweise Dangling Bonds oder Oberflächenspannungen ausbilden. Hierzu werden die Oberflächen durch eine Inertgas-Atmosphäre geschützt.
  • Beim Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht werden die beiden zuvor genannten Prozessgase, also eine Molybdän oder Wolfram oder ein anderes geeignetes Metall beinhaltende erste Komponente und ein Schwefel, Selen, Tellur oder eine andere Nichtmetall-Komponente aufweisendes zweites Prozessgas zusammen oder räumlich getrennt voneinander über ein Gaseinlassorgan in die Prozesskammer eingeleitet. Die Prozessgase können auch in einer zeitlich getrennten Reihenfolge in die Prozesskammer eingebracht werden (ALD). Die Parameter, wie Totalgasdruck, Partialgasdruck, der gasförmigen Ausgangsstoffe und Temperatur können über die elektronische Steuereinrichtung eingestellt werden. Die Prozesskammer, die Zuleitungen und das Gaseinlassorgan sind so ausgebildet, dass dort Vorreaktionen zwischen den Komponenten vermieden oder zumindest auf ein Minimum beschränkt werden. Zur Vermeidung von Vorreaktionen werden die beiden gasförmigen Ausgangsstoffe so weit wie möglich räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander in den CVD-Reaktor hineingeleitet. Zur Vermeidung des Einbaus von Verunreinigungen wird die Prozesskammer zwischen aufeinander folgenden Wachstumsschritten mit einem Inertgas gespült. Hierzu wird ein Gaseinlassorgan verwendet, welches mindestens zwei voneinander getrennte Zuleitungen besitzt und welches zwei räumlich voneinander getrennte Gasaustrittsöffnungen aufweist, durch welche die gasförmigen Ausgangsstoffe getrennt voneinander in die Prozesskammer eintreten. In der Prozesskammer kann eine Gasmischung stattfinden. Vorreaktionen können dadurch verhindert werden, dass in der Prozesskammer ein vertikaler Temperaturgradient eingestellt wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Decke der Prozesskammer aktiv gekühlt und lediglich der Boden der Prozesskammer beheizt wird. Der Boden der Prozesskammer bildet den Suszeptor, nämlich die Auflagefläche für die zu beschichtenden Substrate. Innerhalb der Prozesskammer findet auf dem mindestens einen Substrat ein gleichmäßiges Wachstum eines Monolayer oder eines Bilayer statt. Das Wachstum des Monolayers/Bilayers erfolgt homogen auf einer großen Fläche. Das Substratmaterial ist bevorzugt Silizium, welches vorstrukturiert sein kann, beispielsweise Öffnungen besitzt, in denen das zweidimensionale Wachstum stattfinden soll. Die Strukturen können in darauffolgenden Prozessschritten zu Transistoren weiterverarbeitet werden. Die Oberfläche, auf der das Schichtwachstum stattfinden soll, kann SiO2 oder SiN sein. Das Wachstum eines Monolayers erfolgt durch Ein und Abschalten der Prozessgase. Zwischen zwei zweidimensionalen Schichten kommt es lediglich zu „van der Waals”-Bindungen. Aufgrund dieser schwachen Bindungskräfte bilden sich selbständig zweidimensionale Strukturen aus. Durch gezielten Einbau von gewünschten Verunreinigungen (Dotierungen) kann die elektrische Leitfähigkeit der zweidimensionalen Schichten eingestellt werden. Die zweidimensionalen Kristalle können aus drei Monolagen aufgebaut sein. Die beiden äußeren Monolagen bestehen aus denselben Elementen, die beispielsweise mit dem ersten Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet werden. Der erste gasförmige Ausgangsstoff kann beispielsweise eine Schwefelverbindung sein. Zwischen den beiden außenliegenden Monolagen befindet sich eine mittlere Monolage aus einem zweiten Element, das mit einem zweiten Prozessgas in die Prozesskammer eingebracht wird. Es kann sich dabei um einen gasförmigen Ausgangsstoff handeln, der beispielsweise Molybdän enthält.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines CVD-Reaktors in einer schematischen Querschnittsdarstellung,
  • 2 eine Darstellung gemäß 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines CVD-Reaktors,
  • 3 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schichtstruktur, nämlich in Form eines Feldeffekttransistors,
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schichtstruktur.
  • Der erfindungsgemäßes CVD-Reaktor, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, besitzt ein Reaktorgehäuse 12, welches gasdicht nach außen geschlossen ist. Innerhalb des Reaktorgehäuses 12 befindet sich ein Suszeptor 9, welcher von unten mittels einer Heizvorrichtung 11 auf eine Prozesstemperatur zwischen 400°C und 1.000°C aufgeheizt werden kann. Auf der Oberseite des Suszeptors 9 liegen die zu beschichtenden Substrate 10. Der Suszeptor 9 bildet den Boden einer Prozesskammer 8, deren Decke aktiv gekühlt sein kann, so dass sich innerhalb der Prozesskammer 8 ein vertikaler Temperaturgradient ausbildet.
  • Die Prozesskammerdecke wird zumindest teilweise von einem Gaseinlassorgan 5 ausgebildet. In das Gaseinlassorgan 5 münden zumindest zwei Zuleitungen 3, 4, mit denen zwei reaktive Ausgangsstoffe 1, 2 getrennt voneinander in die Prozesskammer eingeleitet werden können. Hierzu bildet das Gasauslassorgan 5 zwei räumlich voneinander getrennte Gasauslassöffnungen 6, 7, wobei durch die Gasauslassöffnung 6 das erste Prozessgas 1 und durch die Gasauslassöffnung 7 das zweite Prozessgas 2 in die Prozesskammer 8 eintreten kann.
  • Die beiden Prozessgase 1, 2 werden in einem Gasversorgungssystem 24 bereitgestellt. Zum Transport der Prozessgase 1, 2 wird ein Trägergas 26 verwendet. Beim Ausführungsbeispiel wird durch die Gaszuleitung 3 mit Hilfe von Wasserstoff oder einem Edelgas als Trägergas 26 eine Molybdänverbindung, beispielsweise Molybdänchlorid in die Prozesskammer 8 geleitet. Das MoCl5 kann im Gasversorgungssystem 24 im Wege einer chemischen Reaktion zwischen HCl und metallischem Molybdän hergestellt werden.
  • Als zweites Reaktionsgas wird Schwefel verwendet. Schwefel kann als H2S zusammen mit einem Trägergas 26 in die Prozesskammer 8 eingeleitet werden.
  • Auf der Oberfläche der Substrate 10 findet eine Reaktion der gasförmigen Ausgangsstoffe, also MoCl5 mit H2S statt. Bei dieser Reaktion bildet sich als Reaktionsprodukt insbesondere HCl. Das Trägergas und das Reaktionsprodukt verlassen die Prozesskammer 8 beziehungsweise den CVD-Reaktor 12 durch den Gasauslass 25.
  • Das Gasversorgungssystem 24 enthält darüber hinaus eine Gasquelle 27 eines kohlenstoffhaltigen Gases, beispielsweise Methan, Ethan, Propan oder Butan.
  • Methan oder ein geeigneter Kohlenwasserstoff kann durch das Gaseinlassorgan 5 in die Prozesskammer 8 eingeleitet werden und reagiert auf der Oberfläche des Substrates 10 zu Graphen.
  • Chemische und optische Eigenschaften insbesondere die Schichtdicke der abgeschiedenen Schichten können optisch mittels eines optischen Messsystems 28 in situ überwacht werden.
  • Die Vorrichtung beinhaltet darüber hinaus nicht dargestellte Ventile und weitere Gasquellen, beispielsweise zum Bereitstellen eines Dotierstoffs. Mit den Ventilen können die Prozessgase in die Gaszuleitungen 3, 4 geschaltet werden. Ferner sind nicht dargestellte Massenflussmesser vorgesehen, um den Gasmassenfluss einzustellen. Nicht dargestellt ist ferner ein Beladeautomat, mit dem die Prozesskammer 8 mit den zu beschichtenden Substraten beladen werden kann beziehungsweise mit dem die Substrate aus der Prozesskammer 8 entnommen werden können.
  • Die beiden in den 1 und 2 skizzierten CVD-Reaktoren unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Ausgestaltung des Gaseinlassorganes 5. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Gaseinlassorgan 5 einen zentralen Gasauslass 6 und einen peripheren Gasauslass 7. Durch die beiden voneinander getrennten Gasauslässe 6, 7 werden die Prozessgase getrennt voneinander in die Prozesskammer 8 eingeleitet.
  • Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt ein Gaseinlassorgan 5 in Form eines Duschkopfes mit zwei inneren Kammern, die jeweils durch Zuleitung 3, 4 mit einem Prozessgas gespeist werden. Die Unterseite des Gaseinlassorgans 5 besitzt eine Vielzahl gitternetzartig angeordneter Gasauslassöffnungen 6, 7, durch die die Prozessgase in die Prozesskammer 8 eintreten können.
  • Das in der 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Feldeffekttransistor. Ein Siliziumsubstrat 20 trägt eine SiO2-Schicht 19. Auf der SiO2-Schicht ist ein MoS2-Schicht abgeschieden in Form eines zweidimensionalen Kristalls. Die Schwefelatome 17 der zweidimensionalen Schicht 16 liegen auf der SiO2-Schicht 19 beziehungsweise unterhalb eines Gate-Isolators 21. Die Molybdänatome 18 liegen in einer Mittelebene zwischen den beiden von den Schwefelatomen 17 ausgebildeten Ebenen der Schicht 16.
  • Der Gate-Isolator 21 besteht aus HfO2 oder einem anderen high-k-material. Die Source-Elektrode 13 und die Drain-Elektrode 14 können ebenso wie die Gate-Elektrode 15 aus Gold oder einem anderen Metall bestehen.
  • Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, das ebenfalls die Grundstruktur für einen Feldeffekttransistor zeigt, sind Source-Elektrode 13 und Drain-Elektrode 14 aus Graphen gefertigt. Die diesbezügliche Graphenschicht wird in einer Vorrichtung gemäß 1 oder 2 durch Einleiten eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs, beispielsweise Methan in die Prozesskammer 8 oder in einem anderen CVD-Reaktor oder durch einen Transferprozess erzeugt.
  • Auch hier wird das Gate von einer zweidimensionalen MoS2-Schicht 16 ausgebildet wobei die Source-Elektroden 13 und die Drain-Elektrode 14 randseitig unterhalb des Gatematerials 16 angeordnet sind. Zwischen zwei dielektrischen Schichten 21, 23 befindet sich eine mehrlagige Graphenschicht 22. Hierdurch wird ein sogenannter Tunnelkontakt realisiert. Auf der dielektrischen Schicht 23 befindet sich die Gate-Elektrode 15.
  • Als Prozessgase, die Träger von Schwefel, Selen, Tellur, Niob, Molybdän oder Wolfram sind, die folgenden chemischen Verbindungen in Betracht:
    C11H8MoO4 WCl6 DMS H2S SeC6H14
    C10H10C12Mo MoCl5 DES H2Se C4H10Se2
    C16H10Mo2O6 C12H30N4Mo C4H2S H2Te C2H6Se
    Mo(CO)6 C12H30N4W C4H8S C6H18SSi2 C8H18Se
    C22H22Mo2O6 W(CO)6 MSH C4H10S
    C7H8Mo(CO)3 WCl4 DMSe C2H12S
    Mo(NCCH3)3(CO)3 DESe NbCl5
    C4H4Se C16H39N4Nb
    MSeH
  • Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erstes Gas
    2
    zweites Gas
    3
    Zuleitung
    4
    Zuleitung
    5
    Gaseinlassorgan
    6
    Gasaustrittsöffnung
    7
    Gasaustrittsöffnung
    8
    Prozesskammer
    9
    Suszeptor
    10
    Substrat
    11
    Heizvorrichtung
    12
    CVD-Reaktor
    13
    Source-Elektrode
    14
    Drain-Elektrode
    15
    Gate-Elektrode
    16
    zweidimensionaler Kristall, Nano-Schicht, Kanal
    17
    Schwefelatom
    18
    Molybdänatom
    19
    SiO2-Schicht
    20
    Siliziumsubstrat
    21
    HfO2-Isolator, Gate-Isolator
    22
    Graphen
    23
    Isolator
    24
    Gasversorgungssystem
    25
    Gasauslass
    26
    Trägergas
    27
    Gasquelle
    28
    optisches Messsystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011002145 [0003]
    • WO 2012/093360 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Abscheiden eines elektrisch isolierenden, elektrisch halbleitenden oder elektrisch leitenden Kristalls (16) auf einem Substrat (10, 20), wobei ein erstes chemisches Element als Bestandteil eines ersten gasförmigen Ausgangsstoffs (1) und zumindest ein zweites chemisches Element als Bestandteil eines zweiten gasförmigen Ausgangsstoffs (2) durch ein Gaseinlassorgan (5) eines CVD-Reaktors (12) in eine Prozesskammer (8) des CVD-Reaktors (12) gebracht werden, wobei in der Prozesskammer (8) ein Suszeptor (9) angeordnet ist, der zumindest ein Substrat (10, 20) trägt und der von einer Heizung (11) auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird, wobei die gasförmigen Ausgangsstoffe (1, 2) in der Prozesskammer (8) reagieren und auf dem Substrat (10) eine Schicht abgeschieden wird, die aus den zumindest zwei chemischen Elementen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmigen Ausgangsstoffe (1, 2) Elemente aufweisen, die einen zweidimensionalen Kristall (16) ausbilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale Kristall (16) zwei voneinander wegweisende Monolagen aus Atomen, die mit dem ersten Ausgangsstoff (1) in die Prozesskammer (8) gebracht werden, und einer dazwischenliegenden Monolage aus Atomen, die mit dem zweiten Ausgangsstoff (2) in die Prozesskammer (8) gebracht werden, aufweist.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall, beispielsweise Mo, Ta, Nb, W, Ti, Re oder W und ein Nichtmetall, beispielsweise Te, Se oder S oder einem anderen Element der sechsten Hauptgruppe mittels der gasförmigen Ausgangsstoffen (1, 2) in die Prozesskammer (8) gebracht werden und sich auf dem Substrat als zweidimensionaler Kristall (16) anordnen.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reaktiven Gase (1, 2) eine metallorganische Verbindung, eine Metall-Halogenverbindung und/oder eine Wasserstoffverbindung sind.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ohne eine Prozessunterbrechung mehrere Schichten (13, 16, 21, 22, 23) nacheinander auf dem Substrat (20) abgeschieden werden, wobei zumindest eine Schicht (16) ein zweidimensionaler Kristall ist.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionaler Kristall (13, 16, 22) auf einem vorstrukturierten Substrat (20) abgeschieden wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionale Schicht Graphen, MoSe2, MoS2, WSe2, WS2, WTe2, MoTe2 ist oder eine derartige als Metall Tantal, Niob, Titan oder Rhenium enthält.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur im Bereich zwischen 400 und 1.000°C liegt.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gasversorgungssystem (24) zur Bereitstellung zweier gasförmiger Ausgangsstoffe (1, 2) ein Gasleit-/Schaltsystem (3, 4) zur Zuleitung der Ausgangsstoffe vom Gasversorgungssystem (24) zu einem CVD-Reaktor (12), wobei der CVD-Reaktor (12) ein Gaseinlassorgan (5) aufweist, mit dem die Ausgangsstoffe (1, 2) in eine Prozesskammer (8) des CVD-Reaktors (12) einleitbar sind, wobei die Prozesskammer (8) einen beheizbaren Suszeptor (9) aufweist, der in der Lage ist, zumindest ein zu beschichtendes Substrat (10) zu tragen und mit einem Gasauslassorgan (25) zum Abtransport von gasförmigen Reaktionsprodukten oder eines Trägergases aus der Prozesskammer (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Gasversorgungssystem (24) eine Gasquelle für zwei reaktive Gase (1, 2) aufweist, die bei einer oberhalb der Raumtemperatur liegenden Depositionstemperatur auf dem Substrat chemisch reagieren und dabei eine zweidimensionale elektrisch isolierende, elektrisch halbleitende oder elektrisch leitende Schicht (16) ausbilden.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine automatisierte Be- und Entladevorrichtung zum Be- und Entladen der Prozesskammer (8) mit zu beschichtenden beziehungsweise beschichteten Substraten.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch innerhalb des CVD-Reaktors angeordnete Messgeräte zur in-Situ-Messung der Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht, der Oberflächentemperatur des Substrates und einer internen Spannung innerhalb der abgeschiedenen Schicht.
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