氧氟“化学微调”助力下一代高性能芯片制造

当今商业芯片已经在方寸之间集成了数十亿个硅晶体管，但硅材料在尺寸缩小和性能提升方面正逐渐逼近物理极限。 为延续摩尔定律的演进，科研界将目光投向一类超薄的过渡金属二硫属化物（TMD），希望其与硅协同工作，构建未来晶体管结构。 在这些候选材料中，二硫化钼（MoS₂）尤其引人关注，它仅有三层原子厚度：中间为一层钼原子，上下各为一层硫原子。

要在芯片结构中有效整合这类TMD材料，制造环节往往需要“只剥一层皮”——精确移除表面最上方那层硫原子，同时保持下方钼层以及底部硫层完好无损。 目前行业常用的方法是基于等离子体的刻蚀工艺，即利用类似太阳和恒星所处物态的高能带电粒子轰击材料表面，将原子逐个击出。

难点在于，等离子体中的离子能量存在分布，而要把表层硫原子打掉，同时不伤及紧挨其下的钼原子，工艺窗口极其狭窄。 能量稍低，硫原子去不干净；能量稍高，又可能连带破坏钼层，使整个材料失去作为高性能沟道层的价值。 正是这一“差之毫厘”的工艺控制难题，多年来制约了TMD材料在先进制程中的大规模应用。

此次由普林斯顿等机构研究团队开展的工作，通过大规模计算机模拟，找到了一种看似简单却非常有效的“化学助攻”方案：在进行等离子体处理前，先用氧或氟对二硫化钼表面进行功能化涂覆。 模拟结果表明，这一额外步骤显著放宽了安全工艺窗口，使得只去除顶层硫原子而不损伤下方钼层变得更易实现。

研究显示，在未经处理的二硫化钼表面，要移除一个硫原子，大约需要30电子伏左右的入射能量。 一旦预先覆盖氟元素，这一能量门槛可降至约10电子伏；若改用氧元素涂层，则可降至约14电子伏。 相较之下，原始情况下“去硫”和“打穿钼层”这两种结果所对应的能量非常接近，导致实际加工中难以避免对材料主体造成损伤。

借助氧或氟涂层，硫原子脱离所需的能量明显降低，与“损伤阈值”之间拉开了更大的间距。 在这种更宽的操作窗口下，即便等离子体中离子能量存在一定波动，仍有更大概率只会触发表面硫原子的选择性去除，而不会破坏结构核心的钼层。 对于追求原子级精度的半导体制造而言，这一差异至关重要。

研究团队指出，新策略的关键在于“让化学反应来帮忙”，而不是完全依赖等离子体粒子的物理冲击。 当高速离子撞击预先覆盖氧的MoS₂表面时，附近两个氧原子会倾向于与一个硫原子结合，生成一分子二氧化硫气体。 这种分子在热力学上十分稳定，更容易自发地从材料表面脱离，相当于用“化学反应带走硫”。

类似地，如果采用氟涂层，则会生成含硫‑氟键的中间化合物，同样比原始S‑Mo键更易断裂，从而实现温和而选择性的表层刻蚀。 论文第一作者、普林斯顿大学化学系研究生兼普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）2025年暑期成员Yury Polyachenko表示，他们并非直接打断材料内部最牢固的化学键，而是先通过功能化生成“更好切”的中间产物，再以较低能量将其移走。

这项成果发表于《物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters），详细讨论了不同表面功能化方式对能垒和损伤风险的影响。 目前的模拟工作主要聚焦于回答“是否会损伤”的问题，下一阶段团队计划进一步量化在不同工艺条件下产生的具体缺陷类型和密度，从而为工业界提供更具操作性的参数指南。

研究人员还计划将这一思路扩展至更广泛的材料体系，例如用钨替代钼、用硒替代硫等，看这种氧/氟功能化加等离子体选择性刻蚀的组合是否同样适用。 如果能够在多种TMD材料中复现类似效果，将为未来超薄沟道材料的选型以及多材料堆叠结构的设计，打开更大空间。

此次研究由美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）资助，在普林斯顿等离子体物理实验室承担的极限光刻与材料创新中心（Extreme Lithography & Materials Innovation Center）微电子科学研究项目框架下开展。 相关大规模数值模拟主要在国家能源研究科学计算中心（NERSC）以及普林斯顿大学的Stellar、Della与Tiger高性能计算集群上完成。