Electronic property modulation of CVD TMDs using plasma engineering

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) possess immense potential as next-generation semiconductor channels, featuring layer-tunable bandgaps for material design and atomically thin bodies that maximize gate control to suppress leakage currents even at extreme scaling.
However, this potential has not been realized due to issues of lattice damage, contamination, and defects arising from the application of conventional 3D semiconductor processes, which has become a major obstacle to 2D device commercialization. This dissertation sought to solve the three key challenges of 2D TMD processing (etching damage, doping instability, and transfer contamination) through atomic-scale process control.
First, a 'Chemical Atomic Layer Etching (ALE)' process was developed that fundamentally eliminates ion-induced damage. By using only the chemical reactions of radicals (O/Cl) from a remote plasma and an organic vapor (formic acid), this work demonstrated the precise, damage-free etching of PdSe₂, one monolayer per cycle.
Second, a 'Defect and Phase Engineering' platform was established by precisely controlling an Ar+ ion beam. By controlling the ion dose, this platform enables n-type doping via the controlled formation of sulfur vacancies and, furthermore, induces a 2H (semiconducting) to 1T (metallic) phase transition, establishing a technology for forming low-resistance contacts.
Third, a 'Vacuum-Chuck-Assisted Residue-Free Transfer' technique was developed to solve the polymer residue problem of conventional PMMA transfer. TEM analysis confirmed the realization of atomically clean interfaces, which led to ideal electrical characteristics that scaled linearly with the number of stacked layers.
Finally, the integration of these processes was verified through key applications. The true isotropic nature of the ALE process was confirmed by applying it to suspended structures fabricated using the residue-free transfer technique. Furthermore, by combining transfer and etching processes, high-performance, high-density 'Edge-Contact Homo-heterojunction' devices were successfully fabricated, mitigating the chronic issue of high contact resistance.
This study comprehensively presents the core foundational technologies for the practical application of 2D semiconductor devices.

국문 초록 (Abstract)

2차원(2D) 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 층수 조절이 가능한 밴드갭(Bandgap)을 보유하여 용도에 맞는 물성 설계가 가능하다. 또한, 원자 단위의 얇은 두께는 게이트 제어력을 극대화하여, 극한의 스케일링(scaling)에서도 누설 전류를 억제할 수 있는 차세대 반도체 채널 물질로 막대한 잠재력을 지니고 있다.
하지만, 이러한 잠재력은 기존 3D 반도체 공정 적용 시 발생하는 격자 손상, 오염, 결함 문제로 인해 실현되지 못했으며, 이는 2D 소자 상용화의 주요 장애 요인이 되었다. 본 학위논문은 2D TMD 공정의 3대 핵심 난제(식각 손상, 도핑 불안정성, 전사 오염)를 원자 단위 공정 제어를 통해 해결하고자 했다.
첫째, 이온 손상을 원천 배제한 '화학적 원자층 식각(Chemical ALE)' 공정을 개발했다. 원격 플라즈마의 라디칼(O/Cl)과 유기 증기(formic acid)의 화학 반응만을 이용, PdSe2를 1주기당 1개 원자층씩 손상 없이 정밀하게 식각함을 규명했다.
둘째, Ar+ 이온빔을 정밀 제어하는 '결함 및 위상 공학' 플랫폼을 구축했다. 이온 도즈(dose) 조절을 통해 황 공공(sulfur vacancy) 농도를 제어하여 n-type 도핑을 구현하고, 나아가 2H(반도체)→1T(금속) 상전이를 유도하여 저저항 접촉 형성 기술을 확립했다.
셋째, 진공척 보조 무잔류물 전사 기술로 기존 PMMA 전사의 고분자 잔류물 문제를 해결했다. TEM을 통해 원자 수준의 깨끗한 계면 구현을 증명했으며, 이는 적층 수에 비례하는 이상적인 전기적 특성으로 이어졌다.
마지막으로, 개발된 공정들의 융합을 통해 핵심 응용 가능성을 검증했다. 무잔류물 전사 기술로 제작된 현수 구조에 화학적 ALE를 적용하여 공정의 진정한 등방성(isotropic) 특성을 규명했으며, 나아가 전사 및 식각 공정을 결합하여 고질적인 접촉 저항 문제를 완화하는 고성능, 고집적 '엣지 컨택(Edge-Contact) 동종-이종접합' 소자를 성공적으로 구현했다. 본 연구는 2D 반도체 소자 실용화를 위한 핵심 기반 기술을 포괄적으로 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction and background 1
• 1.1 The importance of TMD materials 1
• 1.2 Preparation of TMD materials 3
• 1.2.1 Mechanical exfoliation 3
• 1.2.2 Chemical vapor deposition (CVD) 3
• 1.3 Atomic scale processing for TMD materials 5
• 1.3.1 Etching processes 5
• 1.3.2 Doping processes 6
• 1.3.3 Transfer processes 8
• References 10
• Chapter 2. Thermal Atomic Layer Etching of TMD Materials 16
• 2.1 Motivation and objective 16
• 2.2 Experimental 19
• 2.3. Results and discussion 23
• 2.4. Summary 44
• References 46
• Chapter 3. Defect-Mediated Doping and Phase Engineering 51
• 3.1 Motivation and objective 51
• 3.2 Experimental 54
• 3.3. Results and discussion 57
• 3.4. Summary 76
• References 78
• Chapter 4. Residue-Free Transfer and its Process Applications 82
• 4.1 Motivation and objective 82
• 4.2 Experimental 85
• 4.3. Results and discussion 89
• 4.3.1 Residue-free transfer process 89
• 4.3.2 Isotropic atomic layer etching 95
• 4.3.3 Edge contacted device array 109
• 4.4. Summary 117
• References 119
• Chapter 5. Conclusions 122