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Influence of High-κ Dielectrics Integration on ALD-Based MoS2 Field-Effect Transistor Performance

电介质 高-κ电介质 材料科学 晶体管 光电子学 场效应晶体管 工程物理 领域(数学) 电气工程 工程类 电压 数学 纯数学
作者
Reyhaneh Mahlouji,Yue Zhang,Marcel A. Verheijen,Saurabh Karwal,Jan P. Hofmann,W. M. M. Kessels,Ageeth A. Bol
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (16): 18786-18800
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c02214
摘要

The integration of high-κ dielectrics on MoS2 field-effect transistors (FETs) is essential for the realization of MoS2 in ultrascaled nanoelectronic devices and circuits. Most studies covering this topic are based on exfoliated MoS2 flakes or chemical vapor deposition (CVD) grown MoS2 films, whereas other techniques, such as atomic layer deposition (ALD), are also gaining attention for the growth of MoS2 in recent years. In this work, we grow large-area MoS2 by means of plasma-enhanced (PE-)ALD and evaluate the influence of high-κ dielectrics on the properties of ALD-based MoS2 FETs through electrical characterization combined with surface-chemical and high-resolution scanning transmission electron microscopy (HR-STEM) analyses. We grow HfOx, AlOx, or both by means of PE-ALD or thermal ALD on our fabricated devices and show that, in addition to the dielectric constant, three other major parameters related to the processing of the dielectrics can simultaneously affect the MoS2 FET electrical characteristics and govern its doping. These parameters are the stoichiometry of the dielectric, its carbon impurity content, and the degree to which the MoS2 surface oxidizes upon the dielectric growth. When grown at 100 °C, our HfOx films are oxygen-vacant whereas our AlOx films are oxygen-rich. In addition, carbon impurities are incorporated into the dielectrics at low deposition temperatures, being one of the likely causes of the MoS2 FET overall n-type performance in all of the studied cases. Our investigations also reveal that PE-ALD of HfOx or AlOx oxidizes the MoS2 surface, whereas thermal ALD AlOx leaves MoS2 almost intact. In this respect, if thermal ALD AlOx of proper thickness is grown between MoS2 and HfOx, it can reduce the degree to which the MoS2 surface oxidizes by HfOx and meanwhile improve the total dielectric constant, altogether leading to the most optimal electrical performance in ALD-based MoS2 FETs.
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