プリンストン大学が主導した新しい研究は、特定の二次元材料の表面に微量の酸素またはフッ素のコーティングを導入することによって、プラズマエッチングプロセスの制御性が大幅に向上する可能性があることを示しており、これにより、より小さく、より高速で、よりエネルギー効率の高い新世代のコンピューターチップの製造が促進されることが期待されています。この画期的な成果は、従来のシリコンプロセスに基づく極薄新材料の導入のための重要なプロセス手段を提供します。

今日の商用チップには、平方インチあたり数十億個のシリコン トランジスタが集積されていますが、シリコン材料は、サイズの縮小と性能向上の点で物理的限界に徐々に近づいています。ムーアの法則の進化を継続するために、科学研究コミュニティは、極薄遷移金属ダイカルコゲニド（TMD）の一種に注目し、これがシリコンと連携して将来のトランジスタ構造を構築できることを期待しています。これらの候補材料の中で、二硫化モリブデン (MoS₂) は、中央にモリブデン原子の層、その上下に硫黄原子の層の 3 原子層しかないため、特に興味深いものです。

このタイプの TMD 材料をチップ構造に効果的に組み込むために、製造プロセスでは多くの場合「1 つの層だけを剥離する」ことが必要になります。これは、下部のモリブデン層と下部の硫黄層をそのまま残しながら、表面の最上層の硫黄原子を正確に除去することです。業界で一般的に使用されている現在の方法は、太陽や星の物理的状態に似た高エネルギーの荷電粒子を使用して材料の表面に衝突し、原子を 1 つずつノックアウトするプラズマベースのエッチングプロセスです。

問題は、プラズマ内にイオンエネルギーの分布があり、直下のモリブデン原子に損傷を与えることなく表面の硫黄原子を除去するにはプロセスウィンドウが非常に狭いことです。エネルギーがわずかに低い場合、硫黄原子を完全に除去することはできません。エネルギーがわずかに高い場合、モリブデン層が損傷し、材料全体が高性能チャネル層としての価値を失う可能性があります。この「わずかな違い」のプロセス制御の問題が、長年にわたって先進的な製造プロセスにおける TMD 材料の大規模な適用を制限してきました。

プリンストン大学および他の機関の研究チームによって行われたこの研究は、大規模なコンピュータシミュレーションを通じて、一見シンプルだが非常に効果的な「化学アシスト」ソリューションを発見した。それは、プラズマ処理の前に二硫化モリブデンの表面を酸素またはフッ素で機能的にコーティングすることである。シミュレーション結果は、この追加のステップにより安全プロセスの範囲が大幅に広がり、下にあるモリブデン層を損傷することなく硫黄原子の最上層のみを除去することが容易になることが示されています。

研究によると、未処理の二硫化モリブデンの表面にある硫黄原子を 1 つ除去するには、約 30 電子ボルトの入射エネルギーが必要です。フッ素でプレコートすると、このエネルギー閾値を約 10 電子ボルトに下げることができます。酸素コーティングを使用すると、約 14 電子ボルトまで下げることができます。それに比べて、本来の「硫黄の除去」と「モリブデン層の貫通」の２つの結果に対応するエネルギーは非常に近いため、実際の加工において材料本体へのダメージを避けることは困難です。

酸素またはフッ素コーティングを使用すると、硫黄原子を切り離すのに必要なエネルギーが大幅に減少し、「損傷閾値」からより遠く離れます。このより広い動作ウィンドウの下では、たとえプラズマ内のイオンエネルギーに一定の変動があったとしても、構造の中心部にあるモリブデン層に損傷を与えることなく、表面の硫黄原子の選択的除去のみが引き起こされる可能性が依然として高くなります。この違いは、半導体製造における原子レベルの精度の追求において重要です。

研究チームは、新しい戦略の鍵は、プラズマ粒子の物理的影響に完全に依存するのではなく、「化学反応を助ける」ことだと指摘した。酸素であらかじめ覆われた MoS2 表面に高速イオンが衝突すると、近くにある 2 つの酸素原子が硫黄原子と結合して二酸化硫黄ガスの分子を生成する傾向があります。この分子は熱力学的に非常に安定しており、材料の表面から自然に脱離しやすくなっています。これは「化学反応によって硫黄を取り除く」ことと同じです。

同様にフッ素コーティングを使用すると、硫黄とフッ素の結合を含む中間化合物が生成され、これも元のS-Mo結合よりも切れやすくなり、穏やかな選択的な表面エッチングが実現します。論文の筆頭著者でプリンストン大学化学科の大学院生で、プリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）の2025年夏期メンバーでもあるユーリー・ポリャチェンコ氏は、材料内部の最も強い化学結合を直接切断したのではなく、まず機能化によって「より良い」中間生成物を生成し、その後、それらをより低いエネルギーで除去したと述べた。

この結果は、The Journal of Physical Chemistry Letters に掲載され、さまざまな表面官能化方法がエネルギー障壁と損傷リスクに及ぼす影響について詳細に議論されました。現在のシミュレーション作業は、主に「損傷するかどうか」という質問に答えることに焦点を当てています。次の段階では、チームはさまざまなプロセス条件下で生成される特定の欠陥の種類と密度をさらに定量化し、それによって業界にさらなる運用パラメータのガイダンスを提供することを計画しています。

研究者らはまた、モリブデンをタングステンに置き換えたり、硫黄をセレンに置き換えたりするなど、このアイデアをより広範囲の材料系に拡張し、酸素/フッ素官能基化とプラズマ選択エッチングの組み合わせも適用できるかどうかを確認することも計画している。同様の効果がさまざまな TMD 材料で再現できれば、将来的には極薄チャネル材料の選択や複数材料のスタック構造の設計の余地がさらに広がるでしょう。

この研究は米国エネルギー省科学局の資金提供を受け、プリンストンプラズマ物理研究所が実施したエクストリームリソグラフィー＆マテリアルイノベーションセンターマイクロエレクトロニクス研究プロジェクトの枠組みの下で実施された。関連する大規模な数値シミュレーションは、主に国立エネルギー研究科学計算センター (NERSC) とプリンストン大学の高性能計算クラスター ステラ、デラ、タイガーで行われています。