مقالة منهجية

الاتصال أحادي الطبقة المنشطات من السيليكون السطوح والأسلاك المتناهية الصغر عن طريق المركبات الفوسفورية العضوية

DOI:

10.3791/50770

⸱

ديسمبر 2, 2013

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Chemistry, The Hebrew University of Jerusalem, 2Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم توفير إجراء مفصل لتعاطي المنشطات السطحية لواجهات السيليكون. يتم إثبات المنشطات السطحية الضحلة للغاية باستخدام طبقات أحادية تحتوي على الفوسفور وعملية التلدين السريعة. يمكن استخدام هذه الطريقة لتعاطي المنشطات لأسطح المنطقة العيانية وكذلك الهياكل النانوية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الاتصال أحادي الطبقة المنشطات (MLCD) هي طريقة بسيطة لتعاطي المنشطات من الأسطح والنانو 1. النتائج MLCD في تشكيل رقابة شديدة، ضحلة جدا وملامح حادة المنشطات على مقياس متناهي الصغر. في عملية MLCD المصدر إشابة هو أحادي الطبقة التي تحتوي على ذرات إشابة.

في هذه المقالة يتجلى إجراء مفصلة عن المنشطات سطح الركيزة السيليكون وكذلك أسلاك السيليكون. وقد شكلت مصدر الفوسفور إشابة استخدام رابع إيثيل methylenediphosphonate أحادي الطبقة على ركيزة السيليكون. وقد وجه هذا أحادي الطبقة التي تحتوي على الركيزة في الاتصال مع البكر الجوهرية السيليكون الركيزة الهدف وحين صلب على اتصال. وقد تم قياس المقاومة ورقة من الركيزة الهدف باستخدام 4 نقطة التحقيق. تم توليفها أسلاك السليكون الجوهرية التي كتبها ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) عملية باستخدام آلية بخار السائل الصلبة (VLS)؛ استخدمت جزيئات الذهب كمحفز للنمو أسلاك متناهية الصغر. وnanowعلقت IRES في الإيثانول بواسطة صوتنة معتدل. وقد استخدم هذا التعليق لdropcast أسلاك على الركيزة السيليكون مع نيتريد السيليكون الطبقة العليا عازلة. وهذه مخدر مع أسلاك الفوسفور بطريقة مماثلة لاستخدامها لرقاقة السيليكون الذاتية. تم استخدام عملية ضوئيه القياسية لتلفيق أقطاب معدنية لتشكيل أسلاك متناهية الصغر القائمة على تأثير الحقل الترانزستور (NW-FET). تم قياس الخواص الكهربائية للجهاز أسلاك متناهية الصغر من قبل ممثل محلل جهاز أشباه الموصلات ومحطة التحقيق.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد المنشطات السطحية الخاضعة للرقابة لهياكل أشباه الموصلات ذات المناطق العيانية وكذلك على المستوى النانوي أمرا مهما لمعماريات أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة مثل FinFet2،3 ، وكذلك للأجهزة القائمة على البنية النانوية مثل أجهزة الاستشعار القائمة على الأسلاك النانوية والخلايا الكهروضوئية4-7. لقد أدخلنا مؤخرا المنشطات أحادية الطبقة (MLCD) للمنشطات السطحية القابلة للتكرار والموحدة لواجهات السيليكون ذات الأبعاد العيانية والنانومترية مع التحكم في جرعة المنشط وملف تعريف الانتشار1. من السمات المهمة ل MLCD تقييد تكوين أحادي الطبقة على الركيزة التي تسمى "الركيزة المانحة". يبسط MLCD بعض خطوات العملية المطلوبة لتعاطي المنشطات أحادية الطبقة (MLCD) ويوفر إمكانات تكميلية للمنشطاتالسطحية 8. بمجرد تحميل الركيزة المانحة بطبقة أحادية الطبقة تحتوي على المنشط باستخدام كيمياء السطح ذاتية الحد ، يتم ملامسة الركيزة المانحة للركيزة المخصصة للمنشطات ، والتي تسمى "الركيزة المستهدفة" ، ويتم تلدين كلتا الركيزتين أثناء الاتصال. أثناء عملية التلدين ، تنتشر ذرات المنشطات إلى كل من الركائز المانحة والمستهدفة ، ويتم تنشيطها عند درجة حرارة مرتفعة. نظرا لأن MLCD لا يتطلب زرع طاقة عالية لذرات المنشط ، فلا يحدث أي ضرر هيكلي لشبكة أشباه الموصلات أثناء العملية ولا يلزم إجراء خطوة تلدين أخرى. يمكن التحكم الجيد في انتشار المشاغرات من خلال التحكم في معلمات العملية الحرارية السريعة. يمكن بسهولة تحقيق أطوال انتشار دوبانت ضحلة وموحدة تصل إلى بضعة نانومترات. ويؤدي فصل الطبقة الأحادية عن تسلسل العملية إلى تبسيط العملية، والسماح بمزيد من التحكم في معلمات العملية، وفتح إمكانيات جديدة لمخططات المنشطات التي لم تكن ممكنة باستخدام طرائق أخرى. يمكن تحقيق مستوى مخدر يصل إلى حد قابلية الذوبان للفوسفور في السيليكون من خلال عمليات المنشطات المتعددة MLCD المطبقة على التوالي. باختصار ، تعاني طرق المنشطات التقليدية من قيود جوهرية لتصنيع ملفات تعريف المنشطات الضحلة للغاية. ويرجع ذلك إلى الاختلافات الإحصائية المتأصلة في تركيزات المصدر والجرعة الإجمالية وتوزيع الطاقة ، والتي هي متأصلة في طاقات الزرع المنخفضة المطلوبة للزرع الضحل للغاية. يوفر MLCD وسيلة بسيطة للمنشطات السطحية ، وهذا نتيجة للميزات الفريدة ل MLCD التي تعتمد على التحكم الدقيق في جرعة المنشط والموقع على المستوى الذري من خلال استخدام كيمياء السطح القوية لتوليد مصدر المنشط مع كيمياء أحادية الطبقة ذاتية الحد تتشكل حصريا على سطح أشباه الموصلات.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
< p class = "jove_title" >1. تنظيف السطح

  1. تحضير محلول سمكة البيرانا الحمضية عن طريق خلط 1: 3 بيروكسيد الهيدروجين (30٪) وحمض الكبريتيك المركز.
    تحذير: محاليل سمكة الضاري المفترسة هي عوامل مؤكسدة قوية وخطيرة للغاية ويجب استخدامها بحذر شديد. قد تنفجر هذه المحاليل عند ملامستها للمذيبات العضوية. يمكن فقط للموظفين المؤهلين الذين لديهم معدات التدريب والسلامة المناسبة تنفيذ الإجراء.
  2. ضع الركائز (التي تستخدم لاحقا كركائز مانحة ومستهدفة) في حامل مناسب وأدخلها في محلول سمكة البيرانا لمدة 15 دقيقة.
  3. اشطف العينات بماء DI 3x.
  4. قم بإعداد محلول سمكة البيرانا الأساسي عن طريق خلط هيدروكسيد الأمونيوم 1: 1: 5 (25٪) وبيروكسيد الهيدروجين (30٪) وماء DI.
  5. ضع الركائز (التي تستخدم لاحقا كركائز مانحة ومستهدفة) في حامل مناسب وأدخلها في محلول سمكة البيرانا الأساسية وضعها في حمام بالموجات فوق الصوتية عند 60 درجة مئوية لمدة 8 دقائق.
  6. اشطف العينات بماء DI 3x.
  7. اشطف العينات بالإيثانول ثم جففها تحت تيار من النيتروجين.
  8. جفف العينات في فرن على حرارة 115 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
فئة

2. تشكيل أحادي الطبقة

  1. تحضير محلول 1٪ v / v من رباعي إيثيل الميثيلين ديفوسفونات في الميسيتيلين.
  2. ضع ركائز المانحة في قارورة آمنة للضغط تحتوي على محلول الميثيلين ديفوسفونات الميزيتلين ، وختمها ، وتسخينها عند 100 درجة مئوية لمدة ساعتين < / > هام: يؤدي تسخين المذيب في قارورة محكمة الغلق إلى توليد الضغط. يجب توخي الحذر من أن السفينة المستخدمة مناسبة وستتحمل الضغط المتولد. لا ينبغي تسخين القارورة المغلقة مع المذيب بالقرب من أو فوق نقطة غليان المذيب. لا يجوز فتح القارورة وهي ساخنة.
  3. دع القارورة تبرد ، وافتح القارورة ، واشطف العينات 3 مرات في الميسيتيلين ، و 3 مرات في ثنائي كلورو الميثان وجففها تحت تيار النيتروجين.
    * لتعاطي المنشطات من الأسلاك النانوية استمر في الخطوة 3, لتعاطي المنشطات من رقائق انتقل إلى الخطوة 5.
فئة

3. تخليق الأسلاك النانوية

  1. قم بتنظيف شريحة زجاجية من المجهر في بلازما الأكسجين لمدة 2 دقيقة.
  2. ضع بضع قطرات من محلول بولي إل ليسين على الشريحة لتغطيتها بالكامل ، وانتظر لمدة 5 دقائق ثم اشطفها بماء DI وجففها بالنيتروجين.
  3. ضع بضع قطرات من محلول الذهب الغرواني على الشريحة لتغطيتها بالكامل ، وانتظر 2 دقيقة ثم اشطفها بماء DI وجففها بالنيتروجين.
  4. قم بإزالة الملوثات العضوية باستخدام بلازما الأكسجين لمدة 30 ثانية.
  5. أدخل الشريحة الزجاجية مع جزيئات الذهب النانوية في غرفة الأمراض القلبية الوعائية وقم بإخلاؤها.
  6. قم بتوازن الغرفة مسبقا عند 440 درجة مئوية ، 35 torr و 50 sccm تدفق H2.
  7. ابدأ عملية الترسيب عن طريق تدفق غاز SiH4 ، تدفق 2 sccm. قم بإجراء عملية CVD لمدة 30 دقيقة من أجل الحصول على أسلاك نانوية بطول 50 ميكرومتر تقريبا.
  8. قياس طول الأسلاك النانوية (بواسطة SEM أو بواسطة المجهر البصري باستخدام مرشح المجال المظلم). إذا كنت تستخدم المجهر البصري قياس طول الأسلاك النانوية التي تقف عند حواف العينة ، فيجب أن يكون من السهل العثور على سلك بارز بالتوازي مع السطح.
فئة < p = "jove_title" >4. صب الأسلاك النانوية على الركيزة

  1. تعليق الأسلاك النانوية في الإيثانول. ضع الشريحة بغشاء nanowire معد في الخطوة 3 في قارورة وأضف الإيثانول لتغطية الشريحة بمستوى سائل زائد ~ 1 سم.
  2. صوتنة القارورة لمدة 3 ثوان ، يجب أن يصبح المحلول عكرا قليلا.
    هام: تميل الأسلاك النانوية المعلقة إلى التجمع لأن التعليق غير مستقر. لذلك يجب استخدامه بعد فترة وجيزة من التحضير ، قبل إجراء التجميع.
  3. ضع ركيزة Si3N4 / SiO2 / Si على لوح ساخن مسخن مسبقا إلى 150 درجة مئوية. أضف بضع قطرات من تعليق الأسلاك النانوية على السطح الساخن. بمجرد تجفيف السائل ، تحقق من كثافة الأسلاك النانوية على السطح بعد عملية الصب المتساقط باستخدام مجهر بصري مع مرشح المجال المظلم. من أجل تحقيق إنتاجية عالية من أجهزة الأسلاك النانوية المفردة ، يجب أن تؤدي العملية إلى كثافة سطح تبلغ حوالي 100 سلك نانوي لكل 1 مم2 مع الحد الأدنى لطول الأسلاك النانوية ~ 20 ميكرومتر.
فئة < p = "jove_title" >5. الصلب الحراري السريع

  1. ضع الركيزة المستهدفة (رقاقة Si الجوهرية أو الأسلاك النانوية المصبوبة في ركيزة من الخطوات السابقة) على الركيزة المانحة بحيث يكون الهدف متجها نحو الركيزة المانحة.
  2. ضع الركيزتين في غرفة هيئة الطرق والمواصلات وأغلق باب الغرفة.
  3. قم بإخلاء الغرفة ، وقم بالتطهير باستخدام الأرجون ، ثم قم بإخلاء مرة أخرى. تضمن هذه الخطوة عدم ترك أي أكسجين أو بقايا غاز أخرى غير مرغوب فيها في الغرفة.
  4. تلدين الركائز في درجة الحرارة والوقت المطلوبين. يعتمد مستوى المنشطات ، المشار إليه بقيمة مقاومة الصفيحة ، على وقت التلدين ودرجة الحرارة (الشكل 1). يتم عرض عملية 1,000 درجة مئوية درجة حرارة صلب و 40 ثانية من وقت التلدين. عادة ، يتم تطبيق أوقات التلدين من 5-120 ثانية. يجب أن يكون وقت منحدر درجة الحرارة قصيرا قدر الإمكان ، اعتمادا على مواصفات نظام التلدين. هنا ، يتم استخدام وقت منحدر مدته 6 ثوان من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة العملية.
< p class = "jove_title" >6. قياسات مقاومة الألواح

  1. اغمس العينة المخدرة MLCD في محلول حمض الهيدروفلوريك بنسبة 1٪ لمدة 5 دقائق لإزالة طبقة الأكسيد.
  2. اشطفها بماء DI والأيزوبروبانول وجففها بالمجفف بتيار النيتروجين.
  3. قم بقياس مقاومة الورقة باستخدام إعداد مسبار رباعي النقاط. في هذا المثال ، يتم استخدام Jandel RM3-AR ويحتوي على نظام قياس مقاومة الصفائح الأوتوماتيكي المخصص. التيار النموذجي المطبق في حدود 1-10 ميكرو أمبير.
فئة

7. تصنيع وتوصيف جهاز Nanowire

  1. سخني العينة على طبق ساخن على حرارة 120 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
  2. معطف الدوران AZ nLOF2020 مقاوم للضوء عند 4,000 دورة في الدقيقة.
  3. اخبز العينة على حرارة 110 درجة مئوية لمدة 75 ثانية باستخدام لوح تسخين مفرغ من الهواء.
  4. قم بالتعريض الضوئي بسرعة 40 مللي جول/سم2 باستخدام مصدر ضوء 365 نانومتر باستخدام مصفف القناع وقناع نمط الأقطاب الكهربائية.
  5. اخبز العينات مرة أخرى بعد التعرض عند 110 درجة مئوية لمدة 75 ثانية على لوح تسخين مفرغ من الهواء.
  6. قم بتطوير العينات في محلول AZ726MIF لمدة 70 ثانية ، واشطفها بماء DI وجففها بتيار النيتروجين.
  7. تبخر 100 نانومتر من النيكل بواسطة مبخر الشعاع الإلكتروني.
  8. قم بإجراء الرفع بواسطة مذيب ساخن (80 درجة مئوية) N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP).
  9. افحص الركيزة لتحديد موقع أجهزة NW-FET التي تم تشكيلها بنجاح في العملية وتسجيل مواقعها. يمكن القيام بذلك بسهولة باستخدام المجهر البصري مع مرشح المجال المظلم بشرط تشكيل علامات العناوين.
  10. قم بقياس منحنيات IV للأجهزة المحددة باستخدام محلل جهاز أشباه الموصلات وإعداد محطة المسبار. ضع العينة على المرحلة الموصلة المتصلة بالمحلل كطرف البوابة. استخدم كاميرا المجهر الخاصة بمحطة المسبار للاقتراب من إبر المسبار بالقرب من أقطاب الجهاز ولمس الأقطاب الكهربائية برفق بالإبر. يجب توصيل الإبر كأطراف مصدر وتصريف بالمحلل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

p class = "jove_content" > النتائج التمثيلية لعملية المنشطات السطحية الفوسفور MLCD موضحة في الشكل 1. تمت معالجة رقائق السيليكون الجوهرية بفوسفور MLCD ، مما أدى إلى انخفاض رتيب في قيم مقاومة الصفائح. تنخفض قيم مقاومة الألواح لأوقات التلدين الأطول ودرجات حرارة التلدين الأعلى كما هو موضح في الآثار الثلاثة في الشكل 1. يمكن ربط قيم مقاومة الورقة بتركيز المنشط المنشط. تشير قيم مقاومة الصفائح المنخفضة إلى مستويات أعلى من المنشطات والعكس صحيح. تؤدي درجة حرارة التلدين المرتفعة ووقت التلدين الأطول إلى مستويات أعلى...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MLCD هي طريقة بسيطة وقابلة للتكرار. ومع ذلك ، يجب الانتباه إلى تنظيف السطح وتشكيل الطبقة الأحادية. يعد تنظيف الأسطح بسمكة البيرانا قبل عملية MLCD أمرا مهما ليس فقط لغرض تجنب الشوائب المحتملة ، ولكن أيضا لتهيئة السطح لتكوين طبقة أحادية قابلة للتكرار مما يوفر نتائج قابلة للتكرار بين العمليات. ينتج عن معالجة سمكة الضاري المفترسة هيدروكسيل المجموعات السطحية المطلوبة لربط جزيئات السلائف بالسطح لتكوين الطبقة الأحادية. يمكن أيضا تحقيق التنظيف والتنشيط عن طريق بلازما الأكسجين على الرغم من أنه لا ينصح به بسبب دمج الأنواع المشحونة...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لم يتم الإعلان عن تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل مركز Farkas للعمليات التي يسببها الضوء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
رقائق السيليكون عالية النقاءTopsil-50
nm Si 3 < / sub > N4< / sub> / 50 nm SiO2< / sub> / Si رقائقوادي السيليكون للإلكترونياتالدقيقة -
حمض الكبريتيك 98٪BioLab19550523
بيروكسيد الهيدروجين 30٪جي تي بيكر2190-03
هيدروكسيد الأمونيوم 25٪جي تي بيكر6051
الإيثانولجي تي بيكر8025
الميسيتيلينسيجماM7200
ثنائي كلورو الميثانماكرون4881-06
رباعي إيثيل الميثيلين ديفوسفوناتألدريتش359181
الزيت المعدنيسيجماM3516
حمض الهيدروفلوريك 49٪جي تي بيكر9564-06
الأيزوبروبانولجي تي بيكر9079-05
N-Methyl-2-pyrrolidone JT Baker9397-05
AZ nLOF2020AZ المواد الإلكترونيةnLOF 2020
AZ 726 MIFAZ المواد الإلكترونية726 MIF
Poly-L-LysineSigmaP8920
غرويات الذهب الحلتيد بيلا82160-80
نظام هيئة الطرق والمواصلاتAnnealSysMicroAS
4 نقاط مسبار نظام قياس مقاومة الصفائحJandelRM3-AR
مصفف قناعSussMA06
e-Beam المبخرVSTTFDS-141E
محلل أشباه الموصلاتAgilentB1500A
نظام CVD-محلي
محلول البناء

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hazut, O., Agarwala, A., et al. Contact doping of silicon wafers and nanostructures with phosphine oxide monolayers. ACS Nano. 6 (11), 10311-10318 (2012).
  2. Hisamoto, D., Lee, W. -C. FinFET- A self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm. IEEE Trans. Electron Devices. 47, 2320-2325 (2000).
  3. Leung, G., Chui, C. O. Variability impact of random dopant fluctuation on nanoscale junctionless FinFETs. IEEE Electron Device Lett. 33, 767-769 (2012).
  4. Ho, J. C., Yerushalmi, R., et al. Wafer-scale, sub-5 nm junction formation by monolayer doping and conventional spike annealing. Nano Lett. 9 (2), 725-730 (2009).
  5. Peercy, P. S. The Drive to Miniaturization. Nature. 406, 1023-1026 (2000).
  6. Lu, W., Lieber, C. M. Semiconductor Nanowires. J. Phys. D. 39, R387-R406 (2006).
  7. Gunawan, O., Wang, K., Fallahazad, B., Zhang, Y., Tutuc, E., Guha, S. High Performance Wire-Array Silicon Solar Cells. Prog. Photovoltaics. 19, 307-312 (2011).
  8. Ho, J. C., Yerushalmi, R., Jacobson, Z. A., Fan, Z., Alley, R. L., Javey, A. Controlled nanoscale doping of semiconductors via molecular monolayers. Nat. Mater. 7, 62-67 (2008).
  9. Koren, E., Rosenwaks, Y., Allen, J. E., Hemesath, E. R., Lauhon, L. J. Nonuniform. Doping distribution along silicon nanowires measured by kelvin probe force microscopy and scanning photocurrent microscopy. Appl. Phys. Lett. 95, 092105(2009).
  10. Wagner, R. S., Ellis, W. C. The vapor-liquid-solid mechanism of crystal growth and its application to silicon. Trans. Metall. Soc. AIME. 233, 1053-1064 (1965).
  11. Cui, Y., Lauhon, L. J., Gudiksen, M. S., Wang, J., Lieber, C. M. Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires. Appl. Phys. Lett. 78 (15), 2214-2216 (2001).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة