使用有机磷化合物对硅表面和纳米线进行单层接触掺杂

以下实验的总体目标是通过单分子层接触掺杂法，展示对硅晶圆和纳米线进行浅层掺杂的过程。该方法通过将施主基底与前驱体溶液反应，形成自组装单分子层。该单分子层包含潜在的掺杂原子，可作为定义明确且掺杂量可控的掺杂源。

第二步，将供体基底与目标基底接触，并在快速热退火系统中对两者进行退火处理。在退火过程中，单分子层分解，掺杂原子扩散并激活至供体和目标基底上。随后，将两个基底分离，并采用四探针测试装置测量方块电阻。

结果显示，针对目标基底测得的方块电阻值在不同退火时间和温度下均呈现典型的下降趋势。与离子注入等现有方法相比，该技术的主要优势在于能够简单且可靠地形成极浅的掺杂分布。该方法适用于所有晶圆以及纳米结构的表面掺杂。

它还可用于其他系统，例如三维器件结构等。确定将用作目标和供体的带有介电基底的硅和硅酮，并准备使用piranha溶液。获取足量的酸性piranha溶液（过氧化氢和硫酸），以完全覆盖基底，此处约为120毫升。

使用芬顿溶液时需极度小心。将基底放入合适的支架中，然后将支架浸入芬顿溶液中15分钟。

15分钟后，取出带有样品的支架，用去离子水冲洗三次。接着，将支架和基底浸入约140毫升的过氧化氢铵溶液中（由氨水、过氧化氢和去离子水组成）。将此溶液置于60摄氏度的超声波浴中处理8分钟。处理结束后，用去离子水冲洗样品三次，随后用乙醇冲洗一次。

然后在氮气流下吹干。将样品在115摄氏度的烘箱中干燥10分钟。为形成单层膜，于耐压小瓶中配制1%体积浓度的亚甲基二膦酸四乙酯的meline溶液。

应有足够的溶液覆盖供体基质，约20毫升。在此情况下，使用镊子将供体基质转移至小瓶中，并确保其被完全覆盖。然后密封小瓶。

使用加热至 100 摄氏度的石蜡油浴将小瓶加热两小时。然后让小瓶冷却三分钟。打开小瓶，用甲醇清洗样品三次，再用二氯甲烷清洗三次。

然后在氮气流下吹干。纳米线的合成首先需要清洁显微镜载玻片，将其置于氧气等离子体中处理两分钟。

在载玻片上滴加数滴聚-L-赖氨酸溶液，使其完全覆盖。静置五分钟，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干。接着在载玻片上滴加数滴金胶体溶液，使其完全覆盖。

等待两分钟，用去离子水冲洗，并用氮气吹干。使用氧气等离子体处理30秒以去除有机污染物。

将载有金纳米颗粒的玻片插入化学气相沉积腔室，并进行抽真空处理。在分子氢气流速为每分钟50标准立方厘米的条件下，将腔室预平衡至440摄氏度和35托。随后，通过通入每分钟2标准立方厘米的氯化氢气体开始沉积过程，以获得长约50微米的纳米线。

沉积30分钟。完成后，通过显微镜测量纳米线。测量纳米线后，将载玻片放入纳米线薄膜中。

在样品瓶中加入乙醇，使液面高出载玻片约一厘米。超声处理样品瓶三秒钟，期间溶液应略微变浑浊。将加热板预热至150摄氏度。

然后将氮化硅二氧化硅硅基底放置其上。在加热的表面滴加数滴纳米线悬浮液。待液体干燥后，使用带暗场滤光片的光学显微镜检查表面纳米线的密度。

为了获得高产率的单根纳米线器件，该滴涂工艺应产生每平方毫米约100根纳米线的表面密度，且纳米线长度最小约为20微米。为实现掺杂，需将带有纳米线的衬底与掺杂源接触。将目标衬底放入快速热处理腔室中。

将供体基底正面朝向目标基底放置于其上。启动压合过程。这些样品将经历六秒的升温程序。

从室温升至肛温1000摄氏度并维持40秒。单层接触掺杂样品制备完成后，准备测量其电阻。取1%的氢氟酸溶液，将样品放入其中浸泡5分钟。

为去除氧化层，先用去离子水冲洗，然后用异丙醇清洗，并用氮气吹干。使用四探针法测量方块电阻。

通常施加的电流为一到十微安。采用常见的光刻技术来原理性地制备纳米线器件。从含有纳米线的样品开始。

加热样品，然后离心。用光刻胶涂覆样品。设置好光刻胶后，使用掩模对准仪曝光电极图案，并显影样品。

用溶剂冲洗并干燥样品。然后使用电子束蒸发仪将镍蒸发沉积到表面。最后进行剥离工艺，以显露出器件，定位成功形成的纳米线场效应晶体管，并记录其位置。

使用带有暗场滤光片的光学显微镜。采用半导体器件分析仪和探针台装置测量所选器件的电流-电压（IV）曲线。将导电载物台连接至分析仪作为栅极端子。

然后将样品放置其上。将探针针头连接至分析仪的源极和漏极接口。接着使用探针台的显微镜相机，将探针针头移近器件，并轻轻使针头与电极接触。

继续进行测量。对本征硅片进行磷单层接触掺杂处理后，随着退火时间的延长，方块电阻值呈现单调下降趋势，更长的退火时间会导致更高的掺杂水平，更高的退火温度同样如此。较低的方块电阻值与激活的掺杂浓度相关，方块电阻越低表明掺杂水平越高。

进一步延长退火时间不会导致薄层电阻进一步降低，因为掺杂剂量有限。该图显示了纳米线场效应晶体管的电流-电压（I-V）曲线。黑色曲线对应本征器件的曲线。

与此相比，中等掺杂单层的曲线为蓝色。蓝色曲线代表接触掺杂的场效应晶体管，其在900摄氏度下退火数秒。

红色曲线对应一个高度掺杂的器件，该器件在1005摄氏度下退火10秒。在此工艺之后，可进一步采用飞行时间法、二次离子质谱等其他方法，以表征掺杂浓度分布等特性。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用单接触掺杂工艺在晶圆和纳米线上制备超浅掺杂分布。