Monolayer Kontakt Dotierung von Silizium-Oberflächen und Nanodrähte Mit Phosphororganische Verbindungen

Zusammenfassung

Ein detailliertes Verfahren zur Oberflächendotierung von Silizium-Grenzflächen wird bereitgestellt. Die ultraflache Oberflächendotierung wird durch die Verwendung von phosphorhaltigen Monoschichten und das Rapid Annealing-Verfahren demonstriert. Das Verfahren kann sowohl zur Dotierung von makroskopischen Flächenoberflächen als auch von Nanostrukturen eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Monolayer-Kontaktdotierung (MLCD) ist eine einfache Methode zur Dotierung von Oberflächen und Nanostrukturen¹. MLCD führt zur Bildung von hochgradig kontrollierten, ultraflachen und scharfen Dotierungsprofilen auf der Nanometerskala. Beim MLCD-Prozess ist die Dotierungsquelle eine Monoschicht, die Dotierungsatome enthält.

In diesem Artikel wird ein detailliertes Verfahren zur Oberflächendotierung von Siliziumsubstraten sowie Silizium-Nanodrähten demonstriert. Die Phosphor-Dotierstoffquelle wurde unter Verwendung einer Tetraethylmethylendiphosphonat-Monoschicht auf einem Siliziumsubstrat gebildet. Dieses Monolayer-enthaltende Substrat wurde mit einem makellosen intrinsischen Silizium-Zielsubstrat in Kontakt gebracht und während des Kontakts geglüht. Der Schichtwiderstand des Zielsubstrats wurde mit einer 4-Punkt-Sonde gemessen. Intrinsische Silizium-Nanodrähte wurden durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung eines Dampf-Flüssig-Feststoff-Mechanismus (VLS) synthetisiert; Goldnanopartikel wurden als Katalysator für das Wachstum von Nanodrähten verwendet. Die Nanodrähte wurden durch milde Beschallung in Ethanol suspendiert. Diese Suspension wurde verwendet, um die Nanodrähte auf ein Siliziumsubstrat mit einer dielektrischen Deckschicht aus Siliziumnitrid zu gießen. Diese Nanodrähte wurden auf ähnliche Weise mit Phosphor dotiert, wie sie für den intrinsischen Siliziumwafer verwendet werden. Das Standard-Photolithographie-Verfahren wurde verwendet, um Metallelektroden für die Bildung von Nanodraht-basierten Feldeffekttransistoren (NW-FET) herzustellen. Die elektrischen Eigenschaften eines repräsentativen Nanodrahtgeräts wurden mit einem Halbleiterbauelementanalysator und einer Sondenstation gemessen.

Einleitung

Die kontrollierte Oberflächendotierung von Halbleiterstrukturen mit makroskopischen Bereichen sowie auf der Nanoskala ist wichtig für fortschrittliche Halbleiterbauelementarchitekturen wie FinFet^2,3, sowie für Nanostruktur-basierte Bauelemente wie Nanodraht-basierte Sensoren und Photovoltaik^4-7. Vor kurzem haben wir die Monolayer-Kontaktdotierung (MLCD) für die wiederholbare, gleichmäßige Oberflächendotierung von Siliziumgrenzflächen mit makroskopischen und nanometrischen Dimensionen mit Kontrolle über die Dotiermitteldosis und das Diffusionsprofil¹ eingeführt. Ein wichtiges Merkmal der MLCD ist die Beschränkung der Monolagenbildung auf ein Substrat, das als "Donorsubstrat" bezeichnet wird. MLCD vereinfacht einige der Prozessschritte, die für die Monolayer-Kontaktdotierung (MLCD) erforderlich sind, und bietet ergänzende Oberflächendotierungsfunktionen⁸. Sobald das Donorsubstrat mit der dotierungsmittelhaltigen Monoschicht unter Verwendung einer selbstlimitierenden Oberflächenchemie beladen wird, wird das Donorsubstrat mit dem für die Dotierung vorgesehenen Substrat, dem sogenannten "Zielsubstrat", in Kontakt gebracht, und beide Substrate werden während des Kontakts geglüht. Während des Annealprozesses diffundieren Dotierungsatome sowohl zu Donor- als auch zu Zielsubstraten und werden bei erhöhter Temperatur aktiviert. Da MLCD keine hochenergetische Implantation von Dotierungsatomen erfordert, wird während des Prozesses keine strukturelle Schädigung des Halbleitergitters verursacht und es ist kein weiterer Glühschritt erforderlich. Eine gute Kontrolle der Dotierstoffdiffusion ist durch die Steuerung der schnellen thermischen Prozessparameter möglich. Ultraflache und gleichmäßige Diffusionslängen des Dotierungsmittels bis zu einigen Nanometern sind problemlos zu erreichen. Die Trennung der Monoschicht vom Prozessablauf vereinfacht den Prozess, ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Prozessparameter und eröffnet neue Möglichkeiten für Dotierungsschemata, die mit anderen Methoden nicht möglich waren. Das Erreichen eines Dotierwerts, der so hoch ist wie die Löslichkeitsgrenze von Phosphor in Silizium, ist durch mehrere MLCD-Dotierungsprozesse möglich, die nacheinander angewendet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass traditionelle Dotierungsmethoden bei der Herstellung ultraflacher Dotierungsprofile an intrinsische Einschränkungen leiden. Dies ist auf inhärente statistische Schwankungen der Quellenkonzentrationen, der Gesamtdosis und der Energieverteilung zurückzuführen, die den niedrigen Implantationsenergien inhärent sind, die für eine ultraflache Implantation erforderlich sind. MLCD bietet ein einfaches Mittel zur Oberflächendotierung, dies ist das Ergebnis der einzigartigen Eigenschaften von MLCD, die auf der präzisen Kontrolle der Dotiermitteldosis und -position auf atomarer Skala beruhen, indem eine robuste Oberflächenchemie zur Erzeugung der Dotierstoffquelle mit selbstlimitierender Monolagenchemie verwendet wird, die ausschließlich an der Halbleiteroberfläche gebildet wird.

Protokoll

1. Oberflächenreinigung

1. Bereiten Sie eine saure Piranha-Lösung vor, indem Sie 1:3 Wasserstoffperoxid (30%) und konzentrierte Schwefelsäure mischen.
   Achtung: Piranha-Lösungen sind extrem starke und gefährliche Oxidationsmittel und sollten mit äußerster Vorsicht verwendet werden. Diese Lösungen können in Kontakt mit organischen Lösungsmitteln explodieren. Der Eingriff darf nur von qualifiziertem Personal mit entsprechender Schulung und Sicherheitsausrüstung durchgeführt werden.
2. Legen Sie die Substrate (die später als Spender- und Zielsubstrate verwendet werden) in die entsprechende Halterung und legen Sie sie für 15 Minuten in die Piranha-Lösung.
3. Spülen Sie die Proben 3x in DI-Wasser.
4. Bereiten Sie die Basis-Piranha-Lösung vor, indem Sie 1:1:5 Ammoniumhydroxid (25%), Wasserstoffperoxid (30%) und DI-Wasser mischen.
5. Legen Sie die Substrate (die später als Donor- und Zielsubstrate verwendet werden) in eine geeignete Halterung und legen Sie sie in die Basis-Piranha-Lösung und stellen Sie sie für 8 min in ein Ultraschallbad bei 60 °C.
6. Spülen Sie die Proben 3x in DI-Wasser.
7. Spülen Sie die Proben in Ethanol und föhnen Sie sie dann unter einem Stickstoffstrahl trocken.
8. Die Proben im Ofen bei 115 °C 10 Min. trocknen.

2. Bildung von Monolagen

1. Bereiten Sie eine 1%ige v/v-Lösung von Tetraethylmethylendiphosphonat in Mesitylen vor.
2. Spendersubstrate in ein drucksicheres Fläschchen geben, das die Methylendiphosphonat-Mesitylen-Lösung enthält, versiegeln und 2 Std.
   bei 100 °C erhitzen Wichtig: Durch das Erhitzen des Lösungsmittels in einem verschlossenen Fläschchen wird Druck erzeugt. Es ist darauf zu achten, dass der verwendete Behälter geeignet ist und dem erzeugten Druck standhält. Die geschlossene Durchstechflasche mit Lösungsmittel sollte nicht nahe oder über dem Siedepunkt des Lösungsmittels erhitzt werden. Die Durchstechflasche darf nicht geöffnet werden, wenn sie heiß ist.
3. Lassen Sie das Fläschchen abkühlen, öffnen Sie das Fläschchen und spülen Sie die Proben 3x in Mesitylen, 3x in Dichlormethan und föhnen Sie sie unter Stickstoffstrom trocken.
   * Für die Dotierung von Nanodrähten fahren Sie mit Schritt 3 fort, für die Dotierung von Wafern fahren Sie mit Schritt 5 fort.

3. Nanodraht-Synthese

1. Reinigen Sie einen Objektträger des Mikroskops 2 Minuten lang in Sauerstoffplasma.
2. Tragen Sie ein paar Tropfen Poly-L-Lysin-Lösung auf den Objektträger auf, um ihn vollständig zu bedecken, warten Sie 5 Minuten, spülen Sie ihn dann mit DI-Wasser ab und föhnen Sie ihn mit Stickstoff trocken.
3. Tragen Sie ein paar Tropfen Goldkolloidlösung auf den Objektträger auf, um ihn vollständig zu bedecken, warten Sie 2 Minuten, spülen Sie ihn dann mit DI-Wasser ab und föhnen Sie ihn mit Stickstoff trocken.
4. Entfernen Sie organische Verunreinigungen, indem Sie 30 Sekunden lang Sauerstoffplasma verwenden.
5. Setzen Sie den Objektträger mit den Goldnanopartikeln in eine CVD-Kammer ein und evakuieren Sie.
6. Die Kammer wird bei 440 °C, 35 Torr und 50 sccm_H2 voräquilibriert.
7. Starten Sie den Abscheidungsprozess, indem Sie SiH₄ Gas, 2 sccm Durchfluss strömen. Führen Sie den CVD-Prozess 30 Minuten lang durch, um Nanodrähte mit einer Länge von etwa 50 μm zu erhalten.
8. Messen Sie die Länge von Nanodrähten (mit REM oder mit einem optischen Mikroskop unter Verwendung eines Dunkelfeldfilters). Wenn man mit einem optischen Mikroskop die Länge von Nanodrähten misst, die an den Probenrändern stehen, sollte es dort leicht sein, einen parallel zur Oberfläche herausragenden Draht zu finden.

4. Nanodraht-Tropfengießen auf Substrat

1. Hängen Sie die Nanodrähte in Ethanol auf. Legen Sie den Objektträger mit der in Schritt 3 vorbereiteten Nanodrahtfolie in ein Fläschchen und fügen Sie Ethanol hinzu, um den Objektträger mit einem Flüssigkeitsüberschuss von ~1 cm zu bedecken.
2. Beschallen Sie das Fläschchen 3 Sekunden lang, die Lösung sollte leicht trüb werden.
   Wichtig: Die aufgehängten Nanodrähte neigen dazu, sich zu aggregieren, da die Aufhängung nicht stabil ist; Daher sollte es kurz nach der Zubereitung, vor der Aggregation, verwendet werden.
3. Das Substrat Si₃N₄/SiO₂/Si auf eine auf 150 °C vorgeheizte Heizplatte legen und einige Tropfen Nanodrahtsuspension auf die erhitzte Oberfläche geben. Sobald die Flüssigkeit getrocknet ist, überprüfen Sie die Dichte der Nanodrähte auf der Oberfläche nach dem Tropfengussverfahren mit einem optischen Mikroskop mit Dunkelfeldfilter. Um eine hohe Ausbeute an Einzelnanodraht-Bauelementen zu erzielen, sollte der Prozess eine Oberflächendichte von etwa 100 Nanodrähten pro 1^mm2 bei einer minimalen Nanodrahtlänge von ~20 μm aufweisen.

5. Schnelles thermisches Glühen

1. Platzieren Sie das Zielsubstrat (intrinsischer Si-Wafer oder Nanodrähte, die in ein Substrat aus den vorherigen Schritten gegossen wurden) so auf dem Donorsubstrat, dass das Ziel zum Donorsubstrat zeigt.
2. Legen Sie die beiden Substrate in die RTA-Kammer und schließen Sie die Kammertür.
3. Räumt die Kammer, reinigt mit Argon und evakuiert dann wieder. Dieser Schritt stellt sicher, dass keine Sauerstoff- oder andere unerwünschte Gasrückstände in der Kammer zurückbleiben.
4. Glühen Sie die Substrate bei der gewünschten Temperatur und Zeit. Der Dotierungsgrad, der durch den Schichtwiderstandswert angegeben wird, hängt von der Glühzeit und der Temperatur ab (Abbildung 1). Es wird ein Prozess von 1.000 ºC Glühtemperatur und 40 Sekunden Glühzeit demonstriert. In der Regel werden Abkühlzeiten von 5 bis 120 Sekunden angewendet. Die Temperaturrampenzeit sollte je nach Spezifikation des Glühsystems so kurz wie möglich sein. Hierbei wird eine Rampenzeit von 6 Sekunden von Raumtemperatur auf die Prozesstemperatur verwendet.

6. Messungen des Schichtwiderstands

1. Tauchen Sie die MLCD-dotierte Probe 5 Minuten lang in 1%ige Flusssäurelösung, um die Oxidschicht zu entfernen.
2. Mit DI-Wasser, Isopropanol spülen und mit Stickstoffstrahl föhnen.
3. Messen Sie den Schichtwiderstand mit einem Vier-Punkt-Sondenaufbau. In diesem Beispiel wird der Jandel RM3-AR verwendet, der über ein spezielles automatisches System zur Messung des Schichtwiderstands verfügt. Der typische verwendete Strom liegt im Bereich von 1-10 μA.

7. Herstellung und Charakterisierung von Nanodrahtbauelementen

1. Die Probe auf einer heißen Platte bei 120 °C 5 Minuten erhitzen.
2. Spin Coat AZ nLOF2020 Fotolack bei 4.000 U/min.
3. Die Probe wird bei 110 °C 75 Sekunden lang mit einer Vakuum-Heizplatte gebacken
.
4. Belichtung bei 40 mJ/cm² mit 365 nm Lichtquelle unter Verwendung eines Masken-Aligners und der Elektrodenmustermaske.
5. Die Proben werden nach der Exposition bei 110 °C erneut 75 Sekunden lang auf einer Vakuum-Heizplatte gebacken.
6. Die Proben werden 70 Sekunden lang in AZ726MIF Lösung entwickelt, in DI-Wasser gespült und mit Stickstoffstrahl geföhnt.
7. Verdampfen Sie 100 nm Nickel mit einem Elektronenstrahlverdampfer.
8. Führen Sie das Abheben mit einem heißen (80 °C) N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)-Lösungsmittel durch.
9. Untersuchen Sie das Substrat, um NW-FET-Geräte zu lokalisieren, die während des Prozesses erfolgreich gebildet wurden, und registrieren Sie deren Standorte. Dies kann einfach mit einem optischen Mikroskop mit Dunkelfeldfilter erfolgen, sofern Adressmarker gebildet werden.
10. Messen Sie I-V-Kurven für ausgewählte Bauelemente mithilfe eines Analysators für Halbleiterbauelemente und einer Sondenstation. Legen Sie die Probe auf den konduktiven Tisch, der als Gate-Anschluss mit dem Analysator verbunden ist. Nähern Sie sich mit der Mikroskopkamera der Sondenstation den Sondennadeln in der Nähe der Geräteelektroden und berühren Sie die Elektroden vorsichtig mit den Nadeln. Die Nadeln sollten als Source- und Drain-Anschlüsse an den Analysator angeschlossen werden.

Ergebnisse

Repräsentative Ergebnisse für den Phosphor-MLCD-Oberflächendotierungsprozess sind in Abbildung 1 dargestellt. Intrinsische Siliziumwafer wurden mit Phosphor-MLCD behandelt, was zu einer monotonen Abnahme der Schichtwiderstandswerte führte. Die Werte des Schichtwiderstands nehmen bei längeren Glühzeiten und höheren Glühtemperaturen ab, wie die drei Kurven in Abbildung 1 zeigen. Die Werte des Schichtwiderstands können mit der aktivierten Dotierstoffkonzentration korreliert werden. Niedrige...

Diskussion

MLCD ist eine einfache und reproduzierbare Methode. Es muss jedoch auf die Oberflächenreinigung und Monolagenbildung geachtet werden. Die Piranha-Reinigung der Oberflächen vor dem MLCD-Prozess ist nicht nur wichtig, um mögliche Verunreinigungen zu vermeiden, sondern auch für die Initialisierung der Oberfläche für eine reproduzierbare Monolagenbildung, die reproduzierbare Ergebnisse zwischen den Prozessen liefert. Die Piranha-Behandlung führt zu einer Hydroxylierung der Oberflächengruppen, die für die Bindung der Vorläufe...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Hochreine Siliziumwafer		Topsil-50
nm Si3N4/50 nm SiO2/Si Wafer	Silicon Valley Mikroelektronik-Schwefelsäure
98%	BioLab	19550523
Wasserstoffperoxid 30%	J.T. Baker	2190-03
Ammoniumhydroxid 25%	J.T. Baker	6051
Ethanol	J.T. Baker	8025
Mesitylen	Sigma	M7200
Dichlormethan	Macron	4881-06
Tetraethylmethylendiphosphonat	Aldrich	359181
Mineralöl	Sigma	M3516
Flusssäure 49%	J.T. Baker	9564-06
Isopropanol	J.T. Baker	9079-05
N-Methyl-2-pyrrolidon	J.T. Baker	9397-05
AZ nLOF2020	AZ Electronic Materials	nLOF 2020
AZ 726 MIF	AZ Electronic Materials	726 MIF
Poly-L-Lysin-Lösung	Sigma	P8920
Goldkolloid Lösung	Ted Pella	82160-80
RTA-System	AnnealSys	MicroAS
4-Punkt-Sondenblatt Widerstandsmesssystem	Jandel	RM3-AR
Mask Aligner	Süss	MA06
e-Beam-Verdampfer	VST	TFDS-141E
Halbleiteranalysator	Agilent	B1500A
CVD-System		-	Eigenbau