חד שכבתי לתקשר סימום של משטחי סיליקון וNanowires שימוש בתרכובות זרחן אורגניות

סיכום

מסופק נוהל מפורט לסימום פני השטח של ממשקי סיליקון. סימום פני השטח הרדוד במיוחד מודגם על ידי שימוש בזרחן המכיל חד-שכבות ותהליך חישול מהיר. השיטה יכולה לשמש לסמים של משטחי שטח מקרוסקופיים כמו גם ננו-מבנים.

תקציר

חד שכבתי לתקשר סימום (MLCD) הוא שיטה פשוטה לסימום של משטחים וננו ^1. MLCD התוצאה היא היווצרות של מבוקר מאוד, רדוד במיוחד ופרופילי סימום חדים בקנה המידה ננומטרי. בתהליך MLCD מקור dopant הוא monolayer המכיל אטומים dopant.

במאמר זה נוהל מפורט לסימום פני השטח של מצע סיליקון, כמו גם nanowires סיליקון בא לידי ביטוי. מקור dopant זרחן הוקם באמצעות monolayer methylenediphosphonate tetraethyl על מצע סיליקון. monolayer זה המכיל מצע הובא למגע עם מצע וטהור פנימי סיליקון יעד ובזמן שיתחשל במגע. התנגדות גיליון של מצע היעד נמדדה באמצעות בדיקה 4 נקודות. nanowires סיליקון הפנימי היו מסונתז על ידי תהליך שיקוע כימי (CVD) באמצעות מנגנון אד נוזל מוצק (VLS); חלקיקי זהב שימשו כזרז לצמיחת nanowire. Nanowires הושעו באתנול על ידי sonication קל. השעיה זו שימשה לdropcast nanowires על מצע סיליקון עם שכבה עליונה דיאלקטרי סיליקון ניטריד. nanowires אלה היו מסוממים בזרחן בצורה דומה לזו המשמשת לפרוסות סיליקון הפנימיות. תהליך photolithography סטנדרטי שימש לפברק אלקטרודות מתכת להיווצרות טרנזיסטור nanowire מבוססות אפקט שדה (NW-FET). התכונות חשמליות של מכשיר nanowire נציג נמדדו על ידי מנתח מכשיר מוליכים למחצה ותחנת בדיקה.

מבוא

סימום משטחים מבוקר של מבני מוליכים למחצה עם אזורים מקרוסקופיים כמו גם בקנה מידה ננומטרי חשוב עבור ארכיטקטורות מתקדמות של התקני מוליכים למחצה כגון FinFet^2,3, כמו גם עבור התקנים מבוססי ננו-מבנים כגון חיישנים מבוססי ננו-חוטים ופוטו-וולטאים^4-7. לאחרונה הצגנו סימום מגע חד-שכבתי (MLCD) לסמם משטח אחיד וחוזר של ממשקי סיליקון עם ממדים מקרוסקופיים וננומטריים עם שליטה על מינון דופנט ופרופיל דיפוזיה¹. מאפיין חשוב של MLCD הוא הגבלת היווצרות חד-שכבתית למצע המכונה "מצע תורם". MLCD מפשט חלק משלבי התהליך הנדרשים עבור סימום מגע חד-שכבתי (MLCD) ומספק יכולות סימום משטח משלימות⁸. לאחר שהמצע התורם נטען בחומר המכיל חד-שכבתי באמצעות כימיה של פני השטח המגבילה את עצמה, המצע התורם מובא למגע עם המצע המיועד לסמים, המכונה "מצע מטרה", ושני המצעים מחושלים תוך כדי מגע. במהלך תהליך החישול, אטומי דופנט מתפזרים הן למצע התורם והן למצע המטרה, ומופעלים בטמפרטורה הגבוהה. מכיוון ש-MLCD אינו דורש השתלה באנרגיה גבוהה של אטומי דופנט, לא נגרם נזק מבני לסריג המוליכים למחצה במהלך התהליך ואין צורך בשלב חישול נוסף. שליטה טובה על דיפוזיה דופנט אפשרית על ידי שליטה בפרמטרים של התהליך התרמי המהיר. אורכי דיפוזיה רדודים ואחידים במיוחד עד לכמה ננומטרים מושגים בקלות. הפרדת החד-שכבתי מרצף התהליך מפשטת את התהליך, מאפשרת שליטה רבה יותר על פרמטרי התהליך ופותחת אפשרויות חדשות לתוכניות סימום שלא היו אפשריות בשיטות אחרות. השגת רמת דופנט גבוהה כמו גבול המסיסות של זרחן בסיליקון אפשרית על ידי תהליכי סימום MLCD מרובים המיושמים ברצף. לסיכום, שיטות סימום מסורתיות סובלות ממגבלות מהותיות לייצר פרופילי סימום רדודים במיוחד. הסיבה לכך היא וריאציות סטטיסטיות מובנות של ריכוזי המקור, המינון הכולל והתפלגות האנרגיה, הטבועים באנרגיות ההשתלה הנמוכות הנדרשות להשתלה רדודה במיוחד. MLCD מספק אמצעי פשוט לסמים על פני השטח, זוהי תוצאה של המאפיינים הייחודיים של MLCD המסתמכים על בקרה מדויקת של מינון ומיקום דופנט בקנה מידה אטומי על ידי שימוש בכימיה חזקה של פני השטח ליצירת מקור הסמים עם כימיה חד-שכבתית מגבילה עצמית הנוצרת אך ורק על פני השטח של המוליכים למחצה.

פרוטוקול

1. ניקוי משטח

1. הכן תמיסת פיראנה חומצית על ידי ערבוב מי חמצן 1:3 (30%) וחומצה גופרתית מרוכזת.
   זהירות: תמיסות פיראנה הן חומרים מחמצנים חזקים ומסוכנים במיוחד ויש להשתמש בהן בזהירות רבה. תמיסות אלו עלולות להתפוצץ במגע עם ממיסים אורגניים. רק צוות מוסמך עם ציוד הכשרה ובטיחות מתאים רשאי לבצע את ההליך.
2. מניחים מצעים (ששימשו מאוחר יותר כמצעי תורם ומטרה) במחזיק מתאים ומכניסים לתמיסת פיראנה למשך 15 דקות.
3. שוטפים דגימות במי DI פי 3.
4. הכן תמיסת פיראנה בסיסית על ידי ערבוב 1:1:5 אמוניום הידרוקסיד (25%), מי חמצן (30%) ומי DI.
5. הנח מצעים (ששימשו מאוחר יותר כמצעי תורם ומטרה) במחזיק מתאים והכנס לתמיסת הפיראנה הבסיסית והניח באמבט קולי בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס למשך 8 דקות.
6. שוטפים דגימות במי DI פי 3.
7. שוטפים דגימות באתנול ואז מייבשים תחת זרם חנקן.
8. דגימות יבשות בתנור בחום של 115 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.

2. היווצרות חד-שכבתית

1. הכן תמיסה של 1% v/v של טטראתיל מתילנדיפוספונאט במסטילן.
2. יש להניח את מצעי התורם בבקבוקון בטוח בלחץ המכיל את תמיסת מתילנדיפוספונאט מסטילן, לאטום ולחמם בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס למשך שעתיים < > חשוב: חימום הממס בבקבוקון אטום יוצר לחץ. יש לנקוט בזהירות שהכלי המשמש מתאים ויעמוד בלחץ שנוצר. אין לחמם את הבקבוקון הסגור עם הממס קרוב או מעל נקודת הרתיחה של הממס. אסור לפתוח את הבקבוקון כשהוא חם.
3. הניחו לבקבוקון להתקרר, פתחו את הבקבוקון ושטפו דגימות פי 3 במסטילן, פי 3 בדיכלורומתאן וייבשו תחת זרם חנקן.
   * עבור סימום של ננו-חוטים המשך לשלב 3, עבור סימום פרוסות עבור לשלב 5.

3. סינתזת ננו-חוטים

1. נקה שקופית זכוכית מיקרוסקופ בפלזמת חמצן למשך 2 דקות.
2. מרחו כמה טיפות של תמיסת פולי-L-ליזין על השקופית כדי לכסות אותה במלואה, המתינו 5 דקות ואז שטפו במי DI וייבשו עם חנקן.
3. מרחו כמה טיפות של תמיסת קולואיד זהב על המגלשה כדי לכסות אותה במלואה, המתינו 2 דקות ואז שטפו במי DI וייבשו בחנקן.
4. הסר מזהמים אורגניים באמצעות פלזמת חמצן למשך 30 שניות.
5. הכנס את מגלשת הזכוכית עם ננו-חלקיקי זהב לתא CVD ופנה.
6. אזנו מראש את החדר ב-440 מעלות צלזיוס, זרימה של 35 טור ו-50 סמ"ק של H₂.
7. התחל את תהליך התצהיר על ידי הזרמת גז SiH₄, זרימה של 2 sccm. בצע את תהליך ה-CVD במשך 30 דקות על מנת להשיג ננו-חוטים באורך של כ-50 מיקרומטר.
8. מדוד את אורך הננו-חוטים (על ידי SEM או על ידי מיקרוסקופ אופטי באמצעות מסנן שדה כהה). אם משתמשים במיקרוסקופ אופטי מודדים את אורך הננו-חוטים העומדים בקצוות הדגימה, שם אמור להיות קל למצוא חוט הבולט במקביל לפני השטח.

4. יציקת ננו-חוטים על המצע

1. השעו את הננו-חוטים באתנול. הנח את השקופית עם סרט ננו-חוטים שהוכן בשלב 3 בבקבוקון והוסף אתנול כדי לכסות את השקופית בעודף רמת נוזלים של ~1 ס"מ.
2. סוניקציה של הבקבוקון למשך 3 שניות, התמיסה אמורה להיות מעט עכורה.
   חשוב: הננו-חוטים התלויים נוטים להצטבר מכיוון שהמתלים אינם יציבים; לכן יש להשתמש בו זמן קצר לאחר ההכנה, לפני ביצוע הצבירה.
3. הנח מצע Si₃N₄/SiO₂/Si על פלטה חמה שחוממה מראש ל-150 מעלות צלזיוס. הוסף כמה טיפות של מתלה ננו-חוטים על המשטח המחומם. לאחר ייבוש הנוזל, בדוק את צפיפות הננו-חוטים על פני השטח לאחר תהליך הטיפה באמצעות מיקרוסקופ אופטי עם מסנן שדה כהה. על מנת להשיג תפוקה גבוהה של התקני ננו-חוטים בודדים, התהליך אמור לגרום לצפיפות פני שטח של כ-100 ננו-חוטים לכל 1 מ"מ² עם אורך ננו-חוטים מינימלי של ~20 מיקרומטר.

5. חישול תרמי מהיר

1. הנח את מצע המטרה (פרוסת Si פנימית או טיפת ננו-חוטים שנוצקה לתוך מצע מהשלבים הקודמים) על מצע התורם כך שהמטרה פונה לכיוון המצע התורם.
2. הנח את שני המצעים בתא RTA וסגור את דלת החדר.
3. לפנות את החדר, לטהר עם ארגון ואז לפנות שוב. שלב זה מבטיח שלא יישארו חמצן או שאריות גז לא רצויות אחרות בתא.
4. חישול המצעים בטמפרטורה ובזמן הרצויים. רמת הסימום, המצוינת על ידי ערך התנגדות היריעות, תלויה בזמן החישול ובטמפרטורה (איור 1). מודגם תהליך של טמפרטורת חישול של 1,000 מעלות צלזיוס וזמן חישול של 40 שניות. בדרך כלל, מוחלים זמני חישול של 5-120 שניות. זמן רמפת הטמפרטורה צריך להיות קצר ככל האפשר, בהתאם למפרט מערכת החישול. כאן, נעשה שימוש בזמן רמפה של 6 שניות מטמפרטורת החדר לטמפרטורת התהליך.

6. מדידות התנגדות גיליון

1. טבלו את הדגימה המסוממת MLCD בתמיסת חומצה הידרופלואורית 1% למשך 5 דקות להסרת שכבת התחמוצת.
2. שוטפים במי DI, איזופרופנול ומייבשים בזרם חנקן.
3. מדוד את התנגדות הגיליונות באמצעות מערך בדיקה של ארבע נקודות. לדוגמא זו, נעשה שימוש ב-Jandel RM3-AR ויש לו מערכת ייעודית למדידת התנגדות גיליון אוטומטית. הזרם האופייני המופעל הוא בתחום של 1-10 μA.

7. ייצור ואפיון של התקני ננו-חוטים

1. מחממים את הדגימה על פלטה חמה בחום של 120 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
2. מעיל ספין AZ nLOF2020 photoresist ב -4,000 סל"ד.
3. אופים את הדגימה בחום של 110 מעלות צלזיוס למשך 75 שניות באמצעות פלטה חמה ואקום.
4. חשוף במהירות של 40 mJ/^cm2 עם מקור אור של 365 ננומטר באמצעות קשת יישור מסכה ומסיכת תבנית האלקטרודות.
5. אופים את הדגימות שוב לאחר חשיפה ב-110 מעלות צלזיוס למשך 75 שניות על פלטה חמה ואקום.
6. פתח את הדגימות בתמיסה AZ726MIF למשך 70 שניות, שטוף במי DI וייבש בזרם חנקן.
7. אידוי 100 ננומטר של ניקל על ידי מאייד קרן אלקטרונית.
8. בצע הרמה על ידי ממס N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) חם (80 מעלות צלזיוס).
9. בדוק את המצע כדי לאתר התקני NW-FET שנוצרו בהצלחה בתהליך ורשום את מיקומם. ניתן לעשות זאת בקלות באמצעות מיקרוסקופ אופטי עם מסנן שדה כהה בתנאי שנוצרים סמני כתובת.
10. מדוד עקומות IV עבור מכשירים נבחרים באמצעות מנתח התקני מוליכים למחצה והגדרת תחנת בדיקה. הנח את הדגימה על השלב המוליך המחובר למנתח כמסוף השער. השתמש במצלמת המיקרוסקופ של תחנת הבדיקה כדי להתקרב למחטי הבדיקה ליד האלקטרודות של המכשיר וגע בעדינות באלקטרודות עם המחטים. יש לחבר את המחטים כמסופי מקור וניקוז למנתח.

תוצאות

תוצאות מייצגות לתהליך סימום פני השטח של זרחן-MLCD מוצגות באיור 1. פרוסות סיליקון פנימיות טופלו ב-MLCD זרחני, וכתוצאה מכך ירידה מונוטונית בערכי התנגדות היריעות. ערכי התנגדות היריעות יורדים עבור זמני חישול ארוכים יותר וטמפרטורות חישול גבוהות יותר כפי שמוצג על ידי שלושת העקבות באיור 1. ניתן לתאם את ערכי התנגדות היריעה לריכוז הסמים המופעלים. ערכי התנגדות נמוכים יותר מצביעים על רמות סימום גבוהות יותר ולהיפך. טמפרטורת חישול גבוהה יותר וזמן חישול ארוך יותר מביאים לרמות סימום גבוהות יותר וערכי ה...

דיון

MLCD היא שיטה פשוטה וניתנת לשחזור. עם זאת, יש לשים לב לניקוי פני השטח ולהיווצרות חד שכבתית. ניקוי פיראנה של המשטחים לפני תהליך MLCD חשוב לא רק לצורך מניעת זיהומים אפשריים, אלא גם לאתחול המשטח להיווצרות חד-שכבתית הניתנת לשחזור המספקת תוצאות הניתנות לשחזור בין תהליכים. הטיפול בפיראנה מביא להידרוקסילציה של קבוצות פני השטח הנדרשת לקשירת מולקולות קודמות לפני השטח ליצירת החד-שכבה. ניקוי והפעלה יכולים להתבצע גם על ידי פלזמת חמצן, אם כי זה לא מומלץ בגלל שילוב של מינים טעונים על פני השטח המשפיע על תוצאות הסימום. ניתן לשלוט בפרופי...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
פרוסות סיליקון בטוהר גבוה	Topsil-50
ננומטר Si3N4/50 nm SiO2/Si פרוסות	עמק הסיליקון מיקרואלקטרוניקה-חומצה
גופרתית 98%	BioLab	19550523
מי חמצן 30%	J.T. Baker	2190-03
אמוניום הידרוקסיד 25%	J.T. Baker	6051
אתנול	J.T. Baker	8025
Mesitylene	Sigma	M7200
Dichloromethane	Macron	4881-06
Tetraethyl methylenediphosphonate	Aldrich	359181
שמן מינרלי	Sigma	M3516
חומצה הידרופלואורית 49%	J.T. Baker	9564-06
איזופרופנול	J.T. Baker	9079-05
N-Methyl-2-pyrrolidone	J.T. Baker	9397-05
AZ nLOF2020	AZ חומרים אלקטרוניים	nLOF 2020
MIF	AZ חומרים אלקטרוניים	726 MIF
תמיסת פולי-L-ליזין	סיגמא	P8920
קולואיד זהב פתרון	טד פלה	82160-80
מערכת RTA	AnnealSys	MicroAS
מערכת מדידת התנגדות גיליון בדיקה 4 נקודות	Jandel	RM3-AR
מיישר מסכה	Suss	MA06
מאייד e-Beam	VST	TFDS-141E
מנתח מוליכים למחצה	Agilent	B1500A
מערכת CVD	-		ביתית