Articolo metodologico

Monostrato Contatto doping di silicio superfici e nanofili Uso organofosforici Composti

DOI:

10.3791/50770

⸱

2 dicembre 2013

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

In questo articolo

Sommario

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Viene fornita una procedura dettagliata per il drogaggio superficiale delle interfacce in silicio. Il drogaggio superficiale ultra-superficiale è dimostrato dall'utilizzo di monostrati contenenti fosforo e da un rapido processo di ricottura. Il metodo può essere utilizzato per il drogaggio di superfici macroscopiche e di nanostrutture.

Abstract

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Il Doping da Contatto Monostrato (MLCD) è un metodo semplice per il drogaggio di superfici e nanostrutture1. La MLCD provoca la formazione di profili di drogaggio altamente controllati, ultra superficiali e nitidi su scala nanometrica. Nel processo MLCD la sorgente di drogante è un monostrato contenente atomi droganti.

In questo articolo viene dimostrata una procedura dettagliata per il drogaggio superficiale del substrato di silicio e dei nanofili di silicio. La fonte di drogante del fosforo è stata formata utilizzando un monostrato di tetraetilmetilendifosfonato su un substrato di silicio. Questo substrato contenente monostrato è stato portato a contatto con un substrato target di silicio intrinseco incontaminato e ricotto durante il contatto. La resistenza del foglio del substrato target è stata misurata utilizzando una sonda a 4 punti. I nanofili di silicio intrinseci sono stati sintetizzati mediante processo di deposizione chimica da vapore (CVD) utilizzando un meccanismo vapore-liquido-solido (VLS); Le nanoparticelle d'oro sono state utilizzate come catalizzatore per la crescita dei nanofili. I nanofili sono stati sospesi in etanolo mediante leggera sonicazione. Questa sospensione è stata utilizzata per lanciare i nanofili su un substrato di silicio con uno strato superiore dielettrico di nitruro di silicio. Questi nanofili sono stati drogati con fosforo in modo simile a quello utilizzato per il wafer di silicio intrinseco. Il processo di fotolitografia standard è stato utilizzato per fabbricare elettrodi metallici per la formazione di transistor ad effetto di campo basati su nanofili (NW-FET). Le proprietà elettriche di un dispositivo a nanofili rappresentativo sono state misurate da un analizzatore di dispositivi a semiconduttore e da una stazione di sonda.

Introduzione

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Il drogaggio superficiale controllato di strutture semiconduttrici con aree macroscopiche e su scala nanometrica è importante per architetture avanzate di dispositivi a semiconduttore come FinFet2,3, così come per dispositivi basati su nanostrutture come sensori basati su nanofili e fotovoltaico4-7. Di recente abbiamo introdotto il drogaggio a contatto monostrato (MLCD) per il drogaggio ripetibile e uniforme della superficie di interfacce in silicio con dimensioni macroscopiche e nanometriche con controllo sulla dose di drogante e sul profilodi diffusione 1. Una caratteristica importante della MLCD è la restrizione della formazione del monostrato a un substrato che viene definito "substrato donatore". MLCD semplifica alcune delle fasi del processo necessarie per il drogaggio a contatto monostrato (MLCD) e fornisce funzionalità complementari di drogaggio superficiale8. Una volta che il substrato donatore viene caricato con il monostrato contenente drogante utilizzando la chimica di superficie autolimitante, il substrato donatore viene portato a contatto con il substrato destinato al drogaggio, chiamato "substrato target", ed entrambi i substrati vengono ricotti durante il contatto. Durante il processo di ricottura, gli atomi droganti diffondono sia al substrato donatore che a quello bersaglio e vengono attivati a temperature elevate. Poiché la MLCD non richiede l'impianto ad alta energia di atomi droganti, durante il processo non viene causato alcun danno strutturale al reticolo del semiconduttore e non è necessaria alcuna ulteriore fase di ricottura. Un buon controllo della diffusione del drogante è possibile controllando i parametri del processo termico rapido. Si ottengono facilmente lunghezze di diffusione del drogante ultra basse e uniformi fino a pochi nanometri. La separazione del monostrato dalla sequenza di processo semplifica il processo, consente un maggiore controllo sui parametri di processo e apre nuove possibilità per schemi di drogaggio che non erano possibili utilizzando altri metodi. Il raggiungimento di un livello di drogante pari al limite di solubilità del fosforo nel silicio è possibile mediante più processi di drogaggio MLCD applicati successivamente. In sintesi, i metodi di drogaggio tradizionali soffrono di limitazioni intrinseche per fabbricare profili di drogaggio ultra-superficiali. Ciò è dovuto alle variazioni statistiche intrinseche delle concentrazioni della sorgente, della dose complessiva e della distribuzione dell'energia, che sono inerenti alle basse energie di impianto richieste per l'impianto ultra-superficiale. MLCD fornisce un mezzo semplice per il drogaggio di superficie, questo è il risultato delle caratteristiche uniche di MLCD che si basano sul controllo preciso della dose di drogante e della posizione su scala atomica utilizzando una robusta chimica di superficie per generare la sorgente di drogante con una chimica monostrato autolimitante formata esclusivamente sulla superficie del semiconduttore.

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Protocollo

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1. Pulizia delle superfici

  1. Preparare una soluzione acida di piranha mescolando perossido di idrogeno 1:3 (30%) e acido solforico concentrato.
    Attenzione: le soluzioni Piranha sono agenti ossidanti estremamente forti e pericolosi e devono essere usate con estrema cautela. Queste soluzioni possono esplodere a contatto con solventi organici. La procedura può essere eseguita solo da personale qualificato con formazione e dispositivi di sicurezza adeguati.
  2. Posizionare i substrati (successivamente utilizzati come substrati donatori e target) in un supporto appropriato e inserirli nella soluzione di piranha per 15 minuti.
  3. Sciacquare i campioni in acqua deionizzata 3 volte.
  4. Preparare la soluzione base di piranha mescolando idrossido di ammonio 1:1:5 (25%), perossido di idrogeno (30%) e acqua deionizzata.
  5. Posizionare i substrati (successivamente utilizzati come substrati donatori e target) nell'apposito supporto e inserirli nella soluzione base di piranha e metterli in bagno ad ultrasuoni a 60 °C per 8 minuti.
  6. Sciacquare i campioni in acqua deionizzata 3 volte.
  7. Sciacquare i campioni in etanolo, quindi asciugarli con il phon sotto un getto di azoto.
  8. Asciugare i campioni in forno a 115 °C per 10 minuti.

2. Formazione Monostrato

  1. Preparare una soluzione all'1% v/v di tetraetilmetilendifosfonato in mesitilene.
  2. Porre i substrati donatori in una fiala sicura per la pressione contenente la soluzione di metilendifosfonato mesitilene, sigillare e riscaldare a 100 °C per 2 ore
    Importante: Il riscaldamento del solvente in una fiala sigillata genera pressione. È necessario prestare attenzione affinché il recipiente utilizzato sia appropriato e resista alla pressione generata. Il flaconcino chiuso con solvente non deve essere riscaldato vicino o sopra il punto di ebollizione del solvente. Il flaconcino non può essere aperto mentre è caldo.
  3. Lasciare raffreddare la fiala, aprire la fiala e sciacquare i campioni 3 volte in mesitilene, 3 volte in diclorometano e asciugare con il phon sotto flusso di azoto.
    * Per il drogaggio dei nanofili continuare con il passaggio 3, per il drogaggio dei wafer passare al passaggio 5.

3. Sintesi di nanofili

  1. Pulire un vetrino da microscopio al plasma di ossigeno per 2 minuti.
  2. Applicare alcune gocce di soluzione di poli-L-lisina sul vetrino per coprirlo completamente, attendere 5 minuti, quindi risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con azoto.
  3. Applicare alcune gocce di soluzione colloidale d'oro sul vetrino per coprirlo completamente, attendere 2 minuti, quindi risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con azoto.
  4. Rimuovere i contaminanti organici utilizzando il plasma di ossigeno per 30 secondi.
  5. Inserire il vetrino con nanoparticelle d'oro in una camera CVD ed evacuare.
  6. Pre equilibrare la camera a 440 °C, 35 torr e 50 sccm di flusso di H2.
  7. Avviare il processo di deposizione facendo fluire SiH4 gas, flusso 2 sccm. Eseguire il processo CVD per 30 minuti in modo da ottenere nanofili di circa 50 μm di lunghezza.
  8. Misurare la lunghezza dei nanofili (mediante SEM o al microscopio ottico utilizzando un filtro di campo scuro). Se si utilizza un microscopio ottico per misurare la lunghezza dei nanofili che si trovano ai bordi del campione, dovrebbe essere facile trovare un filo che sporge parallelamente alla superficie.

4. Colata di nanofili su substrato

  1. Sospendi i nanofili in etanolo. Posizionare il vetrino con la pellicola di nanofili preparata al punto 3 in una fiala e aggiungere etanolo per coprire il vetrino con un livello di liquido in eccesso di ~1 cm.
  2. Sonicare la fiala per 3 secondi, la soluzione dovrebbe diventare leggermente torbida.
    Importante: i nanofili sospesi tendono ad aggregarsi poiché la sospensione non è stabile; pertanto dovrebbe essere utilizzato poco dopo la preparazione, prima che avvenga l'aggregazione.
  3. Posizionare il substrato Si3N4/SiO2/Si su una piastra riscaldante preriscaldata a 150 °C. Aggiungere alcune gocce di sospensione di nanofili sulla superficie riscaldata. Una volta che il liquido è essiccato, controllare la densità dei nanofili sulla superficie seguendo il processo di drop cast utilizzando un microscopio ottico con filtro a campo scuro. Al fine di ottenere un'elevata resa dei dispositivi a nanofilo singolo, il processo dovrebbe risultare con una densità superficiale di circa 100 nanofili per 1 mm2 con una lunghezza minima del nanofilo di ~20 μm.

5. Ricottura termica rapida

  1. Posizionare il substrato target (wafer di Si intrinseco o nanofili fusi in un substrato dai passaggi precedenti) sul substrato donatore in modo che il bersaglio sia rivolto verso il substrato donatore.
  2. Posizionare i due substrati nella camera RTA e chiudere lo sportello della camera.
  3. Evacua la camera, purifica con Argon, quindi evacua di nuovo. Questo passaggio garantisce che non rimangano residui di ossigeno o altri gas indesiderati nella camera.
  4. Ricuocere i substrati alla temperatura e al tempo desiderati. Il livello di drogaggio, indicato dal valore di resistenza della lamiera, dipende dal tempo di ricottura e dalla temperatura (Figura 1). Viene dimostrato un processo di temperatura di ricottura di 1.000 ºC e un tempo di ricottura di 40 secondi. In genere, vengono applicati tempi di ricottura di 5-120 secondi. Il tempo di rampa della temperatura dovrebbe essere il più breve possibile, a seconda delle specifiche del sistema di ricottura. In questo caso, viene utilizzato un tempo di rampa di 6 secondi dalla temperatura ambiente alla temperatura di processo.

6. Misure di resistenza del foglio

  1. Immergere il campione drogato MLCD in una soluzione di acido fluoridrico all'1% per 5 minuti per rimuovere lo strato di ossido.
  2. Sciacquare con acqua deionizzata, isopropanolo e asciugare con getto di azoto.
  3. Misura la resistenza del foglio utilizzando una configurazione della sonda a quattro punti. Per questo esempio, viene utilizzato il Jandel RM3-AR e dispone di un sistema di misurazione automatica della resistenza del foglio dedicato. La corrente tipica applicata è compresa tra 1 e 10 μA.

7. Fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi a nanofili

  1. Riscaldare il campione su una piastra calda a 120 °C per 5 minuti.
  2. Spin coat AZ nLOF2020 fotoresist a 4.000 giri/min.
  3. Cuocere il campione a 110 °C per 75 secondi utilizzando la piastra riscaldante sottovuoto.
  4. Esporre a 40 mJ/cm2 con una sorgente luminosa a 365 nm utilizzando un allineatore a maschera e la maschera del modello di elettrodi.
  5. Cuocere nuovamente i campioni dopo l'esposizione a 110 °C per 75 secondi su una piastra riscaldante sottovuoto.
  6. Sviluppare i campioni in AZ726MIF soluzione per 70 secondi, sciacquare con acqua deionizzata e asciugare con getto di azoto.
  7. Evaporare 100 nm di nichel mediante evaporatore e-beam.
  8. Eseguire il distacco con solvente caldo (80 °C) N-metil-2-pirrolidone (NMP).
  9. Ispezionare il substrato per individuare i dispositivi NW-FET formati con successo nel processo e registrare le loro posizioni. Questo può essere fatto facilmente utilizzando il microscopio ottico con filtro per campo scuro, a condizione che si formino marcatori di indirizzi.
  10. Misura le curve I-V per i dispositivi selezionati utilizzando un analizzatore di dispositivi a semiconduttore e la configurazione della stazione della sonda. Posizionare il campione sullo stadio conduttivo che è collegato all'analizzatore come terminale di gate. Utilizzare la fotocamera del microscopio della stazione di sonda per avvicinarsi agli aghi della sonda vicino agli elettrodi del dispositivo e toccare delicatamente gli elettrodi con gli aghi. Gli aghi devono essere collegati come terminali di origine e di scarico all'analizzatore.

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Risultati

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I risultati rappresentativi per il processo di drogaggio superficiale al fosforo-MLCD sono mostrati nella Figura 1. I wafer di silicio intrinseco sono stati trattati con MLCD al fosforo, con conseguente diminuzione monotona dei valori di resistenza del foglio. I valori di resistenza della lamiera diminuiscono con tempi di ricottura più lunghi e temperature di ricottura più elevate, come mostrato dalle tre tracce nella Figura 1. I valori di resistenza del foglio possono essere correlati a...

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Discussione

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MLCD è un metodo semplice e riproducibile. Tuttavia, è necessario prestare attenzione alla pulizia delle superfici e alla formazione del monostrato. La pulizia piranha delle superfici prima del processo MLCD è importante non solo allo scopo di evitare possibili impurità, ma anche per l'inizializzazione della superficie per la formazione di un monostrato riproducibile, fornendo risultati riproducibili tra i processi. Il trattamento con piranha provoca l'idrossilazione dei gruppi superficiali che è necessaria per legare le...

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Dichiarazioni

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Nessun conflitto di interessi dichiarato.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal centro Farkas per i processi indotti dalla luce.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Wafer di silicio ad alta purezzaTopsil-50
nm Si3N4/50 nm SiO2/Si wafer SiliconValley Microelectronics-Acido
solforico 98%BioLab19550523
Perossido di idrogeno 30%J.T. Baker2190-03
Idrossido di ammonio 25%J.T. Baker6051
EtanoloJ.T. Baker8025
MesitileneSigmaM7200
DiclorometanoMacron4881-06
TetraetimetilendifosfonatoAldrich359181
Olio mineraleSigmaM3516
Acido fluoridrico 49%J.T. Baker9564-06
IsopropanoloJ.T. Baker9079-05
N-metil-2-pirrolidone J.T. Baker9397-05
AZ nLOF2020AZ Materiali elettronicinLOF 2020
AZ 726 MIFAZ Materiali elettronici726 MIF
Soluzione di poli-L-lisinaSigmaP8920
Colloide d'oro soluzioneTed Pella82160-80
Sistema RTAAnnealSysMicroAS
Sistema di misurazione della resistenza del foglio di sonda a 4 puntiJandelRM3-AR
Allineatore mascheraSussMA06
evaporatore e-BeamVSTTFDS-141E
Analizzatore a semiconduttoreAgilentB1500A
Sistema CVD-Costruito in casa

Riferimenti

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