방법 논문

유기 화합물을 사용하여 실리콘 표면과 나노 와이어의 단층 연락 도핑

DOI:

10.3791/50770

⸱

2013년 12월 2일

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

이 논문에서

요약

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

실리콘 계면의 표면 도핑에 대한 자세한 절차가 제공됩니다. 매우 얕은 표면 도핑은 인을 함유한 단층과 신속한 어닐링 공정을 사용하여 입증됩니다. 이 방법은 거시적 영역 표면과 나노 구조의 도핑에 사용할 수 있습니다.

초록

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단층 접촉 도핑(MLCD)은 표면 및 나노 구조를 도핑하는 간단한 방법입니다1. MLCD는 나노미터 규모에서 고도로 제어되고 매우 얕고 날카로운 도핑 프로파일을 형성합니다. MLCD 공정에서 도펀트 소스는 도펀트 원자를 포함하는 단층입니다.

이 기사에서는 실리콘 기판 및 실리콘 나노 와이어의 표면 도핑에 대한 자세한 절차를 보여줍니다. 인 도펀트 소스는 실리콘 기판 상에 테트라에틸 메틸렌디포스포네이트 단층을 사용하여 형성되었습니다. 기판을 포함하는 이 단층은 깨끗한 고유 실리콘 타겟 기판과 접촉하고 접촉하는 동안 어닐링되었습니다. 대상 기판의 면저항은 4 포인트 프로브를 사용하여 측정하였다. 진성 실리콘 나노 와이어는 증기-액체-고체 (VLS) 메커니즘을 사용하여 화학 기상 증착 (CVD) 공정에 의해 합성되었다. 금 나노 입자는 나노 와이어 성장을위한 촉매로 사용되었다. 나노 와이어는 온화한 초음파 처리에 의해 에탄올에 현탁 하였다. 이 현탁액은 실리콘 질화물 유전체 상층을 가진 실리콘 기질에 nanowires를 dropcast하기 위하여 이용되었습니다. 이 나노 와이어는 고유 실리콘 웨이퍼에 사용 된 것과 유사한 방식으로 인으로 도핑되었습니다. 표준 포토리소그래피 공정은 나노와이어 기반 전계 효과 트랜지스터(NW-FET) 형성을 위한 금속 전극을 제조하는 데 사용되었습니다. 대표적인 나노와이어 소자의 전기적 특성은 반도체 소자 분석기와 프로브 스테이션에 의해 측정되었습니다.

서론

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나노 규모뿐만 아니라 거시적 영역을 가진 반도체 구조의 제어 된 표면 도핑은 FinFet2,3과 같은 고급 반도체 장치 아키텍처뿐만 아니라 나노 와이어 기반 센서 및 광전지4-7과 같은 나노 구조 기반 장치에 중요합니다. 우리는 최근 도펀트 선량 및 확산 프로파일1을 제어하여 거시적 및 나노미터 차원의 실리콘 계면의 반복 가능하고 균일한 표면 도핑을 위한 단층 접촉 도핑(MLCD)을 도입했습니다. MLCD의 중요한 특징은 "공여체 기질"이라고 하는 기판에 대한 단층 형성을 제한하는 것입니다. MLCD(Monolayer Contact Doping)에 필요한 일부 공정 단계를 단순화하고 보완적인 표면 도핑 기능을 제공합니다8. 일단 도너 기질에 자기 제한 표면 화학을 사용하여 도펀트 함유 단층이 적재되면, 도너 기질은 "표적 기질"이라고 하는 도핑을 위한 기질과 접촉하게 되고, 두 기질은 접촉하는 동안 어닐링됩니다. 어닐링 공정 중에 도펀트 원자는 공여체 및 표적 기질 모두에 확산되고 상승된 온도에서 활성화됩니다. MLCD는 도펀트 원자의 고 에너지 주입을 필요로하지 않기 때문에 공정 중에 반도체 격자에 구조적 손상이 발생하지 않으며 더 이상의 어닐링 단계가 필요하지 않습니다. 도펀트 확산에 대한 양호한 제어는 빠른 열처리 매개 변수를 제어함으로써 가능합니다. 수 나노미터까지 매우 얕고 균일한 도펀트 확산 길이를 쉽게 얻을 수 있습니다. 공정 순서에서 단층을 분리하면 공정이 단순화되고 공정 매개변수를 더 잘 제어할 수 있으며 다른 방법을 사용하여 불가능했던 도핑 계획에 대한 새로운 가능성이 열립니다. 실리콘에서 인의 용해도 한계만큼 높은 도펀트 수준을 달성하는 것은 연속적으로 적용되는 여러 MLCD 도핑 공정에 의해 가능합니다. 요약하면, 전통적인 도핑 방법은 매우 얕은 도핑 프로파일을 제작하는 데 본질적인 한계가 있습니다. 이는 소스 농도, 전체 선량 및 에너지 분포의 내재된 통계적 변동 때문이며, 이는 매우 얕은 주입에 필요한 낮은 주입 에너지에 내재되어 있습니다. MLCD는 표면 도핑을 위한 간단한 수단을 제공하며, 이는 반도체 표면에서 독점적으로 형성된 자체 제한 단층 화학으로 도펀트 소스를 생성하기 위해 강력한 표면 화학을 활용하여 원자 규모에서 도펀트 선량 및 위치의 정확한 제어에 의존하는 MLCD의 고유한 기능의 결과입니다.

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프로토콜

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1. 표면 청소

  1. 1:3 과산화수소(30%)와 진한 황산을 혼합하여 산성 피라냐 용액을 준비합니다.
    주의: 피라냐 용액은 매우 강력하고 위험한 산화제이므로 각별히 주의해서 사용해야 합니다. 이러한 용액은 유기 용매와 접촉하여 폭발할 수 있습니다. 적절한 교육 및 안전 장비를 갖춘 자격을 갖춘 직원만이 절차를 수행할 수 있습니다.
  2. 기질(나중에 공여체 및 표적 기질로 사용됨)을 적절한 홀더에 놓고 15분 동안 피라냐 용액에 삽입합니다.
  3. 샘플을 DI water 3x로 헹굽니다.
  4. 1:1:5 수산화암모늄(25%), 과산화수소(30%) 및 DI 물을 혼합하여 기본 피라냐 용액을 준비합니다.
  5. 기질(나중에 공여체 및 표적 기질로 사용됨)을 적절한 홀더에 놓고 기본 피라냐 용액에 삽입하고 60°C의 초음파 수조에 8분 동안 놓습니다.
  6. 샘플을 DI water 3x로 헹굽니다.
  7. 샘플을 에탄올로 헹군 다음 질소 흐름에서 건조시킵니다.
  8. 115°C의 오븐에서 10분 동안 샘플을 건조시킵니다.

2. 단층 형성

  1. 메실렌에 테트라에틸 메틸렌디포스포네이트의 1% v/v 용액을 준비합니다.
  2. 메틸렌디포스포네이트 메시틸렌 용액이 들어 있는 압력에 안전한 바이알에 도너 기질을 놓고 밀봉한 후 100°C에서 2시간 동안 가열합니다.
    중요: 밀봉된 바이알에서 용매를 가열하면 압력이 발생합니다. 사용된 용기가 적절하고 생성된 압력을 견딜 수 있도록 주의해야 합니다. 용제가 들어 있는 밀폐된 바이알은 용제 끓는점에 가깝거나 그 이상으로 가열되어서는 안 됩니다. 바이알은 뜨거울 때 열 수 없습니다.
  3. 바이알을 식히고 바이알을 열고 샘플을 헹굽니다.메실렌 3배, 디클로로메탄 3배 질소 흐름에서 건조합니다.
    * 나노 와이어의 도핑은 3 단계로 계속하고 웨이퍼의 도핑은 5 단계로 이동합니다.

3. 나노 와이어 합성

  1. 산소 플라즈마에서 현미경 유리 슬라이드를 2분 동안 청소합니다.
  2. 슬라이드에 폴리-L-라이신 용액 몇 방울을 떨어뜨려 완전히 덮고 5분 동안 기다린 다음 DI 물로 헹구고 질소로 건조시킵니다.
  3. 슬라이드에 금 콜로이드 용액 몇 방울을 떨어뜨려 완전히 덮고 2분 정도 기다린 다음 DI 물로 헹구고 질소로 건조시킵니다.
  4. 산소 플라즈마를 사용하여 30초 동안 유기 오염 물질을 제거합니다.
  5. 금 나노 입자가 있는 유리 슬라이드를 CVD 챔버에 삽입하고 대피합니다.
  6. 440 °C, 35 torr 및 H2의 50 sccm 흐름에서 챔버를 사전 평형화합니다.
  7. SiH4 가스, 2 sccm 흐름을 흐르게 하여 증착 공정을 시작합니다. 약 50μm 길이의 나노와이어를 얻기 위해 30분 동안 CVD 공정을 수행합니다.
  8. 나노와이어의 길이를 측정합니다(SEM 또는 암시야 필터를 사용하는 광학 현미경으로). 광학 현미경을 사용하여 샘플 가장자리에 서 있는 나노와이어의 길이를 측정하면 표면과 평행하게 튀어나온 와이어를 쉽게 찾을 수 있습니다.

4. 기판에 나노 와이어 드롭 캐스팅

  1. 나노 와이어를 에탄올에 현탁시킵니다. 3단계에서 준비한 나노와이어 필름이 있는 슬라이드를 바이알에 넣고 에탄올을 첨가하여 슬라이드를 ~1cm의 여분의 액체로 덮습니다.
  2. 바이알을 3초 동안 초음파 처리하면 용액이 약간 탁해집니다.
    중요: 부유 나노와이어는 현탁액이 안정적이지 않기 때문에 응집되는 경향이 있습니다. 따라서 준비 직후, 집계가 발생하기 전에 사용해야 합니다.
  3. 150 °C로 사전 가열 된 핫 플레이트에 Si3N4 / SiO2 / Si 기판을 놓습니다.가열 된 표면에 나노 와이어 현탁액을 몇 방울 떨어뜨립니다. 액체가 건조되면 암시야 필터가 있는 광학 현미경을 사용하여 드롭 캐스트 공정 후 표면의 나노와이어 밀도를 확인합니다. 단일 나노 와이어 장치의 높은 수율을 달성하기 위해이 공정은 1mm 당 약 100 나노 와이어의 표면 밀도를 가져야하며,2 ~ 20 μm의 최소 나노 와이어 길이로 이루어져야합니다.

5. 급속 열처리 어닐링

  1. 표적 기판(이전 단계에서 기판에 주조된 고유 Si 웨이퍼 또는 나노와이어 방울)을 공여체 기판에 배치하여 표적이 공여체 기질을 향
    2. 하도록 합니다.
  2. 두 개의 기판을 RTA 챔버에 놓고 챔버 도어를 닫습니다.
  3. 챔버에서 대피하고 아르곤으로 숙청한 다음 다시 대피하십시오. 이 단계는 챔버에 산소 또는 기타 원치 않는 가스 잔류물이 남아 있지 않도록 합니다.
  4. 원하는 온도와 시간에 기판을 어닐링합니다. 면저항 값으로 표시되는 도핑 수준은 어닐링 시간과 온도에 따라 달라집니다(그림 1). 1,000ºC 어닐링 온도와 40초 어닐링 시간의 공정이 시연됩니다. 일반적으로 5-120초의 어닐링 시간이 적용됩니다. 온도 램프 시간은 어닐링 시스템 사양에 따라 가능한 한 짧아야 합니다. 여기서, 실온에서 공정 온도까지 6초의 램프 시간이 사용됩니다.

6. 면저항 측정

  1. 산화물 층을 제거하기 위해 MLCD 도핑된 샘플을 1% 불산 용액에 5분 동안 담그십시오.
  2. DI 워터, 이소프로판올로 헹구고 질소 흐름으로 건조시킵니다.
  3. 4점 프로브 설정을 사용하여 면저항을 측정합니다. 이 예에서는 Jandel RM3-AR이 사용되며 전용 자동 면저항 측정 시스템이 있습니다. 일반적으로 적용되는 전류는 1-10μA 범위입니다.

7. 나노와이어 소자 제작 및 특성화

  1. 샘플을 120°C의 핫 플레이트에서 5분 동안 가열합니다.
  2. 스핀 코트 AZ nLOF2020 포토레지스트, 4,000rpm.
  3. 진공 핫 플레이트를 사용하여 110°C에서 75초 동안 샘플을 굽습니다.
  4. 마스크 얼라이너와 전극 패턴 마스크를 사용하여 365nm 광원으로 40mJ/cm2에서 노출합니다.
  5. 진공 핫 플레이트에서 110°C에서 75초 동안 노출된 후 샘플을 다시 굽습니다.
  6. AZ726MIF 용액에서 70초 동안 샘플을 현상하고 DI 물로 헹구고 질소 흐름으로 건조시킵니다.
  7. 100nm의 니켈을 전자빔 증발기로 증발시킵니다.
  8. 뜨거운(80°C) N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매로 리프트오프를 수행합니다.
  9. 기판을 검사하여 공정에서 성공적으로 형성된 NW-FET 장치를 찾고 위치를 등록합니다. 이것은 어드레스 마커가 형성되는 경우 암시야 필터가 있는 광학 현미경을 사용하여 쉽게 수행할 수 있습니다.
  10. 반도체 장치 분석기 및 프로브 스테이션 설정을 사용하여 선택한 장치에 대한 I-V 곡선을 측정합니다. 샘플을 게이트 터미널로 분석기에 연결된 전도성 스테이지에 놓습니다. 프로브 스테이션의 현미경 카메라를 사용하여 장치 전극 근처의 프로브 바늘에 접근하고 바늘로 전극을 부드럽게 만집니다. 바늘은 분석기에 소스 및 드레인 단자로 연결해야 합니다.

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결과

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인-MLCD 표면 도핑 공정의 대표적인 결과는 그림 1에 나와 있습니다. 진성 실리콘 웨이퍼는 인-MLCD로 처리되어 시트 저항 값이 단조롭게 감소했습니다. 시트 저항 값은 그림 1의 세 가지 흔적에서 볼 수 있듯이 더 긴 어닐링 시간과 더 높은 어닐링 온도로 인해 감소합니다. 표면 저항 값은 활성 도펀트 농도와 상관 관계가 있을 수 있습니다. 면저항 값이 낮을수록 도핑 수준이 높으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 어닐링 온도가 높고 어닐링 시간이 길어지면 도핑 수준이 높아지고 시트 저항 값이 낮아집니다. 어닐링 시간이 더 증가해도 단층 도펀트 소스가 제한된 소스이기 때문에 시트 저항이 더 이상 감소하지 않아 제한된 소스 확산 체제가 발생한다는 점에 유의하십시오. 사실, 긴 어닐링 시간 동안 종종 시트 저항의 증가는 고유 실리콘 벌크 물질로의 깊은 확산에 의한 도펀트의 희석으로 인해 관찰됩니다.

본질 NW 및 M...

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토론

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MLCD는 간단하고 재현 가능한 방법입니다. 그러나 표면 청소 및 단층 형성에 주의를 기울여야 합니다. MLCD 공정 전에 표면의 피라냐 세척은 가능한 불순물을 피하기 위한 목적뿐만 아니라 공정 간에 재현 가능한 결과를 제공하는 재현 가능한 단층 형성을 위한 표면 초기화에도 중요합니다. 피라냐 처리는 단층 형성을 위해 전구체 분자를 표면에 결합하는 데 필요한 표면기의 수산화를 초래합니다. 세척 및 활성화는 산소 플라즈마에 의해서도 달성할 수 있지만 도핑 결과에 영향을 미치는 표면에 하전 종이 포함되어 있기 때문에 권장되지 않습니다. 결과 도핑 프로파일은 어닐링 시간과 온도에 의해 제어 될 수 있습니다.

MLCD는 자기 제한 표면 화학에 의존하여 기증자 기판의 계면에 도펀트 함유 분자의 단일 분자층(단층)을 형성합니다. 도펀트 소스로 단층을 사용하면 잘 정의된 초기 도펀트 용량이 보장되고 도펀트는 표면 도핑을 위해 의도된 인터페이스와 접촉하는 인터페이스에 배치됩니다. MLCD는 기...

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공개 사항

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이해 상충이 선언되지 않았습니다.

감사의 글

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이 작업은 광 유도 공정을 위한 Farkas 센터에서 부분적으로 자금을 지원받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
고순도 실리콘 웨이퍼Topsil-50
nm Si3N4/50 nm SiO2/Si 웨이퍼실리콘 밸리 마이크로일렉트로닉스-
황산 98%BioLab19550523
과산화수소 30%J.T. 베이커2190-03
수산화암모늄 25%J.T. 베이커6051
에탄올J.T. 베이커8025
메시틸렌시그마M7200
디클로로메탄마크롱4881-06
테트라에틸 메틸렌디포스포네이트알드리치359181
미네랄 오일시그마M3516
불화 수소산 49%J.T. 베이커9564-06
이소프로판올J.T. 베이커9079-05
N-메틸-2-피롤리돈J.T. 베이커9397-05
AZ, nLOF2020AZ 전자 재료, nLOF 2020
AZ 726 MIFAZ, 전자 재료726 MIF
폴리-L-라이신 용액, 시그마P8920
금 콜로이드 솔루션Ted Pella82160-80
RTA 시스템, AnnealSysMicroAS
4 포인트 프로브 시트 저항 측정 시스템JandelRM3-AR
마스크 정렬기, SussMA06
전자 빔 증발기, VST,TFDS-141E
, 반도체 분석기AgilentB1500A
CVD 체계--가정에 건축하는
, , , , , , , , , , , ,

참고문헌

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