Name: 유기 화합물을 사용하여 실리콘 표면과 나노 와이어의 단층 연락 도핑 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-02T21:15:00.000+00:00
Duration: 9 min 45 s
Description: 학습하세요 실리콘 표면과 나노 와이어의 초얕은 단층 연락 도핑 방법을. 인 함유 단층과 급속 열 어닐링을 활용하여 반도체 소자의 전기 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

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

1. 표면 청소
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>기질(나중에 공여체 및 표적 기질로 사용됨)을 적절한 홀더에 놓고 15분 동안 피라냐 용액에 삽입합니다.</li>
	<li>샘플을 DI water 3x로 헹굽니다.</li>
	<li>1:1:5 수산화암모늄(25%), 과산화수소(30%) 및 DI 물을 혼합하여 기본 피라냐 용액을 준비합니다.</li>
	<li>기질(나중에 공여체 및 표적 기질로 사용됨)을 적절한 홀더에 놓고 기본 피라냐 용액에 삽입하고 60°C의 초음파 수조에 8분 동안 놓습니다.</li>
	<li>샘플을 DI water 3x로 헹굽니다.</li>
	<li>샘플을 에탄올로 헹군 다음 질소 흐름에서 건조시킵니다.</li>
	<li>115°C의 오븐에서 10분 동안 샘플을 건조시킵니다.</li>
</ol>
2. 단층 형성
<ol>
	<li>메실렌에 테트라에틸 메틸렌디포스포네이트의 1% v/v 용액을 준비합니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>바이알을 식히고 바이알을 열고 샘플을 헹굽니다.메실렌 3배, 디클로로메탄 3배 질소 흐름에서 건조합니다. 
	* 나노 와이어의 도핑은 3 단계로 계속하고 웨이퍼의 도핑은 5 단계로 이동합니다.</li>
</ol>
3. 나노 와이어 합성
<ol>
	<li>산소 플라즈마에서 현미경 유리 슬라이드를 2분 동안 청소합니다.</li>
	<li>슬라이드에 폴리-L-라이신 용액 몇 방울을 떨어뜨려 완전히 덮고 5분 동안 기다린 다음 DI 물로 헹구고 질소로 건조시킵니다.</li>
	<li>슬라이드에 금 콜로이드 용액 몇 방울을 떨어뜨려 완전히 덮고 2분 정도 기다린 다음 DI 물로 헹구고 질소로 건조시킵니다.</li>
	<li>산소 플라즈마를 사용하여 30초 동안 유기 오염 물질을 제거합니다.</li>
	<li>금 나노 입자가 있는 유리 슬라이드를 CVD 챔버에 삽입하고 대피합니다.</li>
	<li>440 °C, 35 torr 및 H2의 50 sccm 흐름에서 챔버를 사전 평형화합니다.</li>
	<li>SiH4 가스, 2 sccm 흐름을 흐르게 하여 증착 공정을 시작합니다. 약 50μm 길이의 나노와이어를 얻기 위해 30분 동안 CVD 공정을 수행합니다.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
4. 기판에 나노 와이어 드롭 캐스팅
<ol>
	<li>나노 와이어를 에탄올에 현탁시킵니다. 3단계에서 준비한 나노와이어 필름이 있는 슬라이드를 바이알에 넣고 에탄올을 첨가하여 슬라이드를 ~1cm의 여분의 액체로 덮습니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
5. 급속 열처리 어닐링
<ol>
	<li>표적 기판(이전 단계에서 기판에 주조된 고유 Si 웨이퍼 또는 나노와이어 방울)을 공여체 기판에 배치하여 표적이 공여체 기질을 향</li>하도록 합니다.
	<li>두 개의 기판을 RTA 챔버에 놓고 챔버 도어를 닫습니다.</li>
	<li>챔버에서 대피하고 아르곤으로 숙청한 다음 다시 대피하십시오. 이 단계는 챔버에 산소 또는 기타 원치 않는 가스 잔류물이 남아 있지 않도록 합니다.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
6. 면저항 측정
<ol>
	<li>산화물 층을 제거하기 위해 MLCD 도핑된 샘플을 1% 불산 용액에 5분 동안 담그십시오.</li>
	<li>DI 워터, 이소프로판올로 헹구고 질소 흐름으로 건조시킵니다.</li>
	<li>4점 프로브 설정을 사용하여 면저항을 측정합니다. 이 예에서는 Jandel RM3-AR이 사용되며 전용 자동 면저항 측정 시스템이 있습니다. 일반적으로 적용되는 전류는 1-10μA 범위입니다.</li>
</ol>
7. 나노와이어 소자 제작 및 특성화
<ol>
	<li>샘플을 120°C의 핫 플레이트에서 5분 동안 가열합니다.</li>
	<li>스핀 코트 AZ nLOF2020 포토레지스트, 4,000rpm.</li>
	<li>진공 핫 플레이트를 사용하여 110°C에서 75초 동안 샘플을 굽습니다.</li>
	<li>마스크 얼라이너와 전극 패턴 마스크를 사용하여 365nm 광원으로 40mJ/cm2에서 노출합니다.</li>
	<li>진공 핫 플레이트에서 110°C에서 75초 동안 노출된 후 샘플을 다시 굽습니다.</li>
	<li>AZ726MIF 용액에서 70초 동안 샘플을 현상하고 DI 물로 헹구고 질소 흐름으로 건조시킵니다.</li>
	<li>100nm의 니켈을 전자빔 증발기로 증발시킵니다.</li>
	<li>뜨거운(80°C) N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매로 리프트오프를 수행합니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Hazut, O., Agarwala, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contact+doping+of+silicon+wafers+and+nanostructures+with+phosphine+oxide+monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Contact doping of silicon wafers and nanostructures with phosphine oxide monolayers.</a> ACS Nano. 6 (11), 10311-10318 (2012).</li>
<li>Hisamoto, D., Lee, W. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FinFET-+A+self-aligned+double-gate+MOSFET+scalable+to+20+nm%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Electron+Devices%22%5BJournal%5D)">FinFET- A self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm.</a> IEEE Trans. Electron Devices. 47, 2320-2325 (2000).</li>
<li>Leung, G., Chui, C. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variability+impact+of+random+dopant+fluctuation+on+nanoscale+junctionless+FinFETs%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electron+Device+Lett%22%5BJournal%5D)">Variability impact of random dopant fluctuation on nanoscale junctionless FinFETs.</a> IEEE Electron Device Lett. 33, 767-769 (2012).</li>
<li>Ho, J. C., Yerushalmi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wafer-scale%2C+sub-5+nm+junction+formation+by+monolayer+doping+and+conventional+spike+annealing%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Wafer-scale, sub-5 nm junction formation by monolayer doping and conventional spike annealing.</a> Nano Lett. 9 (2), 725-730 (2009).</li>
<li>Peercy, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Drive+to+Miniaturization%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The Drive to Miniaturization.</a> Nature. 406, 1023-1026 (2000).</li>
<li>Lu, W., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Semiconductor+Nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+D%22%5BJournal%5D)">Semiconductor Nanowires.</a> J. Phys. D. 39, R387-R406 (2006).</li>
<li>Gunawan, O., Wang, K., Fallahazad, B., Zhang, Y., Tutuc, E., Guha, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Performance+Wire-Array+Silicon+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Photovoltaics%22%5BJournal%5D)">High Performance Wire-Array Silicon Solar Cells.</a> Prog. Photovoltaics. 19, 307-312 (2011).</li>
<li>Ho, J. C., Yerushalmi, R., Jacobson, Z. A., Fan, Z., Alley, R. L., Javey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+nanoscale+doping+of+semiconductors+via+molecular+monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Controlled nanoscale doping of semiconductors via molecular monolayers.</a> Nat. Mater. 7, 62-67 (2008).</li>
<li>Koren, E., Rosenwaks, Y., Allen, J. E., Hemesath, E. R., Lauhon, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonuniform.+Doping+distribution+along+silicon+nanowires+measured+by+kelvin+probe+force+microscopy+and+scanning+photocurrent+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nonuniform. Doping distribution along silicon nanowires measured by kelvin probe force microscopy and scanning photocurrent microscopy.</a> Appl. Phys. Lett. 95, 092105(2009).</li>
<li>Wagner, R. S., Ellis, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+vapor-liquid-solid+mechanism+of+crystal+growth+and+its+application+to+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Trans.+Metall.+Soc.+AIME%22%5BJournal%5D)">The vapor-liquid-solid mechanism of crystal growth and its application to silicon.</a> Trans. Metall. Soc. AIME. 233, 1053-1064 (1965).</li>
<li>Cui, Y., Lauhon, L. J., Gudiksen, M. S., Wang, J., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diameter-controlled+synthesis+of+single-crystal+silicon+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires.</a> Appl. Phys. Lett. 78 (15), 2214-2216 (2001).</li>
</ol>

이해 상충이 선언되지 않았습니다.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>고순도 실리콘 웨이퍼</td><td>Topsil-50</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>nm Si3N4/50 nm SiO2/Si 웨이퍼</td><td>실리콘 밸리 마이크로일렉트로닉스</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>황산 98%</td><td>BioLab</td><td>19550523</td><td></td></tr><tr><td>과산화수소 30%</td><td>J.T. 베이커</td><td>2190-03</td><td></td></tr><tr><td>수산화암모늄 25%</td><td>J.T. 베이커</td><td>6051</td><td></td></tr><tr><td>에탄올</td><td>J.T. 베이커</td><td>8025</td><td></td></tr><tr><td>메시틸렌</td><td>시그마</td><td>M7200</td><td></td></tr><tr><td>디클로로메탄</td><td>마크롱</td><td>4881-06</td><td></td></tr><tr><td>테트라에틸 메틸렌디포스포네이트</td><td>알드리치</td><td>359181</td><td></td></tr><tr><td>미네랄 오일</td><td>시그마</td><td>M3516</td><td></td></tr><tr><td>불화 수소산 49%</td><td>J.T. 베이커</td><td>9564-06</td><td></td></tr><tr><td>이소프로판올</td>, <td>J.T. 베이커</td>, <td>9079-05</td><td></td></tr><tr><td> N-메틸-2-피롤리돈</td>, <td>J.T. 베이커</td>, <td>9397-05</td><td></td></tr><tr><td>AZ, nLOF2020</td>, <td>AZ 전자 재료</td><td>, nLOF 2020</td><td></td></tr>, <tr><td>AZ 726 MIF</td><td>AZ, 전자 재료</td><td>726 MIF</td><td></td></tr><tr><td>폴리-L-라이신 용액</td><td>, 시그마</td><td>P8920</td><td></td></tr>, <tr><td>금 콜로이드 솔루션</td>, <td>Ted Pella</td><td>82160-80</td><td></td></tr><tr><td>RTA 시스템</td><td>, AnnealSys</td>, <td>MicroAS</td><td></td></tr><tr><td>4 포인트 프로브 시트 저항 측정 시스템</td>, <td>Jandel</td><td>RM3-AR</td><td></td></tr><tr><td>마스크 정렬기</td><td>, Suss</td><td>MA06</td><td></td></tr>, <tr><td>전자 빔 증발기</td><td>, VST,</td><td>TFDS-141E</td><td></td></tr><tr><td>, 반도체 분석기</td>, <td>Agilent</td><td>B1500A</td><td></td></tr><tr><td>CVD 체계</td><td>-</td><td>-</td><td>가정에 건축하는</td></tr></tbody></table>

유기 화합물을 사용하여 실리콘 표면과 나노 와이어의 단층 연락 도핑

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

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.

인(phosphorous)-MLCD 표면 도핑 공정의 대표적인 결과가 그림 1에 나타나 있습니다. 고유 실리콘 웨이퍼를 인-MLCD로 처리한 결과, 면저항 값이 단조롭게 감소하였습니다. 그림 1의 세 가지 추적선에서 볼 수 있듯이, 어닐링 시간이 길어지고 어닐링 온도가 높아질수록 면저항 값이 감소합니다. 면저항 값은 활성화된 도펀트 농도와 상관관계가 있습니다. 면저항 값이 낮을수록 도핑 레벨이 높음을 나타내며, 그 반대도 마찬가지입니다. 더 높은 어닐링 온도와 더 긴 어닐링 시간은 더 높은 도핑 레벨과 더 낮은 면저항 값으로 이어집니다. 단층 도펀트 소스는 양이 제한되어 있어 제한된 소스 확산 영역(limited source diffusion regime)으로 이어지므로, 어닐링 시간을 더 늘려도 면저항이 더 이상 감소하지 않는다는 점에 유의하십시오. 실제로 어닐링 시간이 길어지면 도펀트가 고유 실리콘 벌크 재료 내부로 깊게 확산되어 희석됨에 따라 종종 면저항이 증가하...

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.

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

본 실험의 전반적인 목표는 단분자층 접촉 도핑법을 이용하여 실리콘 웨이퍼와 나노와이어의 얕은 도핑을 시연하는 것입니다. 이는 자기조립 단분자층 형성을 위해 도너 기판을 전구체 용액과 반응시킴으로써 달성됩니다. 이 단분자층은 잠재적인 도펀트 원자를 포함하며, 잘 정의되고 제한된 도펀트 소스로서 작용합니다.두 번째 단계로, 도너 기판을 타겟 기판과 접촉시킨 후 두 기판 모두를 급속 열처리(rapid thermal annealing) 시스템에 넣습니다. 열처리 과정 동안 단분자층 분자들이 분해되며, 도핑 원자들이 도너 및 타겟 기판 양쪽으로 확산되어 활성화됩니다. 다음으로, 두 기판을 분리하고 4단자 측정법(four point probe setup)을 사용하여 면저항을 측정합니다.결과는 타겟 기판에서 측정된 면저항 값의 전형적인 감소를 보여주며, 이는 다양한 어닐링 시간과 온도에 따라 나타났습니다. 이온 주입과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 매우 얕은 도핑 프로파일을 간단하면서도 신뢰성 있게 형성할 수 있다는 점입니다. 이 방법은 모든 웨이퍼뿐만 아니라 나노구조의 표면 도핑에도 유용합니다.이는 3D 소자 구조 등 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다. 타겟 및 도너로 사용할 실리콘 및 유전체 기판의 실리콘을 식별하고 피라냐 용액을 사용하여 작업할 준비를 하십시오. 기판을 충분히 덮을 수 있도록 과산화수소와 황산으로 구성된 산성 피라냐 용액 약 120 milliliters를 준비하십시오.피라냐 용액을 사용할 때는 각별히 주의하십시오. 기판을 적절한 홀더에 넣으십시오. 홀더를 피라냐 용액에 15분 동안 담급니다.15분 후에 샘플이 담긴 홀더를 꺼내 전체를 탈이온수로 3회 헹굽니다. 다음으로 홀더와 기판을 수산화암모늄, 과산화수소 및 탈이온수로 구성된 약 140 밀리리터의 기본 perha 용액에 담급니다. 이를 60 °C의 초음파 세척기에 8분 동안 둡니다. 세척 후, 샘플을 탈이온수로 3회 헹구고 이어서 에탄올로 헹굽니다.그 후 질소 기류 하에서 송풍 건조합니다. 오븐에서 115 °C로 10분 동안 샘플을 건조합니다. 단분자층 형성을 위해, 압력 안전 바이알에 멜린 내 tetraethyl methylene diphosphate를 1% volume 농도로 준비합니다.공여 기질을 충분히 덮을 수 있도록 약 20 milliliters 정도의 양이 필요합니다. 이 경우, 핀셋을 사용하여 공여 기질을 바이알로 옮기고 기질이 완전히 잠겼는지 확인하십시오. 그런 다음 바이알을 밀봉합니다.100 °C로 가열된 미네랄 오일 배스를 사용하여 바이알을 2시간 동안 가열하십시오. 그 다음 바이알을 3분 동안 식힙니다. 바이알을 열고 샘플을 meline으로 3회, di chloro methane으로 3회 헹굽니다.그 후 질소 기류 하에서 송풍 건조합니다. 나노와이어 합성은 현미경 슬라이드 글라스를 세척하는 것으로 시작합니다. 산소 플라스마로 2분 동안 처리합니다.슬라이드 전체를 완전히 덮을 수 있도록 poly L Lycine 용액을 몇 방울 떨어뜨립니다. 5분 동안 기다린 후, 이온화수로 헹구고 질소 가스로 건조시킵니다. 이제 슬라이드 전체를 완전히 덮을 수 있도록 금 콜로이드 용액을 몇 방울 떨어뜨립니다.2분 동안 기다립니다. 이온수로 헹군 뒤 질소로 건조합니다. 산소 플라즈마를 30초 동안 사용하여 유기 오염물을 제거합니다.금 나노입자가 도포된 유리 슬라이드를 화학 기상 증착 챔버에 넣고 진공 펌프로 내부를 배기합니다. 440 °C 및 35 tor 조건에서 분자 수소 50 sccm을 흘려 챔버를 예비 평형 상태로 만듭니다. 그 후, 실란 2 sccm을 흘려 증착 공정을 시작하여 약 50 µm 두께의 나노와이어를 얻습니다.증착을 30분 동안 수행합니다. 완료되면 현미경을 통해 나노와이어를 측정합니다. 와이어 측정 후, 나노와이어 박막이 형성된 슬라이드를 배치합니다.바이알에 슬라이드가 약 1cm 정도 잠길 만큼 에탄올을 넣습니다. 바이알을 3초 동안 초음파 처리하며, 이때 용액이 약간 흐려져야 합니다. 핫플레이트를 150°C로 예열합니다.그 다음 그 위에 질화규소 이산화규소 실리콘 기판을 놓습니다. 가열된 표면에 나노와이어 현탁액을 몇 방울 떨어뜨립니다. 액체가 마르면 암시야 필터가 장착된 광학 현미경을 사용하여 표면의 나노와이어 밀도를 확인합니다.단일 나노와이어 소자의 높은 수율을 달성하기 위해, 이 드롭 캐스팅 공정은 제곱밀리미터당 약 100개의 나노와이어 표면 밀도를 생성해야 하며, 나노와이어의 최소 길이는 약 20 micrometers여야 합니다. 도핑을 수행하려면 나노와이어가 증착된 기판과 도너를 접촉시켜야 합니다. 대상 기판을 급속 열처리(rapid thermal annealing) 챔버에 넣으십시오.도너 기판의 전면이 타겟 기판을 향하도록 하여 타겟 기판 위에 놓습니다. 분석 공정을 시작합니다. 이 시편들은 6초 동안의 램프(ramp) 과정을 거치게 됩니다.실온에서 분석 온도가 1000 °C에 도달할 때까지의 시간이며, 이를 40초 동안 유지합니다. 단층 접촉 도핑 샘플이 제작되면 저항 측정 준비를 합니다. 1% hydrofluoric acid 용액을 준비하고 샘플을 해당 용액에 5분 동안 담가둡니다.산화층을 제거하기 위해 이온수로 헹굽니다. 그다음 이소프로판올로 헹구고 질소로 건조시킵니다. 4단자 측정법(four point probe technique)을 사용하여 면저항을 측정합니다.통상적으로 인가되는 전류는 1~10 µA입니다. 나노와이어 소자를 모식도와 같이 제작하기 위해 일반적인 포토리소그래피 기술이 사용됩니다. 나노와이어가 포함된 시료부터 시작하십시오.시료를 가열한 후 회전시키십시오. 포토레지스트를 도포합니다. 레지스트를 경화시킨 후, 마스크 정렬기를 사용하여 전극 패턴을 노광하고 시료를 현상합니다.샘플을 헹구고 건조합니다. 그다음 e-beam evaporator를 사용하여 표면에 니켈을 증착합니다. 마지막으로 리프트오프(liftoff)를 수행하여 소자를 노출시킨 후, 성공적으로 형성된 나노와이어 전계 효과 트랜지스터 소자를 찾아 그 위치를 기록합니다.암시야 필터가 장착된 광학 현미경을 사용하십시오. 선택된 소자의 IV 곡선을 측정하기 위해 반도체 소자 분석기와 프로브 스테이션 설정을 사용합니다. 전도성 스테이지를 분석기의 게이트 단자에 연결하십시오.그 다음 샘플을 그 위에 올립니다. 프로브 바늘을 소스 및 드레인 단자로 분석기에 연결합니다. 그런 다음 프로브 스테이션의 현미경 카메라를 사용하여 프로브 바늘을 소자 근처로 가져가 바늘로 전극을 살짝 접촉시킵니다.측정을 진행합니다. 고유 실리콘 웨이퍼를 인(phosphorus) 단분자층 접촉 도핑으로 처리하면, ane 시간이 길어질수록 그리고 anele 온도가 높을수록 도핑 농도가 높아져 면저항 값이 단조롭게 감소합니다. 낮은 면저항 값은 활성화된 도핑 농도와 상관관계가 있으며, 면저항이 낮을수록 도핑 농도가 높음을 나타냅니다.도펀트 양이 제한되어 있기 때문에 어닐링 시간을 더 늘려도 면저항이 더 이상 감소하지는 않습니다. 이 도표는 나노와이어 전계효과 트랜지스터의 IV 곡선을 보여줍니다. 검은색 곡선은 고유 소자에 대한 것입니다.이를 중간 도핑된 단층의 파란색 곡선과 비교해 보십시오. 파란색은 컨택 도핑된 FET입니다. 이는 900 °C에서 수 초 동안 열처리되었습니다.빨간색 곡선은 1005 °C에서 10초 동안 어닐링한 고도핑 소자를 나타냅니다. 이 절차 이후, 도핑 농도 프로파일과 같은 특성을 추가로 분석하기 위해 비행 시간 측정법(time of flight)이나 이차 이온 질량 분석법(secondary ion mass spectroscopy)과 같은 다른 방법들을 수행할 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 웨이퍼와 나노와이어에 초미세 도핑 프로파일을 만들기 위한 단일 접촉 도핑 절차의 사용법을 충분히 이해하게 될 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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소프트 리소그래피 작용화 및 Patterning 산화물없는 실리콘과 게르마늄

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출처: Rosenberg, M., et al. 신경 성장 인자의 운반체로서 다공성 실리콘 필름 설계. J. Vis. 경험. (2019).이 비디오는 PC12 세포 분화를 지원하기 위해 신경 성장 인자(NGF)의 지속 방출을 위해 분해성 나노 구조 다공성 실리콘(PSi) 필름을 사용하는 방법을 보여줍니다. NGF는 정전기 상호 작용을 통해 필름의 기공에 흡착되고 확산 및 스캐폴드 분해에 의해 점차적으로 매체로 방출됩니다. 이러한 제어된 전달은 PC12 세포 생존을 촉진하고 장기간에 걸쳐 신경돌기 성장과 분지를 촉진합니다.

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