Methodenartikel

Monolaag Contact-doping van siliciumoppervlakken en nanodraden met behulp van organofosforverbindingen

DOI:

10.3791/50770

⸱

2 december 2013

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Er wordt een gedetailleerde procedure voor oppervlaktedoping van siliciuminterfaces gegeven. De ultra-shallow oppervlaktedoping wordt gedemonstreerd door het gebruik van fosforhoudende monolagen en een snel verhittingsproces. De methode kan worden gebruikt voor het dopen van oppervlakken met macroscopische gebieden evenals nanostructuren.

Samenvatting

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

Monolayer Contact Doping (MLCD) is een eenvoudige methode voor het doteren van oppervlakken en nanostructuren1. MLCD resulteert in de vorming van zeer gecontroleerde, ultra ondiepe en scherpe doteringsprofielen op nanometerschaal. In het MLCD-proces is de doteringsbron een monolaag die doteringsatomen bevat.

In dit artikel wordt een gedetailleerde procedure voor het doteren van het oppervlak van een siliciumsubstraat evenals silicium nanodraden gedemonstreerd. De fosfordoteringsbron werd gevormd met behulp van een tetraethyl methyleendiphosphonaat monolaag op een siliciumsubstraat. Dit monolaag bevattende substraat werd in contact gebracht met een ongedoteerde intrinsieke silicium doelsubstraat en geanneleerd terwijl ze in contact waren. De laagweerstand van het doelsubstraat werd gemeten met behulp van een 4-punts sonde. Intrinsieke silicium nanodraden werden gesynthetiseerd door middel van chemische dampafzetting (CVD) gebruikmakend van een damp-vloeistof-vast (VLS) mechanisme; goudpartikels werden gebruikt als katalysator voor nanodraadgroei. De nanodraden werden opgehangen in ethanol door middel van milde sonicatie. Deze suspensie werd gebruikt om de nanodraden op een siliciumsubstraat met een siliciumnitride diëlektrische toplaag te dropcasten. Deze nanodraden werden gedoteerd met fosfor op een vergelijkbare manier als gebruikt voor de intrinsieke silicium wafer. Standaard fotolithografie proces werd gebruikt om metaalelektroden te fabriceren voor de vorming van nanodraad gebaseerde veldeffecttransistor (NW-FET). De elektrische eigenschappen van een representatief nanodraadapparaat werden gemeten door een halfgeleider apparaat analist en een sondestation.

Inleiding

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

Gecontroleerd oppervlaktedoping van halfgeleiderstructuren met macroscopische gebieden evenals op nanoschaal is belangrijk voor geavanceerde halfgeleiderapparatenarchitecturen zoals FinFet2,3, evenals voor op nanostructuren gebaseerde apparaten zoals nanodraad-gebaseerde sensoren en fotovoltaïca4-7. We hebben onlangs monolayer contactdoping (MLCD) geïntroduceerd voor herhaalbare, uniforme oppervlaktedoping van siliciuminterfaces met macroscopische en nanometrische afmetingen met controle over dopingdosis en diffusieprofiel1. Een belangrijk kenmerk van MLCD is de beperking van de monolayervorming tot een substraat dat "donor substraat" wordt genoemd. MLCD vereenvoudigt enkele van de processtappen die nodig zijn voor Monolayer Contact Doping (MLCD) en biedt aanvullende oppervlaktedopingmogelijkheden8. Zodra het donor substraat is geladen met het doping bevattende monolayer door middel van zelflimiterende oppervlaktechemie, wordt het donor substraat in contact gebracht met het substraat dat bedoeld is voor doping, "doel substraat" genoemd, en beide substraten worden geannealed terwijl ze in contact zijn. Tijdens het annealproces diffunderen dopingatomen naar zowel het donor- als het doel substraat, en worden geactiveerd bij de verhoogde temperatuur. Aangezien MLCD geen hoge energie-implantatie van dopingatomen vereist, wordt er geen structurele schade toegebracht aan het halfgeleiderrooster tijdens het proces en is er geen verdere anneal stap vereist. Goede controle over dopingdiffusie is mogelijk door de snelle thermische procesparameters te controleren. Ultra ondiepe en uniforme dopingdiffusielengtes tot enkele nanometers worden gemakkelijk bereikt. Scheiding van de monolayer van de processequentie vereenvoudigt het proces, geeft grotere controle over procesparameters en opent nieuwe mogelijkheden voor dopingschema's die niet mogelijk waren met andere methoden. Het bereiken van dopingniveaus zo hoog als de oplosbaarheidsgrens van fosfor in silicium is mogelijk door meerdere MLCD-dopingprocessen opeenvolgend toe te passen. Kortom, traditionele dopingmethoden lijden aan intrinsieke beperkingen om ultra-ondiepe dopingprofielen te fabriceren. Dit komt door inherente statistische variaties van bronconcentraties, algehele dosis en energieverdeling, die inherent zijn aan de lage implantatie-energieën die nodig zijn voor ultra-ondiepe implantatie. MLCD biedt een eenvoudige middel voor oppervlaktedoping, dit is het resultaat van de unieke kenmerken van MLCD die berusten op de nauwkeurige controle van dopingdosis en -locatie op atomische schaal door gebruik te maken van robuuste oppervlaktechemie voor het genereren van de dopingbron met zelflimiterende monolayerchemie die exclusief aan het halfgeleideroppervlak wordt gevormd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Oppervlaktereiniging

  1. Bereid een zure piranha-oplossing door 1:3 waterstofperoxide (30%) en geconcentreerd zwavelzuur te mengen.
    Voorzichtigheid: Piranha-oplossingen zijn uiterst sterke en gevaarlijke oxiderende middelen en moeten met uiterste voorzichtigheid worden gebruikt. Deze oplossingen kunnen exploderen bij contact met organische oplosmiddelen. Alleen gekwalificeerd personeel met de juiste opleiding en veiligheidsuitrusting mag de procedure uitvoeren.
  2. Plaats substraten (later gebruikt als donor- en doelsubstraten) in een geschikte houder en plaats ze 15 minuten in de piranha-oplossing.
  3. Spuit monsters 3x met DI-water.
  4. Bereid basis piranha-oplossing door 1:1:5 ammoniumhydroxide (25%), waterstofperoxide (30%) en DI-water te mengen.
  5. Plaats substraten (later gebruikt als donor- en doelsubstraten) in een geschikte houder en plaats ze in de basis piranha-oplossing en plaats in ultrasoon bad bij 60 °C gedurende 8 min.
  6. Spuit monsters 3x met DI-water.
  7. Spuit monsters met ethanol en droog ze af onder een stroom stikstof.
  8. Droog monsters in een oven bij 115 °C gedurende 10 min.

2. Monolaagvorming

  1. Bereid een 1% v/v oplossing van tetraethyl methylenedifosfonaat in mesitylene.
  2. Plaats donorsubstraten in een drukbestendige flacon met de methylenedifosfonaat-mesityleenoplossing, sluit af en verwarm gedurende 2 uur bij 100 °C.
    Belangrijk: Het verwarmen van het oplosmiddel in een afgesloten flacon genereert druk. Er moet voor worden gezorgd dat het gebruikte vat geschikt is en de gegenereerde druk kan weerstaan. De gesloten flacon met oplosmiddel mag niet dicht bij of boven het kookpunt van het oplosmiddel worden verwarmd. De flacon mag niet worden geopend terwijl deze heet is.
  3. Laat de flacon afkoelen, open de flacon en spoel monsters 3x in mesitylene, 3x in dichlooromethaan en droog ze af onder een stroom stikstof.
    * Voor het doperen van nanodraden gaat u verder met stap 3, voor het doperen van wafers gaat u naar stap 5.

3. Nanodraadsynthese

  1. Reinig een microscoopglaasje in zuurstofplasma gedurende 2 min.
  2. Breng een paar druppels poly-L-lysine-oplossing op het glaasje aan om het volledig te bedekken, wacht 5 min en spoel af met DI-water en droog af met een stikstofstroom.
  3. Breng een paar druppels goudcolloïde-oplossing op het glaasje aan om het volledig te bedekken, wacht 2 min en spoel af met DI-water en droog af met een stikstofstroom.
  4. Verwijder organische verontreinigingen door gebruik te maken van zuurstofplasma gedurende 30 sec.
  5. Plaats het glaasje met goudpartikels in een CVD-kamer en vacuüm.
  6. Voorbereidt de kamer bij 440 °C, 35 torr en 50 sccm stroom van H2.
  7. Start het depositieproces door SiH4-gas met een stroom van 2 sccm te laten stromen. Voer het CVD-proces 30 min uit om nanodraden van ongeveer 50 µm lengte te verkrijgen.
  8. Meet de lengte van nanodraden (met SEM of met een optisch microscoop met een donkerveldfilter). Als u een optisch microscoop gebruikt, meet u de lengte van nanodraden die aan de rand van het monster staan, daar zou het gemakkelijk moeten zijn om een draad te vinden die parallel aan het oppervlak uitsteekt.

4. Nanodraden op substraat druppelen

  1. Suspendeer de nanodraden in ethanol. Plaats het glaasje met nanodraadfilm, bereid volgens stap 3, in een flacon en voeg ethanol toe om het glaasje te bedekken met een overtollig vloeistofniveau van ~1 cm.
  2. Soniceer de flacon gedurende 3 sec, de oplossing zou licht troebel moeten worden.
    Belangrijk: De gesuspendeerde nanodraden hebben de neiging om zich te aggregeren aangezien de suspensie niet stabiel is; daarom zou het kort na bereiding gebruikt moeten worden, voordat de aggregatie plaatsvindt.
  3. Plaats de Si3N4/SiO2/Si substraat op een heet plaatje dat voorverwarmd is tot 150 °C. Voeg enkele druppels nanodraadsuspensie toe op het verwarmde oppervlak. Zodra de vloeistof is opgedroogd, controleert u de dichtheid van nanodraden op het oppervlak na het druppelen met behulp van een optisch microscoop met donkerveldfilter. Om een hoge opbrengst van enkele nanodraadapparaten te bereiken, moet het proces resulteren in een oppervlaktedichtheid van ongeveer 100 nanodraden per 1 mm2 met een minimale nanodraadengte van ~20 µm.

5. Snelle thermische gloeiing

  1. Plaats het doelsubstraat (intrinsiek Si-wafer of nanodraden die in een substraat zijn gedruppeld uit eerdere stappen) op het donorsubstraat zodat het doel naar het donorsubstraat is gericht.
  2. Plaats de twee substraten in de RTA-kamer en sluit de deur van de kamer.
  3. Evacueer de kamer, spoel met argon en vacuüm vervolgens opnieuw. Deze stap zorgt ervoor dat er geen zuurstof of andere ongewenste gasresten in de kamer achterblijven.
  4. Gloi de substraten bij de gewenste temperatuur en tijd. Het dopingniveau, aangegeven door de waarde van de laagweerstand, is afhankelijk van de gloeitijd en -temperatuur (Figuur 1). Een proces met een gloeitemperatuur van 1.000 °

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Representatieve resultaten voor het fosfor-MLCD-oppervlaktedopingproces worden getoond in Figuur 1. Intrinsieke siliciumwafels werden behandeld met fosfor-MLCD, wat resulteerde in een monoton afnemende waarde van de bladweerstand. De waarden van de bladweerstand nemen af bij langere gloeitijden en hogere gloeitemperaturen, zoals getoond door de drie sporen in Figuur 1. De waarden van de bladweerstand kunnen worden gecorreleerd met de geactiveerde dopingconcentratie. Lagere bladweerstands...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

MLCD is een eenvoudige en reproduceerbare methode. Echter, aandacht voor oppervlaktereiniging en monolaagvorming moet worden besteed. Piranha-reiniging van de oppervlakken voorafgaand aan het MLCD-proces is belangrijk, niet alleen om mogelijke onzuiverheden te vermijden, maar ook voor het initialiseren van het oppervlak voor reproduceerbare monolaagvorming die reproduceerbare resultaten tussen processen oplevert. De piranha-behandeling resulteert in hydroxylatie van oppervlaktegroepen, wat vereist is voor het binden van ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

Geen belangenconflicten verklaard.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door het Farkas-centrum voor lichtgeïnduceerde processen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Hoge zuiverheid siliciumwafelsTopsil-
50 nm Si3N4/50 nm SiO2/Si wafelsSilicon Valley Microelectronics-
Zwavelzuur 98%BioLab19550523
Waterstofperoxide 30%J.T. Baker2190-03
Ammoniumhydroxide 25%J.T. Baker6051
EthanolJ.T. Baker8025
MesityleenSigmaM7200
DichloormethaanMacron4881-06
TetraethylmethylendifosfonaatAldrich359181
Minerale olieSigmaM3516
Fluorwaterstofzuur 49%J.T. Baker9564-06
IsopropanolJ.T. Baker9079-05
N-Methyl-2-pyrrolidon J.T. Baker9397-05
AZ nLOF2020AZ Electronic MaterialsnLOF 2020
AZ 726 MIFAZ Electronic Materials726 MIF
Poly-L-lysine oplossingSigmaP8920
Goudcolloïde oplossingTed Pella82160-80
RTA systeemAnnealSysMicroAS
4-punts sonde weerstandsmeetsysteemJandelRM3-AR
Masker alignerSussMA06
E-straal verdamperVSTTFDS-141E
Halfgeleider analyzatorAgilentB1500A
CVD systeem--Zelfgebouwd

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Silicium nanodradenfosfor dopingtetraethylmethyleendifosfonaatsnelle thermische uitglovingvierpuntsmetingchemische dampafzettingfotolithografieproceshalfgeleiderapparaatanalyzeroptische microscopie

Gerelateerde artikelen