Artykuł metodologiczny

Jednowarstwowe domieszkowanie kontaktowe powierzchni krzemowych i nanodrutów przy użyciu związków fosforoorganicznych

DOI:

10.3791/50770

⸱

2 grudnia 2013

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Szczegółowa procedura domieszkowania powierzchni interfejsów krzemowych jest podana. Ultrapłytkie domieszkowanie powierzchni jest demonstrowane poprzez zastosowanie monowarstw zawierających fosfor i szybki proces wyżarzania. Metoda może być stosowana do domieszkowania makroskopowych powierzchni powierzchniowych, a także nanostruktur.

Streszczenie

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

Jednowarstwowe domieszkowanie kontaktowe (MLCD) to prosta metoda domieszkowania powierzchni i nanostruktur1. MLCD powoduje powstawanie ściśle kontrolowanych, ultra płytkich i ostrych profili domieszkowania w skali nanometrowej. W procesie MLCD źródłem domieszek jest monowarstwa zawierająca atomy domieszki.

W tym artykule szczegółowo pokazana jest procedura domieszkowania powierzchniowego podłoża krzemowego oraz nanodrutów krzemowych. Źródło domieszki fosforu utworzono przy użyciu monowarstwy metylenodifosfonianu tetraetylu na podłożu krzemowym. Ta monowarstwa zawierająca substrat została doprowadzona do kontaktu z nieskazitelnym wewnętrznym krzemowym podłożem docelowym i wyżarzana podczas kontaktu. Rezystancję arkusza docelowego podłoża mierzono za pomocą sondy 4-punktowej. Wewnętrzne nanodruty krzemowe zsyntetyzowano w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) przy użyciu mechanizmu para-ciecz-ciało stałe (VLS); Nanocząstki złota wykorzystano jako katalizator wzrostu nanodrutów. Nanodruty zawieszono w etanolu za pomocą łagodnej sonikacji. Zawiesina ta została użyta do odlewania nanodrutów na podłożu krzemowym z wierzchnią warstwą dielektryczną z azotku krzemu. Te nanodruty zostały domieszkowane fosforem w podobny sposób, jak w przypadku wewnętrznej płytki krzemowej. Standardowy proces fotolitografii wykorzystano do wytworzenia metalowych elektrod do wytworzenia tranzystora polowego na bazie nanodrutów (NW-FET). Właściwości elektryczne reprezentatywnego urządzenia nanoprzewodowego zmierzono za pomocą analizatora urządzeń półprzewodnikowych i stacji sondowej.

Wprowadzenie

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

Kontrolowane domieszkowanie powierzchniowe struktur półprzewodnikowych z makroskopowymi obszarami, jak również w nanoskali, jest ważne dla zaawansowanych architektur urządzeń półprzewodnikowych, takich jak FinFet2,3, a także dla urządzeń opartych na nanostrukturach, takich jak czujniki oparte na nanodrutach i fotowoltaika4-7. Niedawno wprowadziliśmy jednowarstwowe domieszkowanie kontaktowe (MLCD) do powtarzalnego, jednolitego domieszkowania powierzchniowego interfejsów krzemowych o wymiarach makroskopowych i nanometrycznych z kontrolą dawki domieszki i profilu dyfuzji1. Ważną cechą MLCD jest ograniczenie tworzenia monowarstwy do substratu, który jest określany jako "substrat donorowy". MLCD upraszcza niektóre etapy procesu wymagane do jednowarstwowego domieszkowania kontaktowego (MLCD) i zapewnia uzupełniające możliwości domieszkowania powierzchniowego8. Po załadowaniu substratu donorowego monowarstwą zawierającą domieszkę przy użyciu samoograniczającej się chemii powierzchniowej, substrat donorowy styka się z substratem przeznaczonym do domieszkowania, zwanym "substratem docelowym", a oba substraty są wyżarzane podczas kontaktu. Podczas procesu wyżarzania atomy domieszek dyfundują zarówno do substratów donorowych, jak i docelowych i są aktywowane w podwyższonej temperaturze. Ponieważ MLCD nie wymaga implantacji atomów domieszek o wysokiej energii, podczas procesu nie dochodzi do uszkodzeń strukturalnych sieci półprzewodnikowej i nie jest wymagany dalszy etap wyżarzania. Dobra kontrola nad dyfuzją domieszek jest możliwa dzięki kontrolowaniu szybkich parametrów procesu termicznego. Bardzo płytkie i równomierne długości dyfuzji domieszek do kilku nanometrów są łatwe do osiągnięcia. Oddzielenie monowarstwy od sekwencji procesowej upraszcza proces, umożliwia większą kontrolę nad parametrami procesu i otwiera nowe możliwości dla schematów domieszkowania, które nie były możliwe przy użyciu innych metod. Osiągnięcie poziomu domieszki tak wysokiego, jak granica rozpuszczalności fosforu w krzemie, jest możliwe dzięki wielokrotnym procesom domieszkowania MLCD stosowanym kolejno. Podsumowując, tradycyjne metody dopingu mają nieodłączne ograniczenia w wytwarzaniu bardzo płytkich profili dopingowych. Wynika to z nieodłącznych statystycznych różnic stężeń źródłowych, ogólnej dawki i rozkładu energii, które są nieodłącznie związane z niskimi energiami implantacji wymaganymi do bardzo płytkiej implantacji. MLCD zapewnia prosty sposób domieszkowania powierzchniowego, jest to wynik unikalnych cech MLCD polegających na precyzyjnej kontroli dawki i lokalizacji domieszki w skali atomowej poprzez wykorzystanie solidnej chemii powierzchni do generowania źródła domieszek z samoograniczającą się chemią monowarstwową utworzoną wyłącznie na powierzchni półprzewodnika.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Czyszczenie powierzchni

  1. Przygotuj kwaśny roztwór piranii, mieszając nadtlenek wodoru w stosunku 1:3 (30%) i stężony kwas siarkowy.
    Uwaga: Roztwory piranii są niezwykle silnymi i niebezpiecznymi utleniaczami i powinny być stosowane z najwyższą ostrożnością. Roztwory te mogą eksplodować w kontakcie z rozpuszczalnikami organicznymi. Tylko wykwalifikowany personel z odpowiednim przeszkoleniem i sprzętem ochronnym może wykonywać procedurę.
  2. Umieść substraty (później używane jako substraty donorowe i docelowe) w odpowiednim uchwycie i włóż do roztworu piranii na 15 minut.
  3. Przepłukać próbki w wodzie DI 3x.
  4. Przygotuj zasadowy roztwór piranii, mieszając wodorotlenek amonu w stosunku 1:1:5 (25%), nadtlenek wodoru (30%) i wodę demineralizowaną.
  5. Umieścić substraty (później używane jako substraty donorowe i docelowe) w odpowiednim uchwycie i włożyć do roztworu bazowego piranii i umieścić w łaźni ultradźwiękowej w temperaturze 60 °C na 8 minut.
  6. Przepłukać próbki w wodzie DI 3x.
  7. Wypłucz próbki w etanolu, a następnie wysusz je suszarką pod strumieniem azotu.
  8. Suszyć próbki w piecu w temperaturze 115 °C przez 10 minut.

2. Tworzenie monowarstw

  1. Przygotować 1% v/v roztwór metylenodifosfonianu tetraetylu w mezytylenie.
  2. Umieścić substraty donorowe w bezpiecznej ciśnieniowo fiolce zawierającej roztwór metylenianu metylenodifosfonianu, zamknąć i ogrzewać w temperaturze 100 °C przez 2 godziny
    Ważne: Podgrzewanie rozpuszczalnika w szczelnie zamkniętej fiolce wytwarza ciśnienie. Należy zachować ostrożność, czy używane naczynie jest odpowiednie i wytrzyma wytwarzane ciśnienie. Zamkniętej fiolki z rozpuszczalnikiem nie należy podgrzewać w temperaturze bliskiej lub wyższej od temperatury wrzenia rozpuszczalnika. Nie wolno otwierać gorącej fiolki.
  3. Poczekaj, aż fiolka ostygnie, otwórz fiolkę i przepłucz próbki 3x w mezytylenie, 3x w dichlorometanie i wysuszyć pod strumieniem azotu.
    * W przypadku domieszkowania nanodrutów przejdź do kroku 3, a w przypadku domieszkowania płytek przejdź do kroku 5.

3. Synteza nanoprzewodów

  1. Wyczyść szkiełko mikroskopowe w plazmie tlenowej przez 2 minuty.
  2. Nałóż kilka kropli roztworu poli-L-lizyny na szkiełko, aby całkowicie je pokryło, odczekaj 5 minut, a następnie spłucz wodą DI i wysusz azotem.
  3. Nałóż kilka kropli roztworu koloidu złota na szkiełko, aby całkowicie je pokryć, odczekaj 2 minuty, a następnie spłucz wodą DI i wysusz azotem.
  4. Usuń zanieczyszczenia organiczne za pomocą plazmy tlenowej przez 30 sekund.
  5. Włóż szkiełko szkiełkowe z nanocząstkami złota do komory CVD i opróżnij.
  6. Wstępnie wyrównać komorę w temperaturze 440 °C, 35 torów i przepływie 50 sccm H2.
  7. Rozpocznij proces osadzania od przepływu gazu SiH4, przepływ 2 sccm. Przeprowadzić proces CVD przez 30 minut w celu uzyskania nanodrutów o długości około 50 μm.
  8. Zmierz długość nanodrutów (za pomocą SEM lub mikroskopu optycznego z filtrem ciemnego pola). Jeśli za pomocą mikroskopu optycznego zmierzysz długość nanodrutów stojących na krawędziach próbki, tam powinno być łatwo znaleźć drut wystający równolegle do powierzchni.

4. Nanowire Drop-cast na podłoże

  1. Zawieś nanodruty w etanolu. Umieścić szkiełko z folią z nanodrutu przygotowaną w kroku 3 w fiolce i dodać etanol, aby pokryć szkiełko nadmiarem płynu o poziomie ~1 cm.
  2. Roztworu sonikować fiolkę przez 3 sekundy, roztwór powinien stać się lekko mętny.
    Ważne: Zawieszone nanodruty mają tendencję do agregacji, ponieważ zawieszenie nie jest stabilne; Dlatego należy go stosować krótko po przygotowaniu, przed agregacją.
  3. Umieścić podłoże Si3N4/SiO2/Si na płycie grzejnej podgrzanej do temperatury 150 °C. Na rozgrzaną powierzchnię nanieść kilka kropli zawiesiny nanodrutów. Po wyschnięciu cieczy sprawdź gęstość nanodrutów na powierzchni po procesie odlewania kroplowego za pomocą mikroskopu optycznego z filtrem ciemnego pola. W celu osiągnięcia wysokiej wydajności pojedynczych urządzeń nanoprzewodowych, proces powinien prowadzić do gęstości powierzchni około 100 nanodrutów na 1mm2 przy minimalnej długości nanodrutu ~20 μm.

5. Szybkie wyżarzanie termiczne

  1. Umieść docelowy substrat (wewnętrzną płytkę krzemową lub nanodruty odlane w podłożu z poprzednich etapów) na podłożu donorowym tak, aby cel był skierowany w stronę substratu donorowego.
  2. Umieść dwa podłoża w komorze RTA i zamknij drzwiczki komory.
  3. Ewakuuj komorę, oczyść ją argonem, a następnie ewakuuj się ponownie. Ten krok zapewnia, że w komorze nie pozostaną żadne pozostałości tlenu ani innych niepożądanych gazów.
  4. Wyżarzać podłoża w żądanej temperaturze i czasie. Poziom domieszkowania, wskazywany przez wartość rezystancji blachy, zależy od czasu i temperatury wyżarzania (rysunek 1). Demonstrowany jest proces wyżarzania o temperaturze 1 000 ºC i czasie wyżarzania 40 sekund. Zazwyczaj stosuje się czasy wyżarzania wynoszące od 5 do 120 sekund. Czas narastania temperatury powinien być jak najkrótszy, w zależności od specyfikacji systemu wyżarzania. W tym przypadku stosuje się 6-sekundowy czas narastania od temperatury pokojowej do temperatury procesu.

6. Pomiary rezystancji blachy

  1. Zanurzyć próbkę domieszkowaną MLCD w 1% roztworze kwasu fluorowodorowego na 5 minut w celu usunięcia warstwy tlenku.
  2. Spłucz wodą DI, izopropanolem i wysusz suszarką strumieniem azotu.
  3. Zmierz rezystancję arkusza za pomocą czteropunktowej konfiguracji sondy. W tym przykładzie używany jest Jandel RM3-AR i posiada dedykowany system automatycznego pomiaru rezystancji blachy. Typowy prąd stosowany jest w zakresie 1-10 μA.

7. Produkcja i charakterystyka urządzeń nanoprzewodowych

  1. Podgrzewać próbkę na płycie grzejnej w temperaturze 120 °C przez 5 minut.
  2. Powłoka wirowa AZ nLOF2020 fotorezystor przy 4,000 obr./min.
  3. Piecz próbkę w temperaturze 110 °C przez 75 sekund na próżniowej płycie grzejnej.
  4. Naświetlić przy 40 mJ/cm2 ze źródłem światła 365 nm za pomocą wyrównywacza maski i maski z wzorem elektrod.
  5. Ponownie piec próbki po ekspozycji w temperaturze 110 °C przez 75 sekund na próżniowej płycie grzejnej.
  6. Próbki należy rozpatrywać w AZ726MIF roztworze przez 70 sekund, płukać w wodzie demineralizowanej i suszyć suszarką strumieniem azotu.
  7. Odparować 100 nm niklu za pomocą parownika z wiązką elektroniczną.
  8. Wykonać start za pomocą gorącego (80 °C) rozpuszczalnika N-metylo-2-pirolidon (NMP).
  9. Sprawdź podłoże, aby zlokalizować urządzenia NW-FET pomyślnie uformowane w tym procesie i zarejestruj ich lokalizacje. Można to łatwo zrobić za pomocą mikroskopu optycznego z filtrem ciemnego pola, pod warunkiem, że utworzone są znaczniki adresowe.
  10. Pomiar krzywych I-V dla wybranych urządzeń za pomocą analizatora urządzeń półprzewodnikowych i konfiguracji stacji pomiarowej. Umieść próbkę na stoliku przewodzącym, który jest podłączony do analizatora jako końcówka bramki. Użyj kamery mikroskopu stacji sondy, aby zbliżyć się do igieł sondy w pobliżu elektrod urządzenia i delikatnie dotknąć elektrod igłami. Igły powinny być podłączone do analizatora jako końcówki źródłowe i spustowe.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Reprezentatywne wyniki dla procesu domieszkowania powierzchni fosforu MLCD są pokazane na rysunku 1. Wewnętrzne płytki krzemowe poddano działaniu fosforu-MLCD, co spowodowało monotoniczny spadek wartości rezystancji blachy. Wartości nośności blachy zmniejszają się przy dłuższych czasach wyżarzania i wyższych temperaturach wyżarzania, jak pokazano na trzech ścieżkach na rysunku 1. Wartości rezystancji blachy mogą być skorelowane ze stężeniem aktywowanej domieszki. Niższe wartości rezystan...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

MLCD jest prostą i powtarzalną metodą. Należy jednak zwrócić uwagę na czyszczenie powierzchni i tworzenie monowarstw. Czyszczenie powierzchni metodą Piranha przed procesem MLCD jest ważne nie tylko w celu uniknięcia ewentualnych zanieczyszczeń, ale także w celu zainicjowania powierzchni w celu powtarzalnego tworzenia monowarstwy, zapewniając powtarzalne wyniki między procesami. Zabieg piranii powoduje hydroksylację grup powierzchniowych, która jest wymagana do wiązania cząsteczek prekursorowych z powierzchnią w celu wytw...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

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

Ta praca została częściowo sfinansowana przez centrum Farkas dla procesów wywołanych światłem.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Wafle krzemowe o wysokiej czystościTopsil-50
nm Si3N4/50 nm SiO2/SiSilicon Valley Microelectronics-Kwas
siarkowy 98%BioLab19550523
Nadtlenek wodoru 30%J.T. Baker2190-03
Wodorotlenek amonu 25%J.T. Baker6051
EtanolJ.T. Baker8025
MesityleneSigmaM7200
DichlorometanMacron4881-06
TetraetylometylenodifosfonianAldrich359181
Olej mineralnySigmaM3516
Kwas fluorowodorowy 49%J.T. Baker9564-06
IzopropanolJ.T. Baker9079-05
N-metylo-2-pirolidon J.T. Baker9397-05
AZ nLOF2020AZ Materiały elektronicznenLOF 2020
AZ 726 MIFAZ Materiały elektroniczne726 MIF
Roztwór poli-L-lizynySigmaP8920
Koloid złota rozwiązanieTed Pella82160-80
4-punktowy system pomiaru rezystancji arkusza sondy
Wyrównywacz maskiSussMA06
parownik e-BeamVSTTFDS-141E
Analizator półprzewodnikówAgilentB1500A
System CVD-zbudowany w domu
System RTA AnnealSys MicroAS Jandel RM3-AR

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

nanodruty krzemowedomieszkowanie fosforemtetraetylo metyleno difosfonianszybkie wygrzewanie termicznemetoda czterech punktyjnych sondchemiczne osadzanie z fazy gazowejproces fotolitografiianalizator urz dze p przewodnikowychmikroskopia optyczna

Powiązane artykuły