Yöntem makalesi

Organofosfor Bileşikleri Kullanma Silikon Yüzeyler ve Nanotellerin monolayer İletişim Doping

DOI:

10.3791/50770

⸱

2 Aralık 2013

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

Bu makalede

Özet

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

Silikon arayüzlerinin yüzey katkılaması için ayrıntılı bir prosedür sağlanmıştır. Ultra sığ yüzey katkısı, fosfor içeren tek tabakalar ve hızlı tavlama işlemi kullanılarak gösterilmiştir. Yöntem, makroskopik alan yüzeylerinin yanı sıra nanoyapıların dopingi için de kullanılabilir.

Özet

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

Tek Katmanlı Temas Dopingi (MLCD), yüzeylerin ve nanoyapılarındopingi için basit bir yöntemdir 1. MLCD, nanometre ölçeğinde yüksek kontrollü, ultra sığ ve keskin doping profillerinin oluşmasına neden olur. MLCD işleminde katkı maddesi kaynağı, katkı maddesi atomları içeren bir tek tabakadır.

Bu makalede, silikon substratın yanı sıra silikon nanotellerin yüzey katkısı için ayrıntılı bir prosedür gösterilmiştir. Fosfor katkı maddesi kaynağı, bir silikon substrat üzerinde tetraetil metilendifosfonat tek tabakası kullanılarak oluşturulmuştur. Bu tek tabaka içeren substrat, bozulmamış bir içsel silikon hedef substrat ile temas ettirildi ve temas halindeyken tavlandı. Hedef substratın tabaka direnci 4 noktalı prob kullanılarak ölçüldü. İçsel silikon nanoteller, bir buhar-sıvı-katı (VLS) mekanizması kullanılarak kimyasal buhar biriktirme (CVD) işlemi ile sentezlendi; Altın nanopartiküller, nanotel büyümesi için katalizör olarak kullanıldı. Nanoteller, hafif sonikasyon ile etanol içinde süspanse edildi. Bu süspansiyon, nanotelleri bir silikon nitrür dielektrik üst tabaka ile silikon substrat üzerine düşürmek için kullanıldı. Bu nanoteller, içsel silikon gofret için kullanılana benzer şekilde fosfor ile katkılandı. Nanotel bazlı alan etkili transistörün (NW-FET) oluşumu için metal elektrotları imal etmek için standart fotolitografi işlemi kullanıldı. Temsili bir nanotel cihazının elektriksel özellikleri, bir yarı iletken cihaz analizörü ve bir prob istasyonu ile ölçüldü.

Giriş

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

Yarı iletken yapıların makroskopik alanlarla ve nano ölçekte kontrollü yüzey katkısı, FinFet2,3 gibi gelişmiş yarı iletken cihaz mimarilerinin yanı sıra nanotel tabanlı sensörler ve fotovoltaik4-7 gibi nanoyapı tabanlı cihazlar için önemlidir. Yakın zamanda, dopant dozu ve difüzyon profili1 üzerinde kontrol ile makroskopik ve nanometrik boyutlara sahip silikon arayüzlerinin tekrarlanabilir, tek tip yüzey katkısı için tek katmanlı temas dopingini (MLCD) tanıttık. MLCD'nin önemli bir özelliği, tek tabaka oluşumunun "donör substrat" olarak adlandırılan bir substrat ile sınırlandırılmasıdır. MLCD, Tek Katmanlı Temas Dopingi (MLCD) için gerekli olan bazı işlem adımlarını basitleştirir ve tamamlayıcı yüzey doping yetenekleri sağlar8. Donör substrat, kendi kendini sınırlayan yüzey kimyası kullanılarak katkı maddesi içeren tek tabaka ile yüklendikten sonra, donör substrat, "hedef substrat" olarak adlandırılan doping amaçlı substrat ile temas ettirilir ve her iki substrat temas halindeyken tavlanır. Tavlama işlemi sırasında, katkı maddesi atomları hem donör hem de hedef substratlara yayılır ve yüksek sıcaklıkta aktive edilir. MLCD katkı maddesi atomlarının yüksek enerjili implantasyonunu gerektirmediğinden, işlem sırasında yarı iletken kafeste yapısal bir hasar meydana gelmez ve başka bir tavlama adımına gerek yoktur. Hızlı termal işlem parametrelerinin kontrol edilmesiyle katkı maddesi difüzyonu üzerinde iyi bir kontrol mümkündür. Birkaç nanometreye kadar ultra sığ ve düzgün katkı maddesi difüzyon uzunlukları kolayca elde edilir. Tek tabakanın proses sekansından ayrılması, prosesi basitleştirir, proses parametreleri üzerinde daha fazla kontrol sağlar ve diğer yöntemler kullanılarak mümkün olmayan doping şemaları için yeni olanaklar açar. Silikonda fosforun çözünürlük limiti kadar yüksek bir katkı maddesi seviyesine ulaşmak, art arda uygulanan çoklu MLCD doping işlemleri ile mümkündür. Özetle, geleneksel doping yöntemleri, ultra sığ doping profilleri üretmek için içsel sınırlamalardan muzdariptir. Bunun nedeni, ultra sığ implantasyon için gerekli olan düşük implantasyon enerjilerinin doğasında bulunan kaynak konsantrasyonlarının, toplam dozun ve enerji dağılımının doğal istatistiksel varyasyonlarıdır. MLCD yüzey katkılaması için basit bir yol sağlar, bu, yalnızca yarı iletken yüzeyde oluşturulan kendi kendini sınırlayan tek tabaka kimyası ile katkı maddesi kaynağını oluşturmak için sağlam yüzey kimyasını kullanarak atomik ölçekte katkı maddesi dozunun ve konumunun hassas kontrolüne dayanan MLCD benzersiz özelliklerinin sonucudur.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Yüzey Temizleme

  1. 1: 3 hidrojen peroksit (% 30) ve konsantre sülfürik asidi karıştırarak asidik piranha çözeltisi hazırlayın.
    Dikkat: Piranha çözeltileri son derece güçlü ve tehlikeli oksitleyici maddelerdir ve çok dikkatli kullanılmalıdır. Bu çözeltiler organik çözücülerle temas ettiğinde patlayabilir. Prosedürü yalnızca uygun eğitim ve güvenlik ekipmanına sahip kalifiye personel gerçekleştirebilir.
  2. Substratları (daha sonra donör ve hedef substratlar olarak kullanılır) uygun tutucuya yerleştirin ve 15 dakika boyunca piranha solüsyonuna yerleştirin.
  3. Numuneleri DI suda 3 kez durulayın.
  4. 1: 1: 5 amonyum hidroksit (% 25), hidrojen peroksit (% 30) ve DI suyunu karıştırarak baz piranha çözeltisini hazırlayın.
  5. Substratları (daha sonra donör ve hedef substratlar olarak kullanılır) uygun tutucuya yerleştirin ve baz piranha çözeltisine yerleştirin ve 8 dakika boyunca 60 ° C'de ultrasonik banyoya yerleştirin.
  6. Numuneleri DI suda 3 kez durulayın.
  7. Numuneleri etanol içinde durulayın, ardından bir nitrojen akışı altında kurutun.
  8. Numuneleri 115 °C fırında 10 dakika kurutun.

2. Tek Tabaka Oluşumu

  1. Mesitylene'de %1 v/v'lik bir tetraetil metilendifosfonat çözeltisi hazırlayın.
  2. Donör substratlarını metilendifosfonat mezitilen çözeltisi içeren basınca dayanıklı bir şişeye yerleştirin, kapatın ve 100 ° C'de 2 saat < br / > ısıtın Önemli: Çözücüyü kapalı bir şişede ısıtmak basınç oluşturur. Kullanılan kabın uygun olduğuna ve oluşan basınca dayanacağına dikkat edilmelidir. Çözücü içeren kapalı şişe, çözücü kaynama noktasına yakın veya üzerinde ısıtılmamalıdır. Flakon sıcakken açılmayabilir.
  3. Şişeyi soğumaya bırakın, şişeyi açın ve numuneleri 3 kez mesitilen, 3 kez diklorometan içinde durulayın ve nitrojen akışı altında kurutun.
    * Nanotellerin dopingi için adım 3'e devam edin, gofretlerin dopingi için adım 5'e geçin.

3. Nanotel Sentezi

  1. Oksijen plazmasında bir mikroskop cam slaytını 2 dakika boyunca temizleyin.
  2. Slaytın üzerini tamamen kaplayacak şekilde birkaç damla poli-L-lizin solüsyonu uygulayın, 5 dakika bekleyin, ardından DI su ile durulayın ve nitrojen ile kurutun.
  3. Slaytın üzerini tamamen kaplayacak şekilde birkaç damla altın kolloid solüsyonu uygulayın, 2 dakika bekleyin, ardından DI su ile durulayın ve nitrojen ile kurutun.
  4. 30 saniye boyunca oksijen plazması kullanarak organik kirleticileri uzaklaştırın.
  5. Altın nanopartiküller içeren cam slaytı bir CVD odasına yerleştirin ve boşaltın.
  6. Odayı 440 °C, 35 torr ve 50 sccm H2 akışında önceden dengeleyin.
  7. SiH4 gazı, 2 sccm akışı ile biriktirme işlemine başlayın. Yaklaşık 50 μm uzunluğunda nanoteller elde etmek için CVD işlemini 30 dakika boyunca gerçekleştirin.
  8. Nanotellerin uzunluğunu ölçün (SEM veya karanlık alan filtresi kullanarak optik mikroskop ile). Optik bir mikroskop kullanarak, numune kenarlarında duran nanotellerin uzunluğunu ölçüyorsanız, orada yüzeye paralel olarak dışarı çıkan bir tel bulmak kolay olmalıdır.

4. Alt Tabaka Üzerine Nanotel Damla Döküm

  1. Nanotelleri etanol içinde askıya alın. Adım 3'te hazırlanan nanotel filmli slaytı bir şişeye yerleştirin ve slaytı ~ 1 cm'lik fazla sıvı seviyesiyle kaplamak için etanol ekleyin.
  2. Şişeyi 3 saniye boyunca sonikleştirin, çözelti hafifçe bulanık hale gelmelidir.
    Önemli: Askıya alınmış nanoteller, süspansiyon stabil olmadığı için toplanma eğilimindedir; bu nedenle, hazırlandıktan kısa bir süre sonra, toplama gerçekleşmeden önce kullanılmalıdır.
  3. Si3N4 / SiO2 / Si alt tabakasını önceden 150 ° C'ye ısıtılmış bir sıcak plaka üzerine yerleştirin. Isıtılmış yüzeye birkaç damla nanotel süspansiyonu ekleyin. Sıvı kuruduktan sonra, karanlık alan filtreli bir optik mikroskop kullanarak damla döküm işlemini takiben yüzeydeki nanotellerin yoğunluğunu kontrol edin. Tek nanotel cihazların yüksek verimini elde etmek için, işlem 1 mm2 başına yaklaşık 100 nanotel yüzey yoğunluğu ve minimum ~ 20 μm nanotel uzunluğu ile sonuçlanmalıdır.

5. Hızlı Termal Tavlama

  1. Hedef substratı (önceki adımlardan bir substrata dökülen içsel Si gofret veya nanoteller), hedef donör substrata bakacak şekilde donör substrat üzerine yerleştirin.
  2. İki alt tabakayı RTA odasına yerleştirin ve oda kapısını kapatın.
  3. Odayı boşaltın, Argon ile temizleyin, ardından tekrar boşaltın. Bu adım, haznede oksijen veya diğer istenmeyen gaz kalıntılarının kalmamasını sağlar.
  4. Alt tabakaları istenen sıcaklık ve sürede tavlayın. Sac direnç değeri ile gösterilen doping seviyesi, tavlama süresine ve sıcaklığına bağlıdır (Şekil 1). 1.000 ºC tavlama sıcaklığı ve 40 sn tavlama süresi olan bir işlem gösterilmiştir. Tipik olarak, 5-120 sn tavlama süreleri uygulanır. Sıcaklık rampa süresi, tavlama sistemi özelliklerine bağlı olarak mümkün olduğunca kısa olmalıdır. Burada oda sıcaklığından proses sıcaklığına kadar 6 saniyelik bir rampa süresi kullanılır.

6. Sac Dayanım Ölçümleri

  1. Oksit tabakasının çıkarılması için MLCD katkılı numuneyi %1 hidroflorik asit çözeltisine 5 dakika batırın.
  2. DI su, izopropanol ile durulayın ve nitrojen akışı ile kurutun.
  3. Dört noktalı prob kurulumu kullanarak tabaka direncini ölçün. Bu örnek için, Jandel RM3-AR kullanılır ve özel bir otomatik sac direnci ölçüm sistemine sahiptir. Uygulanan tipik akım 1-10 μA aralığındadır.

7. Nanotel Cihaz İmalatı ve Karakterizasyonu

  1. Numuneyi sıcak bir plaka üzerinde 120 °C'de 5 dakika ısıtın.
  2. 4.000 rpm'de sıkma kaplaması AZ nLOF2020 fotorezist.
  3. Numuneyi 110 °C'de 75 saniye boyunca vakumlu sıcak plaka kullanarak pişirin.
  4. Bir maske hizalayıcı ve elektrot desen maskesi kullanarak 365 nm ışık kaynağıyla 40 mJ/cm2'de pozlayın.
  5. 110 °C'de 75 saniye maruz kaldıktan sonra numuneleri vakumlu bir sıcak plaka üzerinde tekrar pişirin.
  6. Numuneleri 70 saniye boyunca AZ726MIF solüsyonda geliştirin, DI suyunda durulayın ve nitrojen akışı ile kurutun.
  7. E-kirişli evaporatör ile 100 nm Nikel'i buharlaştırın.
  8. Sıcak (80 °C) N-Metil-2-pirolidon (NMP) çözücü ile kaldırma işlemini gerçekleştirin.
  9. Proseste başarıyla oluşturulan NW-FET cihazlarını bulmak için alt tabakayı inceleyin ve konumlarını kaydedin. Bu, adres işaretleyicileri oluşturulduğu sürece karanlık alan filtreli optik mikroskop kullanılarak kolayca yapılabilir.
  10. Yarı iletken cihaz analizörü ve prob istasyonu kurulumu kullanarak seçilen cihazlar için I-V eğrilerini ölçün. Numuneyi, analizöre kapı terminali olarak bağlı olan iletken aşamaya yerleştirin. Cihaz elektrotlarının yakınındaki prob iğnelerine yaklaşmak için prob istasyonunun mikroskop kamerasını kullanın ve elektrotlara iğnelerle hafifçe dokunun. İğneler, analizöre kaynak ve boşaltma terminalleri olarak bağlanmalıdır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Fosfor-MLCD yüzey doping işlemi için temsili sonuçlar Şekil 1'de gösterilmektedir. İçsel silikon gofretler fosfor-MLCD ile muamele edildi ve bu da tabaka direnç değerlerinde monotonik bir azalmaya neden oldu. Sac direnç değerleri, Şekil 1'deki üç iz ile gösterildiği gibi daha uzun tavlama süreleri ve daha yüksek tavlama sıcaklıkları için azalır. Tabaka direnç değerleri, aktif katkı maddesi konsantrasyonu ile ilişkilendirilebilir. Daha düşük sac direnç değerleri, daha yüksek doping seviye...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

MLCD basit ve tekrarlanabilir bir yöntemdir. Ancak yüzey temizliğine ve tek tabaka oluşumuna dikkat edilmelidir. MLCD işleminden önce yüzeylerin Piranha temizliği, yalnızca olası safsızlıklardan kaçınmak amacıyla değil, aynı zamanda işlemler arasında tekrarlanabilir sonuçlar sağlayan tekrarlanabilir tek tabaka oluşumu için yüzeyin başlatılması için de önemlidir. Pirana işlemi, tek tabakanın oluşumu için öncü moleküllerin yüzeye bağlanması için gerekli olan yüzey gruplarının hidroksilasyonu ile sonuçlanır. Temizleme ve ak...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Herhangi bir çıkar çatışması beyan edilmemiştir.

Teşekkürler

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

Bu çalışma kısmen Farkas ışık kaynaklı süreçler merkezi tarafından finanse edildi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Yüksek saflıkta silikon gofretlerTopsil-50
nm Si3< / sub>N4< / sub> / 50 nm SiO2< / sub> / Si gofretlerSilikon Vadisi Mikroelektronik-Sülfürik
Asit %98BioLab19550523
Hidrojen Peroksit %30JT Baker2190-03
Amonyum Hidroksit %25J.T. Baker6051
EtanolJ.T. Baker8025
MesitilenSigmaM7200
DiklorometanMacron4881-06
Tetraetil metilendifosfonatAldrich359181
Mineral YağıSigmaM3516
Hidroflorik Asit %49JT Baker9564-06
İzopropanolJ.T. Baker9079-05
N-Metil-2-pirolidon J.T. Baker9397-05
AZ nLOF2020AZ Elektronik MalzemelernLOF 2020
AZ 726 MIFAZ Elektronik Malzemeler726 MIF
Poli-L-Lizin çözeltisiSigmaP8920
Altın kolloid çözümTed Pella82160-80
RTA sistemiTavSysMicroAS
4 nokta prob levha direnci ölçüm sistemiJandelRM3-AR
Maske hizalayıcıSussMA06
e-Beam evaporatörVSTTFDS-141E
Yarı iletken analizörüAgilentB1500A
CVD sistemi-Ev yapımı

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Silikon NanotellerFosfor Katk maddesiTetraetil MetilendifosfonatH zl Termal TavlamaD rt Nokta ProbKimyasal Buhar BiriktirmeFotolitografi lemiYar letken Cihaz Analiz rOptik Mikroskopi

İlgili makaleler