Монослойное легирование
Монослойное легирование (MLD) в производстве полупроводников поверхности в масштабе пластины, — это хорошо контролируемый метод легирования впервые разработанный в Калифорнийском университете в Беркли в 2007 году. [1] Эта работа направлена на достижение контролируемого легирования полупроводниковых материалов с атомной точностью, особенно на наноуровне , что нелегко получить с помощью других существующих технологий. Этот метод в настоящее время используется для изготовления сверхмелких переходов (USJ) в качестве сильно легированных контактов истока/стока (S/D) полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET), а также для определения профиля легирующих добавок в наноструктурах.
Этот метод MLD использует кристаллическую природу полупроводников и его самоограничивающиеся свойства поверхностной реакции для формирования высокооднородных, самоорганизующихся, ковалентно связанных монослоев, содержащих легирующие примеси, с последующим этапом отжига для включения и диффузии легирующих примесей. [1] Реакция образования монослоя является самоограничивающейся, что приводит к детерминированному покрытию атомов примеси на поверхности. MLD отличается от других традиционных методов легирования, таких как методы центрирования на легирующих примесях (SOD) и методы легирования в газовой фазе, способом контроля дозы легирующих примесей. Такой контроль в MLD гораздо более точен из-за самоограничивающегося образования ковалентно связанных легирующих примесей на поверхности, в то время как SOD просто полагаются на контроль толщины навинченного оксида, а метод газовой фазы зависит от контроля потока легирующего газа. ставка; следовательно, превосходный контроль дозы в MLD может привести к точной настройке результирующего профиля легирующей примеси. По сравнению с ионной имплантацией, MLD не предполагает энергетического введения легирующих примесей в решетку полупроводника, что приводит к повреждению кристалла. В случае имплантации неизбежно возникают такие дефекты, как межузельные структуры и вакансии, которые взаимодействуют с легирующими примесями, еще больше расширяя профиль перехода. Это известно как транзиторная усиленная диффузия (TED), которая ограничивает образование USJ хорошего качества. Кроме того, методы имплантации вызывают стохастические изменения в расположении легирующей примеси и серьезный стехиометрический дисбаланс для бинарных и третичных полупроводников. Напротив, все атомы примеси MLD термически диффундируют от поверхности кристалла в объем, и профиль примеси можно легко контролировать с помощью теплового баланса. Поскольку систему MLD можно классифицировать как модель с ограниченным источником, это желательно для контролируемого изготовления USJ с высокой однородностью и низкими стохастическими отклонениями. В сочетании с превосходной однородностью дозы легирующей примеси и охватом MLD, она особенно привлекательна для легирования непланарных устройств, таких как ребристые полевые транзисторы и нанопроволоки. В результате был продемонстрирован высококачественный сверхмелкий переход размером менее 5 нм. кремний с помощью этого метода MLD. [2] По сравнению с имплантацией низкоэнергетических ионов в экранирующую пленку с последующей диффузией, [3] [4] метод MLD требует меньшего теплового баланса и допускает конформное легирование топографических особенностей.
Применение в различных структурах
[ редактировать ]Процесс MLD применим как для p-, так и для n-легирования различных наноструктурных материалов, включая обычные плоские подложки, наноремни и нанопроволоки, которые изготавливаются либо «снизу вверх», либо «сверху вниз», что делает его очень универсальным. для различных приложений. При легировании кремния p-типа на поверхности образуется ковалентно связанный монослой пинаколового эфира аллилборной кислоты в качестве предшественника бора, тогда как при легировании n-типа в качестве предшественника фосфора используется монослой диэтил-1-пропилфосфоната. [1] Например, в случае формирования USJ при сочетании фосфор-MLD и традиционного иглового отжига сообщается о рекордном переходе размером 5 нм (до 2 нм - предел разрешения ВИМС) с бесконтактными измерениями Rs (~ 5000 Ом/□). и соответствие предсказанным значениям профиля легирующей примеси. [2] Примечательно, что ~70 % примесей электрически активны, поскольку в процессе MLD используется равновесный механизм диффузии. [2]
Помимо кремния, MLD также применяется к составным полупроводникам, таким как арсенид индия (InAs), для получения высококачественных сверхмелких переходов. В последние годы детерминированный контроль профилей легирующих примесей после роста в сложных полупроводниках, таких как материалы III-V, не был достигнут из-за проблем с контролем восстановленной стехиометрии после имплантации и последовательного отжига. Эти остаточные повреждения могут привести к более высокой утечке через переход и меньшей активации примесей в сложных полупроводниках. При использовании метода MLD с легирующими добавками серы в InAs без значительной плотности дефектов наблюдается крутизна профиля легирующей примеси ~ 3,5 нм/декада с высокими концентрациями электрически активной серы ~ 8–1018 см-3. [5] Замечательно. Покрывающий слой MLD служит i) для предотвращения десорбции элементов группы V и ii) для предотвращения потери атомов легирующей примеси в окружающую среду, чтобы обеспечить хорошее качество соединений. Все это может еще раз продемонстрировать полезность этого инновационного подхода к изготовлению устройств.
Контроль дозы площади и профиля соединения
[ редактировать ]Важной характеристикой использования химии поверхности подложки является возможность легко контролировать площадь дозы легирующих добавок путем формирования смешанного монослоя «пустых» молекул и молекул, содержащих легирующие примеси. Например, смесь молекул-предшественников бора и додецена (полностью углеродного «чистого» предшественника) в различных соотношениях используется для управления площадью дозы бора. [1] Помимо образования смешанного монослоя, площадь дозы можно легко настроить, используя детали молекулярной структуры предшественника легирующей примеси. В частности, молекулярный след прекурсора напрямую определяет поверхностную концентрацию легирующих примесей, при этом более крупные молекулы приводят к более низкой дозе. В связи с этим, используя триоктилфосфиноксид (ТОР) в качестве предшественника фосфора с примерно в шесть раз большей молекулярной площадью, чем ДПП, дозу легирующей примеси можно модулировать, уменьшая ее в шесть раз соответственно. [1] Более того, профили легирования можно легко настроить за счет оптимизации условий отжига. В этом случае высокая плотность поверхностного легирования с резким пространственным затуханием может быть получена с помощью этого метода МЛД с низкими температурами отжига и коротким временем формирования УЗП. [2] Возможность контролируемой настройки дозы легирующей примеси посредством структурного проектирования прекурсора и управления профилем легирующей примеси с помощью условий отжига представляет собой уникальный аспект процесса MLD для достижения желаемой дозы и профиля легирующей примеси.
Эта технология в настоящее время изучается промышленностью для контактов USJ S/D будущих наноразмерных транзисторов на основе полупроводников Si и III-V. [6]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Хо, Джонни С.; Йерушалми, Рой; Джейкобсон, Закери А.; Фань, Чжиюн; Элли, Роберт Л.; Джави, Али (11 ноября 2007 г.). «Контролируемое наноразмерное легирование полупроводников посредством молекулярных монослоев». Природные материалы . 7 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 62–67. дои : 10.1038/nmat2058 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 17994026 .
- ^ Jump up to: а б с д Хо, Джонни С.; Йерушалми, Рой; Смит, Грегори; Маджи, Прашант; Беннетт, Джозеф; Халим, Джеффри; Файфер Владимир Н.; Джави, Али (11 февраля 2009 г.). «Формирование соединения размером менее 5 нм в масштабе пластины путем легирования монослоя и обычного отжига с шипами». Нано-буквы . 9 (2). Американское химическое общество (ACS): 725–730. arXiv : 0901.1396 . дои : 10.1021/nl8032526 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 19161334 . S2CID 13399984 .
- ^ Шмитц, Дж.; ван Гестель, М.; Столк, Пенсильвания; Пономарев Ю.В.; Роузбум, Ф.; и др. Формирование ультрамелкого перехода путем диффузии из имплантированного оксида . Международная встреча по электронным устройствам, 1998 г. Сан-Франциско, Калифорния, США: IEEE. п. 1009. дои : 10.1109/iedm.1998.746525 . ISBN 0-7803-4774-9 .
- ^ П.А. Столк, Дж. Шмитц, Ф.Н. Кубейнс, ACMC ван Бранденбург, Дж.Г.М. ван Беркум и В.Г. ван дер Вейгерт, «Влияние тонких оксидных слоев на образование мелких переходов», протоколы ESSDERC , стр. 428, 1999.
- ^ Хо, Джонни С.; Форд, Александра К.; Чуэ, Ю-Лунь; Леу, Пол В.; Эрген, Онур; и др. (17 августа 2009 г.). «Наномасштабное легирование InAs монослоями серы». Письма по прикладной физике . 95 (7). Издательство AIP: 072108. doi : 10.1063/1.3205113 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Барнетт, Джоэл; Хилл, Ричард; Лох, Вэй-Ип; Хоббс, Крис; Маджи, Прашант; Джемми, Радж (2010). Передовые методы достижения сверхмелких переходов в будущих КМОП-устройствах . Международный семинар по технологии соединений. IEEE. стр. 1–4. дои : 10.1109/iwjt.2010.5474968 . ISBN 978-1-4244-5866-0 .