Doping jednowarstwowy

Domieszkowanie jednowarstwowe (MLD) w produkcji półprzewodników to dobrze kontrolowana technika domieszkowania powierzchniowego w skali płytki, opracowana po raz pierwszy na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w 2007 r. Ta praca ma na celu uzyskanie kontrolowanego domieszkowania materiałów półprzewodnikowych z atomową dokładnością, zwłaszcza w nanoskali , co nie jest łatwe do uzyskania za pomocą innych istniejących technologii. Technika ta jest obecnie wykorzystywana do wytwarzania ultrapłytkich złączy (USJ) jako silnie domieszkowanych styków źródło/dren (S/D) tranzystorów polowych z efektem metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET), a także umożliwia profilowanie domieszkowe nanostruktur.

Ta technika MLD wykorzystuje krystaliczną naturę półprzewodników i ich właściwości samoograniczających się reakcji powierzchniowych do tworzenia wysoce jednorodnych, samoorganizujących się, związanych kowalencyjnie monowarstw zawierających domieszki, po których następuje kolejny etap wyżarzania w celu włączenia i dyfuzji domieszek. Reakcja tworzenia monowarstwy jest samoograniczająca, co skutkuje deterministycznym pokryciem atomów domieszki na powierzchni. MLD różni się od innych konwencjonalnych technik domieszkowania, takich jak spin-on-dopants (SOD) i techniki domieszkowania w fazie gazowej sposobem kontroli dawki domieszki. Taka kontrola w MLD jest znacznie bardziej precyzyjna ze względu na samoograniczające tworzenie się kowalencyjnie przyłączonych domieszek na powierzchni, podczas gdy SOD polegają tylko na kontroli grubości nakręcanego tlenku, a technika fazy gazowej zależy od kontroli przepływu gazu domieszkującego wskaźnik; dlatego doskonała kontrola dawki w MLD może zapewnić dokładne dostrojenie wynikowego profilu domieszki. W porównaniu z implantacją jonów, MLD nie obejmuje energetycznego wprowadzania gatunków domieszek do sieci półprzewodnikowej, w której indukowane są uszkodzenia kryształów. W przypadku implantacji nieuchronnie generowane są defekty, takie jak śródmiąższowe i wolne miejsca, które wchodzą w interakcję z domieszkami w celu dalszego poszerzenia profilu połączenia. Jest to znane jako przejściowa wzmocniona dyfuzja (TED), która ogranicza tworzenie dobrej jakości USJ. Techniki implantacji powodują również stochastyczną zmianę położenia domieszki i poważną nierównowagę stechiometryczną dla półprzewodników złożonych binarnych i trzeciorzędowych. W przeciwieństwie do tego, wszystkie atomy domieszki MLD są dyfundowane termicznie z powierzchni kryształu do masy, a profil domieszki można łatwo kontrolować za pomocą budżetu termicznego. Ponieważ system MLD można sklasyfikować jako model z ograniczonym źródłem, jest to pożądane w przypadku kontrolowanej produkcji USJ o wysokiej jednorodności i niskiej zmienności stochastycznej. W połączeniu z doskonałą jednorodnością dawki domieszki i pokryciem w MLD, jest to szczególnie atrakcyjne w przypadku domieszkowania niepłaskich urządzeń, takich jak fin-FET i nanoprzewody. W rezultacie zademonstrowano wysokiej jakości ultrapłytkie złącze poniżej 5 nm krzemu za pomocą tej techniki MLD. W porównaniu z niskoenergetyczną implantacją jonów do filmu przesiewowego, po której następuje dyfuzja, technika MLD wymaga niższego budżetu termicznego i umożliwia konforemne domieszkowanie cech topograficznych.

Zastosowania w różnych strukturach

Proces MLD ma zastosowanie zarówno do domieszkowania p, jak i n różnych materiałów nanostrukturalnych, w tym konwencjonalnych płaskich podłoży, nanopasów i nanoprzewodów, które są wytwarzane metodą „z dołu do góry” lub „z góry na dół”, co czyni go wysoce wszechstronnym dla różnych zastosowań. W domieszkowaniu typu p krzemu na powierzchni tworzy się kowalencyjnie zakotwiczona monowarstwa estru pinakolu kwasu alliloboronowego jako prekursor boru, podczas gdy monowarstwa 1-propylofosfonianu dietylu jest stosowana jako prekursor fosforu w domieszkowaniu typu n. Na przykład w przypadku formowania USJ, łączącego MLD fosforu i konwencjonalne wyżarzanie kolcami, odnotowano rekordowe złącze 5 nm (do 2 nm - granica rozdzielczości SIMS) z bezdotykowymi pomiarami Rs (~5000 Ω/□) i bycie zgodnym z przewidywanymi wartościami z profilu domieszek. Warto zauważyć, że około 70% domieszek jest aktywnych elektrycznie, ponieważ proces MLD wykorzystuje mechanizm dyfuzji oparty na równowadze.

Oprócz krzemu, MLD zastosowano również do złożonych półprzewodników, takich jak arsenek indu (InAs), aby uzyskać wysokiej jakości ultrapłytkie złącza. Przez ostatnie lata kontrolowanie profili domieszek po wzroście w złożonych półprzewodnikach, takich jak materiały III-V, nie było dobrze osiągane ze względu na wyzwania związane z kontrolowaniem odzyskanej stechiometrii po implantacji i sekwencyjnym wyżarzaniu. Te uszkodzenia szczątkowe mogą prowadzić do większego upływu złącza i niższej aktywacji domieszki w złożonych półprzewodnikach. Wykorzystując technikę MLD z domieszkami siarki, w InAs obserwuje się gwałtowność profilu domieszki ~ 3, 5 nm / dekadę przy wysokich stężeniach siarki aktywnej elektrycznie ~ 8–1018 cm-3 bez znaczącej gęstości defektów. Wybitnie. warstwa pokrywająca MLD służy do i) zapobiegania desorpcji pierwiastków z grupy V oraz ii) unikania utraty atomów domieszki do otoczenia w celu uzyskania połączeń dobrej jakości. Wszystko to dodatkowo dowodzi użyteczności tego innowacyjnego podejścia do wytwarzania urządzeń.

Kontrola dawki obszarowej i profilu połączenia

Ważną cechą chemii powierzchni podłoża jest możliwość łatwego kontrolowania dawki powierzchniowej domieszek poprzez tworzenie mieszanej monowarstwy cząsteczek „pustych” i zawierających domieszkę. Na przykład mieszanina cząsteczek prekursora boru i dodecenu (całkowicie węglowy „pusty” prekursor) w różnych proporcjach jest wykorzystywana do manipulowania powierzchniową dawką boru. Poza tworzeniem mieszanej monowarstwy, dawkę powierzchniową można łatwo dostosować, wykorzystując szczegóły struktury molekularnej prekursora domieszki. W szczególności ślad cząsteczkowy prekursora bezpośrednio reguluje stężenie powierzchniowe domieszek, przy czym większe cząsteczki skutkują niższą dawką. W związku z tym, stosując tlenek trioktylofosfiny (TOP) jako prekursor fosforu o około sześciokrotnie większym śladzie cząsteczkowym niż DPP, dawkę domieszki można modulować odpowiednio sześciokrotnie. Ponadto profile domieszkowania można łatwo dostroić poprzez optymalizację warunków wyżarzania. W tym przypadku wysoką gęstość domieszkowania powierzchniowego z ostrym rozpadem przestrzennym można uzyskać za pomocą tej metody MLD z niskimi temperaturami wyżarzania i krótkimi czasami tworzenia USJ. Możliwość kontrolowanego dostrajania dawki domieszki poprzez projekt strukturalny prekursora oraz kontrolowania profilu domieszki przez wyżarzania stanowią unikalny aspekt procesu MLD w celu uzyskania pożądanej dawki i profilu domieszki.

Technologia ta jest obecnie badana przez przemysł pod kątem styków USJ S/D przyszłych nanoskalowych tranzystorów opartych na półprzewodnikach złożonych Si i III-V.