![Krediet: Gramse et al. Beeldvorming op nanoschaal van dopant nanostructuren in op silicium gebaseerde apparaten](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/nanoscaleima.jpg)
Krediet: Gramse et al.
Bij het fabriceren van geïntegreerde schakelingen en verschillende soorten op silicium gebaseerde apparaten, moeten onderzoekers dopant nanostructuren op specifieke manieren positioneren met een hoge mate van precisie. Het kan echter een uitdaging zijn om deze structuren op nanometerschaal te rangschikken, omdat ze door hun kleine formaat moeilijk te observeren en nauwkeurig te onderzoeken zijn. Verkeerd ermee knoeien kan nadelige gevolgen hebben, die mogelijk de algehele werking en beveiliging van een apparaat in gevaar kunnen brengen.
Met dit in gedachten hebben onderzoekers van de Johannes Kepler University (JKU), Keysight Technologies Labs, University College London (UCL) en IBM Research onlangs een beeldvormingstechniek op nanoschaal ontwikkeld die kan worden gebruikt om dopant nanostructuren te observeren in op silicium gebaseerde apparaten met hoge precisie. De methode die ze ontwikkelden, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur elektronica, is het resultaat van jarenlang onderzoek naar aanleiding van een gezamenlijk Marie Curie-EU-project dat in 2016 van start ging.
“Bij JKU en Keysight Technologies Labs werkte ik aan de ontwikkeling van nieuwe karakteriseringstechnieken op nanoschaal die kunnen kijken naar elektrische eigenschappen op nanoschaal van kleine kenmerken onder het oppervlak van een materiaal”, vertelde Georg Gramse, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys. org. “De grote vraag voor ons was: hoe klein kunnen we gaan of hoe diep in het oppervlak kunnen we kijken en nog steeds dopeermiddelen of andere geleidende kenmerken zien? De vraag van onze collega’s van het London Centre for Nanotechnology (LCN) en IBM die zich bij het team voegden even later was precies het tegenovergestelde: waar zijn onze doteringsstructuren? Zijn ze waar ze zouden moeten zijn, en zijn ze geactiveerd en geleidend? ”
De onderzoekers van JKU en Keysight Technologies Labs hebben methoden ontwikkeld die nanopatronen kunnen creëren van atomair dunne n-type (fosfor) en p-type (boor) doteringslagen in silicium, evenals de resulterende pn-overgangen. Dit gebeurde in nauwe samenwerking met nanotechnologie-experts van UCL en IBM.
Tot nu toe hebben onderzoekers geen enkele techniek gevonden die in staat is om de 3D-locatie en elektrische kenmerken van doteringsnanostructuren in siliciumapparaten te meten en tegelijkertijd informatie te verzamelen over de ladingsdynamiek van dragers en gevangen ladingen in hun omgeving. Om dit te bereiken, gebruikten Gramse en zijn collega’s een techniek die breedband elektrostatische krachtmicroscopie wordt genoemd. Deze methode kan afbeeldingen verzamelen met een hogere resolutie dan die verzameld met standaard beeldvormingstechnieken en is ook niet-destructief, wat betekent dat het een apparaat niet beschadigt tijdens het verzamelen van metingen.
“Onze techniek lost lateraal op met 10 nm, zelfs als een element 15 nm onder het oppervlak is begraven, en detecteert de capacitieve handtekening van ondergrondse ladingen bij frequenties tussen 1 kHz en 10 GHz,” zei Gramse. “Een van de nadelen van andere technieken op nanoschaal is dat het een schoon en relatief vlak oppervlak nodig heeft om deze hoge resolutie te geven.”
Gramse en zijn collega’s waren een van de eersten die een techniek ontwikkelden die met succes kwantitatieve informatie over de diepte en het doteringsprofiel van nanostructuren in siliciumapparaten kan extraheren. De methode die ze gebruikten, stelde hen ook in staat informatie te verzamelen over de dynamiek van dragers en gevangen ladingen rond deze structuren. Deze informatie kan uiteindelijk helpen bepalen of er vallen in het siliciumapparaat zitten die de beweging van doteermiddelen erin kunnen belemmeren.
“Ik zie veel mogelijke toepassingsgebieden voor onze techniek”, zei Gramse. “We zullen nu doorgaan met het onderzoeken van functionele beeldvorming van dopingapparaten. Kijken naar de dynamiek van elektrische processen op nanoschaal is ook van groot belang in elektrochemie en energiematerialen, dus dit zal een ander onderwerp zijn om op te focussen in ons toekomstige werk.”
Georg Gramse et al. Beeldvorming op nanoschaal van mobiele dragers en gevangen ladingen in delta-gedoteerde silicium p-n-overgangen, Natuur elektronica (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0450-8
Natuur elektronica