МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 3, с. 200-205
ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621-382
полевой транзистор с каналом-нанопроводом
на основе неравномерно легированного кни
© 2013 г. С. В. Амитонов1, Д. Е. Преснов2, В. И. Рудаков3, В. А. Крупенин1, 4
1Физический Факультет МГУ 2Научно-Исследовательский Институт Ядерной Физики МГУ 3Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН 4Институт Нанотехнологий Микроэлектроники ИНМЭ Российской АН Поступила в редакцию 07.11.2012 г.
В работе представлены методы изготовления и результаты исследования полевого транзистора на основе кремниевого нанопровода из неравномерно легированного мышьяком кремния на изоляторе (КНИ). Концентрация легирующей примеси изменялась по глубине кремниевого слоя толщиной 100 нм от величины более 1020 см-3 до значений порядка 1017 см-3. Полевой транзистор изготавливался из материала КНИ методами электронной литографии и реактивно-ионного травления. Верхняя высокопроводящая часть кремниевого слоя служила основой для подводящих электродов и контактных площадок. Нижний подслой использовался для формирования полупроводникового канала-нанопровода. Проведены измерения вольт-амперных и затворных характеристик транзисторов при температурах 77 и 300 К. Анализируется возможность использования полевого транзистора на основе кремниевого нанопровода в качестве высокочувствительного локального полевого и зарядового сенсора с нанометровым пространственным разрешением для применений в различных областях физики, техники и медицины.
БО1: 10.7868/80544126913030022
ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов изготовления наноразмерных структур и объектов за последние два десятилетия позволило уверенно перешагнуть рубеж 100 нм и изготавливать оригинальные устройства для на-ноэлектроники. Одним из таких оригинальных устройств является полевой транзистор с полупроводниковым каналом-нанопроводом. Проводимость канала такого транзистора зависит от напряженности электрического поля, в котором он находится. Даже небольшие локальные изменения поля в теле нанопровода, вызванные поверхностными зарядами или заряженными частицами, приближающимися к его поверхности, способны существенно изменить его проводимость.
Чувствительность нанопровода к внешнему полю является максимальной в подпороговом режиме при еще не полностью сформированном проводящем канале транзистора. Кроме того величина Дебаевской длины экранирования для материала нанопровода должна быть близка к его поперечным размерам или превышать их.
Высокая чувствительность проводимости на-нопровода к малым заряженным частицам на или около его поверхности, привела к интенсивной разработке биосенсоров на основе полупроводни-
ковых нанопроводов, которые позволили обнаруживать предельно низкие концентрации биомолекул и частиц (вирусов, белков, ДНК) [1-5] в растворах и даже регистрировать единичные акты их присоединения к поверхности нанопровода. Для создания универсальных полевых и зарядовых сенсоров на основе полевых транзисторов с кана-лом-нанопроводом важным достижением исследователей явилась продемонстрированная зарядовая чувствительность таких транзисторов, которая приближается к чувствительности одноэлектрон-ных транзисторов [6].
Это дает возможность создания на его основе сверхчувствительных зарядовых сенсоров с нано-метровым пространственным разрешением для широкого спектра сканирующих и локальных зондовых устройств нового поколения, которые могут найти применение в различных областях науки, техники и медицины.
В данной работе предлагается изначально неравномерно по глубине легировать верхний кремниевый слой пластин КНИ, а на финальной стадии уменьшать толщину сформированных в нем нанопроводов, вытравливая сначала сильнолегированную верхнюю часть слоя. Это даст возможность добиться нужного уровня проводимости
1e+21
3
1e+20
U 1e+19 х
<d
Я
о 1e+18
1e+17
0
20
80
100
40 60
Глубина, нм
Рис. 1. Профиль концентрации Аз по глубине в слое кремния толщиной 110 нм.
канала транзистора и тем самым достичь необходимой чувствительности.
МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ
В качестве материала для изготовления на-нопроводов использовались пластины КНИ (Soitec® "Unibond" wafers), обладающие следующими характеристиками:
— верхний слой кремния р-типа легирован бором, толщина — 110 нм, удельное сопротивление — 7—12 Ом • см;
— изолирующий диэлектрик SiO2, толщина — 200 нм;
— поддерживающая кремниевая пластина р-типа легирована бором, толщина — 700 мкм, удельное сопротивление — 7—12 Ом • см.
Для создания неравномерного по глубине легирования верхнего слоя кремния пластины КНИ подвергались ионной имплантации с ускоряющим напряжением 6 кВ и дозой 1.25 х х 1015 см-2, а затем быстрому термическому отжигу при максимальной температуре 925°С и времени нагрева 10 с. Профиль залегания А по глубине в слое кремния толщиной 110 нм представлен на рис. 1. Интегральное сопротивление неравномерно легированного верхнего слоя кремния определялось по методу ван дер Пау через 4 точечных прижимных контакта к его поверхности и составило величину 350 О/Ш.
H1 = 121 нм
I
Рис. 2. А1 маска нанопровода для процесса реактивно-ионного травления кремниевого слоя. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 42 № 3 2013
Рис. 3. Электронная фотография окончательной структуры транзистора.
Рис. 4. Электронная фотография окончательной структуры нанопровода.
Структуры транзисторов формировались в верхнем слое КНИ методом реактивно-ионного травления кремния через металлическую маску. Для формирования маски использовался электронный резист ПММА 950К толщиной 100 нм. С помощью электронного литографа (электронный микроскоп Carl Zeiss Supra40 с литографической приставкой Raith-ELPHY Quantum) в электронном резисте, нанесенном на поверхность чипа методом центрифугирования, формировался рисунок подводящих электродов транзистора с на-нопроводом между ними. После проявления ре-зиста в смеси изопропанола и воды на поверхность образца напылялся тонкий слой алюминия (15 нм), который служил маской для травления кремния в последующем процессе. Перенос рисунка алюминиевой маски в верхний слой кремния происходил в результате процесса изотроп-
ного реактивно-ионного травления (РИТ) кремния в атмосфере SF6 (р = 1.2 Па, W = 44 Вт). Изотропное травление кремния приводило к тому, что в области расположения наноразмерной маски нанопровода (рис. 2) процесс сильно отличался от областей, где располагались большие по размерам контактные площадки и подводящие провода. Окончательные структуры транзистора и нанопровода показаны на рис. 3 и 4. Сечение на-нопровода представляло собой треугольник с основанием менее 100 нм и высотой около 50 нм, длина НП составляла величину 3 мкм. Процесс травления контролировался с помощью метода лазерной интерферометрии, позволяющем регистрировать глубину травления в реальном времени. После травления алюминиевая металлическая маска удалялась в слабом щелочном растворе. Изотропное травление позволило уменьшить
V, в
Рис. 5. ВАХ полевого транзистора на основе нанопровода при Т = 300 К: V — напряжение сток-исток; У3 — напряжение на затворе-подложке; I — ток через транзистор.
транзистор 7
0 1 2 3 4 5
V, в
Рис. 6. ВАХ полевого транзистора на основе нанопровода при Т = 77 К: V — напряжение сток-исток; Vз — напряжение на затворе-подложке; I — ток через транзистор.
исходные размеры нанопровода (рис. 2) и также снять верхний высокопроводящий слой с металлической проводимостью и сформировать полупроводниковый канал транзистора. В остальной крупноразмерной части структуры транзистора (контактные площадки, подводящие провода) изотропное травление приводило лишь к подтраву под краями маски, оставляя нетронутым высоко-проводящий слой для подведения электрических сигналов к стоку, и истоку транзистора. В качестве
изолированного затвора для нанотранзистора использовался нижний слой кремния КНИ пластины, к которому прикладывалось положительное напряжение от 0 до 10 В, активируя инверсный канал проводимости.
Для проведения измерений образцы помещались в керамический держатель, контактные площадки чипа соединялись с контактными площадками держателя 20-ти микронной алюминиевой проволокой методом ультразвуковой пайки.
Уз, В
Рис. 7. Затворная характеристика полевого транзистора на основе нанопровода при Т = 77 К: V — напряжение сток-исток; Уз — напряжение на затворе-подложке; I — ток через транзистор.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений характеристик нанотранзисто-ров использовалась экспериментальная установка, состоящая из измерительной штанги с ячейкой для крепления образца, малошумящего токового предусилителя, интерфейсного блока электроники и персонального компьютера.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора измерялись в режиме задания напряжения между стоком и истоком и измерения тока через канал-нанопровод при различных значениях напряжения на затворе-подложке. Измерения проводились при положительных напряжениях на затворе, что соответствовало электронному каналу проводимости транзистора. Сопротивление подводящих проводов из высоколегированного кремния составило величину 110 кОм при комнатной температуре и уменьшалось до 85 кОм при 77 К.
На рис. 5 представлены характерные ВАХ транзистора при комнатной температуре и различных напряжениях на затворе.
Предложенный метод изготовления транзисторов с каналом-нанопроводом позволил сравнительно просто сформировать структуру транзистора и одновременно образовать омические контакты к стоку и истоку транзистора, что позволяет обеспечить работоспособность устройства в широком диапазоне температур. Изучение поведения транзистора при низких температурах являлось одной из основных задач настоящей работы. Измерения ВАХ при Т = 77 К (рис. 6) демонстрируют довольно высокую проводимость транзистора в открытом состоянии и хорошую управляемость затворным напряжением. Затвор-
ная характеристика транзистора (рис. 7) показывает, что крутизна преобразования ток/напряжение растет от практически нулевого значения до 220нА/В (10.3 В), а затем уменьшается до 160 нА/В (11 В) при изменении затворного напряжения от 6 до 11 В и прибли
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.