Dopaje de monocapa

El dopaje de monocapa (MLD) en la producción de semiconductores es una técnica de dopaje superficial a escala de oblea, bien controlada, desarrollada por primera vez en la Universidad de California, Berkeley , en 2007. ^{[ 1 ]} Este trabajo tiene como objetivo lograr un dopaje controlado de materiales semiconductores con precisión atómica, especialmente a nanoescala , lo cual no se obtiene fácilmente con otras tecnologías existentes. Esta técnica se utiliza actualmente para fabricar uniones ultradelgadas (USJ) como contactos de fuente/drenaje (S/D) fuertemente dopados de transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET), así como para permitir el perfilado de dopantes de nanoestructuras.

Esta técnica MLD utiliza la naturaleza cristalina de los semiconductores y sus propiedades de reacción superficial autolimitante para formar monocapas altamente uniformes, autoensambladas y que contienen dopantes unidos covalentemente, seguidas de un paso de recocido posterior para la incorporación y difusión de los dopantes. ^{[ 1 ]} La reacción de formación de la monocapa es autolimitante, lo que resulta en una cobertura determinista de átomos de dopante en la superficie. MLD difiere de otras técnicas de dopaje convencionales, como los dopantes de centrifugación (SOD) y las técnicas de dopaje en fase gaseosa, en el control de la dosis de dopante. Dicho control en MLD es mucho más preciso debido a la formación autolimitante de dopantes unidos covalentemente en la superficie, mientras que los SOD solo dependen del control del espesor del óxido de centrifugación y la técnica en fase gaseosa depende del control de la velocidad de flujo del gas dopante; por lo tanto, el excelente control de dosis en MLD puede producir el ajuste exacto del perfil de dopante resultante. En comparación con la implantación iónica , la MLD no implica la introducción energética de especies dopantes en la red del semiconductor, donde se inducen daños en el cristal. En el caso de la implantación, se generan inevitablemente defectos como intersticiales y vacantes , que interactúan con los dopantes para ampliar aún más el perfil de la unión. Esto se conoce como difusión transitoria mejorada (TED), que limita la formación de USJ de buena calidad. Además, las técnicas de implantación inducen variaciones estocásticas en el posicionamiento del dopante y un grave desequilibrio estequiométrico en semiconductores compuestos binarios y terciarios. Por el contrario, todos los átomos dopantes de MLD se difunden térmicamente desde la superficie del cristal hacia el interior, y el perfil del dopante se puede controlar fácilmente mediante el presupuesto térmico. Dado que el sistema MLD se puede clasificar como un modelo de fuente limitada, esto resulta deseable para la fabricación controlada de USJ con alta uniformidad y baja variación estocástica. Combinada con la excelente uniformidad de la dosis de dopante y la cobertura en MLD, es especialmente atractiva para el dopaje de dispositivos no planares como fin-FET y nanocables . Como resultado, se ha demostrado una unión ultradelgada de sub-5 nm de alta calidad en silicio mediante el uso de esta técnica MLD. ^{[ 2 ]} En comparación con la implantación iónica de baja energía en una película de apantallamiento seguida de difusión, ^{[ 3 ] [ 4 ]} la técnica MLD requiere un presupuesto térmico menor y permite el dopaje conforme en características topográficas. 

El proceso MLD es aplicable tanto para el dopaje p como n de varios materiales nanoestructurados, incluidos sustratos planares convencionales, nanocintas y nanocables, que se fabrican mediante enfoques "de abajo hacia arriba" o "de arriba hacia abajo", lo que lo hace altamente versátil para diversas aplicaciones. En el dopaje de tipo p del silicio, se forma una monocapa anclada covalentemente de éster pinacólico de ácido alilborónico en la superficie como precursor de boro , mientras que una monocapa de 1-propilfosfonato de dietilo se utiliza como precursor de fósforo en el dopaje de tipo n. ^{[ 1 ]} Por ejemplo, en el caso de la formación de USJ, combinando el fósforo-MLD y el recocido de pico convencional, se informa la  unión récord de 5 nm (hasta 2  nm - el límite de resolución SIMS) con mediciones Rs sin contacto (~5000 Ω/□) y siendo consistente con los valores predichos del perfil de dopante. ^{[ 2 ]} Cabe destacar que aproximadamente el 70  % de los dopantes son eléctricamente activos, ya que el proceso MLD utiliza un mecanismo de difusión basado en el equilibrio. ^{[ 2 ]}

Además del silicio, la MLD también se ha aplicado a semiconductores compuestos como el arseniuro de indio (InAs) para obtener uniones ultradelgadas de alta calidad. En los últimos años, el control determinista de los perfiles de dopantes posteriores al crecimiento en semiconductores compuestos como los materiales III-V no se ha logrado bien debido a los desafíos en el control de la estequiometría recuperada después de la implantación y el recocido secuencial. Estos daños residuales pueden conducir a una mayor fuga de unión y una menor activación del dopante en semiconductores compuestos. Utilizando la técnica MLD con dopantes de azufre , se observa una abruptitud del perfil de dopante de ~ 3,5  nm/década con altas concentraciones de azufre eléctricamente activo de ~ 8–1018 cm−3 en InAs sin una densidad de defectos significativa. ^{[ 5 ]} La capa de recubrimiento MLD sirve para i) evitar la desorción de elementos del grupo V y ii) evitar que los átomos de dopante se pierdan al ambiente para dar como resultado uniones de buena calidad. 

Una característica importante del uso de la química de la superficie del sustrato es la capacidad de controlar fácilmente la dosis superficial de los dopantes mediante la formación de una monocapa mixta de moléculas "vacías" y dopantes. Por ejemplo, se utiliza una mezcla de moléculas precursoras de boro y dodeceno (precursor "vacío" totalmente de carbono) en diferentes proporciones para manipular la dosis superficial de boro. ^{[ 1 ]} Además de la formación de la monocapa mixta, la dosis superficial se puede ajustar fácilmente utilizando los detalles de la estructura molecular del precursor dopante. Específicamente, la huella molecular del precursor rige directamente la concentración superficial de los dopantes, con moléculas más grandes que resultan en una dosis menor. En este sentido, utilizando óxido de trioctilfosfina (TOP) como precursor de fósforo con una huella molecular aproximadamente seis veces mayor que el DPP, la dosis de dopante se puede modular en una reducción de seis veces. ^{[ 1 ]} Además, los perfiles de dopaje se pueden ajustar fácilmente mediante la optimización de las condiciones de recocido. En este caso, la alta densidad de dopaje superficial con una marcada disminución espacial se puede obtener utilizando este método MLD con bajas temperaturas de recocido y tiempos cortos para la formación de USJ. ^{[ 2 ]} La capacidad de ajustar de forma controlada la dosis de dopante a través del diseño estructural del precursor y de controlar el perfil de dopante mediante las condiciones de recocido presenta un aspecto único del proceso MLD para lograr la dosis y el perfil de dopante deseados.

Actualmente, la industria está examinando esta tecnología para los contactos fuente/drenador USJ de futuros transistores a nanoescala basados ​​en Si y semiconductores compuestos III-V. ^{[ 6 ]}