Ga+ FIB-Implantation und selektives nasschemische Ätzen für 3D-Nanostrukturen

Maskierungseffekte in Silizium während des nasschemischen und des Trockenätzens können erzielt werden, indem das Si-Substrat durch Implantation hoch dotiert oder mit Ionenstrahlen gezielt modifiziert wird. Der Maskierungseffekt tritt z.B. ein, wenn man eine mit Bor hochdotierte p⁺-Schicht erzeugt. Der gleiche Effekt wird bei entsprechender Dotierung mit Gallium erzielt. Für die Nano-Strukturierung von Si ohne die Verwendung lithografischer Schablonen ist Ga von besonderem Interesse, da dieses Element als Ion in den meisten FIB-Anlagen zur Verfügung steht. Die Ga⁺-FIB-Bestrahlung von Halbleitern für verschiedenste Anwendung ist heute eine etablierte Technik, wobei eine Fokusierung des Ionenstrahls von ca. 10 nm erreicht wird. Durch Kombination einer lokalen Ga⁺-FIB-Implantation in (100)Si mit nachfolgendem anisotropen und selektiven Nassätzen (z.B. in KOH) lassen sich 3D-Siliziumstrukturen mit Abmessungen im nm-Bereich herstellen. Dabei wird die starke Reduzierung der Ätzrate an den Ga⁺-FIB implantierten Gebieten bei Ga-Konzentrationen > 5x10¹⁹ cm^-3 ausgenutzt.

Abbildung: Tiefenprofile von Ga in Si als Funktion der Ionenfluenz. Die Selektivität der Ätzrate wird ab einer kritischen Ga-Konzentration von 5x10¹⁹ cm^-3 stark erhöht.

Abbildung: Freitragende Ga-dotierte (p⁺⁺) Si-Nanodrähte zwischen zwei Kontaktflächen. Es lassen sich Drähte mit Breiten < 200 nm und einer Dicke von ca. 30-50 nm herstellen (linkes und mittleres Bild). Si-Nanodüsen hergestellt durch Ga-FIB-Punktbestrahlung und Nassätzen eine dünnen Si-Membran (rechtes Bild). Die Dicke der Düsenwände ist kleiner als 50 nm.

 

Herstellung & Untersuchung freitragender Si Nanodrähte

In der modernen Silizium basierten Technology spielt die monolithische Integration nano-elektro-mechanischer Systemelemente (NEMS) in microelektronische Komponenten eine immer bedeutendere Rolle. Strukturen, wie Nanodrähte, Brücken oder Cantilever sind wichtige Bestandteile für dieses Ziel. NEMS zeigen eine extreme Sensibilität gegenüber Temperatur, Kraft oder aufgebrachte Masse. Daher sind die Gestaltung, die Materialbearbeitung und die Integration große Herausforderungen für zukünftige Nanotechnologien. Die enorme Flexibilität dieses Strukturierungsprozesses und das direkte Desing mit einer räumlichen Auflösung in der Größe von 10 nm, die in modernen FIB-Anlagen erreichte werden, sind ein großer Vorteil für die Herstellung frei tragender und halbleitender Nanostrukutren gegenüber anderen Verfahren.

Technik

Mittels lokaler Ga⁺ FIB-Implantion wurden Si Nanodrähte hergestellt. Nach dem anschließendem selektiven und anisotropen Ätzen sind die Drähte frei tragend über dem vergrabenem Oxid des silicon-on-insulator (SOI) Substrates.

Abbildung: Schematische Illustration des Nanodraht-Herstellungsvorgangs.

Kontrollierte Herstellung

Die Linienfluenz Φ_L wurde zwischen 10¹¹ und 4 x 10¹² cm^-1 variiert; dies resultierte in verschiedenen Nanodrahtbreiten auf Grund des Intensitätsprofils des FIBs. Die Dicke der Nanodrähte kann zu 54 nm von der Tiefe des Implantationsprofiles von keV Ga⁺-Ionen in Si und von der kritischen Ga-Koncentration für den Ätzstopp abgeschätzt werden. Der geschätzte Wert von 54 nm ist in guter Übereinstimmung mit FIB-Querschnittsmessungen (55 nm). Nanodrähte mit Breiten zwischen 20 und 200 nm können hergestellt werden.

Abbildung: REM-Bild von Nanodrähten, die mit einem Ionenstrahlstrom von 10 pA hergestellt wurden. Φ_L nimmt von 4 x 10¹² zu 10¹¹ cm^-1 von links nach rechts ab, ersichtlich durch die sinkende Drahtbreite.

Die Nanodrahtbreite steigt mit ansteigender Linienfluenz. Qualitativ kann die Abhängigkeit der Drahtbreite von Φ_L in zwei Gebiete aufgteilt werden: für Φ_L < 10¹² cm^-1 steigt die Breite rapide; danach wirde der Zusammenhang näherungsweise linear.

Abbildung: Breite der Si Nanodrähte als Funktion der implantierten Linienfluenz. Die Werte wurden mit unterschiedlichen Ionentrahlströmen und Strahlfleckdurchmessern bestimmt.

Kombiniert man die Näherung des FIB Intensitätsprofils durch zwei Gaußkurven mit SRIM/TRIM-Simulationen, kann man der Zusammenhang zwischen Drahtbreite und Linienfluenz reproduziert werden (durchgezogene Linie im oberen Bild), in dem man Implantationsprofile berechnet und diese hinsichtlich des Überschreitens der kritischen Ga-Konzentration für das Einsetzen des Ätzstopps untersucht.

Abbildung: Querschnitt des Implantationsprofils eines Si Nanodrahtes mit farblich gekennzeichneter Ga-Konzentration. Die durchgezogene Linie zeigt die Ga-Konzentration von rund 4 x 10¹⁹ cm^-3 für das Einsetzen des Ätzstopps.

 

Elektrische Eigenschaften

Zwei-Punkt-Messungen der Nanodrähten wurden bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Die Nanodrähte zeigten ein halbleitendes Verhalten im Temperaturbereich zwischen -15 und 95 °C (Abbildung (a)). Der spezifische Widerstand sinkt rapide für ansteigende Linienfluenzen Φ_L (auf Grund des Oberflächen zu Volumen Verhältnissen) und geht für höher Φ_L in Sättigung über (Abbildung (b)). Der spezifische Widerstand sinkt rapide für tiefere Temperaturen bis zu 50 K (Abbildung (c)).

Abbildung: Elektrische Eigenschaften von Nanodrähten (a) I-U Kennlinien zwischen -15 und 95 °C. (b) Drahtwiderstand als Funktion der Linienfluenz. (c) Widerstand als Funktion der Temperatur für tiefere Temperaturen.

Der spezifische Widerstand der Nanodrähte kann mit Hilfe der Herstellungsparameter zielgerichtet eingestellt werden.