Lors de la fabrication de circuits intégrés et de différents types de dispositifs à base de silicium, les chercheurs doivent positionner les nanostructures de dopant de manières spécifiques avec des niveaux de précision élevés. Cependant, l'agencement de ces structures à l'échelle nanométrique peut être difficile, car leur petite taille les rend difficiles à observer et à examiner de près. Les falsifier de manière incorrecte peut avoir des effets néfastes, ce qui peut potentiellement compromettre le fonctionnement général et la sécurité d'un appareil.

Avec ça en tête, chercheurs de l'Université Johannes Kepler (JKU), Laboratoires de technologies Keysight, University College London (UCL), et IBM Research ont récemment entrepris de développer une technique d'imagerie à l'échelle nanométrique qui peut être utilisée pour observer des nanostructures de dopant dans des dispositifs à base de silicium avec une grande précision. La méthode qu'ils ont développée, présenté dans un article publié dans Nature Électronique , est le résultat de plusieurs années de recherche, suite à un projet conjoint Marie Curie-UE qui a démarré en 2016.

"Chez JKU et Keysight Technologies Labs, je travaillais sur le développement de nouvelles techniques de caractérisation à l'échelle nanométrique qui peuvent examiner les propriétés électriques à l'échelle nanométrique de petites caractéristiques sous la surface d'un matériau, "George Gramse, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « La grande question pour nous était :jusqu'où pouvons-nous aller ou à quelle profondeur pouvons-nous regarder et voir encore des dopants ou d'autres caractéristiques conductrices ? La question de nos collègues du London Centre for Nanotechnology (LCN) et d'IBM qui ont rejoint l'équipe un peu plus tard, c'était exactement le contraire :où sont nos structures de dopant ? Sont-elles là où elles devraient être, et sont-ils activés et conducteurs ?"

Les chercheurs de JKU et de Keysight Technologies Labs ont développé des méthodes permettant de créer des nano-motifs de couches de dopants atomiquement minces de type n (phosphore) et de type p (bore) dans du silicium, ainsi que leurs jonctions p-n résultantes. Cela a été fait en étroite collaboration avec des experts en nanotechnologie de l'UCL et d'IBM.

Jusque là, les chercheurs n'ont pas trouvé une seule technique capable de mesurer l'emplacement en 3D et les caractéristiques électriques des nanostructures de dopant dans les dispositifs en silicium tout en collectant des informations sur la dynamique de charge des porteurs et des charges piégées dans leur environnement. Pour y parvenir, Gramse et ses collègues ont utilisé une technique appelée microscopie à force électrostatique à large bande. Cette méthode peut collecter des images avec une résolution plus élevée que celles collectées à l'aide de techniques d'imagerie standard et elle est également non destructive, ce qui signifie qu'il n'endommage pas un appareil lors de la collecte des mesures.

"Notre technique se résout latéralement à 10 nm, même si une entité est enfouie à 15 nm sous la surface, et détecte la signature capacitive des charges souterraines à des fréquences comprises entre 1 kHz et 10 GHz, " Dit Gramse. " L'un de ses inconvénients, partagée par d'autres techniques à l'échelle nanométrique, c'est que pour donner cette haute résolution, il faut une surface propre et relativement plate."

Gramse et ses collègues ont été parmi les premiers à développer une technique capable d'extraire avec succès des informations quantitatives sur la profondeur et le profil de dopant des nanostructures dans les dispositifs en silicium. La méthode qu'ils ont utilisée leur a également permis de recueillir des informations sur la dynamique des porteurs et des charges piégées autour de ces structures. Ces informations peuvent finalement aider à déterminer s'il y a des pièges dans le dispositif au silicium, ce qui peut gêner le mouvement des dopants à l'intérieur.

« Je vois de nombreux champs d'application possibles pour notre technique, " a déclaré Gramse. " Nous allons maintenant continuer à étudier l'imagerie fonctionnelle des dispositifs de dopage. L'étude de la dynamique des processus électriques à l'échelle nanométrique est également d'un grand intérêt pour l'électrochimie et les matériaux énergétiques, ce sera donc un autre sujet sur lequel nous concentrer dans nos futurs travaux. »

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