[论文解读] The effect of low-energy ion-implantation on the electrical transport properties of Si-SiO2 MOSFETs

Dane R. McCamey, Matthew Francis+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2004

Semiconductor materials and devices参考文献 16被引用 9

一句话总结

本研究通过低温直流输运测量，调查了在5nm热氧化硅层上的Si-SiO2 MOSFET中进行低能磷离子注入对电学活性陷阱的影响。结果表明，每个注入的P离子因电离施主而贡献0.08 ± 0.03个额外陷阱，而非注入损伤所致；在2×10¹² cm⁻²的注入剂量下，施主激活率接近100%，证实了其在单原子量子器件中的可行性。

ABSTRACT

Using silicon MOSFETs with thin (5nm) thermally grown SiO2 gate dielectrics, we characterize the density of electrically active traps at low-temperature after 16keV phosphorus ion-implantation through the oxide. We find that, after rapid thermal annealing at 1000oC for 5 seconds, each implanted P ion contributes an additional 0.08 plus/minus 0.03 electrically active traps, whilst no increase in the number of traps is seen for comparable silicon implants. This result shows that the additional traps are ionized P donors, and not damage due to the implantation process. We also find, using the room temperature threshold voltage shift, that the electrical activation of donors at an implant density of 2x10^12 cm^-2 is ~100%.

研究动机与目标

• 在低温条件下表征Si-SiO2 MOSFET中由注入引起的电学活性陷阱。
• 确定磷或硅离子注入是否在Si-SiO2界面区域增加陷阱密度。
• 评估低注入剂量下注入施主的电学激活效率。
• 评估低能离子注入与未来单电子及量子计算器件的兼容性。
• 区分陷阱形成是源于施主电离还是注入引起的损伤。

提出的方法

• 在5nm热生长SiO2栅氧化层的MOSFET上进行4.2 K低温直流电导率和霍尔测量。
• 通过μ vs. n（迁移率与载流子密度）分析，利用μ vs. log(n)在n_crit以上的线性外推法提取临界密度（n_crit），将其解释为陷阱密度。
• 通过室温阈值电压偏移测量确定激活施主密度，使用ΔV_th = q × n_act / C_imp公式，其中C_imp由氧化层和硅层电容计算得出。
• 采用δ掺杂近似模型模拟注入深度，并验证阈值电压偏移计算结果。
• 使用文献中的离子分布模型估算位于Si-SiO2界面10nm以内的离子比例，该区域为电子波函数局域化的位置。
• 比较P注入和Si注入器件的陷阱密度，以分离电离施主与注入损伤对陷阱密度的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 低能磷离子注入在4.2 K下如何影响Si-SiO2 MOSFET中电学活性陷阱的密度？
• RQ2 所观察到的陷阱是源于电离磷施主还是注入引起的损伤？
• RQ3 在低注入剂量下，注入磷施主的电学激活效率如何？
• RQ4 注入离子相对于Si-SiO2界面的空间分布如何影响电子输运与陷阱形成？
• RQ5 离子注入能否可靠地用于制造单原子量子器件，且对陷阱干扰最小化？

主要发现

• 每个注入的磷离子在低温下贡献0.08 ± 0.03个电学活性陷阱，表明电离施主是陷阱的主要来源。
• 硅注入仅产生0.009 ± 0.005个额外陷阱/离子，表明其对陷阱密度的影响远小于磷注入。
• 额外陷阱归因于电离P施主而非注入损伤，这一结论得到以下证据支持：快速退火后陷阱密度未增加，且陷阱密度与注入剂量呈线性相关。
• 在注入剂量为2×10¹² cm⁻²时，施主激活率接近100%，在5×10¹² cm⁻²时下降至约60%。
• 未注入器件的测量陷阱密度为2.1 ± 0.3 × 10¹¹ cm⁻²，对应陷阱间距为21.8 ± 1.7 nm，与Kane量子计算机方案中20nm的量子比特间距相当。
• 临界密度随P注入剂量线性增加，与约10%的离子位于界面10nm以内（电子波函数局域化区域）一致，可解释观测到的散射效应和迁移率降低。