単層ドーピング

半導体製造における単層ドーピング（MLD）は、 2007年にカリフォルニア大学バークレー校で初めて開発された、ウェハスケールでの表面ドーピング技術であり、十分に制御されています。 ^{[ 1 ]}この研究は、特にナノスケールにおいて、他の既存の技術では容易に得られない、原子レベルの精度で半導体材料の制御されたドーピングを実現することを目的としています。この技術は現在、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の高濃度ドープされたソース/ドレイン（S/D）コンタクトとして超浅接合（USJ）を作製したり、ナノ構造のドーパントプロファイルを可能にしたりするために使用されています。

この MLD 技術は、半導体の結晶性と自己制限的な表面反応特性を利用して、非常に均一な自己組織化共有結合ドーパント含有単分子膜を形成し、その後、ドーパントの取り込みと拡散のためのアニーリング工程を行います。^{[ 1 ]}単分子膜形成反応は自己制限的であるため、表面上のドーパント原子の被覆率は決定論的になります。MLD は、スピンオンドーパント (SOD) や気相ドーピング技術などの他の従来のドーピング技術とは、ドーパント量制御の点で異なります。MLD におけるこのような制御は、表面に共有結合したドーパントが自己制限的に形成されるため、はるかに精密です。一方、SOD はスピンオン酸化物の厚さ制御にのみ依存し、気相技術はドーパントガス流量の制御に依存します。したがって、MLD の優れた量制御により、結果として得られるドーパントプロファイルを正確に調整できます。イオン注入と比較して、MLDは半導体格子へのドーパント種の高エネルギー導入を伴わないため、結晶損傷は発生しません。イオン注入の場合、格子間原子や空孔などの欠陥が必然的に発生し、これらがドーパントと相互作用して接合プロファイルをさらに広げます。これは過渡的拡散（TED）として知られており、高品質のUSJの形成を制限します。また、イオン注入技術によって、二元系および三元系化合物半導体では、ドーパントの位置の確率的変動と深刻な化学量論的不均衡が生じます。これに対し、MLDではすべてのドーパント原子が結晶表面からバルクへと熱拡散し、ドーパントプロファイルは熱予算によって容易に制御できます。MLDシステムは限定ソースモデルに分類されるため、高い均一性と低い確率的変動を伴う制御されたUSJ製造に適しています。 MLDは優れたドーパントドーズ均一性と被覆性を兼ね備えているため、フィンFETやナノワイヤなどの非平面デバイスのドーピングに特に魅力的です。その結果、このMLD技術を使用することで、シリコン 中に高品質の5 nm以下の超浅接合が実証されています。 ^{[ 2 ]}低エネルギーイオン注入による遮蔽膜への注入とその後の拡散と比較すると、^{[ 3 ] [ 4 ]} MLD技術はより低い熱予算を必要とし、地形的特徴へのコンフォーマルドーピングを可能にします。

MLDプロセスは、従来の平面基板、ナノベルト、ナノワイヤなど、さまざまなナノ構造材料のp型およびn型ドーピングの両方に適用可能であり、これらは「ボトムアップ」または「トップダウン」のアプローチのいずれかで製造されるため、さまざまな用途に非常に汎用性があります。シリコンのp型ドーピングでは、ホウ素前駆体としてアリルボロン酸ピナコールエステルの共有結合で固定された単分子層が表面に形成され、n型ドーピングでは、リン前駆体としてジエチル1-プロピルホスホネートの単分子層が使用されます。^{[ 1 ]}例えば、USJ形成の場合、リンMLDと従来のスパイクアニーリングを組み合わせることで、非接触Rs測定（~5000 Ω/□）で記録的な5  nm接合（SIMS分解能限界の2 nmまで ）が報告されており、ドーパントプロファイルから予測された値と一致しています。^{[ 2 ]} 注目すべきは、 MLDプロセスが平衡ベースの拡散メカニズムを利用するため、ドーパントの約70 %が電気的に活性であることです。 ^{[ 2 ]}

シリコンに加えて、MLD は高品質の超浅接合を得るために、インジウムヒ素(InAs) などの化合物半導体にも適用されています。過去数年間、 III-V 族材料などの化合物半導体における成長後のドーパントプロファイルを決定論的に制御することは、注入とそれに続くアニーリング後の化学量論の回復を制御することの難しさから、うまく達成されていませんでした。これらの残留損傷は、化合物半導体における接合リークの増加とドーパント活性化の低下につながる可能性があります。硫黄ドーパントを用いた MLD 技術を利用すると、大きな欠陥密度なしに、InAs で約 3.5  nm/decade の急峻なドーパントプロファイルと、約 8–1018  cm−3 の高い電気的に活性な硫黄濃度が観察されます。^{[ 5 ]} MLD キャッピング層は、i) V 族元素の脱離を防ぎ、ii) ドーパント原子が周囲に失われるのを防ぎ、結果として高品質の接合が得られるように機能します。

基板表面化学を利用する重要な特徴は、「ブランク」分子とドーパント含有分子の混合単分子層を形成することで、ドーパントの面積線量を容易に制御できることである。例えば、ホウ素前駆体分子とドデセン（全炭素の「ブランク」前駆体）を異なる比率で混合することで、ホウ素の面積線量を操作できる。^{[ 1 ]}混合単分子層の形成に加えて、ドーパント前駆体の分子構造の詳細を利用することで、面積線量を容易に調整できる。具体的には、前駆体の分子フットプリントがドーパントの表面濃度を直接制御し、分子が大きいほど線量が低くなる。この点において、 DPPよりも約6倍大きい分子フットプリントを持つトリオクチルホスフィンオキシド（TOP）をリン前駆体として使用すると、ドーパント線量を6分の1に減らすことができる。^{[ 1 ]}さらに、アニーリング条件を最適化することで、ドーピングプロファイルを容易に調整できる。この場合、このMLD法を低いアニール温度と短い時間でUSJを形成することにより、空間的に急激に減衰する高い表面ドーピング密度が得られます。^{[ 2 ]}前駆体の構造設計によってドーパント量を制御可能に調整し、アニール条件によってドーパントプロファイルを制御できる能力は、望ましいドーパント量とプロファイルを達成するためのMLDプロセスのユニークな側面です。

この技術は現在、SiおよびIII-V族化合物半導体をベースとした将来のナノスケールトランジスタのUSJ S/Dコンタクト向けに業界で検討されている。^{[ 6 ]}