Strategie innovative per il doping conforme di semiconduttori

This thesis is focused on the study of a doping strategy, called Molecular Doping, for the conformal doping of micro- and nano- structures. The doping method consists in the deposition from the liquid phase of dopant-containing molecules, called precursors, on the samples to be doped. During the deposition, the molecules form a self-assembled layer, which acts as the dopant source. Samples are then treated with an annealing process in order to decompose the molecules and diffuse the dopant atoms inside the substrate. The first part of this thesis’ work has been centered around two aspects: (i) the precursor-molecule layer formation during the deposition step in relation to the final electrical properties of the samples and (ii) the influence of the deposition parameters on the dynamics of the molecule self-assembly. The precursor molecule used for these studies is the Diethyl-Propyl-Phosphonate (DPP) molecule, which contains one atom of phosphorus. (i) The first aspect has been studied by investigating the molecular surface coverage over time of the precursor molecule on Si. The samples were analyzed morphologically by high resolution field emission gun - Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM). After the annealing process, the samples’ electrical properties were measured by Spreading Resistance Profiling (SRP). These data are presented together with Density Functional Theory (DFT) simulations of the DPP-Si system. The results give insight to the type of bonds involved in the DPP-Si system, and how these influence the final electrical properties of MD doped samples. (ii) The second aspect has been investigated by analyzing data of the nucleation rate and the surface coverage of the precursor molecule in relation to the final electrical properties of doped samples. The as-deposited samples have been analyzed morphologically by high-resolution SEM, with the extraction of data on nucleation rate and surface coverage. These data have been presented together with Four Points Probe electrical data on the sheet resistance of cleaned samples. By comparing these results, we have identified the key elements playing a role during the DPP deposition: the physisorption and chemisorption mechanisms and their mutual competition. In the last part of this thesis, we carried out a preliminary study for the application of MD to SiC substrates. The idea is to use of a Ni layer to enhance the outdiffusion of Si atoms from the SiC substrate, thus creating vacancies and lowering the needed thermal budget to stimulate diffusion in the SiC lattice. To evaluate the possibility of including the Ni layer deposition into the MD process, first a study on the Si-DPP-Ni system has been carried out. We performed the analysis by Transmission Electron Microscopy (TEM) and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). These data revealed the Si behaviour in presence of a Ni layer during the annealing step of the MD process. A future work will foresee the prosecution of the feasibility studies through simulations of the Si outdiffusion behavior. The results shown in this thesis will give insight on the DPP behaviour on Si substrate, and therefore, a finer tuning of the conductive properties of MD-doped samples can be achieved In addition this work will add to the understanding of other technological processes based on molecule-surface interactions like molecular electronics and molecular contact doping, especially for nano-architectures, hollow structures and devices based on nanoscale doped structures. A future work foresees the investigation of the role of the molecule’s chemical and physical properties (molecular structure, steric footprint, etc.), substrate orientation, and - when applied to high-density nanostructures - their surface density.

Questa tesi è incentrata sullo studio di una strategia di doping, chiamata Doping Molecolare, per il doping conforme di micro e nano-strutture. Il metodo di doping consiste nella deposizione da fase liquida di molecole contenenti il drogante, chiamate precursori, sui campioni da drogare. Durante la deposizione, le molecole formano uno strato auto-assemblato, che agisce come sorgente di drogante. Successivamente, i campioni vengono sottoposti a un processo termico al fine di decomporre le molecole e diffondere gli atomi di drogante all'interno del substrato. La prima parte di questa tesi si è concentrata su due aspetti: (i) la formazione dello strato di molecole precursori durante la fase di deposizione in relazione alle proprietà elettriche finali dei campioni e (ii) l'influenza dei parametri di deposizione sulla dinamica dell'auto-assemblaggio molecolare. La molecola precursore utilizzata per questi studi è la Diethyl-Propyl-Phosphonate (DPP), che contiene un atomo di fosforo. (i) Il primo aspetto è stato studiato investigando la copertura superficiale nel tempo della molecola precursore su Si. I campioni sono stati analizzati morfologicamente mediante microscopia elettronica a scansione (FEG-SEM) ad alta risoluzione. Dopo il processo di annealing, le proprietà elettriche dei campioni sono state misurate mediante Spreading Resistance Profiling (SRP). Questi dati sono corroborati da simulazioni di Density Functional Theory (DFT) del sistema DPP-Si. I risultati forniscono una comprensione del tipo di legami coinvolti nel sistema DPP-Si e di come questi influenzino le proprietà elettriche finali dei campioni drogati con MD. (ii) Il secondo aspetto è stato studiato analizzando i dati del tasso di nucleazione e della copertura superficiale della molecola precursore in relazione alle proprietà elettriche finali dei campioni drogati. I campioni sono stati analizzati morfologicamente subito dopo la fase di deposizione mediante SEM ad alta risoluzione, estraendo i dati sul tasso di nucleazione e la copertura superficiale del DPP. Questi dati sono stati presentati insieme ai dati elettrici di misure a 4 punte sulla resistenza superficiale dei campioni puliti. Confrontando questi risultati, sono stati identificati gli elementi chiave che giocano un ruolo durante la deposizione del DPP: i meccanismi di fisi-sorbimento e chemi-sorbimento e la loro competizione. Nell'ultima parte di questa tesi, è stato effettuato uno studio preliminare sull'applicazione del MD a substrati di SiC. L'idea è quella di utilizzare uno strato di Ni per migliorare la diffusione degli atomi di Si dal substrato di SiC verso l’esterno, creando così vacanze nel substrato e riducendo il budget termico necessario per stimolare la diffusione del drogante nella struttura di SiC. Per valutare la possibilità di includere la deposizione dello strato di Ni nel processo del MD, è stato prima condotto uno studio sul sistema Si-DPP-Ni. Abbiamo effettuato l'analisi tramite Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM) e Spettroscopia di Perdita di Energia di Elettroni (EELS). Questi dati hanno rivelato il comportamento del Si in presenza di uno strato di Ni durante la fase di annealing del processo di MD. Un futuro lavoro prevederà il proseguimento degli studi di fattibilità attraverso simulazioni del comportamento di diffusione verso l’esterno del Si. I risultati presentati in questa tesi rappresentano un approfondimento sul comportamento del DPP sul substrato di Si per cui, quindi, sarà possibile ottenere un tuning più preciso delle proprietà conduttive dei campioni drogati tramite MD. Inoltre, i risultati di questo lavoro contribuiranno alla comprensione di altri processi tecnologici basati sull'interazione tra molecole e superficie, come l'elettronica molecolare e il doping molecolare da contatto, specialmente per nanoarchitetture, strutture cave e dispositivi basati su strutture drogate a livello nanometrico. Un futuro lavoro prevede l'indagine sul ruolo delle proprietà chimico-fisiche della molecola (struttura molecolare, ingombro sterico, ecc.), sull'orientamento cristallografico della superficie del substrato e - se applicato a nanostrutture ad alto impacchettamento - sulla loro densità superficiale.