Focused ion beam implantation as a tool for the fabrication of nano electromechanical devices

Abstract

La tesi doctoral titulada “Focused ion beam implantation as a tool for the fabrication of nano electromechanical devices” aborda el repte de la fabricació de ressonadors nano-mètrics des d’una nova òptica basada en la implantació iònica mitjançant un feix de ions focalitzat (FIB). Aquest nou mètode permet fabricar nano-dispositius suspesos funcionals, des del punt de vista elèctric i mecànic, sense necessitat d’utilitzar resina d’una forma i) ràpida i simple, només son necessàries tres etapes de fabricació; ii) flexible, permet definir dispositius amb gran llibertat geomètrica; iii) alta resolució, es demostra la fabricació de dispositius suspesos de 4 μm de longitud per 10 nm de diàmetre; iv) reproduïble i v) compatible amb la tecnologia CMOS.

Partint d’un xip de silici o SOI (silici - diòxid de silici - silici), el mètode de fabricació comença amb un procés d’implantació FIB on es defineixen les estructures i les connexions elèctriques del dispositiu. El segon pas consisteix en el gravat humit del silici, on s’ataca el silici que no està protegit per la implantació FIB, permetent la suspensió o alliberació dels dispositius. En aquest estadi, on les estructures ja estan definides, el silici és amorf, conté gal·li i no és elèctricament funcional (ρ ~1 Ω·m). El darrer pas consisteix en un tractament tèrmic a alta temperatura fins a 1000ºC, en ambient de nitrogen i amb un precursor sòlid de bor on es propicia la recristal·lització del silici formant nano-cristalls, dopar el silici amb bor (tipus p) i eliminar el gal·li. Aquest tractament a alta temperatura, on les estructures no son oxidades, permet obtenir dispositius elèctricament funcionals (ρ ~10-4 Ω·m).

Els principals resultats obtinguts es poden classificar en tres àmbits:

Investigació de l’efecte de la implantació amb ions gal·li en el silici, pel que fa tant a aspectes de processament com de propietats nanoelectromecàniques del material.

En aquest treball hem caracteritzat l’estructura del material en les diferents etapes de fabricació i hem caracteritzat elèctrica i electromecànicament els dispositius finals obtinguts pel mètode descrit.

Desenvolupament i optimització del procés de fabricació, especialment pel que respecte al control de dimensions i a la combinació amb altres processos

Es mostra el treball realitzat en la optimització dels diferents paràmetres de fabricació, des de la posta a punt de la dosi d’ions fins a la selectivitat del gravat. A través del disseny de les estructures es pot establir estratègies per controlar i minimitzar els efectes d’”under-etching” en el silici, a través de la definició d’estructures de compensació, i també evitar el col·lapse de les estructures més llargues, degut a les tensions superficials que es produeixen durant els processos de gravat humit, fabricant pilars per sostenir les estructures.

Aquest mètode de fabricació permet obtenir dispositius a mida convertint-lo en una eina versàtil de prototipatge i de fabricació petites quantitats, que permet aconseguir dispositius de dimensions nano-mètriques per a l’experimentació acadèmica i científica.

Investigació de les propietats electròniques, mecàniques i electromecàniques dels dispositius, i concretament en el cas de nanofils de silici suspesos que es poden aplicar com a ressonadors mecànics d’altra freqüència o transistors d’un sol forat.

Hem pogut fabricar ressonadors de diferents geometries que ens ha permès estudiar i demostrar la relació que existeix entre la simetria/asimetria dels dispositius i el senyal piezoresistiu mesurat durant la transducció electromecànica. Hem investigat i fabricat transistors d’efecte camp ultra-fins (10 ~ 15 nm) i transistors suspesos on les característiques elèctriques a baixa temperatura mostren efectes de “Coulomb blockade” gracies als nano-cristalls que es formen, dins dels nano-fils de silici suspesos, durant l’etapa de tractament tèrmic.

The thesis entitled “Focused ion beam implantation as a tool for the fabrication of nano electromechanical devices” aboard the challenge of the fabrication of nanometric resonators from a new approach based on ion implantation by a focused ion beam (FIB) . This new method allows the fabrication of functional suspended nanodevices, from the electrical and mechanical point of view, without using any resist. This method is i) fast and simple, where only three steps are needed; ii) flexible, it is feasible the definition of structures of different shape; iii) high resolution, it is demonstrated the fabrication of 4 μm length and 10 nm diameter suspended devices; iv) reproducible and v) CMOS compatible.

The starting point is a silicon or SOI (silicon – silicon dioxide – silicon) chip. The fabrication approach starts with a FIB implantation process where the structures and the electrical connections of the device are defined. The second step consists on silicon wet etching, where silicon that is not protected by the FIB implantation is etched, allowing the release of the devices. The defined structures are made of amorphous silicon, they contains gallium and they are not functional electrically (ρ ~1 Ω·m). The last step consists on diffusive boron doping at high temperature (up to 1000ºC) in a boron environment, where it is promoted the recrystallization of silicon forming nanocrystals, the boron doping (p type) of silicon and the removal of gallium. In this last step at high temperature the structures are not oxidized obtaining electrically functional devices (ρ ~10-4 Ω·m).

The principal results can be classified in three areas:

Investigation of the effect of gallium ion implantation onto silicon from the process and nanoelectromechanical material properties point of view.

In this work the material structure in the different fabrication steps has been characterized, as well as the electrical and electromechanical properties of the final devices obtained by the described method.

Development and optimization of the fabrication process, especially controlling the dimensions and the combination with other fabrication processes.

The work done in the optimization of the different fabrication parameters are shown, from the tuning of the ion dosage to the etching selectivity. It is possible to stablish design strategies to control and minimize the under-etching effects onto silicon, as well as to avoid the collapse of long structures, that are the result of the superficial sticking produced during the wet etching processes, by the fabrication of sustaining posts.

That method permits to obtain customized devices. It is a versatile prototyping method that allows the fabrication of small batches of devices of nanometric dimensions that can be employed for the scientific and academic experimentation.

Investigation of the electronical, mechanical and electromechanical properties of the devices, specifically suspended silicon nanowires that can be employed as high frequency mechanical resonators or single hole transistors.

We fabricated resonators of different geometries for the study and demonstration of the relation between the geometrical symmetry/asymmetry of the devices and the piezoresistive signal measured during the electromechanical transduction. We investigated and fabricated ultra-thin field effect transistors (10 ~ 15 nm) and suspended transistors that exhibits Coulomb blockade electrical characteristics at low temperature thanks to the nanocrystals that are grown during the high temperature fabrication step.