Fabrication of a nanometric multigate field-effect transistor for quantum clock application

The purposes of this master thesis are the design and the fabrication of a multigate nanometric field-effect transistor on an intrinsic, thin silicon-on-insulator substrate with single atom doping of bismuth near the channel, for quantum clock applications. Final goal of this project is to be able to detect the charge state of single donor at 4K using the channel as an electrostatic detector, and in this thesis in particular the fabrication steps have been carried on. Starting from an intrinsic substrate, a doping procedure involving phosphorous spin-on-dopant and rapid thermal annealing has been initially tuned, to achieve high doping on different areas, for transistor source and drain doping. Dopant atoms’ concentration has been measured by electrical characterization at room and low temperatures, and composition depth profiling by ToF-SIMS measurement. Design of transistors has then been optimized and realized on Si and SOI substrates using a combination of the e-beam lithography, dry etching and e-beam evaporation tools. Selective doping on source and drain has then been performed, using both spin-on-dopant and ion implantation, followed by single atom doping through ion implantation.

Gli scopi di questa tesi magistrale sono il design e la fabbricazione, su un substrato sottile di silicon-on-insulator, di un field-effect transistor con due gate e singoli atomi di bismuto impiantati vicino al canale, per applicazioni di quantum clock. Lo scopo generale di questo progetto di ricerca è il monitoraggio dello stato di carica del singolo donore utilizzando il canale del dispositivo come un detector, in particolare in questa tesi vengono studiati e descritti i processi specifici volti a ottimizzare la struttura finale del transistor. Poiché il substrato di partenza era intrinseco, inizialmente è stata messa a punto una procedura di doping tramite spin-on-dopant e rapid thermal annealing, per ottenere elevato drogaggio su substrati diversi. La concentrazione di donori è stata misurata tramite caratterizzazioni elettriche a temperatura ambiente e bassa temperatura, e misure ToF-SIMS tramite le quali si è studiata la diffusione del fosforo nel silicio. Una volta messa a punto tale procedura, il transistor è stato progettato e realizzato, su diversi substrati, utilizzando una combinazione di litografia elettronica, dry etching ed evaporazione con fascio elettronico. Il source e il drain del transistor sono stati poi drogati selettivamente, testando sia la procedura con lo spin-on-dopant che l’impiantazione di ioni di fosforo. Infine, i singoli atomi di bismuto sono stati impiantati nei campioni.