ES2945184T3 - Un método para la incorporación selectiva de átomos dopantes en una superficie semiconductora - Google Patents

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Abstract

La presente divulgación está dirigida a una metodología para incrustar un número determinista de átomos dopantes en una parte de la superficie de una red de semiconductores del grupo IV. La metodología comprende los pasos de: formar uno o más sitios litográficos en la porción superficial; dosificar, a una temperatura por debajo de 100 K, la parte de la superficie usando un gas con moléculas que comprenden el átomo dopante y átomos de hidrógeno de tal manera que una parte de las moléculas se une a la parte de la superficie; e incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo transfiriendo una cantidad de energía a los átomos dopantes. El número de átomos dopantes incorporados en un sitio litográfico es determinista y está relacionado con el tamaño del sitio litográfico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un método para la incorporación selectiva de átomos dopantes en una superficie semiconductora
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para incorporar átomos dopantes (adulterantes) en una superficie semiconductora. En particular, la presente invención se refiere a un método para incorporar de manera determinista dopantes de una fuente gaseosa en un cristal semiconductor.
Antecedentes de la invención
Un camino prometedor hacia la construcción de un circuito de computación cuántica con corrección de errores requiere aprovechar las propiedades cuánticas de los átomos donantes únicos incrustados en la red cristalina de un semiconductor para crear cúbits (bits cuánticos). Este enfoque implica la fabricación átomo por átomo de estructuras donantes en silicio y requiere precisión atómica.
La patente de los Estados Unidos n.° 7.097.708, que se incorpora en el presente documento como referencia, describe una técnica para incorporar átomos en silicio haciendo crecer silicio sobre una superficie dopada, después de desorber el hidrógeno pasivante. Se utiliza un microscopio de efecto túnel (STM) para eliminar localmente el hidrógeno de una superficie de Si(001) pasivada, seguido de la dosificación con fosfina gaseosa y la posterior encapsulación mediante epitaxia de haz molecular de silicio. Después de la dosificación, y antes de la encapsulación, se realiza un recocido térmico para incorporar los átomos dopantes a la superficie.
Para fabricar un gran circuito de computación cuántica con corrección de errores utilizando este enfoque, es importante que el proceso de incorporación del dopante sea reproducible y que el número de átomos incorporados se pueda decidir de manera determinista para cada sitio litográfico. Aunque se han demostrado dispositivos dopantes únicos, la naturaleza probabilística del proceso de incorporación de fósforo dificulta la ampliación a arquitecturas con una gran cantidad de cúbits de donantes únicos utilizando la tecnología actual.
Sumario de la invención
Las realizaciones de la invención se refieren a un enfoque escalable para fabricar un gran circuito de computación cuántica con corrección de errores que evita la naturaleza probabilística de la absorción y disociación de dopantes, lo que permite incorporar de manera determinista uno o más átomos de dopantes en ubicaciones específicas en el silicio.
Según el primer aspecto, la presente invención proporciona un método para incrustar un número determinista de átomos dopantes en una parte de la superficie de una red de semiconductores del grupo IV, comprendiendo el método las etapas de:
a) formar uno o más sitios litográficos en la parte de la superficie;
b) dosificar, a una temperatura por debajo de 100 K, la porción de superficie usando un gas con moléculas que comprenden el átomo dopante y átomos de hidrógeno de tal manera que, una porción de las moléculas se une a la porción de superficie; y
c) incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo transfiriendo una cantidad de energía a los átomos dopantes;
en donde el número de átomos dopantes incorporados en un sitio litográfico es determinista y está relacionado con el tamaño del sitio litográfico.
En realizaciones, mientras que algunos de los átomos dopantes se incorporan en su sitio litográfico respectivo, los átomos que no se incorporan se liberan de la parte de la superficie. En realizaciones, la parte superficial de una red de semiconductores del grupo IV es una parte de silicio cristalino puro.
En realizaciones, las moléculas en el gas de dosificación contienen fosfina (PH3) y el proceso de dosificación se realiza de tal manera que la parte de la superficie se satura con moléculas de PH3 y solo las moléculas de PH3 se absorben y se unen con la parte de la superficie en los sitios litográficos.
En algunas realizaciones, el proceso de dosificación se realiza a una temperatura tal que se evita la disociación de PH3 en PH2 , por ejemplo por debajo de 40 K. En realizaciones alternativas, el proceso de dosificación se realiza a una temperatura tal que la disociación de PH3 en PH2 se produce espontáneamente, por ejemplo a 77 K.
Los sitios litográficos pueden tener diferentes configuraciones. Por ejemplo, los sitios pueden ser sitios atómicos de silicio de 1 por 1, parches de dímero de silicio de 2 por 1, parches de dímero de silicio de 3 por 1, parches de dímero de silicio de 4 por 1 o parches de dímero de silicio de 5 por 1. En algunos casos, los sitios litográficos pueden ser parches de dímero de silicio de 2 por 2, parches de dímero de silicio de 3 por 2, parches de dímero de silicio de 4 por 2 o parches de dímero de silicio de 5 por 2. Los sitios litográficos también pueden tener otras configuraciones.
Usando la metodología descrita en el presente documento, el número de átomos incorporados en cada sitio litográfico solo depende del tamaño y la configuración del sitio litográfico y puede controlarse de manera determinista.
En algunas realizaciones, los sitios litográficos son parches de dímero de silicio de 3 por 1 y la etapa de incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo comprende la etapa de recocer la parte de la superficie de tal manera que los átomos dopantes individuales de una primera porción de las moléculas unidas se incorporan en sitios litográficos respectivos en la parte superficial; y una segunda porción de las moléculas unidas se libera de la parte superficial.
Cada dímero de silicio de 3 por 1 puede unirse con seis moléculas de PH3. Las moléculas de PH3 enlazadas pueden perder un átomo de hidrógeno durante la unión. Durante la etapa de recocido, las moléculas de PH2 se unen con un átomo de hidrógeno adicional y se liberan de la parte de la superficie.
En realizaciones, la etapa de recocer la parte de la superficie se realiza en dos fases: una primera fase durante la cual las moléculas de PH3 unidas pierden un átomo de hidrógeno para formar una pluralidad de moléculas de PH2 unidas a la superficie; una segunda fase durante la cual las moléculas de PH2 unidas pierden sus dos átomos de hidrógeno a otras moléculas de PH2 y un solo átomo de P se incrusta en un solo parche de dímero de silicio de 3 por 1.
La configuración de la superficie con una pluralidad de moléculas de PH2 unidas se favorece energéticamente frente a la configuración con moléculas de PH3 unidas a la superficie.
La fuerza de enlace entre las moléculas de PH2 y los átomos de silicio de la parte de la superficie puede ser mayor que la fuerza de enlace entre las moléculas de PH3 y los átomos de silicio de la parte de la superficie.
La primera fase de recocido se puede realizar, por ejemplo, retirando la muestra durante un período de tiempo del entorno de deposición y exponiéndola a temperatura ambiente. La segunda fase de recocido se puede realizar mediante recocido térmico rápido (RTA) a una temperatura comprendida entre 200 °C y 400 °C.
En realizaciones, alternativamente a la realización de etapas de recocido, la incorporación de uno o más átomos dopantes en el sitio litográfico respectivo se realiza colocando la punta de un microscopio de efecto túnel sobre una de las moléculas y transfiriendo una cantidad de energía a los átomos dopantes a través de la punta.
En realizaciones, la energía a los átomos dopantes se proporciona aplicando una corriente a los átomos dopantes y la superficie semiconductora a través de la punta del microscopio de efecto túnel mientras la punta se coloca cerca del átomo dopante.
En una realización, para aplicar la corriente a través de la punta, se desactiva un bucle de control de retroalimentación del microscopio de efecto túnel y, para aumentar la magnitud de la corriente, se controla la punta para que se acerque al átomo dopante. La magnitud de la corriente aplicada puede monitorearse en busca de variaciones bruscas provocadas por la incorporación de un átomo dopante. La magnitud de la corriente puede estar entre 0,1 nA y 10 nA.
En una realización, el método comprende aplicar un voltaje entre la punta y la superficie del semiconductor, teniendo el voltaje una magnitud entre 2 V y 4 V.
En realizaciones alternativas, para transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes, se aplica un voltaje o corriente a los átomos dopantes y la superficie del semiconductor a través de la punta mientras el bucle de control de retroalimentación del microscopio de efecto túnel está activo. La distancia entre la punta y el átomo dopante se puede monitorear para detectar variaciones bruscas provocadas por la incorporación de un átomo dopante mientras aumenta la magnitud de la corriente. La distancia inicial entre la punta y el átomo está entre 0,1 nm y 10 nm.
En otras realizaciones, para transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes, un pulso de voltaje con una duración entre 0,1 s y 1 s y una magnitud entre 2 V y 4 V o un pulso de corriente con una duración entre 0,1 s y 1 s y una magnitud entre 0,1 nA y 1 nA se aplica a los átomos dopantes y la superficie del semiconductor a través de la punta.
Ventajosamente, según las realizaciones de la invención, se incorpora un número determinista de átomos donantes en la superficie del semiconductor proporcionando una dosificación uniforme a través de la superficie a baja temperatura. Los átomos donantes pueden incorporarse en sitios litográficos respectivos de manera determinista y el número de átomos incorporados solo se relaciona con el tamaño y la configuración del sitio litográfico.
Además, los átomos dopantes pueden incorporarse en la superficie del semiconductor mediante una serie de reacciones químicas impulsadas por la temperatura o la incorporación asistida por la punta de un microscopio de efecto túnel.
Por ejemplo, en el caso del átomo de fósforo incorporado en el silicio usando fosfina (PH3), las moléculas de PH3 absorbidas se disocian simultáneamente en PH2 , a continuación PH y finalmente P y aplicando dosificación a baja temperatura y usando parches de dímero de 3 por 1.
Por el contrario, cuando se dosifica a temperatura ambiente, el PH3 puede disociarse sin control en PH2 y a continuación en PH, ya que hay suficiente energía en el entorno circundante para superar las barreras energéticas asociadas antes de realizar el proceso de recocido. Esto puede dar como resultado una configuración inicial aleatoria de moléculas de PHx (x=1,2) dentro del parche litográfico y, por lo tanto, un resultado aleatorio del número de donantes incorporados.
Breve descripción de los dibujos
Las características y ventajas de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción de sus realizaciones, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra un diagrama de flujo con etapas para realizar un método para incrustar un átomo dopante en una parte de la superficie de una red de semiconductores del grupo IV;
la Figura 2 muestra una serie de imágenes de sitios litográficos de diferente tamaño y forma antes y después de la dosificación;
la Figura 3 muestra representaciones esquemáticas de litografía de hidrógeno y reacciones químicas utilizadas para incorporar de manera determinista un solo átomo de fósforo en una superficie cristalina de silicio;
la Figura 4 es una vista superior de una superficie de silicio terminada en hidrógeno utilizada para formar un cúbit donante con cuatro átomos donantes; y
la Figura 5 muestra micrografías de efecto túnel de barrido de las diversas etapas de la dosificación de PH3 a baja temperatura; y
la Figura 6 muestra esquemáticamente la incorporación del átomo donante asistida por la punta del microscopio de efecto túnel.
Descripción detallada de las realizaciones
En la siguiente descripción se describe un método para incorporar de manera determinista átomos, tales como átomos dopantes como el fósforo, en un cristal semiconductor según las realizaciones.
El término "recocido", como se usa en el presente documento, se refiere al proceso de aumentar la temperatura de la muestra. En algunos casos, la temperatura se puede aumentar aplicando calor positivamente usando una fuente de calor tal como una lámpara, una corriente o un horno. El recocido también se puede realizar sacando la muestra del ambiente enfriado (criostato) a un ambiente a temperatura ambiente durante un período de tiempo para permitir que aumente la temperatura de la muestra.
Con referencia ahora a la Figura 1, se muestra un diagrama de flujo 100 con las etapas utilizadas para incorporar de manera determinista uno o más átomos de fósforo en sitios litográficos respectivos en una parte superficial de una red de silicio cristalino puro.
La superficie, por ejemplo, puede ser una superficie reconstruida de Si(100) 2x1. Dicha superficie de silicio muestra inicialmente una matriz cuadrada de 1 por 1 de átomos de Si superficiales. Cada uno de estos tiene dos enlaces colgantes que quedan de la estructura del diamante, creando una superficie que se puede reconstruir en una estructura de menor energía. La reconstrucción observada tiene una periodicidad de 2*1, explicada por la formación de dímeros, que consisten en átomos superficiales emparejados, disminuyendo el número de enlaces colgantes por un factor de dos y dejando un enlace colgante por átomo de Si superficial. La superficie Si(001) 2x1 se termina con átomos de hidrógeno que se eliminan selectivamente utilizando las propiedades litográficas de un microscopio de efecto túnel (STM) para formar una "máscara litográfica" (etapa 102).
A continuación, la porción superficial se dosifica con fosfina (PH3) a una temperatura inferior a 100 K (etapa 104). La dosificación se realiza de modo que la parte de la superficie se sature con moléculas de PH3 y una parte de las moléculas se una a los átomos del grupo N de la parte de la superficie. Es importante destacar que solo las moléculas de PH3 se absorben y se unen con la red de silicio en los sitios litográficos de silicio expuestos. Cada parche de dímero de 3 por 1 puede unirse con seis moléculas de PH3.
La absorción de PH3 gaseoso en un sitio de dímero no se ve afectada por la baja temperatura ya que no hay una barrera de energía asociada con este proceso. Se encuentra que la configuración final (PH3 absorbido) es 0,62 eV más estable que el PH3 en fase gaseosa y la superficie de silicio desnuda.
Por otro lado, otras etapas de disociación de la molécula PHx están gobernadas por barreras de energía y sus velocidades de reacción pueden describirse usando una ecuación de Arrhenius. Esto significa que se espera que el proceso de disociación disminuya considerablemente y se detenga efectivamente cuando la temperatura baje lo suficiente.
Según la presente invención, los inventores han diseñado un proceso de dosificación que evita la disociación de PH3 durante la dosificación al reducir la energía disponible en el entorno circundante para proporcionar una superficie de silicio completamente terminada con PH2 antes de realizar la incorporación de fósforo.
Otra ventaja proporcionada por el proceso de dosificación a baja temperatura descrito en el presente documento es que la litografía de hidrógeno STM en la escala sub-nm ha demostrado ser más confiable a baja temperatura. La baja temperatura permite una mayor estabilidad de la punta y una deriva térmica reducida.
Otra ventaja de la baja temperatura utilizada en el proceso de dosificación es el aumento de la tasa de desorción de hidrógeno debido al aumento de la vida útil vibratoria del enlace Si-H a baja temperatura y la reducción de la corriente del túnel, lo que a su vez aumenta aún más la estabilidad litográfica y de la punta.
La Figura 1(b) y la Figura 1(c) muestran diagramas de flujo que describen el proceso de dosificación en dos casos diferentes. En el proceso que se muestra en la Figura 1(b), la dosificación se realiza a temperaturas inferiores a 40 K, por ejemplo 20 K. En este caso, se evita la disociación de las moléculas de PH3 en PH2 ya que no hay suficiente energía térmica en el entorno de dosificación para permitir la disociación. Para permitir que las moléculas de PH3 se disocien, se puede realizar una primera etapa de recocido para proporcionar la energía térmica necesaria para que las moléculas de PH3 se disocien en PH2. Esto se puede hacer, por ejemplo, extrayendo la muestra del entorno de deposición enfriado. A temperatura ambiente, hay suficiente energía térmica disponible para que la primera porción de las moléculas unidas pierda un átomo de hidrógeno y se disocie en moléculas de PH2 unidas a la superficie. Se evita cualquier disociación adicional de las moléculas de PH2 en PH o P debido a la falta de sitios de silicio desnudos en este punto del proceso.
En otros casos, la dosificación se realiza a una temperatura superior a 40 K, por ejemplo, la temperatura del nitrógeno líquido (77 K). En este caso, las moléculas de PH3 tienen suficiente energía para disociarse a PH2 durante la etapa de dosificación y, después de la dosificación, solo las moléculas de PH2 se unen a los sitios disponibles en la superficie semiconductora.
Una vez que las moléculas de PH2 se unen a todos los sitios litográficos abiertos, según el tamaño y la configuración de los sitios, se pueden incorporar átomos de fósforo individuales transfiriendo una cantidad de energía a los átomos dopantes en la proximidad de los sitios litográficos mediante recocido térmico o incorporación asistida por punta STM (etapa 106). Mediante el uso de este proceso, el número de átomos dopantes incorporados en cada sitio litográfico es determinista y está relacionado con el tamaño del sitio litográfico.
Con referencia ahora a la Figura 2, se muestran varios ejemplos de sitios litográficos de diferente tamaño y forma antes y después de la dosificación a 77 K. La Figura 2(a), por ejemplo, muestra un sitio litográfico que incluye 3 lugares de unión disponibles, una sola molécula de PH2 se une a este sitio durante la dosificación. El átomo de fósforo único se puede incorporar desde el módulo único a la superficie mediante la incorporación asistida por la punta STM.
La Figura 2(b) muestra un sitio litográfico con dos dímeros que permite que dos moléculas de PH2 se unan. Dos moléculas de PH2 también pueden unirse al sitio de la Figura 2(c), mientras que el sitio de dímeros 3 * 1 de la Figura 2(d) y el sitio de la Figura 2(e) permiten que tres moléculas de PH2 se unan. Cuatro moléculas de PH2 pueden unirse al sitio que se muestra en la Figura 2(f). Los átomos de fósforo se pueden incorporar en los sitios que se muestran en la Figura 2(d-f) utilizando una serie de reacciones químicas provocadas por la temperatura, como se analiza a continuación.
Por ejemplo, en el caso de la Figura 2(d), la superficie de silicio dosificada con PH3 que comprende una pluralidad de sitios litográficos 3x1 se recuece de tal manera que los átomos de fósforo individuales de las moléculas de PH3 unidas se incorporan en cada sitio. La porción restante de los átomos de fósforo (que no se incorporan) y las moléculas de PH3 restantes se desorben posteriormente de la superficie.
Con referencia ahora a la Figura 3(a), se muestra un ejemplo de una superficie de silicio terminada en hidrógeno con un parche 302 de dímero de silicio de 3 por 1 formado por litografía STM. La investigación teórica ha demostrado que se necesita un mínimo de tres sitios de dímeros de silicio desnudos adyacentes en una máscara de hidrógeno para incorporar un átomo de fósforo de las moléculas de PH3 adsorbidas utilizando una técnica de recocido. Debido a la fuerte anisotropía del movimiento de los átomos en la superficie de Si(001) reconstruida, los tres dímeros deben orientarse a lo largo de una fila de dímeros, como se muestra en la Figura 3(a).
La Figura 3(b) muestra las moléculas de PH2 304 unidas a la superficie en una configuración que se favorece energéticamente frente a una configuración de moléculas de PH3 unidas a la superficie. A temperatura ambiente, la energía térmica es suficiente para superar la barrera de energía de la reacción de disociación.
Las Figuras 3(c) a 3(f) muestran las etapas que se producen durante la segunda fase de recocido. Las moléculas de PH2 304 se unen con un átomo de hidrógeno adicional y se liberan 306 de la parte superficial como PH3308. El sitio de silicio libre que deja esta desorción 310 permite la disociación inmediata 312 de un PH2 en PH 314. El PH2 restante 316 puede a continuación recombinarse con H y desorberse como PH3 318 creando otro sitio libre antes de que el PH 314 pueda disociarse en fósforo atómico 320. Finalmente, el átomo de fósforo 322 se incorpora a la capa superficial de silicio 324 expulsando un átomo de silicio en el proceso 326.
A través del proceso descrito anteriormente con referencia a la Figura 3, un solo átomo de fósforo 328 está incrustado en un solo parche de dímero de silicio de 3 por 1.
La metodología diseñada por los inventores permite la preparación de una superficie de silicio modelada terminada de manera determinista con moléculas de PH2 ya que todas las moléculas de PH3 se disocian simultáneamente en PH2. A su vez, dicha superficie permite la incorporación determinista de un átomo de P en un parche de dímero de 3 por 1 de silicio respectivo.
En algunas realizaciones, el proceso de incorporación de un solo donante descrito anteriormente puede usarse para fabricar puntos cuánticos que comprenden una pluralidad de átomos de fósforo. Cada uno de estos puntos cuánticos se puede utilizar como un bit cuántico para codificar información cuántica.
Con referencia ahora a la Figura 4, se muestra una superficie de silicio 400 que comprende un bit cuántico 402 con cuatro átomos donantes incrustados en cuatro parches de dímero adyacentes 406 usando el método descrito en el presente documento. Los parches 406 de dímero de 3 por 1 de silicio desnudo están separados por un dímero 408 de silicio terminado en hidrógeno a lo largo de las filas de dímero y por la topografía superficial de la reconstrucción de superficie 2x1 perpendicular a las filas 410 de dímero. De esta manera, los parches 406 pueden considerarse aislados unos de otros y cada uno en última instancia albergará un átomo de fósforo. La distancia entre los parches es lo suficientemente pequeña para que los átomos de fósforo individuales sean, en esencia, parte del mismo bit cuántico. Esta técnica puede ampliarse para generar un bit cuántico que comprenda cualquier número donante predeterminado.
La Figura 5 muestra micrografías de efecto túnel en diferentes etapas del proceso de dosificación de PH3 realizado a 20 K. La superficie reconstruida de Si (001) 2x1 desnuda se enfría primero a 20 K. La Figura 5(a) muestra la superficie de silicio inicial, la reconstrucción del dímero y algunas superficies vacantes (depresiones oscuras).
La Figura 5(b) muestra una imagen STM de la superficie saturada de PH3 dosificada. Se observa un cambio sustancial en las condiciones de la imagen. La degradación de la calidad de la imagen se atribuye al PH3 molecular adsorbido, que puede alterar las propiedades electrónicas de la superficie.
La Figura 5(c) muestra la superficie de la muestra después de que la muestra se haya llevado a temperatura ambiente retirándola de la etapa STM fría por medio de una varilla oscilante que está a temperatura ambiente. Después de unos minutos, la muestra se vuelve a insertar en la etapa STM fría y se deja enfriar nuevamente por debajo de los 77 K. La Figura 5(c) muestra que la calidad de la imagen ha regresado a lo que se espera para una configuración de superficie estable de Si-PHx. No se observan especies de PHx , aparte de PH2 , en la superficie. Se observa una completa cobertura superficial de PH2 de media monocapa.
La Figura 5(d) es un primer plano de la Figura 5(c). En la Figura 5(d), se puede observar la reconstrucción de la superficie p(2*2) que típicamente se encuentra en las superficies dosificadas por saturación con fracciones altas de PH2.
La Figura 5(e) muestra la superficie de la muestra después de que la muestra haya sido recocida a 350 °C para incorporar el PH2 en la superficie, en línea con las etapas que se muestran en la Figura 5(b) a la Figura 5(f). En la Figura 5(e), el silicio expulsado es claramente visible como una protuberancia brillante en la superficie.
Con referencia ahora a la Figura 6, se muestra una representación esquemática de una técnica alternativa que se puede utilizar para incorporar átomos de fósforo de una superficie dosificada con PH2. Por ejemplo, en el caso de un sitio litográfico con una sola molécula PH2 unida, como la de la Figura 2(a), se puede incorporar un solo átomo de fósforo en el sitio utilizando una técnica de incorporación asistida por punta STM. Los dos átomos de H también se separan del átomo de P, que a continuación se incorpora formando un monohidruro.
En la Figura 6(a), la punta del STM 602 se coloca sobre el átomo de fósforo que se va a incorporar 604 en la proximidad del sitio litográfico 606. Se envía una corriente 608 entre 0,1 nA y 10 nA a través de la punta 602 mientras el bucle de retroalimentación de control STM 610 se mantiene activo. La energía transferida por la corriente 608 al átomo de fósforo hace que el átomo se separe de la molécula de PH2 y se una a la superficie de silicio.
La distancia inicial entre la punta y el átomo está entre 0,1 nm y 10 nm. El sistema informático STM 612 controla la distancia entre la punta y el átomo dopante en busca de variaciones bruscas 614 provocadas por la incorporación del átomo dopante mientras aumenta la magnitud de la corriente. Cuando se detecta la variación brusca, el sistema considera que el átomo se ha incorporado y vuelve al modo de imagen.
La Figura 6(b) muestra esquemáticamente una técnica alternativa que requiere desactivar el bucle de retroalimentación de control STM 610 y aplicar una corriente 658 entre 0,1 nA y 10 nA a través de la punta 602. Para aumentar la magnitud de la corriente, el sistema informático STM 612 controla la punta para que se acerque al átomo dopante 604. La magnitud de la corriente puede controlarse en busca de variaciones bruscas 654 provocadas por la incorporación de un átomo dopante. Se puede aplicar un voltaje entre 2 V y 4 V entre la punta 602 y la superficie de silicio para facilitar la incorporación. El sistema informático STM 612 controla la magnitud de la corriente en la punta 602 en busca de variaciones bruscas provocadas por la incorporación del átomo dopante. Cuando se detecta la variación brusca, el sistema considera que el átomo se ha incorporado y vuelve al modo de imagen.
En algunos casos, los sistemas de la Figura 6 pueden utilizar un pulso de voltaje con una duración entre 0,1 s y 1 s y una magnitud entre 2 V y 4 V o un pulso de corriente con una duración entre 0,1 s y 1 s y una magnitud entre 0,1 nA y 1 nA para facilitar la incorporación del átomo de fósforo.
La expresión "que comprende" (y sus variaciones gramaticales) tal como se usa en el presente documento se utiliza en el sentido inclusivo de "tener" o "incluido" y no en el sentido de "consistir únicamente en".

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para incrustar un número determinista de átomos dopantes en una parte de la superficie de una red de semiconductores del grupo IV, comprendiendo el método las etapas de:
a) formar uno o más sitios litográficos en la parte de la superficie;
b) dosificar, a una temperatura por debajo de 100 K, la porción de superficie usando un gas con moléculas que comprenden el átomo dopante y átomos de hidrógeno de tal manera que, una porción de las moléculas se une a la porción de superficie; y
c) incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo transfiriendo una cantidad de energía a los átomos dopantes;
en donde el número de átomos dopantes incorporados en un sitio litográfico es determinista y está relacionado con el tamaño del sitio litográfico.
2. El método de la reivindicación 1, en donde la parte superficial de la red de semiconductores del grupo IV es una parte de silicio cristalino puro o una porción de germanio cristalino puro.
3. El método de la reivindicación 1 ó 2, en donde, durante la incorporación, los átomos que no están incorporados en un sitio litográfico respectivo se liberan de la parte superficial.
4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las moléculas en el gas de dosificación contienen fosfina (PH3) y el proceso de dosificación se realiza de tal manera que la parte superficial se satura con moléculas de PH3.
5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el proceso de dosificación se realiza de tal manera que sólo las moléculas de PH3 se absorben y se unen con la parte de la superficie en los sitios litográficos, y se evita la disociación de PH3 en PH2 , en donde el proceso de dosificación se realiza a una temperatura inferior a 40 K.
6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el proceso de dosificación se realiza de tal manera que sólo las moléculas de PH3 se absorben y se unen con la parte de la superficie en los sitios litográficos, y la disociación de PH3 en PH2 se produce espontáneamente, en donde el proceso de dosificación se realiza a una temperatura entre 40 K y 100 K, o a una temperatura de 77 K.
7. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el uno o más sitios litográficos son: sitios atómicos de silicio 1 por 1, parches de dímero de silicio 2 por 1, parches de dímero de silicio 3 por 1, parches de dímero de silicio 4 por 1, o parches de dímero de silicio de 5 por 1.
8. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el uno o más sitios litográficos son parches de dímero de silicio 3 por 1 y la etapa de incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo comprende una etapa de recocer la parte superficial de una manera tal que los átomos dopantes individuales de una primera porción de las moléculas unidas se incorporan en sitios litográficos respectivos en la parte superficial; y una segunda porción de las moléculas unidas se libera de la parte superficial, en donde cada parche de dímero se une con seis moléculas de PH2.
9. El método de la reivindicación 8, en donde, durante la etapa de recocido, las moléculas de PH3 unidas pierden un átomo de hidrógeno, y/o en donde durante la etapa de recocido, las moléculas de PH2 se unen con un átomo de hidrógeno adicional y se liberan de la parte superficial.
10. El método de la reivindicación 8 o 9, en donde la etapa de recocer la parte superficial se realiza en dos fases: i. una primera fase durante la cual las moléculas de PH3 unidas pierden un átomo de hidrógeno para formar una pluralidad de moléculas de PH2 unidas a la superficie, en donde la primera fase de recocido se realiza exponiendo la superficie a temperatura ambiente;
11. una segunda fase durante la cual las moléculas de PH2 unidas pierden sus dos átomos de hidrógeno a otras moléculas de PH2 y un solo átomo de P está incrustado en un solo parche de dímero de silicio de 3 por 1, en donde la segunda fase de recocido se realiza entre 200 °C y 400 °C.
11. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la etapa de incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo comprende una etapa de colocar una punta de un microscopio de efecto túnel sobre una de las moléculas y transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes a través de la punta, en donde la etapa de transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes comprende aplicar una corriente a los átomos dopantes y la superficie semiconductora a través de la punta mientras la punta se coloca en la proximidad del átomo dopante, en donde para aplicar la corriente a través de la punta, se desactiva un bucle de control de retroalimentación del microscopio de efecto túnel y, para aumentar la magnitud de la corriente, se controla la punta para que se acerque al átomo dopante.
12. El método de la reivindicación 11, que comprende además controlar la magnitud de la corriente aplicada para detectar variaciones bruscas provocadas por la incorporación de un átomo dopante, en donde la magnitud de la corriente está entre 0,1 nA y 10 nA.
13. El método de la reivindicación 11 o 12, en donde la etapa de transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes comprende además aplicar un voltaje entre la punta y la superficie del semiconductor, teniendo el voltaje una magnitud entre 2 V y 4 V.
14. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la etapa de incorporar uno o más átomos dopantes en un sitio litográfico respectivo comprende la etapa de colocar una punta de un microscopio de efecto túnel sobre una de las moléculas y transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes a través de la punta, en donde la etapa de transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes comprende aplicar un voltaje o corriente a los átomos dopantes y la superficie del semiconductor a través de la punta mientras un bucle de control de retroalimentación del microscopio de efecto túnel está activo, en donde el método comprende además aumentar la magnitud de la corriente y controlar la distancia entre la punta y el átomo dopante en busca de variaciones bruscas provocadas por la incorporación de un átomo dopante.
15. El método de la reivindicación 14, en donde la etapa de transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes comprende aplicar un pulso de voltaje con una duración entre 0,1 s y 1 s y una magnitud entre 2 V y 4 V, y/o en donde la etapa de transferir una cantidad de energía a los átomos dopantes comprende aplicar un pulso de corriente con una duración entre 0,1 s y 1 s y una magnitud entre 0,1 nA y 1 nA, y en donde la distancia entre la punta y el átomo está entre 0,1 nm y 10 nm.
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