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2001 – 2005

Dissertationen aus den Jahren 2001 – 2005

2005

Name Thema / Titel
V. Häublein
Kontaminationsprozesse in der Ionenimplantation

Datum der Promotion: 08.12.2005
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-4823-4 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Kontaminationsursachen in der Ionenimplantation sind u.a. eine ungenügende Trennung unterschiedlicher Ionen durch die Massenseparation, Masseninterferenzen, das Sputtern von Atomen von Komponenten der Implantationsanlage, der mechanische Kontakt der Scheiben mit Komponenten der Implantationsanlage, Ausgasen sowie Umladungsreaktionen von Ionen nach der Massenseparation. In der Arbeit wurde die Kontamination durch Masseninterferenzen infolge von Umladungsreaktionen bzw. Dissoziation von Ionen zwischen Ionenquelle und Separationsmagnet und die Entwicklung von Kontaminationsprofilen unter dem Einfluss des Ionenstrahls untersucht, wenn während des Implantationsvorgangs ein kontinuierlicher Transport von Kontamination aus der Impantationsanlage zur Scheibenoberfläche erfolgt. Masseninterferenzen wurden auf zweierlei Weise experimentell untersucht. Zur Identifikation von Masseninterferenzen wurde das Simulationsprogramm ENCOTION (Energetic Contamination Simulation) geschrieben. Es ermöglicht eine rasche Simulation potentieller Mechanismen für den Transport von Kontamination durch den Separationsmagneten. Mit ENCOTION ist zudem die Simulation von Massenspektren möglich. Die Entwicklung von Kontaminationsprofilen unter dem Einfluss des Ionenstrahls wurde mittels Monte-Carlo-Simulation untersucht. Der Ionenstrahl beeinflusst die Kontamination auf zweierlei Weise. Kontaminierende Atome können von der Scheibe durch Sputtern entfernt oder durch Sekundärimplantation weiter in die Scheibe hineintransportiert werden. Vor allem bei hohen Implantationsdosen wurden lange Profilausläufer der Kontamination simuliert. Basierend auf den Ergebnissen der Monte-Carlo-Simulation wurde ein Modell zur Berechnung der Kontaminationsprofile hergeleitet.

C. Lehrer
Effekte bei der Nanostrukturierung mittels fokussierter Ionenstrahlen

Datum der Promotion: 19.11.2005
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-4164-7 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Fokussierte Ionenstrahlsysteme sind durch ihre Fähigkeit, eine Probenoberfläche sowohl mit hoher Auflösung abbilden als auch direktschreibend durch Sputtererosion oder chemisch induzierte Ätz- und Abscheideprozesse strukturieren zu können, ein in verschiedensten Arbeitsgebieten häufig eingesetztes Werkzeug. Strahldurchmesser von weniger als zehn Nanometer machen die Anwendung fokussierter Ionenstrahlen im Bereich Nanotechnologie zu einer vielversprechenden Methode für die Herstellung kleinster Strukturen. Für die Herstellung nanoskaliger Strukturen mit definierter Form und Tiefe müssen alle wichtigen, die Materialbearbeitung beeinflussenden Größen bekannt sein und berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel der Bearbeitung von Silicium durch einen fokussierten Galliumionenstrahl bestimmt, welche Effekte sich auf die Materialbearbeitung auswirken und wie sie diese begrenzen. Untersucht wurde die Winkelabhängigkeit der effektiven Abtragerate, die Beeinflussung der Materialbearbeitung durch gestreute Ionen und durch die Wiederanlagerung von bereits abgetragenen Material sowie die durch Ionenimplantation und durch Veränderung der Probenstruktur hervorgerufene Dosisabhängigkeit der effektiven Abtragerate. Die Auswirkung eines einzelnen Effektes auf die Materialbearbeitung ist experimentell nicht zu bestimmen, da sich verschiedene Effekte überlagern und gegenseitig beeinflussen. Aus diesem Grund wurde ein Programm erstellt, das die Form einer durch Sputtererosion mit dem fokussierten Ionenstrahl erzeugten Struktur in zwei Dimensionen berechnet. Die Simulation, die alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten sekundären Effekte berücksichtigt, wurde verwendet, um über den Vergleich mit realen Strukturen die Auswirkung einzelner Effekte auf die Materialbearbeitung sowie die Stromdichteverteilung des Ionenstrahles zu bestimmen.

A. Weidner
Strukturbreitenbestimmung für die sub 100nm-Lithographie mittels spektralellipsometrischer Beugungsmessung

Datum der Promotion: 31.10.2005
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-4678-9 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: In dieser Arbeit wird ein N�herungsverfahren zur Berechnung der Beugungseffekte von Gittern nullter Ordnung entwickelt und getestet, um die Linienbreitenbestimmung aus Beugungsmessungen f�r die Halbleiterindustrie zu vereinfachen und zu beschleunigen.
Ausgangspunkt der Arbeit ist die Problematik der Strukturbreitenmessung in der Halbleiterindustrie. Bisher eingesetzte Elektronenmikroskope sind zu langsam, zu aufwendig und f�r weiter sinkende Strukturbreiten unter 100nm nicht geeignet, alle Scheiben zu �berpr�fen. Deshalb hat sich die Beugungsmessung, im Englischen „scatterometry“ genannt, als neues Messverfahren etabliert. Dabei werden die Beugungseffekte an Gittern interpretiert, um auf die Strukturparameter zur�ckzuschlie�en. Bisher entwickelte Methoden ben�tigen wegen der geringen Strukturbreiten allerdings sog. rigorose und deshalb zeit- und rechenintensive Simulationsmethoden, um die Beugungseffekte zu berechnen und aus den Messungen die Gitterparameter zu bestimmen.
Deshalb wird in dieser Arbeit ausgenutzt, dass aufgrund weiter reduzierter Linienbreiten unter 100nm die Perioden der hergestellten Strukturen so klein sind, dass in dem bei den meisten Messger�ten verwendeten sichtbaren Wellenl�ngenbereich keine h�heren Beugungsordnungen auftreten. Die als Teststrukturen verwendeten Linien-Graben-Gitter verhalten sich optisch n�herungsweise wie uniaxiale Kristalle, deren optische Konstanten mit dem entwickelten Effektiven-Medium(EM)-Modell schnell und einfach als Funktion der Gitterparameter berechnet werden k�nnen. Die ordentliche Dielektrizit�tskonstante wird bis zur vierten Ordnung des Verh�ltnisses Periode zu Wellenl�nge entwickelt, die au�erordentliche bis zur zweiten Ordnung. Die Methode ist f�r lamellare Linien-Graben-Gitter mit rechtwinkligem Profil und f�r beliebige Einfallswinkel geeignet. Durch Verwendung eines 4 x 4-Matrixformalismus k�nnen beliebige Schichtfolgen von strukturierten und unstrukturierten Schichten simuliert werden.
Das entwickelte Modell wird sowohl theoretisch durch Vergleich mit rigorosen Simulationen als auch experimentell anhand von spektralellipsometrischen Beugungsmessungen getestet, deren Ergebnisse mit Atomkraftmikroskop- und Transmissionselektronenmikroskop-Messungen verglichen werden. Als Proben wurden Hydrogensilsesquioxan-Gitter mit einer Periode von 150nm verwendet. Ein Vergleich der Ellipsometriemessung mit den Transmissionselektronenmikroskopmessung ist in Abb. 1 gezeigt. In Abb. 2 wird die Ellipsometriemessung mit den Simulationsergebnissen verglichen, basierend sowohl auf dem entwickelten EM-Modell als auch auf der rigorosen Methode RCWA (engl: �rigorous coupled wave method�). Basierend auf der hervorragenden �bereinstimmung zwischen rigorosen und EM-Rechnungen werden die Konsequenzen f�r den Einsatz der Beugungsmessungen f�r weitere Anwendungsgebiete wie der Neigungsmessung bei weiter sinkenden Strukturbreiten theoretisch untersucht.

S. Berberich
Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von integrierbaren Leistungsbauelementen und einer Trench-Gate Technologie

Datum der Promotion: 25.07.2005
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird die Modellierung, Herstellung und Charakterisierung integrierbarer lateraler Leistungsbauelemente beschrieben. Diese Bauelemente, pin-Dioden, Doppelt Diffundierte MOS-Transistoren (DMOS) und Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) wurden auf Silicon On Insulator (SOI) Substratmaterial hergestellt. Die laterale Trench-Gate IGBT-Struktur wurde, im Hinblick auf die Verbesserung ihrer Durchlasseigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck wurde diese Struktur mit einem dreifach Trench-Gate simuliert. Der Vergleich mit einem Oberflächen-Gate und einem einfachen Trench-Gate hat gezeigt, daß der IGBT mit der dreifach Gate-Struktur einen mehr als vierfach höheren Durchlassstrom aufwies. Die Anzahl der Trench-Gates pro Emitterbereich wird in erster Linie durch die gewählte Technologie begrenzt. Für diese Simulation wurde eine 0,8 Mikrometer Technologie gewählt. Ferner wurde anhand von Simulation und Experiment eine optimale Pufferstruktur, sowohl hinsichtlich Durchlasseigenschaften, wie auch Blockiereigenschaften für den Punch-Through (PT) IGBT gefunden. Die optimale Pufferdosis lag bei 4 Stern 10E13 1/cm(exp 2), um möglichst hohe Werte für die Blockierspannung, den Durchlassstrom und die Emittereffizienz zu erreichen. Um die Funktion des Prinzips zu beweisen wurden IGBTs mit einfachem Trench-Gate und mit Hilfe eines Designs, das auf dem Reduced Surface Field (RESURF) Prinzip beruht, hergestellt. Ferner wurden pin-Dioden als Freilaufdioden und DMOS-Transistoren als Treiberendstufen realisiert. Diese Bauelemente wurden im Reinraum der Universität Erlangen/Nürnberg hergestellt. Zur Herstellung der lateralen IGBTs mit Trench-Gate in vollständig dielektrisch isolierenden Inseln, wurden zwei unterschiedliche anisotrope Ätzprozesse entwickelt. Einer dieser Trockenätzprozesse diente zur Erzeugung tiefer Grabenstrukturen, welche die Grundstruktur für die dielektrisch isolierten Inseln darstellen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung dieses Prozeßmoduls waren, zum einen, daß tiefe Gräben (50 Mikrometer) mit hohem Aspektverhältnis (15:1) hergestellt werden mußten. Zum anderen mußten die Gräben einen hohen Anisotropiegrad (90 Grad plus/minus 0,5 Grad) aufweisen. Als dritte Prozessbedingung musste der Ätzprozess auf der vergrabenen Oxidschicht der SOI-Scheibe, mit möglichst geringer Unterätzung an den Grenzflächen der Grabenstruktur, gestoppt werden. Die wichtigsten Prozessgrößen waren der Druck und das Zeitverhältnis von Ätz-zu Passiviervorgang. Da dieser Prozess für SOI-Substratmaterial mit einer dicken Bauelementeschicht von 50 Mikrometer entwickelt wurde, wird es möglich diese Technologie für die Entwicklung von lateralen Leistungsbauelementen mit Blockierspannungen über 600V in vollständig dielektrisch isolierten Inseln zu nutzen. Der zweite Trockenätzprozess dient zur Strukturierung der Trench-Gates. Dabei ist es besonders wichtig, einen hohen Anisotropiegrad (90 Grad plus/minus 0,5 Grad) und eine geringe Seitenwandrauhigkeit zu erzielen. Dies ist notwendig, um ein möglichst großes Verhältnis von Kanal Weite (W) zu Kanallänge (L) zu erreichen, um den größtmöglichen Kanalstrom zu gewährleisten. Trench-Seitenwände mit einem Winkel der stark von 90 Grad abweicht oder mit großer Rauhigkeit würden diesen Strom deutlich verringern. Die Seitenwandrauhigkeit wurde im Rahmen der Prozeßentwicklung von 150nm auf 40nm, durch die Variation der Parameter Druck und der Gasflüsse, reduziert. Die Charakterisierung der IGBT-Strukturen ergab, daß Durchbruchspannungen von 600V und Durchlassstromdichten von 1A/mm2 bei einem Durchlaßspannungsabfall von 2,9V erzielt werden konnten. Aufgrund der Verbesserungsmöglichkeit der Durchlasseigenschaften und der Möglichkeit Leistungsbauelemente für Blockierspannungen über 600V zu entwickeln, stellen diese Ergebnisse die Grundlage für die Entwicklung neuartiger integrierbarer Leistungsbauelemente für den Einsatz in Smart Power Systemen dar.

T. Leistner
Charakterisierung von Titandioxidschichten abgeschieden aus neuentwickelten Precursoren mittels MOCVD

Datum der Promotion: 10.05.2005
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-3778-X in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Titandioxidschichten, welche aus neu entwickelten Precursoren mittels Metall-Organisch-Chemischer Dampfphasenabscheidung (MOCVD) abgeschieden wurden.
Hintergrund ist der große Bedarf an Speicherdielektrika mit hohen Dielektrizitätskonstanten zur Steigerung der Kapazität von Kondensatoren für mikro­elektronische Anwendungen. Als Material bot sich hier Titandioxid wegen seiner hohen Dielektrizitätskonstante von bis zu 110, seiner geringen Leckströme und seiner Integrierbarkeit in die CMOS-Prozessierung an. Als Methode für die Abscheidung sehr dünner Schichten eignete sich die Metall-Organisch-Chemische Dampfphasenabscheidung wegen ihrer hohen Abscheidehomogenität und der guten Kantenbedeckung auch bei dreidimensionalen Strukturen.
Als Ausgangsmaterialien für die MOCVD werden im allgemeinen metallorganische Flüssigkeiten, unter anderem Titanisopropylat, verwendet, welche allesamt bei Kontakt mit Sauerstoff sehr leicht oxidieren. Als Ersatz für kommerziell erhältliche, mit diesem Nachteil behaftete Precursoren wurden in dieser Arbeit drei neue Flüssigkeiten entwickelt, bei denen es sich um Ti(OC(CH3)2CH2OCH3)4 (im Folgenden Ti1 genannt), Ti(OC(CH3)2CH2CH3)4 (Ti2) und Ti(OC(CH3)2CH2CH2CH3)4 (Ti3) handelt. Die drei neuen Flüssigkeiten wurden auf ihre Eignung zur Herstellung von Titandioxidschichten getestet und mit dem kommerziell üblichen Precursor Titanisopropylat, Ti(OiPr)4 (Ti0) verglichen.

Abscheideraten und Aktivierungsenergien der vier verschiedenen Precursoren T1, T2, T3 und T4 im Vergleich, aufgetragen als Arrheniusplot

Als erster Schritt wurde für alle zur Verfügung stehenden Precursoren jeweils ein Abscheideprozeß zur Herstellung von Titandioxidschichten mit geeigneten Parametern optimiert. Im Anschluss daran wurden einfache Teststrukturen mit Titandioxidschichtdicken zwischen 25 nm und 150 nm erstellt und charakterisiert. Besonderer Schwerpunkt lag da­bei auf der elektrischen Charakterisierung, zusätzliches Augenmerk wurde auf die kristallgraphische Analyse gelegt.
Es wurde festgestellt, dass die Aktivierungsenergien der Precursoren in einem Bereich zwi­schen 0,97 eV und 1,45 eV lag und dass mit Precursor Ti1 die homogensten Schichtabscheidungen möglich sind. Ti3 ist in dieser Beziehung in etwa mit dem kommerziellen Ti0 verleichbar, während Ti2 deutlich schlechter abschneidet.
Die Schichten sind in allen Fällen polykristallin mit wechselnden amorphen Anteilen, den größten amorphen Anteil haben Schichten aus Precursor Ti1. Die Kristallstruktur entspricht bei allen Proben hauptsächlich der anatasen Phase mit dem Hautsignal (101), wobei vor allem bei Ti2 auch deutliche rutile Anteile, die eine säulenartige Struktur aufweisen, gefunden wurden. Die Oberflächenstruktur besitzt bei Ti0 und Ti3 bei niedrigen Abscheidetemperaturen eine Rauigkeit, die etwa der Schichtdicke entspricht, wird bei höheren Temperaturen bzw. höheren amorphen Anteilen (Ti1) in den Schichten weniger rau; die Oberfläche von Ti2-Schichten ist durch die rutilen Anteile von vorneherein glatter.
Der Sauerstoffanteil im Vergleich zum Titananteil in der Schicht liegt bei allen Precursoren mit etwa 2,28 bis 2,9 über der zu erwartenden Stöchiometrie, den höchsten Anteil haben Ti0-Schichten. Durch eine Temperung gelingt es, die Kristallinität der Schichten in geringem Maße zu erhöhen und den Kohlenstoff außer bei Ti2-Schichten zu entfernen. Die Temperung fördert jedoch das Wachstum einer Zwischenschicht zwischen dem Titandioxid und dem Siliciumsubstrat, was im Rahmen dieser Arbeit nicht vermieden werden konnte.
Für elektrische Messungen wurden Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren als Teststrukturen verwendet. Als Halbleiter diente leicht p-dotiertes Silicium und als Metall-Elektrode wurden unterschiedlich große Platinflächen auf die Titandioxidschichten aufgebracht. Elektrische Messungen an ungetemperten Schichten zeigten ausschließlich Leckströme. Ti1 und Ti2 erwiesen sich wegen mangelnder Reproduzierbarkeit, wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes und wegen weiterer Probleme wie OH-Gruppen und Wasserstoffatome in der Schicht als nicht geeignet. Ti3 hingegen erwies sich diesbezüglich als zumindest ebenbürtig zu dem kommerziell erhältlichen Ti0.
Für Ti3-Schichten wurden Dielektrizitätskonstanten im Bereich zwischen 25 und 80 für die gesamte Schicht gemessen; unter der Annahme, dass es sich bei der Zwischenschicht um eine Siliciumdioxidschicht handelt, wurde daraus eine Dielektrizitätskonstante von etwa 15 bis 60 errechnet. Zusätzlich wurde eine Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von der Schichtdicke beobachtet.

Dielektrizitätskonstanten über verschiedene mit Precursor Ti3 abgeschiedene Substrate, wobei eges die Dielektrizitätskonstante von Titandioxidschicht plus Siliciumdioxidschicht und eT die Dielektrizitätskonstante der Titandioxidschicht alleine darstellt

Es ergaben sich starke Abweichungen der theoretischen Flachbandspannung von den realen Flachbandspannungen. Ofengetemperte Schichten zeigten deutlich mehr positive Oxidladungen in der Schicht als RTP-getemperte Schichten. Außerdem wurden getrappte Ladungen in den Schichten und Grenzflächenladungen an den Grenzflächen gefunden, was auch anhand der Verschiebung der Flachbandspannung ersichtlich ist. Unter den gefundenen Stromtransportmechanismen finden sich im Bereich niedriger Spannungen vor allem Verschiebungsströme, im mittleren Spannungsbereich findet sich Poole-Frenkel-Leitung mit Barrierenhöhen zwischen 0,79 und 1,01 eV und im Bereich hoher Spannungen war Feldunterstützte Emission bzw. Fowler-Nordheim-Tunneln mit Barrierenhöhen bzw. Traptiefen von maximal 0,15 eV zu beobachten.
Insgesamt gesehen wurde festgestellt, dass der neuentwickelte Precursor Ti3 das Potential besitzt, als Ersatz für bereits handelsübliche Ausgangsmaterialien für MOCVD-Beschichtungen eingesetzt zu werden. In ihren elektrischen und kristallinen Eigenschaften sind aus Ti3 abgeschiedene Schichten zumindest vergleichbar zu aus Ti0 abgeschiedenen Schichten, Ti3 ist jedoch deutlich sauerstoffunempfindlicher und somit leichter handhabbar. Es sind allerdings noch einige Verbesserungen in der Prozessführung notwendig, um die Leckströme der Schichten zu reduzieren. Außerdem könnte es sinnvoll sein, anstelle der durch Abscheidung und Temperung entstehenden unkontrolliert aufwachsenden SiOx-Schicht vor der Abscheidung eine SiO2-Schicht mit kontrollierten Eigenschaften aufzuwachsen.

 

2004

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M. Beichele
Optimierung der Stickstoffkonzentrationen in Gatedielektrika und -elektroden für fortschrittliche CMOS-Technologien

Datum der Promotion: 12.10.2004
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-3629-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Mit der fortschreitenden Verkleinerung der Strukturen in der Halbleitertechnologie werden auch die Schichtdicken für das Gateoxid immer weiter reduziert, um eine möglichst hohe Stromdichte im Kanal des Feldeffekttransistors zu gewährleisten. Die stetige Verringerung der Schichtdicken führte in den letzten Jahren zu immer höheren Anforderungen an die Homogenität, die Grenzflächeneigenschaften und die elektrische Stabilität der Gateoxide.
In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse von grenzflächennahem Stickstoff auf die elektrischen, morphologischen und diffusionshemmenden Eigenschaften von ultradünnen Oxi(nitri)dschichten (zwischen 4,0 und 2,5 nm) untersucht. In die Grenzschicht zwischen Oxid und Substrat wurden mittels schneller thermischer Oxinitridation mit Distickstoffoxid unter reduziertem Druck geringe Stickstoffkonzentrationen eingebracht. Dabei wurden die Ergebnisse eigener Experimente zur Reaktionskinetik und zum Einbau von Stickstoff bei der Oxinitridation verwendet. An der Grenzfläche zwischen Oxid und der Poly-Silicium-Gateelektrode wurde eine weitere stickstoffreiche Schicht aufgebaut, indem eine hohe Dosis von Stickstoffionen (2 ∙ 1015 cm-2) in die Gateelektrode implantiert wurde.
In der Arbeit wird gezeigt, daß durch den gezielten Einbau geringer Stickstoffkonzentrationen in die SiO2-Si-Grenzfläche die Zuverlässigkeit ultradünner Oxide im Bereich von 4,0 bis 2,5 nm im Vergleich zu herkömmlichen Oxi­den ohne Stickstoff verbessert werden kann. Die Stickstoffkonzentration muß dabei durch die Wahl des N2O-O2-Verhältnisses in der Oxidationsatmosphäre und des Drucks während der Oxidation auf die gewünschte Oxiddicke optimiert werden. Im untersuchten Oxiddickenbereich entspricht die durch diese Optimierung erreichte Verbesserung gegenüber konventionellen Oxiden einer Verringerung der Oxiddicke um eine Atomlage bei gleicher Zuverlässigkeit.
Durch eigene Experimente wird das Wachstum von Oxidschichten in der Anfangsphase der schnellen thermischen Oxidation analysiert. Insbesondere wird dabei die Annahme bestätigt, daß die Oxidationsreaktion vornehmlich in einer reaktiven Schicht im Abstand von etwa 1,3 – 1,5 nm von der Oxid-Substrat-Grenzfläche stattfindet [Gar97]. Die Experimente wurden mit schneller thermischer Oxidation bei unterschiedlichen Drücken und unter­schiedlichen N2O/O2-Verhältnissen in der Oxidationsatmosphäre durchgeführt. Es wird gezeigt, daß diese Parameter einen wesentlichen Einfluss auf die Zusammensetzung der resultierenden Oxidschichten besitzen.
Einen weiteren Teil dieser Arbeit bildet die Untersuchung der Bordiffusion in Bauelementen auf n-Substrat mit p+Poly-Silicium-Gate. Es wird gezeigt, dass die lonenimplantation von Stickstoff in die Gateelektrode eine effektive Möglichkeit darstellt, die Diffusion von Bor durch Oxide im Dickenbereich zwischen 3,0 und 2,5 nm während eines typischen Hochtemperatur-Ausheilprozesses zu unterdrücken. Die Diffusion in das Substrat kann durch eine zusätzliche Oxinitridation der Oxid-Substrat-Grenzfläche weiter verringert werden. Ohne diese zweite Barriere können Boratome durch eine 2,5 nm-Oxidschicht in das Substrat gelangen. Andererseits findet durch die Anwesenheit von Stickstoff an dieser Grenzfläche eine Anreicherung von Bor in der Oxidschicht statt, die sich negativ auf das Durchbruchverhalten des Oxides auswirkt.

Die Arbeit trägt zum gegenwärtigen Verständnis des Schichtwachstums, der Morphologie und des Degradationsverhaltens von ultradünnen nitridierten Oxiden bei. Sie liefert darüber hinaus einen Beitrag zum Thema der Bordiffusion durch ultradünne Oxide. Damit werden die wichtigsten Fragestellungen im Zusammenhang mit der zeitgenössischen Generation ultradünner Oxide erläutert, durch eigene Experimente untersucht und in zusammenhängender Form diskutiert.

R. Weiß
Herstellung, Untersuchung und Modellierung von Schottky-Dioden mit ionenimplantierter Randfeldbegrenzung auf Siliciumcarbid

Datum der Promotion: 17.03.2004
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-2741-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung, Charakterisierung und Modellierung von Schottky-Dioden mit unterschiedlichen Konzepten der Randfeldbegrenzung auf 4H-SiC. Es wird neben der Dimensionierung von Schottky-Dioden, wozu verschiedene Berechnungen und Simulationen durchgeführt wurden, auch auf die Wirkungsweise verschiedener Konzepte zur Ranfeldgebrenzung eingegangen. Die verschiedenen Konzepte zur Randfeldbegrenzung werden mit der Grundpromisse einer fertigungsnahen, einzig auf handelsüblichen Fertigungsgeräten der Siliciumtechnologie durchführbaren Prozessen experimentell untersucht. Dabei steht vor allem die Randfeldbegrenzung durch einen Widerstandsfeldring und durch einen gegendotierten Feldring im Vordergrund. Im Weiteren wird ein analytisches Modell zum elektronischen Transport an inhomogenen Schottky-Barrieren erarbeitet, mit Hilfe dessen das nicht-ideale Verhalten von Schottky-Dioden erklärt werden kann. Dieses Modell wird durch Simulationen mit dem Bauelementesimulationsprogramm DESIS verifiziert und zur Extraktion entsprechender Parameter aus Messergebnissen verwendet. Das in dieser Arbeit erstellte Modell wird mit weiteren Modellen und Theorien zum nicht-idealen Verhalten von Schottky Dioden verglichen. Die hergestellten Dioden mit unterschiedlichen Randfeldbegrenzungen werden miteinander verglichen. Dabei zeigt sich, dass zur Extraktion der relevanten Diodenparameter, um systematische, durch das nicht ideale Verhalten hervorgerufenen, Fehler zu vermeiden und die I(U)-Charakteristik richtig zu beschreiben, auf I(U)-Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen zurück gegriffen werden muss. Darüber hinaus wird auf das zeittransiente Verhalten der Schottky-Dioden mit Widerstandsfeldring eingegangen und ein einfaches Modell über das Umladeverhalten von Haftstellen zur Erklärung des zeittransienten Verhaltens erstellt. Die aluminiumimplantierten und ausgeheilten Schottky-Dioden, die bei erfolgreichem Ausheilprozess kein unerwünschtes zeittransientes Verhalten zeigen, wiesen die kleinsten Sperrströme auf. Neben einer breit angelegten Analyse der Durchlasskennlinienfelder in Abhängigkeit von der Messtemperatur wurde auch die Sperrcharakteristik der Dioden einer genaueren Untersuchung unterzogen. Dabei konnte festgestellt werden, das ein Wachstum von Barriereinhomogenitäten durch Temperaturerhöhung unter Last sich sowohl auf die Sperrcharakteristik als auch auf die Durchlasscharakteristik der Schottky-Dioden auswirkt. Es wird im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass bei der Extraktion von Diodenparametern aus Kennlinienfeldern das nicht-ideale Verhalten bzw. die Wirkung von Barriereinhomogenitäten auf das elektrische Verhalten beachtet werden muss.

2003

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N. Benesch
Entwicklung eines integrierbaren optischen Meßsystems zur Kontrolle der Linienbreiten periodischer sub-Mikrometerstrukturen

Datum der Promotion: 30.05.2003
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-1766-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines kostengünstigen und integrierbaren Messgeräts zur Kontrolle der Abmessungen von periodischen sub-Mikrometerstrukturen. Als Anwendungsbereich wird die Produktion von Speicherbausteinen betrachtet, wobei Linienbreitenmessungen direkt an DRAM-Zellenfeldern durchgeführt werden. Ausgangspunkt ist die anhand von Cost-of-Ownership-Berechnungen bestätigte Erkenntnis, daß bereits sehr geringe Ausbeute- oder Durchsatzsteigerungen den Einsatz zusätzlicher Meßtechnik für die strukturierenden Fertigungsprozesse Lithographie und Ätzen rechtfertigen. Ein in Produktionsgeräte integriertes Messsystem kann Strukturgrößen während oder unmittelbar nach einem Herstellungsschritt kontrollieren, so daß Geräte- oder Prozessfehler sofort erkannt werden und eine Produktion weiterer defekter Scheiben vermieden wird. Die bislang für die Linienbreitenkontrolle eingesetzte, hohe Kosten verursachende Elektronenmikroskopie kann dadurch reduziert bzw. ergänzt werden. Grundlage des hier entwickelten Meßprinzips ist die Nutzung der optischen Beugung an periodischen Gitterstrukturen. Die Intensitäten von Beugungsordnungen werden dabei als Funktion des Messstrahl-Azimutwinkels gemessen und sind charakteristisch für die Oberflächen- und Materialeigenschaften der Probe. Eine Berechnung der Beugungseffekte an sub-Mikrometerstrukturen erfordert für den Einzelfall die numerische Lösung des zugehörigen Maxwellschen Randwertproblems. Aufgrund des damit verbundenen Rechenaufwands ist die Messung von Strukturbreiten mit Hilfe der optischen Beugung bisher auf linienförmige Gitter beschränkt. Um auch bei komplizierten Gitterstrukturen – wie DRAM-Zellenfeldern mit Periodizitäten in zwei Raumrichtungen – auf Probeneigenschaften schließen zu können, wird hier ein neuer Ansatz realisiert: Mit Hilfe von Referenzmeßgeräten werden zunächst die Gittereigenschaften einer Menge von unterschiedlichen Proben ermittelt. Zusammen mit den ebenfalls gemessenen Beugungssignaturen der Gitterstrukturen werden die Daten zum Training adaptiver neuronaler Netzwerke verwendet. Diese ermöglichen anschließend eine schnelle Erkennung fehlerhafter Bauelemente und eine Schätzung von Gitter- oder Prozessparametern. Ein Test dieses Konzepts erfolgte in einer realen Produktionsumgebung. Hierzu wurde eine Meßanordnung für eine winkelabhängige, monochromatische Beugungsmessung aufgebaut, die sich aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und ihrer kostengünstigen Komponenten für eine Integration in Fertigungsgeräte eignet. Das Meßgerät wurde so konstruiert, daß es auf FOUP-Beladestationen von Halbleiterfertigungsgeräten für 300-mm-Scheiben aufgesetzt werden kann. Die Funktionsfähigkeit des beschriebenen Verfahrens zur Linienbreitenkontrolle konnte mit verschiedenen Lithographiesequenzen sowohl anhand systematisch variierter DRAM-Strukturen als auch bei zufällig auftretenden Prozessvariationen bestätigt werden.

2002

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O. Lenhart
Algorithmen für die dreiecksbasierte dreidimensionale Simulation bewegter Oberflächen in der Halbleitertechnologie

Datum der Promotion: 15.10.2002
Dissertation im Volltext
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-0960-3 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Für die dreiecksbasierte dreidimensionale Prozeßsimulation in der Mikroelektronik werden für jeden Prozesschritt geeignete Algorithmen zur Beschreibung der auftretenden Phänomene benötigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation bewegter Oberflächen, wie sie z. B. bei der Simulation des Ätzens auftreten. Es wurden zwei Algorithmen zur Simulation von dreidimensionalen Topographieprozessen entwickelt. Beide Algorithmen basieren auf triangulierten Oberflächengittern. Der erste Algorithmus erkennt und entfernt sogenannte globale Schleifen. Dabei handelt es sich um inkonsistente Strukturen, die dadurch entstehen, daß sich zwei oder mehrere nicht direkt benachbarte Dreiecke schneiden. Solche globale Schleifen können überall dort auftreten, wo sich Fronten von triangulierten Oberflächen aufeinander zubewegen wie z. B. bei der dreiecksbasierten Simulation der Schichtabscheidung. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches das Entfernen globaler Schleifen auch bei Mehrschichtstrukturen gestattet und dabei — falls nötig — getrennte Materialregionen miteinander verbindet. Der Algorithmus konnte bei Ein- und Mehrschichtstrukturen erfolgreich auch im Rahmen eines industriellen Benchmarks eingesetzt werden. Um Ätzen dreidimensional dreiecksbasiert zu simulieren, wurde der zweite Algorithmus dieser Arbeit entwickelt. Der Algorithmus ermöglicht sowohl isotrope als auch anisotrope Ätzvorgänge. Dazu wurde ein Modul entwickelt, welches Dreifachpunkte und -linien erkennt. Das sind Punkte bzw. Linien, an denen drei oder mehrere Schichten zusammentreffen, wie z. B. an Maskenkanten. Eine zuverlässige Erkennung dieser Dreifachelemente ist unabdingbare Voraussetzung für die Simulation von Unterätzen. Die zu bewegenden Dreiecke werden dann punktweise gemäß zuvor berechneter Ätzraten und Ätzvektoren verschoben. Mehrere Strukturen konnten mit dem Modul erfolgreich geätzt werden, darunter unter anderem der Graben einer STI-Struktur sowie eine Phasenschiebemaske für isolierte und dichte Linien.

R. Schnupp
Rückseitenkontaktierte Kohlenstoff-Interdigitalelektroden für bioelektronische Anwendungen

Datum der Promotion: 15.10.2002
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-0755-4 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Den Ausgangspunkt für die Durchführung dieser Arbeit bildete die Problematik bioelektronischer Bauelemente wie beispielsweise Bio- und Chemosensoren, stets eine Kontaktfläche zwischen Flüssigkeiten und Festkörpermaterialien zu besitzen. Dies führt zu einer allmählichen Korrosion der Oberflächen und schließlich zum Funktionsausfall der Systeme. Ein Ziel dieser Untersuchung bildete das Auffinden eines geeigneten Verfahrens zur Rückseitenkontaktierung siliciumtechnologisch hergestellter Bauelemente, um den elektronischen Teil von der chemischen Umgebung zu separieren. Dadurch sind auf der Vorderseite der Sensoren idealerweise nur noch chemisch resistente und von einer Passivierungsschicht umgebene Elektroden vorhanden, die für den benötigten elektrischen Kontakt zu der Flüssigkeit oder dem Gas sorgen. Die elektronischen Komponenten befinden sich auf der Scheibenrückseite oder einem separaten Bauelement und werden über Durchkontakte mit dem Sensorelement elektrisch verbunden. Der zweite Hauptteil der Arbeit bestand in der Entwicklung eines chemisch langzeitstabilen Dünnschichtwerkstoffs, der als Kontaktelektrode zu den flüssigen und gasförmigen Phasen einzusetzen ist. Mittels diesen beiden optimierten Technologien wurde anschließend ein Herstellungsprozess für rückseitenkontaktierte Interdigitalelektroden (IDAs, von interdigited arrays) entworfen, durchgeführt und die Charakterisierung der Bauelemente vorgenommen.
Die Auswahl dieses Sensortyps resultierte aus einem Vergleich der Eigenschaften bekannter Bio- und Chemosensoren. Interdigitalelektroden bestehen im Wesentlichen aus zwei fingerförmig ineinandergreifenden Elektroden, die auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind. Die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Substanzen wird durch Aufbringen einer sensitiven Schicht erzielt. Interdigitalelektroden weisen geringe Nachweisgrenzen und hohe Empfindlichkeiten auf und sind universell für eine Vielzahl von Anwendungen verwendbar. Um die Geometrie der Bauelemente zu optimieren, wurde die Verteilung des elektrischen Feldes über den IDAs für verschiedene Fingerabstände und Dicken der sensitiven Schicht simuliert und verglichen (siehe Abbildung 1). Der Geometriefaktor G wurde eingeführt, der das Verhältnis zwischen Elektrodenabstand und der Dicke der sensitiven Schicht angibt. Die Simulationen zeigten, dass optimale Sensoreigenschaften bei Fingerabständen unter 3 µm und einem Geometriefaktor um G = 0,8 erzielt werden.
Um ein generelles Verständnis der Vorgänge an Festkörperoberflächen zu erhalten und daraus optimale Eigenschaften für das zu entwickelnde Elektrodenmaterial abzuleiten, wurde die Theorie der Phasengrenze Festkörper – Flüssigkeit betrachtet und ein elektrisches Ersatzschaltbild beschrieben. Das Verhalten der sich bildenden elektrischen Doppelschicht und verschiedene Polarisationseffekte beeinflussen die Mechanismen des Ladungstransfers und der Potentialbildung an der Phasengrenze. Die Wahl des Elektrodenmaterials wirkt sich auf die elektrochemischen Eigenschaften des Elektrodenwerkstoffs aus. Eine geringe Doppelschichtkapazität, eine hohe elektrochemische Bandbreite, ein reversibler Elektronentransfer, geringe Restströme für hohe Signal-Rausch-Verhältnisse und eine hohe elektrische Leitfähigkeiten sind für den Einsatz der Elektroden in bioelektronischen Bauelementen optimal.

Simulierte Feld- (oben) und Potentialverteilung (unten) über einem Interdigitalelektroden-Fingerpaar mit 10 µm (links, G=2), 5 µm (Mitte, G=1) und 2 µm (rechts, G=0,4) Elektrodenabstand

Aus der elektrochemischen Analyse ist Glas-Kohlenstoff aufgrund seiner Qualitäten als Standard-Elektrodenmaterial bekannt, der aber nicht mit dünnschichttechnologischen Verfahren bei niedrigen Temperaturen zu fertigen ist. Die Nebeneinanderstellung der physikalischen und chemischen Eigenschaften aller Kohlenstoffmodifikationen zeigte, dass diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC, von diamond-like-carbon) vergleichbare elektrochemische Qualitäten besitzen und weitere Vorzüge wie beispielsweise eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit aufweisen. Einen Hauptteil dieser Arbeit bildeten folglich die Abscheidung diamantähnlicher Kohlenstoffilme mittels der HF-Magnetron-Kathodenzerstäubung und die Charakterisierung der physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Dünnfilme.
Vor allem die eingespeiste HF-Leistung und die Abscheidetemperatur wirkten sich auf die Eigenschaften der Kohlenstoffschichten aus. Filme mit den gewünschten physikalischen und chemischen Qualitäten wurden bei HF-Leistungen über 625 W und Prozesstemperaturen unter 170 °C erzielt. Mit zunehmender HF-Leistung nahmen der Wasserstoffgehalt auf unter ein Prozent und der spezifische elektrische Widerstand auf 10 mWcm ab (siehe Abbildung 2). Die elektrochemische Bandbreite der diamantähnlichen Kohlenstoffschichten überstieg die von Glas-Kohlenstoff um je 100 mV im anodischen wie kathodischen Potentialbereich, die auftretenden Restströme waren nur halb so groß, woraus ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis resultierte. Die Peakseparation, die ein Maß für die Reversibilität elektrochemischer Vorgänge an Festkörperoberflächen ist, reichte bei den abgeschiedenen DLC-Filmen mit 82 mV nahe an den Wert von Glas-Kohlenstoff mit 65 mV heran. Die Doppelschichtkapazität der diamantähnlichen Kohlenstoffschichten lag mit 40 µF/cm2 einen Faktor zwei bis drei unter den Werten von Glas-Kohlenstoff. Die Härte stieg mit zunehmender HF-Leistung auf etwa 15 GPa an, was einem Siebtel des Werts von Diamant entspricht. Erstmals wurden Kohlenstofffilme mit derart guten elektrochemischen Eigenschaften mittels dünnschichttechnologischen Verfahren bei niedrigen Prozesstemperaturen hergestellt, die gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit aufwiesen. Die diamantähnlichen Schichten besaßen ferner eine hohe mechanische und chemische Beständigkeit, wodurch sie sich als Elektrodenmaterial für bioelektronische Anwendungen eignen.

Elf Verfahren, die zur Rückseitenkontaktierung von Siliciumbauelementen in Frage kommen, wurden im Rahmen dieser Arbeit theoretisch verglichen und hinsichtlich deren Eignung für die vorliegende Aufgabenstellung bewertet. Einen Erfolg versprechenden Ansatz bildete die elektrische Verbindung der beiden Scheibenseiten über anisotrop geätzte Gruben, was die photolithographische Strukturierung in diesen Kavitäten erforderte. Die Technologie der anisotropen Siliciumstrukturierung, der konventionelle und der galvanische Lackauftrag wurden speziell auf die vorliegende Aufgabenstellung hin theoretisch behandelt und potentiell auftretende Probleme erörtert. Die experimentelle Durchführung der Belackung dieser hohen Topographien mittels konventioneller Schleuderverfahren zeigte, dass selbst mit mikrosystemtechnischen Speziallacken kein befriedigender Erfolg zu erzielen war, woraufhin diese Technologie verworfen wurde.
Anschließend wurde die elektrochemische Abscheidung eines Galvaniklacks untersucht und dessen Eignung für die vorliegende Aufgabenstellung gezeigt. Der Einfluss der Prozessparameter Klemmenspannung, Depositionszeit, chemische Zusammensetzung des Lackbads, Metalluntergrund und -dicke auf die Lackeigenschaften Dicke, Rauhigkeit, Haftung und vollständige Benetzung anisotrop geätzter Gruben wurde charakterisiert. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Spannung von 170 V erzielt, die optimale Belichtungsdosis für bis zu 15 µm dicke Polymerschichten betrug 400 mJ/cm2. Die Entwicklung des Lacks wurde in 1 %-igem Na2CO3 bei 34 °C durchgeführt, der Lackabzug fand in 3 %-igem TMAH bei 55 °C statt. Der Galvaniklack erlaubte die Strukturierung von Titan und Siliciumoxid in flusssäurehaltigen Lösungen. Titan zeigte auch die geringste Reflexion im Vergleich zu anderen untersuchten Metallen, weswegen es zur Vermeidung von unerwünschten Fehlbelichtungen durch Reflexionen an den schrägen Grubenflanken als Oberflächenmetall für den Lackabscheideprozess eingesetzt wurde.
Auf Basis der beiden entwickelten Prozessschritte der elektrochemischen Lackabscheidung und der Deposition diamantähnlicher Kohlenstoffschichten wurde in Verbindung mit den theoretischen Vorüberlegungen zur optimierten Geometrie von Interdigitalelektroden ein neuartiger Ablauf zur Herstellung rückseitenkontaktierter Kohlenstoff-Interdigitalelektroden entworfen, durchgeführt und in mehreren Iterationen optimiert. Die elektrischen Eigenschaften der Durchkontaktierung wurden ermittelt, wobei spezifische Durchgangswiderstände zwischen 0,4 und 1 W/cm2 erzielt wurden. Die Grundkapazität der Interdigitalelektroden lag bei Werten zwischen einem und 20 pF. Um das Funktionieren der entwickelten Prozessschritte zu bestätigen, wurden exemplarisch zwei Sensortypen zur Bestimmung der Feuchtigkeit in Gasen und zur Messung der Leitfähigkeit in Flüssigkeiten realisiert und charakterisiert.
Die Feuchteempfindlichkeit wurde durch Beschichten der Interdigitalelektroden mit Polyimid erreicht. Durch Einlagern von Wassermolekülen steigt die Dielektrizitätskonstante und folglich die Kapazität der Sensoren, was experimentell in einem Bereich zwischen 30 % und 90 % relativer Feuchte (r. F.) bestätigt wurde. Da die Fähigkeit zur Wasseradsorption der gewählten Polyimidschicht bei 50 % relativer Feuchte nur noch 1,26 % beträgt, reichte der Dynamikbereich des Sensors von etwa 40 % bis 100 %. Die Untersuchung der Ansprechzeiten zeigte, dass bei Feuchtigkeitssprüngen um 10 % r. F. die Anstiegszeit 75 Sekunden und die Abfallzeit 40 Sekunden beträgt. Eine Langzeitdrift wurde nicht beobachtet.
Zur Bestimmung von Leitfähigkeiten in Flüssigkeiten wurden die Kohlenstoffelektroden unbeschichtet in die zu vermessende Lösung getaucht und der Wechselstromwiderstand bestimmt, die Sensorkapazität und die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit zwischen 0,01 und 20 mS/cm und der angelegten Messfrequenz im Bereich von 1 kHz bis 1 MHz ermittelt. Aus den Ergebnissen wurden die Sensoreigenschaften und die optimalen Messbedingungen bestimmt. Der kapazitive Einfluss der Grenzschicht und der in der Flüssigkeit auftretenden Polarisationseffekte, der sich negativ auf die Kennlinie des Wechselstromwiderstands auswirkt, fiel bei einer Frequenz von 100 kHz am geringsten aus. Daraus resultierte eine sehr lineare Kennlinie des Widerstands über den gesamten vermessenen Leitfähigkeitsbereich von 0,01 mS/cm bis 20 mS/cm.

Die dargestellten Eigenschaften der entwickelten Sensoren belegen die Eignung der DLC-Schichten als Elektrodenmaterial für bioelektronische Anwendungen. Die Funktionsfähigkeit der Rückseitenkontaktierung, die auf der elektrochemischen Belackung anisotrop geätzter Gruben basiert, eröffnet Perspektiven für eine Vielzahl neuartiger Bauelemente und Applikationen der Mikrosystemtechnik. Beispielsweise bietet die Strukturierung von Metallbahnen in den Siliciumgruben Möglichkeiten zur Realisierung von konisch geformten Mikrospulen mit hoher Induktivität und darauf beruhenden Mikrorelais, dem Aufbau miniaturisierter Quadrupole oder weiterer elektrooptischer Komponenten.

 

D. Stiebel
Modellierung von transienten Effekten bei der Diffusion von Bor in Silicium

Datum der Promotion: 31.05.2002
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-0707-4 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Mit experimentellen Untersuchungen und Simulationen wurden die Diffusion und Aktivierung von Bor in Silicium nach der Ionenimplantation unter Berücksichtigung von Punktdefekten, kleinen und mittleren Eigenzwischengitteratom-Agglomeraten und Bor-Eigenzwischengitteratom-Komplexen untersucht. Eigene systematische Messungen galten der Dynamik der Bor-Eigenzwischengitteratom-Komplexe, für deren Bildung und Auflösung durch Variation der Ausheilbedingungen ein Temperatur- und Zeitfenster bestimmt werden konnte. Die Modellentwicklung basiert auf Parametern aus atomistischen Berechnungen mit einigen hundert partiellen Differentialgleichungen und einer noch größeren Anzahl von Parametern. Zur Anpassung an experimentelle Messergebnisse wurde das Modell in Teile aufgespalten und jeder Teil einzeln geprüft und angepasst. Vor der Kopplung der Modellteile erfolgte eine drastische Reduktion der Gleichungsanzahl, da die Bildung und Auflösung der Bor-Eigenzwischengitteratom-Komplexe durch ein sehr viel einfacheres Modell erfolgreich beschrieben werden kann. Der reduzierte Modellteil beschreibt insbesondere den Einfluss von Nano-Clustern und (113)-Defekten auf die transient erhöhte Diffusion. Nach der Kopplung der Modellteile wurden die Modellparameter noch einmal angepaßt, um die Beschreibung der Ergebnisse verschiedener Experimente mit genügender Genauigkeit zu gewährleisten.

O. Krause
Entwicklung eines Modelles zur Diffusion von Aluminium in Silicium

Datum der Promotion: 30.04.2002
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-0871-2 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Es werden neuere Fragestellungen zur Diffusion von Aluminium in Silicium während halbleitertechnologisch relevanter Prozesse betrachtet. Ein Diffusionsmodell wird entwickelt sowie ein Parametersatz ermittelt, um die Fertigung moderner Leistungshalbleiterbauelemente durch die Prozesssimulation zu unterstützen. Die Probenherstellung, Ionenimplantation und Diffusionsprozesse sowie Charakterisierungsmethoden wie die Sekundärionenmassenspektroskopie werden beschrieben. Das zur Modellparameterextraktion verwendete Prozesssimulationsprogramm ICECREM wird erläutert und anhand eines Beispiels einer Diffusion von Aluminium in Silicium die Vorgehensweise zur Parameterextraktion dargestellt. Die erzielten Ergebnisse zur intrinsischen Aluminiumdiffusion und die Wechselwirkungen von Aluminium mit anderen Dotieratomen werden diskutiert. Aluminiumprofile anderer Autoren werden mit den eigenen Modellparametern nachsimuliert und mit deren Ergebnissen verglichen. Durch die Diffusionsexperimente in inerter, oxidierender und nitrierender Atmosphäre wird der Diffusionsmechanismus von Aluminium ermittelt: Aluminium diffundiert nahezu vollständig über eine Interaktion mit Silicium-Eigenzwischengitteratomen. Für Temperaturen unter 1100 Grad C ist die Diffusionsbeschleunigung von Aluminium während der Oxidation sogar stärker als die von Phosphor, welches im allgemeinen als das Dotierelement mit der stärksten Oxidationsbeschleunigung betrachtet wird. In extrinsisch akzeptordotiertem Silicium kommt es zu einer starken Beschleunigung der Aluminiumdiffusion durch die vermehrte Generierung von geladenen Aluminium-Silicium-Eigenzwischengitteratom-Komplexen, verursacht durch die Verschiebung des Fermi-Niveaus. In extrinsisch phosphordotiertem Silicium diffundiert Aluminium im Vergleich zum intrinsischen Fall um bis zu zwei Größenordnungen verlangsamt. Die Diffusionsretardierung wird durch Veränderungen in der Anzahl der geladenen Punktdefekt-Paare durch Fermi-Niveau-Effekte sowie durch die Bildung von Aluminium-Phosphor-Ionenpaaren verursacht.

R. Kühnhold
Entwurf und Herstellung von integrierten ionensensitiven Feldeffekttransistoren in CMOS-Technologie

Datum der Promotion: 18.04.2002
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-0746-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Thema dieser Dissertation ist die Integration von ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs) in einen CMOS-Fertigungsablauf. Hierzu mussten zunächst ein Integrationskonzept erarbeitet und die Anforderungen an integrierte ISFETs definiert werden. Durch Simulation wurden die idealen Eigenschaften der Elektrolyt-Isolator-Silicium-Struktur (EIS-Struktur) untersucht. Dabei fand die Berücksichtigung des Oberflächenpotentials des Halbleiters eine besondere Beachtung, dessen Auswirkungen auf die pH-Empfindlichkeit lediglich bei niedrigen Gatespannungen und im linearen Betriebsbereich des Sensors zu vernachlässigen sind. Auf der Basis der aus der Simulation erhaltenen Ergebnisse wurde ein Modell des ISFETs für den Schaltkreissimulator SPICE entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells wurde der ISFET in eine Messverstärkerschaltung integriert, die einen Betrieb des Sensors bei den geforderten Spannungen ermöglicht. Ferner wurde die Schaltung so konstruiert, daß sich Prozessschwankungen, insbesondere bei den für die Herstellung des ISFETS notwendigen Prozessschritten, nicht auf die Linearität des Ausgangssignals auswirken. Zur Entwicklung des Herstellungsprozesses wurden Untersuchungen an verschiedenen Gate-Strukturen durchgeführt. Durch Messungen konnte festgestellt werden, dass lediglich die einfache Nitrid-Oxid-Silicium-Struktur für die Herstellung integrierter ISFETs geeignet ist. Weitere Testprozesse wurden zur Optimierung der Schichtdicken von Siliciumnitrid und Siliciumoxid durchgeführt. Der Herstellungsprozess wurde am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente durchgeführt und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, daß die für die ISFET-Herstellung notwendigen Prozessschritte keinen Einfluß auf die CMOS-Komponenten besitzen. Die ISFETs wurden durch elektrische und elektrochemische Messverfahren charakterisiert. Die Einsatzspannung der ISFETs wurde daraus zu 0,6+/-0,12V bestimmt, was gegenüber der Einsatzspannung der MOS-Transistoren eine Reduzierung um ca. 0,3V und damit einen für die Integration hervorragenden Wert bedeutet. Die elektrochemische Charakterisierung der ISFETs ergab bei pH 7 eine Empfindlichkeit von 57 mV/pH, bei niedrigen pH-Werten wurde eine höhere Empfindlichkeit, bei hohen pH-Werten eine niedrigere Empfindlichkeit ermittelt. Eine Beeinträchtigung der pH-Empfindlichkeit durch die CMOS-Prozesschritte wurde nicht festgestellt. Die Grundliniendrift des Sensors betrug 0,1 mV/h nach der Stabilisierungsphase, somit zeigte der integrierte Sensor insgesamt gute ionensensitive Eigenschaften.

H. Boubekeur
Contamination Aspects in Integrating High Dielectric Constant and Ferroelectric Materials into CMOS Processes

Datum der Promotion: 05.03.2002
Abstract: In memory technology, new materials are being intensively investigated to overcome the integration limits of conventional dielectrics for Giga-bit scale integration, or to be able to produce new types of non-volatile low power memories such as FeRAM. Perovskite type high dielectric constant films for use in Giga-bit scale memories or layered perovskite films for use in non-volatile memories involve materials to semiconductor process flows, which entail a high risk of contamination. The introduction of large amounts of metal contamination during processing, however, is a major concern of reliability and yield of complementary metal oxide semiconductor devices. The integration of these materials into back-end process flow is not only a process engineering challenge, but also an evaluation of contamination issues, parallel to the effort of integration into CMOS process. In this dissertation, the risk of fabrication with barium strontium titanate or strontium bismuth tantalate films with iridium/platinum electrodes, and their impact on yield and reliability is estimated by first gaining knowledge about the properties of these new materials, and then assessing the impact on device performance after intentional contamination. The results demonstrate that the risk is manageable and that the contamination aspects are not „showstoppers“ to the development of ferroelectric memories and DRAMs using high-k capacitor dielectrics. The impact of contamination in the Back-End Of Line on device performance is not significant as it could be in the Front-End Of Line because of the device configuration, which offers gettering possibilities. This has been demonstrated in the course of this work.

2001

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F. Quast
Untersuchung von Punktdefekten in Silicium mit Hilfe der Platindiffusion

Datum der Promotion: 11.06.2001
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-9363-4 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Durch Untersuchungen der Platindiffusion in FZ- und CZ-Silicium wurde nachgewiesen, dass in diesen beiden Materialien Gitterleerstellen in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen. Die in FZ-Silicium auftretenden hohen Gitterleerstellenkonzentrationen treten nur aufgrund der Stickstoffdotierung auf. Experimentell und mittels Simulationen wurden die durch verschiedene Hochtemperatur-Prozesse bewirkten Gitterleerstellenkonzentrationen und die Auswirkungen der Prozesstemperatur, -dauer und der Abkühlrate untersucht. Weiter wurde der Zusammenhang zwischen Sauerstoffpräzipitationsdichte mit der zuvor vorhandenen Gitterleerstellenkonzentration ermittelt, so dass Sauerstoffpräzipitationskonzentrationsmessungen mit den simulierten Gitterleerstellenkonzentrationen verglichen werden können. Zwischen 900 und 1100 Grad C wurde die Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten der Gitterleerstellen bestimmt. Mit diesen experimentellen Werten und den Simulationen ist es möglich geworden, gezielt Gitterleerstellenprofile in Silicium zu erzeugen, was zur Steuerung der für die Produktion vom mikroelektronischen Schaltungen erwünschten Sauerstoffpräzipitation in CZ-Silicium ausgenutzt werden kann.