Beiträge zur Herstellung von MOSFETs in Germaniumschichten

Contributions to the manufacturing of MOSFETs on germanium layers

  • Germanium war in den fünfziger und sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts in der Halbleiterindustrie ein dominierender Werkstoff, wurde aber bald durch Silicium abgelöst. Die Gründe dafür waren, die aus der höheren Bandlücke des Siliciums resultierenden geringeren Leckströmen in Bauelementen sowie die hervorragenden Eigenschaft des Siliciumoxids als Passivierung und Isolatormaterial für den Bau von MOSFETs (Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode). Da in hochintegrierten Schaltungen jedoch die notwendige Dicke des Gatedielektrikums unter der Steuerelektrode immer weiter abnimmt, steigen als Folge Leckströme durch den Isolator immer weiter an. Das führt zur Einführung alternaGermanium war in den fünfziger und sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts in der Halbleiterindustrie ein dominierender Werkstoff, wurde aber bald durch Silicium abgelöst. Die Gründe dafür waren, die aus der höheren Bandlücke des Siliciums resultierenden geringeren Leckströmen in Bauelementen sowie die hervorragenden Eigenschaft des Siliciumoxids als Passivierung und Isolatormaterial für den Bau von MOSFETs (Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode). Da in hochintegrierten Schaltungen jedoch die notwendige Dicke des Gatedielektrikums unter der Steuerelektrode immer weiter abnimmt, steigen als Folge Leckströme durch den Isolator immer weiter an. Das führt zur Einführung alternativer Isolatormaterialien, womit die Eigenschaften des SiO2 als Vorteil des Siliciums nicht mehr gelten. Damit steigt das Interesse an Germanium als alternativen Halbleiter, da man sich einen verbesserten Stromtransport durch hohe Beweglichkeiten in integrierten MOSFETs verspricht. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit ist jedoch zu erwarten, dass Germanium nur in Form dünner Schichten auf Siliciumsubstraten eingesetzt wird. Bevorzugt werden dabei GeOI-Substrate (engl. GErmanium-On-Insulator, dt. Germanium auf Isolator). Im Rahmen dieser Arbeit wird die Integration von MOSFETs in Germaniumschichten untersucht. Es werden verschiedene Einzelprozessschritte betrachtet und ihre spezifischen Eigenschaften beim Einsatz für Germanium untersucht. Bei der Prozessführung ist zu vermeiden, dass eine blanke Germaniumfläche bei hohen Temperaturen mit der umliegenden Atmosphäre wechselwirken kann. Es werden Ätzgruben und Substratverlust von bis zu 3 nm/min bei 600 °C aufgrund von Kleinstmengen von Sauerstoff in nominell inerten Atmosphären (Ar, N2 oder Vakuum) beobachtet. Eine Verringerung dieses Effektes ist durch niedrigere Temperaturen, kleine Ofenvolumina, Vakuumbedingungen und Deckschichten zu erreichen. Für die Dotierung wird vorzugsweise die Ionenimplantation genutzt. Bei Germanium treten Oberflächenrauigkeiten oder vergrabene Hohlräume bei der Implantation schwerer Ionen wie Ga, As oder Sb oberhalb einer kritischen Dosis auf, die für alle drei Elemente bestimmt wird. Die Ergebnisse sprechen gegen einen Einfluss der Implantationsenergie auf die kritische Dosis. Als Bildungsmechanismus kann reines Sputtern ausgeschlossen werden. Als eine potentielle Passivierungsmethode wird die Verwendung von Germaniumoxid untersucht, da hier geringe Grenzflächenzustandsdichten zu erwarten sind. Dazu wird die Oxidation betrachtet. Bei Germanium tritt neben dem Oxidwachstum ein Mechanismus hinzu, der die Oxiddicke verringert und höhere Grenzflächenzustände verursacht. Um die Degradation im Prozess zu verringern, sollte unter Sauerstoffatmosphäre abgekühlt werden. Zur Demonstration einer möglichen Technologie wird ein Prozess für den Bau von MOSFETs auf Germaniumsubstrat dargestellt. Als mögliches hoch-epsilon Dielektrikum wird Al2O3 untersucht. Die thermische Stabilität von Schichtstapeln aus GeO2 und Al2O3 bei Ausheilungen in Formiergas wird untersucht. Dazu werden MOS-Kondensatoren mit Elektroden aus Al oder Ti hergestellt. Es zeigt sich eine Zerstörung der Stapel oberhalb von 450 °C bei Aluminiummetallisierung und oberhalb von 375 °C bei Titanmetallisierung. Bis zu dieser Grenztemperatur wird für Schichtstapel mit einer Aluminiummetallisierung eine Reduktion der Grenzflächenzustandsdichte, der Summe der Oxidladungen und der Flachbandhysterese festgestellt. Mit diesem Stapel wird ein p-Kanal MOSFET mit einer effektiven Kanalbeweglichkeit von maximal 315 cm²/Vs demonstriert. Dagegen wirkt sich eine Titanmetallisierung nachteilig auf die Beweglichkeit aus und es wird lediglich eine Kanalbeweglichkeit von 13,9 ± 1,5 cm²/Vs erreicht. Für die Wahl des Gatemetalls ist daher eine potentielle Wechselwirkung mit dem Gatedielektrikum zu berücksichtigen.show moreshow less
  • Germanium has been the material of choice for the very first transistor devices in the 50s and 60s of the last century. However, silicon became the dominant semiconductor in the following decades due to lower leakage currents and the excellent properties of its oxide. Those are the surface passivation, and the usability as insulating material in gate stacks of MOSFETs (metal-insulator-semiconductor-field-effect transistor). Yet, scaling of highly integrated circuits leads to decrease of the oxide thickness. As a consequence, higher leakage currents require the introduction of alternative dielectric materials in the gate stack. Accordingly, the best argument for silicon has ceased to exist. HGermanium has been the material of choice for the very first transistor devices in the 50s and 60s of the last century. However, silicon became the dominant semiconductor in the following decades due to lower leakage currents and the excellent properties of its oxide. Those are the surface passivation, and the usability as insulating material in gate stacks of MOSFETs (metal-insulator-semiconductor-field-effect transistor). Yet, scaling of highly integrated circuits leads to decrease of the oxide thickness. As a consequence, higher leakage currents require the introduction of alternative dielectric materials in the gate stack. Accordingly, the best argument for silicon has ceased to exist. Hence, germanium receives renewed interest because of its higher carrier mobility. Though, higher leakage currents owing to a smaller band gap must be taken into consideration. In this thesis, the prospects for an integration of MOSFETs in germanium layers are discussed. The use of single process steps is investigated in regard to their usability for germanium-based technologies. For instance, the loss of substrate material and formation of etch pits due to thermal etching are studied. Small amounts of residual oxygen in nominally inert atmospheres (N2, Ar, and vacuum) lead to loss rates of e.g. up to 3 nm/min at 600 °C in Ar atmosphere. Low thermal budgets, small furnace volumes, vacuum conditions, and coating layers are supposed to reduce substrate loss. As the dominant method for forming pn junctions, ion implantation is examined. To study the inadmissible surface roughness and formation of voids during implantation, different ions (BF2, P, Al, Ga, As, Sb) were implanted at various doses, dose rates, and energies. The voids occur above a critical dose in the case of Ga, As, and Sb. For ions with lower mass (BF2, P, Al), no or only negligible surface roughening was observed. Oxidation of germanium is examined as a potential passivation of the germanium surface in gate stacks. In addition to layer growth, there is a mechanism leading to a reduction of the oxide thickness and higher interfacial densities of states. As an enhancement, cooling-down at the end of an oxidation process should be done in oxygen atmosphere. A process flow for MOSFETs on germanium substrates is described. The influence of forming gas anneal on the electrical properties of stacks with Al2O2 and GeO2 is investigated. To study this, MOS capacitors with Al or Ti metallization are fabricated. A loss of the insulating properties of the stacks is found above 450 °C for Al, and above 375 °C for Ti, respectively. In the case of Al metallization, the annealing at 450 °C and below leads to lowered interfacial density of states, total amount of trapped charge in the stack and flat-band voltage shift. By the use of this stack, a p-channel MOSFET with a maximum effective mobility as high as 315 cm²/Vs is presented. In contrast, p-channel MOSFETs with Ti metallization show mobilities as low as 13,9 ± 1,5 cm²/Vs. As a consequence, a potential interaction with the gate dielectric must be taken into account when choosing the gate metal.show moreshow less

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Metadaten
Author:Rolf Jochen Kaiser
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-34415
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/07/25
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/06/06
Release Date:2012/07/25
Tag:Germaniumoxide; Oberflächenrauheit; Thermisches Ätzen
germanium oxide; honey-comb voids; surface roughness; thermal etching
SWD-Keyword:Dotierter Halbleiter; Germanium; MIS; MOS; MOS-FET; MOS-Schaltung; Narrow-Gap-Halbleiter; Silicium; n-Halbleiter; p-Halbleiter; p-Kanal-FET
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
PACS-Classification:61.72.uf Ge and Si
73.40.Qv Metal-insulator-semiconductor structures (including semiconductor-to-insulator)
81.05.Cy Elemental semiconductors (for semiconductors in electrochemistry, see 82.45.Vp)
81.65.Mq Oxidation
85.30.Tv Field effect devices

$Rev: 12793 $