LS Angewandte Physik / Sensorik
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Wachstumsphänomene und Stickstoffdotierung bei der Sublimationszüchtung von 6H-Siliciumcarbid
(2001)
Die Keimoberfläche ist durch das Vorhandensein einer Störschicht charakterisiert, die durch die mechanische Kristallbearbeitung hervorgerufen wird. Diese Schicht kann die Ursache für zusätzliche Defekte sein. Die Untersuchungen der Oberflächenmorphologie zeigen, daß ein Überschuß an Silicium im Quellmaterial notwendig ist, um ein defektfreies Wachstum in den ersten Stadien zu ermöglichen. Sowohl ein Oxidationsschritt vor dem Wachstum als auch die Anwendung von fehlorientierten Keimen führten nicht zum gewünschten Stufenfluß. Im Konzentrationsbereich von 1x10^18 <= c_N (cm^-3) <= 3x10^19 wurden 6H-SiC-Einkristalle gezüchtet, sowohl auf (0001)- als auch (000-1)-Keimen. Der Einbau von Stickstoff bewirkt das Absinken der Wachstumsgeschwindigkeit, was mit dem ''site-competition''-Modell erklärt werden kann. Die Sättigung der Stickstoffkonzentration im Kristall in Abhängigkeit vom N_2/Ar-Verhältnis konnte durch eine Langmuir-Isotherme beschrieben werden. Die Polarität der Keimoberfläche beeinflußt den Stickstoffeinbau. Die Stickstoffkonzentration im gewachsenen Kristall ist auf der C-terminierten Fläche ca. doppelt so hoch wie auf der Si-terminierten. Es wurde gezeigt, daß die Oberflächenmorphologie zusätzlich zur Keimpolarität den Stickstoffeinbau beeinflußt.
Die vorliegende Arbeit behandelt CuInS2-Filme, die mittels Molekularstrahlepitaxie auf einkristallinen Si- und GaAs-Substraten unterschiedlicher Orientierung abgeschieden wurden. In-situ kamen dabei photoelektronenspektroskopische Analysemethoden und die Beugung niederenergetischer Elektronen zum Einsatz. Ex-situ wurden die Filme mittels Röntgenstrukturanalyse, Ionenrückstreuung und Photolumineszenz untersucht. Zunächst wurde die Bandanpassung des Si(111)/CuInS2(112)-Heteroübergangs bestimmt, wobei die Grenzfläche durch das Auftreten von Fremdphasen und durch Interdiffusion nicht ideal und stark gestört erscheint. Es wurde ein Grenzflächendipol von etwa 1 eV ermittelt. Der Vergleich der chemischen Zusammensetzung an der Filmoberfläche und im Filmvolumen deutet auf einen Konzentrationsgradienten in der Schicht hin. Unabhängig vom Cu/In-Verhältnis wurde eine schwefelarme Oberfläche gefunden. Zudem zeigen Cu-reiche CuInS2-Filme unabhängig von der Substratorientierung ein [112]-orientiertes Wachstum, wogegen im In-reichen Präparationsregime die Kristallorientierung des Substrates übernommen wird.
The thesis discusses a fundamental question of reconstruction on the Si(100) surface as well as three material combinations, which are important for perspective microelectronics technologies: Si/Pr2O3/Si(100), W/WNx/poly-Si/SiO2/Si(100), and CoSix/Si(100). A refined mixed ad-dimer model is developed for the Si(100)-c(4´4) reconstruction on the basis of scanning tunnelling microscopy investigations. A thermal stability of Pr2O3/Si(100) and Si/Pr2O3/Si(100) structures is studied with ion sputtering assisted Auger electron spectroscopy. The latter technique is also applied for precise determination of O and N content in the new W/WNx/poly-Si/SiO2/Si(100) structure, and to study the preferential sputtering of Si in CoSi2, CoSi, and Co2Si phases on Si(100) surface. The WSix/poly-Si/SiO2/Si(100) system, which was previously used in microelectronics, is studied for comparison. The preferential sputtering of Si in WSix is shown to be qualitatively similar as in the CoSix case.
Als Modellsystem für gleichrichtende Heterokontakte von Dünnschichtsolarzellen wurden polykristalline ZnO-Filme auf Si mittels Magnetron-Sputtern und metallorganischer Gasstrahldeposition (MOCBD) abgeschieden. Mit Photoelektronenspektroskopie wurden bis zu 3 chemische Grenzflächenkomponenten gefunden: SiOx, eine Willemit-artige Mischphase und reduziertes Zn0. Letzteres kann über die Sputterparameter Bias-Potenzial und O2-Partialdruck kontrolliert werden. Mit MOCBD wurden auf Si(111):H abrupte Heterokontakte präpariert. Ferner tritt an Korngrenzen und der Oberfläche Hydroxid auf. Dies kann durch Heizen entfernt werden. Während der Messungen traten energetische Verschiebungen der Spektren auf, die die Auswertung der Grenzflächenenergetik stören. Zur Erklärung wurde folgendes Modell entwickelt: In einem schnellen Oberflächenprozess findet Photolyse von Hydroxid statt, wodurch H2O oder mobile OH-Gruppen gebildet werden, die Sauerstoffvakanzen ausheilen und so die n-Dotierung vermindern. In einem langsameren Volumenprozess wird durch Photolyse von ZnO die n-Dotierung erhöht.
Einige Effekte von Silizium sind bis heute ungeklärt. Dazu zählt Oxidation von hoch-dotiertem n-Si in Fluor-haltigen Säuren im Dunkeln. Diese Oxidation wurde erstmals systematisch untersucht und zur Grundlage eines Modells für Elektroneninjektion gemacht. Die angenommenen Oberflächenkomplexen erklären den Einsatz der Kennlinien. Weitere Untersuchungen zur Identifizierung des Komplexes sowie seiner energetischen Position bieten sich an. Mit zyklischen Voltammogrammen wurde gezeigt, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Potentials entscheidend für die Gestalt der Kennlinien ist. Schon 20mV/s ist für das untersuchte System zu schnell, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Dies wird durch die Ausbildung von Hysteresen klar erkennbar. Der initielle Strompuls zeigt eine vielfache Stromdichte gegenüber den bekannten Werten der nachfolgenden Oszillationspulse. Die Wasserstoff-terminierte Grenzfläche wird innerhalb weniger Zehntelsekunden oxidiert und passiviert. Alle nachfolgenden Strompulse können als weniger gut synchronisierte Oxidationen verstanden werden.
In this work, growth and characterisation of 3C-SiC thin films, investigation of oxidation of thus prepared layers and Pr-silicate and AlON based interface with SiC have been studied. Chemical vapor deposition of 3C-SiC thin films on Si(001) and Si(111) substrates has been investigated. Prior to the actual SiC growth, preparation of initial buffer layers of SiC was done. Using such a buffer layer, epitaxial growth of 3C-SiC has been achieved on Si(111) and Si(001) substrates. The temperature of 1100°C and 1150°C has been determined to be the optimal temperature for 3C-SiC growth on Si (111) and Si(001) substrates respectively. The oxidation studies on SiC revealed that a slow oxidation process at moderate temperatures in steps was useful in reducing and suppressing the g-C at the SiO2/SiC interface. Clean, graphitefree SiO2 has been successfully grown on 3C-SiC by silicon evaporation and UHV anneal. For the application of high-k Pr2O3 on silicon carbide, plausible interlayer, Pr-Silicate and AlON, have been investigated. Praseodymium silicate has been prepared successfully completely consuming the SiO2 and simultaneously suppressing the graphitic carbon formation. A comparatively more stable interlayer using AlON has been achieved. This interlayer mainly consists of stable phases of AlN along with some amount of Pr-aluminates and CN. Such layers act as a reaction barrier between Pr2O3 and SiC, and simultaneously provide higher band offsets.
A series of two-dimensional and three-dimensional quasi-steady state numerical simulations have been performed for the initial stages (seeding process) of the Czochralski (CZ) growth of oxide crystals using the finite element method (FEM). We have considered different cases and configurations with respect to real systems in the CZ-dielectrics laboratory of the Institute for Crystal Growth (IKZ). Using induction heating in metallic parts as heat source the fluid flow and temperature field were determined in the whole CZ system. The aim of these calculations was to investigate and reveal the effect of several parameters such as the geometry and location of an active afterheater with respect to the crucible, arrangement and design of thermal insulation, crucible bottom shape, and seed rotation rate on the flow and temperature field of the system and the seed-melt interface shape. The results demonstrate that the temperature and fluid flow in the gas domain is strongly affected by an active afterheater and its insulation as well as their geometry and position. The results also show the important role played by the seed rotation rate for influencing the shape of the seed-melt interface.
Aggressive scaling of the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors resulted in the silicon dioxide (SiO2) gate dielectrics being as thin as 1.2 nm in the state-of-the-art high performance transistors. In consequence, the leakage current due to direct tunneling of electrons through the gate oxide increased significantly resulting in an unacceptably high level of power dissipation. For this reason, it is very desirable to replace the SiO2 gate dielectric with an insulator of a higher dielectric constant (high-k). The higher dielectric constant allows for the use of physically thicker dielectric layers with high capacitance densities but strongly reduced tunneling currents. This work focuses on the preparation and characterization of Praseodymium silicate high-k dielectric layers on Si(001) and evaluates the potential of this material to replace SiO2 as a gate dielectric in the state-of-the-art and future CMOS technology generations.
Effects of advanced process approaches on electromigration degradation of Cu on-chip interconnects
(2007)
This thesis provides a methodology for the investigation of electromigration (EM) in Cu-based interconnects. An experimental framework based on in-situ scanning electron microscopy (SEM) investigations was developed for that purpose. It is capable to visualize the EM-induced void formation and evolution in multi-level test structures in real time. Different types of interconnects were investigated. Furthermore, stressed and unstressed samples were studied applying advanced physical analysis techniques in order to obtain additional information about the microstructure of the interconnects as well as interfaces and grain boundaries. These data were correlated to the observed degradation phenomena. Correlations of the experimental results to recently established theoretical models were highlighted. Three types of Cu-based interconnects were studied. Pure Cu interconnects were compared to Al-alloyed (CuAl) and CoWP-coated interconnects. The latter two represent potential approaches that address EM-related reliability concerns. It was found that in such interconnects the dominant diffusion path is no longer the Cu/capping layer interface for interconnects as in pure Cu interconnects. Instead, void nucleation occurs at the bottom Cu/barrier interface with significant effects from grain boundaries. Moreover, the in-situ investigations revealed that the initial void nucleation does not occur at the cathode end of the lines but several micrometers away from it. The mean times-to-failure of CuAl and CoWP-coated interconnects were increased by at least one order of magnitude compared to Cu interconnects. The improvements were attributed to the presence of foreign metal atoms at the Cu/capping layer interface. Post-mortem EBSD investigations were used to reveal the microstructure of the tested samples. The data were correlated to the in-situ observations.
Ziel der Arbeit war es, erstmalig die Bandstruktur des in Dünnschichtsolarzellen verwendeten Absorbermaterials CuInS2 zu bestimmen. Zu diesem Zweck konnte ein neues GSMBE-Verfahren mit TBDS als Schwefel-Precursor etabliert werden, um die Verwendung von elementarem Schwefel in einem UHV-System zu ersetzen. Zusätzlich zu den abgeschiedenen Schichten wurde eine Spaltfläche präpariert. Die Charakterisierung der Proben erfolgte in situ mittels XPS/UPS und LEED. Für weitere ex situ Untersuchungen standen XRD und SEM zur Verfügung. Die ARUPS-Untersuchungen zur Bestimmung der Bandstruktur fanden unter Verwendung von Synchrotronstrahlung statt. Die aufgenommenen Bandstrukturen wurden mit Bandstrukturberechnungen Eyerts und Zungers verglichen. Dabei gestattete eine Zusammenarbeit mit Eyert eine exakte Verifizierung jenseits hochsymmetrischer Verläufe. CuInS2(001) und CuInS2(112) wurden auf Si und GaAs abgeschieden und zeigte Wachstumsraten, die im Vergleich mit MBE-Verfahren älterer Arbeiten um bis zu 85 % geringer waren. Dies führte auf Si zur Ausbildung von CuSi-Phasen, so dass sich Si als Substrat in diesem Verfahren als ungeeignet erwies. Die CuInS2-Abscheidung auf GaAs zeigte eine starke Abhängigkeit von der vorhandenen Oberflächenrekonstruktion. Eine 2x1-Rekonstruktion auf GaAs(100) führte zu einer terrassierten CuInS2-Schicht. Eine Abscheidung auf der 2x2-rekonstruierten GaAs(111)A-Oberfläche hatte eine facettierte CuInS2-Oberfläche zur Folge. Auf schwefelpassiviertem, rekonstruktionsfreien GaAs(111)B zeigte sich dagegen facettenfreies CuInS2(112)-Wachstum in vorherrschender Chalkopyrit-Struktur. An den Oberflächen von Cu-reichen CuInS2-Schichten bildeten sich CuS-Kristallite. Diese polykristallinen Ablagerungen führten bei ARUPS-Untersuchungen zu nicht-dispergierenden Zuständen, die die Bandstrukturen der CuInS2-Schichten überlagerten. Bei k-senkrecht-Messungen zeigte sich ein Zustand, dessen Dispersion stark von Berechnungen Eyerts abweicht. Sein Ursprung konnte nicht eindeutig abgeleitet werden konnte, da der Beobachtungsraum aufgrund von Endzustandseffekten und Satellitenstörungen stark eingeschränkt war. Generell zeigt ein Vergleich der Berechnungen nach Eyert bzw. Zunger mit entsprechenden Messungen, dass beide Modellrechnungen zu Bindungsenergien führen, die gegenüber den Messwerten zu niedrig sind. Die energetische Ausdehnung der charakteristischen Bereiche und deren Lage zueinander wird jedoch zutreffend beschrieben. Konsistent mit Beobachtungen in anderen Arbeiten an analogen Systemen erweist sich dabei die theoretische Behandlung der d-Zustände bei der Modellierung als kritisch. Die Bandlücke zwischen d-Charakter-dominierten und p-Charakter-dominierten Bereich wird von Eyert überschätzt, von Zunger dagegen unterschätzt. Dies lässt sich auf die verwendeten Näherungen (LDA (Zunger), GGA (Eyert)) des Austauschkorrelationspotentials zurückführen. Bei einer Anpassung der von Eyert berechneten Bandstrukturen durch einen geeigneten Energieoffset zeigten sich im Vergleich mit k-parallel-Messungen im Allgemeinen gute, nahezu perfekte Übereinstimmungen von beobachteten Dispersionsverläufen. Es konnten die effektiven Massen der Löcher für die k-parallel-Messungen bestimmt werden. Die Werte liegen in der Größenordnung des Literaturwertes, jedoch im Mittel bei doppelt so hohen Werten. Ein signifikanter, richtungsabhängiger Trend lässt sich aufgrund der starken Streuung nicht feststellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ausserdem gezeigt werden, dass die Verwendung eines (111)-Substrates zu einer Domänenbildung aufwachsender CuInS2(112)-Schichten führt. ARUPS-Messungen an derartigen Schichten bestehen daher aus einer Überlagerung von Bandstrukturen entlang unterschiedlicher Richtungen. Für zukünftige Arbeiten bietet es sich daher an, die (111)-substratinduzierte Fehlorientierung von (112)-Schichten durch ein Step-Flow-Wachstum auf Substraten mit Miscut zu unterbinden.