Ultra Thin Silicon Nitride Interface Engineering

Aachen (2017) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (ii, 184 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Metall-Halbleiterübergänge spielen für fast alle halbleitertechnologischen Bauelemente eine herausragende Rolle. Hauptproblem dabei ist aber die sich am Interface beider Materialien ausbildende Schottky-Barriere, die die Injektion von Ladungsträgern stark limitiert. Konventionelle Ansätze, die Schottky-Barriere zu reduzieren, stoßen an ihre wirtschaftlichen und physikalischen Grenzen. Während der gebräuchlichste Ansatz eine Dotierung voraussetzt, ist in dieser Arbeit eine neue Methode aufgegriffen und untersucht worden. Hier erlaubt der Einsatz einer Siliziumnitridschicht von wenigen Atomlagen (0.8nm) die eigentliche Problematik des Fermi-Level-Pinnens zu lösen. Die Passivierung der Oberfläche durch einen Wachstumsprozess bildet eine hervorragende Grenzfläche zum Silizium und das Einbringen eines Isolators ermöglicht ein Unterdrücken von metall-induzierten, evaneszenten Zuständen in der Bandlücke des Halbleiters. Beide Eigenschaften führen zu einer starken Entkopplung zwischen dem Fermi-Niveau und der Grenzflächenzustandsdichte, sodass eine austrittsarbeitsabhängige Kontaktierung möglich wird.Dünne Siliziumnitridschichten im Bereich von 3.7nm bis 0.6nm wurden durch einen thermischen Wachstumsprozess in einer Ammoniakatmosphäre entwickelt. Diese Schichten zeichnen sich durch ihre exzellente Schichtdickenkonformität auf Wafermaßstab, ihre Ätzresistenz gegenüber einer Vielzahl an Chemikalien und der hohen Dichte trotz Schichtdicken von wenigen Atomlagen aus. Vier Applikationsbereiche bestehend aus Metall-Oxid-Silizium Feldeffekttransistoren (MOSFET), Dioden, Metall-Isolator-Silizium-Solarzellen und resonanten Tunneldioden sind im Hinblick auf den Einfluss der Siliziumnitridschicht untersucht worden. In MOSFETs verhilft die Siliziumnitridschicht das in Schottky-Barrieren-Transistoren typische ambipolare Verhalten zu unterdrücken. Unipolare n-und erstmalig p- MOSFETs ohne Einsatz von Dotierung konnten so erzielt werden. Gleichsinnige Raumladungszonen bilden sich durch die Wahl zweier Metalle und der Siliziumnitridschicht, die über eine hohe (>5eV) und eine niedrige Austrittsarbeit (<4.1eV) verfügen. Dioden mit Diffusionsspannungen von 1V, Sperrschichtkapazitäten von <5pF und Temperaturkoeffizienten von 2mV/K bestätigen die Ausbildung einer Raumladungszone an der Metall-Siliziumnitrid-Silizium Grenzfläche. Eine Vergrößerung der Isolatordicke verringert die Diffusionsspannung der Raumladungszone. Der Einsatz von hohen Dotierungen führt zu einer einseitig ausgeprägten Raumladungszone, die wegen der hohen Dotierung eine nicht gewünschte kleine Raumladungsweite aufweist. Der Ladungsträgertransport von Löchern im niedrig dotierten Silizium konnte deutlich unterhalb der Temperatur, die für die Ionisation der Dotierstoffe notwendig ist, gezeigt werden. Die Entwicklung und Fabrikation von Mikro -und Nano-Stencilmasken schafften die Voraussetzung dem Anspruch eines hohem Reinheitsgrades gerecht zu werden und die Ausbeute der Siliziumnitrid-basierten Dioden massiv zu steigern. Das charakteristische, ohmsche Verhalten der Metall-Nitrid-Halbleiterkontakte führte zu einer Verbesserung konventioneller, rudimentärer Solar-Zellen-Konzepte. Die Anwendung einer Siliziumnitridschicht in einer auf dem Tunnelkontakt basierten Solarzelle konnte mit einem Füllfaktor von 0.74 demonstriert werden. Die hohe Dichte des Siliziumnitrids erlaubt es bei Temperaturen von 1050°C selbstlimitierend Schichtdicken von 2.4nm herzustellen, so dass gleichzeitig eine Kristallisation einer amorphen Siliziumschicht bewerkstelligt werden kann. Resonantes Tunneln durch die Silizium-Quantenpunkte bestätigte die Ausbildung von Nanokristallen. Abschließend konnte erfolgreich und zum ersten Mal ein umfassender Nachweis der Ausbildung einer Raumladungszone ohne Dotierung an verschiedenen Applikationen mit einem kostengünstigen Siliziumnitridprozess erbracht werden.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Fischer, Sergej

Gutachterinnen und Gutachter

Knoch, Joachim
Vescan, Andrei

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-09277