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Daniel Gruber - Mit Kohlenstoff zum schnellen Chip

Substitutioneller Kohlenstoff in schnellen Silizium-Germanium-Kohlenstoff-Transistoren

Daniel Gruber
angefertigt an der Abteilung für Halbleiterphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik

Vortrag PPT

Die steigende Nachfrage in der Kommunikationstechnik zwingt die Halbleiterindustrie dazu, schnellere Transistoren zu immer günstigeren Preisen zu produzieren. Für Anwendungen im GHz-Bereich wurden bis jetzt Verbindungshalbleiter, wie z.B. Gallium-Arsenid, verwendet, allerdings zu sehr hohen Preisen. In den letzten Jahren hat sich jedoch der Silizium-Germanium Heterobipolartransistor (SiGe HBT) als preisgünstige Alternative erwiesen, mit dem zusätzlichen Vorteil der Kompatibilität zur herkömmlichen Siliziumtechnik.

Leider hat man beim SiGe HBT mit besonderen Problemen zu kämpfen: Durch die sehr hohe Dotierung in sehr dünnen Schichten und durch hohe Temperaturen bei der Prozessierung, findet eine starke Diffusion des Dotierstoffs Bor statt - mit negativen Auswirkungen auf die Stabilität und die erreichbare Grenzfrequenz. Eine Möglichkeit, die Diffusion von Bor zu unterdrücken, ist die zusätzliche Dotierung mit Kohlenstoff, einem Element, das normalerweise in Silizium-Schaltungen unerwünscht ist, weil es nachteilige Auswirkungen auf das elektrische Verhalten haben kann.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit man die positiven Effekte des Kohlenstoffs nutzen kann, ohne dass dabei die negativen Effekte überwiegen. Die Eignung für schnelle Transistoren hängt dabei insbesondere davon ab, in welcher Form der Kohlenstoff im Silizium-Kristall vorliegt: Ist er direkt (substitutionell) in das Kristallgitter eingebunden, so ist er uneingeschränkt prozesstauglich. Bilden sich aber nanokristalline Ausscheidungen der chemisch stabilen Verbindung Siliziumkarbid (SiC), so ist mit einer Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften zu rechnen.

Um dieser Frage nachzugehen, wurde eine spezielle optische Messmethode, die sogenannte Fouriertransform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) benutzt. Mit dieser weist man Schwingungen der Kohlenstoffatome im Siliziumkristall nach und kann so Aufschluss über die lokale chemischen Umgebung des Kohlenstoffs erhalten. Damit lässt sich verfolgen, wie sich substitutionelle Kohlenstoffatome durch Wärmebehandlung aus dem Kristallverbund lösen, durch das Siliziumgitter diffundieren und letztlich die unerwünschten Siliziumkarbid-Nanokristalle bilden. Mit Hilfe dieser Methode konnte gezeigt werden, dass Kohlenstoffdotierung und Prozesstemperatur möglichst niedrig angesetzt werden müssen, um die negativen Effekte des Kohlenstoffs "im Zaum zu halten".

Um die Auswirkungen des Kohlenstoffs am konkreten Transistor zu studieren, wurden mittels eines hochpräzisen Aufdampfverfahrens, der Molekularstrahlepitaxie (MBE), Transistorstrukturen gewachsen und anschließend prozessiert. Aufgenommene Tiefenprofile bestätigen, dass auch mit der hier verwendeten niedrigen Kohlenstoffdotierung die Bordiffusion vollständig gestoppt wurde und damit eine Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften möglich wird. Unter optimierten Prozessbedingungen zeigen die elektrischen Kenndaten kaum negative Auswirkungen des eingebrachten Kohlenstoffs. Die Methode soll weiter ausgebaut werden, um eine schnelle Prozessüberwachung unter Produktionsbedingungen zu ermöglichen.