Humboldt-Universit?t zu Berlin

TEM Untersuchungen an epitaktischen Seltenerdoxidschichten in der Nixbyit-Phase auf Silizium

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Zusammenfassung

Die Halbleitertechnologie ist aus dem heutigen Alltagsleben kaum noch wegzudenken – sei es am Arbeitsplatz, für Steuerungszwecke oder im Privatleben. Der wachsende Einsatz von Computern geht seit jeher mit der Verdichtung von elektronischen Bauteilen auf Siliziumchips einher. Neben der blo?en Leistungssteigerung erf?hrt der Energieverbrauch zunehmend Aufmerksamkeit. Die konsequente Verkleinerung der Bauteile erfordert seit einigen Jahren die Verwendung innovativer Materialien. Konkret besch?ftigen sich Forschung und Entwicklung derzeit intensiv mit Alternativen für elektrisch isolierende Schichten in Feldeffekttransistoren. Vielversprechend sind hierfür die Oxide der Seltenerden (SEO) mit ihren hohen Dielektrizit?tskonstanten. Diese müssen in der etablierten Siliziumtechnologie als dünne Schichten integriert werden. Um ein Verst?ndnis und Kontrolle über die Herstellung von Oxidschichten in der notwendigen Gr??enordnung von wenigen Nanometern zu erlangen, wird die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) eingesetzt. Sie besitzt das Potenzial, derart dünne Schichten abzubilden und ihre Struktur auf atomarer Ebene zu analysieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die TEM an SEO-Schichten eingesetzt, die kristallin, d.h. mit einer geordneten Atomstruktur, auf Silizium abgeschieden worden sind. Zun?chst wird hierzu die Frage beantwortet, ob die hochaufl?sende TEM die sehr komplexe Kristallstruktur der SEO identifizieren kann. Die Abbildungen zeigen zwar eine beein-druckende Aufl?sung von weniger als 2 ?, was dem Ma?stab von Atomabst?nden entspricht, sind aber nicht in direkter Weise zu interpretieren, weil sie ein Elektronen-interferenzbild widerspiegeln. Mittels Vergleich zu computersimulierten Abbildungen gelingt es, die als Bixbyit bezeichnete Kristallstruktur der SEO herauszustellen. Anschlie?end wird die Grenzfl?che zwischen dem Silizium und dem epitaktisch, d.h. ausgerichtet, aufge-wachsenen? SEO betrachtet. Chemische Reaktionen, Rauhigkeit oder Kristallbaufehler an der Grenzfl?che beeinflussen die elektronischen Eigenschaften eines zukünftigen Bauteils ebenso wie die Anordnung der Grenzfl?chenatome. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die atomare Grenzfl?chenstruktur experimentell für dieses Materialsystem analysiert. Hierbei werden Daten pr?sentiert, die mit dem theoretisch vorhergesagten Modell der Grenzfl?che nicht im Einklang sind. Zwei weitere Modelle werden in der Arbeit? vorgeschlagen, mit deren Hilfe Abbildungen simuliert werden k?nnen, die eine bessere ?bereinstimmung zu experimentellen Ergebnissen liefern.

Dieser Beitrag zum Verst?ndnis des Materialsystems aus SEO und Silizium unterstützt den Ansatz kristalline Oxidschichten auf Silizium für zukünftige, elektronische Anwen-dungen zu entwickeln. Dabei wird unterstrichen, dass die TEM eine unverzichtbare Untersuchungsmethode bei der Entwicklungsarbeit darstellt.