Korrelation von kristalliner Anordnung, elektrischen Eigenschaften und Ladungstransport in epitaktischen Gadoliniumoxid/Si(001) – Heterostrukturen für MOS- Anwendungen

Die Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente bedingt die Notwendigkeit neuartiger Materialien aufgrund von erhöhten Leckströmen durch das Gate-Dielektrikum. Als Ersatz für das in der Vergangenheit verwendete Material Siliziumdioxid eignen sich sogenannte High-K Materialien, welche seit mehreren Jahren Gegenstand der Forschung sind. Mit den High-K Materialien können die Bauelemente kapazitätsäquivalent skaliert werden und die Forderung niedriger Leckströme erfüllt werden.

 Als vielversprechende Materialien haben sich die Seltenen Erden Oxide bewährt. Neben  der thermodynamischen und chemischen Stabilität in Verbindung mit Silizium weisen die Seltenen Erden Oxide hohe Dielektrizitätskonstanten und niedrige Leckströme auf. Ein weiterer Vorteil von Seltenen Erden Oxiden ist, dass eine geringe Gitterfehlanpassung zu Silizium aufweisen, wodurch sie epitaktisch mit der Methode der Molekularstrahlepitaxie auf Silizium gewachsen werden können. Dies bietet die Möglichkeit der gezielten Modifizierung der atomaren Anordnung der Oxidschicht, wie Orientierung und Kristallstruktur.

Ein Problem von Seltenen Erden Oxiden ist die Verringerung der Ladungsträgerbeweglichkeit in Kanal von MOS-Transistoren aufgrund von Streueffekten. Dieser Effekt wird besonders beeinflusst durch die Silizium/Oxid-Grenzfläche. Die Epitaxie bietet die Möglichkeit diese Grenzfläche gezielt zu modifizieren und so einen möglichen Einfluss auf die Beweglichkeit zu nehmen. Von den Seltenen Erden Oxiden weist Gadoliniumoxid (Gd₂O₃) im Hinblick auf das epitaktische Wachstum auf Silizium die besten Gittereigenschaften auf und tritt nur in einer einzigen Stöchiometrie auf.

Am MBE-Institut wurde Gd₂O₃ bereits erfolgreich auf Silizium gewachsen, wobei sich hohe Dielektrizitätskonstanten, niedrige Leckströme und gute Grenzflächeneigenschaften gezeigt haben [1,2]. Detaillierte Untersuchungen zum Einfluss der Kristallstruktur und Orientierung auf die Beweglichkeit in Kanal von MOS-Strukturen liegen jedoch noch nicht vor.

Im Rahmen dieses Projektes sollen Gd₂O₃ – Schichten auf für die Halbleiterindustrie relevanten Si(001)-Substraten unter unterschiedlichen Bedingungen gewachsen werden. Im Fokus stehen hier die Modifizierung der Kristallstruktur durch Variation der Wachstumsbedingungen: Temperatur, chemisches Potential des Sauerstoffs (Sauerstoffpartialdruck), Schichtdicke, Wachstumsrate, Fehlschnitt der Substrate und Si-Oberflächenpräparation.  Anschließend sollen diese Schichten strukturell und morphologisch mit Röntgen- und Elektronenbeugungsmethoden und der Rasterkraft- und Elektronenmikroskopie charakterisiert werden.

Des Weiteren folgt eine elektrische Charakterisierung ausgewählter Teststrukturen. Dies beinhaltet die Herstellung von MOS-Kondensatoren zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften, der Entwicklung eines Kontaktierungsprozesses zur Herstellung von geeigneten Hall-Strukturen zur Messung der Beweglichkeit direkt unter dem Oxid und die Untersuchung der elektrischen und elektronischen Eigenschaften.

[1] M. Czernohorsky, Wachstum und Charakterisierung von Seltenen Erden Oxiden für High-K-Anwendungen, Dissertation, Gottfried-Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2009

[2] D. Schwendt, Charakterisierung von binären und ternären Seltenen Erden Oxiden, Dissertation, Gottfried-Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2012