Modulation-Doped Si/SiGe and Si/SiGeC Heterostructures

Die Mikroelektronik hat im Jahr 2000 einen Umsatz von über 200 Mrd. US$ erreicht und spielt die tragende Rolle bei der Entwicklung der westlichen Industrienationen hin zu Dienstleistungs- und Informationsgesellschaften. 95% dieses Marktes beruhen auf dem Halbleiter Silizium, der insbesonde-re bei höchstintegrierten Digitalschaltungen völlig konkurrenzlos ist. In den letzten Jahren hat sich v.a. durch die Verbreitung von Handys im Bereich der Hochfrequenz-Kommunikation ein rasch wachsen-der Markt entwickelt, der mit reinen Siliziumbauelementen nur noch eingeschränkt abdeckbar ist. Es werden dafür an wenigen Schlüsselstellen der analogen Ein- und Ausgangskreise Bauelemente aus anderen Halbleitern benötigt, die nicht mehr monolithisch in die Si-Komponenten integrierbar sind. Das Ziel des Projektes war es, Materialkombinationen aus Silizium (Si), Germanium (Ge) und Koh-lenstoff (C) hinsichtlich ihrer Eignung für schnelle Si-basierende Bauelemente zu untersuchen. Damit sollen verbesserte Hochfrequenzeigenschaften mit den überlegenen Integrationseigenschaften der etablierten Si- Technologie kombiniert werden. Besonderes Augenmerk galt der bis dahin nur wenig erforschten Materialkombination Si 1-y Cy /Si, bei der mit einer Beimischung von wenigen % Kohlenstoff zum Si-Kristallgitter wesentliche Veränderun-gen der elektrischen und optischen Eigenschaften erzielt werden können. Wegen der deutlich unter-schiedlichen Durchmesser der Si- und C- Atome ist eine Legierungsbildung nur weitab vom thermody-namischen Gleichgewicht durch Niedertemperatur- Epitaxieverfahren möglich. Im Rahmen des Pro-jektes konnte erstmals gezeigt werden, daß bei geeigneten Abscheideparametern bis zu einer Konzent-ration von etwa 2 % nahezu 100% der C-Atome auf Si-Gitterplätzen eingebaut werden, was eine wesentliche Voraussetzung für alle Anwendungen darstellt. Durch umfangreiche Charakterisierung der Proben mit verschiedensten Methoden wurden dann die Abscheidebedingungen soweit optimiert, daß trotz der niedrigen Temperaturen Kristalldefekte weitgehend vermieden werden können. Weitere Untersuchungen galten dem Relaxationsverhalten dieser metastabilen Si 1-x-y Gex Cy -Film, das wegen der unvermeidlichen Hochtemperatur-Prozeßschritte für alle Bauelementanwendungen wichtig ist. Es zeigte sich, daß Spannungsrelaxation ausschließlich über ß-SiC-Ausscheidungen erfolgt und nicht über Versetzungsbildung, wie in der Literatur gelegentlich behauptet wurde. Dazu ein Meßverfahren entwickelt, mit dem die ß-SiC-Bildung über eine charakteristische Infrarot-Linie im Absorptionsspekt-rum mit hoher Empfindlichkeit verfolgt werden kann. Umfangreiche optische und elektrische Untersuchungen haben allerdings auch ergeben, daß reine Si 1-y Cy - Schichten nicht für schnelle Hetero-Feldeffekttransistoren geeignet sind, weil die große lokale Schichtverspannung zu erhöhter Streuung der Ladungsträger und damit zu niedrigen Beweglichkeiten führt. Die parallel untersuchten und zu Test-Transistoren verarbeiteten Si/SiGe-Heterostrukturen sind für derartige Anwendungen hingegen sehr gut geeignet, jedoch schwieriger herzustellen als die einfa-chen Si 1-y Cy -Schichten. Wesentliche Erkenntnisse des Projektes wurden im Rahmen einer FFF-geförderten Industriekoopera-tion weiterverfolgt. In diesem Zusammenhang sollen Si 1-x-y Gex Cy -Schichten mittelfristig in die Pro-duktion übernommen werden, allerdings nicht in Feldeffekt-Transistoren, sondern in Si 1-x-y Gex Cy - Heterobipolartransistoren, bei denen geringe Kohlenstoff-Konzentrationen zur Unterdrückung uner-wünschter Diffusionsvorgänge bei der Prozessierung verwendet werden.