CRYSPE2- Kristallstrukturerhaltendes Elektronenstrahlätzen für Ge-Nanobauelemente

Neue Materialien wie Ge-Nanodrähte (Ge-NWs) oder Ge-on-insulator (GOI) ermöglichen innovative Devices wie z.B. NW-Transistoren mit kleiner Subthreshold-Leakage oder GOI-Transistoren mit kurzen Schaltzeiten. Die Kanal-Abmessungen sind hierbei ein wichtiger Faktor für die elektrischen Eigenschaften. Eine Feinabstimmung dieser kritischen Abmessungen bildet daher die Grundlage für hochoptimierte Ge-basierte Devices. Für diese Anwendung ist das Ätzen mit dem fokussierten Elektronenstrahl (FEBIE) die Methode der Wahl, da hier, im Gegensatz zur Bearbeitung mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB), weder Amorphisierungseffekte noch Gallium-Verunreinigungen im prozessierten Bereich auftreten. Ein neuartiger, chlorbasierter FEBIE-Prozess für Si sowie für Ge wurde kürzlich von unserer Gruppe entwickelt. Im Gegensatz zum etablierten Ätzgas XeF 2 zeichnet sich dieser Ansatz durch eine exzellente Prozesskontrolle aus, da hier kein spontaner Ätzangriff auftritt. Das Projekt verbindet die Bereiche 1. der Ätzprozessentwicklung und 2. der Ge-Device Entwicklung. 1. "Entwicklung eines Cl 2 -basierten Ätzprozesses für Ge" hat das Ziel die zugrunde liegenden Mechnismen (Adsorption, Diffusion und Desorption) des strahlunterstützen Ätzens zu untersuchen. Prozessoptimerung wird in höheren Ätzraten, glatten Ätzoberflächen resultieren, sowie in einer Applikation für 3D-Modifikation von Ge-NW Strukturen. Der Ätzprozess wird eine zerstörungsfreie Entfernung von FIB-amorphisierten Schichten ermöglichen und gleichzeitig die volle Kristallinität der Ge-Devices sichern. 2. "Ge-Device-Entwicklung und Charakterisierung" wird den entwickelten Ge-FEBIE Prozess auf das Struturieren und Fein-Tuning von Nano-Devices anwenden. Das Ziel ist die Herstellung und elektr. Charakterisierung von gated Ge-NW Devices sowie eines GOI-MOSFETs. Zusätzlich werden in-situ Messungen während der FEBIE-Prozessierung und Tieftemperatur-Messungen bis 4 K durchgeführt. Mittels eines Cl 2 -basierten Ätzgas-Mixes kann eine hochauflösende Bearbeitung von Ge-Nanostrukturen nur in den vom Elektronenstrahl prozessierten Bereichen durchgeführt werden. Diese masken- und lacklose Methode erhält die Kristallstruktur ohne spontane Ätzeffekte. Die Projektaktivitäten spalten sich in zwei parallel durchgeführte "Activity Lines" auf, welche jeweils von einem Dissertanden bearbeitet werden: 1. Ätzen von Ge-Nanodevices mit einem fokussierten Elektronenstrahl mit Chlor als Ätzgas: Das Ätzen von Bulk-Ge, Ge-NWs und GOI wird in einem REM "LEO 1530" mit Chlorgas-Injektionssystem durchgeführt. Vertikales und laterales Dünnen von Ge-NW und MOSFET-Kanälen. 2. Analyse und elektr. Charakterisierung der Ge-Nanodevices: Prozessierte Bereiche werden mit TEM untersucht. Die elektrischen Eigenschaften von Ge-FETs werden mit Hilfe von C-V sowie I-V-Messungen charakterisiert sowie in-situ-Messungen während des Ätzprozesses durchgeführt. Analysen mittels AFM, AES und SIMS komplettieren die Charakterisierung. Zum ersten Mal wird ein Fein-Tuning von Device-Eigenschaften (aus Ge-NW, GOI) durchgeführt werden, sowie die zerstörungsfreie Entfernung von amorphisierten Oberflächen auf Cross-Section-TEM-Proben. In Verbindung mit den gewonnenen Erkenntnissen in der Oberflächenphysik adsorbierter Ätzmoleküle und ihrer Interaktion mit Elektronen unterstützt durch elektr. in-situ-Messungen während der Berarbeitung wird dieses Projekt neue Einblicke bieten welche für Wissenschaft und Industrie von Bedeutung sein werden.

In derzeitigen Computern und Mobiltelefonen verwenden sowohl zur Logikdatenverarbeitung in CPUs als auch zur Datenspeicherung in Flash-Speichern lateralem nanoskalige Halbleitertransistoren. Die klassischen Fertigungstechnologie kann kleinste, hoch komplizierte 2D-Schaltungsmuster auf ebenen Substraten erzeugen. Eine universelle Fertigungstechnologie für echte 3D-Nanostrukturen mit beliebiger Geometrie gibt es aber noch nicht. Eine solche 3DNanostrukturierung würde vertikale Nanodraht-Transistoren für eine leistungsfähigere 3DMikroelektronik und 3D-Datenspeicherung sowie tragbare Elektronik auf nicht-flachen Oberflächen und 3D-medizinische Sensoren ermöglichen.Dieses Projekt hat eine maskenlose, lackfreie Nanofabrikationstechnologie weiterentwickelt, die in der Lage ist, 3D-Halbleiter-Bauelemente zu bauen oder zu modifizieren. Ein fokussierter Elektronenstrahl wird über die relevanten Bauelementbereiche gelenkt und setzt dort lokal eine chemische Reaktion eines zugegebenen chemischen Gas an oder mit der Oberfläche in Gang. Diese fokussierte Elektronenstrahl-induzierte Prozessierung (FEBIP) kann verwendet werden, um Materialien lokal begrenzt zu Ätzen, Abzuscheiden oder zu Dotieren. Dies schließt Halbleiter und Nanomaterialien wie 3D-Nanodrähte ein. Im Rahmen dises Projektes wurde (i) das kontrollierte Chlor-basierte Ätzverfahren für Halbleiter und (ii) das elektrische Trimmen von Halbleiterbauelementen und die Schaltungsintegration von 3D-Nanomaterialien durch den Einsatz von FEBIP perfektioniert. Die wichtigsten Fortschritte durch dieses Projektes sind: Die elektrische Leitfähigkeit einzelner Nanodrähte kann durch Chlor-Ätzen mit dem Elektronenstrahl selektiv modifiziert werden. Das maßgenaue Anpassen des Querschnitts von Nanobauelementen ist ein neuartiger Ansatz zur Modifikation von 3D-Halbleiter-Nanodrähten. Mit Chlor als Prozessgas kann das FEBIP-Verfahren nicht nur zum Ätzen, sondern auch zur Oberflächenmodifikation von Nanodrähten verwendet werden. Dies wurde sogar auf der sphärischen Oberfläche eines Si-Nanodrahtes und eines Ge-Nanodrahts gezeigt. Die chemische Oberflächenanalyse zeigte nach der Bearbeitung die Anwesenheit von Chlor auf der Nanodrahtoberfläche. Diese Oberflächenmodifikation mit Chlor verändert die elektrischen Leitfähigkeit des Nanowires ohne jegliche Änderung der Geometrie. In diesem Projekt wurde die Herstellung von diodenartigen Strukturen aus einem homogen p-dotierten Halbleiternanodraht durch Oberflächenmodifizierung mittels FEBIP mit Chlor realisiert. Dies eröffnet eine neue Route für die Herstellung von aktiven Transistoren aus einfachen Nanodrähten.Um das elektrische Kontaktieren von Nanomaterialien zu erleichtern, wurde in diesem Projekt ein Verfahren zur Direkt-Abscheidung von reinen Goldkontakten entwickelt. Die Zersetzung eines metallorganischen Goldvorläufers durch FEBIP ergibt typischerweise hochohmiges, kohlenstoffreiches Material. Durch die Entwicklung und Optimierung eines insitu-Reinigungsverfahrens konnten reine Goldabscheidungen erzielt werden, sodass Nanomaterialien nun mit niederohmigen Goldzuleitungen kontaktiert werden können.Die Projektergebnisse werden für zukünftige 3D-Nanotransistoren und Nanosensoren von Bedeutung sein. Die Chlor-Terminierung von Halbleiteroberflächen ist ein erster Prozessschritt zur lokal begrenzten Biofunktionalisierung von Halbleiter-Biosensoren. Die mit FEBID hergestellten reinen Gold-Nanostrukturen sind auch interessant als nano-plasmonische Baueelemente auf ebenen und nicht-planaren Oberflächen.