Stabilisierung der "High-k" Phase von ALD gewachsenen Oxiden der Seltenen Erden

Zusammenfassend wird die Entwicklung von neuen Material- und Prozessierungskonzepten für die zukünftige "p- metal oxide semiconductor" (p-MOS) Technology angestrebt. Im Rahmen dieses Projektes sollen strukturelle, elektrische und chemische Prinzipien für die Stabilisierung der sogenannten "high-k" Phase in Oxiden der seltenen Erden untersucht werden. High-k gate Dielektrika gewachsen durch z.B. "atomic layer deposition" (ALD) sind ein grundlegendes Element in modernen und hoch-skalierten "complementary metal oxide semiconductor" (CMOS) Bauelementen. Während Silizium als Kanalmaterial für viele erfolgreiche Dekaden in der Halbleiter-Technologie steht, ist nun Germanium das vielversprechendste Material für zukünftige hochskalierte p-MOS Bauelemente, da Ge über die höchste Löchermobilität aller Halbleitermaterialien verfügt. Generell ist der Abscheideprozess der dünnen Oxid-Schichten zusammen mit der nachfolgenden Metallisierung und den zugehörigen Ausheilungsprozessen von größter Bedeutung für die Funktionalität von CMOS Bauelementen, da die chemischen und physikalischen Eigenschaften die elektrischen Charakteristiken und damit die Leistungsfähigkeit der Bauelemente grundlegend bestimmen. Die Entdeckung fundamentaler Schlüsselbeziehungen zwischen Abscheidung und resultierender struktureller und elektrischer Eigenschaften dieser high-k Oxide sind daher eines der wichtigsten Anliegen dieses Projektes. Dafür müssen vorrangig Gasphasen zu Oberflächen Reaktionen, Mechanismen und Kinetik von Adsorption- und Absorptionsprozessen und Transportprozesse von geladenen und ungeladenen Teilchen, die wesentlich den Abscheideprozess und damit die Bauelemente-Charakteristika beeinflussen, aufgedeckt werden. Viele der genannten Punkte und besonders die zwei Fragen - i) welche Oxide, basierend auf den seltene Erden als effizientes Gate-Oxid stabilisierbar sind und ii) welche Oxide sich in eine spezielle Phase mit sehr hoher dielektrischer Konstante k überführen lassen (z.B. die tetragonalen phase von ZrO2 , stabilisiert mittels Dotierung von seltenen Erden) - sind von großen wissenschaftlichen Interesse. Das vorgeschlagene Projekt würde somit wesentlich zum jüngsten wissenschaftlich Diskurs über high-k Materialien beitragen, welcher durch die International Roadmap for Semiconductor Technology (ITRS) kontinuierlich vorgegeben wird. Dünne Oxide mit hoher dielektrischen Konstante k wie Zirconium-oxid (ZrO2 ), Lanthan-oxid (La 2 O3 ), Yttrium- stabilisiertes Zirconium-oxid (YSZ), Lanthan-stabilisierties Zirconium-oxid (LSZ), Lanthan-stabilisiertes Lutetium-oxid (LaLuO 3 ) und Lanthan-stabilisiertes Hafnium-oxid (LSH), wie auch auf den Scandaten basierende Oxide (z.B. DyScO x , ZrScOx , HfScO x , LuScO x ) sollen durch ALD auf geeignet vorbehandelte Ge und auch verspanntes Ge Substrate aufgebracht werden. In einem ersten Schritt sollen solche Oxide zunächst auf planare Substrate untersucht werden, um grundlegende Zusammenhänge wie Wachstumsverhalten und Grenzflächeneigenschaften der unterschiedlichen Oxide auf den unterschiedlich vorbehandelten Ge Oberflächen zu beschreiben. Als ein wichtiges Ergebnis soll mittels geeigneter Diffusionsdotierung eine Phase stabilisiert werden, die über eine sehr hohe dielektrische Konstante k verfügt. In einem zweiten Schritt soll dann die Abscheidung solcher stabilisierter Oxide auf geätzte Fin-Strukturen und Nanodrähte (NWs) erfolgen, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen, die der gate-all-around Architektur in "MOS field-effect transistors" (MOSFET) eine deutlich Überlegenheit gegenüber der planaren Anordnung zuschreiben. Die Qualität der Oxid-Halbleiter-Grenzfläche wird durch Grenzflächen-Defekte stark vermindert. Geeignete Zwischenschichten können solche Defekte vermindern und zu verbesserten elektronischen Eigenschaften der Bauelemente führen, aber gleichzeitig z.B. auch Phasen mit sehr hohen k-Wert stabilisieren. Die Grenzflächenqualität kann des Weiteren auch durch dünne, katalytisch wirkende metallische Schichten (z.B. Pt) verbessert werden. Solche Oxide mit abgestimmter Schichtabfolge sollen schließlich in mikro- und nanoskalierte Ge-basierte MOSFET integriert werden und hinsichtlich iherer physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften untersucht werden. Dabei sollen sowohl prozessrelevante, als auch operationsrelevante Konditionen für die Beurteilung der endgültigen Leistungsfähigkeit der Bauelemente berücksichtigt werden. Eine derartige Untersuchung der physikalisch-chemischen und elektrischen Eigenschaften dieser hochentwickelten Oxide, verspricht die Entdeckung neue fundamentelle Verbesserungen für die zukünftige CMOS Technologie.

Im Rahmen des Projektes STAPHASE wurde die Stabilisierung der High-k Phase in Übergangsmetall-Gate-Oxiden angestrebt, sowie deren Implementierung in MOSFETs in Kombination mit Hochmobilitäts-Halbleitern wie Geermanium untersucht. Ein Ziel des Projektes war die Identifizierung eines stabilen Oxid-Gate-Stacks mit hoher dielektrischer Konstante k, welcher für die Passivierung der instabilen Ge(100)-Oberfläche geeignet ist, sowie gleichzeitig eine geringe Äquivalenzoxiddicke (Equivalent Oxide Thickness - EOT) aufweist. Im Laufe des Projektes zeigte sich, dass das zu den seltenen Erden gehörende Metalloxid Y2O3 eines der vielversprechendsten Oxide für das Erreichen einer sehr niedrigen Grenzflächendefektdichte (Interface Trap Density - Dit) im Kontakt zu Ge(100) darstellt, welche vergleichbar ist mit der von Si/SiO2-Grenzflächen. In der Tat offenbarte sich mittels elektrischer Charakterisierung, dass optimierte thermische Ausheilungsprozesse des Gate-Stacks in Sauerstoffatmosphäre die Dit-Werte auf unter 1011 eV-1cm-2 herunterbringen können. Mittels Röntgendiffraktionsspektroskopie (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) konnte aufgezeigt werden, dass eine thermisch stabilisierte Yttrium-Germanat-Phase das Ausgasen von flüchtigen GeO von der Germanium-Grenzfläche verhindert, und somit ein hochwertiges GeO2 am Übergang High-k Oxid zu Ge(100) stabilisiert werden kann. Wie sich weiter zeigte, spielen ähnliche Mechanismen auch bei anderen Grenzflächenübergängen von High-k-Oxiden und Germanium, wie beispielsweise HfO2/Ge(100), eine entscheidende Rolle. In diesem Fall bildet sich ein Hafnium-Germanat, welches gleichermaßen GeO2 stabilisieren kann und somit Dit-Werte im Bereich 1 - 2 x1011 eV-1cm-2 ermöglicht und darüber hinaus gleichzeitig EOT-Werte < 2 nm sowie Leckströme < 10-7 A/cm2 zulässt. Des Weiteren wurde auch gezeigt, dass in ternären Systemen wie beispielsweise HfO2/Y2O3/GeO2 sich binäre Misch-Germanate entwickeln können, welche gleichartige Vorteile für die Germanium-Grenzfläche aufweisen. Eine weitere aus dem Projekt gewonnene Erkenntnis betrifft das schon früher für ZrO2/La2O3-Stapel entwickelte Pt-assistierte Ausheilungsverfahren in SauerstoffAtmosphäre (O2). Hier konnte nachgewiesen werden, dass eine 5 nm dicke Pt-Schicht die Diffusion von atomarem Sauerstoff auch in anderen Oxiden wie Y2O3 und HfO2 effektiv erhöht und somit eine niedrige Grenzflächenzustandsdichte Dit an der High-k Oxid/Germanium Grenzfläche ermöglicht. Betreffend der Entwicklung eines MOSFET-Herstellungsprozesses konnte ein sehr kompakter und stabiler Prozess gefunden werden, welcher eine rasche Herstellung von Schottky-Barrier MOSFET mit wahlweise Ni, Pt und Rh Source/Drain-Anschlüssen ermöglicht. Dabei konnten bereits in einem frühen Entwicklungsstadium recht hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten von bis zu 200 cm2 V-1s-1 und hohe Ion/Ioff-Verhältnisse von >106 erreicht werden, wobei auch eine fast vollständige Sättigung des Drain-Stromes im Stromquellenbereich erreicht werden konnte. Hierfür betraf ein Schwerpunkt die Entwicklung von hoch gleichrichtenden Schottky-Kontakten. Eines der wichtigsten Ergebnisse des Projekts zeigt den Einfluss der Oberflächen-Rekombinationsströme am Rand des Metallkontakts. Konventionell Pt/Ge Kontakte wurden als Modellsystem untersucht, um die Auswirkungen von eher ungewöhnlichen Parametern wie Minoritätsladungsträger-Reaktionszeit und Interface-Trap-Dichte auf das On/Off-Verhältnis, sowie auf die Schottky-Barrieren-Höhe zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass nicht nur die Metall/Halbleiter-Grenzfläche für hochwertige Gleichrichterkontakte von entscheidender Bedeutung ist, sondern vielmehr auch die, die Schottky-Kontakte umgebende Germanium-Oberfläche, welche sich aber außerordentlich gut mittels ALD-Schichten passivieren lässt. Im Hinblick auf neuartige Hochmobilitätssubstrate wurden auch sehr dünne Metallschichten auf Si(111) auf ihre Widerstandseigenschaften untersucht. Hier zeigte sich, dass an Stelle der oft angeführten Streuungseffekte vielmehr Effekte hervorgerufen durch die Bildung von lokalen Schottky-Raumladungszonen eine wesentliche Rolle für die Widerstandscharakteristik spielen. Darüber hinaus wurden wenige Nanometer dicke Chrom-Schichten an Elektroden-Grenzflächen verwendet, um die elektrische Leistungsfähigkeit von Metall-Isolator-Metall Speichern zu verbessern.