1996 – 2000

Datum der Promotion: 20.12.2000
Abstract: –

Datum der Promotion: 28.04.2000
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-8063-X in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Arbeiten zur Entwicklung dreidimensionaler Prozeßsimulationsprogramme, wie sie innerhalb der ESPRIT Projekte PROMPT und PROMPT II durchgeführt wurden, zeigten unter anderem, dass die Generation und -adaption der benötigten dreidimensionalen Gitter das zentrale Problem bei der dreidimensionalen Prozesssimulation darstellt. Wegen der in der Halbleitertechnologie auftretenden nichtplanaren zeitabhängigen Geometrien unterscheiden sich die Anforderungen substantiell von denen anderer Anwendungsbereiche und erfordern die Entwicklung problemangepasster Algorithmen. Eigenschaften von Oberflächendiskretisierungen, insbesondere die Anzahl der in ihr enthaltenen Punkte sowie die Qualität und Größe ihrer Dreiecke haben einen entscheidenden Einfluss auf die Generation und die Qualität dieser Gitter. Als Konsequenz hieraus wird zur Zeit der Einreichung dieser Abhandlung das europäische Verbundprojekt MAGIC_FEAT begonnen, in dem die benötigten leistungsfähigen Gittergenerationsprogramme entwickelt werden sollen. Einer der wichtigsten Arbeitspunkte hierbei ist die Optimierung von Oberflächentriangulierungen. Neben diesen Problemen hinsichtlich der numerischen Gitter sind auch weitere Verbesserungen der in solchen Simulationsprogrammen zu verwendenden physikalischen Modelle und Algorithmen zu ihrer Auswertung dringend notwendig.
Entsprechend dieser Problematik wurden in der vorliegenden Arbeit exemplarisch typische Verfahren und Modelle zur Simulation der Implantation von Dotierungsatomen sowie ihrer Diffusion vorgestellt. Die sich aus derartigen Implantations- und Diffusionsmodellen ergebenden Anforderungen für die Diskretisierung von nichtplanaren Geometrien sowie für die Generation und Adaption der für die Diskretisierung von Dotierungs- und Defektverteilungen erforderlichen Gitter wurden abgeleitet. Vorhandene Verfahren zur Beschreibung von Ober- und Grenzflächen, ihrer Änderung während der Halbleiterprozesse sowie zur Gittergeneration wurden vorgestellt und bewertet.
Für die Ionenimplantation wurden verbesserte Modelle zur Simulation der Implantation in Mehrschichtstrukturen sowie zur Beschreibung lateraler Dotierungsverteilungen entwickelt. In diese Modelle geht der mit der jeweiligen projizierten Reichweite normierte vom implantierten Ion im Target zurückgelegte Weg als zentrale geometrische Größe ein, die in dieser Arbeit als effektive Tiefe eingeführt wurde. Für die Simulation der Implantation in amorphes Silicium stimmen die vorgestellten Modelle meist bereits dann gut mit den Ergebnissen von Experimenten oder Monte-Carlo Simulationen überein, wenn die benötigten Reichweiteparameter nicht angefittet, sondern vorhandenen Tabellen entnommen werden, die mittels der Boltzmann-Transporttheorie berechnet wurden. Bei der Implantation in kristallines Silicium müssen die Reichweiteparameter aber in Abhängigkeit von den Prozeßparametern einschließlich der Orientierung relativ zum Kristallgitter bereitgestellt und dazu aus Messungen oder kristallinen Monte-Carlo Simulationen extrahiert werden. Daneben ist der wichtigste Nachteil der analytischen Implantationsmodelle, dass sie Profiländerungen aufgrund des unterschiedlichen Rückstreuverhaltens in der Nähe der Grenzflächen stark verschiedener Schichten, wie Siliciumnitrid oder Photolack auf Silicium, nur sehr eingeschränkt beschreiben können. Hierunter fällt auch die Seitenwanddotierung eines tiefen Grabens insbesondere bei verkippter Implantation, die zwar mittels der Monte-Carlo Simulation gut beschrieben werden kann, wegen des stark unterschiedlichen Rückstreuverhaltens der „Schichten“ Vakuum und Silicium aber nicht mit den analytischen Modellen. Die in dieser Arbeit vorgestellten bzw. in ihr referenzierten analytischen Modelle schöpfen die prinzipiellen Möglichkeiten dieses Ansatzes zur Simulation der Ionenimplantation weitgehend aus, so daß darüber hinausgehende Verbesserungen im wesentlichen nur von der rechenzeitaufwendigeren Monte-Carlo Simulation erwartet werden können. Die entwickelten analytischen Modelle können ebenso wie der außerhalb dieser Arbeit entwickelte kombinierte Ansatz, in dem die im analytischen Ansatz verwendete Punktantwortfunktion aus einer Monte-Carlo Simulation extrahiert wird, zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit der in der Industrie inzwischen etablierten Prozeßsimulationsprogramme verwendet werden. Der in Abb. 1 gezeigte Vergleich zwischen der Simulation der Ionenimplantation mittels der entwickelten analytischen Modelle und der Monte-Carlo Simulation zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung auch des lateralen Profils über zumindest vier Größenordnungen.

Ausgehend von der effektiven Dicke als zentraler geometrieabhängiger Größe der analytischen Modelle wurde eine neuartiger Algorithmus zur dreidimensionalen Simulation der Ionenimplantation entwickelt, dessen Kern in der Separation von Geometriebehandlung und Auswertung der analytischen Modelle besteht. Anstatt zu jedem bei der dreidimensionalen Simulation auftretenden Punkt im zweidimensionalen Faltungsintegral separat die effektive Tiefe durch Berechnung aller Schnittpunkte des Implantationsstrahls durch den Punkt mit den Ober- und Grenzflächen zu berechnen, wird die dreidimensionale Geometrie durch sukzessive Projektion auf die Ebenen der Gitterpunkte auf zweidimensionale Triangulierungen reduziert, an deren Knoten die effektive Tiefe exakt bekannt ist und innerhalb deren Dreiecke eine bilineare Interpolation den exakten Wert liefert. Dies erlaubt eine effektive Auswertung der in der dreidimensionalen Simulation auftretenden Faltungsintegrale und eine drastische Reduktion der typischen Rechenzeiten. Der Algorithmus beinhaltet die sukzessive Einbettung der Projektion von Dreiecken der Oberflächentriangulierung in die schon bestehenden Triangulierungen einer Ebene senkrecht zur Implantationsrichtung, was zu einem erheblichen Implementierungsaufwand führt, um allgemeine Beispiele zuverlässig rechnen zu können. Eine außerhalb der vorliegenden Arbeit erfolgte Weiterentwicklung des Algorithmus vermeidet dieses Problem und ist inzwischen Teil eines weltweit vermarkteten kommerziellen dreidimensionalen Prozessimulators.
Während die Anpassung von zwei- und dreidimensionalen Gittern an die Verteilung von Größen, die im Volumen zu diskretisieren sind, z.B. Dotierungsverteilungen, mithilfe von Verfahren wie der Octree Methode mittlerweile weitgehend gelöst ist, gibt es auch zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Arbeit noch keinen allgemein verfügbaren Gittergenerator, der die Vielzahl von Problemen löst, die mit allgemeinen zeitabhängigen Oberflächen verknüpft sind. Der innerhalb dieser Arbeit entwickelte Gittergenerator basiert auf der weitgehenden Separation von Oberflächen- und Volumeneigenschaften und erlaubt so die Nutzung bewährter Algorithmen und Programme zur Generation und Adaption von Gittern außerhalb der Umgebung von Ober- und Grenzflächen. Der Gesamtalgorithmus wurde in der vorliegenden Ausarbeitung dargestellt und eingehend diskutiert. Da sich die Kopplung an bestehende Algorithmen und Programme zur Generation und Adaption von Volumengittern als möglich und angemessen erwies und die Programmierung des Gesamtalgorithmus für allgemeine Fälle den Rahmen der Arbeit gesprengt hätte, konzentrierte sich die durchgeführte Implementierung auf das bisher weitgehend unzureichend behandelte Feld der Kontrolle und Verbesserung von Oberflächendiskretisierungen sowie der Generation des Oberflächengitters. Hierzu wurden insbesondere Programmodule zur topologisch korrekten Glättung von Oberflächentriangulierungen, zur Beseitigung nicht koplanar kompensierter stumpfwinkliger Dreiecke sowie zur exakt parallelen Verschiebung von Oberflächentriangulierungen erstellt, erfolgreich an relevanten Beispielen getestet, sowie zum Teil bereits in das im Rahmen der ESPRIT Projekte PROMPT und PROMPT II entwickelte dreidimensionale Prozessimulationsprogramm integriert. Die Abb. 2 zeigt einen Teil dieses Ablaufs für der Siliciumoberfläche unter einer Oxidecke. Sowohl die hier als auch an anderer Stelle durchgeführten Untersuchungen und Simulationen industrieller Anwendungsbeispiele haben gezeigt, daß derartigen Algorithmen eine entscheidende Bedeutung zukommt, um die dreidimensionale Prozessimulation für die breite industrielle Nutzung attraktiv zu machen. Am Ende der Arbeit wurde diskutiert, wie die Module zu kombinieren und zu erweitern sind, um Diffusion und Oxidation bei allgemeinen nichtplanaren Strukturen simulieren zu können.

Die Entwicklung leistungsfähiger Algorithmen und Programme zur Generation und Adaption von Gittern für zeitabhängige nichtplanare Geometrien ist zur Zeit Gegenstand aktueller Forschung sowie weltweit kontroverser Diskussion hinsichtlich der optimalen Ansätze, da sie insbesondere für die dreidimensionale Simulation von Diffusion und Oxidation entscheidend ist. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Algorithmen zur Optimierung von Oberflächentriangulierungen sowie die oben skizzierten möglichen Erweiterungen sind mit den meisten der zur Zeit diskutierten Konzepte für dreidimensionale Gitter sinnvoll und vorteilhaft kombinierbar. Insbesondere bilden sie eine Voraussetzung für das im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Verfahren der Separation und Kombination von Oberflächen- und Volumengittern. Hierzu ist der im Rahmen dieser Arbeit implementierte exakte dreidimensionale Stringalgorithmus wie in der Abhandlung skizziert mit an anderer Stelle entwickelten Algorithmen zur Generation und Adaption von Octree-Gittern im Volumen zu kombinieren und um ein Modul zur Deaktivierung von Punkten nach dem hergeleiteten Kriterien zu ergänzen. Die Generation eines konformen Delaunay-Gitters im schmalen Volumen zwischen der Oberfläche und der lokal oberflächenparallelen Schicht ließe sich dann entweder durch Anwendung eines externen Delaunisierungsprogramms oder des im vorgestellten Algorithmus erreichen. Für die Anwendung auf beliebige Kombinationen von konvexen und konkaven Kanten an einem Oberflächenpunkt wäre die Implementierung des letzteren Algorithmus noch wie skizziert zu verallgemeinern.

Die hier vorgestellten Ergebnisse bilden einen Teil der Ausgangsbasis für das MAGIC_FEAT Projekt, in dem unter anderem auch einige der oben skizzierten Erweiterungen durchgeführt werden sollen. Daneben ist auch die Nutzung im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Implantationsmodelle in kommerziellen Prozessimulatoren geplant.

Datum der Promotion: 26.01.2000
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-7131-2 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines kompakten Ozon-Absorptionsphotometers für weitverbreitete kommerzielle Anwendungen. Zunächst wurde ein durch Integrieren eines UV-Bandpass-Interferenzfilters selektiver Si-verstärkter Photodetektor entwickelt. Die hohe Selektivität bei 254 nm wird durch ein Interferenzfilter mit sechs Schichten aus SiO2, Al und Si2N3 erreicht, das mit einem Sputterprozess realisiert wurde. Verschiedene Photodetektoren wurden mit einem Standard-CMOS-Prozess und einigen zusätzlichen Prozessschritten hergestellt. Als besonders geeignet erwies sich der Photodetektor mit indirekter Kopplung, bestehend aus einem flachen aktiven pn-Übergang und einem npn-Transistor, bei dem durch die Anpassung der Kopplungsregion zwischen photoelektrischer Konvertierungsregion und elektrischer Signalausgaberegion ein niedriger Dunkelstrom und eine schnelle Antwort erreicht wird. Auf der Basis dieser Halbleiter-UV-Photodetektoren wird ein Prototyp eines kompakten Ozon-Absorptionsphotometers vorgestellt, das aus einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe, zwei Photodetektoren und einer 28 cm langen optischen Absorptionszelle besteht. Es erreicht eine Auflösung von 5 ppm, die Drift liegt im Bereich von 10 ppm/h. Das Ozonphotometer erreicht im Vergleich zu elektrochemischen Ozonsensoren eine gute Linearität, Wiederholbarkeit und Selektivität.

Datum der Promotion: 25.10.1999
Abstract: Eine neue Generation eines miniaturisierten, nichtrotierenden, mikroelektronischen, silicium-integrierten Windsensors (MESIWS) wurde entworfen, entwickelt, hergestellt und gefertigt, um gleichzeitig Windgeschwindigkeit und -richtung mittels einer doppelten, polykristallinen, piezoresistiven Silicium-Wheatstone-Brückenkonfiguration zu messen. Es wurde ein mikroelektronischer Silicium-integrierter Windsensor statt eines thermischen Windsensors entwickelt, da der thermische Windsensor entweder bei konstanter Energie oder bei konstanter Temperaturbetrieben werden kann, d. h. der Betrieb des thermischen Windsensors basiert entweder auf derWärmeübertragung vom Sensor oder auf der Messung eines strömungsinduzierten Temperaturgradienten (Temperaturunterschiede). Der thermische Windmesser erfasst die Windgeschwindigkeit und -richtung durch Messen der strömungsinduzierten Temperaturunterschiede auf dem erwärmten Sensorchip in zwei orthogonalen (rechtwinkligen) Richtungen, was sehr kostspielig ist. Die Auslenkung von Membran, Zunge (Balken) und Brücke wird als Funktion derWindgeschwindigkeit unter Verwendung verschiedener Gleichungen gemessen, die als fundamentaler Aspekt des Grundprinzips des Windsensors abgeleitet werden. Durch den Einsatz einer umfangreichen, dreidimensionalen Finite-Elemente-Methode des Simulationsprogramms ANSYS (ANalysis SYStem) als Entwurfshilfsmittel wurde eine beträchtliche Leistungssteigerung sowie eine drastische Kostensenkung für Windsensor erzielt. Der Temperaturkoeffizient der Nullpunktverschiebung, der Spannweite und des spezifischen Widerstandes des Windsensors mit der Sensibilität und dem k-Faktor wurden mit verschiedenen Versuchsanordnungen gemessen. Dabei wurde gefunden, daß die Stabilität der Membran sehr viel höher ist als die von Zunge und Brücke. Daher wurde der empfindlichste Teil der Membran von ANSYS ausgewählt, um dort die piezoresistive Polysilicium-Wheatstone-Brücke der Länge nach zu plazieren, so daß die größtmögliche Dehnung der Windsensormikrostruktur zur Windmessung erzielt wird. Die elektrischen Eigenschaften des Windsensors und mechanische Zugspannung, Belastung und Dehnung der Mikrostruktur wurden untersucht. Die theoretische Analyse und experimentelle Messung des Windsensors wurden beschrieben. Verschiedene Arten von elektrochemischen anisotropen Ätzstopptechniken wurden zur Bildung und hochpräzisen Dickenkontrolle der Siliciummembran eingesetzt. Der mikroelektronische Silicium-integrierte Windsensor wurde entwickelt, um die Windgeschwindigkeit und -richtung mit Hilfe des Programms LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) zu ermitteln und zu messen. Darüber hinaus wurde auch die Mikrosimulation (Microsim) PSpice mit einer Standardsoftware für Schaltungsanalysen eingesetzt, um die Verstärkerstufen mit einem Tiefpassfilter zu simulieren, zu entwerfen und zu analysieren. Die Standardspezifikationen und Eigenschaften des mikroelektronischen Silicium-integrierten Windsensors wurden anhand verschiedener Arten von Gleichungen intensiv berechnet, gemessen und optimiert. Verschiedene Temperaturkompensationstechniken wurden entwickelt und optimiert, um das Ausgangssignal des Windsensors zu verstärken. Das Windsystem mit dem meteorologischen Anemometer wurde zur Erfassung von Windgeschwindigkeit, -richtung und Luftdruck auf dem Dach des Fraunhofer Gebäudes angebracht. Die theoretische Analyse des Windsensors und die Simulationen stimmen sehr gut mit den vom Windsensoraufbau erzielten Versuchsergebnissen überein.

Datum der Promotion: 04.10.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-6940-7 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Reichweitenverteilungen von Aluminium-, Bor- und Stickstoffionen in Siliciumcarbid sowie der elektrischen Eigenschaften von 4H-SiC-Schichten nach der Implantation dieser Stoffe. Die Dotierstoffe wurden in einem großen Energiebereich von 10 keV bis fast 6 MeV in das 4H-SiC implantiert. Die Ionenverteilung wurde mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessen und deren Reichweitenparameter mit einer optimierten Fitroutine bestimmt. Im Falle der vollständigen Amorphisierung der Kristalle durch hohe Implantationsdosen können die Reichweitenparameter mit dem Computerprogramm RAMM bzw. TRIM berechnet werden. Beide Parametersätze wurden in ein Prozesssimulationsprogramm implementiert, mit dem nun Al-, B und N-Verteilungen mit Energien bis 6 MeV und beliebigen Dosen sowie ausgeheilte Al- und N-Profile in hexagonalem SiC simuliert werden können. Danach wird der Einfluss verschiedener Implantations- und Ausheilbedingungen auf die elektrische Aktivierung und die Leitfähigkeit von Al-implantierten Proben behandelt. Die elektrische Aktivierung wurde durch Kapazitäts-Spannungs-Messungen, die Leitfähigkeit durch Schichtwiderstandsmessungen bestimmt. Es zeigte sich, dass die elektrische Aktivierung von Al nach der Ausheilung in einer geschlossenen oder einer offenen Anlage gleich blieb, während die Leitfähigkeit für Proben, die in der geschlossenen Anlge getempert wurden, höher war. Für ein besseres Verständnis dieser Ergebnisse wurden an den gleichen Proben Photolumineszenz- und Transmisssionelektronenmikroskopie-Untersuchungen bei tiefen Temperaturen durchgeführt. Es wurden kleine Punktdefektkomplexe als Rekombinationszentren identifiziert, die sich zu großen Versetzungsringen zusammenlagern, deren Größe und Dichte entscheidend von den Ausheilbedingungen abhängt. Eine Korrelation wurde zwischen der Versetzungsringdichte und der Leitfähigkeit gefunden.

Datum der Promotion: 01.10.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-7176-2 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: In dieser Arbeit wird ein Programm zur dreidimensionalen Simulation der Ionenimplantation entwickelt. Damit ist es möglich, in beliebigen dreidimensionalen Bauelementestrukturen die Dotierstoffverteilung nach Implantation unter allgemeinen Prozessbedingungen zu berechnen. Als Methode wurden analytische Modelle verwendet, die es erlauben, durch Berechnung eines Faltungsintegrals schnell die Verteilung der Ionen nach der Implantation zu bestimmen. Zur Beschreibung der Bauelementegeometrie werden triangulierte Oberflächen verwendet. Um die geometrische Struktur des Bauelements für die analytische Simulation der Ionenimplantation aufzubereiten, wurden Algorithmen entwickelt, die eine stabile und physikalisch konsistente Erfassung der Bauelementegeometrie unter beliebigen Einschussrichtungen erlauben. Die Materialstruktur wurde durch Implementierung eines physikalisch motivierten Mehrschichtmodells berücksichtigt. Es wird eine neuartige Kopplung zu Monte-Carlo-Simulatoren vorgestellt, so dass die Kristallstruktur des Siliciums berücksichtigt werden kann. Das Programm wurde in eine kommerzielle Software-Umgebung integriert, was die Generierung adaptiver Gitter während der Simulation sowie gekoppelte Prozess-Bauelement-Simulationen moderner Bauelementarchitekturen ermöglicht. Zur experimentellen Verifikation des Programms wurden Dotierstoffverteilungen in Teststrukturen untersucht. Es wird gezeigt, dass eine inhärent dreidimensionale Geometrie messbaren Einfluss auf den Verlauf des Implantationsprofils im Vergleich zum Profil einer analogen ausgedehnten Struktur hat. Anhand einer aktuellen, in der Entwicklung befindlichen Architektur eines MOS-Transistors wird gezeigt, dass mit der entwickelten Software eine vollständige dreidimensionale gekoppelte Prozess-Bauelement-Simulation möglich ist, und welche Unterschiede im Vergleich zu einer zweidimensionalen Simulation zu erwarten sind. (Erlanger Ber. Mikroelektronik, Bd. 2000,3)

Datum der Promotion: 16.07.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-6253-4 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Für die Herstellung von Leistungsbauelementen auf der Basis von SiC sind Oxide hoher Qualität von entscheidender Bedeutung. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Durchbruchfestigkeit von Oxiden auf SiC zu charakterisieren, die bei elektrischer Belastung im Oxid auftretenden Veränderungen zu analysieren und technologische Vorgehensweisen zu entwickeln, die zu einer hohen Langzeitstabilität der Oxide auf SiC führen. Zunächst werden thermische Oxide auf SiC-Epitaxieschichten hinsichtlich ihrer Morphologie untersucht und daraus Rückschlüsse auf die elektrischen Eigenschaften der Oxide gezogen. Es zeigt sich, dass sich auf Grund der anisotropen Oxidation und der Fehlorientierung von SiC-Epitaxieschichten in Abhängigkeit von der Oberflächenrauhigkeit eine inhomogene Oxidschicht auf SiC-Epitaxieschichten bildet. Oxiddicke und Inhomogenitäten im Oxid nehmen mit zunehmender Dotierung des SiC zu. Darauf aufbauend wurden Durchbruchfestigkeit und Langzeitstabilität von MOS-Strukturen auf SiC untersucht. Dabei wurde den Besonderheiten der SiC-Technologie, wie dem Einfluss der Epitaxie von SiC-Schichten, der Ionenimplantation in SiC und dem Ausheilen von ionenimolantiertem SiC besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es zeigt sich, dass diese Größen stark von der Kristallqualität des Ausgangsmaterials beeinflusst werden. Die Einflüsse der einzelnen Teilschritte eines MOS-Prozesses, wie Oxidation, Gate-Metallisierung und Diffusion, werden untersucht. Es wird festgestellt, dass Oxide auf SiC eine hohe Zuverlässigkeit erreichen, wenn SiC-Kristalle mit ausreichender Qualität zur Verfügung stehen und die Vorgehensweise bei der Herstellung von MOS-Strukturen den Randbedingungen der SiC-Technologie Rechnung trägt.

Datum der Promotion: 21.05.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-6361-1 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Die Abscheidung dünner Schichten aus der Gasphase bei hohen Temperaturen spielt bei der Herstellung integrierter Schaltungen auf Siliciumscheiben eine wichtige Rolle. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Simulation des Stoff‑ und Wärmetransports in den hierfür verwendeten Schichtabscheideöfen. Das Ziel dieser Simulationen besteht darin, den Einfluss der Öfen auf die Homogenität der Schichten zu untersuchen. Der Ofen kann sowohl die Homogenität der Schichtdicke auf einer Siliciumscheibe als auch innerhalb einer Charge von Scheiben beeinflussen.
Die Simulationen basieren auf der numerischen Lösung der kontinuumsmechanischen Thansportgleichungen für Impuls, Energie und Konzentration der Prozessgase. Die Energiegleichung wird auch für die Siliciumscheiben und für die Ofenwände gelöst. Zusätzliche Modellgleichungen berücksichtigen die Temperatur‑ und Druckabhängigkeit von Dichte, Viskosität, Diffusionskoeffizienten und Wärmeleitfähigkeit des Prozessgasstromes. Mehrstufige chemische Reaktionsmechanismen können berücksichtigt werden. Die Wärmestrahlung wird durch die geometrische Berechnung von Sichtfaktoren modelliert. Die Simulationen wurden mit Phoenics‑CVD durchgeführt, einer speziell für Schichtabscheideöfen angepaßten Variante des Strömungssimulationsprogramms Phoenics. Das Programm wurde in dieser Arbeit durch die Implementierung neuer Modelle erweitert und auf eine Vielzahl von Fragestellungen angewandt. Es wurde ein Reaktionsmechanismus für die chemische Abscheidung von Siliciumnitrid in Horizontalöfen in den Simulator implementiert. Für die Kalibrierung der Reaktionsraten wurde ein Datensatz von experimentellen Schichtdicken‑ und Temperaturprofilen über den Stapel der prozessierten Scheiben benutzt.
Die Neuentwicklung eines Vertikalofens für Mehrscheibenprozessierung wurde mit Simulationen unterstützt. Dabei konnte ein Mindestabstand zwischen Scheibenstapel und Gaseinlässen angegeben werden, der nötig ist, damit bei der Nitridabscheidung die beiden verwendeten Prozessgase gut genug vermischt werden. Für das in diesem Ofen integrierte Schichtdickenmeßgerät konnte eine Verbesserung erarbeitet werden, mit der die Beschichtung von Messgerätekomponenten verlangsamt wird. Simulationen der Temperaturverteilung innerhalb des Scheibenstapels zeigten hervorragende Übereinstimmung mit dem Experiment. Dabei wurde mit der “ Thermostatmethode“ ein verbessertes Modell entwickelt und eingesetzt, mit dem die Heizleistung der Heizwicklungen während der Simulation automatisch aus den Reglertemperaturen bestimmt wird. Bei einer Simulation der Temperaturverteilung auf den Siliciumscheiben zeigte sich, dass ungleichmäßige Isolierung des Ofens zu Inhomogenitäten auf den Scheiben führen kann. Simulationen der Nitridabscheiderate in diesem Ofen zeigten, daß Inhomogenitäten über den Scheibenstapel durch das Temperaturprofil geprägt werden.
Außerdem wurde mit der Simulation die Entwicklung eines neuartigen Schnellheizsystems für rotierende Einzelscheibenprozessierung unterstützt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Rotation der Scheibe bei Oxidationsprozessen Temperaturinhomogenitäten vermieden werden können. Zu diesen Simulationen wurde eine Serie von Validierungsexperimenten entworfen und im ersten Prototypen durchgeführt. Die Experimente bestätigten die simulierten Vorhersagen sehr gut. Weiterhin wurden die lokale Kühlung der Siliciumscheibe durch die Auflagestifte, die Optimierung des Prozessgasstromes mit einer Gasprallplatte sowie das Einsaugen von Umgebungsluft beim Öffnen der Prozesskammer untersucht. Simulationen der Titannitridabscheidung bei niedrigen Temperaturen ergaben, daß bei diffusionslimitierten Prozessen in rotierenden Abscheidesystemen, ebenso wie in nichtrotierenden, eine Gasdusche benötigt wird, um Inhomogenitäten zu vermeiden, die durch Gasverarmung entstehen.

Bei den Simulationen wurden weitgehend sowohl Temperatur‑ als auch Konzentrationseffekte berücksichtigt. Häufig wurden 3‑dimensionale Modelle eingesetzt. Dies war in älteren Arbeiten oft nicht möglich, da Programme und Rechner noch nicht weit genug fortgeschritten waren.

Datum der Promotion: 08.04.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-6168-6 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Ziel der vorliegende Arbeit waren Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung mikrosystemtechnischer Vibrationssensoren für den Bereich hoher Beschleunigungen, mit denen Vibrationsamplituden bis 4000 g in einem Frequenzbereich bis 10 kHz gemessen werden können. Bei den Vibrationssensoren als Teil eines Mikrosystems wird ein neuartiges Konzept zur Werkzeugzustandsüberwachung in der Fertigungstechnik verfolgt, indem die bei der spanenden Bearbeitung entstehenden Schwingungen vom Sensor direkt am Werkzeug gemessen und diese Information in das Mikrosystem eingespeist wird. Die Sensoren stellen ein neuartiges Instrumentarium zum Nachweis von Vibrationen sowohl in hohen Beschleunigungs- und Frequenzbereichen als auch mit hoher Empfindlichkeit dar. Dabei wird das piezoresistive Messprinzip unter Anwendung einer Wheatstoneschen Brücke genutzt. Simulationen mit der Finiten-Elemente-Methode erwiesen, dass die Empfindlichkeit der Vibrationssensoren ohne Verringerung der Resonanzfrequenz erhöht werden kann, indem eine seismische Masse in geeigneter Form der Membran hinzugefügt wird. Es werden verschiedene Bauformen der Masse vorgestellt und simuliert. Die Herstellung wurde derart gestaltet, dass erst nach der Abarbeitung eines CMOS-kompatiblen Prozesses der Silicium-Halbleitertechnologie ein anisotroper Ätzschritt mit elektrochemischem Ätzstop gleichzeitig Membran und seismische Masse strukturierte. Unter Wirtschaftlichkeits- und Zuverlässigkeitsaspekten wurde eine Strategie für die Aufbau- und Verbindungstechnik erarbeitet. Die hergestellten Vibrationssensoren wurden hinsichtlich ihrer physikalischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Vibrationstests wiesen abhängig von der Bauform der seismischen Masse Empfindlichkeiten und Resonanzfrequenzen von bis zu 30 myV/Vg bzw. 6,7 kHz nach. Der Einsatz der Vibrationssensoren an einem Drehmaschinenwerkzeug lieferte den Nachweis, dass die Sensoren zur Werkzeugzustandsüberwachung gut geeignet sind.

Datum der Promotion: 26.02.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-6133-3 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: In der Dissertation wird Tantalpentoxid untersucht. Es ist für künftige Speicherchipgenerationen als Dielektrikum interessant. Untersucht werden vor allem die elektrischen Eigenschaften, Dielektrizitätskonstante und Leckstromverhalten. Dabei wird die Zweischichtstruktur des Dielektrikums bei der Auswertung der elektrischen Messungen besonders berücksichtigt, so daß die Ergebnisse nicht auf das Gesamtdielektrikum, sondern auf die einzelnen Schichten bezogen werden können. Die Dielektrizitätskonstante von Tantalpentoxid wird ermittelt. Es zeigt sich eine starke Abhängigkeit von der Tantalpentoxiddicke. Diese Schichtdickenabhängigkeit ist eine intrinsische Eigenschaft von Tantalpentoxid. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird das Leckstromverhalten für verschiedene Schichtsysteme und Temperbedingungen untersucht. Ergebnisse zeigen, daß weitere Untersuchungen an MIM-Strukturen durchgeführt werden müssten, da im Gegensatz zur MIS-Struktur mit einem Zweischichtdielektrikum Einflüsse einer Zwischenschicht vermieden werden könnten. Hierfür ist die Auswahl eines Elektrodenmaterials, das mit großer Austrittsarbeit den Stromfluss begrenzt und zur bestehenden Silicium-Technologie kompatibel ist, eine Möglichkeit.

Datum der Promotion: 04.02.1999
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-4881-7 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Das Hauptziel der in dieser Dissertation dargelegten Forschungsarbeit war die Untersuchung der Anwendung von auf CMOS-Technologie basierenden Thermosäulen-Infrarotsensoren für die Entwicklung eines Personeninformationen- und –anzahlsensors (human information and people-counting sensors – HICS), der für mehr Sicherheit und Komfort in privaten Haushalten sorgen soll. Zu diesem Zweck war es notwendig, eine umfassende Analyse der Thermosäulen-Leistung sowie eine umfangreiche Untersuchung eines Algorithmus zur Ermittlung der Personenzahl in einem Zimmer, ihre Position und Körperhaltung durchzuführen.
Kapitel 2 enthält allgemeine Angaben zu verschiedenen Arten von Infrarotsensoren, und zwar Wärme- und optische Sensoren. Die Vorteile von Wärmesensoren wie z. B. geringe Kosten, breite spektrale Empfindlichkeit sowie Betrieb bei Zimmertemperatur werden hervorgehoben. Das Thema thermoelektrische Sensoren behandelt hochmoderne thermoelektrische Sensoren. Angefangen mit den grundlegenden Gleichungen der Thermoelektrizität werden die Auswahlkriterien für thermoelektrische Materialien und die Parameter thermoelektrischer Sensoren zum Zwecke der Personenerfassung zusammengefaßt.
In Kapitel 3 werden die verschiedenen Arten von Infrarotabsorbern für thermoelektrische Sensoren sowie Kriterien für das Entwerfen dieser Absorber simuliert und diskutiert. Ein Breitbandabsorber und selektive Bandabsorber wurden kombiniert, um die für unsere Anwendung bestmögliche Leistung zu erzielen, wobei optimale Schichtdicken dargestellt werden. Darüber hinaus ergab die Untersuchung eines modifizierten Viertelwellenlängenabsorbers, der mit CMOS-Technologie kompatibel ist, eine Absorption von etwa 85% in einem Wellenlängenbereich von 8–12µm.
Zum besseren Verständnis und zur Leistungsoptimierung des Sensors wurde zusätzlich ein analytisches Modell für Thermosäulen vorgeschlagen. Es wurden unterschiedliche Entwurfsparameter für Thermosäulen untersucht und studiert, wobei das Material, die Anzahl und Dimension der zu verwendenden Thermoelemente, die Membranart, -größe und -dicke sowie das Füllgas zur Leistungsoptimierung ausgewählt wurden. Eine n-poly/p-poly-Thermosäule mit einer Breite von 5µm bzw. 12,5µm, einer Thermoelementanzahl von 50, Membranradius und -dicke von 0,65mm bzw. 1,6µm bestehend aus einer Kombination aus Siliciumoxid und -nitrid sowie einem Absorberradius von 0,35mm ist vorzuziehen, da sie eine höhere Reaktionsfähigkeit/Empfindlichkeit (133,6V/W) und Erfassungsfähigkeit (8,9 107 cmHz1/2/W) besitzt.
In Kapitel 4 werden die Ätzeigenschaften von TMAH zur Herstellung einer Zungenstruktur für Thermosäulen dargestellt. Daraus folgt, dass bei zunehmender Konzentration die Ätzrate in <100>-Richtung abnahm und die Unterätzrate in <211>-Richtung zunahm. Darüber hinaus wurde eine optimale TMAH-Konzentration von 17%wt. zur Entwicklung von glatten, ätzhügelfreien Oberflächen ermittelt.

Eine mechanische Restspannung in den dielektrischen Schichten einer Membran führt darin zu Knicken nach dem Ätzen der Rückseite mit KOH; daher wurde die Restspannung in den bei der Thermosäulenherstellung verwendeten Materialien untersucht. Es wurden zwei Methoden angewendet, um freistehende Membranen zu erhalten, und zwar wurden einerseits verschiedene Schichtkombinationen mit unterschiedlichen Dicken verwendet, wobei einige Schichten Zugspannung und andere Schichten Druckspannung aufwiesen, und andererseits wurde Ionenimplantation zur Kompensierung der mechanischen Spannung in diesen Schichten eingesetzt. Es stellte sich heraus, daß Kompensationsdosen mit verschieden hoher Energie Restspannung in thermischem Oxid- und Nitridschichten aufheben. Außerdem wurde eine allgemeine Regel zur Herstellung von Schichtfolgen ohne Restspannung aufgestellt.
Ausgehend von den Simulationsergebnissen wurden auch Infrarotabsorber für Thermosäulen hergestellt. CMOS-kompatible Schwarzschichten (poröser Kohlenstoff) und Viertelwellenlängenabsorber (Al, Oxid, Nitrid, Cr) wurden hergestellt. Eine neue Absorberart wurde durch gleichzeitiges Sputtern von Graphit und Silicium entwickelt. Dieser Absorber wies eine gemessene Absorption von über 90% im Wellenlängenbereich von 3 – 15µm und eine ausgezeichnete Adhäsion zum Siliciumsubstrat auf. Als nächstes wurde ein Einzelelement-Thermosäulensensor sowie ein Thermosäulenarray für HICS entworfen und hergestellt, und zwar ausschließlich mit in CMOS Technologie kompatiblen Materialien. Ein Matrix-Array aus 4×4 Thermosäulen, das mit einer Vorverstärkerstufe integriert ist, und ein Temperatursensor wurden entworfen und hergestellt. Dabei wurden die Simulationsergebnisse zugrunde gelegt und die Software Pspice eingesetzt. Eine Empfindlichkeit von 50,2 V/W und eine normalisierte Erfassungsfähigkeit von 3,7 107 cmHz1/2/W wurden für Arrayelemente oder Pixel in diesem Array erzielt.

In Kapitel 5 wurden ein- und zweidimensionale Thermosäulenarrays aus Multielement-Thermosäulen entworfen, entwickelt und als Erfassungseinheit für einen HICS charakterisiert. Zur Bestimmung der Position, Anzahl und Bewegungsrichtung von Personen wurde ein allgemeiner LabView-Algorithmus aufgestellt, der auf der thermischen Darstellung der von den Multiinfrarotsensoren erfassten Objekte basiert. In diesem Algorithmus können die Parameter der Erfassungseinheit anhand von Software dynamisch organisiert werden, d. h. die Anzahl der Sensoren (Pixel) ist unbegrenzt. Die Auswirkung von warmen Objekten, der Sonne und der Heizung wird durch intelligente Kalibrierung aufgehoben. Die Anzahl der Parameter jedes Pixels ist dynamisch und kann leicht geändert werden oder eine neue Datei kann für die Erfassungseinheit erzeugt werden, je nach den Parametern und Bedingungen der Umgebung. Schließlich wurde eine kompakte Erfassungseinheit mit dem Matrix-Array aus 4 Thermosäulen vorgeschlagen, wobei eine analoge Schnittstelle erstellt wurde, die eine Verstärkerstufe mit einem Verstärkungsfaktor von 8000 und eine Temperaturkompensierungsschaltung mit einer Empfindlichkeit von 20,4mV/K umfasst und somit die Anforderungen für HICS-Sensoren erfüllt. Um einen Raum mit einer Fläche von etwa 5m x 5m abzudecken, wurde mit der Software Raytrace eine Ge-Linse mit einem Übertragungsfaktor von 80% im Infrarotbereich entwickelt, die auf den Simulationsergebnissen basiert. Da eine Fresnellinse weniger schwer und weniger teuer ist, wurde außerdem mit der Software Optica eine äquivalente Fresnellinse statt der Ge-Linse entworfen.
Die Tests dieses Systems in einem Raum von einer Fläche von 5m ergaben für die Ermittlung der Anzahl der Personen, ihre Position, Bewegungsrichtung und Körperhaltung eine Zuverlässigkeit von 90% bei bis zu 4 anwesenden Personen. Folglich kann das entwickelte HICS-System für Sicherheits- und Geschäftszwecke, als Beleuchtungssteuerung, zum Energiesparen und in Klimaanlagen eingesetzt werden.
Es bedarf noch einiger technischer Arbeit bei der Entwicklung der HICS mit einem integrierten Thermosäulenarray bis das Gerät vermarktet werden kann, z. B. die hier dargelegten Matrix-Arrays aus 4×4 Thermosäulen, das Gehäuse, das die Chips vor der Umwelt isolieren und schützen soll und das Füllgas, das die Thermosäulenleistung verbessern soll erfordern noch weitere Testperioden, die zwar nicht problematisch jedoch arbeitsintensiv sind. Schließlich ist zu hoffen, dass die vorliegende Arbeit einen Anstoß gibt zu weiteren Studien und Forschungsarbeiten in verschiedenen Bereichen und die Effektivität von Mikrosystemforschung auf vielen Gebieten demonstriert, z.B. intelligenter Haustechnik.

Datum der Promotion: 13.02.1998
Dissertation im Volltext
Abstract: In dieser Arbeit wurde ein 3D-Simulationsprogramm entwickelt, das die Vorhersage der Topographie abgeschiedener Schichten ermöglicht. Die 3D-Geometrie wird durch eine Triangulierung der Oberfläche diskretisiert. Es wurde ein Modell für die chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) implementiert, das in früheren Arbeiten für 2D-Geometrien entwickelt und experimentell verifiziert worden war. Bei der 3D-Implementierung wurden Ausdrücke für den Teilchentransport zwischen verschiedenen Oberflächen-Dreiecken und zwischen dem Gas und den Stellen auf der Oberfläche abgeleitet. Dazu wurden Algorithmen zur Berechnung der von den Dreiecken zum Gas hin offenen Raumwinkel sowie der durch andere Dreiecke verdeckten Raumwinkel sowie weitere Verfahren zur Verminderung des numerischen Fehlers entwickelt. Es wurde gezeigt, daß die bei den 2D-Rechnungen verwendeten Ausdrücke aus der 3D-Rechnung für sehr lange Gräben folgen, so daß die aus Vergleichen von 2D-Simulationen mit Messungen des Schichtprofils auf langen Gräben gewonnenen Parameter auch in 3D gültig sind und zur Vorhersage des Schichtprofils auf 3D-Geometrien verwendet werden können. Für sehr kleine Haftwahrscheinlichkeiten ergeben sich isotrope Schichtprofile, so daß die Abscheidung von Polysilicium, Siliciumnitrid oder Tantalpentoxid simuliert werden kann. Für die Verschiebung der triangulierten Oberfläche entsprechend der berechneten Schichtwachstumsrate wurde ein 3D-Stringalgorithmus entwickelt. Simulationsbeispiele zeigen den Einfluß der Haftwahrscheinlichkeit. Der Vergleich der Simulationen mit experimentellen Ergebnissen an auf verschiedene Art hergestellten Schichten zeigt gute Übereinstimmung.

Datum der Promotion: 21.11.1997
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-3991-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Fokussierte Ionenstrahlanlagen haben für die Bearbeitung integrierter Schaltkreise an Bedeutung gewonnen. Eine Weiterentwicklung dieser Anlagen stellen sogenannte Zweistrahlanlagen dar. Dabei wird eine fokussierte Ionenstrahlsäule mit einer Rasterelektronenstrahlsäule kombiniert. Dies ermöglicht die in-situ Kontrolle der Ionenstrahlbearbeitung mit dem Elektronenstrahl und den Einsatz des Elektronenstrahls zur Materialabscheidung. In dieser Arbeit wurden Qualität und Geschwindigkeit der ionenstrahlinduzierten Prozesse untersucht. Mit Hilfe eines mathematischen Modells konnte die Geschwindigkeit des Materialabtrags und der Materialabscheidung beschrieben werden. Durch den Vergleich zwischen ionen- und elektronenstrahlinduzierter Materialabscheidung wurden Erkenntnisse über den Mechanismus des ionenstrahlinduzierten Abscheideprozesses gewonnen.
Zur Bestimmung des Materialabtrags durch den Ionenstrahl wurde die Sputtererosion und das ionenstrahlgestützte Ätzen genauer untersucht. Für das ionenstrahlgestützte Ätzen wurde Jod als Ätzmedium eingesetzt. Dadurch konnte eine hohe Selektivität zwischen dem Materialabtrag von Silicium und Siliciumdioxid erreicht werden. Die Materialabtrageraten konnten aus den Daten der Rasterkraftmikroskopuntersuchungen der erzeugten Strukturen berechnet werden. Diese Messungen ermöglichten es auch, die Abhängigkeit zwischen der Rasterstrategie des Ionenstrahls und der Materialabtragerate zu ermitteln. Aus diesen Ergebnissen konnten die bestmögliche Rasterstrategie und die Dynamik des Ätzvorgangs bestimmt werden. Die Rasterkraftmikroskopuntersuchungen erlaubten auch eine Messung der Oberflächenrauhigkeit der gesputterten Strukturen. Für die Rauhigkeit der Kraterbodenflächen ergab sich ein Zusammenhang zwischen Rasterstrategie und den gemessenen Rauhigkeitswerten.
Für die Untersuchungen der ionenstrahlinduzierten Abscheidung wurden Platin- und Siliciumdioxidschichten mit dem Ionenstrahl abgeschieden. Für beide Materialien wurde die Abscheidedynamik untersucht. Als Ausgangschemikalien wurde für die Platinabscheidung Trimethylcyclopentadienylplatin und für die Isolatorabscheidung Tetramethoxysilan verwandt. Für die Platinschichten ergab sich eine Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften der Schichten von der Materialabscheiderate. Dadurch konnten die Eigenschaften der leitfähigen Schichten optimiert werden. Die Augeranalyse dieser Schichten ergab, daß diese neben Platin einen hohen Kohlenstoff- und Galliumanteil besitzen. Für die abgeschiedenen Isolatorschichten ergab die Elementanalyse ebenfalls einen hohen Galliumanteil. Im Gegensatz zu den Platinschichten verschlechtert der Galliumanteil, der etwa 30% beträgt, die elektrischen Eigenschaften erheblich. Aus diesem Grund wurde auch die Isolatorabscheidung mittels Elektronenstrahlen untersucht. Durch das fehlende Gallium verbesserten sich die Isolatoreigenschaften dieser Schichten gegenüber den mit dem Ionenstrahl abgeschiedenen Schichten um zwei Größenordnungen.

Da der hohe Galliumgehalt für die schlechten Isolatoreigenschaften dieser Schichten verantwortlich ist, sollte eine bessere Ausgangschemikalie aus einem möglichst großen Molekül bestehen, das viele Sauerstoff-Siliciumgruppen enthält. Dadurch würde sich die Materialabscheiderate erhöhen und damit der Galliumgehalt verringern. Eine interessante Alternative ist der Einsatz der elektronenstrahlinduzierten Isolatorabscheidung.

Für die elektronenstrahlinduzierte Abscheidung ergab sich, daß die Materialabscheiderate direkt proportional zur Zahl der Sekundärelektronen ist, die durch den Elektronenstrahl ausgelöst werden. Der Vergleich zwischen ionenstrahl- und elektronenstrahlinduzierter Abscheidung ermöglichte den Schluß, daß auch die ionenstrahlinduzierte Abscheidung durch Sekundärelektronen induziert wird.
Für eine direkte Untersuchung des Abscheidemechanismus wäre jedoch eine gezielte Variation der Sekundärelektronenausbeute notwendig. Dies ist jedoch nur durch eine Änderung der Ionenart möglich. Es wäre deshalb sinnvoll, die Materialabscheiderate in Abhängigkeit verschiedener Ionenmassen zu bestimmen. Eine erste Möglichkeit bietet der Austausch der Galliumquelle gegen eine Indiumquelle.

Einer der großen Vorteile von fokussierten Ionenstrahlanlagen bei der praktischen Anwendung ist die Möglichkeit, die Materialbearbeitung mit einer Genauigkeit von unter 100 nm durchführen zu können. Um diesen Vorteil auszunutzen, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Möglichkeit der TEM-Probenpräparation mittels fokussierter Ionenstrahlen untersucht. Eine genaue Untersuchung dieser Proben ergab, daß diese Lamellen in den obersten 50 nm Strahlenschäden aufweisen. Durch den kombinierten Einsatz von Elektronen- und Ionenstrahl zur Schichtabscheidung gelang es jedoch, TEM-Lamellen herzustellen, die defektfrei waren. Die Möglichkeit der lokalen Materialbearbeitung wurde durch die Erstellung einer Lamelle durch die Mehrlagenmetallisierung eines integrierten Schaltkreises demonstriert (siehe Abb). Die Eigenschaften von Rasterkraftmikroskopspitzen konnten ebenfalls mit dem Ionenstrahl modifiziert werden. Auf Rasterkraftmikroskopspitzen, die mit Gold besputtert waren, wurde durch gezielten Materialabtrag eine koplanare Leitungsstruktur erzeugt. Dies ermöglichte eine 50 Ω Hochfrequenzanpassung an den Eingang eines Signalgenerators. Die in dieser Arbeit verwendete Zweistrahlanlage ermöglichte eine defektfreie Navigation auf der Probe unter dem Elektronenstrahl. Dadurch konnten selbst Modifikationen an empfindlichen Feldemitterstrukturen durchgeführt werden.

Datum der Promotion: 14.07.1997
Abstract: In dieser Arbeit wurde ein Spektralellipsometer zur in-situ- und inline-Schichtdickenkontrolle in einen Vertikalofen integriert. Es wurde eine automatische Prozess-zu-Prozess-Kontrolle entwickelt, in welcher die von diesem Meßgerät in situ ermittelten Schichtdickenwerte zur automatischen Prozessendpunkterkennung und die inline gemessenen Schichtdickenwerte zur Optimierung der Prozess-zu-Prozess-Streuung verwendet werden. Die optische Anordnung des Messystems führt zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung im Polarisationszustand des Lichts, welche ermittelt und von der gemessenen Phasenverschiebung subtrahiert wird. Die Strahlführung im Ofen hat keinen Einfluss auf Strömungsprofil und Temperaturverteilung auf den Prozessscheiben. Dadurch ist es erstmalig gelungen, in-situ-spektralellipsometrische Messungen in einem Batchprozess an einer Scheibe durchzuführen, welche identischen Prozessbedingungen wie der Rest des Scheibenloses ausgesetzt ist und somit repräsentativ für das gesamte Scheibenlos ist. Der Messaufbau kann zur Prozessendpunkterkennung und auch zur inline-Messung der Schichtdicke während des Entladevorganges verwendet werden. Ein Prozesskontrollsystem für thermische Oxidations-und LPCVD-Nitridprozesse (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) mit integrierter in-situ- und inline-Schichtdickenmessung wurde entwickelt. Als Prozessmodell diente im Fall der thermischen Oxidation das Modell von Nicollian und Reisman. Die Abscheidung von Siliciumnitrid wurde unter Zuhilfenahme von statistischer Versuchsplanung und Multiple Response Surface Methoden mit einem rein mathematischen Modell beschrieben. Beide Modelle wurden zusammen mit dem entwickelten Prozesskontrollsystem in Prozeßreihen erfolgreich auf praktische Einsetzbarkeit getestet. Bei der thermischen Oxidation konnte durch die automatische Prozess-zu-Prozess-Regelung mit Einsatz der in-situ- und inIine-Meßtechnik für Sollschichtdicken bis herab zu 25 nm sowohl die Streuung von Scheibe zu Scheibe als auch von Prozesslauf zu Prozesslauf reduziert werden.

Datum der Promotion: 19.03.1997
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-3066-7 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Es wurde die Änderung der Eigenschaften von ionenimplantierten Kunststoffoberflächen im Hinblick auf eine technische Anwendung in der Halbleiterfertigungstechnik untersucht. Probleme ergeben sich z.B. durch statische Aufladung, Partikelerzeugung durch mechanischen Abrieb und Ausgasungen aus Kunststoffen. Zur Erzeugung einer funktionellen Oberflächenschicht wurden vor allem Bor-, Stickstoff-, Argon-, Chrom- und Arsenionen mit einer Energie bis zu 200 keV und Dosen von 1013 bis 1016 cm-2 implantiert. Die untersuchten Kunststoffe waren Polycarbonat, Polyethylen hoher Dichte, Polymethylmethacrylat und Polystyrol. Einen Schwerpunkt bildete Polycarbonat aufgrund der breiten Anwendung für Siliciumscheiben- und Maskenboxen. Im Vordergrund der experimentellen Untersuchungen standen die Änderung des elektrischen Widerstandes und der mechanischen Eigenschaften, wie Härte, Reibung und Verschleiß. Außerdem wurden die Benetzung der modifizierten Oberfläche und die Änderung des Ausgasverhaltens durch die Implantation untersucht.
Die Implantation führte bei allen untersuchten Kunststoffen zur Bildung einer harten Oberflächenschicht bei einem bis zu fünffachen Anstieg der Mikrohärte. Die Bildung der harten Schicht ist auf eine Änderung der Stöchiometrie durch Ausgasen von Molekülen und Fragmenten und auf die gleichzeitige Verdichtung des Materials durch Vernetzen während der Implantation zurückzuführen. Es erfolgt ungefähr eine Verdopplung des Kohlenstoff- und eine Halbierung des Wasserstoffgehalts. Dabei entsteht eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht. Der spezifische Widerstand von Polycarbonat reduziert sich um bis zu 12 Größenordnungen. Die erhöhte Leitfähigkeit ist auf eine Modifikation der Struktur und Zusammensetzung zurückzuführen, verursacht durch die eingebrachte Energie beim Ionenbeschuß. Die Reduzierung des elektrischen Widerstandes erfolgt nicht proportional zum Gesamtenergietransfer, sondern steigt mit zunehmender elektronischer Energieabgabe. Der Verschleiß von Polyethylen hoher Dichte reduziert sich für eine Dosis ab 1×1014 cm-2 bei 200 keV auf nahezu null. Damit verbunden ist auch eine Erniedrigung des Reibungskoeffizienten. Die Ursache ist eine Verringerung des adhäsiven Verhaltens, verbunden mit einer Reduzierung der Kontaktfläche zwischen Material und Gegenkörper.

Die tribologischen Untersuchungen zeigen, daß eine sehr gute Verschleißreduzierung mittels Ionenimplantation erzielt werden kann, aber auch Probleme durch die Kombination einer harten Schicht mit einem weichen Substrat entstehen können. Die Oberflächenbenetzung von Kunststoffen läßt sich durch Implantation ebenfalls verbessern. Es wurde eine Reduzierung des Kontaktwinkels von 84° auf 62° für Polycarbonat gemessen, verbunden mit einem Anstieg des polaren Anteils der Oberflächenenergie. Durch die Untersuchung des Ausgasverhaltens von Polyethylen hoher Dichte konnte nachgewiesen werden, daß sich die Ausgasungen im atomaren Massenbereich von 1 bis ca. 600 verringern lassen, wobei durch die verdichtete Schicht an der Oberfläche eine Reduzierung der Ausdiffusion von kurz- sowie langkettigen Molekülen möglich ist. Im Hinblick auf zukünftige Anwendungen bieten ionenimplantierte Kunststoffe den Vorteil, daß durch den Ionenbeschuss gleichzeitig verschiedene Oberflächeneigenschaften, wie z.B. mechanische und elektrische Eigenschaften, modifiziert werden können.

Datum der Promotion: 11.03.1997
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-2634-1 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Für den Leerstellenmechanismus als Diffusionsmechanismus in Silicium gibt es bislang widersprüchliche theoretische Modelle. In dieser Arbeit wird erstmals das richtige Modell für geeignete Vorhersagen bezüglich der makroskopischen Diffusionsgleichung aufgezeigt. Ohne quantitative Daten über atomistische Wechselwirkungen konnten durch atomistische Simulation mit einer Vielzahl von Modellansätzen für mikroskopische Wechselwirkungspotentiale allgemeingültige Zusammenhänge zwischen den Relationen makroskopischer Diffusionsparameter und messbaren Größen abgeleitet werden. Außerdem wird gezeigt, dass bisherige atomistische Modelle, die die Effekte hoher Dotieratomdichten auf die Diffusion beschreiben sollen, durch zu starke Vereinfachungen keine quantitativen Zusammenhänge zwischen mikroskopischem Modell und Diffusionsparametern herstellen. In dieser Arbeit werden verbesserte Modelle vorgestellt. Simulationen zeigen, daß ein nichtbindendes Potential die Beweglichkeit und nicht die Dichte von Leerstellen in der Nähe von Dotieratomen erhöht.

Datum der Promotion: 28.02.1997
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-2595-7 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von MIS-Strukturen auf hexagonalem Siliciumkarbid.
Ausgehend von den physikalischen Eigenschaften der verfügbaren Siliciumkarbid-Polytypen 4H- und 6H-SiC werden vor allem Anwendungsmöglichkeiten im Leistungsbauelementebereich erwartet. Insbesondere ein vertikaler MOS-Leistungstransistor kann deutliche Vorteile gegenüber gleichartigen Siliciumbauelementen bieten. Die Grundvoraussetzung für MOS-Bauelemente ist jedoch die Herstellung und Analyse des Metall-Isolator-Halbleitersystems.

Auf der Grundlage dieser Überlegung werden theoretische Aspekte der Herstellung und Untersuchung von MIS-Kondensatoren dargelegt. Dazu gehören technologische Probleme, eine Analyse des Oxidationsverhaltens von Siliciumkarbid sowie eine Diskussion der aus der Siliciumphysik bekannten Methoden zur Analyse der Grenzflächeneigenschaften von MIS-Strukturen. Dabei wird herausgearbeitet, dass mit den üblichen Vorgehensweisen nur begrenzt gültige Aussagen getroffen werden können.
Der wichtigste Aspekt der Arbeit war jedoch die Untersuchung des Einflusses technologischer Vorgehensweisen auf die elektrischen Parameter von MIS-Strukturen auf SiC. Auf der Basis der im Rahmen der Arbeit gewonnenen umfangreichen experimentellen Daten bezüglich der thermischen Oxidation wird zunächst ein neues Oxidationsmodell vorgestellt, das im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen die unterschiedlichen Oxidationsraten von SiC auf verschiedenen Kristallseiten ausreichend beschreibt. Mit dem Ziel der Herstellung einer für den Einsatz in MOSFETs geeigneten MOS-Struktur wurde eine optimale Vorgehensweise bei der thermischen Oxidation abgeleitet. Dabei werden die Vorteile von sequentieller trockener und feuchter Oxidation in Kombination mit einem Temperschritt bei Oxidationstemperatur genutzt. Durch den Vergleich der Eigenschaften von MOS-Kondensatoren auf n- und p-Material konnte ein Modell der Haftstellenverteilung an der Grenzfläche SiC-SiO2 aufgestellt werden. Gleichzeitig wurden frühere Vermutungen, daß bei der Oxidation von mit Aluminium dotiertem SiC hohe positive Grenzflächenladungen auftreten, durch diverse Versuche widerlegt. Auf der Basis der Haftstellenverteilung wurde nachgewiesen, daß es sich dabei um umladbare Zustände handelt, die sowohl auf p- als auch auf n-Material auftreten.
Im Hinblick auf die Anwendung abgeschiedener Dielektrika ergaben die Versuche mit LPCVD Oxiden und Nitriden, oxidiertem Polysilicium und Tantalpentoxid, daß in diesen Fällen die Grenzfläche Halbleiter-Isolator durch ein thermisches Oxid definiert werden muß. Die Untersu­chung unterschiedlicher Gatematerialien ergab, daß bei der Verwendung von hochdotiertem Polysilicium eine amorphe Ausgangsstruktur des abgeschiedenen Siliciums nötig ist, um positive Ladungen an der Grenzfläche zu vermeiden.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Qualität der untersuchten MOS-Strukturen die Herstellung unipolarer Transistoren erlaubt, wobei jedoch einige, im weiteren zu analysierende Aspekte berücksichtigt werden müssen. Dazu zählt insbesondere der Komplex Langzeitstabilität von MOS-Strukturen.

Datum der Promotion: 29.11.1996
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-2225-7 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Die Pr�zipitation von Sauerstoff in Silicium ist sehr wesentlich, da Verunreinigungen von Sauerstoffpr�zipitaten gegettert werden. Die Beteiligung von Gitterleerstellen an der Nukleation von Sauerstoffpr�zipitaten zwischen 400 und 900 Grad C wird in dieser Arbeit untersucht. Gitterleerstellenkonzentrationen wurden erstmals durch Platin-Diffusionsexperimente bestimmt. Verschiedene Diffusionsprozesse an FZ- und CZ-Si wurden zwischen 700 und 800 Grad C durchgef�hrt. Kurzzeitiges Aufdampfen sehr d�nner Pt-Filme oder die Abscheidung von Pt aus einer HCl-L�sung erm�glichte die Beschichtung ohne Silicidbildung. Das Pt-Diffusionsverhalten wurde systematisch untersucht und kann mit einem partiellen Differentialgleichungssystem beschrieben werden. Durch Simulationen wurde der f�r die Bestimmung von Tiefenprofilen von Leerstellen optimale Diffusionsproze� gefunden. Nach optimieren Nukleationsschritten wurden die Gitterleerstellen- und Sauerstoffpr�zipitatkonzentrationen zueinander in Bezug gesetzt. Es wurde bewiesen, da� die Gitterleerstellenkonzentration ein wesentlicher Parameter f�r die Bildung von Keimen f�r Sauerstoffpr�zipitate ist. In der zuk�nftigen Bauelementfertigung kann somit durch optimierte Kurzzeitprozesse die Nukleation von Sauerstoffpr�zipitaten beeinflu�t werden.

Datum der Promotion: 18.10.1996
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-2057-2 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Feldeffektsensoren für Flüssigkeiten haben in den letzten Jahren eine stetig wachsende Bedeutung zur Messung von pH-Werten und als Transducer für Biosensoren erlangt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Feldeffektsensoren für Flüssigkeiten entwickelt und untersucht, wobei folgende Zielsetzungen im Mittelpunkt standen: Die Auswahl und die gezielte Optimierung geeigneter anorganischer Schichten als sensitive Schicht für pH-sensitive Feldeffekttransistoren. Verzicht auf Bondverbindungen und eine konventionelle Verkapselung durch Verwendung einer Messzelle. Realisierung von pH-sensitiven und redoxsensitiven Feldeffekttransistoren in einem CMOS-Prozess, der möglichst wenig Modifikationen im Vergleich zu einem Standard CMOS-Prozess aufweist. Demonstration der Realisierbarkeit von Biosensoren auf der Basis von redoxsensitiven Feldeffekttransistoren anstelle von ionensensitiven Feldeffekttransistoren. Es läßt sich feststellen, daß im Rahmen dieser Arbeit ein Feldeffektsensorchip entwickelt wurde, der sich aufgrund seiner flexiblen Einsetzbarkeit für experimentelle Arbeiten erfolgreich bewährt hat. Darüber hinaus wurden durch Kapazitäts-Spannungs-Messungen an EIS-Strukturen (Elektrolyt/Isolator/Silizium) wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Siliziumnitrid und Tantalpentoxid für ionensensitive Feldeffekttransistoren gewonnen. ISFET-Chips wurden bisher jedoch nur mit Siliziumnitrid als pH-sensitive Schicht realisiert. Eine Realisierung von ISFETs mit Tantalpentoxid als pH-sensitiver Schicht wird am Lehrstuhl für elektronische Bauelemente künftig möglich sein. Zur Anwendung des entwickelten Sensorchips außerhalb der Forschung muß die Zuverlässigkeit der Chipkontaktierung erhöht werden. Für eine kostengünstige Massenproduktion muß zudem die Chipgröße deutlich reduziert werden. Um weiterhin auf das flexible Konzept einer wiederverwertbaren Durchflusszelle zurückgreifen zu können, ist die Anbringung von sensitiven Bereich und Elektronik auf verschiedenen Seiten des Chips eine unabdingbare Voraussetzung.

Datum der Promotion: 09.07.1996
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-1819-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum Bonden von SOI-Strukturen (Silicon on Insulator) und pn-�berg�ngen ein Bondproze� und ein dabei verwendetes Einkammerproze�system zum Verbonden der Siliziumscheiben unter Druck bei Temperaturen bis 200 Grad C entwickelt und die gebondeten pn-�berg�nge und SOI-Schichten elektrisch charakterisiert. Au�erdem wurden auf gebondeten n+n–Silizium Epitaxieschichten verschiedene Diodenstrukturen hergestellt und auch mit Dioden auf ged�nnten Siliziumscheiben (Kleinmanndioden) verglichen. Das Abschaltverhalten, der als Freilaufdioden einsetzbaren Dioden f�r Spannungen �ber 1600 Volt wurde in Abh�ngigkeit von der Dotierung der Geometrie des Emitters und der Protonenimplantationsdosis untersucht. Anhand von gebondeten pn-Dioden und SOS-Tunneldioden wurde erstmals die Abh�ngigkeit der elektrischen Parameter, wie Serienwiderstand, Sperrstrom, Flachbandspannung, Durchbruchspannung usw. von der Bondzeit und der Temperatur untersucht. Dabei zeigte sich, da� bei geeigneter Wahl von Bondzeit und Temperatur, pn-�berg�nge mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften herzustellen sind. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals anhand gebondeter SOS-Tunneldioden nachgewiesen, da� sich selbst d�nne Oxidschichten nicht innerhalb der f�r die Halbleitertechnologie relevanten Temperzeiten von bis zu 20 Stunden und Temperaturen bis 1180 Grad C aufl�sen. Dies wurde nach Berechnungen nach dem vorgestellten Diffusionsmodell best�tigt. In dieser Arbeit wurden au�erdem verschiedene Diodenstrukturen (Kleinmann, SPEED, p+n-n+-Dioden) auf gebondeten Siliziumscheiben hergestellt und mit gleich prozessierten Dioden auf Epitaxieschichten und FZ-Siliziumscheiben verglichen. Es konnte gezeigt werden, da� Dioden auf gebondeten Siliziumscheiben wesentlich g�nstigere dynamische und statische Eigenschaften besitzen. Weiter konnte gezeigt werden, da� bei geeigneter Proze�wahl sowohl gebondete pn-�berg�nge mit nahezu idealen Eigenschaften als auch SOI-Strukturen mit gebondeten Oxid/Silizium-Grenzschichten hergestellt werden k�nnen.

Datum der Promotion: 28.06.1996
Abstract: In dieser Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, einen mikromechanischen Ultraschallzerstäuber auf Siliciumbasis herzustellen. Der Mikrozerstäuber hat eine dünne Platte, die durch anisotropes Ätzen in Silicium hergestellt wurde. Die Platte wird piezoelektrisch durch eine ZnO-Schicht zum Schwingen angeregt. Ein Herstellungsprozess wurde entwickelt, der die übliche Halbleitertechnologie mit den zusätzlichen Möglichkeiten der Mikromechanik verknüpft. Die Herstellung erwies sich nicht als aufwendig und ermöglicht eine spätere kostengünstige Massenproduktion. Der Mikrozerstäuber wurde auf der Grundlage der Kapillarwellentheorie entwickelt. Laut dieser Theorie besteht ein linearer Zusamenhang zwischen der häufigsten Tropfengröße im Tropfengemisch, das beim US-Zerstäuben erzeugt wird, und der Kapillarwellenlänge der Oberflächenwellen auf der Flüssigkeit. Um beim US-Zerstäuben kleinere Tropfen erzeugen zu können, werden höhere Anregungsfrequenzen benötigt, denen kleinere Kapillarwellenlängen entsprechen. Die durchgeführte Arbeit bestätigte grundsätzlich die Möglichkeit, dünne Siliciumplatten, die mit Ultraschallfrequenz schwingen, als Milrozerstäuber von Flüssigkeiten anzuwenden. Es hat sich auch gezeigt, daß relativ großflächige Siliciumplatten durch das Auftreten von nichtlinearen Effekten im Bereich 100kHz mit großen Amplituden schwingen können. Es ist jedoch fraglich, ob Veränderungen in der Geometrie oder der Herstellungstechnologie die Schwingungsfrequenz bis zum MHz-Bereich verschieben könnte. Der MHz-Schwingungsbereich wäre wünschenswert, um Tropfen mit durchschnittlichem Durchmesser unter 10µm zu erzeugen. Eine alternative Möglichkeit, dieses Ziel durch mikromechanische Lösungen zu erreichen, wäre die Anwendung von Oberflächenwellen in dünnen piezoelektrischen Schichten.

Datum der Promotion: 14.05.1996
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8265-1672-9 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Ziel dieser Arbeit war es, als Alternative zu den bereits bestehenden Monte-Carlo-Verfahren und den analytischen Beschreibungsans�tzen die Simulation der bei der Ionenimplatation erzeugten Reichweitenverteilungen durch die L�sung einer speziellen Transportgleichung zu untersuchen. Die Transportgleichung nimmt f�r das vorliegende Problem die Gestalt einer linearisierten Boltzmann-Gleichung f�r die rein nukleare Streuung mit einem zus�tzlichen Driftterm f�r die elektronische Abbremsung an. Da diese Gleichung einer geschlossenen, analytischen L�sung nicht zug�nglich ist, wurde zu diesem Zweck ein v�llig neues Verfahren zu ihrer numerischen L�sung entwickelt. Im Gegensatz zu den meisten anderen Ans�tzen werden hierbei Standardverfahren der numerischen Mathematik eingesetzt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, da� sowohl zur Beschreibung der Energie- wie auch der Winkelabh�ngigkeit Ansatzfunktionen mit einer im Vergleich zu den bisher bekannten Ans�tzen deutlich erh�hten Fehlerordnung verwendet werden. Die Konsequenz daraus ist, da� mit dem Verfahren gleichzeitig eine hohe Genauigkeit und eine verh�ltnism��ig kurze Rechenzeit erzielt werden kann. Als einziges der derzeit existierenden Verfahren verwendet das in dieser Arbeit behandelte einen zweiparametrigen Wirkungsquerschnitt in der Form eines Interpolationsschemas zur Beschreibung der nuklearen Streuung. Im Unterschied zu den sonst �blichen, einparametrigen Formulierungen, basiert er ohne weitere Vereinfachungen auf dem sogenannten ‚Universal Potential‘ von Ziegler, Biersack und Littmark. Bei den simulierten Implantationsbeispielen zeigt sich in der Regel eine gute bis sehr gute �bereinstimmung mit den Resultaten von TRIM bzw. dem Experiment. Kleinere Abweichungen im Vergleich zu TRIM, die trotz der Gleichheit in den physikalischen Annahmen auftreten, k�nnen durch die unterschiedliche Behandlung der nuklearen Streuung in den beiden Programmen erkl�rt werden.