2006 – 2010

Datum der Promotion: 16.12.2010
Dissertation im Volltext
Abstract: Für die Herstellung kleinster Strukturen in unterschiedlichen Materialien findet häufig das Zerstäubungsätzen (Sputtern) Anwendung. Ein typisches Beispiel ist das fokussierte Ionenstrahlätzen, mit dem verschiedenste Materialien strukturiert werden können, ohne dass ein Lithographieschritt nötig ist. Eine weitere Anwendung findet das Zerstäubungsätzen bei der Herstellung von Spitzen für Feldemissionskathoden. Um diese Herstellungsprozesse weiter zu verbessern, können Simulationen des Zerstäubungsätzens hilfreich sein. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Integration des Monte-Carlo Implantationsprogramms MC_SIM in das 3D Topographieprogramm ANETCH. Mit dem erweiterten ANETCH können für eine große Anzahl von Materialien/Ionen Kombinationen Topographieänderungen berechnet werden, ohne das Informationen über die Zerstäubungsausbeute notwendig sind. Obwohl Monte-Carlo Programme, wie MC_SIM, Implantationsprofile mit hinreichender Genauigkeit berechnen, wurden einige Anpassungen an MC_SIM vorgenommen, um die Berechnung der Zerstäubungsausbeute weiter zu optimieren. Eine wichtige Verbesserung war dabei die Modifikation der elektronischen Abbremsung. Als weitere Veränderung wird nun die komplette Oberfläche, wie sie in ANETCH verwendet wird, auch für die Berechnung der Zerstäubungsausbeute benutzt, statt wie bisher üblich, eine ebene Oberfläche anzunehmen. An Kanten wird der Unterschied zum bisherigen Verfahren besonders deutlich, da auch Stellen abgetragen werden können, die nicht direkt von Ionen getroffen werden. Mit dem neuen Programm, das durch die Integration von MC_SIM in ANETCH entstanden ist, wurden charakteristische Eigenschaften des Zerstäubungsätzens analysiert. Besonders markant beim fokussierten Ionenstrahlätzen ist die Ausbildung von geneigten Seitenwänden und eine Erhöhung der Ätzrate am Grabenboden in der Nähe der Seitenwände, die als Microtrenching bekannt ist. Die Schräge der Seitenwände wird hauptsächlich beeinflusst von der Wiederanlagerung zerstäubter Atome, der räumlichen Verteilung der Fluenz und der Winkelabhängigkeit der Zerstäubungsausbeute. Diese Abhängigkeiten wurden gezielt untersucht. Microtrenching hängt neben der Seitenwandneigung vor allem von der Reflektion der Ionen ab, wobei häufig eine Spiegelung der Ionen an der Seitenwand angenommen wird. Untersuchungen zeigten, dass Ionen weiter von der Seitenwand weg reflektiert werden, als es durch Spiegelung der Fall wäre. Dadurch ist das Microtrenching geringer ausgeprägt aber dafür breiter. Für das Verständnis des Herstellungsprozesses von Spitzen bei Feldemissionskathoden ist die Untersuchung der Ausbreitung einer steilen Seitenwand unter gleichförmigem Ionenbeschuß gut geeignet. Simulationen mit dem erweiterten ANETCH zeigten die Ausbreitung der steilen Seitenwände. Weiterhin wurde ein analytisches Modell entwickelt, das die Neigung der Seitenwand erklärt. Um die Ergebnisse des Simulationsprogramms zu verifizieren, wurden Experimente durchgeführt, bei denen Gräben mit fokussierten Ionenstrahlen und unterschiedlichen Strömen hergestellt wurden. Der Vergleich mit entsprechenden Simulationen ergab eine gute Übereinstimmung und zeigte, dass Microtrenching bei höheren Strahlströmen nachläßt bis es nicht mehr auftritt. Der Grund hierfür ist die Verbreiterung des Ionenstrahls bei hohen Strömen. Um die Abhängigkeit der Zerstäubungsausbeute vom Einfallswinkel zu verifizieren, wurden Experimente entworfen und mit Simulationen optimiert. Der Vergleich zwischen Experimenten und Simulationen ergab eine gute Übereinstimmung und zeigte die gute Anwendbarkeit des Programms, insbesondere für Prozesse des fokussierten Ionenstrahlätzens.

Datum der Promotion: 03.12.2010
Dissertation im Volltext
Abstract: Diese Doktorarbeit beinhaltet eine Simulationsstudie über das elektrische Verhalten von MOS Feldeffekttransistorbauelementen (MOSFETs) bis hin zur Schaltungsebene. Dabei wurde das elektrische Verhalten von konventionellen MOSFETs, „single gate fully depleted silicon on insulator” (SG FDSOI) MOSFETs, „double gate fully depleted silicon on insulator” (DG FDSOI) MOSFETs und FinFETs mit drei Gateelektroden (TG FinFET) mittels TCAD und SPICE Simulationen untersucht. Die Gatelängen der untersuchten Transistoren lagen dabei unter 50 nm. Für die Untersuchungen dieser kleinen Transistoren wurde ein neues Ladungsträgertransportmodell entwickelt, welches das quasi-ballistische Verhalten der Elektronen und Löcher in konventionellen Drift-Diffusionssimulationen berechnet. Um das elektrische Verhalten der Bauelemente zu verbessern, wurden unterschiedliche Prozessschritte, die mechanische Spannungen im Kanal der Transistoren erzeugen, begutachtet. Dazu wurde ein verbessertes Piezomodell entwickelt, das eine Sättigung der Löcherbeweglichkeitssteigerung bei hohen mechanischen Spannungen berücksichtigt. Der Einfluss von Schottky Kontaktwiderständen, welcher durch die zunehmende Miniaturisierung der heutigen MOSFET Bauelemente immer weiter zunimmt, wurde ebenfalls in dieser Arbeit mit Hilfe numerischer Prozesssimulationen, Bauelementesimulationen und Messungen untersucht. Optionen für die effektive Reduzierung von Kontaktwiderständen werden in dieser Arbeit präsentiert. Konventionelle und alternative MOSFET Bauelementearchitekturen wurden mit numerischen Prozess- und Bauelementesimulation daraufhin beurteilt, ob sie den Anforderungen für Bauelemente mit hoher Schaltgeschwindigkeit, Bauelemente mit niedriger Leistungsaufnahme während des Betriebes und Bauelemente mit niedriger Leistungsaufnahme im Ruhezustand des 32 nm Technologieknotens der „International Technology Roadmap for Semiconductors” (ITRS) genügen. Dazu werden in dieser Arbeit unterschiedliche Prozessierungsmöglichkeiten diskutiert, mit denen sich das elektrische Verhalten der untersuchten Bauelemente dahingehend verbessern lässt, um das On-Strom zu Leckstrom und CV/I Verhältnis zu erreichen, das von der ITRS gefordert wird. SPICE Parameter der untersuchten CMOS Bauelemente für niedrige Leistungsaufnahme im Ruhezustand wurden mit konventionellen MOSFET Kompaktmodellen extrahiert. Dazu wird in dieser Arbeit eine Methode vorgestellt, mit der MOSFETs mit mehreren Gateelektroden mit Hilfe konventioneller Kompaktmodelle modelliert werden können. Mit dieser Methode wurden anschließend Kompaktmodelle von DG FDSOI MOSFETs und TG FinFETs erzeugt. Schaltungssimulationen einer Inverterstufe, eines siebenstufigen Ringoszillators, eines 4-Bit Ripple Carry Addierers und einer SRAM Zelle, basierend auf konventionellen und alternativen MOSFET Architekturen, wurden durchgeführt. Das elektrische Verhalten von konventionellen MOSFETs, SG FDSOI MOSFETs, DG FDSOI MOSFETs und TG FinFETs in integrierten Schaltungen wurde dabei in dieser Arbeit diskutiert. Der Einfluss von Prozessschwankungen auf das elektrische Verhalten von konventionellen und alternativen Bauelementearchitekturen wurde ebenfalls in dieser Arbeit untersucht. Zu diesem Zweck wurden Lithographiesimulationen mit Prozess- und Bauelementesimulationen gekoppelt, um den Einfluss von Lithographieparameterschwankungen auf die physikalische Gatelänge und das Bauelementeverhalten zu beobachten. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit eine erweiterte Form der SPICE Kompaktmodellierung entwickelt, mit der die Einflüsse von Gatelängenschwankungen, Schwankungen der Filmdicke von SOI Transistoren, Schwankungen der Spitzentemperatur von so genannten Flash-Ausheilungen und Schwankungen der Ionenimplantationsdosis in SPICE Simulationen berücksichtigt werden können. Der Einfluss von einzelnen statistisch verteilten Dotieratomen auf die Einsatzspannung von konventionellen MOSFETs wurde dabei ebenfalls in den SPICE Simulationen berücksichtigt. Diese erweiterten Kompaktmodelle wurden schließlich dazu verwendet, um die Einflüsse der jeweiligen Prozessschwankungen auf integrierte Schaltungen zu untersuchen. Dabei wurden Schaltungen, basierend auf konventionellen und alternativen MOSFET Architekturen, auf ihre Stabilität gegenüber diesen Prozessschwankungen beurteilt.

Datum der Promotion: 03.11.2010
Dissertation im Volltext
Abstract: Der Erfolg der Halbleiterindustrie beruht darauf, durch stetige Skalierung des MOS Transistors immer leistungsfähigere Elektronik bei stetig sinkender Preise anbieten zu können. Zurzeit befindet sich die CMOS-Fertigung bei der 32-nm-Technologie, die eine SiO2-Gate-Oxiddicke von ungefähr 1 nm für MOS Transitoren verlangt. Bei solchen Oxiddicken führen steigenden Gate-Leckströme zu hohem Energieverbrauch. Solch ein dünnes Oxid ist schlecht isolierend, was zu höhe Leckströme und Energieverbrauch des Transistors führt. Mit abnehmender Oxiddicke steigen Gate-Leckströme und Energieverbrauch der Transistoren an. Der Lösungsansatz der Industrie besteht darin SiO2 durch ein Dielektrikum mit höherer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Auf Hafnium basierte Dielektrika sind hierfür favorisiert. Dadurch ist ein dickeres Gateoxid und niedriger Leckstrom möglich. Die konventionelle Polysilicium-Gate-Elektrode wird durch Metall ersetzt, um den Verarmungseffekt von Polysilicium an der Grenzfläche Polysilicium/High-K zu vermeiden. Die Einsatzspannung von Metall/High-K Transistoren verändert sich nach dem S/D-Ausheilschritt während der Herstellung: es kommt zu einer Verschiebung der effektiven Austrittsarbeit (EWF-Effective Work Function) des Gate-Metalls. Die Einsatzspannung erhöht sich um 0.2 V für NMOS und -0.6 V für PMOS Bauelemente. In dieser Arbeit wird gezeigt wie sich die effektive Austrittsarbeit des Metall/High-K Stapels mit einem einzigen Metall bei einem Gate-first Herstellungsverfahren, mittels Ionenimplantation einstellen lässt. So lässt sich eine EWF von ungefähr 4,0 eV für NMOS Transistoren mit einem Lanthan-dotierten TiN/HfSiOx (TiN/HfO2) Gate-Stapel einstellen. Für PMOS-Bauelemente, kann die benötigte EWF von 5,1 eV mit einer Fluor-Dotierung erreicht werden.

Datum der Promotion: 06.08.2010
Abstract: Michael Grieb – Charakterisierung von Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen auf der Silicium- und Kohlenstoffseite von 4H-Siliciumcarbid
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8322-9411-3 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 02.08.2010
Abstract: In dieser Arbeit wird die Auslegung von bidirektionalen, nicht galvanisch isolierten Gleichspannungswandlern mit extrem hoher Leistungsdichte und deren Einsatz im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen mit Elektro-, Hybrid-, und Brennstoffzellenantrieb untersucht. Dazu wird ein Überblick über aktuelle und zukünftige elektrische Antriebskonzepte für Kraftfahrzeuge gegeben und die Entwicklung von unterschiedlichen Batteriesystemen in den letzten Jahren aufgezeigt. Danach folgt eine theoretische und mathematische Betrachtung von Gleichspannungswandlern bis hin zur Regelungstechnik. Dies ist für das Verständnis der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsumgebung für leistungselektronische Wandler notwendig. Eine bisher offene Frage war, wie sich Gleichspannungswandler im Antriebsstrang zur Stabilisierung und Regelung der Zwischenkreisspannung auf den Wirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs auswirken. Um diese Fragestellung zu beantworten, wird eine grundlegende und umfassende Simulationsumgebung für leistungselektronische Komponenten im Antriebsstrang von Personenkraftfahrzeugen entwickelt. Damit ist es erstmals möglich, die durchgehende Kette von Systemen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen in anwendungsnahen Fahrzyklen zu untersuchen. Dazu wurden alle Komponenten in Matlab/Simulink hinsichtlich ihrer Verlustleistung modelliert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Wirkungsgraduntersuchung von nichtisolierenden Gleichspannungswandlern im Antriebsstrang und die Betrachtung der Vor- und Nachteile durch deren Einsatz. Dabei können unter bestimmten Bedingungen, insbesondere in Stadtverkehrszyklen, Wirkungsgradvorteile von bis zu 10 % erreicht werden. Über die Wirkungsgradaussagen hinaus können mit dem entwickelten Simulationswerkzeug auch Aussagen über den Temperaturverlauf der einzelnen Leistungsbauelemente bis auf Chipebene gemacht werden. Das ist eine sehr nützliche Information, um die Leistungselektronik optimal auf das geforderte Lastprofil auslegen zu können. Auch für Untersuchungen der Lebensdauer ist der Temperaturverlauf über den Lastgang unbedingt notwendig. Eine weitere in dieser Dissertation bearbeitete Fragestellung ist die Minimierung von Bauraum und Gewicht bei gleichzeitiger Optimierung des Wirkungsgrades für die Anwendung im Kraftfahrzeug. Dazu werden theoretische Abschätzungen durchgeführt und ein voll funktionsfähiger Prototyp eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit einer Spitzenleistung von 100 kW aufgebaut. Für die Leistungshalbleiter werden sehr schnell schaltende 600 V IGBTs in Verbindung mit SiC Dioden verwendet. Mit dem Prototyp konnte ein bis dahin, in diesem Spannungsbereich von 450 V, noch nicht erreichtes Leistung zu Volumen Verhältnis von 25 kW/dm3, und ein Leistung zu Gewicht Verhältnis von 13,5 kW/kg realisiert werden. Dabei zeigt der Prototyp, dass es mit heute verfügbaren Bauelementen prinzipiell möglich ist, bis 50 kW/dm3 und mehr zu erreichen. Die durchgeführten Messungen zeigen einen Wirkungsgrad von über 97 % und durch eine implementierte Phasenabschaltung im Teillastbereich kann auch dort ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8322-9574-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 14.07.2010
Abstract: Herkömmliche Maskenjustierer bieten eine kostengünstige Alternative zu den teuren Projektionsoptiken in der (Sub-)Mikrometer-Lithographie. In der Massenproduktion wird die einfachere Nahfeldbelichtung für die Herstellung von mikroelektromechanischen bzw. mikro-opto-elektromechanischen Systemen (MEMS bzw. MOEMS) und Flachbildschirmen angewendet. Die Nahfeldbelichtung wird auch an Universitäten und Forschungs-zentren häufig verwendet. In dieser Arbeit werden Methoden für die Simulation und Optimierung von Prozessen, die auf der Nahfeldbelichtung basieren, entwickelt und umgesetzt. Der gesamte lithographische Prozessfluss einschließlich Belichtung, Backen (post-exposure bake) und chemischer Entwicklung wird behandelt. Die Modelle berücksichtigen eine breitbandige und partiell kohärente Belichtung und das Ausbleichen des Photolackes. Die Methoden sind sowohl für zwei- als auch für dreidimensionale Simulationen einsetzbar. Die Arbeit untersucht Techniken zur Verbesserung der Auflösung. Für die Simulation notwendige Lackparameter werden mit Hilfe von Kalibrierung ermittelt. Simulierte und experimentelle Lackprofile werden verglichen um die Gültigkeit der umgesetzten Modelle zu bestätigen.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8322-9742-8 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 09.02.2010
Dissertation im Volltext
Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit umfassenden Untersuchungen zur metall-organisch chemischen Gasphasenabscheidung von hoch-ε Metallsilicaten der Übergangsmetalle Hafnium, Zirconium und Titan und zur physikalischen wie elektrischen Charakterisierung der Schichten in MIS-Kondensatoren. Für die Abscheidung wurden neuartige Einquellen-Ausgangsstoffe der Form M(acac)2 (OSitBuxMe(3-x))2 mit gemischten β-Diketonat- und Alkoholatliganden verwendet (M = Zr, Hf oder Ti, x = 0 oder 1, acac = Acetylacetonat, tBu = tert-Butyl und Me = Methyl).

Die gewählte Struktur mit gemischten Liganden zeigte einen vielversprechenden Kompromiss zwischen Flüchtigkeit und Stabilität der Ausgangsstoffe und auch deren CVD-Verhalten erwies sich geeignet. Die erzielten Schichten im Temperaturbereich 500 bis 600°C waren aufgrund einer bevorzugten Abspaltung des Siloxidliganden metallreich (d. h. Siliciumanteil bis etwa 20%). Eine signifikante Kohlenstoffkontamination (bis etwa 20 at.-%) aufgrund unvollständig dissoziierter Siloxidliganden erforderte eine Temperung in Sauerstoff bei Temperaturen größer 700°C.

Diese Temperung verursachte neben der Eliminierung des Kohlenstoffs mit verbundener Ausheilung von Störstellen und Ladungen eine Kristallisation, aber auch einWachstum der Grenzflächenschicht zwischen Zirconium- bzw. Hafniumsilicat und Siliciumsubstrat. Dies beschränkt eine Skalierung zu kleinen effektiven Oxiddicken. Schichten einer Dicke von etwa 10 nm, die bei 900°C für 10 s in O2 getempert wurden, zeigten jedoch ein Optimum elektrischer Kenngrößen (z. B. effektive Dielektrizitätskonstante von etwa 12,5 bei einer Stromdichte kleiner 10-8 A/cm2 für elektrische Feldstärken gleich 1 MV/cm). In allen Schichten konnte zudem eine hohe Ladungsdichte (z. B. feste Isolatorladung bis etwa 1012 cm-2 bei Volumenladungsdichten bis etwa 8·1019 cm-3) beobachtet werden, welche die Stromtransportmechanismen (v. a. haftstellenbasierte POOLE-FRENKEL-Emission) als auch stressinduzierten Leckstrom als Indiz für eine Degradation begründet. Unterschiede konnten in Bezug auf die Energieniveaus der vorhandenen Haftstellen in Zirconium- bzw. Hafniumsilicat gezeigt werden. Diese, jeweils zwei Niveaus, liegen in Hafniumsilicat etwa 0,65 und 1,05 eV und in Zirconiumsilicat 0,95 und 1,5 eV unterhalb der Leitungsbandkante des Dielektrikums. Durch die Haftstellen wird auch auch der Ladungsaufbau während eines elektrischen Stress beeinflusst.

Neben ternären Metallsilicaten wurden die Auswirkungen einer Beimischung von Titansilicat unterschiedlicher Anteile in Hafniumsilicat mit resultierenden quarternären Hafniumtitansilicaten auf elektrische Kenngrößen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich durch Beimischung die Dielektrizitätskonstante erhöhen lässt, ohne dass dabei die Stromdichte signifikant steigt oder der Stromtransportmechanismus geändert wird. Im Rahmen der Untersuchungen trifft dies auf ein Hf:Ti- Verhältniss bis etwa 50:50 zu. Eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten geht jedoch zu Lasten von Ladungen im Dielektrikum aufgrund ungesättigter Bindungen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit von der Stöchiometrie sowohl einWechsel im Stromtransportmechanismus von POOLE- FRENKEL-Emission in hafniumreichen Hafniumtitansilicaten hin zu phonenunterstütztem Tunneln (d. h. ab einem Hf:Ti-Verhältnis von etwa 30:70 über Phononen einer Energie etwa 20 meV) stattfindet als auch für den Übergangsbereich in Bezug auf die Spannungspolarität ein unsysmmetrischer Stromtransport auftritt. Beides ist in einer kontinuierlichen strukturellen Änderung von Hafniumtitansilicat mit steigendem Titangehalt begründet (z. B. Phasenseparation, von der Hafniumtitansilicat/Silicium- Grenzfläche beginnend).

Im Weiteren konnte die Kompatibilität des CVD-Prozesses wie auch des Hafniumsilicat als Dielektrikum zu Germaniumscheiben nachgewiesen werden. In Gegenwart von Germanium konnte ein im Vergleich zu Siliciumsubstraten geändertes Abscheideverhalten der Ausgangschemie (d. h. verstärkte Abspaltung der Siloxidliganden) beobachtet werden, aufgrund dessen sich z. B. eine Stöchiometrie des Dielektrikum zu annähernd stöchiometrischem, kohlenstofffreiem Hafniumoxid mit einem Siliciumeinbau nur in der oberster Deckschicht bei Isolatordicken größer etwa 15 nm auf nitridiertem Germanium ergab. Für eine Nitridierung der Germaniumoberfläche ließen sich durchgängig positive Auswirkungen auf C(U)- als auch J(U)-Charakteristiken von MIS-Kondensatoren zeigen (d. h. Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten auf maximal 18,6 bei gleichzeitiger Verringerung der Ladungsdichte wie Stromdichte) im Vergleich zu blanken Germaniumscheiben. Der Stromtransport wurde wiederum über POOLE-FRENKEL-Emission über Haftstellen einer Energie von etwa 0,5 eV beobachtet.

Datum der Promotion: 18.01.2010
Abstract: Die weitere Verkleinerung der MOSFET- und DRAM-Strukturen in der Mikroelektronik nach dem Mooreschen Gesetz erfordert v.a. den Ersatz des bisherigen Gateoxids SiO2 und der Poly-Si-Gateelektrode. Der direkte Austausch durch ein hoch-ε-Dielektrikum und eine metallische Elektrode ist ein bislang ungelöstes Problem, da Grenzflächenreaktionen eine Veränderung der Austrittsarbeit und eine Degradation des Gateoxids verursachen. Eine schon realisierte Lösung besteht in der (kostenintensiven) Umstellung des normalen CMOS-Prozessablaufs, so dass die Source-Drain-Ausheilung vor der Herstellung des Gatestapels erfolgt und dessen hohe Temperaturstabilität nicht länger erforderlich ist. Eine weitere Herausforderung ist die Erreichung der für zukünftige DRAM-Technologien nötigen homogenen Kantenbedeckung für die Schichtabscheidung.

In dieser Arbeit wurde die Kombination eines Tantal- oder Niobnitrids und eines Hafnium-basierten Dielektrikums als Gatestapelersatz untersucht. Die hohe thermodynamische Stabilität dieser Übergangsmetallnitride wurde theoretisch nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die Austrittsarbeit einer stabilen Metallelektrode auf einem SiO2- und einem HfO2-Dielektrikum innerhalb einer geringen Toleranz übereinstimmt und nur von der Phasen-Zusammensetzung der Elektrode abhängt. Folglich konnte die Austrittsarbeit durch die Senkung des Stickstoffgehaltes oder auch durch den Einbau von Kohlenstoff in das Metallnitrid erhöht werden. Die karbidischen Verbindungen wurden durch die spezifische Wahl des MOCVD-Precursors erhalten, die Herstellung der unterstöchiometrischen Metallnitride erfolgte in einem PEALD-Prozess. Dieser erzeugte sehr homogene, leitfähige Schichten mit hoher Dichte. Hiermit hergestellte MOS-Kondensatoren konnten so optimiert werden, dass die Temperaturstabilität des Gatestapels bei 900°C für 30 s erfüllt wurde. Für die PEALD-NbN- und die TaCxN1-x-Elektroden wurden weiterhin niedrige Ladungs- und Defektdichten, stabile Isolationseigenschaften des Gateoxids, sowie ein minimaler Zuwachs der effektiven Oxiddicke erreicht. Der mögliche Einsatz als metallische Elektrode in zukünftigen MOSFETs oder DRAM-Speichern wurde damit nachgewiesen.

Fortschritte konnten auch in der Dickenbestimmung von metallischen Schichten mittels Spektralellipsometrie erreicht werden. Die erstellten optischen Modelle erlaubten eine automatisierte Auswertung der ellipsometrischen Messungen und die Bestimmung weiterer Schichteigenschaften.

Datum der Promotion: 06.04.2009
Dissertation im Volltext
Abstract: Ladungsbasierte, nichtflüchtige Halbleiterspeicher stellen heute den Standard für dauerhaftes Speichern von Daten für mobile Anwendungen dar. Diese Speichertechnologie basiert auf der Speicherung von Elektronen in einer Speicherschicht innerhalb des Gatestapel eines Metall-Oxid-Silicium-Feldeffekttransistor. Die aktuelle Speichergeneration setzt hierfür eine potentialfreie Elektrode aus Polysilicium ein, welche bei fortschreitender Skalierung jedoch Probleme bereitet. Ein Ausweg ist der Ersatz der potentialfreien Elektrode durch ein Dielektrikum, welches Ladungsträger ortsfest in Haftstellen speichert. Diese auf Ladungseinfang basierende Technologie ist unabhängig von Kapazitäten in der Speicherzelle und bietet zudem den Vorteil des zuverlässigen Betriebes auch bei Schädigung der Oxide. Die ortsfeste Speicherung der Ladungsträger erlaubt sogar die Speicherung von zwei physikalisch voneinander getrennten Bits pro Speicherzelle. Dieser Betriebsmodus erfordert jedoch ein hohes Maß an Kontrolle des Ladungsträgereinfangs.

Die Ladungseinfangmechanismen wurden im Rahmen der Arbeiten zur Promotion experimentell untersucht. Speziell für diese Untersuchungen wurde ein eigenes Charakterisierungsverfahren entwickelt, welches das Unterschwellenverhalten der Speicherzellen in verschiedenen Programmierzuständen analysiert. Im Vergleich zu bisher bekannten Methoden erhöht dieses Verfahren die Genauigkeit der Bestimmung von lateralen Ladungsverteilungen in der Speicherschicht. Mittels Untersuchungen von gateinduzierten Drainleckströmen konnten inhomogene Ladungsverteilungen der Speicherladung aufgrund der Injektion von Elektronen mittels Fowler-Nordheim-Tunneln nachgewiesen werden. Diese Inhomogenitäten können Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Speicherzelle haben, insbesondere bei weiterer Skalierung.

Die entwickelten Verfahren wurden außerdem zur Charakterisierung von Speicherzellen im Rahmen der Durchführung von Zyklentests verwendet. Zyklentests zeigen die Schädigungen im Bauelement durch mehrmaliges Beschreiben und Löschen der Speicherzelle. Die Auswirkungen der Schädigungen wurden außerdem durch Untersuchungen der Speicherhaltezeit bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Dabei wurde nachgewiesen, dass das Speicherhaltevermögen aufgrund des zunehmenden Ladungsverlustes deutlich sinkt. Weiter konnte gezeigt werden, dass lokalisiert eingebrachte Ladungspakete in einer häufig beschriebenen und gelöschten Zelle auseinander fließen. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf den zuverlässigen Betrieb der Speicherzelle im Zwei-Bit-Modus.

Um die erläuterten Untersuchungen durchzuführen, wurde ein spezieller Messplatz entwickelt, der hohe Zyklenraten bietet, dabei aber einen hohen Grad an Flexibilität in den Charakterisierungsmöglichkeiten garantiert. Mit Hilfe des Aufbaus konnte der Verlauf von Zyklentests erstmals in dieser Genauigkeit charakterisiert werden. Zur Identifikation der jeweiligen Zustände einer Speicherzelle wurden Bauelementesimulationen durchgeführt. Das experimentell gefundene Verhalten der Speicherzellen konnte dabei durch die Simulationen vollständig nachgebildet werden.

Datum der Promotion: 06.11.2008
Dissertation im Volltext
Abstract: Lithografieverfahren werden in vielen Arbeitsgebieten eingesetzt, um eine Oberfläche zu strukturieren. Im Bereich der Halbleitertechnik kommen für die lithografische Strukturierung zumeist optische Verfahren zum Einsatz, an die auf Grund der Miniaturisierung elektronischer Bauelemente immer höhere Anforderungen gestellt werden. Daher kosten moderne Belichtungsanlagen („Stepper“) mittlerweile bis zu 20 Millionen EUR, weshalb diese nur im industriellen Maßstab für hohe Durchsätze und Stückzahlen rentabel sind. Da die „Stepper“ zusätzlich die zukünftigen Anforderungen bzgl. des Auflösungsvermögens wahrscheinlich nicht mehr erreichen werden, ist man in der Forschung und Industrie auf der Suche nach Alternativverfahren zur Nanostrukturierung. Zu diesen zählen neben der EUV- und Elektronenstrahl-Lithografie die UV-Nanoimprint-Lithografie (UV-NIL), deren Potential als kostengünstiges Nanostrukturierungsverfahren für elektronische Bauelemente im Rahmen der Arbeit untersucht wurde.
Bei der UV-Nanoimprint-Lithografie wird das Auflösungsvermögen maßgeblich durch eine Prägeform bestimmt, deren Relief im optimalen Fall 1:1 in einen Prägelack übertragen wird. Aus diesem Grund wurde der Herstellungsprozesses von Quarzprägeformen optimiert sowie ein neues Konzept entwickelt und umgesetzt, bei dem die Gesamtherstellungskosten von Prägeformen im Vergleich zum etablierten Konzept um eine Größenordnung geringer sind.
Um nach einem Prägevorgang eine defektfreie Trennung zwischen ausgehärtetem Prägelack und Prägeform zu erreichen, wurde die Haftung zwischen Prägelacken und verschiedenen Oberflächen (Substrat und Prägeform) optimiert. Dazu wurde die Prägeformoberfläche im Rahmen der Arbeit mit verschiedenen Antihaftschichten modifiziert und mit einer optimalen Kombination aus Antihaftschicht und Prägelack wurden 500 Prägungen ohne Degradation der Antihaftschicht durchgeführt. Entscheidend bei der Haftungsoptimierung waren auch die Entwicklung einer neuen Auswertemethode zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Prägelacken und die Untersuchung der Benetzung von Oberflächen durch Prägelacke. Auf Grund der Erkenntnisse der Arbeit wurde für die Lackaufbringung die Imprintanlage mit einem „Ink-Jet“-System (vorher Eintropfendosierer) erweitert und somit die beim Prägeprozess unvermeidbare Restlackschichtdicke um eine Größenordnung auf 31 nm reduziert. Dies war die Vorraussetzung, um nachfolgende maßgetreue Substratätzprozesse zu entwickeln.
Schließlich wurde durch die Strukturierung von Poly-Si Gatefingern mittels UV-NIL und reaktivem Ionenätzen im Rahmen eines n-Kurzkanal MOSFET Prozesses sowie der anschließenden Charakterisierung der Transistoren das Potential der UV-NIL als ein kostengünstiges Nanostrukturierungsverfahren für elektronische Bauelemente demonstriert.

Datum der Promotion: 27.10.2008
Dissertation im Volltext
Abstract: Batteriebetriebene Mobilgeräte sind ein wichtiger Tragpfeiler des heutigen Markts, besonders seit Mobiltelefone und Digitalkameras eingeführt wurden. Allerdings haben Mobilgeräte einen Nachteil: die Batterie verfügt über eine begrenzte Kapazität, die nur auf zwei Wege erweitert werden kann. Der erste Weg besteht in der Entwicklung von neuen Batteriechemien, um die Energiedichte zu erhöhen. Der zweite Weg besteht in einer effizienteren Nutzung dieser Energie durch ein intelligenteres Energiemanagement. Diese Dissertation befasst sich mit dem zweiten Ansatz, und zwar mit der Spannungswandlung, die üblicherweise in Mobilgeräten benutzt wird. Ziel des vorgestellten Konzeptes ist es, den Spannungswandler mit dem Energiemanagement zu kombinieren, um damit einen intelligenten Leistungswandler (IPC) zu realisieren, der in die Batterie integriert wird. Diese intelligente Batterie liefert eine geregelte und einstellbare Spannung. Damit ist sie in jedem Mobilgerät einsetzbar. Der IPC muss einen bidirektionalen Energiefluss erlauben, um die Batterie aufladen zu können.
Der IPC wurde entwickelt und simuliert. Ein Layout wurde erstellt und in einer 0.18 μm-Mixed-signal CMOS-Technologie von UMC gefertigt. Ein auf Cadence- Software basierender Full-custom-Designfluss wurde erstellt. Zusätzlich zu den Modellen von UMC wurden Monte-Carlo-Modelle entwickelt, um die Variationen des Herstellungsprozesses bei den Simulationen berücksichtigen zu können. Um Elektromigration zu verhindern, wurden Designregeln geschrieben, damit eine Stromüberlastung der Metallverbindungen im Leistungsteil vermieden wird. Die technischen Daten des IPCs sind ein Betriebsspannungsbereich von 1,2 V-3,6 V, ein konstanter Laststrom bis zu 2000mA und eine Betriebsfrequenz im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz.
Mehrere neue Lösungen wurden für den IPC entwickelt. Erstens wurde eine Methode entwickelt, um ein Batterieladegerät zu erkennen, da die Richtung des Energieflusses durch die Anwesenheit dieses Ladegerät parallel zur Last bestimmt wird. Zweitens wurde eine kontinuierliche Regelungsschleife entwickelt, die es ermöglicht, bei hohen Frequenzen die gewandelte Spannung in beide Richtungen hoch- und herunterzusetzen. Drittens wurde eine dynamische Einstellung der Weite des MOSFETs entwickelt, um den Wirkungsgrad im Schwachlastbereich zu erhöhen. Bei Frequenzen über 1MHz wurde eine absolute Wirkungsgraderhöhung von 25% erreicht. Viertens wurde für Betriebsfrequenzen bis 10MHz eine Methode zur Abschätzung des Stromes durch die Induktivität entwickelt. Fünftens wurde eine digitale I2C-Schnittstelle implementiert, um das Konfigurieren des Energiemanagementsystems zu ermöglichen.
Da die intelligente Batterie ein Batteriemanagementsystem enthält und eine einstellbare Spannung ausgibt, kann sie einfach ausgetauscht werden. Das Upgraden von Batterien wird möglich (z.B. andere Chemie, höhere Energiedichte), so dass die Betriebsdauer erweitert wird. Die Integration der Elektronik erlaubt es, zusätzlich Schutzfunktionen gegen Kurzschlüsse, Überladung oder Fälschungen unterzubringen.

Datum der Promotion: 28.07.2008
Abstract: Bei der Herstellung integrierter Schaltungen erfolgt eine immer weitergehende Automatisierung des Fertigungsablaufs. Eine Voraussetzung hierf�r ist der Einsatz einer automatisierten Prozeßkontrolle unter Verwendung integrierter Meßtechnik. Trockenätzverfahren in Plasmen sind wichtige Prozesse bei der Herstellung integrierter Schaltungen, die zur Strukturübertragung und zum gro�flächigen Materialabtrag auf Scheiben und zur Reinigung von Reaktoren eingesetzt werden. Bei Plasmaprozessen treten komplexe Wechselwirkungen zwischen dem Plasma, dem Reaktor und den Substraten auf. Zur Sicherung der Prozeßergebnisse werden daher bereits häufig in situ-Meßtechniken zur Plasmadiagnostik und Verfahren zur Prozeßkontrolle angewandt. Ein durchgängiger Einsatz von in situ-Meßtechniken bei der Prozeßentwicklung und der automatisierten Prozeßkontrolle ist bisher jedoch noch nicht umfassend vollzogen.
In dieser Arbeit wurde daher an einem modifizierten kommerziellen Parallelplattenreaktor für das reaktive Ionenätzen mit SF6 als Ätzgas und an Polysiliciumschichtstrukturen untersucht, wie der gleichzeitige Einsatz der in situ-Einwellenlängenellipsometrie und der optischen Emissionsspektroskopie für die Prozeßcharakterisierung und eine nachfolgende Prozeßkontrolle angewandt werden kann. Für die in situ-Einwellenlängenellipsometrie wurde erstmalig eine Strahlführung durch die Parallelplatten realisiert und eine vergleichbare Meßpräzision wie an einem baugleichen stand-alone-Ellipsometer nachgewiesen. Es wurde ein neues Auswerteverfahren entwickelt, das eine exakte Schichtdicken- und Ätzratenbestimmung bei Ätzprozessen ermöglicht, bei denen Planarisierungseffekte auftreten und Temperatureinflüsse auf die optischen Parameter zu berücksichtigen sind. Hierbei müssen mehr als zwei Parameter des Schichtsystems bei veränderlichen optischen Parametern einer Oberflächenschicht ermittelt werden, was mit Standardauswerteverfahren nicht möglich ist. Das Auswerteverfahren kann auch zur schnellen Justierung des Ellipsometers verwendet werden. Für die optische Emissionsspektroskopie wurde untersucht, wie aus dem zeitlichen Verlauf einer charakteristischen Emissionslinie des atomaren Fluors beim Übergang vom Ätzen des Polysiliciums zum Ätzen des Siliciumdioxids auf die Inhomogenit�t der Polysiliciumätzrate geschlossen werden kann. Mit den neuen Auswerteverfahren konnten die Polysiliciumätzrate, die Selektivit�t zu Siliciumdioxid und die Inhomogenit�t der Polysiliciumätzrate in situ ermittelt und nach dem Prozeßende f�r die Prozeßkontrolle zur Verfügung gestellt werden. Die Anwendbarkeit der in situ-Meßverfahren zur Prozeßkontrolle wurde anhand zweier Beispiele nachgewiesen. F�r die an dem modifizierten Parallelplattenreaktor durchgef�hrten Ätzprozesse wurde ein Prozeßkontrollverfahren implementiert. Anhand von Simulationen konnte gezeigt werden, daß damit eine schnelle Kompensation sprunghafter und kontinuierlicher Störungen der Anlagenparameter erreicht werden kann. Als weiteres Anwendungsbeispiel wurde das für die optische Emissionsspektroskopie entwickelte Verfahren zur Beschreibung der zeitlichen Intensitätsverläufe von Emissionslinien f�r die Endpunkterkennung bei plasmagestützten Kammerreinigungsprozessen weiter optimiert und in einer 300 mm Pilotfertigung von DRAMs f�r einen zweistufigen Reinigungsprozeß mit NF3 als Ausgangsgas getestet. Mit dem neuen Verfahren wurde eine genauere Endpunkterkennung gegen�ber dem Standardverfahren erreicht, die insgesamt zu einer Verringerung der gesamten Prozeßzeit und des NF3-Verbrauchs f�hrt.

Datum der Promotion: 27.05.2008
Dissertation im Volltext
Abstract: In dieser Arbeit wird der Einsatz von Hafniumsilicat (HfxSiyO4), als ausgew�hlter Vertreter der Schichten hoher Dielektrizit�tskonstante im Gatedielektrikum von haftstellenbasierten nichtfl�chtigen Speicherzellen untersucht. Zun�chst werden grundlegende elektrische Eigenschaften (z.B. Haftstellentiefe, Haftstellendichte, dominierender Ladungstransportmechanismus) der Hafniumsilicatschichten, welche mittels chemischer Dampfphasenabscheidung aus einer einzigen chemischen Verbindung abgeschieden wurden, aus Strom- und Kapazit�ts-Spannungsmessungen abgeleitet. Die mittlere energetische Tiefe der Haftstellen in Hafniumsilicat wurde zu 0,8eV bestimmt und als Stromleitungsmechanismus dominiert die feldunterst�tzte thermische Emission. Au�erdem werden mittels Ellipsometrie durchgef�hrte Schichtdickenmessungen an Hafniumsilicatschichten mit den �quivalenten Oxiddicken verglichen, welche aus Kapazit�ts-Spannungsmessungen ausgewertet wurden.
Im Anschluss wird an Hand von MIS-Kondensatoren Hafniumsilicat als Ladungsspeicherschicht untersucht. Messungen zeigen, dass HfxSiyO4-D�nnschichten weniger Haftstellen aufweisen, wenn das thermische Budget w�hrend der Bauelementeherstellung erh�ht wird. Die Haftstellendichte der untersuchten HfxSiyO4-Schichten kann derart beeinflusst werden, dass sie h�her als die in Siliciumnitrid ist. In diesem Fall weisen Proben mit einer Speicherschicht aus HfxSiyO4 im Vergleich zu konventionellen Speicherteststrukturen bei einer geringeren �quivalenten Oxiddicke durch die gr��ere Haftstellendichte eine h�here Schreibgeschwindigkeit auf. Gleichzeitig ist auf Grund der geringeren �quivalenten Oxiddicke eine deutliche Verringerung der Schreibspannung m�glich. Andererseits wird der L�schvorgang mittels feldunterst�tzter thermischer Emission durch die geringere Feldst�rke in der HfxSiyO4-Schicht behindert. Dieser Nachteil kann umgangen werden, wenn die Injektion hei�er L�cher als L�schmechanismus eingesetzt wird. Messungen zur Speicherhaltezeit zeigen, dass die Information in einer Speicherzelle mit einer Speicherschicht aus HfxSiyO4 zuverl�ssig f�r mehr als 10 Jahre gespeichert werden kann. Dabei muss jedoch die Dicke der dar�ber und darunter liegenden Oxidschichten vergr��ert werden, um zus�tzliche Ladungstr�gerverluste zu kompensieren, die durch die geringere Haftstellentiefe und effektive Elektronenmasse in HfxSiyO4 bedingt sind.
Als n�chstes werden MIS-Kondensatoren mit einem Steueroxid aus einer Schichtfolge von Hafniumsilicat und Siliciumdioxid charakterisiert und mit Teststrukturen verglichen, die einen konventionellen Speicherschichtstapel aufweisen. Der Schreibvorgang l�uft f�r beide Schichtstapel mit vergleichbarer Geschwindigkeit ab, da sich die Bedingungen zur Ladungsinjektion, insbesondere die elektrische Feldst�rke im Tunneloxid, nicht wesentlich unterscheiden. Die Ladungsemission (L�schvorgang) findet bei den Teststrukturen mit Hafniumsilicat schneller statt, weil die parasit�re Injektion von Elektronen aus der Gateelektrode auf Grund des geringeren elektrischen Feldes im Material hoher Dielektrizit�tskonstante unterdr�ckt wird. Dies erh�ht die Anwendbarkeit von feldunterst�tzter thermischer Emission als L�schmechanismus in nichtfl�chtigen Speicherzellen im Vergleich zur stromintensiven Injektion hei�er L�cher. Durch die Reduzierung des Leckstroms erh�ht sich auch die elektrische Oxidstabilit�t, weshalb h�here L�schspannungen verwendet werden k�nnen. Somit ist im Vergleich zu konventionellen nichtfl�chtigen Speicherzellen eine schnellere Entfernung von Ladungen aus der Speicherschicht m�glich. Allerdings ist auf Grund des Ladungseinfangs in der Hafniumsilicatschicht ein anf�nglich starker Ladungsverlust zu beobachten. Eine Verringerung der Barriereh�he des Steueroxids unter hohen Feldst�rken erh�ht ferner die Tunnelwahrscheinlichkeit eingefangener Ladungen aus den Haftstellen. Eine Verringerung der HfxSiyO4-Schichtdicke, bei der die guten L�scheigenschaften erhalten bleiben und gleichzeitig die Ladungsverlustrate w�hrend der Informationsspeicherung verringert wird, erscheint daher zweckm��ig.
An Hand dieser Ergebnisse werden Schlussfolgerungen bez�glich der Verwendung von Hafniumsilicat und anderer Schichten hoher Dielektrizit�tskonstante im Gatestapel nichtfl�chtiger Speicherzellen hergeleitet. W�hrend der ausschlie�liche Ersatz der Ladungsspeicherschicht aus Siliciumnitrid durch eine HfxSiyO4-Schicht zur Erh�hung der L�schdauer f�hrt, k�nnte der Einsatz einer zus�tzlichen d�nnen Hafniumsilicatschicht im Steueroxid diesen Nachteil kompensieren. Au�erdem erscheint eine weitere Erh�hung der Speicherhaltezeit durch die Verwendung von Dielektrika mit einer h�heren Barriereh�he zu Silicium (z.B. Al2O3) oder mit vergleichbarer Barriereh�he aber einer nochmals h�heren Dielektrizit�tskonstante (z.B. La2O3) sinnvoll.

Datum der Promotion: 23.11.2007
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Abstract: Die Verkleinerung von Halbleiterbauelementen erfordert u. a. eine Verringerung der Linienbreitenschwankungen einzelner Bestandteile. Das Erreichen der für zukünftige Technologien spezifierten Toleranzen ist ein für die Massenproduktion noch ungelöstes Problem. Aus Experimenten ist der Einfluss zahlreicher Prozess- und Materialeigenschaften auf die resultierenden Linienbreitenschwankungen bekannt. Allerdings existieren noch keine Modelle, die eine zufriedenstellende Vorhersage der Linienbreitenschwankungen erlauben.

In dieser Arbeit wurden neue Modelle für die mesoskopische (d.h. diskrete und stochastische) Simulation der Photolackstrukturierung in der optischen Lithographie entwickelt und implementiert. Es wurde bewiesen, dass eine Modellierung der Poissonverteilung der Photonen (sog. „shot noise“) nicht notwendig ist. Entgegen der in der Literatur verbreiteten Ansicht konnte damit gezeigt werden, dass die durchschnittlich bei der Belichtung absorbierte Photonenanzahl keinen unmittelbaren Einfluss auf die Linienbreitenschwankungen hat. Bei der Simulation des nachfolgenden Ausheizens nach der Belichtung konnten der Speicherbedarf und die Rechenzeit gegenüber dem Standardverfahren für mesoskopische Reaktions- und Diffusionssimulation verringert werden. Zur Simulation der anschließenden Photolackentwicklung wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der eine überlappungsfreie Darstellung der Polymere im Photolack mit kalibrierten Entwicklungsraten kombiniert. Damit konnte erstmals eine quantitative Übereinstimmung der mittleren Photolackprolabmessungen von mesoskopischen Modellen und etablieren makroskopischen Modellen bzw. experimentellen Daten erzielt werden. Die mit mesoskopischen Modellen simulierten Profildaten erfordern noch eine Nachbearbeitung, um eine automatische Auswertung zu ermöglichen. Dazu wurde ein effizienter Algorithmus entwickelt und implementiert um die Position der Oberfläche des entwickelten Photolacks zu bestimmen.

Mit den neuen Modellen wurde der Einfluss von Prozess- und Photolackeigenschaften auf die Linienbreitenschwankungen untersucht. Dabei ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten aus der Literatur.

Datum der Promotion: 28.09.2007
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Abstract: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit umfassenden Untersuchungen zur Injektionsabhängigkeit von Photostrom-Messungen. Mit dem konventionellen Elymat-Verfahren wurde die Injektionsabhängigkeit der Ladungsträgerlebensdauer von Eisen-kontaminierten bordotierten Siliciumproben experimentell ermittelt und durch zweidimensionale Simulationen verifiziert. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sind von grundlegender Bedeutung für die ebenfalls erfolgte injektionsabhängige Charakterisierung von Isolator/Silicium-Strukturen mit einem modifizierten Elymat-Verfahren. Entscheidend für die korrekte Messung von Niederinjektionslebensdauern ist eine ausreichende Passivierung der Halbleiteroberfläche. Es konnte gezeigt werden, dass die beim konventionellen Elymat-Verfahren verwendete Oberflächenpassivierung durch 1%ige Flusssäure nicht effektiv genug ist, während die Lebensdauern mit Hilfe der elektrostatischen Passivierung des modifizierten Elymat-Verfahrens im gesamten Injektionsbereich sehr genau bestimmt werden können. Gerade bei niedriger Injektion kann dieser Effekt selbst mit natürlichem Oxid als Isolator genutzt werden. Die Lebensdauerspektroskopie an Eisen-kontaminierten Siliciumproben mit dem Elymat-Verfahren ist an Proben mit unterschiedlicher Dotierungs- und Eisenkonzentration untersucht worden, wobei die Eisenkontamination gezielt entweder mittels �spin-on�-Verfahren oder Ionen-Implantation und einem nachfolgenden Diffusionsschritt erfolgte. Die Modellierung der Messergebnisse ergab eine sehr gute übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Erstmals konnten dabei beide Elymat-Messmodi konsistent charakterisiert werden. Speziell konnte der Anstieg der effektiven Lebensdauern mit steigender Laserleistung bei Extraktion des photoinduzierten Diffusionsstroms auf der dem Laser zugewandten Scheibenoberfläche auf einen zunehmenden Driftstromanteil zurückgeführt werden. Die Einfangkoeffizienten der bei Eisenkontamination existierenden relevanten Energieniveaus wurden dabei nicht angepasst sondern unabhängig an Hand von in der Literatur veröffentlichten Messdaten ermittelt. Bei Berücksichtigung beider Zustände des Eisen-Bor-Paares und des Energieniveaus von interstitiellem Eisen können alle in der Literatur veröffentlichten und die hier gewonnenen Ergebnisse mit dem ermittelten Koeffizientensatz korrekt modelliert werden. Bei ausschließlicher Kontamination mit Eisen kann daher die Eisenkonzentration bei Anwendung der elektrostatischen Passivierung mit dem Elymat-Verfahren genau bestimmt werden. Weiterhin ist es in dieser Arbeit erstmals gelungen, mit dem modifizierten Elymat-Verfahren quantitativ die Grenzflächenzustandsdichte D_it und die Isolatorvolumenladung Q_Is von Isolator/Silicium-Strukturen zu bestimmen. Die dazu vorgestellten Auswerteverfahren beruhen auf einer hier entwickelten, physikalisch begründeten Modellierung der Ladungsträgerrekombination an Grenzflächenzuständen bei beleuchteten Elektrolyt/Isolator/Silicium-Strukturen. Die Modellierung erlaubt es, die beim modifizierten Elymat-Verfahren gemessene Abhängigkeit des photoinduzierten Diffusionsstroms von der Grenzflächenrekombination über den gesamten Injektionsbereich des Messgerätes mit sehr guter übereinstimmung zu beschreiben. Dies ist durch Messungen an einer Vielzahl von thermisch oxidierten Siliciumproben mit unterschiedlichen Oxiddicken bzw. nachfolgenden Temperschritten gezeigt worden. An Hand der Ergebnisse konnten dabei optimierte Messbedingungen für das modifizierte Elymat-Verfahren bestimmt werden. Für die Empfindlichkeit des modifizierten Elymat-Verfahrens hinsichtlich der Bestimmung der Grenzflächenzustandsdichte kann für Proben mit hoher Volumenlebensdauer ein Wert von ca. 1-5*10^9 cm^-2eV^-1 abgeschätzt werden. Die mit dem modifizierten Elymat-Verfahren ermittelten Werte für D_it und Q_Is stimmen sehr gut mit Messergebnissen von etablierten Messverfahren (Konduktanz- bzw. Kapazitäts-Spannungs-Verfahren) an Vergleichsproben überein. Die für die quantitative Bestimmung von D_it und Q_Is benötigten Werte für die Parameter der physikalischen Modellierung konnten ebenfalls experimentell bestimmt bzw. verifiziert werden. Somit konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das modifizierte Elymat-Verfahren sehr gut für die exakte und schnelle Prozesskontrolle von Oxidationsprozessen geeignet ist.

Datum der Promotion: 18.05.2007
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Abstract: Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Ausheilverfahrens für Aluminium-implantierte Schichten in 4H-Siliciumcarbid mit minimaler Oberflächendegradation und gleichzeitig hohem Aktivierungsgrad der implantierten Spezies. Da die notwendigen Ausheiltemperaturen für Aluminium-implantierte Schichten im Bereich von 1700�C liegen, wurden zu Beginn zwei prinzipiell unterschiedliche Ausheilverfahren hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Oberflächendegradation der Proben untersucht. In einem speziell entwickelten hochtemperaturtauglichen Vertikalofen konnte durch gezielte Zugabe von Silan während dem Ausheilvorgang der Silicium-Partialdruck eingestellt werden. Dadurch konnte eine Verminderung der Oberflächendegradation erreicht werden. Eine weitere Reduzierung der Oberflächendegradation, insbesondere bei einer Implantations-Dosis von 1,2E15cm-2, wurde durch Implantation bei Temperaturen bis 1000�C realisiert. Die Oberflächenrauhigkeit konnte dadurch um 40% auf 12nm reduziert werden. Als alternatives Ausheilverfahren wurde ein Lampensystem untersucht. Die Probe wurde dazu in einen geschlossenen Tiegel gelegt. Da während dem Ausheilvorgang Material des Tiegels verdampft, konnte die die Probe umgebende Atmosphäre durch die Materialwahl des Tiegels eingestellt werden. Die geringsten Oberflächenrauhigkeiten wurden bei Verwendung eines Siliciumcarbid-beschichteten Graphit-Tiegels erzielt und lagen für eine Implantations-Dosis von 1,2E1015cm-2 bei 5nm. Zur elektrischen Charakterisierung wurde ein Modell zur Analyse des spezifischen Widerstandes entwickelt. Dieses basiert auf der Neutralitätsgleichung zur Berechnung der freien Ladungsträgerdichte und einem weiterentwickelten Thomas-Caughey Modell für die Beweglichkeit. Damit ließen sich sowohl der Aktivierungsgrad als auch der Kompensationsgrad durch temperaturabhängige Widerstandsmessungen bestimmen. Bei gleicher Ausheiltemperatur ist im Ofensystem sowohl der Aktivierungsgrad größer als auch der Kompensationsgrad geringer als im Lampensystem. Dies liegt an der längeren Ausheildauer von 30min für das Ofensystem, verglichen mit Zeiten zwischen 20s bis 5min für das Lampensystem. Für Ausheiltemperaturen von 1700�C für 30min konnte vollständige Aktivierung bei einem Kompensationsgrad von 33% erreicht werden. Durch Implantationen bei Temperaturen bis 1000�C wurde eine weitere Reduzierung des Kompensationsgrads auf 24% verwirklicht.

Datum der Promotion: 05.12.2006
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-6159-1 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Die Vereinfachung von Halbleiterfertigungsprozessen f�hrt zur schnelleren und wirtschaftlicheren Herstellung von Bauelementen. Durch optimierte Prozessf�hrung lassen sich Lithographieebenen und Einzelprozess-Schritte einsparen sowie Fertigungstoleranzen verringern.

In dieser Arbeit wird erstmals ein CMOS-Prozess auf Bulk-Silicium-Ausgangsmaterial demonstriert, der mit nur drei Maskenebenen f�r die Bauelementeprozessierung beziehungsweise f�nf Maskenebenen bis zur ersten Metallebene durchgef�hrt werden kann. Hierf�r werden bekannte Methoden zur Einsparung von Lithographieebenen in CMOS-Prozessen zu einem neuartigen Prozess-Konzept weiterentwickelt, dessen kritische Aspekte herausgearbeitet und durch Experimente sowie Prozess- und Bauelementesimulationen eingehend untersucht.

Ausgangspunkte f�r den neu entwickelten CMOS-Prozess sind ein Konzept zur selbstjustierten Hochenergie-Ionenimplantation beider Wannendotierungen �ber nur eine Photolackmaske und ein Konzept zur Definition der Wannen- und zugeh�rigen Source/Drain-Gebiete mit je einer Maskenebene pro Transistor-Leitungstyp. Durch Kombination dieser beiden Ans�tze kann die Trennung zwischen p- und n-Kanal-Transistoren w�hrend der Dotierung mit lediglich einer Lithographieebene vorgenommen werden.

Als direkte Konsequenz aus dem vorgeschlagenen Dotierungsschema ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung der komplement�ren Source/Drain-Hochdosisimplantationen. In Anlehnung an den am IISB verf�gbaren CMOS-Prozess werden Experimente mit verschiedenen Energie/Dosis-Kombinationen f�r n- und p-Hochdosis-Implantationen durchgef�hrt und M�glichkeiten zur Optimierung aufgezeigt.

Der entwickelte CMOS-Prozess nutzt die unterschiedlich gro�en lateralen Streuungen der tiefen Wannenimplantationen im Vergleich zu den flachen Source/Drain-Implantationen. Unter schmalen Lacks�ulen oder stegen in den ge�ffneten n-Wannenbereichen wird die n- Wanne fortgef�hrt und gleichzeitig eine Dotierung des n-Wannenkontakts w�hrend der p+- Hochdosis-Implantation verhindert. Komplement�r dazu entstehen unter schmalen L�chern oder Gr�ben in den von Lack bedeckten p-Wannen-Bereichen die p-Wannenkontakte, ohne dass die p-Wanne im Bereich des Kontakts unterbrochen wird. Untersuchungen mittels Prozess- und Bauelementesimulationen (Fig. 1) zeigen, dass die maximal zul�ssigen Dimensionen dieser Lackstrukturen in der vom LEB-CMOS-Prozess abgeleiteten Technologie realisiert werden k�nnen. Bei der Skalierung nimmt die maximal zul�ssige Dimension weniger stark ab als die minimale Strukturbreite, die Anforderungen entspannen sich.

Zur selbstjustierten Maskierung der Source/Drain-Gebiete werden in dem vorgestellten CMOS-Prozess s�mtliche Dotierungen nach Fertigstellung der Bauelementestrukturen, insbesondere der Gateelektroden, eingebracht. Wannen- und Kanalimplantationen werden somit durch den bestehenden Gatestapel hindurch ausgef�hrt. Experimente zum Einfluss der Implantation durch den Gatestapel auf Qualit�t und elektrische Eigenschaften der Gateoxide zeigen, dass deren Sch�digung mit der Energieabgabe in Kernst��e im Bereich des Dielektrikums korreliert und durch Temperaturbehandlung teilweise ausgeheilt werden kann. Andererseits wird durch die Implantation die Dichte der Schwachstellen, an denen sich w�hrend elektrischer Belastung elektrisch aktive Defekte ausbilden k�nnen, reduziert. Trotzdem zeigen mit h�heren Dosen durchimplantierte Gateoxide aufgrund der h�heren initialen Defektdichten geringere Ausfallzeiten beziehungsweise Durchbruchsladungen. Mit abnehmender Oxiddicke wirkt sich die Implantation durch den Gatestapel weniger stark auf die Gateoxid- Zuverl�ssigkeit aus.

Mit den durchgef�hrten Untersuchungen wird in Anlehnung an den am IISB durchgef�hrten CMOS-Prozess die Umsetzbarkeit des entwickelten Konzepts demonstriert und zudem die Skalierbarkeit zu geringeren minimalen Strukturbreiten nachgewiesen.

Datum der Promotion: 31.07.2006
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Abstract: In dieser Arbeit wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die dreidimensionale Form der Oberfläche von Strukturen nach einer physikalischen Schichtabscheidung – auch mit Rücksputtern – vorhersagen kann. Als Grundlage dient ein physikalisches Modell zur Beschreibung der Vorgänge an der Strukturoberfläche. Es berücksichtigt energiereiche Teilchen, wie sie gezielt bei der ionisierten Metallplasma-Abscheidung (IMPVD) erzeugt werden, um die Konformität der abgeschiedenen Schicht zu verbessern. Ohne die energiereichen Teilchen beschreibt das Modell herkömmliche physikalische Schichtabscheidung. Die Energie- und Winkelverteilung der auftreffenden Teilchen und deren Haftwahrscheinlichkeit sind Parameter des Modells. Die behandelten Teilchensorten sind Atome und Ionen des sich abscheidenden Materials sowie Ionen des Trägergases. Die Ionen können durch Rücksputtern wieder Material aus der Schicht entfernen und innerhalb der Struktur umlagern. Die Abhängigkeit dieses Vorgangs von der Energie und dem Einfallswinkel des Ions wird berücksichtigt. Die Topographie der Struktur wird durch Unterteilung in ebene Dreiecke diskretisiert. Basierend auf dem physikalischen Modell wurde für die 3D-Simulation ein lineares Gleichungssystem zur Bestimmung der Abscheideraten an verschiedenen Stellen der Oberfläche aufgestellt. Alle auftretenden Größen wie Teilchenaustausch, Abschattung und gegenseitige Sichtbarkeit von Oberflächenelementen werden in drei Dimensionen behandelt. Mit dem Programm lassen sich erstmals die Topographieänderungen dreidimensionaler Strukturen bei der ionisierten Metallplasma-Abscheidung simulieren. Zur Erzeugung der Struktur nach der simulierten Abscheidung wird ein bestehendes Programm benutzt, das die Dreiecke gemäß den Abscheideraten verschiebt. Der 3D-Simulator wurde anhand von 2D-Simulationen aus der Literatur validiert, die wiederum mit Experimenten verglichen worden waren. Die 3D-Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den 2D-Simulationen, sowohl mit als auch ohne Rücksputtern. An einer nur dreidimensional behandelbaren Struktur wurden die Einflüsse verschiedener Modellparameter untersucht. Zur weiteren Validierung wurden eigene Experimente zur physikalischen Schichtabscheidung durchgeführt. Dazu wurden trocken geätzte Grabenstrukturen und quadratische Kontaktlöcher bei verschiedenen Argondrücken mit Titan und Tantal beschichtet. Die Strukturen wurden danach präpariert und zur Anwendung des 3D-Simulators digitalisiert. Für die Simulationen wurden die Modellparameter bestimmt, um die Experimente mit den 3D-Simulationen zu vergleichen. Der Einfluss der Streuung der gesputterten Atome im Reaktor wurde in dieser Arbeit durch die Bestimmung eines isotropen Anteils der Winkelverteilung aus den Simulationen abgeschätzt. Auftretende Effekte wie nicht massive Seitenwandschichten oder die verringerte Dichte von Metallatomen zum Rand des Reaktorvolumens hin konnten zumeist quantitativ erfasst werden. Die Simulationen beschreiben konsistent die durchgeführten Experimente, aber eine genaue Nachbildung der Unebenheit der Oberfläche der Grabenseitenwände ist nicht möglich, ebenso kann die Bildung unregelmäßiger Strukturen im Nanometerbereich, wie sie bei den Titan-Seitenwandschichten beobachtet wurden, nicht nachgebildet werden.

Datum der Promotion: 05.05.2006
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Abstract: Die Simulation ist für die Erforschung und Entwicklung optischer Lithographieprozesse unverzichtbar geworden. Auf Grund der Komplexität der betrachteten physikalischen und chemischen Prozesse müssen bis zu 40 Parameter bestimmt werden, bevor Simulationen durchgeführt werden können. Diese Arbeit beschreibt neue Methoden zur automatisch Kalibrierung von Modellparametern für die optische Lithographiesimulation. Neue Zielfunktionen wurden entwickelt, die für beliebige Modellparameter und Kombinationen zur Evaluation von Prozessgrößen wie Linienbreiten, Prozessfenster und Photolackprofile angewendet werden können. Des Weiteren wurden vereinfachte Photolackmodelle für eine schnelle Prozess-Simulation implementiert, kalibriert und erweitert. Ein Verfahren zum automatischen Anpassen der Simulation an die Prozesse nicht chemisch verstärkter Photolacke wurde entwickelt. Ein lokaler Simplex-Algorithmus wird verwendet, um die multiple Parameterkalibrierung zu automatisieren. Geeignete Startwerte wurden durch eine Vorkalibrierung bestimmt. Um mit dieser Methode einen optimalen Parametersatz zu erhalten, müssen weniger als 200 Fokus-Belichtungs-Matrizen simuliert werden. Weiterhin wurde ein neues Verfahren entwickelt, um Modelle chemisch verstärkter Photolacke mit dem Simplex-Algorithmus zu optimieren. Die Modelle wurden für Fokus-Belichtungs-Matrizen mit verschiedenen Maskenstrukturen und Photolackprofilen kalibriert. Es zeigt sich, dass die Anwendung dieses Verfahrens für diese Modelle nicht komfortabel ist: Die komplexen physikalischen und chemischen Prozesse chemisch verstärkter Photolacke müssen mit verfeinerten Modellen durch zusätzliche Parameter beschrieben werden. Deshalb wird ein genetischer Algorithmus für die Kalibrierung von chemisch verstärkten 248nm- und 193nm-Photolacken verwendet, da mehr Parameter kalibriert werden müssen. Der genetische Algorithmus verbessert die Genauigkeit der Kalibrierungsergebnisse. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Dimension des Parameterraumes, im Vergleich zur Optimierung mit dem Simplex-Algorithmus, um mehr als das Fünffache vergrößert werden kann. Zusätzlich verbessert eine Betrachtung der Messfehler die Ergebnisse der Kalibrierung signifikant. Die Modelle wurden gleichzeitig für eine Fokus-Belichtungs-Matrix, Daten für die optische Nahbereichskorrektur, den Maskenfehler-Verstärkungs-Faktor und die Linearität kalibriert. Außerdem wurden neue Algorithmen für die Prozessfenster-Evaluierung entwickelt. Der erste Algorithmus erlaubt eine analytische Darstellung von Fokus-Belichtungs-Matrizen mit Polynomen. Die Polynome können für eine quantitative Bewertung der Gebiete sich überlappender Prozessfenster von simulierten und experimentellen Daten verwendet werden. Der zweite Algorithmus erlaubt eine visuelle Bewertung der Prozessfenster. Unterschiedliche Darstellungen und die Analyse von Prozessfenstern erlauben verschiedene Anwendungen. Es ist wichtig, den Einfluss der Modellparameter auf die Simulationsergebnisse zu kennen, um die Komplexität der Kalibrierung zu reduzieren. Deshalb wird ein neuer Algorithmus präsentiert, der die Empfindlichkeit beliebiger Modellparameter in einem festgelegten Parameterraum automatisch analysiert. Der Algorithmus kombiniert verschiedene Methoden der Korrelationsanalyse mit der Simulation optischer Lithographieprozesse. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen, dass wesentliche Simulationseffekte mit 4 oder 5 Parametern beschrieben werden können. Auf Grund der Ergebnisse wurden vereinfachte Photolackmodelle implementiert, und die Modelle wurden für 1D- und 2D-Maskenstrukturen kalibriert. Es wird gezeigt, dass ein vereinfachtes 1D-Modell Fokus-Belichtungs-Matrizen für verschiedene Prozessbedingungen simulieren kann. Eine Erweiterung der Modelle ist notwendig, um ein Modell für eine Fokus-Belichtungs-Matrix, Daten für die optische Nahbereichskorrektur, den Maskenfehler-Verstärkungs-Faktor und die Linearität zu kalibrieren. Das 2D-Modell wurde für isolierte, Ketten und Felder von Kontaktlöchern für einen 193nm-Photolack kalibriert. Für die gezeigten Beispiele können die vereinfachten Photolackmodelle die experimentellen Daten ebenso gut vorhersagen wie die auf chemischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten basierenden Modelle. Im Gegensatz zu den auf chemischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten basierenden Modellen sind die vereinfachten Modelle 100-mal schneller.

Datum der Promotion: 05.05.2006
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 3-8322-5081-6 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurden Teststrukturen basierend auf Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren mit ladungssammelnden Elektroden (Antennen) zur Bewertung von Aufladungseffekten bei der Herstellung integrierter Schaltungen entworfen und hergestellt. Die Strukturen besitzen eine Gateoxidfl�che von 10 Mikrometer2 und eine Gateoxiddicke von 4,5 nm. F�r die Untersuchung von Aufladungseffekten w�hrend der lonenimplantation wurden Strukturen mit Antennen in der Polysiliciumebene mit Antennenverh�ltnissen (Verh�ltnis der Fl�chen von Antenne und Gateoxid einer Struktur) von 103 bis 105 und verschiedenen Antennenformen (rechteckige Fl�che, Gabelform) verwendet. Zus�tzlich konnten auf der Scheibe eine Vielzahl unterschiedlicher Photolackstrukturen erzeugt werden, um den Einfluss auf der Scheibe vorhandener Lackfl�chen auf die elektrische Aufladung bewerten zu k�nnen. Es wurde ein Auswerteverfahren basierend auf Leckstrommessungen und der Definition eines Ausbeutekriteriums erarbeitet. In ersten Versuchen wurde nachgewiesen, dass mit Hilfe der Strukturen Aufladungseffekte w�hrend der lonenimplantation festgestellt werden k�nnen und die Strukturen sensitiv auf �nderungen der Prozessparameter (z.B. implantierte Dosis, lmplantationsstrom, Einsatz von Anlagen zur Ladungsneutralisation) reagieren. Der Einfluss strukturabh�ngiger Gr��en (z.B. Form der Antennen) sowie Photolackeffekte wurden bei konstanten Implantationsparametern untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Strukturen mit Gabelantennen bei gleicher Gesamtfl�che der Polysiliciumelektroden mit zunehmender Oxidfl�che zwischen den Fingerstrukturen, d.h. mit zunehmendem Abstand der Finger und mit abnehmender Fingerbreite st�rker gesch�digt werden. Dieses Verhalten l�sst sich mit durch den Ionenbeschuss positiv aufgeladenen Oxidoberfl�chen erkl�ren. Elektronen werden vom positiven Potential der Oxidoberfl�che angezogen und stehen an den Antennen nicht mehr zur Ladungsneutralisation zur Verf�gung.