Germaniumnanokristalle in Siliziumdioxidschichten: strukturelle und physikalische Eigenschaften
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Final Report Abstract
Wir haben den Sol-Gel-Syntheseweg für in dünne Siliziumdioxidschichten eingebettete Germanium Nanopartikel zur Herstellung von Schichten für elektrische Anwendungen, wie etwa die nichtflüchtige Datenspeicherung, auf eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit hin optimiert. Dieses Herstellungsverfahren wurde inzwischen zum Patent angenommen. Im Fokus unserer Untersuchungen der Prozessierung standen die Zusammensetzung des Sols und der Einfluss verschiedener Umgebungsbedingungen während der strukturbildenden Behandlung, insbesondere derjenige der Temperatur während der Reduktionsglühung. Darüber hinaus haben wir auch den Einfluss der Wasserstoffplasmapassivierung untersucht: als zusätzlicher Prozessschritt hat sich diese Behandlung nicht bewährt, ein Austausch der Reduktionsglühung unter Formiergas durch eine Glühung im Wasserstoffplasma hat sich dagegen als äußerst vielversprechend erwiesen. Die nanopartikelhaltigen Schichten wurden mit Hilfe verschiedener Techniken – zum Teil in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen – sowohl strukturell als auch elektrisch charakterisiert. Hierbei kamen Techniken wie die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) und Kleinwinkel-Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GISAXS) zum Einsatz. Der Vergleich mit auf alternativen Wegen hergestellten Proben hat gezeigt, dass die im Sol-Gel Verfahren prozessierten Proben ebenbürtige Eigenschaften aufweisen. Von Vorteil ist hierbei, dass die Oxidmatrix der Sol-Gel Proben über eine stöchiometrische Zusammensetzung – und somit über wenige offene Bindungen („dangling bonds“) – verfügt, wie RBS Messungen ergeben haben. Die elektrische Charakterisierung erfolgte anhand von Kapazitäts-Spannungs (C-V) und den dazugehörigen Admittanz-Spannungs (G-V) Kurven und lieferte Werte für die Konzentration der festen und umladbaren Störstellen im Oxid sowie der Interface Traps. Darüber hinaus haben wir geprüft, inwieweit sich der Prozess für die Integration in den konventionellen PMOS und NMOS Prozess eignet und konnten in beiden Fällen funktionierende Feldeffekttransistoren herstellen, sodass wir nun in der Lage sind, weitere Untersuchungsmethoden – z.B. Retentionsmessungen und Charge Pumping – anzuwenden. Derzeit befindet sich eine ausführliche Charge Pumping Messreihe in Vorbereitung. Diese Messungen werden mit weiteren elektrischen Messungen und neuen HRTEM Messungen korreliert betrachtet werden, um die Ergebnisse der neuen Messungen mit den bisher genutzten Verfahren zu vergleichen und die Abhängigkeit der Störstellen und ihrer Energie und Dichte von der Struktur der Nanopartikel untersuchen zu können. Unsere Untersuchungen zum Einfluss der Dotierung der Nanopartikel durch Neutronenbestrahlung lassen sich leider nicht eindeutig auswerten: die Proben benötigen nach der Neutronenbestrahlung eine Erholungsglühung unter strukturbildenden Bedingungen um die für sie typischen Eigenschaften zurückzuerlangen. Die verbleibenden Unterschiede lassen sich nicht sicher auf die Dotierung der Nanopartikel zurückführen. In den nächsten Monaten werden wir insbesondere die Ge Diffusion während der strukturbildenden Behandlung mittels TOF-SIMS Messungen genauer untersuchen. Darüber hinaus werden wir den Einfluss zusätzlicher Isolatorschichten auf die Ge Diffusion, Strukturbildung und die elektrischen Eigenschaften ermitteln, um die elektrischen Eigenschaften der Strukturen noch genauer an die Anforderungen möglicher Anwendungen anpassen zu können.
Publications
- (2009). European Patent EP 2 102 123 B1
Bracht, H., Knebel, S.
- (2010). Structural and electrical properties of sol-gel derived Ge nanocrystals in SiO2 films. Applied Physics A, 103(1), 149–158
Knebel, S., Kyriakidou, A., Bracht, H., Rösner, H., Wilde, G.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-010-6156-4) - 2013). Light absorption in Ge nanoclusters embedded in SiO2: comparison between magnetron sputtering and sol–gel synthesis. Applied Physics A
Cosentino, S., Knebel, S., Mirabella, S., Gibilisco, S., Simone, F., Bracht, H., Wilde, G., Terrasi, A.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-013-8101-9)
