Epitaxie von Si:C Schichten

Zur mechanischen Verspannung und Leistungssteigerung von NMOS-Transistoren wird am Fraunhofer CNT an dem Einsatz von epitaktischen Si:C Schichten geforscht. Dazu werden in Kooperation mit AMD neuartige Verfahren zur mechanischen Verspannung von n-Kanal Transistoren entwickelt. Si:C besitzt eine geringere Gitterkonstante als Silizium. Durch die auftretende Gitterfehlpassung wird bei der Heteroepitaxie von Si:C der Transistorkanal in einen zugverspannten Zustand versetzt. Dies hat eine Steigerung der Elektronenmobilität zur Folge, welches sich wiederum durch einen erhöhten Sättigungstrom der Transistoren bei gleich bleibendem Leckstrom auszeichnet. Für diese Arbeiten steht den Forschern eine Niedrigdruck CVD (chemical vapour deposition) Anlage zur Verfügung, welche in-situ eine Abscheidung von phosphordotierten Si:C Schichten mit ca. 2at% C ermöglicht. Um die Spannungszustände der epitaktisch gewachsenen Schichten zu analysieren, nutzen die Wissenschaftler ein hochauflösendes Röntgendiffraktometer des Fraunhofer CNT.

Eine der Herausforderungen bei der Integration von Si:C Schichten liegt in deren begrenzter thermischen Stabilität. Um die noch nicht vollständig verstandenen Mechanismen der temperatur- und zeitabhängigen Spannungsrelaxation genauer beschreiben zu können, verfügt das Fraunhofer CNT über einen Rapid Thermal Anneal Ofen im Labormaßstab. Mit diesem können an Waferbruchstücken Temperungen unter Ar, N2 oder N2/O2 Atmosphäre vorgenommen werden. Anhand dieser Methode ist es möglich z.B. Erkenntnisse über den Einfluss von Phosphorkonzentrationen in Bezug auf zu erwartende Spannungsrelaxationen zu gewinnen.

Nano-Raman-Spektroskopie

Das gezielte Einbringen von mechanischen Verspannungen in den Transistorkanal von MOSFETs führt zu einer deutlichen Erhöhung der Beweglichkeit von Ladungsträgern. Für eine gezielte Steigerung der Leistungsfähigkeit von integrierten Schaltungen ist eine Optimierung des Spannungszustands im Bereich des Transistorkanals erforderlich und damit auch ein Verfahren, das Spannungsanalysen auf einer nm-Skala ermöglicht. Die Raman-Spektroskopie bietet die Möglichkeit, die mechanischen Spannungen in Halbleitermaterialen schnell und zerstörungsfrei zu messen. Das Auflösungsvermögen dieses Verfahrens ist durch die Beugung des Lichtes begrenzt, so dass Untersuchungen der Spannungszustände im nm-Bereich mit konventionellen lichtoptischen Verfahren nicht zugänglich sind.

Mittels Nahfeld-Raman-Spektroskopie, einer Kombination aus Raman-Spektroskopie und Raster­kraft­mikroskopie (AFM), kann die Auflösung soweit verbessert werden, dass Spannungsuntersuchungen an Strukturen unterhalb von 100 nm möglich sind. Dazu müssen einerseits metallisierte AFM-Spitzen (TERS-Spitzen) hergestellt werden, die das Ramansignal in unmittelbarer Nähe der Spitze signifikant verstärken. Andererseits sind aber auch geeignete Teststrukturen für die Bestimmung der erzielten Auflösung erforderlich. Im Rahmen des CARAT-Projekts wurden deshalb Linienstrukturen mittels lokaler anodischer Oxidation hergestellt, die sich wegen der genau definierten Abstände zwischen den Linien sehr gut für die Bestimmung der erzielten Auflösung eignen. Mit den hergestellten TERS-Spitzen konnte an diesen Linienstrukturen bereits eine Auflösung von unter 100 nm erreicht werden. Das Ziel der Untersuchungen ist, durch den Einsatz nahfeldoptischer Messverfahren den Spannungszustand im Transistorkanal zu bestimmen und damit einen wichtigen Beitrag zur Leistungssteigerung nano-elektronischer Schaltkreise zu leisten.