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Humboldt-Universität zu Berlin

Michael Niehle

Humboldt-Preis für seine Masterarbeit

TEM Untersuchungen an epitaktischen Seltenerdoxidschichten in der Nixbyit-Phase auf Silizium

 

Zusammenfassung

Die Halbleitertechnologie ist aus dem heutigen Alltagsleben kaum noch wegzudenken – sei es am Arbeitsplatz, für Steuerungszwecke oder im Privatleben. Der wachsende Einsatz von Computern geht seit jeher mit der Verdichtung von elektronischen Bauteilen auf Siliziumchips einher. Neben der bloßen Leistungssteigerung erfährt der Energieverbrauch zunehmend Aufmerksamkeit. Die konsequente Verkleinerung der Bauteile erfordert seit einigen Jahren die Verwendung innovativer Materialien. Konkret beschäftigen sich Forschung und Entwicklung derzeit intensiv mit Alternativen für elektrisch isolierende Schichten in Feldeffekttransistoren. Vielversprechend sind hierfür die Oxide der Seltenerden (SEO) mit ihren hohen Dielektrizitätskonstanten. Diese müssen in der etablierten Siliziumtechnologie als dünne Schichten integriert werden. Um ein Verständnis und Kontrolle über die Herstellung von Oxidschichten in der notwendigen Größenordnung von wenigen Nanometern zu erlangen, wird die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) eingesetzt. Sie besitzt das Potenzial, derart dünne Schichten abzubilden und ihre Struktur auf atomarer Ebene zu analysieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die TEM an SEO-Schichten eingesetzt, die kristallin, d.h. mit einer geordneten Atomstruktur, auf Silizium abgeschieden worden sind. Zunächst wird hierzu die Frage beantwortet, ob die hochauflösende TEM die sehr komplexe Kristallstruktur der SEO identifizieren kann. Die Abbildungen zeigen zwar eine beein-druckende Auflösung von weniger als 2 Å, was dem Maßstab von Atomabständen entspricht, sind aber nicht in direkter Weise zu interpretieren, weil sie ein Elektronen-interferenzbild widerspiegeln. Mittels Vergleich zu computersimulierten Abbildungen gelingt es, die als Bixbyit bezeichnete Kristallstruktur der SEO herauszustellen. Anschließend wird die Grenzfläche zwischen dem Silizium und dem epitaktisch, d.h. ausgerichtet, aufge-wachsenen  SEO betrachtet. Chemische Reaktionen, Rauhigkeit oder Kristallbaufehler an der Grenzfläche beeinflussen die elektronischen Eigenschaften eines zukünftigen Bauteils ebenso wie die Anordnung der Grenzflächenatome. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die atomare Grenzflächenstruktur experimentell für dieses Materialsystem analysiert. Hierbei werden Daten präsentiert, die mit dem theoretisch vorhergesagten Modell der Grenzfläche nicht im Einklang sind. Zwei weitere Modelle werden in der Arbeit  vorgeschlagen, mit deren Hilfe Abbildungen simuliert werden können, die eine bessere Übereinstimmung zu experimentellen Ergebnissen liefern.

Dieser Beitrag zum Verständnis des Materialsystems aus SEO und Silizium unterstützt den Ansatz kristalline Oxidschichten auf Silizium für zukünftige, elektronische Anwen-dungen zu entwickeln. Dabei wird unterstrichen, dass die TEM eine unverzichtbare Untersuchungsmethode bei der Entwicklungsarbeit darstellt.