Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung von Gate-Dielektrika für die Silizium-basierte MOS-Technologie. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von thermischem Siliziumdioxid SiO₂ und stickstoffreichem Siliziumoxynitrid SiOxNy, da es bisher nicht gelungen ist, alternative Gate-Dielektrika (sog. high-k-Materialien) erfolgreich in die bestehende Technologie zu integrieren und somit auch weiterhin Interesse an den herkömmlichen Dielektrika besteht. Neben dem Oxid- und Oxynitrid-Wachstum wird auf das sog. \\"Interface-Engineering\\" eingegangen, d. h. auf die gezielte Präparation der Grenzfläche zwischen Silizium und Dielektrikum. Bei der Verwendung alternativer Gate-Dielektrika, d. h. aller Dielektrika außer SiO₂, muss der Grenzfläche zwischen Silizium und Dielektrikum besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Nach den üblichen nasschemischen Reinigungsverfahren müssen Oberflächenverunreinigungen (v. a. Kohlenstoff) und das chemische Oxid in zusätzlichen, in-situ durchgeführten Reinigungsschritten entfernt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Kohlenstoff bei Temperaturen über 500°C mit Sauerstoff zu flüchtigen Verbindungen aufoxidiert werden kann. Um Kohlenstoffverunreinigungen der Siliziumoberfläche vollständig zu entfernen, reicht bereits ein Sauerstoffpartialdruck von 10⁻⁸ bar. Wird dieser Prozess bei Temperaturen unterhalb von 600°C durchgeführt, lässt sich ein bestehendes dünnes Oxid anschließend problemlos thermisch desorbieren. Die dabei auftretende Oberflächenrauhigkeit muss durch Heizen und langsames Abkühlen im UHV oder durch epitaktisches Überwachsen ausgeglichen werden. Mit Hilfe des entwickelten Oxid-Wachstumsmodells konnte der Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks während der thermischen Nitridierung in Ammoniak nachvollzogen werden und somit das Parameterfeld für eine saubere Nitridierung festgelegt werden. Dadurch ist es möglich, thermisch ein reines Nitrid Si₃N₄ mit einer Stickstoffkonzentration von ca. 60% zu wachsen. Durch unterschiedliche Oberflächenpräparation vor der Nitridierung (z. B. oxidfreie Oberfläche oder natürliches Oxid) oder durch Einstellen von Wachstumsparametern, bei denen Oxidation und Nitridierung miteinander konkurrieren, ist es möglich, die Stickstoffkonzentration zwischen 20 und 60% einzustellen. Die Stickstoff- und Sauerstoffprofile über die Probentiefe können durch Reoxidationen, d. h. durch Tempern in sauerstoffhaltigen Gasen, verändert werden. Neben dem direkten Einsatz der entwickelten Oxynitride als Gate-Dielektrika wurde untersucht, ob sie als definiertes Interface für high-k-Materialien geeignet sind, das die unkontrollierte Bildung eines Interface-Oxids unterdrückt. Dazu wurde ein ca. 1 nm dickes Nitrid entwickelt, das vor der Abscheidung des high-k-Materials thermisch in Ammoniak gewachsen wird. Anhand von Nitrid/Al₂O₃ Gatestacks konnte gezeigt werden, dass durch das Interface-Nitrid die äquivalente Schichtdicke um ca. 0,5 nm reduziert wird. Die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Silizium lässt sich durch die zusätzliche Nitridschicht somit wesentlich besser kontrollieren als ohne. Durch die nach der Al₂O₃-Abscheidung durchgeführten Temperschritte wird das Interface-Nitrid reoxidiert, was zu einer Grenzflächenzustandsdichte von (1-10)⋅10¹¹ eV⁻¹cm⁻² führt.    «

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung von Gate-Dielektrika für die Silizium-basierte MOS-Technologie. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von thermischem Siliziumdioxid SiO₂ und stickstoffreichem Siliziumoxynitrid SiOxNy, da es bisher nicht gelungen ist, alternative Gate-Dielektrika (sog. high-k-Materialien) erfolgreich in die bestehende Technologie zu integrieren und somit auch weiterhin Interesse an den herkömmlichen Dielektrika besteht....    »