Ionenunterstützte Antimon-Dotierung für die Silizium-Molekularstrahlepitaxie von Bauelementstrukturen

Doctoral thesis German OPEN
Eifler, Georg (2005)
  • Related identifiers: doi: 10.18419/opus-2580
  • Subject: Antimon , Molekularstrahlepitaxie , Ionendichte , Ionensonde , Ionenstrahl , Ionenquelle , Ionenfokussierung , Elektronenstrahlverdampfen | 620 | Ionenunterstützt , Antimondotierung , Siliziumionen , Ioneneinfluss , Siliziumepitaxie , Segregation | Ion induced , Antimony doping , silicon ion , ion influence , silicon epitaxy

Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist eine geeignete Methode zur Herstellung von aktuellen Höchstfrequenz-Bauelementstrukturen, wie dem Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor (SiGe-HBT) mit einer ultradünnen (< 20 nm), hochdotierten Basis. Die MBE ermöglicht eine starke Reduzierung der Wachstumstemperatur, um Dotier- und Heterostrukturprofile mit Nanometer-Abmessungen zu erzeugen. In diesem Niedrigtemperatur-Bereich mit vernachlässigbarer Volumendiffusion zeigt sich, dass auch die Entmischung der Materialien an der wachsenden Oberfläche durch Segregation zu einer Verschmierung der Profile führt. Die Segregation kann durch eine passende Strategie verhindert werden, wenn das Ausmaß der Segregation in Abhängigkeit der beeinflussenden Parameter bekannt ist. In dieser Arbeit wird eine Wachstumsstrategie für einen npn-SiGe-HBT vorgestellt. Die Strategie und ihre Umsetzung werden anhand der Profile und elektrischen Ergebnisse diskutiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf die exakte Verwirklichung des n-Dotierprofils mit Antimon (Sb) gelegt. Antimon neigt sehr stark zur Segregation, bietet jedoch gegenüber anderen Elementen der V. Hauptgruppe große Vorteile bei der Verdampfung im Ultrahoch-Vakuum (UHV). Als Maß für die Segregation wurde die Segregationsweite D in Abhängigkeit der Wachstumsparameter Temperatur T, Wachstumsrate R und Sb-Oberflächenkonzentration nS bestimmt. Weiterhin wurde die Möglichkeit aufgezeigt, die Segregation durch den Einfluss niederenergetischer Ionen zu unterdrücken. Bei dieser Dotierung mit Sekundärionen (DSI) werden Sb-Oberflächenatome durch im Substratpotenzial beschleunigte Ionen einige Atomlagen tief in den Kristall gestoßen und durch Umordnung der Atome eingebaut. Der Silizium-Elektronenstrahlverdampfer (Si-ESV) ist eine geeignete Ionenquelle, die ohne zusätzlichen Aufwand für das ionenunterstützte MBE-Wachstum genutzt werden kann. Die Generation und Ausbreitung von Ionen sowie deren Einfluss auf die Dotierung wurde anhand des Stroms am Substratkontakt und einer im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit der Akademie der Wissenschaften in Tashkent/Usbekistan entwickelten Ionensonde untersucht. Des Weiteren wurden zur Untersuchung der Segregation und der ionenbedingten Dotierung MBE-Schichten durch das Wachstum mit Vorbelegung unter Variation der entscheidenden Wachstumsparameter hergestellt. Die Ergebnisse der Vierspitzenmessung, der elektrochemischen Kapazitäts-Spannungsmessung (eCV) und der Sekundärionen-Massen-spektroskopie (SIMS) zeigen die Segregationsweite D in Abhängigkeit der beeinflussenden Parameter. Mit den Ergebnissen der Segregation und des ionenbedingten Einbaus können exakte Sb-Dotierprofile mit scharfen Übergängen für Bauelementstrukturen verwirklicht werden. Beim Wachstums mit Vorbelegung wird die Dotierung über die Segregationsweite, bzw. durch deren beeinflussende Parameter gesteuert. Am besten eignen sich dazu die Variation der Wachstumstemperatur oder der Ionendichte über die Substratspannung. Darauf aufbauend wurde ein HBT-Konzept mit einem niedrigdotierten 300 nm- Kollektor, hochdotierter 25 nm-Basis mit 3 nm-Zwischenschichten und einem dreiteiligen Emitter, bestehend aus "low doped"-, "high doped"-Emitter und Emitterkontakt umgesetzt. Als Vorstufe wurden Emitter-Basis-(EB-)Dioden und Basis-Kollektor-(BC-)Dioden hergestellt und deren SIMS-Profile und Diodenkennlinien untersucht. In den Dotierprofilen zeigen sich Abweichungen von den Segregationsergebnissen, wenn sich die Oberflächenkonzentrationen von Sb, Bor und Ge gegenseitig beeinflussen und sogenannte surfactant-Effekte zeigen, die in dieser Arbeit jedoch nicht weiter verfolgt werden. Aus den Ergebnissen der beiden Einzeldioden wurde eine HBT-Wachstumsstrategie entwickelt. Die wesentlichen Merkmale dieser Strategie sind der DSI-Kollektor zu Wachstumsbeginn und die Dotierung des "low doped"-Emitters. Beim Wachstum des Kollektors und der Basis wird nur ein geringer Teil der ursprünglichen Sb-Vorbelegung verbraucht, so dass diese zu Beginn des "low doped"-Emitters noch fast vollständig vorhanden ist. Mit dieser Vorbelegung kann die Dotierung des "low doped"-Emitters über die Wachstumstemperatur gesteuert werden. Im Dotierprofil des "high doped" Emitters und der Emitterkontaktschicht spiegelt sich die Abhängigkeit der Segregationsweite von der Sb-Oberflächenkonzentration wider. Mit den hergestellten Strukturen wurde der Nachweis eines funktionierenden npn-SiGe-HBTs erbracht, dessen gesamtes Dotierprofil in einem einzigen Prozessschritt durch MBE-Wachstum erzeugt wurde. Dabei wurden mit technologisch gut beherrschbaren Werten des Germaniumgehalts (16 %) und totaler Basisweite von 31 nm Verstärkungen b0 > 60 erreicht.
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