In der heutigen Zeit werden in immer mehr Geräten Halbleiterbauelemente eingesetzt. Unter der Zielsetzung, möglichst viele Strukturen auf einer Fläche unterzubringen, haben sich Ätztechniken zu einem der wichtigsten Werkzeuge bei der Herstellung von Halbleiter-Mikrostrukturen entwickelt. Jede Weiterentwicklung der Ätztechnik erlaubt die genauere Kontrolle der Ätzrate, der Selektivität, der Flankensteilheit, der immer besseren Reproduzierbarkeit des Ätzvorganges und dergleichen mehr. Jede Ätztechnik schädigt aber auch den zu ätzenden Halbleiterkristall. So ist die Auswahl einer Ätztechnik ein Abwägen der Vorteile und Nachteile. Dabei zeigt sich, daß trotz der mehr als fünfzigjährigen Forschung über Halbleiter bzw. Halbleiterbauelemente auch heute noch neue Erkentnisse in diesem Bereich gewonnen werden. Ebenso müssen die vorhandenen physikalischen Modelle für die neuen Anforderungen und Techniken angepaßt oder erweitert werden. Mit der zunehmenden Nutzung der in den siebziger Jahren entwickelten epitaktischen Herstellungsverfahren für Halbleiter, wieder Molekularstrahlepitaxie (MBE) und der Metall-Organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD), ist es heute möglich, Halbleiter-Heterostrukturen aus dem Gallium-Arsenid / Aluminium-Gallium-Arsenid-Materialsystem herzustellen. Solche Strukturen finden heute ihren Nutzen in der Herstellung von schnellen Bauteilen, wie sie in der Nachrichten- und Optoelektronik verwendet werden. Diese Diplomarbeit im Rahmen eines BMBF-Projektes am Mikrostrukturzentrum der Universität Hamburg untersucht die durch einen CAIBE-Prozeß verursachte Schädigung eines GaAs-Halbleiters. Ziel ist es die Art und Tiefe der Schäden in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des CAIBE-Prozesses zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Der GaAs-Kristall
2.1 Kristallstruktur
2.2 Bandstrukturen
3. Ladungsträgertransport
3.1 Theorie des Stromflusses
3.2 Mechanismen des Stromtransportes
3.2.1 Thermischer Emissionsstrom
3.2.2 Quantenmechanischer Tunnelstrom
3.2.3 Rekombinationsstrom
4. Kristalldefekte
4.1 Einteilung der Kristalldefekte
4.1.1 Atomare Fehlstellen
4.1.2 Versetzungen
4.1.3 Grenzflächen
4.1.4 Ausscheidungen und Einschlüsse
4.2 Auswirkungen der Kristalldefekte
5. Metall-Halbleiter-Kontakt
5.1 Idealer Metall-Halbleiter-Kontakt
5.2 Realer Metall-Halbleiter-Kontakt
5.3 Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontaktes
5.3.1 Kontakt mit homogener Dotierung
5.3.2 Störstellen gleichen Dotiertyps
5.3.3 Störstellen unterschiedlichen Dotiertyps
5.3.4 Kontakt mit Isolierschicht
6. Molekularstrahlepitaxie
7. Ätzschäden
7.1 Chemische Veränderungen
7.2 Physikalische Veränderungen
8. Ätztechniken
8.1 Naßchemisches Ätzen
8.1.1 Naßchemisches Ätzen von GaAs
8.2 Ionenstrahlätzen
8.3 CGE
8.4 CAIBE
9. Probenpräparation
9.1 Spalten der Wafer
9.2 Naßchemisches Reinigen der Proben
9.3 Photolithographie
9.4 Aufdampfen der Metallschicht
9.5 Rückkontaktieren der Probe
10. Meßaufbau
10.1 Meßprinzip
10.2 Meßaufbau
11. Meßfehler
12. Auswertung und Ergebnisse
12.1 Auswirkung des naßchemischen Abtrags
12.2 Tiefe Störstellen
12.3 Tiefe der Schädigung
12.4 Auswirkung der Ionenenergie
12.5 Temperatureinfluß
12.6 Vergleich weiterer Ätztechniken
13. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht mittels Kapazitäts-Spannungs-Messungen (CV-Messung) die Art und Tiefe von Schädigungen in Galliumarsenid-Halbleitern (GaAs), die durch unterschiedliche Ätzverfahren – insbesondere den CAIBE-Prozess – verursacht werden. Ziel ist die Optimierung der Prozessparameter zur Minimierung dieser Kristalldefekte.
- Analyse des Ladungsträgertransports in GaAs-Halbleiterkristallen.
- Untersuchung physikalischer und chemischer Ätzschäden durch diverse Verfahren.
- Charakterisierung von Störstellen mittels CV-Messung unter verschiedenen Bedingungen.
- Bewertung des Einflusses von Ionenenergie und Substrattemperatur auf die Kristallschädigung.
Auszug aus dem Buch
3.1 Theorie des Stromflusses
Bei den Transportvorgängen im Halbleiter sind Drift- und Diffusionsprozesse zu unterscheiden.
Unter Diffusionsprozessen versteht man die durch thermische Anregung verursachten Platzwechsel von Atomen, Ionen oder Molekülen. Liegt eine zusätzliche treibende Kraft vor, z.B. ein Konzentrationsgefälle, ein elektrisches Feld oder ein Temperaturgradient, so spricht man von Driftprozessen.
Diese Transportvorgänge werden durch die klassische Boltzmann-Gleichung beschrieben [6]. Sie ergibt sich aus der Verteilungsfunktion F = F(r,k,t), die die Besetzung der k-Zustände der Ladungsträger im Kristall am Ort r zur Zeit t im sechsdimensionalen Phasenraum beschreibt. Zur Herleitung der Boltzmann-Gleichung wird die Reaktion der Verteilungsfunktion auf die Zeitänderung dt betrachtet.
Nach dem Liouvilleschen Theorem der klassischen Mechanik bleibt die Verteilung für Volumenelemente entlang einer Stromlinie erhalten [3]. Angewandt auf die Verteilungsfunktion ergibt sich, unter der Annahme, daß nur ein äußeres Feld anliegt und keine Stöße stattfinden: F(r, k, t + dt) = F(r - vdt, k - kdt, t).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung stellt die Bedeutung von Ätztechniken für die Halbleiterherstellung dar und erläutert die Zielsetzung, Schäden durch CAIBE-Prozesse zu untersuchen.
2. Der GaAs-Kristall: Dieses Kapitel liefert die theoretischen Grundlagen zur Kristallstruktur und den Bandstrukturen von Galliumarsenid.
3. Ladungsträgertransport: Hier wird die physikalische Beschreibung des Stromflusses und die Transportmechanismen in Halbleitern behandelt.
4. Kristalldefekte: Das Kapitel beschreibt verschiedene Defektarten im Kristallgitter und deren Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften.
5. Metall-Halbleiter-Kontakt: Es wird die Theorie des Schottky-Kontaktes sowie die Berechnung der Kapazität unter Berücksichtigung von Störstellen erläutert.
6. Molekularstrahlepitaxie: Dieses Kapitel beschreibt das Verfahren zur Herstellung von monokristallinen Schichten.
7. Ätzschäden: Es werden die chemischen und physikalischen Veränderungen der Kristalloberfläche durch Ätzprozesse diskutiert.
8. Ätztechniken: Hier werden spezifische Methoden wie naßchemisches Ätzen, Ionenstrahlätzen, CGE und CAIBE beschrieben.
9. Probenpräparation: Das Kapitel dokumentiert die praktischen Arbeitsschritte von der Wafer-Präparation bis zur Kontaktierung.
10. Meßaufbau: Beschreibung des experimentellen Aufbaus zur Durchführung der CV-Messungen.
11. Meßfehler: Analyse potenzieller Fehlerquellen, die die Genauigkeit der CV-Messung beeinflussen können.
12. Auswertung und Ergebnisse: Präsentation und Diskussion der Messergebnisse zu verschiedenen Ätz- und Prozessparametern.
13. Zusammenfassung: Abschließende Bilanz der durchgeführten Untersuchungen und Ausblick auf künftige Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Galliumarsenid, GaAs, Halbleiter, Ätztechnik, CAIBE, CV-Messung, Ladungsträgertransport, Kristalldefekte, Störstellen, Ionenstrahlätzen, Bandstruktur, Schottky-Kontakt, Kristallschädigung, Prozessoptimierung, Halbleiterbauelemente.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit untersucht die durch Ätzverfahren, insbesondere das CAIBE-Verfahren (Chemical Assisted Ion Beam Etching), verursachten Schädigungen in Galliumarsenid-Kristallen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Themen sind der Ladungsträgertransport, die Charakterisierung von Kristallfehlstellen, die Theorie von Metall-Halbleiter-Kontakten sowie verschiedene moderne Ätzverfahren.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, die Art und Tiefe der Schäden in Abhängigkeit von Prozessparametern wie Ionenenergie und Substrattemperatur zu bestimmen, um ein Optimum für die minimalste Schädigung zu finden.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt hauptsächlich Kapazitäts-Spannungs-Messungen (CV-Messungen), um die Verteilung von Ladungsträgern und Störstellen im Halbleitermaterial in Abhängigkeit von der Tiefe zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden neben den theoretischen Grundlagen zu GaAs und dem Stromtransport die praktischen Ätztechniken, die Probenpräparation sowie die detaillierte Auswertung und Diskussion der gemessenen Daten dargelegt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Forschung?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie GaAs, Halbleiter, CAIBE, CV-Messung, Ätzschäden und Kristalldefekte maßgeblich geprägt.
Welchen Einfluss hat die Ionenenergie auf die Schädigung?
Höhere Ionenenergien führen zu einer tieferen physikalischen Schädigung des Kristallgitters, was in den Messergebnissen durch Veränderungen im Kapazitätsverlauf sichtbar wird.
Wie wirkt sich eine isolierende Zwischenschicht auf die Messung aus?
Eine isolierende Schicht zwischen Metall und Halbleiter beeinflusst die Auswertung der CV-Messungen, da sie eine zusätzliche Kapazität darstellt und die Berechnung der Diffusionsspannung verfälschen kann.
- Citation du texte
- Björn Hoffmann (Auteur), 1999, CV-Messungen an geätzten epitaktisch gewachsenen Schichten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185384
