Kristallwachstum. Epitaxie C Epi (altgr): gleiches Material z.b. Si auf Si. anderes Material z.b. Ge auf Si

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1 Kristallwachstum Epitaxie Taxis (altgr): Epi (altgr): Ordnung oben Homoepitaxie gleiches Material z.b. Si auf Si Heteroepitaxie anderes Material z.b. Ge auf Si Prof. Dr. H. Baumgärtner C C10.2-1

2 Homoepitaxie Typ. Wachstumsmodi: Stufenpropagation 2D-Inselwachstum Multilagenwachstum Diffusionslänge Diffusionslänge Diffusionslänge > < < Stufenabstand Stufenabstand Stufenabstand + Energiebarriere Übergang temperaturabhängig Prof. Dr. H. Baumgärtner C Bei der Homoepitaxie sind die Wachstumsmodi abhängig von der Diffusionslänge. C10.2-2

3 Stufenpropagation Stufenpropagation und 2D-Inselwachstum von Si auf Si(111) mit C 60 Einfluß Temperatur: Keine Diffusion der C 60 Inselwachstum verschwindet mit steigender Temp. Prof. Dr. H. Baumgärtner C C10.2-3

4 Verfahren Übersicht PVD MBE LPE Physical Vapor Deposition: Molecular Beam Epitaxie Sputtern, Thermisches Verdampfen Liquid Phase Epitaxie CVD Chemical Vapor Deposition: ALD Atomic Layer Deposition MOCVD Metal Organic CVD LB Langmuir Blodgett Technologie Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

5 MBE - Wachstum Prinzip: Stufenpropagation auf (100)-Terrassen 2 3 x 0 1 Verkippung Prozesse (für 1 Atom): L 100 nm 1. Oberflächendiffusion 2. Desorption 3. Einbau ΔW D exp kt ΔW τ exp kt x ΔW Des Diff ΔW kt Des Diff 0 > L x 0 = D τ τ mittl. Verweildauer niedrige Temperatur Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

6 MBE - Wachstum Prozesse: für viele Atome Diffusion gegen Kollision (Keimbildung) Bedingung: Einbau vor Kollision kt krit ΔWDiff > ln ( Konst 1 j ) j = Si Fluß steigende Temperatur mit steigendem Fluss Prozessfenster: Temperatur: 400 C < T <700 C Kristallqualität Desorption Rate: 0,1 nm/s < R < 0,5 nm/s Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

7 MBE - Anlage Verfahren: Thermisches Verdampfen Abscheidung auf kaltem Substrat Ultrahochvakuum Substrat Epi-Schicht Si-Strahl Verdampfer Pumpsystem Prof. Dr. H. Baumgärtner C Epitaxie beschreibt den eigentlichen physikalischen Prozess und bedeutet Kristallwachstum und damit vorgegebene Strukturen einkristallin perfekt fortzusetzen. Vorteil MBE zu CVD: Si schon atomar vorhanden > kein Lösen mehr nötig > Temperatur geringer. Sehr flexibel. Der Verdampfer ist wassergekühlt um Verunreinigungen zu vermeiden. MBE kann nur im Ultra-Hochvakuum durchgeführt werden. Das Substrat ist relativ kälter als der Verdampfer. Damit auf der Substratoberfläche Kondensation. Das Substrat muss geheizt werden, damit eine genügende Beweglichkeit der kondensierenden Teilchen gegeben ist. C

8 Vakuum Typ. Flussdichte: Probleme: 1. Mittlere freie Weglänge der Gasatome: λ 100 nm für p = 1000 mbar; Quelle - Substrat = 50 cm; mit λ 1 / p 2. Restgasadsorption j Atome /(cm s) 1ML / s p 10-4 mbar λ 100 nm * 10 7 = 1 m 10-4 mbar Flächenstoßrate Z A = /(cm 2 s) Abscheiderate Si j = /(cm 2 s) Oberflächenatome = /cm 2 Abscheidung: 10 ML/s Verunreinigung (für Haftkoeff. = 1) vgl. 1 ML/s Si 2 Lösung = UHV: Restgas: <10-11 mbar Aufdampfen: <10-9 mbar Z A = /(cm 2 s) Reinheit 10-4 Prof. Dr. H. Baumgärtner C Beim Verdampfen steigt der Druck durch Ausgasen vor Prozess Ausheizen. Nachteil MBE: sehr langsam und Einscheibenprozess C

9 e-beam Verdampfer Prinzip: Glühemission von Elektronen und lokales Verdampfen Beschleunigungsspannung: Elektronenstrom: Flussregelung: Magnetische Ablenkung: kv P = kw ca. 1A Wehnelt - Blende Fokus wg. Rücksputtern Prof. Dr. H. Baumgärtner C E:= abgelenkte Elektronen A:= Anode K:= Kathode C

10 Ergebnis TEM Querschnitt SIMS Tiefenprofil Schärfe der Dotierprofile: nm / Dekade Sb 2 B 5 Prof. Dr. H. Baumgärtner C Die schwarzen Linien im linken Bild sind δ-dotierungen. Die kleinen Verdickungen dieser Linien bedeuten: kein perfektes Wachstum des Dotierstoffes. Da MBE langsam ist, ist Wachstum von einzelnen Monolagen Dotierstoff möglich Submonolage:= eine nicht voll besetzte Monolage. C

11 Molekularstrahl-Epitaxie Vorteile: sehr genaue Kontrolle der Schichtdicke hohe Flexibilität Nachteile: Anwendung: Einzelscheibenprozess UHV Forschung: sehr gut Produktion: ungeeignet Prof. Dr. H. Baumgärtner C Hohe Flexibilität, da einfach auch andere Materialien aus dem Tiegel verdampft werden können (Problem bei CVD Stoff muss in Gasphase vorliegen). zusätzlicher Nachteil: langsam Zusammenfassung: einsetzbar in Forschung aber kaum in industrieller Produktion C

12 CVD Beispiel: Chemical Vapor Deposition Def.: Temperaturaktivierte Abscheidung aus der Gasphase 1. Konvektion und Diffusion zur Oberfläche 2. Reaktion auf der Oberfläche Prof. Dr. H. Baumgärtner C Neben den thermischen Verfahren, die auf Diffusionseffekten beruhen, gibt es Abscheideverfahren mittels CVD (Chemical Vapour Deposition) Prozessen (siehe Kap. 5). In diesem Verfahren werden beide Reaktionskomponenten Si und O 2 als Gase angeboten, die dann auf der Oberfläche reagieren. C

13 Chemical Vapor Deposition 1. Vaporization and Transport of Precursor Molecules 2. Diffusion to Surface 3. Adsorption to Surface 4. Decomposition on Surface and Incorporation into Solid Films 5. Recombination of Molecular Byproducts and Desorption into Gas Phase Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

14 CVD Varianten Atmospheric Pressure Low Pressure Atomic Layer Deposition Plasma Enhanced High Density Plasma APCVD LPCVD ALD PECVD HDP-CVD p (mbar) , T ( C) R (nm/min) Vorteile kein Vakuum: einfach gute Kantenbedeckung Sehr gute Kantenbedeckung niedrige Temperatur höhere Rate Sehr dünne Schichten besseres Füllverhalten Nachteile Partikel Vakuum Vakuum Strahlenschäden Schlechte Hohe Temp. kleine Rate Kantenbed. kleine Rate Prof. Dr. H. Baumgärtner C CVD-Varianten: Atmospheric pressure CVD (APCVD) bei Atmosphärendruck. Atomic layer CVD (ALCVD) s. gesonderter Abschnitt, extrem gute Kontrolle über Schichtdicke und Uniformität Low-pressure CVD (LPCVD) reduziert ungewollte Gasphasenreaktionen, verbesserte Metal-organic CVD (MOCVD) metall-organische Precursoren, z.b. Tantal Ethoxide Ta(OC2H5)5 für TaO, Tetra Dimethyl amino Titan (or TDMAT) für TiN. Microwave plasma-assisted CVD (MPCVD) Plasma-enhanced CVD (PECVD) - Plasma steigert chem. Reaktionsrate der Precursoren, erlaubt geringere Temperaturen Rapid thermal CVD (RTCVD) heizt nur die Substratoberfläche, reduziert ungewollte Gasphasenreaktionen (Partikelbildung) Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD) wie PECVD, aber Substrat ist nicht direkt in der Entladungszone des Plasmas (Plasmaschäden, niedrigere Temperatur) Ultra-high vacuum CVD (UHVCVD) C

15 Atomic Layer Deposition Abscheiden von jeweils einer Monolage der Reaktionspartner Precursoren: z.b. für Al 2 O 3 H 2 O N 2, Ar Al (CH 3 ) 3 Zykluszeit: 0,5-5 s Prof. Dr. H. Baumgärtner C ALD ist die neueste Variante der CVD Verfahren in der Halbleitertechnologie. Sie wurde bereits 1970 für die Herstellung von elektroluminiszenten Filmen entwickelt. Wie der Name schon sagt wird hier Monolage für Monolage der Atome aufeinander abgeschieden. Für chemische Verbindungen aus mehreren Elementen (z.b. Al 2 O 3 : Aluminium und Sauerstoff) müssen die jeweiligen Komponenten als Gase (Precursor) zur Verfügung stehen. In einem Zyklus müssen die nötigen Gase in der Reaktionskammer schnell ausgetauscht werden können. C

16 Prinzip ALD Monolagenwachstum durch Selbstlimitierung Prof. Dr. H. Baumgärtner C Der Abscheideprozess ist selbstlimitierend, d.h. wenn die Oberfläche mit einer Monolage eines Gases bedeckt ist, verhindert diese, dass sich weitere Atome abscheiden können. Das überflüssige Gas dann abgespült. Das 2. Gas muss mit der vorhandene Monolage des 1. Gases spezifisch reagieren und bildet so eine weitere Monolage. Auch diese Abscheidung ist wieder selbstlimitierend. Das überschüssige Gas wird wieder abgespült und der Zyklus beginnt von Neuem. Da die Dicke der Schicht, die in einer Monolage erzeugt wird genau bekannt ist, kann die Gesamdicke durch die Anzahl der Zyklen genau bestimmt werden. C

17 ALD Beispiel Al 2 O 3 Vorteile: sehr definiertes Wachstum genaue Dickenkontrolle sehr gute Kantenbedeckung Anwendungen: für sehr dünne Schichten (< 5nm) high-k: Al 2 O 3,, HfO 2, ZrO 2 Barrieren: TiN, WN Quelle: M. Gutsche et al., Future Fab Intl. Volume 15 Prof. Dr. H. Baumgärtner C Die Vorteile dieses Verfahrens sind die exakte Dickenkontrolle und die sehr gute Kantenbedeckung. Es eignet sich daher besonders für die Herstellung sehr dünner Schichten, wie z. B. alternativer Dielektrika und Barrierenschichten. C

18 ALD Reaktor Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

19 Langmuir-Blodgett (LB) Filme Abscheidung organischer Filme aus der Flüssigphase: Langmuir (1920er Jahre): systematische Untersuchung von schwimmenden Monolagen auf Wasser (Nobelpreis), Transfer von Fettsäuren-Molekülen auf Festkörper Blodgett (1920er Jahre): sequentieller Transfer von Monolagen auf Festkörperoberflächen Beispiel: Öle auf Wasser Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

20 LB-Technologie Schichtabscheidung: wiederholtes Eintauchen in amphiphile Monolage Gute Benetzung für: polar auf polar oder unpolar auf unpolar Prof. Dr. H. Baumgärtner C Begriffe: hydrophil: hydrophob: amphiphil: surfactant: wasserlöslich / -anziehend wasserunlöslich / -abweisend Moleküle mit je einem hydrophoben und hydrophilen Teil surface active agent C

21 LB-Technologie Vorteile: präzise Dicke: 1 Monolage homogene Abscheidung über große Flächen Multilagen mit variabler Zusammensetzung möglich auf fast allen Festkörpersubstraten möglich Prof. Dr. H. Baumgärtner C C

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