Untersuchung metallischer Kontakte auf porösen Siliziumstrukturen

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1 Institut für Nano- und Mikroelektronische Systeme Prof. Dr.-Ing. J. N. Burghartz Institut für Mikroelektronik Stuttgart Prof. Dr.-Ing. J. N. Burghartz Untersuchung metallischer Kontakte auf porösen Siliziumstrukturen Diplomarbeit Tilman Zehender Prüfer: Betreuer: Prof. Dr.-Ing. J. N. Burghartz Dipl.-Ing. Saleh Ferwana Bearbeitungszeitraum: 01. Juni 2009 bis 15. Februar 2010 Stuttgart, Februar 2010

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3 Kurzfassung 3 Kurzfassung In dieser Diplomarbeit werden Metallkontakte auf porösem Silizium und deren Eigenschaften untersucht. Dazu ist es notwendig, den spezifischen Widerstand von porösem Silizium zu bestimmen. Die Parameter für diese Untersuchungen sind die Porosität und die Dotierung des Ausgangsmaterials. Die verschiedenen verwendeten Metalle sind Aluminium-Silizium-Kupfer (AlSiCu), Wolfram, Titan und Silber. Für die Herstellung dieser Kontakte werden im Rahmen dieser Diplomarbeit spezielle Herstellungsprozesse entwickelt. Der erste Prozess ist einfach aufgebaut und ermöglicht die Bestimmung von spezifischem Widerstand und Kontakteigenschaften. Der zweite Prozess dient zur Bestimmung des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit der Kristallorientierung und ist wesentlich komplizierter als der Erste. Schlagwörter: poröses Silizium, Metall-Halbleiter-Kontakt, Kontakttyp, spezifischer Widerstand, Aluminium, Titan, Wolfram, Silber Abstract In this diploma thesis, metal contacts to porous silicon and their characteristics are investigated. For this purpose, the resistivity of porous silicon is also determined. The varied parameters are the porosity and the doping level of the anodized material. The different metals used are aluminium-silicon-copper (AlSiCu), tungsten, titanium and silver. For the fabrication of these contacts new designs have been developed. The first design is a simple approach for determining the resistivity of porous silicon and the characteristics of the contact between the metal and porous silicon. The second design is more sophisticated and is used for determining the resistivity of porous silicon depending on the crystalline orientation. Keywords: porous silicon, metal semiconductor contact, type of contact, resistivity, aluminium, titanium, tungsten, silver

4 Inhaltsverzeichnis 4 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung... 3 Abstract... 3 Inhaltsverzeichnis... 4 Abkürzungsverzeichnis Einleitung und Motivation Theorie der Festkörperelektronik Kristallstruktur und Bändermodell Spezifischer Widerstand eines Halbleiters Eigenschaften von Metall-Halbleiter-Kontakten Theorie der Prozesstechnologien Herstellung von porösem Silizium mit anodischem Ätzen Siliziumabscheidung mit Epitaxie Metallisierung Sputtern Chemische Gasphasenabscheidung M 3 D-Technologie Strukturdefinition mit Lithographie Strukturierung mit reaktivem Ionenätzen Siliziumätzung mit dem Boschprozess Metallätzung Implantation von Dotieratomen Entwickelte Ätzprozesse Prozess für Wolframätzung mit Fotolackmaske Prozess für Titanätzung mit Fotolackmaske Messmethodik Bestimmung des Widerstands mit der Vierpunktmessung Messung mit dem Rasterelektronenmikroskop Gravimetrische Messung zur Porositätsbestimmung Entwickelte Designs und deren Prozessierung Design mit Stromfluss durch das Substrat (metkont)... 39

5 Inhaltsverzeichnis Design ohne Stromfluss durch das Substrat (Angle) Herstellung der Mesastrukturen Anforderungen an die vergrabene n-typ-isolationsschicht Winkelstrukturen für Widerstandsmessungen in Abhängigkeit der Kristallorientierung Reihenschaltung von Metall-PorSi-Kontakten REM-Struktur für Messungen und Prozesskontrolle Berechnung des spezifischen Widerstands des PorSi und der Metall- PorSi-Kontakte Berechnung des spezifischen Widerstands von PorSi Berechnung des spezifischen Widerstands mit vertikalen PorSi-Strukturen Berechnung des spezifischen Widerstands mit lateralen PorSi-Strukturen Berechnung des spezifischen Kontaktwiderstands Ergebnisse und Diskussion Elektrische Charakterisierung Elektrische Charakterisierung in Abhängigkeit der Porosität Elektrische Charakterisierung in Abhängigkeit der PorSi-Sinterung Elektrische Charakterisierung für verschiedene Metalle Elektrische Charakterisierung in Abhängigkeit der Dotierung Spezifischer Widerstand Spezifischer Widerstand in Abhängigkeit der Porosität Spezifischer Widerstand in Abhängigkeit der Kristallorientierung Spezifischer Kontaktwiderstand zwischen Metall und PorSi Simulation Simulation vertikal stromdurchflossener Mesastrukturen mit ATLAS Schaltungssimulation mit PSPICE Parallelschaltung eines Widerstands mit einer Schottkydiode Parallelschaltung von Schottkydioden Zusammenfassung und Ausblick Anhang A: Chargenübersicht A.1 E A.2 E A.3 E A.4 E A.5 E A.6 E A.7 E

6 Inhaltsverzeichnis 6 Anhang B: Definitionen B.1 Position der Chips auf dem Wafer B.2 Position der Pads auf dem Chip B.3 Benennung der Files mit den Messergebnissen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Erklärung... 94