zur Startseite

Neueste
Forschungs-
ergebnisse


Gruppe-IV-
Heteroepitaxie


"Advanced MOS"  &  Bipolar


Photonik


Quantenelektronik


Analytik


Prozesstechnologie


Publikationen

Gruppe-IV-Heteroepitaxie

Die Kristallzucht bzw. (Hetero-)Epitaxie und das präzise Dotieren dieser Gruppe-IV-Halbleiterkristalle mithilfe der sogenannten Molekularstrahlepitaxie (MBE, engl. für Molecular Beam Epitaxy) stellt das Rückgrat der IHT-Forschung an mikro- und nanoelektronischen Halbleiterbauelementen dar. In Kombination mit einer am IHT etablierten CMOS-Reinraumtechnologielinie ermöglicht die Gruppe-IV-Heteroepitaxie Forschungen in den drei zentralen Bauelementkompetenzfeldern: "Advanced MOS" & Bipolar, Photonik und Quantenelektronik.

Kompetenzfelder

Abbildung: Auf der Gruppe-IV-Heteroepitaxie fußende Bauelementkompetenzfelder des IHT




Das zentrale Paradigma der modernen Mikro- und Nanoelektronik - bekannt als Mooresches Gesetz - postuliert exponentielle Wachstumsraten in der Halbleitertechnologie mit Bezug auf die Anzahl der auf einem Chip integrierten lateralen Bauelemente wie z. B. dem "Metal-Oxid-Semiconductor"-Feldeffekttransistor (MOSFET). In der Vergangenheit wurden diese Wachstumsraten durch unsere Fertigkeit erreicht, die lateralen Bauelementdimensionen alle zwei bis drei Jahre zu halbieren. "Fertigkeit" bedeutet in diesem Kontext die Fertigkeit, eine optische Lithographie mit stetig wachsender lateraler Auflörsung durchzufürhren. In diesem Zusammenhang störßt man auf ein weiteres "Mooresches Gesetz", dem "Gesetz" der exponentiell wachsenden Kosten für die Realisierung und Durchführung einer entsprechenden optischen Lithographie.

In der universitären Forschung ist es geboten, diese Kosten zu vermeiden. Ein alternativer, lithographieloser Ansatz zur Erzeugung kleinster Bauelementabmessungen findet sich im Konzept vertikaler Bauelementstrukturen, die mithilfe der sogenannten Molekularstrahlepitaxie (MBE, engl. für Molecular Beam Epitaxy) hergestellt werden. Diese Methode ermöglicht das perfekte (hetero-)epitaxiale Wachstum hoch und abrupt dotierter Halbleiterkristalle mit einer Kontrolle der Wachstumsraten im Sub-Monolagenbereich.

Das IHT hat eine langjährige Tradition und Erfahrung auf dem Gebiet der Heteroepitaxie von hoch und abrupt dotierten SiGe:C-Heterokristallen (Si: Silizium, Ge: Germanium, C: Kohlenstoff) und deren Integration auf Silizium-Substraten sowie der Herstellung hochqualitativer und ultra-dünner virtueller Germanium-Substrate für die direkte Integration von Germanium-basierten, dotierten Homokristallen auf Silizium-Substrat. Kürzlich wurde erfolgreich mit der Erforschung der Kristallzucht von dotierten GeSn-Heterokristallen (Sn: Zinn) - der letzten großen Herausforderung der Gruppe-IV-Heteroepitaxie - und der Erzeugung von virtuellen GeSn-Substraten für die Integration in die Silizium-Standardtechnologiebegonnen. Das Dotieren dieser Kristalle erfolgt bei sehr tiefen Abscheidetemperaturen mit Hilfe der Elemente Bor (p-Typ-Dotierung) und Antimon (n-Typ-Dotierung) aus der III. und VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente.

Diese Kristallsysteme bilden die Grundlage für die gesamte Bauelementforschung am Institut, was sowohl "klassische" und neuartige MOS- und Bipolarbauelemente als auch photonische bzw. quantenelektronische Bauelemente und einfache integrierte Schaltungen beinhaltet.

Das grundlegende Prinzip der MBE und der prinzipielle Aufbau einer MBE-Anlage sind in den folgenden Bildern gezeigt.

Wachstumsprinzip

Abbildung: Grundlegendes Prinzip der Molekularstrahlepitaxie: Ein Molekularstrahl aus Atomen wird unter Ultrahochvakuumbedingungen (P = 1x10-10 ... 1x10-9 mbar) auf eine einkristalline Substratoberfläche gerichtet, und es kommt zu einem gerichteten Kristallwachstum, das den Substratkristall fortsetzt. Im komplexesten Fall, wenn z. B. ein dotierter Si1-x-yGexSny-Kristall gezüchtet werden soll, wird der Molekularstrahl aus vier Atomsorten - den Matrixmaterialien Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn) und dem Dotiermaterial (z. B. Bor oder Antimon) - gebildet.

MBE Aufbau Schema

Abbildung: Prinzipieller Aufbau einer MBE-Anlage: Das Silizium-Substrat wird "Kopf über" mit Hilfe eines Roboterarms in der Zentralkammer (mittelgroße Kammer in der Mitte) über eine sogenannte "Load Lock" (kleine Kammer links) in die Hauptkammer (große Kammer rechts) transferiert. Von Kammer zu Kammer nimmt der Kammerdruck dabei um Größenordnungen ab ("Load Lock": P = 1x10-6 mbar - Zentralkammer: P = 1x10-9 mbar - Hauptkammer: P  <  1x10-10 mbar). In der Hauptkammer kann das Substrat strahlungsinduziert auf Temperaturen über 1000 °C erhitzt werden. Mit Effusionszellen bzw. Elektronenstrahlverdampfern im unteren Teil der Hauptkammer werden dann die einzelnen Atomstrahlen - die "Molekularstrahlen" - erzeugt und auf das Substrat gerichtet. Jede Effusionszelle bzw. jeder Elektronenstrahlverdampfer ist mit einer mechanischen Blende ausgerüstet. Damit kann der jeweilige Atomstrahl schnell (ca. 0,5s) "eingeschaltet" bzw. "ausgeschaltet" werden. Die Hauptkammer ist außerdem mit einem Strahlungspyrometer, einem Strahlungsreflektometer, einem Massenspektrometer, einem Druckmesser und zahlreichen Temperaturfühlern für die Überwachung der kritischen Wachstums- und Prozessparameter ausgestattet.

Das Verfahren der MBE hat gegenüber anderen Abscheideverfahren, wie z. B. der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD, engl. für Chemical Vapor Deposition), den großen Vorteil, dass alle Wachstumsparameter voneinander unabhängig sind und daher unabhängig voneinander eingestellt werden können. So hängt besonders die Kristallwachstumsgeschwindigkeit nicht von dem wichtigen Parameter Substrattemperatur ab.

Das Verfahren der MBE bietet weiterhin - wie oben bereits kurz erwähnt - die Möglichkeit des Kristallwachstums bei relativ geringen Wachstumstemperaturen. Dies führt zum einen zu einer starken Reduzierung der durch Volumendiffusion hervorgerufenen Einflüsse von Dotier- bzw. Legierungsatomen und zum anderen lassen sich ultrametastabile Heterostrukturen herstellen. Die MBE eröffnet somit für die universitäre Forschung einen großen Parameterraum für die Entwicklung und Umsetzung neuartiger Bauelementkonzepte mit vertikalen Dimensionen im Bereich zwischen der atomaren Auflösung und einigen Mikrometern.

Am IHT kommen drei MBE-Anlagen zum Einsatz.

A-MBE-Anlage

Abbildung: In der "A"-MBE-Anlage können die folgenden Matrixmaterialien verdampft werden: Silizium (Elektronenstrahlverdampfung), Germanium (Effusionszellenverdampfung) und Zinn (Effusionszellenverdampfung). Mit Hilfe zweier weiterer Effusionszellen können zusätzlich die Dotierstoffe Bor (p-Typ-Dotierung) und Antimon (n-Typ-Dotierung) verdampft werden. In der Anlage können Silizium-Substrate mit Durchmessern bis 150 mm verarbeitet werden.


B-MBE-Anlage

Abbildung: In der "B"-MBE-Anlage können die folgenden Matrixmaterialien verdampft werden: Silizium (Elektronenstrahlverdampfung) und Germanium (Elektronenstrahlverdampfung). Mit Hilfe zweier weiterer Effusionszellen können zusätzlich die Dotierstoffe Bor (p-Typ-Dotierung) und Antimon (n-Typ-Dotierung) verdampft werden. In der Anlage können Silizium-Substrate mit Durchmessern bis 200 mm verarbeitet werden.

C-MBE


In der "C"-MBE-Anlage können die folgenden Matrixmaterialien verdampft werden: Silizium (Elektronenstrahlverdampfung) und Germanium (Elektronenstrahlverdampfung). Mit Hilfe einer weiteren Effusionszelle kann zusätzlich der Dotierstoff Antimon (n-Typ-Dotierung) verdampft werden. In der Anlage können Silizium-Substrate mit Durchmessern bis 150 mm verarbeitet werden.



Die Molekularstrahlepitaxie ist auch Gegenstand der folgenden IHT-Vorlesungen:

•  Halbleitertechnologie I
B.Sc.-Studiengang "Elektrotechnik und Informationstechnik", 5. Semester

•  Epitaxie (Halbleitertechnologie II)
M.Sc.-Studiengang "Elektrotechnik und Informationstechnik", 2./4. Semester

Haben Sie Interesse an weiteren Informationen zur Gruppe-IV-Heteroepitaxie oder an einer Qualifikationsarbeit im Forschungsgebiet Gruppe-IV-Heteroepitaxie? Sprechen Sie uns direkt an, oder mailen Sie uns an die folgende E-Mail-Adresse: g4epi@iht.uni-stuttgart.de.