Ultra Thin Silicon Nitride Interface Engineering

Fischer, Sergej; Knoch, Joachim; Vescan, Andrei

doi:36638

Ultra Thin Silicon Nitride Interface Engineering

Fischer, Sergej^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Sergej Fischer

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (ii, 184 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Knoch, Joachim (Thesis advisor) ; Vescan, Andrei (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-01-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09277
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/707500/files/707500.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/707500/files/707500.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Halbleitertechnik und Institut für Halbleitertechnik (616210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CMOS (frei) ; MIS (frei) ; MOSFET (frei) ; Mott (frei) ; Schottky (frei) ; Silicon (frei) ; diode (frei) ; membrane (frei) ; microstencil (frei) ; nanostencil (frei) ; resonant tunneling diode (frei) ; silicon nitride (frei) ; solar cell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Metall-Halbleiterübergänge spielen für fast alle halbleitertechnologischen Bauelemente eine herausragende Rolle. Hauptproblem dabei ist aber die sich am Interface beider Materialien ausbildende Schottky-Barriere, die die Injektion von Ladungsträgern stark limitiert. Konventionelle Ansätze, die Schottky-Barriere zu reduzieren, stoßen an ihre wirtschaftlichen und physikalischen Grenzen. Während der gebräuchlichste Ansatz eine Dotierung voraussetzt, ist in dieser Arbeit eine neue Methode aufgegriffen und untersucht worden. Hier erlaubt der Einsatz einer Siliziumnitridschicht von wenigen Atomlagen (0.8nm) die eigentliche Problematik des Fermi-Level-Pinnens zu lösen. Die Passivierung der Oberfläche durch einen Wachstumsprozess bildet eine hervorragende Grenzfläche zum Silizium und das Einbringen eines Isolators ermöglicht ein Unterdrücken von metall-induzierten, evaneszenten Zuständen in der Bandlücke des Halbleiters. Beide Eigenschaften führen zu einer starken Entkopplung zwischen dem Fermi-Niveau und der Grenzflächenzustandsdichte, sodass eine austrittsarbeitsabhängige Kontaktierung möglich wird.Dünne Siliziumnitridschichten im Bereich von 3.7nm bis 0.6nm wurden durch einen thermischen Wachstumsprozess in einer Ammoniakatmosphäre entwickelt. Diese Schichten zeichnen sich durch ihre exzellente Schichtdickenkonformität auf Wafermaßstab, ihre Ätzresistenz gegenüber einer Vielzahl an Chemikalien und der hohen Dichte trotz Schichtdicken von wenigen Atomlagen aus. Vier Applikationsbereiche bestehend aus Metall-Oxid-Silizium Feldeffekttransistoren (MOSFET), Dioden, Metall-Isolator-Silizium-Solarzellen und resonanten Tunneldioden sind im Hinblick auf den Einfluss der Siliziumnitridschicht untersucht worden. In MOSFETs verhilft die Siliziumnitridschicht das in Schottky-Barrieren-Transistoren typische ambipolare Verhalten zu unterdrücken. Unipolare n-und erstmalig p- MOSFETs ohne Einsatz von Dotierung konnten so erzielt werden. Gleichsinnige Raumladungszonen bilden sich durch die Wahl zweier Metalle und der Siliziumnitridschicht, die über eine hohe (>5eV) und eine niedrige Austrittsarbeit (<4.1eV) verfügen. Dioden mit Diffusionsspannungen von 1V, Sperrschichtkapazitäten von <5pF und Temperaturkoeffizienten von 2mV/K bestätigen die Ausbildung einer Raumladungszone an der Metall-Siliziumnitrid-Silizium Grenzfläche. Eine Vergrößerung der Isolatordicke verringert die Diffusionsspannung der Raumladungszone. Der Einsatz von hohen Dotierungen führt zu einer einseitig ausgeprägten Raumladungszone, die wegen der hohen Dotierung eine nicht gewünschte kleine Raumladungsweite aufweist. Der Ladungsträgertransport von Löchern im niedrig dotierten Silizium konnte deutlich unterhalb der Temperatur, die für die Ionisation der Dotierstoffe notwendig ist, gezeigt werden. Die Entwicklung und Fabrikation von Mikro -und Nano-Stencilmasken schafften die Voraussetzung dem Anspruch eines hohem Reinheitsgrades gerecht zu werden und die Ausbeute der Siliziumnitrid-basierten Dioden massiv zu steigern. Das charakteristische, ohmsche Verhalten der Metall-Nitrid-Halbleiterkontakte führte zu einer Verbesserung konventioneller, rudimentärer Solar-Zellen-Konzepte. Die Anwendung einer Siliziumnitridschicht in einer auf dem Tunnelkontakt basierten Solarzelle konnte mit einem Füllfaktor von 0.74 demonstriert werden. Die hohe Dichte des Siliziumnitrids erlaubt es bei Temperaturen von 1050°C selbstlimitierend Schichtdicken von 2.4nm herzustellen, so dass gleichzeitig eine Kristallisation einer amorphen Siliziumschicht bewerkstelligt werden kann. Resonantes Tunneln durch die Silizium-Quantenpunkte bestätigte die Ausbildung von Nanokristallen. Abschließend konnte erfolgreich und zum ersten Mal ein umfassender Nachweis der Ausbildung einer Raumladungszone ohne Dotierung an verschiedenen Applikationen mit einem kostengünstigen Siliziumnitridprozess erbracht werden.

Metal-semiconductor junctions are playing a crucial role for almost all semiconductor technology based devices. Here, the main drawback is the formation of a Schottky-barrier at the silicon surface which reduces the transmission of carriers. Conventional measures for a Schottky-barrier reduction are approaching their economical and physical limits. While the most common approach is based on doping by minimizing the effect oft he Schottky-barrier the here in this thesis studied concept focuses on the root of the Schottky-barrier. The incorporation of an ultra thin silicon nitride layer with a thickness of a few atoms (0.8nm) resolves the Fermi-level pinning at the silicon surface. These thermally grown silicon nitride layers offer an excellent and passivated tunneling barrier to suppress the metal induced silicon gap states . Both qualities lead to a decoupling of the Fermi-level and the huge interface state density so that the metal free carrier concentration dominates almost the silicon surface.Ultra thin silicon nitride layers with thicknesses between 0.6nm up to 3.7nm were thermally grown in an ammona atmosphere. These layers are characterized by their excellent thickness conformity on wafer scale, huge etching resistance and high density. The main pillars of this work are dopant-free: metal-oxide-silicon-field effect transistors (MOSFET), diodes, metal-insulator-silicon-solar celss and resonant tunneling diodes realized by ultra thin silicon nitride layers. The ambipolar characteristics of Schottky-barrier MOSFETs is suppressed by the incorporation of an ultra thin silicon nitride layer. Hence, for the first time unipolar N-type and P-type MOSFETs without contact doping are successfully fabricated. Furthermore, the combination of low and high work function metals with silicon nitride enable Schottky-Mott diodes which exhibit forward voltages of approximately 1V, reverse capacitance below 5pF and a temperature coefficient close to 2mV/K proving the existence of a Schottky-Mott diodes at the silicon-silicon nitride-metal. Increasing the insulator thickness reduces the forward voltage. Highly doped substrates lead to an one-side Schottky-Mott junction which exhibits Schottky diode behavior owing to the small junction depth. In addition, it could be demonstrated for the first time that holes can propagate on a long distance in a low doped substrate despite the fact of the carrier freeze-out state.Micro- and nanostencil masks are the keys to satisfy the claim of a highly pure fabrication procedure for Schottky-Mott diodes and increasing the overall yield. For the first time, metal-insulator-silicon solar cells made of ultra thin silicon nitride layer were fabricated and take advantage of the ohmic tunneling junction which demonstrated a fill factor of 0.74. Thinking of energy selective contacts, first-time resonant tunneling diodes consisting of silicon nitride-silicon nanocrystals-silicon nitride sandwiches were realized by crystallization prior to the second nitridation.In summary, this thesis confirmed on various domains of application the cost-effective, dopant-free and successful ultra thin silicon nitride interface engineering.

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