Impact of dielectrics on the electronic properties of ultrasmall nanoscale silicon

Frentzen, Michael; Knoch, Joachim; Hiller, Daniel

doi:44897

Impact of dielectrics on the electronic properties of ultrasmall nanoscale silicon

Frentzen, Michael^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Frentzen, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Knoch, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Hiller, Daniel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10664
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023680/files/1023680.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Halbleitertechnik und Institut für Halbleitertechnik (616210)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Über Jahrzehnte wurde die Anzahl der Transistoren pro Fläche etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Während die Rechenleistung integrierter Schaltungen damit erhöht wurde, näherte sich die Transistorgröße wenigen Nanometern an und kam bedingt durch zwei Faktoren zum Erliegen. Der Erste ist die inhomogene Verteilung und die Deaktivierung von Fremdstoffatomen, die zum Betrieb und zur Kontaktierung des Bauelementes unerlässlich sind, auf der Nanoskala. Der Zweite ist das von der Quantenmechanik beschriebene quantum confinement, das zum Verbreitern der Bandlücke in Bauelemente mit Größen von weniger als 5 nm führt. Mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurden intrinsische Si Nanokristalle eingebettet in verschiedenen Dielektrika berechnet und eine Verschiebung der elektronischen Bandstruktur auf der Nanoskala induziert durch Anionen an der Oberfläche (Nanoscale Electronic Structure Shift Induced by Anions at Surfaces; NESSIAS) in Nanokristallen vorausgesagt, die der Verbreiterung der Bandlücke durch quantum confinement entgegenwirkt. Das Einbetten von Si Nanokristallen in SiO2 führte dabei zu einer Verschiebung der Leitungs- und Valenzbandkanten unter die Bandkanten von ausgedehnten Si-Kristallen, während für Si3N4 eine Verschiebung darüber vorausgesagt wurde. Aus DFT-Berechnungen von Si-Nanodrähten mit abrupten Dielektrika-Übergängen wurden Übergänge der Bandstrukturen in der Größenordnung von Nanometern vorhergesagt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Verbesserung von Herstellungsprozessen für ausgedehnte Si-Nanoschichten eingebettet in SiO2 und Si3N4 um die Valenz- und Leitungsbandkanten mittels Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie und Röntgenabsorptionsspektroskopie sowie der elektrischen Charakterisierung in Abhängigkeit der Schichtdicke. Die Herstellung von Si-Nanoschichten in SiO2 erfolgte ausgehend von silicon on insulator mittels Ausdünnens des Top-Si. Si-Nanoschichten in Si3N4 wurden nach dem Ausdünnen über Waferbonding und Waferätzen hergestellt. Die Bandlücken, die in diesen Proben bestimmt wurden, bestätigten, dass der NESSIAS Effekt dem quantum confinement in Si-Nanoschichten zwischen 1,5 nm und 4,0 nm entgegenwirkt. Die Herstellung von Si-Nanoschichten in SiO2 zur elektrischen Charakterisierung mittels Transportmessungen wurde demonstriert und ein Herstellungsprozess für Si-Nanoschichten in Si3N4 wurde vorgeschlagen.

For decades the number of transistors per area has been halved approximately every two years, increasing the computational power of integrated circuits, while the transistor size approached few nanometers and slowed down significantly. The reduction in feature size is limited by two factors. The first is related to the distribution and deactivation of dopant atoms in small devices, used to establish good electrical contacts into the devices, and the second is related to quantum mechanical broadening of the band gap in devices on the length scale of approximately 5nm and smaller due to quantum confinement. DFT calculations of intrinsic Si nanocrystals embedded in different dielectrics predicted an Nanoscale Electronic Structure Shift Induced by Anions at Surfaces (NESSIAS) in the band structures of the nanocrystals and a smaller influence of the quantum confinement. Embedding Si nanocrystals in SiO2 was predicted to shift the band edges of the valence and conduction band below those of bulk-Si and in case of Si3N4 above them. From DFT calculations of nanowire with abrupt changes of the embedding dielectric sharp transitions of the band edges on the order of 1 nm are expected. The scope of this thesis was the improvement and development of fabrication processes for Si nanowells embedded in SiO2 and Si3N4 for the determination of the valence and conduction band edge as function of the nanowell thickness and dielectric by ultraviolet photoelectron spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy and for electrical characterization. Major contributions have been made by demonstrating good process control on fabricating Si nanowells in SiO2 involving thinning down the top-Si of silicon on insulator and Si nanowells in Si3N4 involving thinning down the top-Si, rapid thermal nitridation, wafer bonding and wafer etching. The band gaps obtained from measurements on these samples confirmed that quantum confinement is counteracted by NESSIAS in Si nanowells between 1.5nm and 4.0nm. Samples comprised of Si nanowells in SiO2 have been fabricated for electrical characterization by transport measurements and a fabrication process for the characterization of Si nanowells embedded in Si3N4 was proposed.

OpenAccess:
PDF
(additional files)