Dotierungsabhängigkeit des elastischen Verhaltens von Silizium

Abstract

Für eine kontinuierliche Steigerung der Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen spielt neben der fortschreitenden Miniaturisierung auch gedehntes Silizium (<i>strained silicon</i>) eine wichtige Rolle. Durch Einbringen einer mechanischen Verspannung in den Kanalbereich eines MOSFETs ist es möglich, die Ladungsträgerbeweglichkeit und somit die Schaltgeschwindigkeiten von Transistoren zu erhöhen. Um eine fehlerfreie Funktion der Bauteile zu gewährleisten, sind systematische Untersuchungen dieser Verspannungen im Elementhalbleiter Silizium und ihre Wechselwirkung mit Defekten, zu denen auch Dotierungsatome gehören, notwendig.<br /> Die Methode der gestörten γ-γ-Winkelkorrelation (PAC) ist sehr gut für die Untersuchung lokaler Spannungsfelder in dünnen Schichten von Halbleitern geeignet, da sie Informationen über die direkte Gitterumgebung eines Sondenkernes auf atomarer Skala liefert. Auf diese Art können lokale Gitterverzerrungen in Silizium untersucht werden, die einerseits in implantierten Schichten auftreten und andererseits durch extern angelegte Zug- und Druckspannungen entstehen. <br /> In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Dotierung auf das elastische Verhalten von Silizium untersucht. Neben der PAC-Sonde ¹¹¹In wurden diverse Fremdatome mittels Ionenimplantation in den Siliziumkristall eingebracht. Anschließend wurden die dabei entstandenen Strahlenschäden durch eine thermische Behandlung ausgeheilt. Zur Erzeugung von uniaxialen, externen Spannungen wurden die Proben in Halter mit verschiedenen Krümmungsradien gespannt, was in der oberflächennahen, implantierten Schicht Gitterdeformationen von bis zu 0,1% induziert. <br /> Es stellte sich heraus, dass p-implantiertes und n-implantiertes Silizium unterschiedlich auf externe Spannungen reagieren, d.h. die resultierende Gitterverzerrung infolge der Probenbiegung hängt von der Art der Dotierungsatome ab. So zeigen Siliziumproben nach Implantation der Akzeptoren B, Al und In das gleiche elastische Verhalten wie undotiertes Silizium. Werden hingegen die Donatoren P, As, Sb und Te implantiert, so beobachtet man eine vollständige Relaxation der extern angelegten Spannung in der lokalen Umgebung der Sonden. TEM-Aufnahmen bestätigen, dass diese Spannungsrelaxation auf Versetzungsringe zurückzuführen ist, die sich während der Ausheilung der Implantationsschäden durch Agglomeration von intrinsischen Fehlstellen gebildet haben. Demzufolge hätte die Bildung von Versetzungsringen im gedehnten Kanalbereich von n-MOSFETs fatale Folgen, da diese zu einem unerwünschten Abbau der Spannungen führen, was folglich die Leistungsfähigkeit integrierter Schaltungen herabsetzen würde.