Deliverables and Services - IHP Microelectronics

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A U S G E w ä H L T E P R O J E K T E – S E L E C T E d P R O J E C T S
Die F&E-Arbeit fokussiert sich spezifisch auf die globale
Integration von Germanium (Ge) auf Silizium (Si), die
für eine Reihe technologischer Anwendungen von Bedeutung
ist. Zum Beispiel wird auf dem Gebiet der Fertigung
von Sub-50-nm-CMOS-Technologien mit hoher
Kanal-Mobilität die Integration von Ge auf Si in Kombination
mit Hoch-K-Dielektrika intensiv untersucht. Ein
anderes Beispiel ist die Photovoltaik, wo die Erzeugung
einkristalliner Ge-Schichten auf Si-Wafern einen Ansatz
darstellt, billige Substrate für die hoch effiziente GaAs-
Photovoltaik zu erzeugen. Es muss jedoch aufgezeigt
werden, dass die Qualität der bis dato hergestellten
Ge-Puffer-Si-Heterostrukturen noch nicht das Niveau
der technologischen Verwertbarkeit erlangte. Dies ist
vor allem auf ein mangelndes Verständnis der Festkörperphysik
bei der Interaktion zwischen Ge und den typischen
Puffer-Dielektrika (insbesondere Übergangs- &
Seltenerdmetalloxide) zurückzuführen. Typische ungelöste
Probleme, die die strukturellen und folglich elektrischen
Eigenschaften der Ge-Schichten bestimmen,
betreffen z. B. die thermodynamische Stabilität von Ge
im Kontakt mit Metalloxid-Puffern, die Kontrolle des
Wachstums zur Erzeugung geschlossener Ge-Filme, die
Mechanismen bei der Erzeugung von Defekten usw.
Eine kombinierte Studie der Struktur, der Stöchiometrie
und der elektrischen Eigenschaften von Ge(111)-
Schichten auf zwillingsfreien, Typ-B-orientierten PrO 2 /
Si(111)-Heterostrukturen wurde durchgeführt, um die
globale Integration atomar flacher, einkristalliner Ge-
Schichten mittels Oxid-Heterostrukturen auf Si(111)
zu erzielen (Abb. 34). Ex-situ-Röntgenstudien belegen,
dass die Wechselwirkung zwischen Ge und PrO 2 zu
einer vollständigen Reduktion des PrO 2 -Pufferoxids in
Pr 2 O 3 führt. In-situ-Elektronen-Beugung (RHEED) sowie
-Elektronen-Emission (XPS & UPS) belegen, dass
diese chemische Reduktion des Pufferoxids durch die
Ge-Bedampfung mit der Bildung einer amorphen GeO 2 -
Schicht einhergeht. Sobald der Vorrat an Gittersauerstoff
erschöpft und PrO 2 vollständig zu Pr 2 O 3 umgewandelt
ist, führt die weitere Ge-Bedampfung zu einer
Reduktion der amorphen GeO 2 -Schicht in GeO. Letzteres
ist bei den hohen Wachstumstemperaturen flüchtig und
desorbiert folglich. Der einkristalline Pr 2 O 3 -Träger bildet
eine thermodynamisch stabile Unterlage für die Heteroepitaxie
von elementarem Ge. Zunächst wächst Ge
R&D work specifically focuses on the global integration
of germanium (Ge) on silicon (Si) which is
important for a number of future technologies. For
example, in the field of highly integrated Si-based
microelectronics, the integration of Ge as high mobility
channel material in combination with high-k gate
oxides is intensively pursued to manufacture sub-50
nm CMoS technologies. Another example is given by
photovoltaics where the integration of single crystalline
Ge layers on the Si material platform via high-k
oxide heterostructures is studied to develop a cheap
Ge substrate for GaAs solar cells. It must however be
pointed out that the available Ge oxide buffer heterosystems
on Si did not yet achieve the level of technological
useability. this is mainly due to the fact that
the fundamental physics of the interaction between
Ge and buffer dielectrics (i.e. transition & rare earth
(Re) oxides) is only poorly understood. typical unsolved
solid state physics issues, governing the structural
and in consequence electrical properties, concern
for example the thermodynamic stability of Ge
in contact with metal oxide dielectrics, the control of
the growth mode to achieve closed films, the defect
mechanisms at work in the film structure etc.
A combined study on the structure, stoichiometry
and electrical properties of single crystalline Ge(111)
layers on twin-free, type B oriented pro 2 (111) heterostructures
on Si(111) was carried out to achieve
the global integration of closed, atomically smooth
single crystalline Ge(111) epilayers via Re oxide heterostructures
on Si(111) (Fig. 34). ex-situ X-ray diffraction
(XRD) techniques indicate that the interaction
between Ge and pro 2 (111) results in a complete
reduction of the buffer oxide to a cubic pr 2 o 3 (111)
film. In-situ electron diffraction (RHeeD) & photoelectron
emission spectroscopy (XpS & upS) studies
demonstrate that this chemical reduction occurs during
the initial Ge growth. the interaction of pro 2 with
Ge results in the formation of an amorphous Ge oxide
by lattice oxygen diffusion from the dielectric to the
Ge deposit. After the complete conversion of pro 2 to
pr 2 o 3 , the Ge deposition reduces the initially formed
amorphous Geo 2 -like film to Geo. the sublimation of
volatile Geo uncovers the single crystalline pr 2 o 3 film
which provides a thermodynamically stable template