CD-Labor for Einzeldefektspektroskopie in Halbleiterbauelementen

Die Lebensdauer und vor allem die Leistungsfähigkeit moderner Halbleitertransistoren ist entscheidend durch einzelne elektrisch aktive Defekte in deren atomarer Struktur bestimmt. Solche Defekte lassen sich einerseits schon während der Produktion kaum verhindern, und können andererseits noch zusätzlich während des Betriebs neu entstehen. Die Forschung im CD-Labor für Einzeldefektspektroskopie in Halbleiterbauelementen studiert den Einfluss von Einzeldefekten auf die Charakteristik neuartiger Transistoren und trägt somit wesentlich zu deren Weiterentwicklung bei. Dazu werden unter anderem Siliziumcarbid-Transistoren, welche in der Hochleistungselektronik zum Einsatz kommen und rauscharme Silizium-Transistoren für analoge Verstärkerschaltungen genauer untersucht.

Es sind einerseits nicht abgesättigte Bindungen an der Halbeiter/Oxid Grenzfläche (so genannte interface states), aber auch Defekte in der atomaren Struktur des Oxides sowie des Halbleitersubstrates, welche die Leistungs-fähigkeit moderner Transistoren entscheidend beeinflussen. Diese Defekte sind elektrisch aktiv und können unter nominellen Betriebsbedingungen erzeugt werden. Sie führen im Wesentlichen zu einer Reduktion der Schalt-geschwindigkeit sowie zur Drift der Einsatzspannung, zwei der wichtigsten Parameter von Halbleiterbauelementen. Obwohl die Defektcharakterisierung und deren Modellierung in den letzten Jahrzehnten viel Aufmerksamkeit erfuhr, sind die exakten Ursachen und physikalischen Eigenschaften noch immer nicht zur Gänze erforscht. Bisher haben intensive Untersuchungen von modernsten nur wenige zehn Nanometer kleinen Transistoren schon einen Einblick in das elektrische Verhalten von Einzeldefekten und deren Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften sowie die Lebensdauer ermöglicht. In diesem CD Labor stehen der vollständigen Erforschung der Defekte zwei spannende Herausforderungen gegenüber. Das ist zum einen die Untersuchung von Technologien, bei welchen nur wenige Nanometer kleine Transistoren technologisch nicht relevant sind, und somit einzelne Defekte messtechnisch nicht aufgelöst werden können. Zum anderen weisen großen Strukturen eine Vielzahl von Defekten auf, was ebenfalls kontraproduktiv für die detaillierte messtechnische Erfassung einzelner Defekte ist. Um jedoch auch in großen Strukturen einzelne Defekte auf mikroskopischem Niveau erfassen zu können, baut die Forschung im CD Labor auf die sogenannte „Zoom and Scan“ Methodik, welche erstmals die Einzeldefektspektroskopie für nicht skalierte Technologien ermöglicht. Die dafür notwendigen Messungen sind allerdings sehr aufwendig und es steht derzeit kein geeignetes Messystem zur Verfügung. Dieses wird unter anderem im Rahmen dieses CD Labors entwickelt und optimiert, und anschließend für die industrielle Praxis eingesetzt. Zusätzlich zu den messtechnischen Anforderungen stellt die physikalische Modellierung und Interpretation der Messdaten eine weitere spannende Herausforderung dar. Dazu werden bestehende Simulationsmodelle aufgegriffen und weiterentwickelt, um unter anderem neben den elektrischen und transienten Eigenschaften der Einzeldefekte Effekte wie niederfrequentes Rauschen, Hysterese, Drift der Einsatzspannung oder Oxiddurchbruch zu erklären. Diese Modelle und Werkzeuge gehen weit über den aktuellen Stand der Technik hinaus, und werden wesentlich zum Verständnis und zur Optimierung von Produkten der Halbleitertechnologie beitragen.