Präparation geeigneter MIS-Strukturen

Abb 2.11(a) zeigt den schematischen Aufbau einer MIS-Struktur unter einer Vorspan-nung. Sowohl auf Vorder- als auch Rückseite müssen metallische Kontakte aufgebracht sein, zwischen denen die äußere Spannung angelegt wird. Diese führt zu Akkumulation von Ladungen im Silizium und an der Metall/Isolator-Grenzfläche. Um Einflüsse des Rückkontaktes zu minimieren, sollte er ein ohmsches Strom-Spannungsverhalten mit ei-nem möglichst geringen Kontaktwiderstand aufweisen.

Die Korrelation von CV-Ergebnissen mit denen aus Photoleitfähigkeitsmessungen stellt folgende Anforderungen an den Herstellungsprozess der MIS-Struktur: Zum einen darf die Passivierung der Al₂O₃-Schicht durch die Metallisierung nicht beeinflusst werden.

Weiterhin muss der ohmsche Rückkontakt ohne Temperaturschritt erzeugt werden kön-nen, da bereits Temperaturen von über 300°C die Passivierung der Schicht beeinflussen [32]. Bei symmetrisch beschichteten Proben zur Messung der effektiven Ladungsträger-lebensdauer wird diese Rückseitenkontaktierung durch die isolierende Passivierschicht zwischen Metall und Substrat zusätzlich behindert. Die Tests zur Präparation geeigneter MIS-Strukturen sind in einer begleitenden Diplomarbeit [59] durchgeführt worden und die im Folgenden dargestellten Ergebnisse daraus entnommen.

Eine Möglichkeit, gute elektrische Kontakte durch dünne Isolatoren zu präparieren, sind LFCs (Laser Fired Contacts) [60]. Durch einen Laserpuls wird ein dünner Alu-miniumfilm lokal aufgeschmolzen und durch den Isolator in das Si-Substrat getrieben.

In p-Typ Silizium entsteht der Kontakt durch Ausbildung lokaler p⁺-Bereiche infolge des Einlegierens von Aluminium in Silizium [61]. Da für die Kontaktierung mit LFCs kein Temperschritt erforderlich ist, wird in dieser Arbeit eine MIS-Struktur mit dieser Rückkontakt-Präparation, dargestellt in Abb. 2.11(b), angestrebt.

Test der LFC-Rückkontaktierung

Die Kontaktierung mit LFCs durch Isolatoren kann von Material und Dicke des Isola-tors sowie der Dicke der Aluminium-Schicht abhängen. Um zu testen, ob die LFCs die Al₂O₃-Schicht durchdringen und das Silizium kontaktieren können, werden

symmetri-28 KAPITEL 2. CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN

Abbildung 2.11– Schematischer Aufbau einer MIS-Struktur: (a) allgemein unter Vorspan-nung; (b) in dieser Arbeit verwendete Probenstruktur.

sche Teststrukturen, die in Abb. 2.12(a) dargestellt sind, prozessiert und die Stromdichte in einem Spannungsintervall von 0 bis 10 V gemessen. Das Aluminium wird mit einem Elektronenstrahlverdampfer auf die Al₂O₃-Schicht aufgebracht. Es wird sowohl die Dicke der Al₂O₃-Schicht als auch die Dicke der Al-Schicht variiert. Der Präparation der LFCs verwendete Laser ist ein Nd:YAG-Laser (Rofin-Sinar 100 D) mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Pro LFC wird genau ein Laserpuls verwendet. Bei einem Pumpenstrom von 38 A, einer Vorschubgeschwindigkeit von 800 mm/s und einer Pulsfrequenz von 300 Hz ergeben sich die in Abb. 2.12(b) dargestellten IV-Kurven für die verschiedenen Al₂O₃ -und Al-Dicken. Dabei bezieht sich die Flächennormierung auf die metallisierte Fläche.

Die Flächendichte der LFCs bei den benutzten Parametern beträgt etwa 25 LFCs pro Quadratzentimeter. Vor der Erzeugung der LFCs liegt der Strom durch die Struktur un-terhalb der Messgrenze des Gerätes. Nach der LFC-Präparation zeigen sich nahezu

ohm-Al O2 3

Abbildung 2.12– Tests zur ohmschen Rückkontaktierung für MIS-Strukturen mittels LFCs:

(a) schematischer Aufbau der Teststruktur; (b) IV-Kurven der Teststrukturen mit verschiede-nen Al₂O₃- und Al-Dicken.

2.3. KAPAZITÄT-SPANNUNGS-MESSUNGEN 29

Abbildung 2.13 – Lichtmikroskopbild eines LFC-Kontaktes auf einem 0,5 µm dünnen Al-Film.

sche Kennlinien mit relativ hohen Stromdichten. Der Widerstand wird mit zunehmender Al₂O₃- und Al-Dicke nur leicht größer. Bei allen Parametern kann eine erfolgreiche ohm-sche Kontaktierung des Siliziums durch die Al₂O₃-Schicht gemessen werden. Abb. 2.13 zeigt ein Lichtmikroskopbild eines LFC-Kontaktes auf einem 0,5 µm dünnen Al-Film.

Auch bei Al₂O₃/SiN_y:H-Schichtstapeln mit SiN_y:H-Dicken von 300 nm können ohmsche Kontaktierungen durch LFCs ermöglicht werden [62]. Daher ist die LFC-Methode für die Rückseitenkontaktierung der MIS-Strukturen ohne Temperschritte geeignet.

Einfluss des Metallisierungsprozesses

Die effektiven Ladungsträgerlebensdauern sollen mit den aus CV-Messungen extrahier-ten Werextrahier-ten für feste Ladungen und Grenzflächenzustandsdichextrahier-ten korreliert werden. Da-für muss gewährleistet werden, dass die Metallisierung mit Aluminium keinen Einfluss auf diese Größen hat. Dies kann getestet werden, indem die effektive Ladungsträgerle-bensdauer von mit Al₂O₃ passivierten Si-Substraten vor und nach Metallisierung vergli-chen wird. Da Photoleitfähigkeitsmessungen metallisierter Proben nur bedingt sinnvoll sind, muss das aufgebrachte Aluminium vor der Messung entfernt werden. Tests mit kon-zentrierter HCl (37 %) zeigen eine mehr als zehnfach höhere Ätzrate von Al im Vergleich zu Al₂O₃ [59]. Daher ist konzentrierte HCl gut geeignet, um Al von der Al₂O₃-Schicht zu entfernen, ohne diese zu stark anzugreifen. Folgende Metallisierungen von Alumini-um sind getestet worden: Elektronenstrahlverdampfen, thermisches Verdampfen sowie Sputtern mit Argon. Abb. 2.14(a) zeigt das Prozessflussdiagramm. Nach beidseitiger Passivierung des Substrats wird etwa 1 µm Aluminium nach den verschiedenen Verfah-ren beidseitig aufgebracht und mit konzentrierter HCl wieder abgenommen. Sowohl vor Metallisierung als auch nach Metallabtrag wird die Passivierung bestimmt. Abb. 2.14(b) zeigt die bei einem Injektionslevel von 1×10¹⁵cm^-3 gemessenen τ_eff-Werte. Es ist eine starke Reduktion der Passivierung infolge der Metallisierung durch Elektronenstrahl-verdampfen erkennbar. Dieser Effekt wurde bereits bei thermischen SiO₂-Schichten auf Si-Substraten festgestellt [63]. Die Verringerung der effektiven Ladungsträgerlebensdau-er wird auf die Erhöhung dLadungsträgerlebensdau-er elektronischen Zustandsdichte an dLadungsträgerlebensdau-er Si/SiO₂-Grenzfläche

30 KAPITEL 2. CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN

Passivierung des Si-Substrates teff- Messung 1

Metallisierung mit Al (1 µm Dicke) Entfernen des Al mit HCl

teff- Messung 2 Tempern mit T~300°C

teff- Messung 3

(a)

0123456 32

τeff [ms]

E l e k t r o n e n s t r a h l T h e r m i s c h S p u t t e r n

τ_{e f f} - M e s s u n g

1

(b)

Abbildung 2.14 – Experiment zur Untersuchung des Einflusses der Metallisierung auf die Al₂O₃-Passivierung: (a) Prozessflussdiagramm; (b) Effektive Ladungsträgerlebensdauern bei einem Injektionslevel von 1×10¹⁵cm^-3. Die Linien dienen der Veranschaulichung.

infolge des Beschusses mit hochenergetischer Röntgenstrahlung zurückgeführt. Diese Strahlung entsteht, wenn die hochenergetischen Elektronen auf das zu verdampfende Aluminium treffen [64]. Analog zu den Ergebnissen mit SiO₂ in [63] kann der Scha-den durch die Röntgenstrahlung auch beim Al₂O₃ durch einen weiteren Temperschritt bei etwa 300°C für 30 Minuten z.T. wieder ausgeheilt werden (vgl. Messung 2 und 3).

Eine Schädigung der Al₂O₃-Passivierung wird auch bei der Metallisierung durch Sput-tern festgestellt. Beim SputSput-tern von Aluminium mit Ar-Plasma entstehen hochenerge-tische Teilchen, z.B. gesputterte Al-Ionen oder am Sputtertarget reflektierte, neutrale Ar-Atome, die auf den zu beschichteten Materialen Schäden verursachen können. Dies wird häufig bei organischen Materialien für Leuchtdioden beobachtet [65, 66]. Beim thermischen Verdampfen von Aluminium wird die Passivierung der Al₂O₃-Schicht nicht messbar beeinflusst. Folglich ist hier kein Ausheilschritt nötig. Daher ist diese Methode

(a) (b)

Abbildung 2.15 – Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen einer thermisch aufgedampften Al-Schicht: (a) von oben; (b) von einem mittels fokussiertem Ionenstrahl erzeugten Querschnitt der Schicht.

2.3. KAPAZITÄT-SPANNUNGS-MESSUNGEN 31 für die Herstellung der MIS-Strukturen geeignet.

In Abb. 2.15 sind Rasterelektronenmikroskop- (REM) Aufnahmen einer thermisch auf-gedampften Al-Schicht dargestellt. Abb 2.15(a) zeigt die Schicht von oben; Abb. 2.15(b) zeigt einen mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) erzeugten Querschnitt durch die Schicht. Beide Aufnahmen demonstrieren, dass die Schicht relativ rau ist. Mit energiedi-spersiver Röntgenspektroskopie (EDX) wurde jedoch eine relativ hohe Reinheit des auf-gedampften Aluminiums von 95 Atomprozent nachgewiesen. Die restlichen 5 Atomprozent bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff, wobei hier nicht ausgeschlos-sen werden kann, dass der Kohlenstoff aus der Kammer des Elektronenmikroskops stammt, sodass die tatsächliche Reinheit des aufgedampften Aluminiums höher als 95 Atomprozent ist.

Die Untersuchungen demonstrieren, dass mittels thermischem Verdampfen von Alu-minium und ohmscher Kontaktierung durch LFCs eine Teststruktur präpariert werden kann, mit der am selben Volumenmaterial sowohl Photoleitfähigkeitsmessungen als auch CV-Messungen durchgeführt und deren Ergebnisse korreliert werden können.