CV-Messungen an geätzten epitaktisch gewachsenen Schichten

Diplomarbeit von Björn Hoffmann

Einleitung:

In der heutigen Zeit werden in immer mehr Geräten Halbleiterbauelemente eingesetzt. Unter der Zielsetzung, möglichst viele Strukturen auf einer Fläche unterzubringen, haben sich Ätztechniken zu einem der wichtigsten Werkzeuge bei der Herstellung von Halbleiter-Mikrostrukturen entwickelt.

Jede Weiterentwicklung der Ätztechnik erlaubt die genauere Kontrolle der Ätzrate, der Selektivität, der Flankensteilheit, der immer besseren Reproduzierbarkeit des Ätzvorganges und dergleichen mehr. Jede Ätztechnik schädigt aber auch den zu ätzenden Halbleiterkristall. So ist die Auswahl einer Ätztechnik ein Abwägen der Vorteile und Nachteile.

Dabei zeigt sich, daß trotz der mehr als fünfzigjährigen Forschung über Halbleiter bzw. Halbleiterbauelemente auch heute noch neue Erkentnisse in diesem Bereich gewonnen werden. Ebenso müssen die vorhandenen physikalischen Modelle für die neuen Anforderungen und Techniken angepaßt oder erweitert werden.

Mit der zunehmenden Nutzung der in den siebziger Jahren entwickelten epitaktischen Herstellungsverfahren für Halbleiter, wie der Molekularstrahlepitaxie (MBE) und der Metall-Organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD), ist es heute möglich, Halbleiter-Heterostrukturen aus dem Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Materialsystem herzustellen. Solche Strukturen finden heute ihren Nutzen in der Herstellung von schnellen Bauteilen, wie sie in der Nachrichten- und Optoelektronik verwendet werden.

Diese Diplomarbeit im Rahmen eines BMBF-Projektes 1 am Mikrostrukturzentrum der Universität Hamburg untersucht die durch einen LAIBE-Prozeß verursachte Schädigung eines GaAs-Halbleiters. Ziel ist es die Art und Tiefe der Schäden in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des CAIBE-Prozesses zu untersuchen.

Die Ätzung findet in-situ in einer an die MBE-Anlage des Mikrostrukturzentrums Hamburg angeschlossenen Prozeßkammer statt. Die Dotierung des Halbleiters in Abhängigkeit von der Tiefe wird durch die CV-Meßmethode ermittelt. Der Kontakt auf der Halbleiteroberfläche erfolgt dabei durch einen Metall-Halbleiter-Kontakt, der zu einer Bandverbiegung an der Oberfläche des Halbleiters führt. Bei der CV-Messung wird der Strom zur Wiederherstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes innerhalb des Systems gemessen, nachdem das System kontrolliert aus dem Gleichgewicht gebracht worden ist. Unter Berücksichtigung der Bandverbiegung kann aus diesem Strom die Ladungs- und Störstellenkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe berechnet werden. Der Aufbau des dazu notwendigen Meßplatzes ist Teil der Diplomarbeit. Es werden verschiedene Parameter des LAIBE-Prozesses variiert, um ein mögliches Optimum der geringsten Schädigung zu finden.

Gang der Untersuchung:

Die Grundlage dieser Diplomarbeit bildet die Darstellung der Eigenschaften des Halbleiters GaAs im Kapitel 2. Die Beschreibung des zugrundeliegenden Ladungsträgertransportes im Halbleiter findet sich in Kapitel 3. Mögliche Störstellen innerhalb des Halbleiters, die zu einer Veränderung des Stromflusses führen können, werden im Kapitel 4 beschrieben. In Kapitel 5 wird der zur Messung notwendige Metall-Halbleiter-Kontakt in seiner idealen und realen Form dargestellt. Mit diesen Grundlagen wird die Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontaktes berechnet werden.

Die folgenden Abschnitte befassen sich mit der Herstellung der Proben. Ka-pitel 6 behandelt die zum Probenwachstum notwendige MBE-Technik und Kapitel 9 die Schritte, die zum Aufbringen eines Metall-Halbleiter-Kontaktes notwendig sind. Die Kapitel 7 und 8 schildern die verwendeten Ätztechniken und ihre allgemeine Auswirkung auf den Halbleiterkristall. Der verwendete Meßaufbau wird in Kapitel 10 ebenso wie begrenzende Faktoren dargestellt. Die Auswertung findet sich im Kapitel 12. Die Zusammenfassung der Ergebnisse ist der Inhalt von Kapitel 13.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	4
2.	Der Ga-As-Kristall	6
2.1	Kristallstruktur	6
2.2	Bandstrukturen	7
3.	Ladungsträgertransport	14
3.1	Theorie des Stromflusses	14
3.2	Mechanismen des Stromtransportes	17
3.2.1	Thermischer Emissionsstrom	18
3.2.2	Quantenmechanischer Tunnelstrom	19
3.2.3	Rekombinationsstrom	20
4.	Kristalldefekte	21
4.1	Einteilung der Kristalldefekte	21
4.1.1	Atomare Fehlstellen	22
4.1.2	Versetzungen	23
4.1.3	Grenzflächen	23
4.1.4	Ausscheidungen und Einschlüsse	25
4.2	Auswirkungen der Kristalldefekte	25
5.	Metall-Halbleiter-Kontakt	28
5.1	Idealer Metall-Halbleiter-Kontakt	28
5.2	Realer Metall-Halbleiter-Kontakt	30
5.3	Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontaktes	32
5.3.1	Kontakt mit homogener Dotierung	34
5.3.2	Störstellen gleichen Dotiertyps	35
5.3.3	Störstellen unterschiedlichen Dotiertyps	37
5.3.4	Kontakt mit Isolierschicht	38
6.	Molekularstrahlepitaxie	40
7.	Ätzschäden	43
7.1	Chemische Veränderungen	43
7.2	Physikalische Veränderungen	44
8.	Ätztechniken	46
8.1	Naßchemisches Ätzen	46
8.1.1	Naßchemisches Ätzen von GaAs	47
8.2	lonenstrahlätzen	48
8.3	CGE	50
8.4	CAIBE	51
9.	Probenpräparation	54
9.1	Spalten der Wafer	54
9.2	Naßchemisches Reinigen der Proben	55
9.3	Photolithographie	55
9.4	Aufdampfen der Metallschicht	55
9.5	Rückkontaktieren der Probe	56
10.	Meßaufbau	57
10.1	Meßprinzip	57
10.2	Meßaufbau	58
11.	Meßfehler	60
12.	Auswertung und Ergebnisse	65
12.1	Auswirkung des naßchemischen Abtrags	65
12.2	Tiefe Störstellen	67
12.3	Tiefe der Schädigung	68
12.4	Auswirkung der Ionenenergie	69
12.5	Temperatureinfluß	71
12.6	Vergleich weiterer Ätztechniken	74
13.	Zusammenfassung	77
A.	Probenliste	79
B.	Danksagung	82
C.	Erklärung	84