Die Leerstelle in Silizium - Bildungsethalpie und ihr Beitrag zur Selbstdiffusion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Punktdefekte im Halbleiter Silizium, ihre gegenseitige Wechselwirkung sowie ihre Wechselwirkung mit Fremdelementen und Dotierstoffen beeinflussen signifikant technologisch relevante Prozesse bei der Halbleiterbauteilfertigung, angefangen bei der Einkristallzucht bis hin zur Dotierung nanoskaliger elektronischer Bauteile. Seit vielen Jahren ist der Beitrag der Leerstelle (V) und des Eigenzwischengitteratoms (I) zur Selbstdiffusion in Silizium Gegenstand lebhafter Diskussionen. Im vorliegenden Projekt wurden daher Experimente zur Selbstdiffusion zwischen 650 und 960 °C durchgeführt, die die existierende unklare und widersprüchliche Literaturlage aufklären sollen. Hierzu wurden zwei unterschiedliche isotopenangereicherte epitaktische Schichtsysteme untersucht: eine Multilagenstruktur bestehend aus 20 [29Si/28Si] Einheiten (ML) wurde mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt und eine dreilagige Sandwichstruktur [nat.Si/28Si/nat.Si] (SW) mit Gasphasenabscheidung (CVD). Die experimentelle Charakterisierung der Selbstdiffusion erfolgte in der ML-Struktur mit Neutronenreflektometrie (NR) und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und in der SW-Struktur ausschließlich mit SIMS. Die an der SW-Struktur gewonnenen Ergebnisse beschreiben die Diffusion im thermischen Gleichgewicht und bestätigen die in der Literatur vorliegenden Daten von Shimizu et al. Die Temperaturabhängigkeit des Selbstdiffusionskoeffizienten lässt sich hervorragend mit V- und I-Beiträgen und mit temperaturabhängigen thermodynamischen Eigenschaften der Leerstelle erklären. Die experimentell gewonnenen Daten an den ML-Strukturen zeigen eine, im Vergleich zu den SW- Strukturen, beschleunigte Diffusion. Diese kann gut unter der Annahme von Leerstellen- (V-C) und Eigenzwischengitteratom-Clustern (I-C) beschrieben werden. Diese Cluster (C) haben sich während der Abscheidung mit MBE gebildet und lösen sich im Verlauf der Diffusionsglühungen mit einer konstanten Rate auf. Die Ratenkonstanten zeigen ein Arrheniusverhalten. Simulationen der SIMS-Tiefenprofile ergaben eine Bindungsenergie von (3.2 ± 0.2) eV für V-C und von (2.1 ± 0.2) eV für I-C. Die vorliegenden Ergebnisse und die zugehörige Interpretation lösen die in der Literatur bestehenden Inkonsistenzen zur Selbst- und Fremddiffusion in Silizium auf und geben eine schlüssige Beschreibung der Selbstdiffusion auch bei niedrigen Temperaturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Self-diffusion in MBE-grown Silicon at Low Temperatures, Bunsen Colloquium „Diffusion in Solids - Methods, Models, and Materials“, Hannover, 2011
H. Schmidt, E. Hüger, H. Bracht, R. Kube
- Silicon self-diffusion in isotope multilayers at low temperatures, ausgezeichnet mit Posterpreis, 8th International Conference on Diffusion in Materials (DIMAT), Dijon, 2011
R. Kube, H. Bracht, H. Schmidt, E. Hüger
- Temperature dependence of silicon selfdiffusion, 48. Punktdefekttreffen, Dresden, 2011
R. Kube, H. Bracht, H. Schmidt, E. Hüger
- A neutron reflectometry study on silicon self-diffusion at 900 °C, Physica Status Solidi B 11 (2012), 2108
E. Hüger, R. Kube, H. Bracht, J. Stahn, T. Geue, H. Schmidt
- Atomare Mechanismen der Selbst- und Dotieratomdiffusion im Silizium-Germanium-Legierungssystem, Dissertation, WWU Münster 2012
R. Kube
- Properties of point defects in silicon: new results after a long-time debate, eingeladener Vortrag zur 15th Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology (GADEST) Konferenz, Oxford (United Kingdom) 22.-27. September 2013
H. Bracht, R. Kube, E. Hüger, H. Schmidt
