Magnetron-Sputteranlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurden amorphe, halbleitende Dünnschichten bei Zimmertemperatur auf Glassubstraten abgeschieden und deren Eigenschaften für die Nutzung in Bauelementen wie Schottkydioden vor allem aber Feldeffektund Inverterstrukturen untersucht und optimiert. Dafür wurden ausschließlich Ausgangsmaterialien verwendet, welche nicht als kritische Rohstoffe eingeordnet sind. Als transparentes halbleitendes Material wurde Zink-Zinn-Oxid genutzt und der Einfluss des Zink/Zinn-Verhältnisses auf elektrische Transporteigenschaften und Bauelementparameter untersucht. Hierfür wurde das bewilligte Großgerät im Co-Sputtermodus eingesetzt, d.h. Sputtertargets der binären Endkomponenten ZnO und SnO2 wurden simultan abgetragen und das Verhältnis der an den Targets anliegenden Sputterleitung bestimmt das Verhältnis der Kationenkonzentration in den Zink-Zinn-Oxid Dünnschichten. Für ausgewählte Zink/Zinn- Verhältnisse wurde der Einfluss des Sauerstoffpartialdruckes auf die Transporteigenschaften studiert. Auf Basis dieser Daten wurde ein für die Nutzung in Feldeffektstrukturen optimierter Sputterprozess für dünne (Dicke unter 30 nm) Zink-Zinn-Oxid Schichten entwickelt. In der Prozessführung spielt insbesondere die Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes bei Beginn und am Ende der Abscheidung eine wichtige Rolle, um die elektrische Leitfähigkeit an der Substrat/Dünnfilm Grenzfläche und an der Dünnfilmoberfläche zu limitieren. Die Sputteranlage wurde ebenfalls für die Herstellung der Gatekontakte der Feldeffekttransistoren eingesetzt. Aus vergleichenden Studien zur Abscheidung von Schottky-Gatekontakten ging hervor, dass der große Target-Substrat Abstand der „long-throw“ Sputteranlage äußerst vorteilhaft ist, da dadurch kaum hochenergetische Teilchen auf die Dünnfilmoberfläche gelangen und die Bildung von Defekten während der Metallabscheidung unterdrückt wird. Zinkoxynitrid (ZnON) ist ein amorpher Halbleiter mit äußerst hoher Elektronenbeweglichkeit. Die bewilligte Sputteranlage erlaubt es, verschiedene Prozessgase in einem Prozess zu verwenden, was die Abscheidung von ZnON-Dünnschichten von metallischen Zn Targets in einer Mischung aus Ar/O2/N2 ermöglicht. Derartige Schichten wurden bei Zimmertemperatur abgeschieden und optimierte Abscheidebedingungen bestimmt. Die Vorbehandlung des Targets als auch ein Ausheizschritt bei 200°C nach der Abscheidung sind für hohe Elektronenbeweglichkeit von 65 cm2/Vs in den Dünnfilmen notwendig. Schottkydioden und Feldeffektstrukturen wurden wie oben in der Sputterkammer auf die Filme abgeschieden und deren Eigenschaften analysiert. Die Sputterkammer wurde auch für die Abscheidung von dielektrischen Schichten genutzt. Diese werden in MIS-Dioden, MISFETs aber auch zur Isolierung verschiedener Metallisierungsebenen in größeren Schaltungen wie Ringoszillatoren verwandt. Der große Target-Substrat Abstand erlaubt das konforme Beschichten auch auf größeren Substraten bzw. von mehreren kleineren. Zudem ist aufgrund des Kammeraufbaus die Oberflächenrauigkeit der dielektrischen Schichten äußerst gering. Bisher wurden in der Kammer HfO2 und Al2O3 als dielektrische Schicht dargestellt. Wie schon erwähnt, wirkt sich die geringe kinetische Energie der auf die Probe treffenden Sputterpartikel positiv auf die Eigenschaften von Schottkykontakten aus. Somit wurden in der Kammer Schottkykontakte auch auf kristallinen Dünnfilmen wie ZnO und Ga2O3 abgeschieden. Die gleichrichtenden Eigenschaften dieser Dioden liegen klar über denen in einer herkömmlichen Sputteranlage fabrizierten Dioden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Appl. Phys. Expr. 8, 121102 (2015)
S. Müller, H. von Wenckstern, F. Schmidt, Daniel Splith, F.-L. Schein, H. Frenzel, M. Grundmann
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phys. stat. sol. (a) 212, 1482 (2015)
H. Frenzel, T. Dörfler, P. Schlupp, H. von Wenckstern, M. Grundmann
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J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 213001 (2016)
M. Grundmann, F. Klüpfel, R. Karsthof, P. Schlupp, F.-L. Schein, D. Splith, C. Yang, S. Bitter, H. von Wenckstern
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phys. stat. sol. (a) 213, 1767 (2016)
A. Reinhardt, H. Frenzel, H. von Wenckstern, D.Spemann, M. Grundmann
