05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Monolithische Integration von Millimeterwellenbauelementen auf rückseitenstrukturiertem Silizium(2007) Hasch, Jürgen; Kasper, Erich (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit untersucht die monolithische Integration aktiver und passiver Millimeterwellen-Komponenten auf hochohmigem Silizium in der sogenannten Silicon Millimeter Wave Integrated Circuit (SIMMWIC)-Technologie. Ziel ist es, mit Hilfe von Standard-Prozessen aus der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, ein Integrationskonzept darzustellen, mit dem sich der Hochfrequenzteil eines Radar-Sensors als monolithisch integrierte Schaltung im Millimeterwellenbereich realisieren lässt. Ein solcher Hochfrequenzteil besteht zumindest aus Sendesignalerzeugung, passiven Strukturen zur Signalverteilung, einem Antennenelement als Schnittstelle zu den elektromagnetischen Wellen im Freiraum und einer Empfängerschaltung, die typischerweise in Form eines Mischers ausgeführt wird. Der Einsatz eines solchen "Radar-ICs" als komplett monolithisch integrierte Schaltung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bisher verbreiteten Aufbau aus diskreten Komponenten. So kann durch den Wegfall diskreter Hochfrequenz-Komponenten die Anzahl der eingesetzten Bauelemente reduziert und die Baugröße des Sensors verringert werden. Durch die Integration aller Hochfrequenz-Komponenten ist außerdem eine wesentlich vereinfachte elektrische Kontaktierung möglich, da keine Hochfrequenzsignale von der Halbleiterschaltung nach außen geführt werden müssen. Dies ermöglicht auch den Einsatz einer einfachen Leiterplattentechnologie für die umgebenden Schaltungskomponenten. Durch den Einsatz einer Standard-Backend-Technologie aus der Mikroelektronik können Leiterstrukturen im Mikrometerbereich realisiert werden. Dies erlaubt die präzise Herstellung von Schaltungskomponenten mit sehr geringen Abmessungen, eine Voraussetzung für Arbeitsfrequenzen oberhalb von 100 GHz. Zusätzlich zur Strukturierung der Leiterstrukturen auf der Oberseite des Siliziumwafers, wird mit Hilfe eines Verfahrens zum anisotropen Ätzen von Silizium (dem sogenannten Bosch-Prozess) die Rückseite des Siliziumwafers selektiv rückgedünnt, damit dort partiell eine dünne Siliziummembran entsteht. Im Bereich dieser Membran können Mikrostreifenleitungsstrukturen mit sehr günstigen Hochfrequenzeigenschaften und einer Leitungsdämpfung von weniger als 0,3 dB/mm für den Frequenzbereich von 90-140 GHz realisiert werden. Diese günstigen Eigenschaften konnten durch messtechnische Untersuchung nachgewiesen werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Integrationskonzeptes ist die Verfügbarkeit eines integrierten Antennenelements. Erst damit ist eine vollständige monolithische Integration der grundlegenden Millimeterwellenkomponenten auf der Siliziumschaltung erreicht. Dazu wurde eine Mikrostreifen-Patchantenne untersucht und charakterisiert. Trotz der hohen Permittivität von Silizium konnte gezeigt werden, dass sich ein Patch-Antennenelement auf Basis von Mikrostreifenleitungen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50% realisieren lässt. Die Integration aktiver Bauelemente wurde anhand einer Impatt-Diode untersucht, die mittels Molecular Beam Epitaxy direkt auf dem Siliziumwafer hergestellt wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Halbleiterschichten mit einer genau definierten Schichtdicke und Dotierung erzeugt werden. Durch aufeinander folgendes Abscheiden mehrerer dotierter Halbleiterschichten und anschließendem selektiven Ätzen konnten Impatt-Dioden mit Lawinenfrequenzen von bis zu 110 GHz hergestellt und gemessen werden. Die Impatt-Dioden wurden bis 140 GHz messtechnisch in ihren Kleinsignaleigenschaften charakterisiert. Durch Parameterextraktion konnte ein einfaches Ersatzschaltbild für die Impatt-Diode bestimmt und das Hochfrequenzverhalten der Diode in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt untersucht werden. Basierend auf einer Impatt-Diode als aktivem Element wurden Oszillatoren auf Basis von Koplanarleitungen entworfen und charakterisiert. Es konnten Oszillatoren mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 124 GHz bei 1dBm Ausgangsleistung realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung wurde für einen 104 GHz-Oszillator mit 11,4dBm erreicht. Abschließend wurde eine Transmitterschaltung entworfen und realisiert, die mikromechanisch strukturierte passive Strukturen und aktive Bauelemente in Form von Impatt-Dioden enthält.Item Open Access Methode zur Bestimmung der Adatomkonzentration von Dotierstoffen(2003) Oehme, Michael; Kasper, Erich (Prof. Dr. phil.)Die vorliegende Arbeit beschreibt eine neue Methode für die Untersuchung der Oberflächensegregation von Dotierstoffen und diese basiert auf einer definierten Epitaxiesequenz. Das Wachstum dieser Schichtsysteme erfolgt mit der Methode der Molekularstrahlepitaxie. Mit einer ex-situ Tiefenprofilanalyse wird die Oberflächenkonzentration berechnet und die zugehörige Volumenkonzentration der Dotieratome direkt bestimmt. Dieses Experiment findet besonders Anwendung für Dotierstoffe mit einer Segregationsweite im Bereich einiger Nanometer, bei der übliche Verfahren versagen. Die Wachstumsparameter Siliziumrate und Dotierfluß werden innerhalb einer Probe konstant gehalten. Nur die Wachstumstemperatur wird während des Prozesses definiert geändert. Eine anschließende Schichtanalyse mißt die Tiefenverteilung der absoluten Konzentration der Dotieratome. Durch die definierten Temperatursprünge entsteht ein Konzentrationsprofil, aus dem sich zu jedem Sprung die zugehörige relative Änderung der Oberflächenkonzentration der Dotieradatome ermitteln läßt. Bei geeigneter Wahl der Referenztemperatur können sogar die zur Untersuchungstemperatur zugehörigen absoluten Konzentrationen der Adatome des Dotierstoffs bestimmt werden. Zusätzlich liefert die Tiefenprofilanalyse die zugehörige Volumenkonzentration. Aus diesen beiden Meßwerten berechnet sich die Segregationsweite. Am Beispiel der Dotierung des Elements Bor in Silizium mit einer (100) Oberfläche wird das Basisexperiment in seiner Anwendung ausführlich demonstriert. Zu jeder Gleichgewichtsdotierung in Abhängigkeit der Wachstumstemperatur läßt sich die zugehörige Adatomkonzentration bestimmen. Diese neue Methode liefert Daten für die Erzeugung eines scharfen Dotierprofils, indem vor dem Schichtwachstum die notwendige Borvorbelegung aufgelegt wird. Der Einfluß von Siliziumionen auf die Segregationseigenschaften bei der Dotierung von Silizium mit Bor wird mit dem Basisexperiment untersucht. Dabei ergibt sich eine Erhöhung der Oberflächenkonzentration der Boradatome nur durch das angelegte Substratpotential ab einer Spannung von 200 V. Der Ionenbeschuß vergrößert somit die Segregationsweite. Weiterhin läßt sich unter diesen Bedingungen auch eine Konzentrationsabhängigkeit der Borsegregation nachweisen. In weiteren Experimenten wird die Temperaturabhängigkeit der Segregation und der maximale Einbau von Bor in Silizium untersucht. Als zweite Anwendungsmöglichkeit des Basisexperiments werden die Segregationseigenschaften von Kohlenstoff im Material Silizium analysiert. In der aktuellen Forschung gewinnt das Materialsystem Silizium-Germanium mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff, welcher im Dotierkonzentrationsbereich liegt, immer mehr an Bedeutung. Die Segregationseigenschaften dieses Systems sind bisher kaum untersucht worden. Jedoch bietet das Basisexperiment dafür die idealen Voraussetzungen. In dieser Arbeit wird die Segregation der Elemente Bor und Kohlenstoff im Materialsystem Silizium-Germanium mit Germaniumgehalten von 20% und 33% untersucht. Abschließend wird das Wachstum zweier spezieller Bauelementstrukturen vorgestellt, bei denen die Ergebnisse des Basisexperiments für die benötigten scharfen Dotierprofile eingesetzt werden.Item Open Access CMOS auf hochohmigem Silizium für integrierte Mikrowellenschaltungen (MMIC)(1999) Beck, Dietmar; Kasper, Erich (Prof. Dr. phil.)Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Integrationsmöglichkeit von Silizium Millimeter-Wellen-IC-Hochfrequenztechnologie (SIMMWIC) und CMOS-Technik. SIMMWIC ist eine auf der Silizium-Halbleitertechnik basierende Technologie zur Herstellung aktiver (z.B. Hetero-Bipolar-Transistoren, Schottky-Dioden) und passiver (z.B. Wellenleiterstrukturen) auf einem Silizium-Substrat. Diese Schaltungen können bis zu Frequenzen von rund 100 GHz eingesetzt werden und erlauben aufgrund ihrer hohen Betriebsfrequenz und damit verbunden kleiner Wellenlänge eine Integration kompletter Schaltungen auf kleinstem Raum. Der Wunsch nach Integration dieser Technologie mit der etablierten CMOS-Technologie basiert auf dem Streben nach geringen Fertigungskosten und einer damit verbundenen weiten Marktdurchdringung von Hoch- und Höchstfrequenzschaltungen. Ausgangspunkt war die Übertragung eines Aluminium-Gate-CMOS-Prozesses auf hochohmiges (5000 Ohm cm) zonen-gereinigtes (float zone, FZ) Silizium und die vergleichende Charakterisierung von Bauelementen und Schaltungen beider Technologien. Damit konnte die prinzipielle Darstellbarkeit von MOS-Transistoren auf FZ-Silizium gezeigt werden. An einer der drei untersuchten Prozeßvarianten konnten zudem ausgeprägte Kurzkanaleffekte auch an lang-kanaligen Bauelementen beobachtet werden. Verbunden mit diesen Kurzkanaleffekten konnte die Ausbildung leitender Oberflächenkanäle beobachtet werden, die auch bei verschwindend geringen Oxidladungsdichten auf p-leitendem hochohmigem Silizium auftreten. Zur Charaktersisierung verschiedener Technologieparameter mußte auf spezielle Meßmethoden wie Spreading Resistance-Messungen bei hochohimgem Silizium und Tieftemperatur-Kapazitäts-Spannungs-Messungen zurückgegriffen werden. Abschließend konnten verschiedene Aspekte der Integration von CMOS- und SIMMWIC-Technologie-Schritten bearbeitet werden, die eine grundsätzliche Integrationsfähigkeit bestätigen.Item Open Access Silizium Oberwellenmischer für den Mikrowellenbereich(2002) Zhao, Weiwei; Kasper, Erich (Prof. Dr.)Bestandteil der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Aluminium-Metallisierung für die koplanare SIMMWIC-Technologie (SIMMWIC, Silicon based Monolithic MicroWave Integrated Circuits) und die Realisierung der Mikrowellenkomponente, des 38GHz Oberwellenmischers. Durch die tiefgehende Untersuchung der Verlustmechanismen der Aluminium-Koplanarleitung (CPW, CoPlanar Waveguide) wurde der Verlustanteil von Interface-Ladungsträgern (Interface Losses) in einer CPW festgestellt. Dieser Anteil ist von der Bias-Spannung abhängig und kann durch eine angelegte Spannung in einem grossen Bereich variieren. Die Al-CPW bildet mit der Isolationsschicht (SiO2) und dem Silizium-Substrat einen MOS-Varaktor (MOS, Metal-Oxid-Semiconductor). Der optimale Betriebszustand der CPW für geringe Leitungsdämpfung ist der Verarmungsbereich des MOS-Varaktors. Um diesen Zustand ohne zusätzliche Bias-Spannung (sogenannten "Zero-Bias"-Betrieb) zu erreichen, ist eine sehr gute Qualität der Isolationsschicht (SiO2) zwischen den Aluminium-Leiterbahnen und dem Silizium-Substrat erforderlich. Für das Design von SIMMWIC-Schaltungen ist unbedingt zu beachten, dass die Versorgungsleitungen von den HF-Signalleitungen weitestgehend getrennt sein müssen, damit keine DC-Spannung auf die HF-Signalleitung angelegt wird und der MOS-Varaktor im Verarmungsbereich bleibt. Die verlustarme Aluminium-Koplanarleitung auf dem hochohmigen FZ-Silizium-Substrat (FZ, Float Zone, rho(Si)>1000Ohm.cm) ist unter dieser Voraussetzung realisiert. Das Messergebnis zeigte auch, dass sogar das mediumohmige Substrat (CZ-Si, Czochralski, rho(Si)>50Ohmcm) mit dem koplanaren Design bei kleinen Dimensionen für die Mikrowellenanwendungen verwendet werden kann. Die Al-Metallisierung ist geeignet für die Mikrowellenanwendungen. Dies öffnet ein Tor zur monolithischen Integration der SIMMWIC-Schaltungen mit den analogen und digitalen Schaltungen mit der Standard-Silizium-Technologie der Mikroelektronik. Mit dieser koplanaren SIMMWIC-Technologie (Al-Metallisierung) wurde eine Mikrowellenkomponente, der 38GHz Oberwellenmischer (OWM), realisiert. Bei der hybriden Version waren die Schottky-Dioden auf die Mischerschaltung "Flip Chip" gebondet. Im monolithischen OWM waren die Schottky-Dioden monolithisch integriert. Der hybride OWM zeigte gute HF-Eigenschaften. Mit Hilfe eines Lokaloszillators bei 4,6GHz mischt der OWM das Mikrowellen-Signal bei 38GHz auf 1,2GHz herunter. Dies ermöglicht die Verarbeitung des Mikrowellen-Signals mit Oszillator um 5GHz mit kommerzieller SiGe-Technologie. Die monolithische Version des OWM hat die Realisierbarkeit der Mikrowellenkomponente mit Al-Metallisierung bewiesen.Item Open Access Ionenunterstützte Antimon-Dotierung für die Silizium-Molekularstrahlepitaxie von Bauelementstrukturen(2005) Eifler, Georg; Kasper, Erich (Prof. Dr. phil.)Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist eine geeignete Methode zur Herstellung von aktuellen Höchstfrequenz-Bauelementstrukturen, wie dem Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor (SiGe-HBT) mit einer ultradünnen (< 20 nm), hochdotierten Basis. Die MBE ermöglicht eine starke Reduzierung der Wachstumstemperatur, um Dotier- und Heterostrukturprofile mit Nanometer-Abmessungen zu erzeugen. In diesem Niedrigtemperatur-Bereich mit vernachlässigbarer Volumendiffusion zeigt sich, dass auch die Entmischung der Materialien an der wachsenden Oberfläche durch Segregation zu einer Verschmierung der Profile führt. Die Segregation kann durch eine passende Strategie verhindert werden, wenn das Ausmaß der Segregation in Abhängigkeit der beeinflussenden Parameter bekannt ist. In dieser Arbeit wird eine Wachstumsstrategie für einen npn-SiGe-HBT vorgestellt. Die Strategie und ihre Umsetzung werden anhand der Profile und elektrischen Ergebnisse diskutiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf die exakte Verwirklichung des n-Dotierprofils mit Antimon (Sb) gelegt. Antimon neigt sehr stark zur Segregation, bietet jedoch gegenüber anderen Elementen der V. Hauptgruppe große Vorteile bei der Verdampfung im Ultrahoch-Vakuum (UHV). Als Maß für die Segregation wurde die Segregationsweite D in Abhängigkeit der Wachstumsparameter Temperatur T, Wachstumsrate R und Sb-Oberflächenkonzentration nS bestimmt. Weiterhin wurde die Möglichkeit aufgezeigt, die Segregation durch den Einfluss niederenergetischer Ionen zu unterdrücken. Bei dieser Dotierung mit Sekundärionen (DSI) werden Sb-Oberflächenatome durch im Substratpotenzial beschleunigte Ionen einige Atomlagen tief in den Kristall gestoßen und durch Umordnung der Atome eingebaut. Der Silizium-Elektronenstrahlverdampfer (Si-ESV) ist eine geeignete Ionenquelle, die ohne zusätzlichen Aufwand für das ionenunterstützte MBE-Wachstum genutzt werden kann. Die Generation und Ausbreitung von Ionen sowie deren Einfluss auf die Dotierung wurde anhand des Stroms am Substratkontakt und einer im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit der Akademie der Wissenschaften in Tashkent/Usbekistan entwickelten Ionensonde untersucht. Des Weiteren wurden zur Untersuchung der Segregation und der ionenbedingten Dotierung MBE-Schichten durch das Wachstum mit Vorbelegung unter Variation der entscheidenden Wachstumsparameter hergestellt. Die Ergebnisse der Vierspitzenmessung, der elektrochemischen Kapazitäts-Spannungsmessung (eCV) und der Sekundärionen-Massen-spektroskopie (SIMS) zeigen die Segregationsweite D in Abhängigkeit der beeinflussenden Parameter. Mit den Ergebnissen der Segregation und des ionenbedingten Einbaus können exakte Sb-Dotierprofile mit scharfen Übergängen für Bauelementstrukturen verwirklicht werden. Beim Wachstums mit Vorbelegung wird die Dotierung über die Segregationsweite, bzw. durch deren beeinflussende Parameter gesteuert. Am besten eignen sich dazu die Variation der Wachstumstemperatur oder der Ionendichte über die Substratspannung. Darauf aufbauend wurde ein HBT-Konzept mit einem niedrigdotierten 300 nm- Kollektor, hochdotierter 25 nm-Basis mit 3 nm-Zwischenschichten und einem dreiteiligen Emitter, bestehend aus "low doped"-, "high doped"-Emitter und Emitterkontakt umgesetzt. Als Vorstufe wurden Emitter-Basis-(EB-)Dioden und Basis-Kollektor-(BC-)Dioden hergestellt und deren SIMS-Profile und Diodenkennlinien untersucht. In den Dotierprofilen zeigen sich Abweichungen von den Segregationsergebnissen, wenn sich die Oberflächenkonzentrationen von Sb, Bor und Ge gegenseitig beeinflussen und sogenannte surfactant-Effekte zeigen, die in dieser Arbeit jedoch nicht weiter verfolgt werden. Aus den Ergebnissen der beiden Einzeldioden wurde eine HBT-Wachstumsstrategie entwickelt. Die wesentlichen Merkmale dieser Strategie sind der DSI-Kollektor zu Wachstumsbeginn und die Dotierung des "low doped"-Emitters. Beim Wachstum des Kollektors und der Basis wird nur ein geringer Teil der ursprünglichen Sb-Vorbelegung verbraucht, so dass diese zu Beginn des "low doped"-Emitters noch fast vollständig vorhanden ist. Mit dieser Vorbelegung kann die Dotierung des "low doped"-Emitters über die Wachstumstemperatur gesteuert werden. Im Dotierprofil des "high doped" Emitters und der Emitterkontaktschicht spiegelt sich die Abhängigkeit der Segregationsweite von der Sb-Oberflächenkonzentration wider. Mit den hergestellten Strukturen wurde der Nachweis eines funktionierenden npn-SiGe-HBTs erbracht, dessen gesamtes Dotierprofil in einem einzigen Prozessschritt durch MBE-Wachstum erzeugt wurde. Dabei wurden mit technologisch gut beherrschbaren Werten des Germaniumgehalts (16 %) und totaler Basisweite von 31 nm Verstärkungen b0 > 60 erreicht.