High-k/Metal-Gate Stacks on Silicene (HKMG-Silicene)

Nach dem entscheidenden Durchbruch der sogenannten High-k + Metal Gate (HKMG) Technologie hat inzwischen die fortwährende Größenskalierung in Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) zu einem signifikanten Verlust der elektrostatischen Kontrolle über die Ladungsträger im Kanal geführt. In der aktuellen 14 nm FinFET Technologie von Intel Corp. ist die Finne der Transistoren bereits auf eine Dicke von nur 8 nm skaliert worden und es wird erwartet, dass in der zukünftigen Technologiegeneration jenseits der 7 nm Strukturgröße, die Kanalmobilität durch Streuung der Ladungsträger an Oberflächengrenzen, durch inhomogene Variation Kanaldicke, oder durch Quanteneffekte weiter signifikant reduziert wird. Die Schlüsselidee ist nun, die ultimativ geringste Kanaldicke zu erreichen, indem man Silizium-Atome in einer einzigen epitaktisch gewachsenen atomaren Monolage anordnet. Während in näherer Zukunft noch herkömmliche Halbleiter wie Ge oder GaAs in hochleistungsfähigen und stromsparenden MOSFET-Anwendungen als Kanalmaterial zum Einsatz kommen werden, zählt Silicen, welches zu dieser neuen Klasse von künstlichen 2D-Materialien mit hervorragenden elektronischen Eigenschaften gehört, zu einem der interessantesten Materialen für die Chipgeneration der ferneren Zukunft. Es hat sich gezeigt, dass in Silicen Si-Atome in einer Graphen-ähnlichen Wabenstruktur angeordnet sind und dadurch eine sehr hohe Ladungsträgerbeweglichkeit vergleichbar mit der von Graphen erzeugen können, mit einem entscheidenden Vorteil, dass nämlich in Silicen bereits eine abstimmbare Bandlücke nachgewiesen werden konnte. Dieses Projekt soll zum einen ein besseres Verständnis der Grenzschichtbildung zwischen HKMG, Zwischenschicht und Silicen erbringen, und zum anderen Informationen über die Stabilität von Silicen in einem Atomic Layer Deposition-Prozess (ALD) liefern, der notwendig für die Erzeugung des HKMG ist. Die Hauptziele des Projektes sind: i) die Entwicklung eines stabilen Prozesses für das Wachstum von Silicen auf einkristallinen Substraten, ii) die Untersuchung der Wechselwirkungen von dünnen oxidierenden Metallschichten mit Silicen, die verwendet werden, um die einzigartigen Eigenschaften von Silicen in einem nachfolgenden ALD Prozess zu stabilisieren und iii) die Gewinnung von fundamentalen Informationen über die elektrischen Eigenschaften des HKMG/Silicen-Systems, mittels Kondensatoren und Feldeffekttransitoren. Synthese, Stabilität und Grenzflächenreaktionen von Silicen werden primär in situ mittels physikalischer, chemischer und elektrischer Analysetechniken charakterisiert. Dazu wird ein Vakuum-Cluster-Tool unter Einbeziehung der Oberflächenanalysetechniken Low Energy Electron Diffraction (LEED), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy (ARPES), sowie der Abscheideverfahren ALD und electron beam (e-beam) evaporation genutzt. Auch die Verwendung von ex vacuo Raman-Spektroskopie und Scanning Capacitance Microscopy (SCM) ist angedacht, um Informationen über die thermische Stabilität von Silicen zu erhalten. Darüber hinaus ist die Verwendung der Analysetechniken Scanning Transmission Microscopy (STM), Time-of-Flight Secondary Ion mass Spectroscopy (ToFSIMS), Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD), X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) und High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) für die weitere Charakterisierung geplant. Durch Nutzung des Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) ist die Simulation der Wechselwirkung von Silicene mit den Atomen kristalliner Metall- und Nitrid-Schichten angestrebt, wodurch die Forschung wertvolle theoretische Unterstützung erhält.

Die kontinuierliche Verkleinerung der Bauelementedimensionen von MOSFET zielt auf eine Kostenreduzierung bei gleichzeitiger Steigerung der Bauelementleistung ab. Diese sogenannte Skalierung erforderte die Integration neuer Materialien wie metallische Gatekontakte und high-k-Dielektrika und nun wird das Si selbst aufgrund der relativ geringen Ladungsträgermobilität als begrenzender Faktor angesehen. Die allotrope Affinität zu Silizium und die einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften machen nun Silizen zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige CMOS kompatible Hochleistungsbauelemente. In dem künstlichen 2D-Materialien Silizen, sind die Si-Atome, ähnlich wie in Graphen, in einer Wabenstruktur angeordnet. Diese ermöglicht eine sehr hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten mit dem entscheidenden Vorteil gegenüber Graphen, dass es für bestimmte Wachstumssubstrate, Hinweise auf eine Bandlücke gibt. Im Rahmen dieses Projekts haben wir die Eigenschaften von Silizen untersucht, das mittels Molekularstrahlepitaxie auf metallischen Substraten aufgewachsen wurde. Es gelang uns dabei ein- und mehrschichtigen Silizensuperstrukturen auf verschiedenen Substraten zu synthetisieren. Zur Optimierung der Synthese und zur Untersuchung von Stabilität und Grenzflächenreaktionen wurde Silizen zuerst in-situ charakterisiert. Zu diesem Zweck wurde ein Vakuum-Clustertool aufgebaut, mit einer kombinierten die Ar-Sputtergun und Elektronenstrahl-Verdampfungseinheit in einer Synthesekammer. Die Proben können ohne Unterbrechung des Vakuums verschiedenen Oberflächenanalysetechniken (LEED, XPS, ARPES) zugeführt werden. Darüber hinaus haben wir eine sehr innovative Technik entwickelt, um diese Strukturen in-situ mit wenigen Schichten Graphen oder hBN zu passivieren, was ex-vacuo-Raman-Spektroskopie und AFM-Analysen ermöglichte. Eine solche effektive Passivierung ist Grundvoraussetzung für die zuverlässige Integration in elektronische oder optische Bauteile da ungeschütztes Silizen unter atmosphärischen Bedingungen sofort oxidiert. Weiters wurde vermutet das die herausragenden Eigenschaften von Silizen auf bestimmten Wachstumssubstraten aufgrund von Hybridisierungseffekten möglicherweise nicht erhalten bleiben. Die oben erwähnte neue in-situ Passivierung mit hBN ermöglicht auch eine detaillierte ex-situ-Charakterisierung bei Umgebungsbedingungen durch Reflexionsmessungen. Die optischen Eigenschaften von Silizen auf Au(111) scheinen dabei mit den theoretisch vorhergesagten Merkmalen für freistehendes Silizen übereinzustimmen. Um die herausragenden Eigenschaften von Silizen in vollem Umfang nutzen zu können, muss ein skalierbarer Prozess entwickelt werden mit dem eine isolierende Schicht direkt auf Silizen aufgebracht werden kann, ohne dessen 2D Natur zu stören. Diese Isolierschicht sollte auch bei starker Skalierung niedrige Leckströme aufweisen, um die Vorteile der Verwendung eines 2D-Materials für MOSFETs voll ausschöpfen zu können. Dazu haben wir das Wachstum von dünnen CaF2-Schichten auf Silizen ebenfalls mittels MBE untersucht. CaF2 ist dafür bekannt, dass es eine Quasi-Van-der-Waals-Grenzfläche mit 2D-Materialien bildet und seine isolierenden Eigenschaften auch bei ultradünnen Schichten beibehält. Wir konnten dabei zeigen, dass CaF2 epitaktisch auf Silizen/Ag(111) aufwächst, wobei seine Domänen vollständig auf das 2D-Gitter ausgerichtet sind. Weiters konnte mittels in-situ XPS-Analysen gezeigt werden, dass es bei der Abscheidung von CaF2 auf Silizen zu keiner Änderungen der chemischen Bindung der Siliziumatome kommt. Das Silizen erfährt zwar durch die Wechselwirkung mit CaF2 eine strukturelle Veränderung, wobei es jedoch seinen zweidimensionalen Charakter beibehält und nicht in sp3-hybridisiertes Silizium übergeht.