Entwicklung von siliziumbasierten Transistoren für den Einsatz bei hohen Temperaturen in der Gassensorik

{"ID":4022804,"post_title":"Entwicklung von siliziumbasierten Transistoren f\u00fcr den Einsatz bei hohen Temperaturen in der Gassensorik","title":"Entwicklung von siliziumbasierten Transistoren f\u00fcr den Einsatz bei hohen Temperaturen in der Gassensorik","post_content":"In dieser Arbeit werden unterschiedliche MOSFET-Konzepte hinsichtlich ihrer Temperaturstabilit\u00e4t verglichen. Ferner wird eines der Konzepte in einen Feldeffekt-Gassensor integriert und charakterisiert. Zu den MOSFET-Konzepten z\u00e4hlen zum einen laterale und zum anderen vertikale Transistoren. Die laterale MOSFETVariante wird auf Silizium und SOI-Substraten (Silicon On Insulator) aufgebaut. Durch den Einsatz der SOI-Substrate kann eine deutliche Steigerung der Temperaturstabilit\u00e4t erzielt werden. Die vertikale MOSFET-Variante bietet bedingt durch die Prozessf\u00fchrung eine einfache M\u00f6glichkeit zur Realisierung von kurzen Kanall\u00e4ngen und hohen Kanaldotierungen. Vor allem durch die hohe Kanaldotierung ist dieses Konzept pr\u00e4destiniert f\u00fcr den Aufbau von temperaturstabilen MOSFETs. Weitere Temperaturfestigkeit der vertikalen MOSFETs kann durch eine Modifikation des Kanaldotierprofils gewonnen werden. In dem hergestellten Gassensor wird ein vertikaler Auslesetransistor eingesetzt. Die Funktion des Sensors wird anhand von Gasmessungen nachgewiesen. Zu Beginn der Arbeit wird die \u00c4nderung des Bauteilverhaltens infolge zunehmender Temperatur behandelt. Ein besonders kritischer Temperatureffekt ist durch den zunehmenden OFF-Strom gegeben. Die Ursache f\u00fcr die Zunahme liegt in ansteigenden Leckstr\u00f6men an den in Sperrrichtung betriebenen pn- \u00dcberg\u00e4ngen. Die Unterdr\u00fcckung dieser l\u00e4sst sich sowohl durch eine Verringerung der pn- \u00dcbergangsfl\u00e4che als auch durch hohe Dotierungen erzielen. Eine hohe Dotierstoffkonzentration stellt auch bei h\u00f6heren Temperaturen den extrinsischen Zustand des Halbleiters und damit die sperrende Funktion des pn- \u00dcbergangs sicher. Der Ansatz zur Steigerung der Temperaturstabilit\u00e4t durch Verringerung der pn-\u00dcbergangsfl\u00e4che wird bei lateralen Transistoren durch den Aufbau auf SOISubstraten umgesetzt. Hierzu werden die MOSFETs auf eine d\u00fcnne Siliziumschicht platziert. Die dotierten Gebiete grenzen dabei \u00fcberwiegend an eine Oxidschicht, die vom Substrat isoliert ist. Das Kanalgebiet der SOI-MOSFETs wird elektrisch nicht kontaktiert, was zus\u00e4tzliche Effekte hervorrufen kann. Der wichtigste ist hierbei der Kink-Effekt. Bei diesem l\u00e4dt sich das Kanalgebiet auf und f\u00fchrt zu einem nicht mehr s\u00e4ttigendem Drain-Strom im Ausgangskennlinienfeld. Die Erh\u00f6hung der Temperaturfestigkeit durch Steigerung der Dotierstoffkonzentration kommt bei vertikalen MOSFETs zum Tragen. Bei der Wahl der Dotierstoffkonzentration existieren jedoch Grenzen. Eine zu hohe Dotierung f\u00fchrt aufgrund eines Band-zu-Band-Tunnelprozesses bereits bei Raumtemperatur zu einem Durchbruch des pn-\u00dcbergangs. Folglich muss ein Kompromiss zwischen Temperaturfestigkeit und dem Tunneldurchbruch gefunden werden. Ferner besteht zur Unterdr\u00fcckung des Tunneldurchbruchs die M\u00f6glichkeit der Einbettung einer intrinsischen Schicht zwischen die p- und n-dotierte Zone. Ein vertikaler n-Kanal Transistor wird dann durch einen nipin-Schichtstapel gebildet. Die intrinsische Schicht vergr\u00f6sert die Tunnelweite und erm\u00f6glicht h\u00f6here Dotierungen f\u00fcr die p- und n-Gebiete. Der in dieser Arbeit hergestellte Gassensor stellt eine Weiterentwicklung einer bereits kommerziell erh\u00e4ltlichen Variante dar. Diese Standard-Variante kann aufgrund der verwendeten Technologie nur bis zu einer Temperatur von 200C betrieben werden. F\u00fcr zahlreiche Anwendungen wird jedoch eine h\u00f6here Temperaturstabilit\u00e4t angestrebt. Daher wird in dieser Arbeit ein hinsichtlich der Temperaturfestigkeit optimierter Gassensor hergestellt. Wesentliche Unterschiede zur Standard-Variante liegen in einem vertikalen MOSFET-Konzept sowie einem Aufbau auf SOI-Substraten. Die Herstellung der unterschiedlichen Bauelemente erfordert die Entwicklung und Optimierung zahlreicher Prozesstechnologien. So liegen die Schwerpunkte beim vertikalen MOSFET-Konzept in der Gasphasenabscheidung des Transistorschichtstapels, der trockenchemischen Strukturierung der Mesa und dem Wachstum bzw. der Abscheidung des Gatedielektrikums. Bei der Gasphasenabscheidung werden zun\u00e4chst die Prozesse zur Realisierung eines npn- und nipin-Schichtstapels entwickelt. Ferner werden auch unterschiedliche Konzepte zum Aufbau vertikaler pnp- MOSFETs vorgestellt. Eine wichtige Voraussetzung f\u00fcr die Abscheidung qualitativ hochwertiger Schichten ist eine effektive Vorreinigung der Substrate. Hierzu erfolgt ein Vergleich von drei unterschiedlichen Reinigungsprozeduren. F\u00fcr die anschliesende Strukturierung des Schichtstapels dient ein trockenchemischer \u00c4tzprozess. Dieser wird hinsichtlich der notwendigen glatten und steilen \u00c4tzflanken optimiert. Dazu werden zahlreiche Parameter des \u00c4tzprozesses sowie der vorangestellten Lithographie variiert und deren Einfluss auf die Strukturierung bewertet. Das Resultat ist ein optimierter \u00c4tzprozess. Die Temperaturstabilit\u00e4t der Bauelemente erfordert ein m\u00f6glichst scharfes Dotierprofil. Daher muss das thermische Budget der nachfolgenden Herstellung des Gatedielektrikums m\u00f6glichst gering gew\u00e4hlt werden. Die hierzu untersuchten Ans\u00e4tze sind einerseits thermische Niedertemperatur-Oxide und andererseits Zwei-Schichtsysteme aus einem thermischen Oxid und einem Abscheide-Siliziumnitrid. Beide Gatedielektrika kommen bei der Bauteilherstellung zum Einsatz. Auch der Aufbau des lateralen Transistors erfordert bei einigen Prozessschritten Entwicklungsarbeit. Der Schwerpunkt liegt bei der Dotierung des Source- und Drain-Gebietes mithilfe von Spin On Dopants (SOD). Die Prozessoptimierung erfolgt bei der Schichtabscheidung sowie dem anschliesenden Dotierstoffeintrieb. Die elektrische Charakterisierung der Bauelemente wird zum einen bei Raumtemperatur und zum anderen bei erh\u00f6hten Temperaturen durchgef\u00fchrt. Aufgezeichnet wird die Transfer- und die Ausgangscharakteristik der MOSFETs. Aus den Kennlinien werden die Bauteilparameter abgeleitet und miteinander verglichen. Beide lateralen MOSFET-Varianten zeigen das charakteristische Bauteilverhalten eines Langkanal-Transistors. Die ermittelte Steilheit entspricht dem theoretischen Minimum von 60 mV\/dec. Der MOSFET auf dem SOI-Substrat weist aufgrund der kleineren pn- \u00dcbergangsfl\u00e4che einen um zwei Dekaden niedrigeren OFF-Strom auf. Diese Differenz bleibt bis zu der maximal untersuchten Temperatur von 200 C erhalten. Das ION\/IOFF-Verh\u00e4ltnis sinkt bei dieser Temperatur f\u00fcr den SOI-MOSFET auf 4.2 Dekaden und f\u00fcr den Si-MOSFET auf nur noch 2.2 Dekaden. Der hergestellte vertikale npn-MOSFET geh\u00f6rt mit einer Kanall\u00e4nge von 220 nm zu den Kurzkanal-Transistoren. Damit treten bei diesem Bauelement die typischen Effekte wie Kanall\u00e4ngenmodulation auf. Ferner ist das Kanalgebiet elektrisch nicht kontaktiert, was sich in den bereits von SOI-MOSFETs bekannten floating body Effekten \u00e4usert. Die f\u00fcr die Temperaturstabilit\u00e4t notwendige hohe Kanaldotierung bewirkt eine Zunahme der Steilheit auf 158 mV\/dec. Zugleich liegt der OFF-Strom aufgrund des Band-zu-Band-Tunnelstroms etwa 4 Dekaden \u00fcber dem des lateralen SOI-MOSFETs. Der Vorteil das vertikalen Transistors zeigt sich im ION\/IOFFVerh\u00e4ltnis bei 200 C. Dieses betr\u00e4gt 5.2 Dekaden und liegt damit um eine weitere Dekade \u00fcber dem des SOI-MOSFET. Weitere Messungen zeigen bei 400 C die volle Funktionalit\u00e4t des MOSFETs mit einem ION\/IOFF-Verh\u00e4ltnis von einer Dekade. Eine weitere Option zur Steigerung der Temperaturfestigkeit bietet sich im Aufbau eines nipin-MOSFETs. Dessen zus\u00e4tzliche intrinsische Zonen unterdr\u00fccken den Band-zu-Band-Tunnelstrom, wodurch f\u00fcr das Kanalgebiet eine zus\u00e4tzliche Erh\u00f6hung der Dotierstoffkonzentration m\u00f6glich wird. Der in dieser Arbeit hergestellte nipin-MOSFET zeigt einen um 4 Dekaden niedrigeren OFF-Strom im Vergleich zum vertikalen npn-MOSFET. Der Einbau der intrinsischen Zonen bewirkt jedoch auch eine \u00c4nderung des Bauteilverhaltens. Infolge eines Stosionisationsprozesses im intrinsischen Gebiet wird ab einer ausreichend hohen Gate-Spannung ein sehr rascher Einschaltvorgang des MOSFETs beobachtet. Diesem sogenannten Ionisationsmodus liegt der bereits erw\u00e4hnte Kink-Effekt zugrunde. Die Steilheit des untersuchten MOSFETs betr\u00e4gt im Ionisationsmodus 27 mV\/dec. Mit zunehmender Temperatur bricht die Stosionisation zusammen und die Einschaltdynamik nimmt stark ab. Obwohl die Kanaldotierung des hergestellten nipin-MOSFETs erh\u00f6ht wurde, liegt das ION\/IOFF-Verh\u00e4ltnis bei 200 C mit 4.9 Dekaden etwa auf dem Niveau des npn-MOSFETs. Die Ursache hierf\u00fcr liegt in der Diffusion und dem damit verbundenen Einbruch der maximalen Kanaldotierung w\u00e4hrend der Gateoxid-Herstellung. Trotz der Einf\u00fchrung eines Zwei- Schicht-Gatedielektrikums konnte das Temperaturbudget nicht ausreichend gesenkt werden. F\u00fcr weitere Arbeiten wird eine Metallorganische Gasphasenepitaxie der Dielektrika empfohlen. Ferner kann f\u00fcr die Bauteilparameter der untersuchten nipin-MOSFETs eine Abh\u00e4ngigkeit von der Orientierung auf dem Substrat nachgewiesen werden. Der Unterschied wird auf die von der Kristallebene abh\u00e4ngige Wachstumsgeschwindigkeit des Gateoxides zur\u00fcckgef\u00fchrt. Zuletzt wird auch der in dieser Arbeit hergestellte Gassensor charakterisiert. Dieser zeigt im Arbeitspunkt ein stark driftendes Grundsignal. Die Ursache f\u00fcr die Instabilit\u00e4t liegt in einem Fowler-Nordheim-Tunnelstrom durch das d\u00fcnne Gateoxid. Nur durch eine Konditionierung vor der Gasmessung l\u00e4sst sich der Sensor in einem quasi-stabilen Zustand bei Raumtemperatur betreiben. Das Messsignal gibt dann eindeutig die Gasbeaufschlagung wieder.","image":"https:\/\/images.thalia.media\/00\/-\/68d19f30d7c344af85aa33d2b6de1a4e\/entwicklung-von-siliziumbasierten-transistoren-fuer-den-einsatz-bei-hohen-temperaturen-in-der-gassensorik-taschenbuch-peter-iskra.jpeg","url":"https:\/\/www.vergleiche.ch\/unterhaltung\/product\/entwicklung-von-siliziumbasierten-transistoren-fur-den-einsatz-bei-hohen-temperaturen-in-der-gassensorik\/","min_price":51.89999999999999857891452847979962825775146484375,"low_price_merchant_id":70254503,"deeplink":"https:\/\/www.awin1.com\/pclick.php?p=39978621433&a=401125&m=13971&pref1=9783954040322","ean":9783954040322,"brand":"undefined"}