Si/SiO2-Grenzfläche

Si/SiO₂ ist das mit Abstand bedeutendste System in der Herstellung von MOS-Strukturen (Metal-Oxide-Semiconductor), welche die Grundlage der Computertechnologie bilden. Aus diesem Grund sind Si/SiO₂-Grenzflächen seit über 30 Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Im Zuge der Miniaturisierung der elektronischen Bauteile kommt den Grenzflächen dabei eine steigende Bedeutung zu. Ladungen, die in Defekten an der Grenzfläche oder im SiO₂-Volumen eingefangen werden, verändern die dielektrischen Eigenschaften des Oxids, so dass die Funktionsweise und Lebensdauer des elektronischen Bauteils negativ beeinflusst wird. Tatsächlich schlug der Bau des ersten MOS-ähnlichen Transistors 1935 aufgrund dieses Problems fehl. Trotz intensiver Forschung ist es allerdings bis heute nicht gelungen, ein detailliertes Verständnis der für das Einfangen der Ladungen verantwortlichen mikroskopischen Prozesse zu gewinnen.

Die rein optische Methode der Erzeugung der zweiten Harmonischen, engl. second harmonic generation (SHG), hat sich im letzten Jahrzehnt - nicht zuletzt aufgrund der Fortschritte in der Femtosekundenlasertechnologie - als wertvolle Methode zur Untersuchung von Grenz- und Oberflächen erwiesen. Die SHG eignet sich besonders für die Untersuchung der Grenzflächeneigenschaften inversionssymmetrischer Materialien (wie z.B. Silizium). Im Volumen solcher Materialien ist die Erzeugung der zweiten Harmonischen dipolverboten, so dass das SHG-Signal  hauptsächlich an den Grenzflächen, an denen die Inversionssymmetrie notwendigerweise gebrochen ist, erzeugt wird. SiO₂ ist im relevanten Wellenlängenbereich transparent, so dass mit SHG die elektronischen Eigenschaften der vergrabenen Si/SiO₂-Grenzfläche zerstörungsfrei untersucht werden können. Unserer Arbeitsgruppe steht dazu ein  durchstimmbares Femtosekunden- Lasersystem zur Verfügung, mit dessen Hilfe SHG-Spektren im Bereich von 3,0 eV bis 4,6 eV Zweiphotonenenergie aufgenommen werden können (Abb. 1, eine detaillierte Erläuterung des Spektrums ist hier zu finden).

Eine weitere Eigenschaft der SHG-Spektroskopie ist die Sensitivität für interne elektrische Felder. Diese heben die Inversionssymmetrie auf, so dass ein zusätzlicher Beitrag zum SHG-Signal aus dem Volumen auftritt.  Ladungsverschiebungen zwischen Si und SiO₂ unter dem Einfluss der Laserstrahlung, die beispielsweise durch das Laden und Entladen von Defekten im Siliziumoxid hervorgerufen werden,  können somit untersucht werden. Abb. 2 zeigt exemplarisch die Veränderungen des SHG-Spektrums einer Si/SiO₂ Probe mit 10nm dickem thermischen Oxid unter anhaltender Laserbestrahlung.

Die Abhängigkeit des SHG-Signals von dem elektrischen Feld an der Grenzfläche wird in der zeitabgängien SHG-Spektroskopie ausgenutzt, um die Dynamik der Ladungsträgerverschiebungen zu untersuchen. Diese gibt Aufschluss über eventuell vorhandene Defekte, in denen Elektronen eingefangen werden können.

Aus dem schnelleren Anstieg des SHG-Signals an einer vorbestrahlten Probenstelle kann so gefolgert werden, dass unter dem Einfluss der Laserstrahlung neue Defekte entstehen (Abb. 3).

Ein  grosses Problem bei der Fertigung von Transistoren sind Kontaminationen, die im Verlauf des Herstellungsprozesses in das Bauteil gelangen können und Funktionsweise sowie Lebensdauer  negativ beeinflussen. Besonders relevant sind Kontaminationen durch die in SiO₂ sehr beweglichen Natriumionen. Da die Ionen das elektrische Feld an der Si/SiO₂-Grenzfläche beeinflussen, sind die Auswikungen von Alkaliverunreinigungen an der Si/SiO₂-Grenzfläche auf das SHG-Spektrum dramatisch (Abb. 4), so dass sie mit Hilfe der SHG-Spektroskopie  detektiert werden können.