- Titel
- Charakterisierung von Defektstellen und deren Einfluss auf die Funktionalität von Feldeffekttransistoren mittels niedrigfrequenter Rauschmessungen
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-1010294
- Datum der Einreichung
- 15.07.2025
- Datum der Verteidigung
- 05.12.2025
- Abstract (DE)
- Im Verlauf der technologischen Entwicklung wurden Halbleiterstrukturen kontinuierlich miniaturisiert. Parallel dazu steigen die Anforderungen an diese Technologien hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz. Da diese Eigenschaften jedoch nicht unabhängig voneinander sind, erfordert die Optimierung eines Merkmals häufig Kompromisse bei anderen. Unterschiedlichste Technologiegenerationen mit jeweils spezifischen Anpassungen konnten Fortschritte im Hinblick auf Leistung oder Energieeffizienz erzielen. Im Bereich der Zuverlässigkeit, insbesondere hinsichtlich der Anfälligkeit gegenüber Störungen durch Defektstellen im Material, zeigt sich jedoch ein Trend: Mit abnehmender Strukturgröße der Bauteile nimmt die Anfälligkeit zu. Betrachtet man ein komplexes System aus Bauelementen – beispielsweise einen Speicher (Memory) – lässt sich erkennen, dass sich die Zuverlässigkeit in mehrere Teilbereiche aufgliedert. Die Miniaturisierung der Bauteile geht dabei mit einer deutlichen Einschränkung der Zuverlässigkeit einher. Es steht außer Frage, dass ein Memory-System ein komplexes Gefüge darstellt, in dem zahlreiche zusätzliche Wechselwirkungen und spezifische Bauelementeigenschaften berücksichtigt werden müssen. Um jedoch ein fundiertes physikalisches Verständnis zu erlangen, ist es notwendig, die einzelnen Bauelemente eines solchen Systems sowie die Wechselwirkungen verschiedener physikalischer Prozesse zu untersuchen. Aus diesem Grund liegt der Fokus auf der Analyse von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) – unter Einbeziehung unterschiedlicher Technologiestufen, Materialien und Fertigungsprozesse. Diese Untersuchungen erfolgen durch eine physikalische Analyse des niederfrequenten Rauschens sowie der Defektzustände. Beide Messansätze liefern Hinweise auf Defekte im Halbleitermaterial, wobei Überschneidungen zwischen den jeweiligen Defekttypen bestehen, diese jedoch nicht identisch sind. Es wird ein Vergleich zwischen verschiedenen Technologien in Form von dielektrischen Transistoren vorgenommen. Der Unterschied zwischen der Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) Technologie und herkömmlichen Bulk-MOSFETs ist in erster Linie das Stromverhalten. Dadurch ändert sich die gegenwärtige Theorie des Rauschens für die FDSOI-Technologie. Diese Änderungen werden diskutiert und angepasst. Im letzten Abschnitt wird der ferroelektrische Transistor (FeFET) eingeführt und die nötigen Änderungen in der Messtechnik sowie in der mathematischen Theorie besprochen. Hierbei werden im Bezug auf den FeFET verschiedene Verbesserungen vorgenommen, um eine Steigerung der Verlässlichkeit und ein Abnehmen des Rauschniveaus zu gewährleisten. Dies geschieht durch Änderung der Energiewerte der Defektstellen mit Hilfe von Fluoridierung der Grenzflächenschicht oder/und der ferroelektischen Schicht. Hierbei zeigt die Kombination, beide Schichten zu fluorinieren, eine deutlichere Verbesserung in Bezug auf die Verlässlichkeit. Die Untersuchung hinsichtlich der in der Herstellung der ferroelektrischen Schicht verwendeten Vorläufermaterialien zeigt, dass ein verbessertes Rauschverhalten für Strukturen mit chlorbasierten Präkursoren, sowie bei Verwendung von Atomic Layer Deposition (ALD)-Prozess als Abscheideprozess der HfO2-Schicht, erreicht werden kann. Ebenfalls zeigt eine weitere Untersuchung, dass bei Strukturen mit Zirkonium-Dotierung im Vergleich zu Strukturen mit Silizium-Dotierung ein geringeres Rauschniveau erzielt werden kann. Hierbei zeigen Strukturen mit Silizium-Dotierung mit einem Verhältnis von 1:16 das geringste Rauschniveau. Um eine direkte Anwendung für das Flicker-Rauschverhalten zu illustrieren, wird der Einfluss dieses Rauschens auf ein Beispiel im Bereich des ”In Memory Computings“ gezeigt. Ebenfalls wird für den Bereich des ”Quantum Computing“, die Temperaturabhängigkeit des Rauschens und der Defekte präsentiert.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Rauschen, FeFETs, Defekte, ALD, Prozessierung
- Freie Schlagwörter (EN)
- Flicker Noise, ALD, FeFETs, defects
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Normschlagwörter (GND)
- Halbleiter
- MOS-FET
- Dotierung
- Oxidschicht
- Grenzfläche
- Fluorierung
- Miniaturisierung
- Störstelle
- Zuverlässigkeit
- GutachterIn
- Prof. Dr. Johannes Heitmann
- Prof. Dr. Thomas Kämpfe
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Johannes Heitmann
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Bergakademie Freiberg, Freiberg
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-1010294
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 08.01.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 2 2 Motivation 6 3 Low Frequency Noise 9 3.1 Random Telegraph Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2 Flicker-Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2.1 Rauschquellenuntersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.2 Defektenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.3 Defekttiefe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.4 Grundlagentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Die ID-Gm-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4 Messaufbau 35 4.1 Messtechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Messaufbau Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Einfl¨usse auf das Messsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4 Hochfrequenz Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.5 Charge Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5 Fully Depleted Silicon On Insulator 52 5.1 FDSOI-Transistor Stromverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2 Geometrie-Einfluss auf das Rauschverhalten . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Backgate-Einfluss auf das Rauschverhalten . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 Ferroelektrischer Feldeffekttransistor 62 6.1 Der ferroelektrische Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Zuverl¨assigkeitsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Rauschuntersuchung in ferroelektischen Bauelementen . . . . . . . . . 69 6.4.1 Messmethoden im ferroelektrischen Bauelement . . . . . . . . 69 6.4.2 Einfl¨usse durch Dotierung auf das Rauschverhalten . . . . . . 73 6.4.3 Einfl¨usse der Abscheidungsprozesse auf das Rauschverhalten . 77 6.4.4 Einfluss von ALD-Pr¨akursor-Materialien auf das Rauschverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.4.5 Fluorierungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.4.6 Temperatureinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4 7 Anwendungsbereich der Rauschuntersuchung 104 7.1 In Memory Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8 Zusammenfassung