Ionenbestrahlung und Ionenstrahlmischen

Mit Ionenbestrahlung von Festkörpern kann in diesen nicht nur die Löslichkeitsgrenze überschritten werden, sondern es können auch Grenzflächen zwischen einer dünnen Schicht und dem Substrat bzw. zwischen mehreren gestapelten Schichten modifiziert werden. Wie schematisch in der Abbildung gezeigt, erzeugen die Primärionen Stoßkaskaden, die ein merkliches Grenzflächenmischen hervorrufen und zu nicht-stöchiometrischen und instabilen Phasen in Nähe der Grenzfläche führen. Während der nachfolgenden Temperung bildet sich die ursprüngliche Grenzfläche über spinoidale Entmischung schnell zurück. Die Atome in den Ausläufern des gemischten Profiles erreichen jedoch nicht über Diffusion die wiederhergestellte Grenzfläche und scheiden sich während der Phasen-separation (Nukleation und Wachstum) als NC aus. Der Wettbewerb zwischen Grenzflächenbildung und Nukleation/Wachstum führt zur Selbstorganisation einer fast monodispersiven δ-Schicht von NC in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche. So wurden z.B. NC δ-Schichten in Nähe der SiO₂/Si Grenzfläche sowohl nach geeigneter Ge⁺ Implantation in SiO₂ als auch nach Si⁺ Durchstrahlung einer SiO₂ Schicht auf Silizium  gefunden.

Die Ionenstrahl-gestützte Formierung von NC im Abstand von wenigen Nanometern von der SiO₂/Si Grenzfläche ist besonders interessant für die Entwicklung neuartiger nichtflüchtiger NC Speicherschaltkreise.

Beispiel:

Die Selbst-Ausrichtung von Si NC d-Schichten an SiO₂/Si-Grenzflächen wurde im Institut mit atomistischen Computersimulationen vorausgesagt. Das Bild zeigt die Ergebnisse der Si⁺-Durchstrahlung (E = 50 keV, D = 1x10¹⁶ cm^-2) eines Schichtstapels aus 50 nm poly-Si, 15 nm SiO₂ auf einem Si-Substrat. In der linken Spalte sind die Querschnittsbilder der KLMC-Simulationen für (a) den bestrahlten Zustand und (b) nach der Temperung (Phasenseparation) gezeigt und mit den entsprechenden Energie-gefilterten XTEM Abbildungen der Si/SiO₂/Si MOS-Struktur in der rechten Spalte verglichen. Der Vergleich zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den atomistischen Simulationen und den experimentellen XTEM-Bildern (L. Röntzsch et al., phys. stat. Sol. 202, R 170, 2005).

Dieses neue Verfahren der Selbst-Ausichtung von Si NC in Nähe von SiO₂/Si-Grenzflächen wurde bei der Herstellung von nicht-flüchtigen Multidot-Floating-Gate-Speicherschaltkreisen eingesetzt. Die hergestellten nMOS-Trasistoren zeigen ein signifikantes Programmierfenster bei niedrigen Programmier-spannungen (V_pp=±6 V, t_pp= 10 ms). Eine Wiederhohlbarkeit von 10⁷ Schreibe-/Lesezyklen erfüllt die Anforderungen an zukünftige Speicherzellen während die Haltezeit der gespeicherten Ladungen für EEPROM-Schaltkreise noch zu gering ist.