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 (Vpp=±6 V, tpp= 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.