Universiẗat, Diss., 2003--Heidelberg. / Enth.: 3 Sonderabdr. aus verschiedenen Publikationen. Beitr. teilw. dt., teilw. engl.

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung von plasmaunterstützten CVD-Prozessen zur Abscheidung ultradünner (≤10 nm) wolframbasierter Diffusionsbarrieren für die Kupfermetallisierung in integrierten Schaltkreisen. Es wird ein PECVD-Prozess mit der Gaschemie WF₆/N₂/H₂/(Ar) vorgestellt, mit dem amorphe und leitfähige WN_x-Schichten abgeschieden werden. Dabei wird der Prozess umfassend charakterisiert (z.B. Rate, Homogentität, Kantenbedeckung) und die Einflüsse von Parameteränderungen (besonders Gasflussvariationen) auf die Schichteigenschaften untersucht. Ausgewählte Schichtzusammensetzungen, welche den Barriereanforderungen hinsichtlich geringen elektrischen Widerstandes und sehr guter Homogenität über den Wafer entsprachen, wurden im für den praktischen Einsatz relevanten Schichtdickenbereich von 10 nm eingehender untersucht. Dies erfolgte einerseits mikrostrukturell mit GI-XRD, GDOES und TEM zu Schichtzusammensetzung, Kristallisationsverhalten und Schichtstabilität unter Wärmebehandlung in verschiedenen Medien in direktem Kontakt zu Kupfer. Zudem erfolgte die Beurteilung der Diffusionswirkung der WN_x-Schichten mit elektrischen Messverfahren (CV, TVS) über MIS-Strukturen. Auf Grundlage des WN_x-Prozesses wird durch Zugabe von Silan zur Prozessgaschemie die Möglichkeit der Abscheidung einer ternären Zusammensetzung WSiN untersucht. Es erfolgt eine ausführliche Auswertung der Literatur zu verschiedenen WSiN-Abscheideprozessen und eine Wertung der beschriebenen ternären Zusammensetzung in Bezug auf geringen elektrischen Widerstand und thermischer Stabilität. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen kann ein ternärer Zusammensetzungsbereich von Me-Si-N eingegrenzt werden, der sowohl amorphe Mikrostruktur, niedrigen elektrischen Widerstand und hohe thermische Stabilität garantiert. Der entwickelte PECVD-Prozess mit Silan führte zu einer Si-stabilisierten WN_x-Schicht mit nur geringfügig höherer thermischer Stabilität aber deutlich höheren elektrischen Widerstand. Es wird die Frage diskutiert, ob die Entwicklung einer amorphen ternären Verbindung mit höherer thermischer Stabilität aber zu Lasten des elektrischen Widerstandes notwendig ist, wenn für das Stoffsystem schon eine amorphe binäre Zusammensetzung existiert, die die Anforderungen einer Diffusionsbarriere hinsichtlich hoher Leitfähigkeit und ausreichend hoher thermischer Stabilität erfüllt.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung selektiver Si1-xCx-Prozesse, die eine mechanische Zugspannung im Kanal von NMOS-Transistoren erzeugen, und so durch eine gezielte Änderung der Bandstruktur die Elektronenbeweglichkeit und damit auch die Leistungsfähigkeit der Bauteile erhöhen soll. In der vorliegenden Arbeit werden die wichtigsten Fragestellungen zum Wachstum der Si1-xCx-Schichten näher beleuchtet. Dabei werden zwei Methoden zum Wachstum der Schichten charakterisiert. Neben einem disilanbasierten UHV-CVD-Verfahren wird ein LP-CVD-Verfahren unter der Verwendung von Trisilan herangezogen. Für beide Prozessvarianten konnten mithilfe einer zyklischen Prozessführung selektive, undotierte und in-situ phosphordotierte Abscheidungen realisiert werden. Es wird gezeigt, dass die Disilanprozesse aufgrund ihrer geringen Wachstumsraten einen hohen Anteil interstitiellen Kohlenstoffs bedingen. Durch FT-IR-Analyse konnte belegt werden, dass sich während des Wachstums Siliziumkarbid-präzipitate bilden, die das epitaktische Wachstum nachhaltig schädigen können. Erweiterte man das Wachstum infolge der Zugabe von German zum ternären System Si1-x-yCxGey (y=0,05…0,07) wurde ein starker Anstieg der Wachstumsraten festgestellt. Die Aktivierungsenergie für das epitaktische Wachstum sinkt durch die Zugabe von German und der substitutionelle Kohlenstoffgehalt kann erhöht werden. Es wird gezeigt, dass German nicht nur für die Unterstützung des Ätzprozesses hilfreich ist, sondern im LP-CVD-Verfahren zur Unterstützung des HCl-basierten Ätzprozesses dienen kann. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Abscheidung und Charakterisierung in-situ phosphor-dotierter Schichten. Es wird nachgewiesen, dass Phosphor die Wachstumsrate erhöht und dass Phosphor und Kohlenstoff in Konkurrenz um substitutionelle Gitterplätze stehen. Phosphor ist außerdem auch die Spezies, für die die größte Anisotropie hinsichtlich des Einbaus auf Si(110) im Vergleich zu Si(001) beobachtet wurde: Je nach Prozessführung wird auf Si(110)-Ebenen nahezu doppelt so viel Phosphor eingebaut wie auf Si(001). Dieser Effekt ist insofern von großer Relevanz, als dass ein steigender Phosphoranteil auch die thermische Stabilität der Schichten herabsetzt. Die Relaxationsvorgänge basieren bei Si1-xCx-Schichten auf Platzwechselvorgängen substitutioneller Kohlenstoffatome zu interstitiellen Silizium-Kohlenstoff-Hanteldefekten unter der Bildung einer Leerstelle. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, nach dem Phosphor durch die Entstehung von PV-Komplexen diese Reaktion begünstigt, wodurch die Relaxationsvorgänge beschleunigt werden. Infolge einer dreidimensionalen Atomsondenanalyse kann der Endzustand der Relaxation – die Bildung stöchiometrischen Siliziumkarbids – belegt werden. In-situ phosphordotierte Si1-xCx-Schichten mit ca. 4*1020 at/cm³ Phosphorgehalt und 1,8 at.% Kohlenstoff wurden erfolgreich in NMOS-Transistoren der 45 nm Generation integriert und mit ebenfalls im Rahmen der Dissertation entwickelten Si:P-Rezepten verglichen. Die höchste Leistungssteigerung von 10 % konnte durch die Kombination aus beiden Prozessen erzielt werden, bei dem auf die spannungserzeugende Si1-xCx-Schicht zur Senkung des Silizidwiderstandes eine Si:P-Kappe aufgebracht wird. Die Einprägung einer Zugspannung in den Transistorkanal wurde mittels Nano beam diffraction nachgewiesen und wurde auf Basis des piezoresistiven Modells mit SiGe-PMOS-Transistoren verglichen.

Summary (english): The thesis investigates the potential of thin films of Ta, Ti and W and their nitrides to suppress copper induced interactions in the contact area to silicon. Possible interactions between Cu and gaseos or solid materials within preparation and lifetime of an integrated circuit are summarized. The degradation mechanisms to be expected are the solution of Cu in Si and the formation of Cu3Si. Thin conductive diffusion barriiers are needed to suppress this mechanisms. The requirements on these barriers are discussed. The most important criterion, their resistivity, is determined by the place of application. The resitivity has to be lower than 100 mOhmcm for contacts and lower than 2000 mikroOhmcm for vias. The materials to be separated by a diffusion barrier can pass it by diffusion or the diffusion barrier can be destroyed by reaction (reactive diffusion). Therefore one can distinguish in passive and sacrificial barriers. The thin films were prepared by magnetron sputtering in Ar or Ar/N2 mixture. The films were characterized with respect to composition, phase/structure as well as their resulting electrical, optical, and mechanical properties. The appearance of new phases correlates with changes in process parameters like target voltage and condensation rate. All films - except for a small process window for amorphous/nanocrystalline WNx films - are polycrystalline. The influence of annealing steps in different ambients is investigated. Amorphous/nanocrystalline WNx films do recrystallize during annealing. For a direct contact of Cu to Si a sufficient energy supply during Cu depotsition or during following annealing (T> 200 °C) results in the formation of Cu3Si. The potential of diffusion barriers of different thicknesses and nitrogen contents to suppress this reaction is investigated for annealing steps up to 650 °C. The characterization is performed by analytical methods, sheet resistance measurements as well as leakage current measurements (pn, np and schottky diodes). A diffusion barrier is able to suppress the Cu3Si formation, until itself is consumed by silicidation or intermetallic phase formation. The metal nitrides are more stable, since the present metal nitrogen bonding has to be broken before these reactions can start. With the failure of a diffusion barrier a Cu Si contact occurs with the consequence of copper silicide formation. The silicidation can be either homogeneous (on a large area) or in the form of crystallites several mikrometers in diameter. The distance between the crystallites is up to several 100 mikrometers. It is shown, that results of a barrier evaluation can be paradox if different methods are applied to the same sample. The diffusion of Cu accross a barrier into Si can be shown using analytical methods, already before the formation of Cu3Si. However, the leakage current of pn or schottky diodes is not or not unequivocal modified by this diffusion. The leakage current does not change before the diodes are shorted by the Cu3Si formation. The results of parallel prepared references with Al metallization show, that the diffusion barriers are more stable in a Cu metallization than in an Al metallization. / Zusammenfassung (detusch): Die Arbeit beschreibt das Potential von Schichten des Ta, Ti, W und ihrer Nitride zur Unterdrückung kupferinduzierter Degradationen im Kontakt zu Silicium. Mögliche Wechselwirkungen zwischen Cu und den im Herstellungsprozess sowie der Lebensdauer von Schaltkreisen präsenten Gasen und Feststoffen werden zusammengestellt. Für das System Cu-Si sind als Degradationsmechanismen die Lösung von Cu und die Cu3Si Bildung zu erwarten. Die Anforderungen an die zur Unterdrückung der Degradationen notwendigen leitfähigen Diffusionsbarrieren werden diskutiert. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand als wichtigstes Kriterium für die Integration wird vom Einsatzort bestimmt. Er muss für Kontakte unter 100 mOhm cm und für Vias unter 2000 mikroOhmcm liegen. Diffusionsbarrieren können von den zu trennenden Materialien durch Diffusion überwunden oder durch Reaktion (reaktive Diffusion) aufgezehrt werden. Damit kann in passive und Opferbarrieren unterschieden werden. Die Schichtherstellung erfolgt mit dem Verfahren der Magnetronzerstäubung in Ar oder Ar/N2 Atmosphäre. Sie werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Phase/Struktur sowie resultierender elektrischer, optischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Das Auftreten neuer Phasen korreliert mit Verlaufsänderungen einfach zugänglicher Prozessparameter wie Targetspannung und Kondensationsrate. Alle Schichten mit Ausnahme eines engen Prozessfensters für amorphes/nanokristallines WNx sind polykristallin. Der Einfluss von Temperungen in verschiedenen Medien wird untersucht. Amorphe/nanokristalline WNx Schichten rekristallisieren während Temperung. Für direkten Kontakt Cu zu Si führt ausreichende Energiezufuhr schon während der Abscheidung oder während nachfolgender Temperung (T> 200 °C) zur Cu3Si Bildung. Das Potential der Diffusionsbarrieren zur Unterdrückung dieser Reaktion wird für unterschiedliche Dicken und Stickstoffgehalte nach Temperungen bis maximal 650 °C untersucht. Dazu werden analytische Methoden, Schichtwiderstandsmessungen und Sperrstromdichtemessungen an pn, np und Schottkydioden eingesetzt. Die Diffusionsbarrieren können die Cu3Si Bildung unterdrücken, bis sie selbst durch Silicierung und/oder intermetallische Phasenbildung aufgezehrt sind. Die Nitride der Metalle sind thermisch stabiler, weil Metall Stickstoff Bindungen erst aufgebrochen werden müssen. Mit dem Versagen der Barrieren treffen Cu und Si zusammen - mit der Folge der Kupfersilicidbildung. Sie kann grossflächig oder in Form mikrometergrosser und einige 100 mikrometer voneinander entfernt liegender Kristallite stattfinden. Für beide Degradationsmechanismen kann gezeigt werden, dass eine Barrierebewertung für unterschiedliche Methoden paradoxe Ergebnisse liefern kann. Die Cu Diffusion über die Diffusionsbarriere in das Si kann mit analytischen Methoden schon vor der Cu3Si Bildung nachgewiesen werden. Der Sperrstrom von pn oder Schottkydioden wird dadurch nicht bzw. nicht eindeutig verändert. Er reagiert erst, wenn sie durch Cu3Si Wachstum kurzgeschlossen sind. Ergebnisse parallel präparierter Referenzen mit Al Metallisierung belegen, dass die Diffusionsbarrieren gegen Cu gleich oder besser wirken als gegen Al.

The thesis investigates the potential of thin films of Ta, Ti and W and their nitrides to suppress copper induced interactions in the contact area to silicon. Possible interactions between Cu and gaseos or solid materials within preparation and lifetime of an integrated circuit are summarized. The degradation mechanisms to be expected are the solution of Cu in Si and the formation of Cu3Si. Thin conductive diffusion barriiers are needed to suppress this mechanisms. The requirements on these barriers are discussed. The most important criterion, their resistivity, is determined by the place of application. The resitivity has to be lower than 100 mOhmcm for contacts and lower than 2000 mikroOhmcm for vias. The materials to be separated by a diffusion barrier can pass it by diffusion or the diffusion barrier can be destroyed by reaction (reactive diffusion). Therefore one can distinguish in passive and sacrificial barriers. The thin films were prepared by magnetron sputtering in Ar or Ar/N2 mixture. The films were characterized with respect to composition, phase/structure as well as their resulting electrical, optical, and mechanical properties. The appearance of new phases correlates with changes in process parameters like target voltage and condensation rate. All films - except for a small process window for amorphous/nanocrystalline WNx films - are polycrystalline. The influence of annealing steps in different ambients is investigated. Amorphous/nanocrystalline WNx films do recrystallize during annealing. For a direct contact of Cu to Si a sufficient energy supply during Cu depotsition or during following annealing (T> 200 °C) results in the formation of Cu3Si. The potential of diffusion barriers of different thicknesses and nitrogen contents to suppress this reaction is investigated for annealing steps up to 650 C. The characterization is performed by analytical methods, sheet resistance measurements as well as leakage current measurements (pn, np and schottky diodes). A diffusion barrier is able to suppress the Cu3Si formation, until itself is consumed by silicidation or intermetallic phase formation. The metal nitrides are more stable, since the present metal nitrogen bonding has to be broken before these reactions can start. With the failure of a diffusion barrier a Cu Si contact occurs with the consequence of copper silicide formation. The silicidation can be either homogeneous (on a large area) or in the form of crystallites several mikrometers in diameter. The distance between the crystallites is up to several 100 mikrometers. It is shown, that results of a barrier evaluation can be paradox if different methods are applied to the same sample. The diffusion of Cu accross a barrier into Si can be shown using analytical methods, already before the formation of Cu3Si. However, the leakage current of pn or schottky diodes is not or not unequivocal modified by this diffusion. The leakage current does not change before the diodes are shorted by the Cu3Si formation. The results of parallel prepared references with Al metallization show, that the diffusion barriers are more stable in a Cu metallization than in an Al metallization. (copying allowed) new: pdf version 1.4 / Die Arbeit beschreibt das Potential von Schichten des Ta, Ti, W und ihrer Nitride zur Unterdrückung kupferinduzierter Degradationen im Kontakt zu Silicium. Mögliche Wechselwirkungen zwischen Cu und den im Herstellungsprozess sowie der Lebensdauer von Schaltkreisen präsenten Gasen und Feststoffen werden zusammengestellt. Für das System Cu-Si sind als Degradationsmechanismen die Lösung von Cu und die Cu3Si Bildung zu erwarten. Die Anforderungen an die zur Unterdrückung der Degradationen notwendigen leitfähigen Diffusionsbarrieren werden diskutiert. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand als wichtigstes Kriterium für die Integration wird vom Einsatzort bestimmt. Er muss für Kontakte unter 100 mOhm cm und für Vias unter 2000 mikroOhmcm liegen. Diffusionsbarrieren können von den zu trennenden Materialien durch Diffusion überwunden oder durch Reaktion (reaktive Diffusion) aufgezehrt werden. Damit kann in passive und Opferbarrieren unterschieden werden. Die Schichtherstellung erfolgt mit dem Verfahren der Magnetronzerstäubung in Ar oder Ar/N2 Atmosphäre. Sie werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Phase/Struktur sowie resultierender elektrischer, optischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Das Auftreten neuer Phasen korreliert mit Verlaufsänderungen einfach zugänglicher Prozessparameter wie Targetspannung und Kondensationsrate. Alle Schichten mit Ausnahme eines engen Prozessfensters für amorphes/nanokristallines WNx sind polykristallin. Der Einfluss von Temperungen in verschiedenen Medien wird untersucht. Amorphe/nanokristalline WNx Schichten rekristallisieren während Temperung. Für direkten Kontakt Cu zu Si führt ausreichende Energiezufuhr schon während der Abscheidung oder während nachfolgender Temperung (T > 200 °C) zur Cu3Si Bildung. Das Potential der Diffusionsbarrieren zur Unterdrückung dieser Reaktion wird für unterschiedliche Dicken und Stickstoffgehalte nach Temperungen bis maximal 650 C untersucht. Dazu werden analytische Methoden, Schichtwiderstandsmessungen und Sperrstromdichtemessungen an pn, np und Schottkydioden eingesetzt. Die Diffusionsbarrieren können die Cu3Si Bildung unterdrücken, bis sie selbst durch Silicierung und/oder intermetallische Phasenbildung aufgezehrt sind. Die Nitride der Metalle sind thermisch stabiler, weil Metall Stickstoff Bindungen erst aufgebrochen werden müssen. Mit dem Versagen der Barrieren treffen Cu und Si zusammen - mit der Folge der Kupfersilicidbildung. Sie kann grossflächig oder in Form mikrometergrosser und einige 100 mikrometer voneinander entfernt liegender Kristallite stattfinden. Für beide Degradationsmechanismen kann gezeigt werden, dass eine Barrierebewertung für unterschiedliche Methoden paradoxe Ergebnisse liefern kann. Die Cu Diffusion über die Diffusionsbarriere in das Si kann mit analytischen Methoden schon vor der Cu3Si Bildung nachgewiesen werden. Der Sperrstrom von pn oder Schottkydioden wird dadurch nicht bzw. nicht eindeutig verändert. Er reagiert erst, wenn sie durch Cu3Si Wachstum kurzgeschlossen sind. Ergebnisse parallel präparierter Referenzen mit Al Metallisierung belegen, dass die Diffusionsbarrieren gegen Cu gleich oder besser wirken als gegen Al. (Kopiermöglichkeit) neu: PDF-Version 1.4

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2003. / Auch im Shaker-Verl. ersch. u.d.Titel: Herstellung, Charakterisierung und Bewertung von leitfähigen Diffusionsbarrieren auf Basis von Ta, Ti und W für die Kupfermetallisierung von Siliciumschaltkreisen, 2004 (3-8322-2532-3).

Die erhebliche Zunahme elektronischer Funktionsgruppen im Kraftfahrzeug erfordert zukünftig den verstärkten Einsatz von Netzwerken in Form von Bussystemen. Dieser Entwicklung folgend werden neue Generationen von Airbagsystemen ebenfalls intelligente, busfähige Anzünder benötigen. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines neuen Materialsystems für Anzündelemente pyrotechnischer Systeme in Airbaganwendungen mit niedrigem Energiebedarf. Zur Anwendung kam, aufgrund seiner speziellen Eigenschaften, das Hafniumhydrid. Der angestrebten vollständigen Integrationsfähigkeit der eigentlichen Zündstruktur in anwendungsspezifische Schaltkreise wird durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten, halbleiterprozeßkonformen Technologie und einer angepaßten Aufbau- und Verbindungstechnik Rechnung getragen. Weitere Kernpunkte der Arbeit umfassen die Charakterisierung der eigentlichen Zündschicht hinsichtlich des Wasserstoffgehaltes, der Mikro-, Schicht- und Oberflächenstruktur, des Verhaltens an Grenzflächen und der auftretenden Schichtspannungen. Zur Beurteilung der Langzeitstabilität der Hafniumhydridschichten dient die Auswertung des Verhaltens des Zündstrukturwiderstandes in Langzeittests unter thermischer Belastung. Zum elektrisch-thermischen Verhalten der Anzünder wurden Simulationsrechnungen nach der Methode der finiten Elemente durchgeführt. Die Verifikation des FEM-Modells erfolgte in praktischen Versuchen am Referenzmaterial Poly-Silicium. Darauf aufbauend erfolgten weitere Simulationsrechnungen zum Verhalten der Hafniumhydridzündschichten, speziell zu Fragen der Vorschädigung der Zündstrukturen. Praktische Untersuchungen zum Zündverhalten der Anzündstrukturen sowie Versuche zum Funktionsverhalten des Gesamtelementes im Gasgenerator belegen die sehr guten Zündeigenschaften der Hafniumhydridschichten im busfähigen Anzündelement. Ebenso konnte die potentielle Eignung der präparierten HfHx-Anzündelemente für Standard Anzünder Applikationen gezeigt werden.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung selektiver Si1-xCx-Prozesse, die eine mechanische Zugspannung im Kanal von NMOS-Transistoren erzeugen, und so durch eine gezielte Änderung der Bandstruktur die Elektronenbeweglichkeit und damit auch die Leistungsfähigkeit der Bauteile erhöhen soll. In der vorliegenden Arbeit werden die wichtigsten Fragestellungen zum Wachstum der Si1-xCx-Schichten näher beleuchtet. Dabei werden zwei Methoden zum Wachstum der Schichten charakterisiert. Neben einem disilanbasierten UHV-CVD-Verfahren wird ein LP-CVD-Verfahren unter der Verwendung von Trisilan herangezogen. Für beide Prozessvarianten konnten mithilfe einer zyklischen Prozessführung selektive, undotierte und in-situ phosphordotierte Abscheidungen realisiert werden. Es wird gezeigt, dass die Disilanprozesse aufgrund ihrer geringen Wachstumsraten einen hohen Anteil interstitiellen Kohlenstoffs bedingen. Durch FT-IR-Analyse konnte belegt werden, dass sich während des Wachstums Siliziumkarbid-präzipitate bilden, die das epitaktische Wachstum nachhaltig schädigen können. Erweiterte man das Wachstum infolge der Zugabe von German zum ternären System Si1-x-yCxGey (y=0,05…0,07) wurde ein starker Anstieg der Wachstumsraten festgestellt. Die Aktivierungsenergie für das epitaktische Wachstum sinkt durch die Zugabe von German und der substitutionelle Kohlenstoffgehalt kann erhöht werden. Es wird gezeigt, dass German nicht nur für die Unterstützung des Ätzprozesses hilfreich ist, sondern im LP-CVD-Verfahren zur Unterstützung des HCl-basierten Ätzprozesses dienen kann. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Abscheidung und Charakterisierung in-situ phosphor-dotierter Schichten. Es wird nachgewiesen, dass Phosphor die Wachstumsrate erhöht und dass Phosphor und Kohlenstoff in Konkurrenz um substitutionelle Gitterplätze stehen. Phosphor ist außerdem auch die Spezies, für die die größte Anisotropie hinsichtlich des Einbaus auf Si(110) im Vergleich zu Si(001) beobachtet wurde: Je nach Prozessführung wird auf Si(110)-Ebenen nahezu doppelt so viel Phosphor eingebaut wie auf Si(001). Dieser Effekt ist insofern von großer Relevanz, als dass ein steigender Phosphoranteil auch die thermische Stabilität der Schichten herabsetzt. Die Relaxationsvorgänge basieren bei Si1-xCx-Schichten auf Platzwechselvorgängen substitutioneller Kohlenstoffatome zu interstitiellen Silizium-Kohlenstoff-Hanteldefekten unter der Bildung einer Leerstelle. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, nach dem Phosphor durch die Entstehung von PV-Komplexen diese Reaktion begünstigt, wodurch die Relaxationsvorgänge beschleunigt werden. Infolge einer dreidimensionalen Atomsondenanalyse kann der Endzustand der Relaxation – die Bildung stöchiometrischen Siliziumkarbids – belegt werden. In-situ phosphordotierte Si1-xCx-Schichten mit ca. 4*1020 at/cm³ Phosphorgehalt und 1,8 at.% Kohlenstoff wurden erfolgreich in NMOS-Transistoren der 45 nm Generation integriert und mit ebenfalls im Rahmen der Dissertation entwickelten Si:P-Rezepten verglichen. Die höchste Leistungssteigerung von 10 % konnte durch die Kombination aus beiden Prozessen erzielt werden, bei dem auf die spannungserzeugende Si1-xCx-Schicht zur Senkung des Silizidwiderstandes eine Si:P-Kappe aufgebracht wird. Die Einprägung einer Zugspannung in den Transistorkanal wurde mittels Nano beam diffraction nachgewiesen und wurde auf Basis des piezoresistiven Modells mit SiGe-PMOS-Transistoren verglichen.

Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente.