Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Stress in silicon structures plays an essential role in modern semiconductor technology. This stress has to be measured and due to the ongoing miniaturization in today’s semiconductor industry, the measuring method has to meet certain requirements. The present thesis deals with the question how Raman spectroscopy can be used to measure the state of stress in semiconductor structures. In the first chapter the relation between Raman peakshift and stress in the material is explained. It is shown that detailed stress maps with a spatial resolution close to the diffraction limit can be obtained in structured semiconductor samples. Furthermore a novel procedure, the so called Stokes-AntiStokes-Difference method is introduced. With this method, topography, tool or drift effects can be distinguished from stress related influences in the sample. In the next chapter Tip-enhanced Raman Scattering (TERS) and its application for an improvement in lateral resolution is discussed. For this, a study is presented, which shows the influence of metal particles on the intensity and localization of the Raman signal. A method to attach metal particles to scannable tips is successfully applied. First TERS scans are shown and their impact on and challenges for high resolution stress measurements on semiconductor structures is explained. / Spannungen in Siliziumstrukturen spielen eine entscheidende Rolle für die moderne Halbleitertechnologie. Diese mechanischen Verspannungen müssen gemessen werden und die fortlaufende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie stellt besondere Anforderungen an die benutzte Messmethode. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema, inwieweit Raman Spektroskopie zur Spannungsmessung in Halbleiterstrukturen geeignet ist. Im ersten Kapitel wird der Zusammenhang zwischen Raman Peakverschiebung und mechanischer Spannung erläutert. Es wird gezeigt wie man detaillierte stress maps in strukturierten Halbleiterproben erhält mit einer Auflösung nahe am Diffraktionslimit. Darüber hinaus wird ein neuartiges Verfahren, die sogenannte Stokes-AntiStokes-Differenz Methode vorgestellt mit deren Hilfe man Einflüsse von Topographie, Geräteeffekten und Drift von den zu messenden Spannungszuständen in der Probe unterscheiden kann. Im nächsten Kapitel wird diskutiert, inwiefern der Ansatz von Tip-enhanced Raman Scattering (TERS), also spitzenverstärkter Raman Streuung genutzt werden kann um die laterale Auflösung bei Raman Spannungsmessungen zu erhöhen. Hierzu wird eine Studie präsentiert, die zeigt, welchen Einfluss Metallpartikel auf Erhöhung und Lokalisierung des Ramansignals haben. Eine Methode um Metallpartikel an scannbare Spitzen anzubringen wird erfolgreich angewendet. Erste TERS-Scans werden gezeigt und deren Bedeutung und Herausforderungen bei der hochaufgelösten Messung von Spannungen in Halbleiterstrukturen wird erläutert.

Stress in silicon structures plays an essential role in modern semiconductor technology. This stress has to be measured and due to the ongoing miniaturization in today’s semiconductor industry, the measuring method has to meet certain requirements. The present thesis deals with the question how Raman spectroscopy can be used to measure the state of stress in semiconductor structures. In the first chapter the relation between Raman peakshift and stress in the material is explained. It is shown that detailed stress maps with a spatial resolution close to the diffraction limit can be obtained in structured semiconductor samples. Furthermore a novel procedure, the so called Stokes-AntiStokes-Difference method is introduced. With this method, topography, tool or drift effects can be distinguished from stress related influences in the sample. In the next chapter Tip-enhanced Raman Scattering (TERS) and its application for an improvement in lateral resolution is discussed. For this, a study is presented, which shows the influence of metal particles on the intensity and localization of the Raman signal. A method to attach metal particles to scannable tips is successfully applied. First TERS scans are shown and their impact on and challenges for high resolution stress measurements on semiconductor structures is explained. / Spannungen in Siliziumstrukturen spielen eine entscheidende Rolle für die moderne Halbleitertechnologie. Diese mechanischen Verspannungen müssen gemessen werden und die fortlaufende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie stellt besondere Anforderungen an die benutzte Messmethode. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema, inwieweit Raman Spektroskopie zur Spannungsmessung in Halbleiterstrukturen geeignet ist. Im ersten Kapitel wird der Zusammenhang zwischen Raman Peakverschiebung und mechanischer Spannung erläutert. Es wird gezeigt wie man detaillierte stress maps in strukturierten Halbleiterproben erhält mit einer Auflösung nahe am Diffraktionslimit. Darüber hinaus wird ein neuartiges Verfahren, die sogenannte Stokes-AntiStokes-Differenz Methode vorgestellt mit deren Hilfe man Einflüsse von Topographie, Geräteeffekten und Drift von den zu messenden Spannungszuständen in der Probe unterscheiden kann. Im nächsten Kapitel wird diskutiert, inwiefern der Ansatz von Tip-enhanced Raman Scattering (TERS), also spitzenverstärkter Raman Streuung genutzt werden kann um die laterale Auflösung bei Raman Spannungsmessungen zu erhöhen. Hierzu wird eine Studie präsentiert, die zeigt, welchen Einfluss Metallpartikel auf Erhöhung und Lokalisierung des Ramansignals haben. Eine Methode um Metallpartikel an scannbare Spitzen anzubringen wird erfolgreich angewendet. Erste TERS-Scans werden gezeigt und deren Bedeutung und Herausforderungen bei der hochaufgelösten Messung von Spannungen in Halbleiterstrukturen wird erläutert.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

We report the experimental observation of hysteresis-free negative capacitance (NC) in thin ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO) films through high-speed pulsed charge-voltage measurements. Hysteretic switching is suppressed by the addition of thin Al₂O₃ layers on top of the HZO to prevent the screening of the polarization. We observe an S-shaped polarization-electric field dependence without hysteresis in agreement with Landau theory, which enables direct extraction of NC modeling parameters for ferroelectric HZO. Hysteresis-free NC is demonstrated down to 100 ns pulse widths limited only by our measurement setup. These results give critical insights into the physics of ferroelectric NC and practical NC device design using ferroelectric HZO.

Logic-in-memory circuits promise to overcome the von-Neumann bottleneck, which constitutes one of the limiting factors to data throughput and power consumption of electronic devices. In the following we present four-input logic gates based on only two ferroelectric FETs (FeFETs) with hafnium oxide as the ferroelectric material. By utilizing two complementary inputs, a XOR and a XNOR gate are created. The use of only two FeFETs results in a compact and nonvolatile design. This realization, moreover, directly couples the memory and logic function of the FeFET. The feasibility of the proposed structures is revealed by electrical measurements of HKMG FeFET memory arrays manufactured in 28nm technology.

To overcome the fundamental limit of the transistor subthreshold swing of 60 mV/dec at room temperature, the use of negative capacitance (NC) in ferroelectric materials was proposed [1]. Due to the recent discovery of ferroelectricity in CMOS compatible HfO₂ and ZrO₂ based thin films [2], [3], the promise of ultra-low power steep-slope devices seems within reach. However, concerns have been raised about switching-speed limitations and unavoidable hysteresis in NC devices [4], [5]. Nevertheless, it was shown that NC effects without hysteresis can be observed in fast pulsed voltage measurements on ferroelectric/dielectric capacitors [6], which was recently confirmed using ferroelectric Hf₀.₅ Zr₀.₅ O₂[7], [8]. While in these works only the integrated charge after each pulse was studied, here we investigate for the first time if the transient voltage and charge characteristics are also hysteresis-free.