Germanium (Ge) is the most compatible semiconductor material with silicon-based complementary metal-oxide semiconductor technology, which has higher electron and hole mobility than Si, leading to enhanced device performance. In addition, semiconductor nanowires (NWs) have attracted significant attention as promising candidates for next-generation nanoscale devices. Due to their unique geometry and physical properties, NWs show excellent optical and electrical properties such as quantum size effects, enhanced light absorption, and high biological and chemical sensitivity. Furthermore, high response to light irradiation is one of the most significant properties of semiconductor NWs, which makes them excellent candidates for photodetectors. Hence, Ge NWs are promising high-mobility nanostructures for optoelectronic devices. Despite constant improvement in the performance of single NW-based devices, determining their electrical properties remains challenging. Here, a symmetric six-contact Hall bar configuration is developed for top-down fabricated highly doped Ge NWs with different widths down to 30 nm, which simultaneously facilitates Hall effect and four-probe resistance measurements. Furthermore, accurate control of doping and fabrication of metal contacts on n-type doped Ge NWs with low resistance and linear characteristics remain significant challenges in Ge-based devices. Therefore, a combined approach is reported to fabricate Ohmic contacts on n-type doped Ge NWs using ion implantation and rear-side flash lamp annealing. This approach allows the fabrication of axial p–n junctions along the single NWs with different widths. The fabricated devices demonstrated rectifying characteristics in dark conditions. The photoresponse of the axial p–n junction photodetectors was investigated under three different illumination wavelengths of 637 nm, 785 nm, and 1550 nm. Moreover, the fabricated axial p–n junction photodetector demonstrated a high-frequency response up to 1 MHz at zero bias.

This report collects selected outstanding scientific and technological results obtained within the frame of the European project "FLASiC" (Flash LAmp Supported Deposition of 3C-SiC) but also other work performed in adjacent fields. Goal of the project was the production of large-area epitaxial 3C-SiC layers grown on Si, where in an early stage of SiC deposition the SiC/Si interface is rigorously improved by energetic electromagnetic radiation from purpose-built flash lamp equipment developed at Forschungszentrum Rossendorf. Background of this work is the challenging task for areas like microelectronics, biotechnology, or biomedicine to meet the growing demands for high-quality electronic sensors to work at high temperatures and under extreme environmental conditions. First results in continuation of the project work – for example, the deposition of the topical semiconductor material zinc oxide (ZnO) on epitaxial 3C-SiC/Si layers – are reported too.

Die Temperung mittels Xenon-Blitzlampen (Flash Lamp Annealing - FLA) ist ein Kurzzeittemperverfahren mit Pulszeiten im Bereich von Millisekunden, bei dem nur die Oberfläche eines Substrats erhitzt wird. Durch die Blitzlampentemperung kann der Schichtwiderstand von tansparenten leitfähigen Oxidschichten reduziert und die Transmission im sichtbaren Licht erhöht werden. In dieser Arbeit wurde dies am Beispiel von Indium-Zinn-Oxid (ITO), Indium-Zink-Oxid (IZO) und aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) gezeigt. Es wurde untersucht, welchen Einfluss verschiedene Prozessparameter wie Energiedichte und Pulszeit des Xenonlichtblitzes, die Absorption der zu behandelnden Schicht, die Gasatmosphäre während der Temperung, die Reflexion im Prozessraum und das Substratmaterial auf die optischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten haben. Für ITO-Schichten mit einer Schichtdicke von 150 nm kann der Widerstand von 45 auf <14 Ohm verbessert werden, was vergleichbar mit einer konventionellen Temperung im Umluftofen ist.

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von Substraten mit Hilfe einer Ultraschallsprühanlage beschrieben. Es wurden Dispersionen aus Siliziumnanopartikeln und Organosiliziumpräkursoren genutzt, um Beschichtungen mit verschiedenen Dicken im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf verschiedenen metallischen Substraten zu erzeugen. Anschließend wurden diese der Blitzlampentemperung (FLA) unterzogen. Bei dünnen Beschichtungen mit Dicken von ca. 19 µm wurden nach der Blitzlampentemperung Filme auf dem Substrat erzeugt. Es wurden unterschiedliche Objektgrößen nach der Blitzlampentemperung in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck und der Pulslänge beobachtet. Bei dickeren Beschichtungen mit Dicken von ca. 38 µm bzw. 57 µm wurden selbstablösende Folien aus Silizium bei moderaten Pulsenergien von 4 J/cm² und durch das Anlegen von 5∙10-3 mbar Unterdruck während der Blitzlampentemperung hergestellt. Durch die Verwendung von Pulslängen mit 17,5 ms und Energien von bis zu 60 J/cm² wurden aus den ca. 38 µm dicken Beschichtungen nach der Blitzlampentemperung durch Übertragung auf ein Molybdänsubstrat ultradünne Siliziumschichten mit 280 nm Schichtdicke erzeugt. Mit Hilfe von Siliziumpresslingen wurde die maximale Eindringtiefe der Energie bei der Blitzlampentemperung ermittelt. Diese wurden bei verschiedenen Pulslängen und Energien mit der Blitzlampe getempert. Durch das Brechungsvermögen der Presslinge wurde an diesen sowohl die Oberfläche als auch durch Querschnittsaufnahmen die Sinterung bzw. das Schmelzen in der Tiefe nach der Blitzlampentemperung untersucht. Der Einfluss der Blitzlampentemperung auf die Polymorphie und die Kristallinität von Bis-mut(III)oxiden wurde untersucht. Die Charakterisierung der Siliziumfolien, Siliziumschichten und Siliziumpresslinge als auch der Bismut(III)oxide erfolgte unter anderem mittels Röntgenpulverdiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis V Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis XIV 1 Einleitung und Motivation 1 2 Grundlagen 3 2.1 Schichten und Filme aus Silizium 3 2.2 Bismut(III)-oxid 6 2.2.1 Polymorphismus des Bismut(III)-oxid 6 2.2.2 Anwendungen der Bismut(III)-oxide 7 2.3 Abscheidemethoden für dünne Schichten 9 2.3.1 Abscheidung von Schichten aus der Gasphase 9 2.3.1.1 Chemische Gasphasenabscheidung 9 2.3.1.2 Atomlagenabscheidung 10 2.3.1.3 Physikalische Gasphasenabscheidung 12 2.3.2 Abscheidung von Schichten aus Lösungen 12 2.3.2.1 Rotationsbeschichtung 13 2.3.2.2 Tauchbeschichtung 14 2.3.2.3 Ultraschallsprühbeschichtung 15 2.3.2.3.1 Geschichte der Ultraschallsprühbeschichtung 15 2.3.2.3.2 Mechanismus der Tropfenbildung 15 2.3.2.3.3 Anwendungen der Sprühbeschichtung 17 2.4 Vergleich von Kristallisationsmethoden 19 2.4.1 Konventionelle Kristallisation durch Aufheizen im Ofen 19 2.4.2 Blitzlampenschmelzen 20 2.4.2.1 Funktionsweise der Xenonblitzlampe 21 2.4.2.2 Lichtspektrum der Xenonlampen 21 2.4.3 Kristallisation durch Laser 22 2.5 Kombination von Sprühbeschichtung mit Blitzlampentemperung 23 3 Methoden zur Charakterisierung 24 3.1 NMR Spektroskopie 24 3.2 Röntgenpulverdiffraktometrie 24 3.3 Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenbeugung 24 3.4 Transmissionselektronenmikroskopie 25 3.5 Infrarotspektroskopie 25 3.6 Diffuse Reflektions-Infrarot-Fourier-Transformations Spektroskopie 25 3.7 Ellipsometrie 25 3.8 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 26 3.9 Vier-Punkt Widerstandsmessungen 26 4 Experimenteller Teil 28 4.1 Synthese von Edukten 28 4.2 Ätzen von Siliziumnanopartikeln 29 4.2.1 Hinweis zum Umgang mit Flusssäure 29 4.2.2 Flusssäurebehandlung von Siliziumnanopartikeln 30 4.3 Abscheidungen durch Ultraschallsprühbeschichtung 30 4.3.1 Dispersionen mit Siliziumnanopartikeln für die Ultraschallsprühbeschichtung 32 4.4 Herstellung von Presslingen 33 4.5 Photothermische Behandlung der dünnen Schichten 34 5 Ergebnisse und Diskussion 36 5.1 Siliziumnanopartikel 36 5.2 Bestimmungen der Eindringtiefe der Blitzlampentechnik an Siliziumpresslingen 41 5.3 Siliziumdispersionen und Abscheidungen mit der Ultraschallsprühanlage 46 5.4 Sauerstoffempfindlichkeit der Beschichtungen während der Blitzlampentemperung 51 5.5 Blitzlampentemperung von Beschichtungen zu haftenden Filmen auf Substraten 54 5.6 Siliziumabscheidungen auf verschiedenen Substraten 59 5.7 Blitzlampentemperung von Siliziumbeschichtungen zu freistehenden Folien 64 5.8 Ultradünne Siliziumschichten auf Molybdän durch Blitzlampentemperung 77 5.9 Einfluss der Blitzlampentemperung auf Bismut(III)-oxid 83 5.9.1 Blitzlampentemperung von amorphem Bismutoxid 83 5.9.2 Blitzlampentemperung von α Bi2O3 92 5.9.3 Blitzlampentemperung von β Bi2O3 93 5.9.4 Schlussfolgerung für die Blitzlampentemperung von Bismut(III)-oxiden 94 6 Zusammenfassung 95 7 Literaturverzeichnis 99 8 Anhang 104 Selbstständigkeitserklärung 110 Curriculum Vitae 111 Publikationen und Tagungsbeiträge 112

This report collects selected outstanding scientific and technological results obtained within the frame of the European project "FLASiC" (Flash LAmp Supported Deposition of 3C-SiC) but also other work performed in adjacent fields. Goal of the project was the production of large-area epitaxial 3C-SiC layers grown on Si, where in an early stage of SiC deposition the SiC/Si interface is rigorously improved by energetic electromagnetic radiation from purpose-built flash lamp equipment developed at Forschungszentrum Rossendorf. Background of this work is the challenging task for areas like microelectronics, biotechnology, or biomedicine to meet the growing demands for high-quality electronic sensors to work at high temperatures and under extreme environmental conditions. First results in continuation of the project work – for example, the deposition of the topical semiconductor material zinc oxide (ZnO) on epitaxial 3C-SiC/Si layers – are reported too.

Die Temperung mittels Xenon-Blitzlampen (Flash Lamp Annealing - FLA) ist ein Kurzzeittemperverfahren mit Pulszeiten im Bereich von Millisekunden, bei dem nur die Oberfläche eines Substrats erhitzt wird. Durch die Blitzlampentemperung kann der Schichtwiderstand von tansparenten leitfähigen Oxidschichten reduziert und die Transmission im sichtbaren Licht erhöht werden. In dieser Arbeit wurde dies am Beispiel von Indium-Zinn-Oxid (ITO), Indium-Zink-Oxid (IZO) und aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) gezeigt. Es wurde untersucht, welchen Einfluss verschiedene Prozessparameter wie Energiedichte und Pulszeit des Xenonlichtblitzes, die Absorption der zu behandelnden Schicht, die Gasatmosphäre während der Temperung, die Reflexion im Prozessraum und das Substratmaterial auf die optischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten haben. Für ITO-Schichten mit einer Schichtdicke von 150 nm kann der Widerstand von 45 auf <14 Ohm verbessert werden, was vergleichbar mit einer konventionellen Temperung im Umluftofen ist.

Thermische Ausheilprozesse werden bei der Transistorformation im Wesentlichen eingesetzt, um die durch die Ionenimplantation entstandenen Kristallschäden auszuheilen und die eingebrachten Dotanden zu aktivieren. Besonders kritisch sind dabei die finalen Aktivierungsprozesse, bei denen die Source/Drain-Gebiete der Transistoren gebildet werden. Im Zuge der kontinuierlichen Skalierung der CMOSFET-Technologie ist es außerdem erforderlich, möglichst flache, abrupte Dotierungsprofile mit maximaler elektrischer Aktivierung zu erhalten, um die bei diesen Bauelementeabmessungen immer stärker auftretenden Kurzkanaleffekte zu unterdrücken und gleichzeitig eine höhere Leistungsfähigkeit der Transistoren zu gewährleisten. Zur maximalen Aktivierung bei minimaler Diffusion der eingebrachten Dotanden müssen dazu während der finalen Ausheilung extrem kurze Ausheilzeiten bei sehr hohen Temperaturen bewerkstelligt werden. Mit dem derzeitig angewandten Ausheilverfahren, der schnellen thermischen Ausheilung (RTA), bei der die minimale Ausheilzeit im Bereich von 1 s liegt, sind diese Vorgaben nicht mehr realisierbar. Nur durch den Einsatz von neuartigen thermischen Ausheilprozessen mit Ausheilzeiten im Millisekundenbereich können diese Forderungen erreicht werden. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die wissenschaftliche Untersuchung der neuartigen Ausheilprozesse und die experimentelle Realisierung von Integrationsmöglichkeiten in die planare Hochleistungs-SOI-CMOSFET-Technologie. Dazu wird zunächst die Notwendigkeit der Einführung der neuartigen Ausheilprozesse erläutert. Anschließend wird basierend auf experimentellen Untersuchungen der Einfluss der Kurzzeitausheilung auf die Diffusion und Aktivierung der Dotierstoffe für eine p- und n-Dotierung analysiert. Des Weiteren werden zwei unterschiedliche Technologien der Kurzzeitausheilung, die Blitzlampen- und Laser-Ausheilung, und deren Einfluss auf das Transistorverhalten sowohl auf Wafer- als auch auf Mikroprozessorebene untersucht. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der experimentellen Untersuchung zur Integration der Kurzzeitausheilung in den Herstellungsprozess von Hochleistungs-SOI-CMOSFETs. Zwei verschiedene Ansätze werden dabei näher betrachtet. Zum Einen wird der Einfluss der Kurzzeitausheilung als zusätzlicher Ausheilschritt im Anschluss an die herkömmliche RTA und zum Anderen als alleiniger Ausheilschritt ohne RTA untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zeigen, dass durch die zusätzliche Kurzzeitausheilung nach Ansatz 1 ohne eine Veränderung des Herstellungsprozesses ein verbessertes Transistorverhalten erreicht werden kann. Demgegenüber ist die Integration der Kurzzeitausheilung nach Ansatz 2 nur durch eine Anpassung der Transistorarchitektur und eine Optimierung der Implantationsparameter für die Halo-, Source/Drain-Erweiterungs- und Source/Drain-Gebiete möglich. Ein Hauptaugenmerk bei der Herstellung diffusionsarmer p-MOSFETs nach Ansatz 2 liegt in der Implementierung von Si1-xGex-Source/Drain-Gebieten, um die Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch diese Verspannungsquelle auch bei diesen Transistortypen zu gewährleisten. Die dazu durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, dass bei diffusionsarmen p-MOSFETs mit Si1-xGex in den Source/Drain-Gebieten des Transistors, die Wahl der richtigen Implantationsspezies von entscheidender Bedeutung ist. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der Ergebnisse von optimierten, diffusionsarmen n- und p-MOSFETs mit Transistoren der 45 nm-Technologie. Letztere basieren auf einem Prozess mit einer kombinierten Ausheilung von RTA und Kurzzeitausheilung. Dabei wird gezeigt, dass im Gegensatz zur herkömmlichen RTA-Ausheilung eine weitere Miniaturisierung der planaren Transistorstruktur mit Hilfe der Kurzzeitausheilung möglich ist.

Within the framework of this thesis, the influence of non equilibrium post growth thermal treatments of ion implanted and epitaxially grown Ge1-xSnx and Si1-x-yGeySnx layers for nano and optoelectronic devices has been investigated. The main focus has been placed on the study and development of thermal treatment conditions to improve the as grown layer quality and the fabrication of Ge1-xSnx and Si1-x-yGeySnx on SOI JNTs. In addition, through layer characterization, exhaustive analysis has provided deep insight into key material properties and the alloy´s response to the thermal treatment. For instance, (i) the conversion of as grown in plane compressive strained Ge1-xSnx into in-plane tensile strained Ge1-xSnx after PLA that is required for high mobility n-type transistors and (ii) the evolution of monovacancies to larger vacancy clusters due to post growth thermal treatments. Moreover, the adaption of CMOS compatible fabrication approaches to the novel Ge1-xSnx and Si1-x-yGeySnx alloys allowed the successful fabrication of first lateral n-type JNTs on SOI with remarkable Ion/Ioff ratios of up to 10^8 to benchmark the alloy performance.:I. Table of contents II. Abstract III. Kurzfassung (Abstract in German) IV. List of Abbreviations V. List of Symbols VI. List of Figures VII. List of Tables 1 Introduction 2 Fabrication and properties of Ge1 xSnx and Si1 x yGeySnx alloys 2.1 Alloy formation 2.2 Strain and defects 2.3 Electrical and optical properties 2.3.1 Band structure of strain relaxed alloys 2.3.2 Band structure of strained alloys 2.3.3 Doping influenced properties 2.3.4 Electrical properties 2.4 Thermal treatments 2.4.1 Rapid thermal annealing 2.4.2 Flash lamp annealing 2.4.3 Pulsed laser annealing 2.5 Summary 3 Experimental setups 3.1 Molecular beam epitaxy (MBE) 3.2 Ion beam implantation 3.3 Pulsed laser annealing (PLA) 3.4 Flash lamp annealing (FLA) 3.5 Micro Raman spectroscopy 3.6 Rutherford backscattering spectrometry (RBS) 3.7 X ray diffraction (XRD) 3.8 Secondary ion mass spectrometry (SIMS) 3.9 Hall effect measurement 3.10 Transmission electron microscopy (TEM) 3.11 Positron annihilation spectroscopy (PAS) 3.12 Cleanroom 4 Post growth thermal treatments of Ge1-xSnx alloys 4.1 Post growth pulsed laser annealing 4.1.1 Material fabrication and PLA annealing 4.1.2 Microstructural investigation 4.1.3 Strain relaxation and optical properties 4.1.4 Electrical properties and defect analysis 4.1.5 Strain relaxed Ge1-xSnx as virtual substrates 4.1.6 Conclusion 4.2 Post growth flash lamp annealing 4.2.1 Material fabrication and r FLA annealing 4.2.2 Alloy composition and strain analysis 4.2.3 Defect investigation 4.2.4 Dopant distribution and activation 4.2.5 Conclusion 5 Fabrication of Ge1-xSnx and Si1-x-yGeySnx alloys on SOI 5.1 Alloy fabrication with ion beam implantation and FLA 5.1.1 Si1-x-yGeySnx formation via implantation and FLA 5.1.2 Si1-x-yGeySnx on SOI fabrication via implantation and FLA 5.1.3 Recrystallization of Si1-x-yGeySnx on SOI by FLA 5.1.4 P and Ga doping of Si1 x yGeySnxOI via implantation and FLA 5.1.5 Conclusion 5.2 MBE and post growth thermal treatments of Ge1-xSnx and Si1-x-yGeySnx on SOI 5.2.1 MBE growth of Ge0.94Sn0.06 and Si0.14Ge0.80Sn0.06 on SOI 5.2.2 Microstructure of as grown Ge0.94Sn0.06 and Si0.14Ge0.80Sn0.06 5.2.3 Microstructure after post growth thermal treatments 5.2.4 Dopant concentration and distribution 5.2.5 Conclusion 6 Ge1-xSnx and Si1-x-yGeySnx on SOI junctionless transistors 6.1 Operation principle of n type JLFETs 6.2 Fabrication of n-type JNTs 6.3 Electrical characterization 6.3.1 JNT performance evolution during processing 6.3.2 JNT performance in dependence on post growth PLA 6.3.3 Gate configuration of Ge1-xSnx JNTs 6.3.4 Influence of post fabrication FLA on Ge1-xSnx JNTs 6.4 Conclusion 7 Conclusion and future prospects References 8 Appendix 8.1 Sample list and fabrication details for Chapter 4 8.2 Extended RBS information 8.3 Extended TEM analysis for section 4.1.2 8.4 Strain calculation based on (224) RSM 8.5 Strain calculation by µ Raman 8.6 Analysis of Hall effect measurements 8.7 VEPFit and ATSUP simulations 8.8 Strain relaxation of Ge0.89Sn0.11 for section 4.1.5 8.9 COMSOL simulation of FLA temperature 8.10 ECV measurement setup 8.11 Datasheet of the SOI wafers 8.12 Sample list of Chapter 5 8.13 Calculation of the ion beam implantation parameter by SRIM 8.14 RBS simulation results for section 5.1 8.15 GI XRD and (224) XRD RSM results for section 5.1 8.16 SIMS limitations for section 5.1.4 8.17 RBS of Ge1-xSnx on SOI for section 5.2.3 8.18 Fit procedure for SOI RSM peak positions 8.19 Supporting µ Raman results for section 5.2.3 8.20 Process details for n-JNT fabrication 8.21 Flat band voltage VFB and on current Ion of JNTs 8.22 Ioff, Imax, Ion/Ioff and Imax/Ioff ratio of JNTs 8.23 Subthreshold swing SS calculation of JNTs 8.24 Threshold voltage Vth of JNTs 187 8.25 Gate configuration of Si1-x-yGeySnx JNTs 8.26 n-type transistors compared in Chapter 7 8.27 Annealing setup description

Die Fertigung zukünftiger integrierter Schaltkreise und von Produkten des Bereichs Konsumerelektronik erfordert die Anwendung von Verfahren mit reduzierter thermischer Belastung, um bereits gefertigte Bauelemente und temperaturempfindliche Materialien nicht durch nachfolgende Prozesse thermisch zu beschädigen. Das ms-Blitzlampentempern (engl. flash lamp annealing, FLA) ist ein Kurzzeittemperverfahren, bei dem nur ein oberflächennaher Bereich des Substrats für die Dauer von wenigen Millisekunden eine sehr starke Temperaturerhöhung erfährt, während das Bulkmaterial nicht bzw. nur in deutlich geringerem Maße erwärmt wird. Dadurch ermöglicht das FLA die Realisierung von thermisch aktivierten Prozessen mit einem vergleichsweise geringen thermischen Budget. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz des FLA-Verfahrens für die FLA-induzierte Abscheidung dünner Schichten, die Verbesserung von Schichteigenschaften durch das zyklische Zwischentempern der Schichten während eines Abscheideprozesses und die Rekristallisation von amorphem Silizium (a-Si) zur lokal kontrollierten Herstellung großer Si-Körner untersucht und evaluiert. Die direkte Abscheidung dünner Schichten mittels FLA wurde am Beispiel von aluminium-basierten Schichten und Rutheniumschichten untersucht. Die Realisierung der Prozesse erfolgte durch zyklisch wiederholte Anwendung des FLA's während die Substrate den jeweiligen Präkursoren ausgesetzt waren. In beiden Fällen wurde das Schichtwachstum durch den Energieeintrag des FLA's ausgelöst. Weiterhin weisen die Prozesse typische Merkmale der Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) auf, wie zum Beispiel ein Lage-zu-Lage-Wachstum und Wachstumsraten von weniger als einem Angström pro Zyklus. Die Abscheidung der aluminiumbasierten Schichten ist zudem durch das für die ALD charakteristische selbstbegrenzende Schichtwachstum gekennzeichnet. Die erzielten Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Wachstumseigenschaften wie auch der Schichteigenschaften werden stets in Bezug zur Wirkung der FLA-induzierten Temperaturentwicklung auf das Schichtwachstum gesetzt und diskutiert. So werden beispielsweise substratabhängige Wachstumsraten auf die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der verwendeten Substrate und die daraus resultierenden unterschiedlichen Temperaturen während des FLA's zurückgeführt. Die FLA-induzierte Abscheidung von Ruthenium wurde ferner als single-source-Prozess mit nur einem Präkursor realisiert. Zudem wird gezeigt, dass sich eine durch substratbegrenztes Schichtwachstum verursachte Aufwachsverzögerung durch die Anwendung derartiger FLA-induzierter Abscheideprozesse signifikant reduzieren lässt. Die Verbesserung von Schichteigenschaften durch FLA wurde am Beispiel der Aluminium-oxid-ALD (Al2O3), die bei niedrigen Prozesstemperaturen stattfand, untersucht. Das Ziel war, eine Vergrößerung der Dichte der Al2O3-Schichten zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde das FLA in den ALD-Prozess integriert und zyklisch während der Spülpulse der ALD-Prozesssequenz ausgeführt. Vorteil dieses Ansatzes gegenüber konventionellen Temperverfahren ist, dass die Schichten bereits direkt während der Schichtwachstumsphase getempert werden können. Als Ergebnis dieser in situ Temperung wurde eine Steigerung der Dichte von Al2O3-Schichten, die bei 75 °C abgeschieden wurden, um ca. 10 % erreicht. Dieser Anstieg ist jedoch nicht auf eine gewöhnliche Verdichtung des Schichtmaterials zurückzuführen. Stattdessen implizieren die Ergebnisse, dass die zyklische FLA-Anwendung das Schichtwachstum fördert und so direkt zum Aufwachsen von Schichten mit größerer Dichte führt. Dieses unterstützte Wachstum wurde auch in Form eines um ca. 25 % größeren Massenzuwachses pro Zyklus beobachtet und es ist am ausgeprägtesten, wenn das FLA nach jedem einzelnen oder nach jedem zweiten ALD-Zyklus ausgeführt wird. Des Weiteren hatte die Anwendung des in situ FLA-Zwischentemperns eine verbesserte Schichtzusammensetzung, eine Vergrößerung des Brechungsindex, größere Dielektrizitätskonstanten sowie eine Reduzierung der Leckströme zur Folge. Die Anwendung von Wasserstoff während der FLA-Teilschritte führte zu einer nochmaligen Steigerung des Massenzuwachses und einer weiteren Verbesserung der Schichteigenschaften. Die mit dem in situ Zwischentempern erreichten Dichten wurden durch ein konventionelles Nachtempern der Al2O3-Schichten mit Temperaturen bis zu 600 °C nicht erreicht. Bezüglich der FLA-induzierten Rekristallisation von a-Si wurde die Anwendung von strukturierten Metallschichten unter der zu rekristallisierenden a-Si-Schicht untersucht. Die kleinen Metallgebiete wirken als eingebettete Mikrospiegel und führen während des FLA zu einer verstärkten Wärmeentwicklung im darüber befindlichen a-Si. Infolgedessen wird mit diesem Ansatz gezielt ein lateraler Temperaturgradient in der a-Si-Schicht erzeugt. Während der FLA-Rekristallisation in Verbindung mit einem Aufschmelzen des a-Si beginnt das Wachstum von Si-Körnern an Positionen, die durch die niedrigste Temperatur des Gradients gekennzeichnet sind und setzt sich dann durch die epitaktische Anlagerung von weiterem Material fort. Demgemäß findet die Bildung von Si-Gebieten mit großen Kristalliten in kontrollierter Art und Weise statt. Im Vergleich verschiedenster Spiegelrastertypen erwiesen sich Raster aus kreisförmigen und linienförmigen Spiegeln als die vielversprechendsten Varianten. Die entstandenen Si-Gebiete befinden sich ausschließlich in Bereichen zwischen benachbarten Spiegeln und haben ein kissenförmiges Erscheinungsbild, sie weisen Abmessungen von einigen zehn Mikrometern auf und bestehen aus Si-Körnern mit Längen von bis zu ca. 28 µm. Die Bildung einkristalliner Si-Inseln wurde im Fall eines Spiegelraster mit kreisförmigen Spiegeln festgestellt. Im Vergleich dazu führte der Einsatz von Spiegelrastern mit linienförmigen Spiegeln zur Bildung von langgestreckten Si-Kissen mit länglichen und nahezu rechteckigen Körnern. Dies wird mit dem von einer Seite ausgehenden lateralen Erstarren des geschmolzenen Si erklärt. Desweiteren zeichnet sich dieser Ansatz durch das Herausfiltern eines einzelnen Kornes und somit durch grain-filter-Eigenschaften aus. Dies ermöglicht es, Si-Körner in kontrollierter Weise an zuvor festgelegten Positionen herzustellen. Die größten derart erzeugten Si-Körner haben Abmessungen von ca. 26 x 6 µm².:Kurzfassung i Abstract iii Inhaltsverzeichnis v Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis ix Kurzzeichenverzeichnis xiii 1 Einleitung 1 1.1 Trends bei der Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise 1 1.2 Ziele der Arbeit 4 1.3 Aufbau der Arbeit 5 2 Grundlagen des ms-Blitzlampentemperns 7 2.1 Grundprinzip des ms-Blitzlampentemperns 7 2.2. Einordnung und Vergleich mit anderen Temperverfahren 9 2.3 Anwendungsgebiete des ms-Blitzlampentemperns 10 2.4 Erzeugung und Kenngrößen eines Lichtblitzes 12 2.5 Physikalische Teilprozesse 14 2.5.1 Wechselwirkungen der elektromagnetischen Strahlung mit Gasmolekülen 15 2.5.2 Reflexion und Absorption 16 2.5.3 Wärmeentwicklung und Wärmeleitung 20 2.5.4 Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeübergang in den Substratträger 21 2.6 Modellierung und Simulation der Temperaturverteilung 23 2.7 Temperaturentwicklung am Beispiel eines c-Si-Wafers 25 2.8 Einfluss ausgewählter Parameter auf die Temperaturentwicklung 27 2.8.1 Einfluss der Energiedichte 27 2.8.2 Einfluss der Blitzpulsdauer 29 2.8.3 Einfluss dünner Schichten 33 2.8.4 Einfluss des Substrats 35 2.8.5 Einfluss strukturierter Substrate und strukturierter Schichten 38 2.8.6 Einfluss der Substrattemperatur 39 2.8.7 Einfluss der Prozessatmosphäre 40 2.8.8 Einfluss von zyklisch wiederholten Blitzen 41 3 Experimentelle Methoden 43 3.1 Schichtmesstechniken 43 3.1.1 Spektroskopische Ellipsometrie 43 3.1.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 46 3.1.3 Röntgenreflektometrie 47 3.1.4 Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.5 Weitere Verfahren 50 3.2 Verwendete Substrate und Methoden zur Probenherstellung 53 3.2.1 Substrate und Probenpräparation für ALD-Untersuchungen 53 3.2.2 Probenpräparation für Rekristallisations-Untersuchungen 53 3.3 Weitere experimentelle Verfahren 54 3.3.1 Thermische Nachbehandlung mittels RTA 54 3.3.2 Dekorationsätzen von Silizium mittels Secco-Ätzlösung 54 4 Blitzlampenbasierte Atomlagenabscheidung dünner Schichten 55 4.1 Grundlagen 55 4.1.1 Konventionelle Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.1 Grundprinzip der Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.2 Wachstumsverhalten und Temperaturfenster 57 4.1.1.3 Vorteile und Anwendungsgebiete 59 4.1.1.4 Herausforderungen und Grenzen der thermischen ALD 59 4.1.2 Energieunterstützte Atomlagenabscheidung 61 4.1.3 Grundlagen der FLA-basierten Atomlagenabscheidung 62 4.1.3.1 Grundprinzip der FLA-basierten ALD 63 4.1.3.2 Neue Möglichkeiten durch FLA-basierte ALD-Prozesse 65 4.1.3.3 Literaturüberblick – Einsatz des FLA für die direkte Abscheidung dünner Schichten 66 4.1.3.4 Literaturüberblick – Anwendung des FLA für das in situ Zwischentempern dünner Schichten während der Abscheidung mittels ALD 70 4.2 Versuchsanlage FHR Cluster DS 100x4 71 4.2.1 Aufbau der Versuchsanlage 72 4.2.2 Blitzlampenmodul und FLA-Parameter 73 4.2.3 Prozesskammer für FLA-induzierte Abscheideprozesse 74 4.3 Untersuchungen zur direkten Abscheidung dünner Schichten durch Einsatz des Blitzlampentemperns 77 4.3.1 FLA-induzierte Atomlagenabscheidung von aluminiumbasierten dünnen Schichten mit dem Präkursor Trimethylaluminium 77 4.3.1.1 Motivation 77 4.3.1.2 Experimentelle Durchführung 77 4.3.1.3 Ergebnisse und Diskussion 78 4.3.2 FLA-induzierte Abscheidung von dünnen Rutheniumschichten mit dem Präkursor CHORUS 89 4.3.2.1 Motivation 89 4.3.2.2 Experimentelle Durchführung 89 4.3.2.3 Ergebnisse und Diskussion 90 4.3.3 Zusammenfassung und Ausblick 97 4.4 Untersuchungen zum Einsatz des Blitzlampentemperns als in situ Zwischentemperung während der Al2O3-ALD bei niedrigen Abscheidetemperaturen zum Erreichen größerer Dichten 99 4.4.1 Motivation 99 4.4.2 Experimentelle Durchführung 101 4.4.2.1 Versuchsanlage, Schichtabscheidung, FLA-Teilschritt und Prozesssequenz 101 4.4.2.2 Schichtcharakterisierungen 103 4.4.3 Ergebnisse und Diskussion 103 4.4.3.1 Auswirkungen infolge der Anwendung des in situ FLA 103 4.4.3.2 Vergleich von in situ FLA und RTA 112 4.4.3.3 Anwendung des in situ FLA auf Foliensubstraten 114 4.4.4 Zusammenfassung und Ausblick 115 5 Blitzlampeninduzierte Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1 Grundlagen der FLA-Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1.1 Eigenschaften von amorphem, kristallinem und flüssigem Silizium 118 5.1.2 Rekristallisationsregime 120 5.1.3 Ansätze für ein kontrolliertes Kornwachstum bei der Rekristallisation von a-Si 122 5.2 Experimentelle Durchführung 125 5.2.1 Probenpräparation 125 5.2.2 Blitzlampentemperung 127 5.2.3 Probencharakterisierung 128 5.3 Ergebnisse und Diskussion 128 5.3.1 Wirkung vergrabener Metallschichten und abdeckender SiO2-Schichten bei der FLA-induzierten Rekristallisation von a-Si-Schichten 128 5.3.1.1 FLA-induzierte Rekristallisation mit 20 ms langen Lichtblitzen 128 5.3.1.2 FLA-induzierte Rekristallisation mit 2,7 ms langen Lichtblitzen 131 5.3.1.3 Simulation 132 5.3.2 FLA-induzierte Rekristallisation von a-Si mit der lokal kontrollierten Bildung von Siliziumgebieten mit großen Si-Körnern 134 5.3.2.1 Experimentelle Durchführung 134 5.3.2.2 Ergebnisse bei der Anwendung separierter a-Si-Inseln 134 5.3.2.3 Ergebnisse bei der Anwendung eingebetteter Ti-Mikrospiegel 135 5.4 Zusammenfassung und Ausblick 149 6 Zusammenfassung 151 Literaturverzeichnis 155 Abbildungsverzeichnis 173 Tabellenverzeichnis 183 Anhang 185 Veröffentlichungsverzeichnis 193 Lebenslauf 195 Danksagung 197 / The production of future integrated circuits as well as consumer electronics requires the usage of processes with reduced thermal load in order to prevent thermal damage of electronic components and thermally sensitive materials. The ms flash lamp annealing (FLA) is a short term annealing method, where only a surface near region of the substrate is strongly heated up for a duration of a few milliseconds, while the bulk material experiences no or only little heating. Due to this characteristics, FLA enables the activation of thermal processes at a comparable low thermal budget. In this work, the application of FLA for the FLA-induced deposition of thin films, the improvement of film properties by periodically annealing of films right during the deposition process as well as for the recrystallization of amorphous silicon (a-Si) with the purpose of locally controlled formation of large silicon grains has been investigated. The direct deposition of thin films by FLA has been studied using both aluminum-based films and ruthenium thin films. The processes were realized by periodically performing the FLA while the substrates were exposed to the respective precursor. In both cases the film growth was induced by the energy input provided by the FLA. Furthermore, the processes exhibited typical features of atomic layer deposition (ALD) such as layer-by-layer growth and growth rates smaller than one Angström per cycle. Moreover, the deposition of the aluminum-based films is characterized by a self-limiting film growth, clearly indicating that film growth proceeds in the ALD mode. The obtained relations between process parameters and both film growth behaviour and film properties are discussed with respect to the impact of the FLA-induced temperature development on the film growth. For example, substrate dependent growth rates are attributed to different optical properties of the different substrate materials causing different temperatures during the FLA. Moreover, the deposition of ruthenium films was realized as a single source process by using only one precursor. In addition it is demonstrated that a growth delay phase, caused by substrate inhibited film growth, can be significantly reduced by the application of such a FLA-induced deposition process. The improvement of film properties by FLA was investigated by means of low-temperature aluminum oxide ALD (Al2O3) and the aim was to achieve an increase in Al2O3 film density. For that purpose, the FLA was directly integrated into an ALD process and performed perio-dically during the purging steps of the ALD process sequence. Advantage of this approach compared to conventional annealing methods is, that films can not only be annealed subsequently to the deposition, but already right during the stage of film growth as well. As a result of this in situ annealing, a 10 % increase in density of Al2O3 films, that were grown at 75 °C substrate temperature, was achieved. However, this increase is not related to a ordinary densification of the film material. Instead the results imply that the periodical application of FLA promotes the film growth, and hence, results in direct growth of films with improved film density. This enhanced film growth was also observed by means of a 25 % increase in the mass gain per cycle and it is most pronounced when performing FLA after each single ALD cycle or after every second ALD cycle. Furthermore, the application of in situ FLA led to an improved film composition, an increase in refractive index, enhanced dielectric constants as well as reduced leakage currents. The usage of hydrogen gas during the FLA sub-steps results in a further increase of mass gain per cycle and a further improvement of film properties. The film density realized with this in situ annealing approach was not achieved by conventional post deposition annealing with temperatures up to 600 °C. With respect to the FLA-induced recrystallization of a-Si, the application of patterned metal layers below the a-Si was studied. Those metal spots act like embedded micro mirrors and lead to an enhanced heating of the a-Si above the mirrors. As a result, a lateral temperature gradient is introduced into the a-Si layer. During the FLA-triggered crystallization combined with melting of the a-Si, the growth of silicon grains starts at positions that are characterized by the lowest temperature of the gradient and then proceeds via the epitaxial regrowth from molten silicon. Due to this feature, the formation of Si regions with large Si crystals takes place in a controlled manner. When comparing various mirror patterns with respect to their suitability for this approach, mirror patterns with circular mirrors as well as line-shaped mirrors are the most promising variants. The resulting silicon islands have pillow-like shapes, are located exclusively in regions between neighboring mirrors, exhibit dimensions of a few tens of micrometers and consist of grains with sizes up to 28 µm. The formation of single-grain silicon pillow-like structures was observed for particular mirror patterns having circular mirrors. On the other hand, the application of mirror patterns with line-shaped mirrors resulted in the formation of elongated and almost rectangular silicon grains. This has been explained in terms of lateral solidification starting from one edge. Furthermore, this approach is featured by the selective filtering of a single grain, and hence, exhibits grain filter characteristics. This enables the well controlled formation of large single Si grains at predetermined positions. The largest grains realized with this approach have a size of about 26 x 6 µm².:Kurzfassung i Abstract iii Inhaltsverzeichnis v Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis ix Kurzzeichenverzeichnis xiii 1 Einleitung 1 1.1 Trends bei der Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise 1 1.2 Ziele der Arbeit 4 1.3 Aufbau der Arbeit 5 2 Grundlagen des ms-Blitzlampentemperns 7 2.1 Grundprinzip des ms-Blitzlampentemperns 7 2.2. Einordnung und Vergleich mit anderen Temperverfahren 9 2.3 Anwendungsgebiete des ms-Blitzlampentemperns 10 2.4 Erzeugung und Kenngrößen eines Lichtblitzes 12 2.5 Physikalische Teilprozesse 14 2.5.1 Wechselwirkungen der elektromagnetischen Strahlung mit Gasmolekülen 15 2.5.2 Reflexion und Absorption 16 2.5.3 Wärmeentwicklung und Wärmeleitung 20 2.5.4 Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeübergang in den Substratträger 21 2.6 Modellierung und Simulation der Temperaturverteilung 23 2.7 Temperaturentwicklung am Beispiel eines c-Si-Wafers 25 2.8 Einfluss ausgewählter Parameter auf die Temperaturentwicklung 27 2.8.1 Einfluss der Energiedichte 27 2.8.2 Einfluss der Blitzpulsdauer 29 2.8.3 Einfluss dünner Schichten 33 2.8.4 Einfluss des Substrats 35 2.8.5 Einfluss strukturierter Substrate und strukturierter Schichten 38 2.8.6 Einfluss der Substrattemperatur 39 2.8.7 Einfluss der Prozessatmosphäre 40 2.8.8 Einfluss von zyklisch wiederholten Blitzen 41 3 Experimentelle Methoden 43 3.1 Schichtmesstechniken 43 3.1.1 Spektroskopische Ellipsometrie 43 3.1.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 46 3.1.3 Röntgenreflektometrie 47 3.1.4 Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.5 Weitere Verfahren 50 3.2 Verwendete Substrate und Methoden zur Probenherstellung 53 3.2.1 Substrate und Probenpräparation für ALD-Untersuchungen 53 3.2.2 Probenpräparation für Rekristallisations-Untersuchungen 53 3.3 Weitere experimentelle Verfahren 54 3.3.1 Thermische Nachbehandlung mittels RTA 54 3.3.2 Dekorationsätzen von Silizium mittels Secco-Ätzlösung 54 4 Blitzlampenbasierte Atomlagenabscheidung dünner Schichten 55 4.1 Grundlagen 55 4.1.1 Konventionelle Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.1 Grundprinzip der Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.2 Wachstumsverhalten und Temperaturfenster 57 4.1.1.3 Vorteile und Anwendungsgebiete 59 4.1.1.4 Herausforderungen und Grenzen der thermischen ALD 59 4.1.2 Energieunterstützte Atomlagenabscheidung 61 4.1.3 Grundlagen der FLA-basierten Atomlagenabscheidung 62 4.1.3.1 Grundprinzip der FLA-basierten ALD 63 4.1.3.2 Neue Möglichkeiten durch FLA-basierte ALD-Prozesse 65 4.1.3.3 Literaturüberblick – Einsatz des FLA für die direkte Abscheidung dünner Schichten 66 4.1.3.4 Literaturüberblick – Anwendung des FLA für das in situ Zwischentempern dünner Schichten während der Abscheidung mittels ALD 70 4.2 Versuchsanlage FHR Cluster DS 100x4 71 4.2.1 Aufbau der Versuchsanlage 72 4.2.2 Blitzlampenmodul und FLA-Parameter 73 4.2.3 Prozesskammer für FLA-induzierte Abscheideprozesse 74 4.3 Untersuchungen zur direkten Abscheidung dünner Schichten durch Einsatz des Blitzlampentemperns 77 4.3.1 FLA-induzierte Atomlagenabscheidung von aluminiumbasierten dünnen Schichten mit dem Präkursor Trimethylaluminium 77 4.3.1.1 Motivation 77 4.3.1.2 Experimentelle Durchführung 77 4.3.1.3 Ergebnisse und Diskussion 78 4.3.2 FLA-induzierte Abscheidung von dünnen Rutheniumschichten mit dem Präkursor CHORUS 89 4.3.2.1 Motivation 89 4.3.2.2 Experimentelle Durchführung 89 4.3.2.3 Ergebnisse und Diskussion 90 4.3.3 Zusammenfassung und Ausblick 97 4.4 Untersuchungen zum Einsatz des Blitzlampentemperns als in situ Zwischentemperung während der Al2O3-ALD bei niedrigen Abscheidetemperaturen zum Erreichen größerer Dichten 99 4.4.1 Motivation 99 4.4.2 Experimentelle Durchführung 101 4.4.2.1 Versuchsanlage, Schichtabscheidung, FLA-Teilschritt und Prozesssequenz 101 4.4.2.2 Schichtcharakterisierungen 103 4.4.3 Ergebnisse und Diskussion 103 4.4.3.1 Auswirkungen infolge der Anwendung des in situ FLA 103 4.4.3.2 Vergleich von in situ FLA und RTA 112 4.4.3.3 Anwendung des in situ FLA auf Foliensubstraten 114 4.4.4 Zusammenfassung und Ausblick 115 5 Blitzlampeninduzierte Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1 Grundlagen der FLA-Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1.1 Eigenschaften von amorphem, kristallinem und flüssigem Silizium 118 5.1.2 Rekristallisationsregime 120 5.1.3 Ansätze für ein kontrolliertes Kornwachstum bei der Rekristallisation von a-Si 122 5.2 Experimentelle Durchführung 125 5.2.1 Probenpräparation 125 5.2.2 Blitzlampentemperung 127 5.2.3 Probencharakterisierung 128 5.3 Ergebnisse und Diskussion 128 5.3.1 Wirkung vergrabener Metallschichten und abdeckender SiO2-Schichten bei der FLA-induzierten Rekristallisation von a-Si-Schichten 128 5.3.1.1 FLA-induzierte Rekristallisation mit 20 ms langen Lichtblitzen 128 5.3.1.2 FLA-induzierte Rekristallisation mit 2,7 ms langen Lichtblitzen 131 5.3.1.3 Simulation 132 5.3.2 FLA-induzierte Rekristallisation von a-Si mit der lokal kontrollierten Bildung von Siliziumgebieten mit großen Si-Körnern 134 5.3.2.1 Experimentelle Durchführung 134 5.3.2.2 Ergebnisse bei der Anwendung separierter a-Si-Inseln 134 5.3.2.3 Ergebnisse bei der Anwendung eingebetteter Ti-Mikrospiegel 135 5.4 Zusammenfassung und Ausblick 149 6 Zusammenfassung 151 Literaturverzeichnis 155 Abbildungsverzeichnis 173 Tabellenverzeichnis 183 Anhang 185 Veröffentlichungsverzeichnis 193 Lebenslauf 195 Danksagung 197

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.