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Zuverlässigkeitsuntersuchung

von GaAs Heteroübergang-

Bipolartransistoren

vorgelegt von

Diplom-Physiker

Reza Pazirandeh

aus Teheran/Iran

von der

Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik

der

Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften

– Dr. rer. nat. –

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss

Vorsitzender: Prof. Dr. Herbert Reichl

Berichter: Prof. Dr. Günther Tränkle

Berichter: Prof. Dr. Christian Boit

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 18.03.2010

Berlin 2010

D 83

Abstract

This work describes the investigation of reliability of InGaP/GaAs hetero-

junction bipolar transistors (HBT) fabricated at the Ferdinand-Braun-Institut für

Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin, Germany. Measurement methods and set-

ups to determine the reliability of the GaAs HBTs were developed and established.

Analytic methods were used to localize and to characterize the degradation mecha-

nisms in these devices. The investigation and measurements were performed close

to device development to give feedback on the influence of technology parameter

variations on the reliability of the HBTs for further optimization of the devices.

The reliability of the HBTs was determined by stressing the devices at elevat-

ed temperature and collector current densities to accelerate the degradation and to

obtain life time results within a reasonable time frame. The mean time to failure

(MTTF) at ―normal‖ operating conditions was extrapolated from the accelerated

data in accordance with the theory of Arrhenius, which describes the temperature

dependence of reaction rate. For the degradation mechanisms in HBTs the tempera-

ture of importance is the one in the active region of the device, the so called junc-

tion temperature. The junction temperature during reliability measurements shall

not be too high since unusual degradation mechanisms could be thermally activat-

ed. The limit for the junction temperature for the HBTs fabricated at FBH and in-

vestigated in this work was determined to be at = 325 °C.

The reliability measurements were all performed on HBTs with one emitter

finger with dimensions of 3×30 µm2. The HBTs were biased in common emitter

mode and the collector-emitter voltage was always set to 3.0 V. The base current

was adjusted to achieve the desired collector current, which requires the monitoring

of the collector current during the stress test. This method guaranties a constant

collector power dissipation which results in a constant junction temperature. It min-

imizes the error for determining the MTTF of the HBTs and the activation energy

of the degradation mechanisms.

For a quick first data acquisition a so called on-wafer ―crash test‖ was intro-

duced, where HBTs of different wafers were stressed at the same current and junc-

tion temperature, thus the life-time results could be directly compared. For this

ii Abstract

measurement a wafer prober with special probe needles was set up to test up to five

HBTs simultaneously. A ―good‖ device was defined to be one which had a mini-

mum life time of 50 hours at a collector current density of = 1×105 A/cm2 and a

junction temperature of = 300 °C. This life time could be extrapolated to an

aimed life time of 1×106 h at normal operating conditions ( = 125 °C) with an

expected activation energy of = 1 eV.

Wafers with good ―crash test‖ results were chosen for long term reliability

tests to determine the MTTF. For this measurement the HBTs were diced and pack-

aged. Devices were stressed at a collector current density of = 8×104 A/cm2 and

in groups at different junction temperatures in specially developed micro-ovens,

starting from 250 °C in steps of 20-25 K and a maximum junction temperature of

325 °C.

Increased epitaxial layer quality and the quality of the active layer interfaces

led to increased life-time values from 20-40 h for the ―crash tests‖ at the beginning

of the development up to 100-300 h for the final generation. At the same time the

MTTF of the HBTs increased from 3×104 h up to 1.1×107 h, and the activation en-

ergy increased from 0.8 eV to 1.1 eV. Similar values were also obtained by other

groups, but at much lower current densities. This shows the world class quality of

the technology and its reliability without loss of performance. The electrical proper-

ties of the HBTs still were very good with a maximum current gain of = 110

and a maximum frequency of ≈ 200 GHz, both at = 3.0 V, and

= 4×104 A/cm2.

The degradation mechanisms were investigated on degraded HBTs. First spe-

cially designed multi-finger HBTs were stressed and investigated with electrolumi-

nescence. Fresh devices emit photons in infra red spectrum and the emitter fingers

can be seen as bright stripes. During stressing the devices defects appear in the im-

ages as dark lines in the stripes, which are known as dark line defects (DLDs). Fur-

ther stressing of the devices led to an increase of the number of the DLDs and it

could also be observed that some of them grew into neighboring emitter fingers.

This process can be explained as follows: recombination in the base leads to emis-

sion of photons, but at some existing defects the energy of the non-radiative recom-

bination is emitted as phonons and can lead to creation of more defects or to growth

Abstract iii

of existing defects to defect clusters or dislocations and even to gliding of the dislo-

cations. These defects and dislocation act also as recombination centers and amplify

this mechanism through a positive feedback. The mechanism is known as recombi-

nation enhanced defect reaction - REDR.

The occurrence of REDR can be reduced by reducing the defects in the epi-

taxial layers in the active region of the HBTs. Due to the existing defects in the sub-

strate and their propagation into the device during the growth of the epi layers, the

quality of the substrate material is essential for the reliability. This could be shown

by comparing the reliability data of HBTs from substrates with high (LEC) and low

(VGF) defect density as well as correlating the reliability data on a LEC wafer with

the distribution of the defect density.

The existence and creation of the defects and other degradation mechanisms

were investigated on degraded HBTs in transmission electron microscope. Disloca-

tions were observed in the base and collector having their origin in the base-emitter

junction. The existence of the dislocation in the collector can be explained by their

glide through receiving the energy from recombination at the dislocation. Material

analysis with energy dispersive x-ray spectroscopy (EDXS) found diffusion of In-

dium out of the emitter in degraded HBTs in areas without defects or dislocations.

At dislocations and defects the Indium out diffusion was not observed.

Further element analysis with EDXS showed no diffusion of metal into the

semiconductor material and also no carbon precipitates were observed, as were re-

ported from other groups. This confirms the stability of the epitaxial materials and

the contact metallization.

During this work the development of reliable GaAs based heterojunction bi-

polar transistors was successfully supported. Setups for on-wafer and long-term

reliability measurements were established to determine the median time to failure

(MTTF) of the devices. With this setup the superior reliability of GaAs HBTs fabri-

cated at FBH was demonstrated at high current densities. It was shown that the

main degradation mechanism in the HBTs is the recombination enhanced defect

reaction.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung .................................................................................................... 1

I. Einleitung ......................................................................................................... 7

II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs ............................................... 11

II.1. Zuverlässigkeitsrechnung ................................................................................ 12

II.1.1. Verteilungsfunktion ............................................................................................ 12

II.1.2. Zuverlässigkeitsfunktion ..................................................................................... 12

II.1.3. Dichtefunktion .................................................................................................... 14

II.1.4. Mittlere Lebensdauer – MTTF ............................................................................ 14

II.1.5. Ausfallrate ........................................................................................................... 14

II.1.6. Weibullverteilung ............................................................................................... 16

II.2. Lebensdauerbestimmung von HBTs ............................................................... 18

II.2.1. Beschleunigte Alterung ....................................................................................... 18

II.2.1.1. Beschleunigung der Alterung mit Temperatur ........................................... 19

II.2.1.2. Spannungs- und Strombeschleunigung ....................................................... 22

II.2.2. Burn-in ................................................................................................................ 23

III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT) .......................................... 25

III.1. Aufbau und Konzept des HBT ........................................................................ 26

III.1.1. Funktionsweise des HBT .................................................................................... 27

III.2. Herstellung von HBTs ..................................................................................... 30

III.2.1. Epitaxie ............................................................................................................... 30

III.2.2. HBT Herstellungsprozess ................................................................................... 34

III.2.3. Mögliche Schwachstellen von HBTs .................................................................. 38

III.3. HBT Eigenschaften ......................................................................................... 40

III.3.1. DC Eigenschaften ............................................................................................... 40

IV. Lebensdaueruntersuchungen ....................................................................... 43

IV.1. Messverfahren ................................................................................................. 43

IV.1.1. Bestimmung der Junction-Temperatur TJ ........................................................... 44

IV.1.2. Der thermische Widerstand RTh ........................................................................... 45

IV.1.2.1. Methode von Bovolon ................................................................................ 47

IV.1.2.2. Einfluss von Substratdicke und Luftbrückendicke auf Rth .......................... 52

IV.1.3. Alterungsbedingungen ........................................................................................ 54

IV.2. Messtechnik ..................................................................................................... 57

Inhaltsverzeichnis

IV.3. Degradationsverlauf ........................................................................................ 63

IV.3.1. Kurzzeitdegradation: Burn-in .............................................................................. 64

IV.3.1.1. Elektrische und thermische Einflüsse auf den Burn-in-Verlauf .................. 66

IV.3.1.2. Burn-in-Prozess in Abhängigkeit der Basisdotierung ................................. 69

IV.3.2. Graduelle und katastrophale Degradation ............................................................ 70

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit .................. 71

IV.4.1. Substratmaterial ................................................................................................... 71

IV.4.2. Einfluss der Epitaxie auf die Lebensdauer der HBTs .......................................... 79

IV.5. Bestimmung der mittleren HBT-Lebensdauer ................................................ 82

V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs ......................................... 89

V.1. Rekombinationsbeschleunigte Defektreaktionen ............................................ 90

V.2. Elektrolumineszenz ......................................................................................... 93

V.3. Transmissionselektronenmikroskop – TEM .................................................... 99

V.3.1. Fokussierte Ionenstrahlen – FIB ........................................................................ 100

V.3.2. TEM-Untersuchung der HBTs .......................................................................... 102

V.3.3. Defekte und Versetzungen ................................................................................. 105

V.3.4. Burgers-Vektor-Analyse .................................................................................... 109

V.4. Materialdiffusion ........................................................................................... 112

V.4.1. Energiedispersive Röntgenspektroskopie – EDX .............................................. 112

V.4.2. Metalldiffusion in den Halbleiter ....................................................................... 112

V.4.3. Kohlenstoffpräzipitate ....................................................................................... 114

V.4.4. Indium-Diffusion aus dem Emitter .................................................................... 116

V.5. Zusammenfassung der Ergebnisse ................................................................ 118

Literaturverzeichnis ............................................................................................ 121

Danksagung .......................................................................................................... 129

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Zuverlässigkeit von GaAs

Heteroübergang-Bipolartransistoren (HBTs), die am Ferdinand-Braun-Institut für

Höchstfrequenztechnik (FBH) hergestellt wurden. Die Lebensdauer der HBTs ist

von besonderem Interesse, da sie in Systemen mit hoher Zuverlässigkeit eingesetzt

werden. Als Teil eines Systems müssen die einzelnen Komponenten deutlich höhe-

re Zuverlässigkeit aufweisen als das Gesamtsystem, dessen Zuverlässigkeit sich aus

den Zuverlässigkeiten der Komponenten zusammensetzt. So liegt zum Beispiel die

Anforderung an die Lebensdauer der Bauelemente für Anwendungen in der Raum-

fahrt bei bis zu 50 Jahren. Dabei wird die Lebensdauer definiert als die Zeit, in der

das Bauelement die an ihm geforderten Spezifikationen erfüllt und wird angegeben

als die mittlere Lebensdauer (

). Als Ziel für diese Arbeit wurde eine

= 1×106 Stunden festgelegt, was ca. 115 Jahren entspricht.

Die Lebensdaueruntersuchungen erfolgten parallel zur Technologieentwick-

lung. Damit wurde der Einfluss der Variation der Technologieparameter auf die

Lebensdauer der HBTs untersucht und der Technologie eine Rückmeldung gege-

ben. Zusätzlich wurden analytische Untersuchungen an den HBTs durchgeführt, um

Schwachstellen und die für Ausfälle verantwortlichen Degradationsmechanismen

zu identifizieren und zu charakterisieren.

Für die Zuverlässigkeitsuntersuchungen wurde ein HBT mit einem Emitter-

finger von 3×30 µm2 entworfen, der in allen Layouts integriert und auf allen pro-

zessierten Wafern hergestellt wurde. Für die Alterungsmessungen wurden Messme-

thoden entwickelt, dazu passende Messplätze entworfen und mit Hilfe von internen

und externen Werkstätten aufgebaut. Die Messsoftware wurde entsprechend der

Anforderungen der Messmethoden vom Hersteller an die Vorgaben in dieser Arbeit

angepasst.

Um die mittlere Lebensdauer der HBTs in einem angemessenen Zeit-

raum zu bestimmen, wurde mit beschleunigter Alterung gearbeitet. Als Parameter

für die Beschleunigung der Alterung wurden in dieser Arbeit die Umgebungstem-

peratur und die Kollektorstromdichte eingesetzt. Die Bestimmung der bei

MTTF: englisch, „Mean Time To Failure―

2 Zusammenfassung

normalen Betriebsbedingungen aus den Lebensdauerdaten der beschleunigten Alte-

rungen erfolgt nach der Gleichung von Arrhenius. Diese Gleichung beschreibt die

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit in chemischen Prozessen von der

Temperatur bei bekannter Aktivierungsenergie des Prozesses. Da die Aktivie-

rungsenergie im Allgemeinen nicht bekannt ist, müssen beschleunigte Alterungen

bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden, um sowohl die mittlere Le-

bensdauer bei normalen Bedingungen als auch die Aktivierungsenergie

des Degradationsmechanismus bestimmen zu können. Die entscheidende Tempera-

tur für die beschleunigte Alterung von HBTs ist die sogenannte Junction-

Temperatur , die im aktiven Bereich der HBTs herrscht. Diese Temperatur kann

nicht direkt bestimmt werden. Aus elektrischen Messungen bei verschiedenen

Temperaturen kann der thermische Widerstand der HBTs bestimmt werden. Mit

dem thermischen Widerstand, der Verlustleistung am Arbeitspunkt und der Umge-

bungstemperatur während der beschleunigten Alterung lässt sich dann die Junction-

Temperatur berechnen. Die Extrapolation der MTTF aus beschleunigten Alte-

rungsmessungen erfolgt auf eine Junction-Temperatur von = 125 °C; die übli-

cherweise bei normalen Betriebsbedingungen im HBT herrscht.

Für die beschleunigte Alterung ist es sehr wichtig, die verwendete Junction-

Temperatur, die ein Maß für die Belastung der HBTs während der Alterung ist,

nicht zu hoch zu wählen. Eine Junction-Temperatur oberhalb einer kritischen Gren-

ze führt zur Aktivierung von Degradationsmechanismen, die beim Betrieb bei

niedrigeren Strömen und Temperaturen nicht auftreten. Die Bestimmung dieser

kritischen Temperatur muss für jede Technologie experimentell bestimmen werden.

In dieser Arbeit wurde sie für die verwendete Technologie zur Beginn der Entwick-

lungsphase zu = 325 °C bestimmt.

Die maximale Stromdichte für die beschleunigten Alterungsmessungen wurde

durch einen sogenannten Stufentest – die periodische stufenweise Erhöhung des

Stroms bis zum Ausfall des HBT’s – bestimmt. Dabei wurde der Maximalwert der

Stromdichte auf = 1×105 A/cm² festgelegt, der ca. 75% der Stromdichte beim

Ausfall entspricht. Dies ist eine Standardmethode zur Bestimmung der maximalen

Stromdichte für die Alterung von HBTs.

Für diese Arbeit wurden zwei Messmethoden für die Lebensdaueruntersu-

Zusammenfassung 3

chungen entwickelt: ein Schnelltest zur Erlangung von Lebensdauerdaten in kurzer

Zeit zum Vergleich der Wafer, je nach Substratqualität, Epitaxie und Prozess unter-

einander und ein Test zur Bestimmung der mittleren Lebensdauer von auf-

gebauten Einzeltransistoren. Die Alterungen der HBTs wurden ausschließlich bei

konstanter Kollektorverlustleistung durchgeführt. Hierfür wurde eine Kollektor-

spannung von = 3,0 V angelegt, und der Basisstrom während der Alterung so

reguliert, dass der gewünschte Kollektorstrom erreicht wurde. Dies garantiert bei

konstanter Umgebungstemperatur eine konstante Junction-Temperatur, und somit

eine konstante Belastung der HBTs während der Alterung. Dadurch wird die Be-

stimmung der mittleren Lebensdauer und der Aktivierungsenergie zuver-

lässiger.

Für die Schnelltests wurden die HBTs von frisch prozessierten Wafern unter

jeweils denselben Bedingungen ( = 1×105 A/cm², = 300 °C) on-wafer auf ei-

nen Prober mit beheizbarem Chuck gealtert. Als gut wurde ein Wafer bezeichnet,

wenn die HBTs auf dem Wafer beim Schnelltest mindestens eine Lebensdauer von

50 Stunden aufwiesen. Dies entspricht unter der Annahme, dass die Aktivierungs-

energie bei 1 eV liegt, einer mittleren Lebensdauer von ca. 1×106 Stunden bei

= 125 °C – das Ziel dieser Arbeit und der GaAs-HBT-Entwicklung am FBH. Die

Aktivierungsenergie wurde durch vorherige Messungen bestimmt und ent-

spricht bekannten Literaturwerten.

Die Wafer, die bei den Schnelltests besonders gute Ergebnisse lieferten, wur-

den zersägt und die vereinzelten HBTs aufgebaut. Die aufgebauten HBTs wurden

zur Bestimmung der in speziellen Öfen bei mindestens drei verschiedenen

Junction-Temperaturen gealtert. Die -Bestimmung wurde bei einer Strom-

dichte von = 8×104 A/cm² und einer Junction-Temperatur von maximal

= 325 °C durchgeführt. Die weiteren Messungen wurden bei niedrigeren Junc-

tion-Temperaturen mit jeweils 20 K Unterschied durchgeführt.

Die Ergebnisse der Schnelltests während der Technologieentwicklung haben

gezeigt, dass mit der Zeit die Qualität der Epitaxieschichten, insbesondere die Qua-

lität der Grenzflächen zwischen den funktionalen Schichten, und des Prozesses so-

weit verbessert werden konnten, dass die geforderte Lebensdauer im beschleunigten

Alterungstests von 50 Stunden erreicht und übertroffen wird. Auch Messungen der

4 Zusammenfassung

mittleren Lebensdauer von aufgebauten HBTs bestätigen diesen Trend.

Während die mittlere Lebensdauer von HBTs zu Beginn der Technologieentwick-

lung bei 3,0×104 Stunden lag, wiesen HBTs der letzten Generation eine mittlere

Lebensdauer von etwas mehr als = 1,1×107 Stunden auf, das entspricht na-

hezu zu 1300 Jahren. Dabei stieg die Aktivierungsenergie von = 0,8 eV auf

= 1,1 eV. Ähnliche Ergebnisse ( = 1×107 h und = 1,1 eV) wurden von

anderen Gruppen in Forschung und Industrie für ihre am weitesten entwickelte

Technologie angegeben. Dies zeigt, dass die Zuverlässigkeit der GaAs HBTs am

FBH mit zur Weltspitze gehört.

Die Degradationsmechanismen, die zum Ausfall der HBTs führen, können

nur durch analytische Methoden identifiziert werden. Hierfür wurden degradierte

HBTs und einige frische HBTs als Referenzproben untersucht, um die Befunde

eindeutig dem Alterungsprozess zuordnen zu können. Für die Materialanalytik

wurde das Transmissionselektronenmikroskop (TEM

) mit der energiedispersive

Röntgenspektroskopie (EDXS

) eingesetzt. Elektronenstrahlstransparente Proben

wurden mit fokussierten Ionenstrahlen (FIB

) präpariert. Die Präparation der Pro-

ben ist sehr zeitaufwendig und die Handhabung der extrem kleinen anfälligen Pro-

ben, die nur wenige Mikrometer groß und nur 100-300 nm dick sind, ist entspre-

chend schwierig.

Bei den Untersuchungen der degradierten HBTs im TEM wurde keine Diffu-

sion von Kontaktmetallen am Emitter, an der Basis oder am Kollektor ins Halb-

leitermaterial und auch keine Elektromigration gefunden. Es wurden keine Kohlen-

stoffpräzipitate in der Basis der HBTs beobachtet, wie sie von anderen Gruppen in

der Nähe der Mesakante gefunden wurden. Die Untersuchungen in TEM zeigten,

dass degradierte HBTs Versetzungen aufweisen, die vom Emitter ausgehen und in

die Basis reichen, in manchen Fällen sogar bis in den Kollektor. Diese Versetzun-

gen entstehen durch rekombinationsbeschleunigte Defektreaktion (REDR

). Bei

diesem Degradationsmechanismus führt die durch nichtstrahlende Rekombination

freigesetzte Energie zur Entstehung von Punktdefekten, die wiederum als nicht-

TEM: englisch, „transmission electron microscope―

EDXS: englisch, „energy dispersive x-ray spectroscopy―

FIB: englisch, „focused ion beam―

REDR: englisch, „recombination enhanced defect reaction―

Zusammenfassung 5

strahlende Rekombinationszentren agieren und die Entstehung weiterer Punktdefek-

te beschleunigen. Das führt zur Ausbildung von Punktdefektclustern und zum

Wachstum und zur Ausbreitung von Versetzungen. Es konnte auch gezeigt werden,

dass die Existenz von Versetzungen im GaAs-Substrat Einfluss auf die Lebensdau-

er der HBTs hat. So haben HBTs aus Waferbereichen mit hoher Versetzungsdichte

eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit für einen Frühausfall als HBTs von Berei-

chen mit niedrigerer Versetzungsdichte.

Eine Elementverteilungsanalyse mit EDXS in TEM zeigte, dass sich die Ver-

teilung des Indiums im InGaP-Emitter in versetzungsfreien Bereichen deutlich un-

terscheidet von der Indiumverteilung in Bereichen mit Versetzungen. In verset-

zungsarmen Bereichen diffundiert das Indium während der beschleunigten Alterung

des HBT’s aus dem Emitter, während in versetzungsreichen Bereichen das Indium

von Versetzungen an der Ausdiffusion gehindert wird.

Versetzungen werden durch ihren Burgersvektor charakterisiert. Die Bestim-

mung des Burgersvektors der Versetzungen in degradierten HBTs zu

󰇍

[

 ]

zeigte, dass diese Versetzungen nicht zu den typischen Versetzungen in GaAs ge-

hören, wie sie zum Beispiel in GaAs-basierten Dioden beobachtet wurden. Die

wahrscheinlichsten Burgersvektoren in GaAs sind vom Typ

〈 〉. Die in den

gealterten HBTs beobachteten Versetzungen sind Mischtypen und ihr Burgersvek-

tor ist entsprechend zusammengesetzt aus verschiedenen Burgersvektoren, wie zum

Beispiel

[ ] und

[

].

Die Untersuchung von degradierenden HBTs mithilfe von Elektrolumines-

zenz (EL) konnte die Entstehung und Ausbreitung von Versetzungen während des

Betriebes sichtbar machen. Bei Rekombination von Ladungsträgern in der Basis

kann die freigewordene Energie als Photon emittiert werden. Da die Bandlücke der

Basis in GaAs-HBTs im Vergleich zum Emitter und zum Kollektor am geringsten

ist, werden die Photonen aus der Basis im Emitter- und Kollektormaterial nicht ab-

sorbiert und können mithilfe einer infrarot-sensitiven CCD-Kameras beobachtet

werden. Dabei werden die aktiven Bereiche des Transistors als „leuchtende― Struk-

turen sichtbar, während die Versetzungen als dunkle Linien (DLD – Dark Line De-

fects) in diesem hellen Bereich beobachtet werden. Da die HBTs auf der „oberen―

Seite metallisiert sind, mussten die vereinzelten HBTs flip-chip– also mit der Me-

6 Zusammenfassung

tallisierung nach unten – auf spezielle Träger aufgebaut werden. Dieser Aufbau

erfordert ein spezielles Layout für die Metallisierung der HBT´s. Um die mögliche

Ausbreitung der Defekte beobachten zu können, wurden Mehrfinger-HBTs gealtert

und untersucht. Während der Alterung der HBTs entstandene DLDs und ihre Aus-

breitung durch die Finger des Mehrfinger-HBT´s konnten mit Elektrolumineszenz

beobachtet werden. Diese Beobachtungen unterstreichen, dass die rekombinations-

beschleunigte Defektreaktion (REDR) der Hauptdegradationsmechanismus in den

GaAs-HBTs ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine zuverlässige Methodik

und Messtechnik zur Bestimmung der Lebensdauer von HBTs entwickelt und etab-

liert wurde. Die Entwicklung der GaAs-HBT-Technologie am FBH konnte durch

Einsatz der Messtechnik und physikalischen Analysemethoden unterstützt werden,

um zuverlässige Bauelemente zu entwickeln, die den Ansprüchen der potenziellen

Anwendungen gerecht werden und international konkurrenzfähig sind. Zum ersten

Mal wurden Versetzungen in degradierten InGaP/GaAs-HBTs durch Einsatz von

FIB und TEM nachgewiesen und mithilfe von EL konnten die Entstehung und

Ausbreitung von Versetzungen gezeigt werden. Die rekombinationsbeschleunigte

Defektreaktion (REDR) wurde als die Hauptdegradationsmechanismus identifiziert.

Kapitel 1

I. Einleitung

Die rasche Entwicklung der Halbleitertechnologie hat in den letzten Jahren

den Einsatz von Halbleiterbauelementen und -schaltungen in diversen Anwendun-

gen beschleunigt. Die Entwicklung der elektronischen Bauelementetechnologie

setzt auf immer kleinere Strukturen (< 100 nm), insbesondere für Hochfrequenzan-

wendungen (1 – 100 GHz), zum Beispiel für das Abstandsradar in Fahrzeugen bei

77 GHz und auch für Anwendungen, die hohe Signalleistungen (> 50 W) benöti-

gen, wie zum Beispiel in der Mobilfunktechnologie, wo für Basisstationen Verstär-

ker mit Ausgangsleistungen bis 120 W eingesetzt werden. Diese Entwicklung ist

auch eine Herausforderung an die Zuverlässigkeit der Bauelemente, da die kleine-

ren Strukturen anfälliger gegenüber thermischen, mechanischen und elektrischen

Belastungen sind.

In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit von Halbleitertransistoren – in die-

sem Fall Heteroübergang-Bipolartransistoren (HBT) – untersucht, die am Ferdi-

nand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin hergestellt werden.

Die Technologie am FBH basiert auf III-V-Verbindungshalbleitern, einer Verbin-

dung von dreiwertigen und fünfwertigen Elementen; hier wird die Verbindung aus

Gallium (Ga) und Arsen (As), Galliumarsenid (GaAs), verwendet.

Bauteile aus GaAs schalten zwar nicht schneller als ihre vergleichbaren Pen-

dants aus Silizium, erzeugen jedoch weniger Signalrauschen bei hohen Frequenzen

und können wegen der hohen Durchbruchspannung – aufgrund der größeren Band-

lücke – bei höheren Leistungen betrieben werden. Daher gilt GaAs als wichtiger

Grundstoff für die Mobilfunk- und Satellitentechnologie sowie für Radarsysteme.

In Mobiltelefonen werden GaAs-Leistungsverstärker (~ 1 W) eingesetzt. Darüber

hinaus wird GaAs als Ausgangsmaterial benutzt, um Laserdioden bzw. oberflä-

chenemittierenden Lasern (VCSEL

) herzustellen, sowie Satelliten mit Energie aus

hoch spezialisierten Solarzellen zu versorgen.

Die hier untersuchten HBTs werden in Schaltungen für diverse Hochfre-

quenzanwendungen verwendet. Sie müssen einerseits hohe Leistungen bis 15 W bei

2 GHz liefern, andererseits aber auch zuverlässig und langlebig sein. Dazu ist die

VCSEL: englisch: „Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser―

8 I Einleitung

Auswirkung der verwendeten Technologie auf die Zuverlässigkeit der HBTs unter-

sucht und entsprechendes Feedback zur Technologieentwicklung gegeben worden.

Zum Vergleich der Zuverlässigkeit mit Technologien anderer Hersteller wurde die

mittlere Lebensdauer 1F

durch beschleunigtes Altern bestimmt. Dabei wurden

die Transistoren bei erhöhter Stromdichte und Umgebungstemperatur betrieben. So

kann aus Lebensdauerergebnissen bei hohen Belastungen nach Arrhenius auf die

Lebensdauer bei „normalen― Bedingungen extrapoliert werden [Arrh89]. Hierfür

müssen entsprechend des Anwendungsgebiets der Transistoren die Parameter für

die Lebensdaueruntersuchung festgelegt werden. Die Transistoren wurden sowohl

on-Wafer gemessen, als auch einzeln aufgebaut gealtert.

Für die Zuverlässigkeit spielen sowohl technologische Prozesse zur Herstel-

lung der Bipolartransistoren eine Rolle als auch die nachfolgenden Prozesse, die für

das Einhäusen der Transistoren benötigt werden. Die Herstellungstechnologie kann

man in zwei Bereiche einteilen: die Material- und die Prozesstechnologie. Die Ma-

terialtechnologie umfasst die Herstellung und Charakterisierung der für das Bau-

element notwendigen vertikalen Schichtstruktur, die epitaktisch auf GaAs-

Substraten abgeschieden wird. Hier spielen Substratmaterial, Qualität der Schich-

ten, Schichtfolge, Schichtdicke und Dotierungshöhe eine Rolle für die Zuverlässig-

keit. Um nun die Einflüsse einzelner Parameter, wie zum Beispiel Substratmaterial

oder Basisdotierung, auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Transistoren zu

bestimmen, wurden die Wafer mit wenigen Parametervariationen beim Prozess

versehen und die Auswirkungen untersucht. Die nachfolgende Aufbautechnik be-

steht aus diversen Schritten, in denen die prozessierten Wafer mechanisch abge-

dünnt und gesägt werden. Danach werden die vereinzelten Transistoren in Gehäuse

gelötet oder geklebt und gebondet.

Weiterhin werden die Mechanismen untersucht, die zur Degradation der

Transistoren führen. Um diese Mechanismen zu identifizieren, wurden folgende

analytische Methoden angewendet:

 Elektrolumineszenz, EL

 Rasterelektronenmikroskopie, REM

MTTF: englisch, „Mean Time To Failure―

I Einleitung 9

 Fokussiertes Ionenstrahlätzen, FIB2F

 Transmissionselektronenmikroskopie, TEM

 Energiedispersive Röntgenspektroskopie, EDXS3F

Hierbei werden auch aus der Literatur bekannte Mechanismen diskutiert, wie

zum Beispiel die Rolle von Versetzungen in degradierten Transistoren [Hend96],

aber auch der Vergleich mit der Degradation von Laserdioden wird hinzugezogen,

um die Physik der Defektentstehung besser verstehen zu können.

Zusammenfassend ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von zuverlässi-

gen Transistoren, die eine mittlere Lebensdauer von mindestens 5×106 Stunden

aufweisen, die auf dem Markt konkurrenzfähig ist. Zur Ermittlung der Lebensdauer

wurden entsprechende Messplätze aufgebaut und Messverfahren entwickelt. Die

Ergebnisse der Untersuchungen flossen ein in die Optimierung der Technologie.

Gleichzeitig wurden die physikalischen Mechanismen identifiziert, die zur Degra-

dation der Transistoren führen.

Diese Arbeit ist folgendermaßen gegliedert: Nach der Einleitung werden im

zweiten Kapitel zunächst die Grundlagen der Zuverlässigkeitsrechnung kurz vorge-

stellt, und Methoden zur Bestimmung der mittleren Lebensdauer erläutert.

Im dritten Kapitel werden Aufbau und Funktionsweise von HBTs erläutert. An-

schließend wird der Herstellungsprozess der HBTs bzw. die Technologie am Ferdi-

nand-Braun-Institut beschrieben. Das vierte Kapitel beschäftigt sich mit Lebens-

daueruntersuchung von GaAs HBTs. Zunächst werden Messverfahren und Mess-

technik vorgestellt und die Bestimmung der verschiedenen wichtigen Parameter

erläutert. Anschließend werden die Degradationsmechanismen in GaAs HBTs un-

tersucht. Anschließend werden die verschiedenen Stadien der Transistordegradation

beschrieben und ein Bezug zur Technologie hergestellt. Dabei werden die Einflüsse

von Technologieparametern – Epitaxie (Substratmaterial und Basisdotierungshöhe),

Prozessierung – auf die Zuverlässigkeit der HBTs untersucht. Im fünften Kapitel

werden die analytischen Ergebnisse vorgestellt und die daraus gewonnenen Er-

kenntnisse diskutiert.

FIB: englisch, „Focused Ion Beam―

EDXS: englisch, „Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy―

Kapitel 2

II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen hat in den letzten Jahren

durch den wachsenden Einsatz, insbesondere für Luft- und Weltraumanwendungen

und in der Automobilindustrie, enorm an Bedeutung gewonnen. Sie hängt von vie-

len Parametern ab, insbesondere von der Herstellungstechnologie und von den Be-

triebsbedingungen. Zuverlässigkeit wird definiert als die Wahrscheinlichkeit, dass

ein System mit definierten Eigenschaften unter definierten Bedingungen in einer

bestimmten Zeitspanne fehlerfrei arbeitet [Ieee90]. Die Zuverlässigkeitsanalyse ist

interdisziplinär und setzt Kenntnisse aus verschiedenen Bereichen voraus, wie Bau-

elementephysik, Simulation, Messtechnik, Bauelemente- und Defektanalyse.

Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen wird durch ihre Lebensdau-

er, eine stetige Zufallsgröße , charakterisiert. Sie wird definiert als die Zeit, in

der das Bauelement nach Definition funktioniert, bzw. noch nicht ausgefallen ist

und wird über die Ausfallstatistik bei definierten Alterungs- und Ausfallbedingun-

gen ermittelt. Um Ergebnisse in einem angemessenen Zeitraum zu erhalten, werden

beschleunigte Lebensdaueruntersuchungen bei erhöhter Umgebungstemperatur

durchgeführt und deren Ergebnisse auf normale Bedingungen extrapoliert. Dieses

Verfahren wird in der gesamten Halbleiterindustrie zur Lebensdauerbestimmung

eingesetzt [Hobb00].

Die Anforderungen an die Halbleiterbauelemente bezüglich ihrer Lebensdau-

er sind sehr hart, denn diese Bauelemente werden in Systeme eingesetzt, deren Ge-

samtlebensdauer abhängig vom Einsatz bis zu 50 Jahren (in der Raumfahrt) sein

muss. Somit muss jedes Element des Systems eine deutlich höhere Zuverlässigkeit

aufweisen.

In diesem Abschnitt werden die theoretischen Grundlagen der Zuverlässig-

keitsuntersuchungen erläutert. Zu Beginn werden die wichtigsten Begriffe definiert

und danach die Methoden zur Bestimmung der Lebensdauer durch beschleunigte

Alterung und Berechnung der Aktivierungsenergie der Degradationsmechanismen

aus den Lebensdauerdaten vorgestellt.

12 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

II.1. Zuverlässigkeitsrechnung

Aufgabe der Zuverlässigkeitsrechnung ist es, Aussagen über die Lebensdauer

oder Funktionsdauer von bestimmten Betrachtungseinheiten – hier von GaAs HBTs

– zu treffen. Um die Zuverlässigkeit mathematisch zu beschreiben, werden Werk-

zeuge und Methoden der Statistik verwendet. Die Lebensdauer besitzt eine zuge-

hörige Lebensdauerverteilung, die durch die Verteilungsfunktion , durch die

Zuverlässigkeitsfunktion und durch die Dichtefunktion beschrieben wird.

II.1.1. Verteilungsfunktion

Die Verteilungsfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass die

betrachtete Einheit im Zeitraum von 0 bis t ausfällt. Sie bestimmt damit die Le-

bensdauer- oder Ausfallverteilung bzw. Ausfallwahrscheinlichkeit des Bauele-

ments. Die Verteilungsfunktion besitzt einen Wertebereich zwischen 0 und 1.

Zum Zeitpunkt = 0 beträgt die Ausfallwahrscheinlichkeit 0. Die Funktion ist

monoton steigend, das heißt, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit mit der Zeit steigt

und sich der 1 nähert (Abbildung 1):

, für .

II.1.2. Zuverlässigkeitsfunktion

Die Zuverlässigkeitsfunktion (Reliability) gibt die Wahrscheinlichkeit

dafür an, dass im Zeitintervall [ ] kein Ausfall erfolgt, daher wird sie auch als

Überlebenswahrscheinlichkeit bezeichnet:

ist direkt abhängig von : Entsprechend besitzt diese

Funktion einen Wertebereich zwischen 0 und 1 und ist monoton fallend. Zum Zeit-

punkt = 0 besitzt den Wert 1, die Einheit ist also intakt (Abbildung 1). Die

Überlebenswahrscheinlichkeit fällt mit der Zeit, sodass die Einheit mit der Zeit aus-

fällt:

, für , mit .

II.1. Zuverlässigkeitsrechnung 13

Abbildung 1: Verteilungsfunktion F(t), Zuverlässigkeitsfunktion R(t) und Dichtefunktion

f(t).

14 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

II.1.3. Dichtefunktion

Die Ableitung der Verteilungsfunktion – für den Fall, dass sie stetig ist –

bezeichnet man als Ausfall- oder Lebensdauerdichte (Abbildung 1):

Für beliebig kleine Zeiträume

ergibt das Produkt

die Wahrschein-

lichkeit eines Ausfalls im Zeitintervall [

] an, also die Wahrscheinlichkeit,

dass die Komponente in diesem Zeitintervall ausfällt:

∫

II.1.4. Mittlere Lebensdauer – MTTF

Ein Maß für die Zuverlässigkeit eines Systems oder einer Komponente ist die

mittlere Lebensdauer :

∫

Sie ist der Mittelwert der Zeitspanne von Beanspruchungsbeginn bis zum Ausfall

der untersuchten Einheiten, deren Zuverlässigkeit durch die Funktion reprä-

sentiert wird. Die mittlere Lebensdauer ist die wichtigste Größe der Zuver-

lässigkeitsuntersuchungen.

II.1.5. Ausfallrate

Die Ausfallrate (hazard rate) stellt ein Maß für das bedingte Ausfallver-

halten einer Betrachtungseinheit dar, die zum Zeitpunkt t funktioniert. Die Ausfall-

rate kann definiert werden als die Ausfallwahrscheinlichkeit für ein funktionieren-

des Bauelement im Zeitintervall [ ]. Es gilt:

(9)

Der Zusammenhang zwischen Verteilungsfunktion und Ausfallrate ergibt sich

durch Integration auf beiden Seiten der Gleichung (9) und Entlogarithmieren. Dann

erhält man für die Ausfallwahrscheinlichkeit die Darstellung:

II.1. Zuverlässigkeitsrechnung 15

∫

In speziellen Fällen mit konstanter Ausfallrate, , erhält man für die Le-

bensdauerverteilung eine Exponentialverteilung:

Diese Verteilung ist gut bekannt, z. B. beschreibt sie in der Physik den radioaktiven

Zerfall.

Die Ausfallrate von Halbleiterbauelementen ist jedoch nicht konstant, son-

dern variiert mit der Zeit. Der Verlauf der Ausfallrate lässt sich zeitlich einteilen in

drei Bereiche (Abbildung 2):

 Frühausfälle: Bei den Frühausfällen handelt es sich um Bauelemente,

die aufgrund von Montage-, Fertigungs- oder Werkstofffehlern frühzei-

tig ausfallen. Daher ist dieser Bereich sehr wichtig bei der Entwicklung

von neuen Bauelementen und Technologien. Die Ausfallrate sinkt je-

doch schnell mit der Zeit und nähert sich einer konstanten Ausfallrate.

 Zufallsausfälle: Dieser Bereich wird charakterisiert durch eine konstan-

te – meist niedrige – Ausfallrate. Die Ausfälle treten zufällig auf – dies

ist der Bereich der „normalen― Lebensdauer der Bauelemente.

 Verschleiß- bzw. Ermüdungsausfälle: Der letzte Bereich ist durch

steigende Ausfallrate gekennzeichnet. Dieser Anstieg kommt durch Ab-

nutzung zustande.

Abbildung 2: Badewannenkurve. Die beobachtete Ausfallrate setzt sich zusammen aus den

drei Komponenten: Frühausfälle, Zufallsausfälle und Verschleißausfälle.

16 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

Der Gesamtverlauf der Ausfallrate mit der Zeit hat eine charakteristische

Form und wird daher die „Badewannenkurve― genannt. Dieser Verlauf kann jedoch

nicht von einer einzigen Lebensdauerverteilung beschrieben werden. Üblicherweise

wird deshalb meist jeder Bereich für sich durch eine gesonderte Verteilung be-

schrieben.

II.1.6. Weibullverteilung

Die Weibullverteilung ist eine statistische Verteilung, die zur Untersuchung

von Lebensdauern von Halbleiterbauelementen verwendet wird. Sie wird häufig zur

Beschreibung von Lebensdauerverteilungen mit Abnutzungserscheinungen ver-

wendet [Amer87].

Die Weibullverteilung wird wie folgt dargestellt:

(

)

für

Entsprechend ist die Dichtefunktion der Weibullverteilung:

(

) (

)

und die Ausfallrate:

(

)

Dabei sind Formparameter und Skalenparameter. Die Einflüsse der beiden Pa-

rameter auf die Dichtefunktion sind in Abbildung 3 dargestellt.

Der große Vorteil der Weibullverteilung ist ihre Flexibilität, so lassen sich

mit ihr steigende ( > 1), konstante ( = 1) und fallende ( < 1) Ausfallraten be-

schreiben (Abbildung 3, unten). Das ist insbesondere von Interesse für Ausfallraten,

deren zeitlicher Verlauf der Badewannenkurve (Abbildung 2) entspricht.

Verschiedene weitverbreitete Verteilungen sind Sonderfälle der Weibullver-

teilung für bestimmte Parameter. Zum Beispiel entspricht die Exponentialverteilung

der Weibullverteilung für = 1, und für = 3,4 entspricht sie der Normalvertei-

lung.

II.1. Zuverlässigkeitsrechnung 17

Abbildung 3: Verteilungsfunktion (oben), Dichtefunktion (mitte) und Ausfallrat (unten)

der Weibullverteilung für verschiedene Parameter.

18 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

II.2. Lebensdauerbestimmung von HBTs

Die Lebensdauer von HBTs soll unter Betriebsbedingungen einige Hundert-

tausend Stunden betragen, sodass ihre Bestimmung nicht direkt erfolgen kann. Da-

her wurden – abhängig vom Einsatz der HBTs – mehrere Methoden entwickelt, um

die Alterung der Bauelemente zu beschleunigen und so deren Lebensdauer schnel-

ler bestimmen bzw. abzuschätzen zu können.

Es gibt aber auch die Möglichkeit, aus historischen Daten die Lebensdauer

der Bauelemente abzuschätzen. Einige Hersteller verwenden den MIL-HDBK-217

Standard [MIL217] oder eine darauf aufbauende Prozedur. Dabei handelt es sich

um ein Handbuch, das eine Reihe von empirisch entwickelten Modellen für Aus-

fallraten beinhaltet. Diese basieren auf historischen Bauelemente-Ausfallraten für

eine breite Palette von Bauteiltypen. Der MIL-HDBK-217-Standard wurde viele

Jahre für Zuverlässigkeitsvorhersagen eingesetzt, aber seit 1995 wurde das Hand-

buch nicht mehr aktualisiert. Die jeweiligen Hersteller haben das Handbuch für ihre

eigenen Anwendungen weiter entwickelt.

In den letzten Jahren werden bei Halbleiterherstellern immer mehr beschleu-

nigte Lebensdaueruntersuchungen als effektive Methoden anerkannt, um die Zuver-

lässigkeit von Bauelementen zu untersuchen [Hobb00]. Im Folgenden werden die

wichtigsten Parameter für das beschleunigte Altern vorgestellt und diskutiert.

II.2.1. Beschleunigte Alterung

Es gibt diverse Parameter, die eingesetzt werden können, um die Alterung der

Bauelemente zu beschleunigen. Der Einsatz der jeweiligen Parameter hängt vom

Einsatz und Aufbau des Bauelements ab. Eingesetzt werden: Temperatur, Span-

nung, Strom, Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen, Vibration, Schock,

elektromagnetische Strahlung und Felder, Teilchenstrahlung, Druck und sogar

Staub oder Sand. Kombinationen von diesen Stressbedingungen werden eingesetzt,

um spezielle Umgebungen zu simulieren.

Die Parameter zur Beschleunigung der Alterung sollten jedoch vor dem Ein-

satz gut abgeschätzt und in Abhängigkeit von den zur erwartenden Degradations-

mechanismen eingesetzt werden. Auch über den Einfluss der Beschleunigungspa-

rameter auf die Degradationsmechanismen und auf die elektrischen Parameter der

II.2. Lebensdauerbestimmung 19

Bauelemente sollte Gewissheit herrschen. Durch den Einsatz der erhöhten Parame-

ter zur Beschleunigung der Alterung können zusätzlich Ausfallmechanismen akti-

viert und beschleunigt werden können als unter normalen Betriebsbedingungen.

Dadurch können sowohl die falschen Mechanismen beobachtet und für die Degra-

dation der HBTs verantwortlich gemacht, als auch die Lebensdauer der Bauelemen-

te dadurch falsch eingeschätzt werden.

II.2.1.1. Beschleunigung der Alterung mit Temperatur

Die Erhöhung der Umgebungstemperatur ist ein weitverbreitet eingesetzter

Parameter zur Beschleunigung der Alterung. Damit werden die chemischen und

physikalischen Prozesse im Bauelement und somit auch die Degradationsmecha-

nismen beschleunigt und die Lebensdauertests können in kürzerer Zeit durchgeführt

werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit r für die Degradationsmechanismen wird

durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben:

(10)

Dabei sind

: Reaktionsgeschwindigkeit,

: Proportionalitätsfaktor,

: Aktivierungsenergie in eV,

: Boltzmann-Konstante, 8,6×10-5 eV/K,

: Temperatur in der aktiven Schicht in Kelvin.

Die Arrhenius-Gleichung wurde ursprünglich entwickelt, um die quantitative

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur in diffusionskon-

tollierten chemischen Prozessen zu beschreiben [Arrh89]. Galwey und Brown zeig-

ten, dass die Arrhenius-Gleichung zur Beschreibung der Kinetik von Prozessen in

Halbleitern verwendet werden kann [Galw95].

Bei Lebensdaueruntersuchungen fällt das Bauelement aus, wenn ein Parame-

ter einen definierten Grenzwert über- oder unterschreitet. Bei HBTs wird eine Ver-

ringerung von 20 bis 50 % der Stromverstärkung

gegenüber ihrem Wert bezogen

auf den Zeitpunkt = 0 als Ausfallbedingung definiert. In dieser Arbeit wird eine

Verringerung von 20 % der Stromverstärkung nach Erreichen eines stabilen Wer-

tes als Ausfall definiert.

20 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

In Abbildung 4 ist der Verlauf der Stromverstärkung von HBTs mit der Zeit

bei verschiedenen Umgebungstemperaturen dargestellt. Man erkennt, dass mit

steigender Umgebungstemperatur ( ) die HBTs früher ausfallen

( ). Unter der Voraussetzung, dass der für die Änderung des Parameters zu-

ständige Prozess durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben wird, ergibt sich für

das Verhältnis der beiden Ausfallzeiten, das gleich dem Beschleunigungsfaktor

des Prozesses ist:

Das Produkt der Reaktionsrate r und der Zeit bis zum Ausfall ist eine Konstante

[Bert88]. So ist die Zeit bis zum Ausfall bei verschiedenen Temperaturen :

bzw.

Die Gültigkeit der Arrhenius-Gleichung und der Wert der Aktivierungsener-

gie für einen bestimmten Mechanismus können mithilfe des Arrhenius-

Diagramms (Abbildung 5) bestimmt werden. Die logarithmische Auftragung von

gegen

⁄ im Arrhenius-Diagramm liefert eine Gerade mit der allgemeinen Glei-

chung . So lässt sich die Aktivierungsenergie aus der Steigung

der Geraden ermitteln. Dabei ist zu beachten, dass nicht die Umgebungstemperatur

selbst wichtig ist, sondern die Temperatur des Bauelements in der aktiven Zone, die

sogenannte Junction-Temperatur , die auch ein Maß für die Belastung des HBT’s

ist. Diese Größe wird in IV.1.2 weiter erläutert und ihre Bedeutung beschrieben.

Die mittlere Lebensdauer der HBTs – die – kann durch Extrapolation

der Ausfallzeiten bei erhöhten Temperaturen zu normalen Betriebsbedingungen

bestimmt werden. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erhalten, sollten die Mes-

sungen bei vielen verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden (Abbildung 5).

{

[

]}

(11)

{

}

(12)

(13)

II.2. Lebensdauerbestimmung 21

Abbildung 4: Einfluss der Temperatur auf die Lebensdauer von HBTs. Dargestellt ist der

Verlauf der normierten Stromverstärkung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen.

Durch die höhere Umgebungstemperatur wird die Alterung beschleunigt. Der Ausfall wird

als Abweichung der Stromverstärkung um 20% von ihrem stabilen Wert definiert.

Abbildung 5: Arrhenius-Diagramm zur Bestimmung des MTTF und der Aktivierungsener-

gie EA. Die MTTF wird durch die Extrapolation der Daten zu TJ = 125 °C ermittelt. Die

Aktivierungsenergie EA entspricht der Steigung des Geraden.

22 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

II.2.1.2. Spannungs- und Strombeschleunigung

Spannung und Strom sind zwei sehr wichtige Größen zur Beschleunigung

von Ausfallmechanismen, die in Halbleitertransistoren beobachtet wurden. Der

Einfluss dieser beiden Parameter hängt im Allgemeinen auch vom Transistortyp ab.

Eine erhöhte Spannung (in vielen Fällen verbunden mit einem erhöhten

elektrischen Feld) führt zur Beschleunigung der Alterung durch Durchbruch von

Dielektrika, Grenzflächenladungsakkumulation, Ladungsinjektion und Korrosion

[Bert88]. Diese Degradationsmechanismen treten insbesondere in unipolaren Tran-

sistoren auf und werden dort für beschleunigte Lebensdaueruntersuchungen durch

Spannung genutzt [Amer87].

Der Betrieb von Bauelementen bei erhöhter Stromdichte wird meist benutzt

um Ausfallmechanismen zu beschleunigen, die zur Elektromigration in den Leitun-

gen und im Halbleitermaterial führen [Amer87]. Aber auch intrinsische Materialdif-

fusion von Kontaktmetallen oder zwischen den Schichten des Bauelements sowie

die Entstehung und Ausbreitung von Defekten und Versetzungen werden beschleu-

nigt. Diese Degradationsmechanismen werden bei GaAs HBTs erwartet [Hend99],

Abbildung 6: Abhängigkeit der Lebensdauer von HBTs von der Kollektorstromdichte bei

gleicher Junction-Temperatur. Der Strom beschleunigt die Alterung bei gleicher Belas-

tung und führt zu geringeren Lebensdauern bei steigender Kollektorstromdichte.

II.2. Lebensdauerbestimmung 23

daher wird in dieser Arbeit der Strom zur Beschleunigung der Alterung eingesetzt.

Aber auch die Temperatur wird hier zur Beschleunigung der Alterung der HBTs

eingesetzt, da sie zur Bestimmung der mittleren Lebensdauer notwendig ist.

Den Einfluss der Kollektorstromdichte auf die Lebensdauer wurde hier be-

stimmt durch die Alterung der HBTs bei verschiedenen Kollektorstromdichten aber

gleicher Junction-Temperatur, um für alle HBTs die gleiche Belastung zu gewäh-

ren. Es ist deutlich zu erkennen, dass trotz gleicher Junction-Temperatur, also glei-

cher Belastung – die höhere Kollektorstromdichte die Alterung beschleunigt und

die HBTs entsprechend einen geringeren Lebensdauer aufweisen.

II.2.2. Burn-in

Burn-in

wird als Begriff für die Änderung von elektrischen Parametern von

jungfräulichen Bauelementen verwendet, die zum ersten Mal betrieben werden. Der

Wert des Parameters ändert sich zunächst und stabilisiert sich nach einiger Zeit. Der

zeitliche Ablauf hängt von den Betriebsbedingungen – Arbeitspunkt, Stromdichte,

Temperatur – ab. Mit Burn-in bezeichnet man aber auch den Prozess, bei dem

Komponenten für ein System vor dem Einbau getestet und auf ihre Funktionsfähig-

keit untersucht werden. Das Ziel solcher Untersuchung ist es, Komponenten, die

früh ausfallen zu identifizieren und gleich auszusortieren. Burn-in, also das Ein-

brennen, stellt aber auch für den Kunden sicher, dass während der ersten Stunden

des Betriebs des Bauelements die gewünschten Parameter konstant sind und sich

nicht ändern. Frühausfälle von Komponenten tauchen in der ersten Phase der Ba-

dewannenkurve auf. Wählt man die Burn-in Periode lang genug und führt den Bau-

elementen auch noch Stress durch Erhöhung von Strom, Spannung oder Temperatur

zu, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die übrig gebliebenen Bauelemente frei

von Degradationsursachen sind, die zu einem Frühausfall führen könnten.

Ein Burn-in von Bauelementen ist jedoch nur sinnvoll, wenn die Ausfallrate

über die Zeit die Form der Badewannenkurve hat. Belastet man mehrere Bauele-

mente für eine bestimmte Zeit, so fallen die mit der höchsten Ausfallrate zuerst aus

und können aussortiert werden. Die übrig gebliebenen Bauelemente werden später

bei niedrigerer Rate ausfallen. Daher besteht ein Ziel der Ausfallanalyse darin,

Frühausfälle zu finden und auszuschalten. Abbildung 6 zeigt den Einfluss des Burn-

24 II. Bestimmung der Zuverlässigkeit von HBTs

in’s auf die Ausfallrate der Bauelemente. Sie zeigt den Unterschied im Verlauf der

Ausfallraten für Alterung mit und ohne vorherigem Burn-in.

Ursachen für Frühausfälle liegen häufig in der Prozessierung und in der Auf-

bautechnik. Beispielsweise können Fehler beim Ätzen oder Lift-off, aber auch

durch Kontamination oder Fehler beim Hantieren und Aufbauen bzw. Einhäusen

der Schaltungen zu Frühausfällen führen. Für Bauelemente, die bereits gehäust

sind, können Tests bei periodisch wechselnden Temperaturen Erkenntnisse über die

Qualität der Bonddrähte und das Gehäuse bringen [Amer87]. Studien über die

Auswirkung der Erhöhung der Umgebungstemperatur von HBTs haben gezeigt,

dass die Aktivierungsenergie der Frühausfälle bei 0,37 bis 0,42 eV liegt

[Peck78].

Das Ziel in dieser Arbeit ist es die mittlere Lebensdauer der HBTs und

die Aktivierungsenergie der Degradationsmechanismen mithilfe der beschleu-

nigten Alterung zu ermitteln. Ein Burn-in der HBTs wurden nicht durchgeführt.

Burn-in, englisch für Einbrennen

Abbildung 7: Schematische Darstellung der Ausfallrate von Bauelementen mit und ohne

Burn-in [Bert88].

Kapitel 3

III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

Das Konzept des Bipolartransistors wurde 1948 von W. Shockley vorge-

schlagen und realisiert (Abbildung 7) [USPa48]. Damit ist dieser der erste und äl-

teste Transistortyp. Beim Bipolartransistor steuert ein kleiner Strom im Basis-

Emitter-Kreis einen stärkeren Strom im Kollektor-Emitter-Kreis. In [USPa48]

wurde auch das Prinzip des Heteroübergang-Bipolartransistors (HBT) zum ersten

Mal beschrieben, das 1957 von H. Kroemer weiterentwickelt wurde. Dabei wird die

Unterdrückung eines Leckstroms durch gezielte Ausnutzung von Bandstruktur-

Eingenschaften unterschiedlicher Halbleitermaterialien ausgenutzt. Kroemer er-

kannte darin das große Potenzial des HBT-Prinzips für Hochfrequenz- und Hoch-

leistungsanwendungen [Kroe57]5F

SHOCKLEY und KROEMER wurden für Ihre Arbeiten und Beiträge zur Erforschung von Halbleitern

mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. SHOCKLEY erhielt 1956 den Nobel Preis für Physik zusammen

mit BARDEEN und BRATTAIN für „ihre Forschungsarbeiten über Halbleiter und die Entdeckung des

Transistoreffektes― [15] und Herbert KROEMER erhielt diese Auszeichnung im Jahre 2000 gemein-

sam mit ALFEROV und KILBY für ihre „Grundlagenforschung über Informations- und Kommunikati-

onstechnologie― [16].

Abbildung 8: Transistor nach Shockley, Bardeen und Brattain (Original).

26 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

Bis Anfang der Siebziger Jahre bestand keine technologische Möglichkeit, die

Ideen von Shockley und Kroemer in die Praxis umzusetzen. Erst mit der Einfüh-

rung der Flüssigphasenepitaxie LPE6F

und später der Molekularstrahlepitaxie MBE7F

und der metallorganischen Gasphasenepitaxie MOVPE8F8F

änderte sich die Situation

rapide. MBE und MOVPE sind bis heute die wichtigsten Technologien zur Herstel-

lung von III-V-Halbleiterschichten.

Der HBT ist wegen seiner hohen Grenzfrequenz von bis zu 1 THz vor allem

für Hochfrequenzanwendungen interessant. Besonders der stetig wachsende Tele-

kommunikationssektor erzeugt eine steigende Nachfrage nach breitbandigen Leis-

tungsverstärkern (40-150 W) bei hohen Frequenzen zum Beispiel für Basisstationen

(~ 900 MHz, ~ 1800 MHz, ~ 2000 MHz). Besonders gefragt sind diese für die zu-

künftigen Generationen der Mobilfunkstandards.

III.1. Aufbau und Konzept des HBT

In dieser Arbeit wird der n-p-n Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT) be-

handelt, der aus einer p-dotierten Basisschicht und jeweils n-dotierten Emitter- und

Kollektorschichten besteht, wobei die Emitterschicht meistens höher dotiert ist. Der

HBT ist im Gegensatz zu anderen Transistortypen, wie dem Feldeffekttransistor

(FET), ein vertikales Bauelement. Der Stromfluss erfolgt senkrecht zu den Grenz-

flächen der Schichten und ist dadurch weniger empfindlich gegenüber Grenzflä-

cheneigenschaften.

Beim HBT ist der Basis-Emitter-Übergang ein Heteroübergang – also ein

Übergang zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien. Bei HBTs werden die

Materialen so gewählt, dass die Bandlücke des Emittermaterials (InGaP) größer als

die des Basismaterials (GaAs) ist (Abbildung 8). Dies führt zu einer Barriere im

Valenzband und verringert die Injektion von Löchern aus der Basis in den Emitter

was zu höherer Stromverstärkung führt.

LPE: englisch: „Liquid-Phase Epitaxy―

MBE: englisch: „Molecular Beam Epitaxy―

MOVPE: englisch: „Metal Organic Vapor Phase Epitaxy―

III.1. Aufbau und Konzept des HBT 27

III.1.1. Funktionsweise des HBT

Um die Funktionsweise des HBTs grundlegend darzustellen, sollen die

Stromkomponenten im Bauelement betrachtet werden (Abbildung 8):

 – die Hauptstromkomponente des HBT: Elektronen werden vom

Emitter in die Basis und den Kollektor injiziert.

 – Strom von Löchern, die aus der Basis in den Emitter rückinjiziert

werden. Dieser Strom wird durch die Valenzband-Diskontinuität ∆EV

des Basis-Emitter-Übergangs, durch das Heterostrukturdesign, reduziert.

 – Rekombinationsstrom infolge von Elektron-Loch-Rekombination

innerhalb der hoch p-dotierten Basis.

 – Rekombinationsstrom infolge von Elektron-Loch-Rekombination

innerhalb der Raumladungszone des Emitter-Basis-Übergangs.

 – Rekombinationsstrom an der Oberfläche der Basis und des Emit-

ters. Dieser Strom wird primär durch die Bauelementetechnologie und

die Oberflächenrekombinationseigenschaften der relevanten Materialien

bestimmt.

Abbildung 9: Schematische Darstellung des Bänderdiagramms n-p-n HBTs: (oben) im

thermischen Gleichgewicht, (unten) bei angelegten positiven Spannungen VBE und VCB.

28 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

 – Generationsstrom infolge von Elektron-Loch-Paar Generation in-

nerhalb der Basis-Kollektor-Raumladungszone.

Der Strombilanz für die drei Anschlüsse des Transistors sieht dann wie folgt aus:

, (1)

, (2)

. (3)

Wie in Abbildung 10 zu erkennen ist, werden die Elektronen vom Emitter in die

Basis injiziert und fließen durch sie in den Kollektor ( ). Der Basistransportfaktor

T ist definiert als das Verhältnis des Elektronenstroms, der den Kollektor erreicht

( | ), zum Elektronenstrom, der aus dem Emitter injiziert wird ( ):

(4)

Das Verhältnis des Elektronenstroms, der aus dem Emitter in die Basis injiziert

wird | , zum Gesamtstrom über den Heteroübergang, wird als Emitterinjekti-

onseffizienz  bezeichnet:

(5)

Dass beide Größen kleiner als Eins sind, wird durch den parasitären Löcherstrom,

der aus der Basis ( ) zugeführt wird, hervorgerufen.

Die wichtigste Kenngröße im Gleichstromverhalten des Bipolartransistors ist

die Stromverstärkung , das Verhältnis des Eingangstromes zum Ausgangsstrom.

In der sogenannten Emitterschaltung, wo der Emitter auf Masse liegt, die Basis als

Abbildung 10: Schematische Darstellung der Stromkomponeneten des HBTs in

Emitterschaltung.

III.1. Aufbau und Konzept des HBT 29

Eingang und der Kollektor als Ausgang geschaltet werden, entspricht die Stromver-

stärkung dem Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom,

(6)

Durch Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) erhält man:

(7)

Aus Gleichung (7) erkennt man, dass die Stromverstärkung abgesehen von den

Hauptstromkomponenten ( , ) durch diverse Rekombinations- und Generations-

ströme – in der Basis, an der Emitter-Basis-Grenzfläche sowie an der Basisoberflä-

che – bestimmt wird.

Kroemer zeigte in [Kroe82] zum ersten Mal, dass das Heterostrukturdesign

des HBTs es im Vergleich zum konventionellen Bipolartransistor ermöglicht, die

Basis in Verhältnis zum Emitter höher zu dotieren:

{

}

(8)

und

sind die komplett ionisierten Donatoren bzw. Akzeptoren in Emitter

bzw. Basis,

und

stellen die kombinierten Drift- und Diffusionsgeschwindig-

keiten von Elektronen in der Basis und der Löcher im Emitter dar. ist die Va-

lenzbanddiskontinuität, die Temperatur und die Boltzmann-Konstante [Kro-

e82].

Der für den HBT entscheidender Zusammenhang ist, dass solange die Va-

lenzbanddiskontinuität am Heteroübergang zwischen Emitter und Basis ein

Vielfaches von ist, das Dotierungsverhältnis sehr klein (1:100 und kleiner) ge-

wählt werden kann, um eine hohe (> 100) Stromverstärkung zu erzielen. Bei-

spielsweise führt ein von 0,3 eV aufgrund des exponentiellen Zusammenhangs

zu einem Faktor größer 105, was Dotierungsverhältnisse

⁄ von 10-2 und klei-

ner ermöglicht. Das ist vorteilhaft, weil man durch Wahl einer möglichst hohen

Basisdotierung den Basisschichtwiderstand klein halten kann, was sich positiv auf

die Hochfrequenzeigenschaften (> 1 GHz) des HBTs auswirkt. Gerade dies macht

das HBT-Prinzip attraktiv für Hochfrequenzanwendungen.

30 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

III.2. Herstellung von HBTs

Die Herstellung von III-V Bauelementen lässt sich in zwei Bereiche einteilen:

Epitaxie und Prozessierung. Zunächst werden dünne kristalline Halbleiterschichten

auf ein kristallines Substrat aufgewachsen. Im zweiten Schritt werden die Wafer

mit den Epitaxieschichten prozessiert – dies beinhaltet das Strukturieren der Bau-

elemente und Aufbringen der Kontaktmetallisierung. Aber auch das Abdünnen der

Wafer, die Rückseitenmetallisierung, und das Vereinzeln und der Aufbau der Tran-

sistoren fallen in diesem Bereich. Daher sind beide Bereiche für die Qualität der

Bauelemente verantwortlich.

III.2.1. Epitaxie

Zur Abscheidung von III/V-Halbleiterschichten gibt es verschiedene Verfah-

ren. Weite Verbreitung haben MBE und MOVPE erlangt. Bei der MBE wird der

Wafer im Ultrahochvakuum (Hintergrunddruck < 10-10 mbar) beschichtet, wobei

die Quellmaterialien bei mehreren Hundert Grad Celsius erhitzt und verdampft

werden. Am Ferdinand-Braun-Institut wird zur Herstellung der Halbleiterschichten

die MOVPE-Technologie verwendet. Mit der MOVPE lassen sich die für die Bau-

elementefunktion wichtigen Halbleiterkristallschichten reproduzierbar bis auf eine

Monolage genau (ca. 2,5 Angström) bei einer Wachstumsrate von 0,1 nm/s bis

1 nm/s wachsen. Dabei besteht die Möglichkeit, während des Wachstums die Mate-

rialzusammensetzung und Dotierung innerhalb weniger Nanometer zu variieren.

Durch die einfache Skalierbarkeit der Anlagen und Prozesse ist sie ideal für die

Massenherstellung geeignet.

Da die Ausgangsstoffe für Verbindungshalbleiter oft Metalle sind, können

diese nicht bei niedrigen Temperaturen in elementarer Form in die Gasphase einge-

bracht werden. Daher werden bei dieser Epitaxiemethode die Ausgangsstoffe in

Form von metallorganischen Verbindungen (z. B. Trimethylgallium) und Hydriden

(z. B. Ammoniak, Phosphin, Arsin) zur Verfügung gestellt. Der Vorteil dieser Ver-

bindungen ist ein moderater Dampfdruck bei Raumtemperatur. Die Ausgangsstoffe

können bei Normaldruck verdampfen und durch Rohrleitungen transportiert wer-

den. Durch das Arbeiten mit organischen Verbindungen werden im Gegensatz zur

MBE immer relativ große Mengen von Fremdatomen (C, O, H) in den Kristall ein-

gebaut und es lassen sich daher keine so reinen Halbleiterkristalle wie mit der MBE

III.2. Herstellung von HBTs 31

herstellen. Das Trägergas Wasserstoff passiviert häufig die für die Leitung notwen-

digen Akzeptoren. Der eingebaute Wasserstoff lässt sich nur zum Teil durch Tem-

pern entfernen. Kohlenstoff kann beim Galliumarsenid-Wachstum gezielt zur p-

Typ-Dotierung eingesetzt werden. Das MOVPE-Wachstum lässt sich in vier Berei-

che einteilen (Abbildung 10):

 Die Ausgangsstoffe werden von den Quellen mittels Trägergas (H2) zum

geheizten Substratkristall transportiert. In der Gasphase können in der

Nähe der heißen Oberfläche ( 650 °C) Vorzerlegungen und chemische

Reaktionen auftreten.

 Die Quellenmoleküle diffundieren aus dem Trägergasstrom zur Sub-

stratoberfläche. Je nach Temperatur findet an der Substratoberfläche ei-

ne Zerlegung der Ausgangsstoffe in Metallatome und organische Ver-

bindungen statt. Die Metallatome werden dann anschließend auf der

Oberfläche adsorbiert und die organischen Verbindungen mit dem Trä-

gergas abtransportiert.

 Die Oberflächenprozesse während des Wachstums spielen eine ent-

scheidende Rolle. Für die erwünschten glatten Oberflächen ist eine aus-

reichende Mobilität der Ausgangsstoffe an der Oberfläche wichtig. Das

Material wird an energetisch bevorzugten Plätzen des Kristallgitters –

wie Stufen oder Ecken – eingebaut. Kennzeichnend für das sogenannte

Stufenflusswachstum ist, dass eine Monolage sich weitgehend schließt,

Abbildung 11: Schematische Darstellung des Epitaxiewachstums.

32 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

bevor eine neue zu wachsen beginnt, was im Hinblick auf eine mög-

lichst glatte Oberfläche anzustreben ist. Hierfür muss die Oberflächen-

diffusionslänge im Bereich der Terrassenbreiten liegen.

 Desorption von Reaktionsprodukten, in der MOVPE im Wesentlichen

Kohlenstoffradikale.

In Abbildung 11 und Tabelle 1 sind die HBT-Schichten und ihre Eigenschaf-

ten beschrieben.

Tabelle 1: Schichtstruktur der HBTs.

Abbildung 12: Schematische Darstellung der HBT-Schichtstruktur.

Zielstruktur

Dicke (nm)

Dotierungshöhe

Emitterkontakt

InGaAs:Si

1,5 e19

Emitterkontakt

GaAs:Si

100

5,0 e19

Emitter

GaInP:Si

3,0 e17

Basis

GaAs:C

4,0 e19

Kollektor

GaAs:Si

1000

2,0 e16

Ätzstopp

GaInP:Si

2,0 e16

Subkollektor

GaAs:Si

620

5,0 e18

Substrat

III.2. Herstellung von HBTs 33

Die wesentlichen Schritte beim Epitaxieablauf zur Herstellung der Schichten

für die in dieser Arbeit untersuchten GaAs-HBTs sind [Maas07]:

 Hochheizen des Substrats auf 650 °C unter AsH3-Gegendruck zur Stabi-

lisierung der GaAs-Oberfläche, Deoxidation der Substratoberfläche um

eventuell vorhandene Verunreinigungen zu entfernen.

 Wachstum des Subkollektors.

 Temperaturrampe auf 600 °C und Wachstum einer InGaP-

Ätzstoppschicht.

 Wachstum des Kollektors mit Temperaturerhöhung auf 650 °C wegen

höherer Wachstumsrate nach 100 nm, und Reduktion auf 600 °C für die

letzten 100 nm vor der Basis wegen glatter Morphologie.

 Unterbrechung: Abkühlung auf 540 °C.

 Wachstum der Basis bei 540 °C.

 Unterbrechung: Hochheizen auf 600 °C.

 Wachstum des Emitters bei 600 °C.

 Unterbrechung: Abkühlen auf 500 °C

 Wachstum der Emitterkontaktschicht bei 500 °C

 Abkühlen des Substrats in N2-Atmosphäre; Minimierung H-

Eindiffusion.

Die am empfindlichsten auf die Wachstumsbedingungen reagierende Schicht

in der gesamten HBT-Struktur ist die GaAs:C-Basisschicht. Aufgrund der Instabili-

tät der hochdotierten Basisschicht (4×1019 cm-3) bei Temperaturen oberhalb von

600 °C erfolgt das Wachstum der auf die Basis folgenden Schichten unterhalb die-

ser Temperatur [Brun02].

Das Bauelementverhalten des HBT’s erfordert eine perfekte Basis-Emitter-

Grenzfläche. Rekombination an Grenzflächendefekten verringert die erreichbare

Stromverstärkung und erhöht die Wahrscheinlichkeit der Entstehung weiterer De-

fekte und folglich den Ausfall des HBT’s. Die Optimierung dieser Grenzfläche

spiegelt sich in den Ergebnissen wider, die in dieser Arbeit vorgestellt werden.

34 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

III.2.2. HBT Herstellungsprozess

Die epitaxierten Wafer werden für die Strukturierung der Bauelemente pro-

zessiert, wobei man für die Strukturierung der Schichten zwei Verfahren verwen-

det: Das erste Verfahren ist die Lift-off Technologie, die benutzt wird, um Metall-

schichten auf dem Wafer aufzubringen und zu strukturieren. Das Zweite ist das

Ätzverfahren. Hier werden die Epitaxieschichten strukturiert. Für beide Verfahren

wird zunächst der Wafer belackt und durch eine Maske belichtet. Der Lack wird

dann entwickelt, dabei wird der belichtete Bereich des Lacks – welcher nun nach

dem Belichten gegen spezielle Lösungsmittel nicht mehr resistent ist – entfernt. Ab

hier unterscheiden sich die beide Verfahren (Abbildung 12): Bei der Lift-off Tech-

nologie wird der Wafer dann metallisiert und im nächsten Schritt wird der Lack mit

der darüber liegenden Metallschicht entfernt (Lift-off). Übrig bleiben Metallstruktu-

ren an den Stellen, wo der Lack vorher entfernt worden war. Im Ätzverfahren wird

nach der Lackentwicklung der Wafer nass- oder trockenchemisch geätzt. Die Aus-

wahl des Ätzverfahrens hängt von dem zu ätzenden Schichtmaterial ab. Selektivität,

Ätzgeschwindigkeit, Ätztemperatur und Kanten schärfe sind wichtige Kenngrößen.

Von Vorteil ist, dass unterschiedliche Halbleitermaterialien selektiv geätzt werden

können und einige Schichten selbst als Ätzstoppschichten verwendet werden

können.

Abbildung 13: Verfahren zur Strukturierung: Lift-off Technologie und Ätzverfahren.

III.2. Herstellung von HBTs 35

Nachfolgend werden die jeweiligen Prozessebenen zur Herstellung des

Transistors erläutert (Abbildung 13, A-H):

Zunächst wird auf dem Wafer WSiN aufgesputtert (A). Diese Schicht soll den

Emitterkontakt thermisch stabilisieren und die Kontaktmetalldiffusion verhindern.

Darauf wird dann der Emitterkontakt (Ti30 nm/Pt40 nm/Au430 nm) abgeschieden (B) und

strukturiert. Diese Strukturen dienen dann auch als Ätzmaske für die Trockenätzung

und das Entfernen von WSiN-, InGaAs- und GaAs-Emitterkontaktschichten (C).

Die InGaP-Emitterschicht fungiert hier als Ätzstopp. Würde man diese Schicht

auch abätzen, käme es an der freien GaAs-Basisoberfläche (Abbildung 14)

aufgrund freier Zustände zu Rekombinationsströmen, die zur Reduktion der

Stromverstärkung führen, welche dann stark von der Emitter-Peripherie abhängig

ist. Um die Oberflächenzustände zu passivieren, braucht man eine Ledge-Schicht

aus einem Material mit geringerer Oberflächenrekombinationsrate, das vollständig

verarmt sein sollte. Das Emittermaterial InGaP entspricht diesen Anforderungen

und wird daher selbst als Ledge-Passivierung verwendet. So kann auf den Einsatz

zusätzlicher Materialien zur Passivierung der Oberfläche verzichtet werden. Die

Basiskontakte werden zunächst auf die InGaP Schicht aufgebracht (D) und dann

durch Tempern einlegiert, bis diese die Basisschicht kontaktieren (E). Die

Zusammensetzung des Kontaktmaterials (Pt20 nm/Ti30 nm/Pt40 nm/Au410 nm) wurde so

gewählt, dass ein weiteres Eindiffundieren in die Basis während des Betriebs

verhindert wird [Neba00]. Im nächsten Schritt wird die Basismesa strukturiert (F).

Auch hier wird eine dünne InGaP Schicht unterhalb des Kollektors als

Ätzstoppschicht verwendet. Die Kollektorkontakte (Ni5 nm/Ge30 nm/Au60 nm/Ni20 nm/

Au385 nm) werden dann auf dem Subkollektor aufgebracht (G), wobei auch hier die

Kontakte durch die InGaP-Ätzstoppschicht durchlegiert werden. Um die HBTs von

den benachbarten Bauelementen und Strukturen elektrisch zu isolieren, wird dann

der Subkollektor bis zum Substrat geäzt (H). In manchen Prozessen wird für die

Isolation eine Ionenimplantation (Helliumionen) verwendet. Sie hat den Vorteil,

dass die Gesamthöhe des Bauelements nicht weiter vergrößert wird. Damit ist die

Bauelemente-strukturierung beendet.

36 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

Nun werden die Passivierungsschicht (SiN) und die Verbindungsmetallisierung

aufgebracht. Die Passivierungsschicht soll einerseits die seitlichen Flächen der

Emittermesa passivieren, andererseits fungiert sie auch als Isolationsschicht für die

später darüber liegende Verbindungsmetallisierung. Die Verbindungsmetallisierung

wird folgendermaßen aufgebracht: In einem mehrstufigen Prozess werden die Ver-

bindungskontakte galvanisch aufgebracht. Dabei wird der Emitterfinger – bei Mul-

tifinger-Transistoren die Emitterfinger – durch Luftbrücken („thermal shunt―) mit

den Emitterkontaktpads verbunden. Dadurch soll die im Transistor entstehende

Abbildung 14: A-H Schematische Darstellung des HBT-Prozessablaufs

Abbildung 15: Freie Basisoberfläche ohne Ledge

III.2. Herstellung von HBTs 37

Wärme schnell aus dem Bauelement abgeführt werden.

Abbildung 15 zeigt einen HBT im Prozess nach dem Ätzen der Kollektorme-

sa (Schritt H in Abbildung 14). In der Mitte ist der Kontakt des 3×30 µm² großen

Emitterfingers sehr deutlich sichtbar, umgeben von dem U-förmigen Basiskontakt,

die gemeinsam auf der rechteckigen Basismesa liegen. Das nach rechts offene U ist

der Kollektorkontakt und die gesamte Struktur liegt auf der Kollektormesa. Ein

komplett prozessierter GaAs HBT ist in Abbildung 17 in Draufsicht dargestellt.

Abbildung 16: HBT im Prozess nach dem Ätzen des Kollektormesas (Schritt H in Abbil-

dung 14).

Abbildung 17: Fertig prozessierter GaAs HBT.

38 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

Ein mit fokussierten Ionenstrahlen präparierter und aufgenommener Quer-

schnitt eines fertig prozessierten HBT’s ist in Abbildung 18 dargestellt. Der Schnitt

(A↔A) ist in den Abbildungen 15 und 16 zur Orientierung eingezeichnet. In der

Mitte ist die Emittermesa zu sehen, die von oben mit der Luftbrücke aus Gold ver-

bunden ist (thermal shunt). Der InGaP-Emitter selbst ist nur als eine dunkle Linie

am unteren Rand der Mesa zu erkennen. Die darunter liegenden Basis- und Kollek-

torschichten können hier nicht unterschieden werden. Die zweite InGaP-

Ätzstoppschicht ist am unteren Rand der zweiten Mesa sichtbar. Die Kollektorkon-

takte befinden sich auf dem Subkollektor. Die gesamte HBT Struktur ist von der

Passivierung (SiN) umgeben, die in der Abbildung nahezu schwarz abgebildet ist.

III.2.3. Mögliche Schwachstellen von HBTs

Aus der Literatur bekannte Degradationsmechanismen für HBTs sind rekom-

binationsbeschleunigte Defektmechanismen, Störstellen in der Bandlücke, Degra-

dation der Kontakte und Metalldiffusion ins Halbleitermaterial [Hend97]. Aber

auch Materialdiffusion in der Basis spielt eine Rolle [Hafi90].

In Abbildung 19 ist schematisch der Ort der möglichen Degradationsmecha-

nismen dargestellt. Im aktiven Bereich der HBTs spielen die Qualität der funktiona-

Abbildung 18:SEM-Aufnahme des Querschnitts eines fertig prozessierten HBTs präpariert

mit fokussierten Ionenstrahlen (FIB).

III.2. Herstellung von HBTs 39

len Schichten und die Qualität ihrer Grenzflächen eine sehr große Rolle. Eine de-

fektfreie Herstellung der Schichten führt zur Verringerung der nicht-strahlenden

Rekombination. Dadurch entsteht weniger freiwerdende Energie, die zur Entste-

hung weiterer Defekte führen könnte. Außerdem führt die Verringerung des Re-

kombinationsstroms in der Strombilanz zur höheren Stromverstärkung der HBTs.

Die extrem hohe Dotierung der Basis hat eine Verringerung der Gitterkon-

stante von GaAs:C zur Folge, was zu Fehlanpassungen zwischen der Basis und dem

Emitter führt. Dabei können dann Versetzungen entstehen, die in den Emitter wan-

dern und zur Verringerung der Zuverlässigkeit führen können [Shir95]. Jedoch ist

bei den HBTs, die in dieser Arbeit untersucht werden, trotz einer hohen Basisdotie-

rung von mehr als 4×1019 cm-3 nur eine Gitterfehlanpassung von weniger als

0,5 ppm gemessen worden [Brun02]. Bei der geringen Dicke der Basisschicht (ca.

90 µm) reicht diese Gitterfehlanpassung nicht aus, um zusätzliche Versetzungen zu

generieren.

Bei hohen Junction-Temperaturen (> 340 °C) tritt vermehrt eine Degradation

der ohmschen Kontakte und eine Metalldiffusion ins Halbleitermaterial (metal

spiking) ein. Das ist auf eine lokale Temperaturerhöhung (localized heating) an den

Kontakten zurückzuführen [Hend99]. Die temperaturabhängigen Mechanismen

werden durch die Selbsterwärmung des HBTs aktiviert und treten bei hohen Junc-

tion-Temperaturen und schon bei relativ niedrigen Stromdichten (< 4×104 A/cm²)

auf. Sie führen zu geringen mittleren Lebensdauern von < 1000 h und wurden bei

Aktivierungsenergien von 0,8-1,8 eV beobachtet [Magi92].

Abbildung 19: Schematische Darstellung der möglichen Degradationsmechanismen in

GaAs HBTs.

40 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

III.3. HBT Eigenschaften

Die Beschreibung der HBT-Eigenschaften in diesem Abschnitt beschränkt

sich auf das Verhalten des Transistors in der sogenannten Emitterschaltung. In die-

ser Konfiguration liegt der Emitter auf Masse. Bei Hochfrequenzanwendungen

werden die Basis als Eingang und der Kollektor als Ausgang des Transistors ver-

wendet. Der Vorteil dieser Konfiguration ist die hohe Leistungsverstärkung, wes-

halb die meisten Verstärker in der Emitterschaltung realisiert werden.

III.3.1. DC Eigenschaften

Das grundsätzliche Gleichstromverhalten des Bipolartransistors wird durch

das Diodenverhalten der p/n-Übergänge und die daraus resultierende exponentielle

Abhängigkeit der Ströme von der Spannung bestimmt. Für die Charakterisierung

des Bipolartransistors werden vorwiegend zwei Kennlinientypen gemessen: Der

sogenannte Gummel-Plot und die Ausgangskennlinie des Transistors, die beide in

der Emitterschaltung (Abbildung 20) gemessen werden. Bei der Messung des

Gummel-Plots werden Basis- und Kollektorstrom – IB und IC – in Abhängigkeit der

Kollektor-Emitter-Spannung gemessen (Abbildung 21), wobei diese mit der Basis-

Emitter-Spannung auf dem gleichen Potenzial gehalten wird (also = 0 V). Die

Ströme zeigen nach Shockley im Idealfall eine exponentielle Abhängigkeit über

einen großen Bereich der angelegten Spannung:

Abbildung 20: Schaltung der HBT-DC-Charakterisierung. Der Gummel-Plot (IC, IB =

f(UCE = UBE)) wird bei gleicher Spannung am Kollektor und an der Basis gemessen:

UCE = UBE. Für die Messung der Ausgangskennlinien (IC = f(UCE, IB)) wird an der Basis

eine Stromquelle eingesetzt.

( {

} )

(9)

III.3 HBT Eigenschaften 41

Die Abweichung der Kennlinien vom ideal-exponentiellen Verlauf wird durch den

Idealitätsfaktor bzw. für die Basis bzw. den Kollektor beschrieben. Die aus

dieser Kennlinie bestimmte Stromverstärkung

⁄lässt sich in drei Bereiche

einteilen: Niedrig-, Normal- und Hochinjektion (Abbildung 22). Der Niedriginjek-

tionsbereich wird durch Generations- und Rekombinationsströme an der Oberfläche

und in der p-n-Raumladungszone bestimmt, wohingegen der Hochinjektionsbereich

durch den zunehmenden Einfluss des Basisbahnwiderstands gekennzeichnet ist,

welcher im Abknicken der Strom-Spannungskennlinie sichtbar wird.

Die zweite wichtige Kennlinie – die Ausgangskennlinie – wird bei konstan-

tem Basis-Strom (in manchen Fällen auch bei konstanter Basis-Spannung) gemes-

sen, während die Kollektor-Emitter-Spannung variiert und der Kollektor-Strom

gemessen wird (Abbildung 21). Dabei nimmt mit steigender Kollektor-Emitter-

Spannung der Spannungsabfall über den Basis-Kollektor-Übergang zu. Beim HBT

ist der Kollektorstrom für nicht zu hohe Basisströme (< 0,25 mA) unabhängig von

. Der Early-Effekt, welcher die Verringerung der effektiven Basisweite mit zu-

nehmender Kollektor-Emitter-Spannung und dem damit verbundenen Anstieg der

Abbildung 21: Gummel-Plot (links) und Ausgangskennlinienfeld (rechts) eines npn-HBTs.

42 III. Der Heteroübergang-Bipolartransistor (HBT)

Stromverstärkung beschreibt, ist für den HBT aufgrund der hohen Basisdotierung

vernachlässigbar. Bei GaAs-HBTs nimmt der Kollektorstrom bei hohen Basisströ-

men aus thermischen Gründen ab. Bei steigendem Leistungsumsatz steigt die Tem-

peratur im aktiven Bereich des Transistors, wodurch die Stromverstärkung ab-

nimmt.

Die Kollektor-Emitter-Offsetspannung ist für einen Kollektorstrom

= 0 A definiert (Abbildung 20) und wird durch die unterschiedliche Einsatzspan-

nung des Emitter-Basis- und Basis-Kollektor-Übergangs bestimmt. Im Hinblick auf

Anwendungsgebiete der Schaltungen in mobilen batteriebetriebenen Geräten (Bat-

terielebensdauer) sollte die Offsetspannung minimiert werden.

Ein sehr wichtiger Gleichstrom-Parameter von Transistoren ist die Durch-

bruchspannung – bei Bipolartransistoren die Kollektor-Emitter-Durchbruch-

spannung . Diese wird im Wesentlichen durch Avalanche-Generation von

Ladungsträgern in der Kollektor-Raumladungszone bestimmt. Falls die Kollektor-

dicke bei gegebener Kollektordotierung einen bestimmten Wert unterschreitet, kann

die Durchbruchspannung auch durch einen Durchgriff der Raumladungszone bis

zur Kontaktschicht bestimmt sein („punch-through―). Ein „Punch-through― der Ba-

sis-Raumladungszone bis hin zum Emitter kann aufgrund der hohen Basisdotierung

(> 1×1019 cm-3) verhindert werden.

Abbildung 22: Verlauf der Stromverstärkung als Funktion der Kollektorstromdichte JC

unterteilt in drei Bereiche: Niedrig-, Normal- und Hochinjektion.

Kapitel 4

IV. Lebensdaueruntersuchungen

Die Untersuchung der Zuverlässigkeit von Bauelementen lässt sich in ver-

schiedene Bereiche unterteilen. Die Wafer werden nach der Prozessierung on-wafer

Stresstests bei hoher Belastung unterzogen, um eine relative Aussage über deren

Lebensdauer treffen zu können. Die Belastung ist für alle untersuchten Wafer

gleich. Einige Wafer werden für Langzeituntersuchungen ausgesucht, um das

zu bestimmen. Parallel laufen analytische Untersuchungen an degradierten

Bauelementen, um die Physik der Degradation zu untersuchen.

In diesem Kapitel werden die Messtechnik, das Messverfahren und die für die

Untersuchung der Lebensdauer der HBTs nötigen zusätzlichen Messungen erläu-

tert. Danach werden Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen, sowohl die Kurz-

zeitdegradation, der sogenannte Burn-in, als auch die Langzeitalterung vorgestellt

und diskutiert, sowie die Einflüsse verschiedener Parameter auf den Burn-in und

auf die Lebensdauer der HBTs diskutiert. Besonderes Augenmerk gilt dem Einfluss

verschiedener Prozessparameter und der Aufbautechnik auf die Zuverlässigkeit der

HBTs.

IV.1. Messverfahren

Zur Bestimmung der Lebensdauer von HBTs werden diese bei thermischer

und elektrischer Belastung beschleunigt gealtert. Wärme und Stromdichte sind die

beiden wichtigsten externen Stressfaktoren für HBTs [Hend99]. Das beschleunigte

Altern verringert zwar die Messzeit für die Bestimmung der Lebensdauer enorm,

jedoch muss die Belastung so gewählt werden, dass die aktivierten Degradations-

mechanismen mit denen des normalen Betriebs vergleichbar sind [Hu92].

Im Folgenden werden nun die notwendigen Messungen zur Bestimmung der

Junction-Temperatur erläutert, um die Belastung der HBTs während der Alte-

rung zu definieren. Die Kenntnis dieser Temperatur wird auch für die -

Bestimmung benötigt.

44 IV. Lebensdaueruntersuchungen

IV.1.1. Bestimmung der Junction-Temperatur TJ

Ein Maß für die Belastung des Transistors ist die sogenannte Junction-

Temperatur

. Sie ist die an einem pn-Übergang durch freigesetzte Verlustwärme

vorherrschende Temperatur und lässt sich folgendermaßen berechnen,

. (10)

Dabei ist die Umgebungstemperatur, ist die Verlustleistung und der

thermische Widerstand des Transistors. Die Verlustleistung ergibt sich aus:

, (11)

wobei der Basis-Emitter-Term auf Grund der großen Stromverstärkung der Transis-

toren nur einen sehr kleinen Beitrag im Prozentbereich leistet.

Der thermische Widerstand in der Gleichung (10) ist jedoch selbst eine

Funktion der Verlustleistung . Diese kann für die Berechnung der Junction-

Temperatur näherungsweise nur dann als konstant gesehen werden, wenn die ther-

mische Leitfähigkeit des Materials – hier GaAs – nicht von der Temperatur abhängt

[Joyc75]. Dies ist jedoch nicht der Fall. Deshalb muss und eine modifizierte Glei-

chung für die Bestimmung der Junction-Temperatur verwendet werden [Bovo00]:

(

( ) )

(12)

wobei der thermische Widerstand bei Raumtemperatur und ein Effektiv-

wert des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit ist, der für in dieser Arbeit

vergleichbare HBTs zu = 0,8 bestimmt wurde [Bovo00].

Die Bestimmung der Junction-Temperatur ist für die Lebensdauerbestim-

mung essenziell. Aus (12) erkennt man, dass bei Kenntnis der Umgebungstempera-

tur und der Verlustleistung für die Berechnung der Junction-Temperatur

der thermische Widerstand bekannt sein muss. Diese Größe kann aus elektri-

schen Messungen bestimmt werden.

Junction Temperature ist die englische Bezeichnung für die Temperatur an einem pn-Übergang, die

durch freigesetzte Verlustwärme vorherrscht. Eine Übersetzung ins Deutsche ist unüblich, kann aber

als „Sperrschichttemperatur― bezeichnet werden

IV.1. Messverfahren 45

IV.1.2. Der thermische Widerstand RTh

Mithilfe der thermischen Simulation des Bauelements kann der thermische

Widerstand berechnet werden. Zusätzlich erhält man Informationen über Wärme-

verteilung und thermische Kopplung im Bauelement im jeweiligen Arbeitspunkt

[Olav02]. Auch Einflüsse diverser Parameter wie Waferdicke, Luftbrückengeomet-

rie („thermal shunt―) und Geometrie des Bauelements (Emitterfingerdimensionen

und -abstände) können untersucht werden. Jedoch ist eine solche Simulation nicht

ausreichend zuverlässig. Der thermische Widerstand kann durch optische Methoden

experimentell bestimmt werden. So lässt sich mit einer Infrarot-Thermokamera die

Oberflächentemperatur recht genau bestimmen [vdWe04]. Jedoch reicht die

Ortsauflösung von ca. 5-10 µm nicht aus, um präzise Messungen durchzuführen, da

diese Auflösung in der Größenordnung der Emitterfingerbreite von 3 µm liegt. Eine

weitere Methode zur Bestimmung des thermischen Widerstandes sind dünne Flüs-

sigkristallfilme auf dem Bauelement. Diese ändern ihre Polarisationseigenschaften

bei einer bestimmten Temperatur und so können Isothermen sichtbar gemacht wer-

den [Mino86]. Nachteil dieser Methode ist, dass die Kristalle nur für eine bestimm-

te Temperatur geeignet sind und daher keine Temperaturprofile erstellt werden

können.

Abbildung 23: Bestimmung des Rth mit gepulster Kennlinienmessung. Aus dem Schnittpunkt

der statischen Messung mit dem 100 °C-Ast der gepulsten Messung erhält man: Rth =

TS /

PDiss = (100 °C – 20 °C)/(3,4 V

0,76 A) = 29 K/W

46 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Daher ist die Verwendung von elektrischen Messungen die am besten geeig-

nete Methode, um den thermischen Widerstand der Bauelemente vor der Lebens-

daueruntersuchung zu bestimmen. Dazu existieren verschiedene Methoden. Bei

allen Methoden erhält man einen Durchschnittswert des thermischen Widerstands

für das gesamte Bauelement, aber keine Information über die Temperaturverteilung

oder sogenannte „hot spots―. Die bekanntesten Methoden wurden von Dawson

[Daws92], Liu und Yuksel [Liu95] und Bovolon [Bovo98] entwickelt. Sie basieren

auf dem Prinzip, eine temperaturabhängige Größe – wie und – zu messen. Es

werden statische elektrische Messungen bei verschiedenen Temperaturen durchge-

führt. Mit den Messparametern – Verlustleistung und Umgebungstemperatur

– lässt sich der thermische Widerstand dann bestimmen.

Eine weitere Möglichkeit sind gepulste elektrische Messungen [McIn96]. Vo-

raussetzung für diese Methode ist, dass Pulslänge und Wiederholrate nicht zur

Selbsterwärmung des Transistors führen [Wei96]. Das Messprinzip ist jedoch ein-

fach: Die Ausgangskennlinie wird bei verschiedenen Umgebungstemperaturen ge-

pulst gemessen. Dadurch ist die Junction-Temperatur nahezu gleich der Umge-

bungstemperatur. Werden diese Kennlinien mit statischen Messungen verglichen,

kann aus dem Schnittpunkt der statischen und gepulsten Kennlinie und der Glei-

chung

⁄ der thermische Widerstand bestimmt werden (Abbildung

23).

In dieser Arbeit wurde die Methode von Bovolon eingesetzt. Scott hat die

verschiedenen Methoden zur Bestimmung des thermischen Widerstandes miteinan-

der verglichen [Scot01] und folgende Vorteile der Methode von Bovolon festge-

stellt: Zunächst kann diese Methode bei niedrigeren Verlustleistungen und kleine-

ren Bereichen der Ausgangskennlinien angewendet werden. Andererseits kann aus

dem Ergebnis erkannt werden, wenn die Voraussetzungen nicht mehr gelten, und so

die Daten fehlerhaft werden. Diese Fehler zeigen sich als starke Abweichung des

thermischen Widerstands als Funktion der Verlustleistung , z. B. bei Einbezie-

hung der Daten im Sättigungsbereich der Kennlinien bei der Bestimmung des ther-

mischen Widerstands (Abbildung 26).

IV.1. Messverfahren 47

IV.1.2.1. Methode von Bovolon

Bei der Berechnung des thermischen Widerstands nach Bovolon werden nur

kleine Änderungen der Verlustleistung und der Umgebungstemperatur betrachtet

[Bovo98]. Dabei wird angenommen, dass nur die Temperatur zu Änderungen in der

Basis-Emitter-Spannung und der Stromverstärkung β führen kann, sofern der

Arbeitspunkt gleich bleibt. Der thermische Widerstand wird bei dieser Methode aus

Ausgangskennlinien bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Der Vorteil dieser

Methode ist, dass nur die Änderung der Temperatur bekannt sein muss und nicht ihr

absoluter Wert. Der thermische Widerstand kann hier für jeden Arbeitspunkt be-

rechnet werden und so erhält man auch die Abhängigkeit von der Verlustleistung.

Die Einfachheit der Messung und der Auswertung stellt einen großen Vorteil dar.

Drei Messpunkte werden gemessen und zueinander ins Verhältnis gesetzt: ein Refe-

renzpunkt bei der Umgebungstemperatur und der Verlustleistung

und je ein Punkt mit geringfügig veränderter Umgebungstemperatur

und ein mit geringfügig veränderter Verlustleistung

(Abbildung 24).

Voraussetzung ist, dass die Temperatur- und Verlustleistungsdifferenz so

Abbildung 24: Diagramm zur Veranschaulichung der Größen zur Bestimmung des thermi-

schen Widerstandes nach Bovolon [Bovo98].

48 IV. Lebensdaueruntersuchungen

klein ist, dass die Änderung von β linear genähert werden kann:

Löst man beide Gleichungen nach

| auf und setzt diese gleich, so erhält

man als Bestimmungsgleichung für [Bovo98]:

(14)

Hier erkennt man, dass nur die Temperaturdifferenz eine Rolle spielt. Der thermi-

sche Widerstand kann also an beliebigen Arbeitspunkten bestimmt werden, sofern

lokal im gewählten Lastpunkt nur kleine Temperatur- und Leistungsänderungen in

die Berechnung eingehen.

Für Lebensdaueruntersuchungen wurden nahezu ausschließlich HBTs mit ei-

nem Emitterfinger mit einer Fläche von 3×30 µm² und einer ca. 16 µm dicken Me-

tallisierung untersucht. Für bestimmte Untersuchungen wurden auch HBTs mit un-

Abbildung 25: Ausgangskennlinie eines HBTs mit 1x3x30µm Emitterfinger, Messung bei

IB= 50...550 µA und TA = 35...55°C. Der thermischen Widerstandes lässt sich für den

Sättigungsbereich der Kennlinie nicht bestimmen, da hier der Kollektorstrom unabhängig

von Basisstrom.

IV.1. Messverfahren 49

terschiedlichen Parametern verwendet. Zum Beispiel wurden zur Bestimmung des

Einflusses der Dicke der Metallisierung auf den thermischen Widerstand HBTs mit

3 µm Metallisierung eingesetzt, oder für analytische Untersuchungen wurden Mehr-

finger-HBTs verwendet.

Zur Bestimmung des thermischen Widerstandes von HBTs nach Bovolon

muss zunächst das Ausgangskennlinienfeld bei verschiedenen Temperaturen ge-

messen werden (Abbildung 25). Dabei ist zu beachten, die Kennlinie nicht bei zu

hohen Leistungsdichten zu messen, damit die Eigenerwärmung des Bauelements

nicht zu einem nicht-linearen Abfall in der Kennlinie führt. Dies ist besonders bei

Leistungstransistoren mit mehreren Emitterfingern zu beachten, wo es zu thermi-

scher Instabilität kommen kann [Lu96], [Rudo04]. Wertet man diese Daten mit der

Bovolon-Methode aus, so erhält man den thermischen Widerstand des Bauelements

als Funktion der Verlustleistung. (Abbildung 26).Es ist eine lineare Abhängigkeit

des thermischen Widerstands von der Verlustleitung zu beobachten. Für

die Bestimmung der Junction-Temperatur muss der entsprechende thermische

Widerstand am Arbeitspunkt verwendet werden. Der in Abbildung 26 untersuchte

HBT hat einen thermischen Widerstand von = 550 K/W bei einer Verlustleis-

Abbildung 26: Extraktion des thermischen Widerstandes eines HBTs nach Bovolon

[Bovo98]. Der hier bestimmte thermische Widerstand liegt bei 550 K/W, mit einem abge-

schätzten Fehler von ± 10%. Die Abweichungen bei niedrigen Verlustleitungen stammen

aus dem Sättigungsbereich der Kennlinien. Daher sind die Daten für PDiss

0.08 W fehler-

haft.

50 IV. Lebensdaueruntersuchungen

tung von = 0,25 W. Die Genauigkeit der Bestimmung des thermischen Wider-

standes lässt sich recht schwierig einschätzen. Es ist wichtig, hier die Umgebungs-

temperatur so genau wie möglich (hier auf etwa 1%) zu bestimmen und darauf

zu achten, dass während der Kennlinienmessung keine Oszillationen auftreten.

Trotz größter Achtsamkeit beträgt die Genauigkeit der Bestimmung des thermi-

schen Widerstandes für den untersuchten HBT ca. ± 10% (Abbildung 26). Dieser

Wert wurde so festgelegt, dass die Fehlerbalken alle Ergebnisse einschließen. Ver-

gleichbare HBT`s mit gleicher Emitterdimension, jedoch dickerer Luftbrücke

(20 µm), hatten einen etwas kleineren thermischen Widerstand von = 500 K/W

[Acho99].

Den Einfluss des Fehlers des thermischen Widerstandes auf die Bestimmung

der Junction-Temperatur und auf die damit bestimmte mittlere Lebensdauer der

HBTs wurde an einem Beispiel durchgerechnet. Hierfür wurde der Arbeitspunkt bei

= 3,0 V und eine Stromdichte von = 1×105 A/cm² ausgewählt, die unter Ein-

beziehung einer Stromverstärkung von = 50 eine Verlustleistung von

= 0,272 W ergibt. Es wurden fünf Umgebungstemperaturen = 100, 125,

150, 175 und 200 °C ausgewählt. Der thermische Widerstand der HBTs für dieses

Beispiel beträgt = 500 K/W. Die Ergebnisse für die Bestimmung der Junction-

Temperatur und die jeweiligen prozentualen Fehler sind in der Tabelle 2 dargestellt.

Ein Fehler von ± 10% im thermischen Widerstand führt zu einem maximalen

Fehler von ± 7,1% in der Bestimmung der Junction-Temperatur, während mit stei-

gender Umgebungstemperatur der prozentuale Fehler geringer wird. Trotzdem führt

das im Arrhenius-Diagramm bei der Bestimmung der mittleren Lebensdauer zu

einer Lebensdauerdifferenz von einer Größenordnung. Das ist prozentual nicht sehr

groß, hat aber trotzdem bei der Auswertung große Auswirkungen (Abbildung 27).

Dieser Fehler wird für höhere Aktivierungsenergien größer.

Der Fehler für die Aktivierungsenergie beträgt maximal ± 7,2%. Hierbei ist

zu beachten, dass ein Fehler im thermischen Widerstand für alle Punkte im Arr-

henius-Diagramm die gleiche Auswirkung hat. Demzufolge ergibt ein Fehler von

des thermischen Widerstandes +10% eine Verschiebung zu höheren Werten für alle

Punkte auf der x-Achse (1000/ ).

IV.1. Messverfahren 51

Tabelle 2: Einfluss des Fehlers des thermischen Widerstandes Rth auf die Junction-

Temperatur TJ und auf 1000/ TJ zur Bestimmung des MTTF. Die grau unterlegten Zahlen

sind die für die Auswertung eingesetzten Werte, die Zahlen über und unter Ihnen sind die

Werte mit den maximalen Fehlern.

Abbildung 27: Einfluss des Fehlers in Rth auf die Junction-Temperatur TJ und folglich auf

die mittleren Lebensdauer MTTF und auf die Aktivierungsenergie EA.

Rth Fehler TAPdiss TJFehler 1000/TJFehler

(K/W) (%) (°C) (W) (°C) (%) (K-1 )(%)

450 10,00 240,0 6,92 1,95 3,48

500 257,8 1,88

550 10,00 276,1 7,11 1,82 3,34

450 10,00 263,8 6,24 1,86 3,27

500 281,4 1,80

550 10,00 299,4 6,40 1,75 3,14

450 10,00 287,8 5,67 1,78 3,08

500 305,1 1,73

550 10,00 322,8 5,81 1,68 2,97

450 10,00 311,9 5,19 1,71 2,92

500 329,0 1,66

550 10,00 346,5 5,31 1,61 2,82

450 10,00 336,1 4,78 1,64 2,77

500 353,0 1,60

550 10,00 370,2 4,89 1,55 2,68

175

0,272

200

0,272

100

0,272

125

0,272

150

0,272

52 IV. Lebensdaueruntersuchungen

IV.1.2.2. Einfluss von Substratdicke und Luftbrückendicke auf Rth

Für Leistungstransistoren, die bei hoher Leistungsdichte betrieben werden, ist

der thermische Widerstand des Transistors eine besonders kritische Größe, da sich

bei hohen Leistungen der Transistor aufheizt und die Wärme zur Verkürzung der

Lebensdauer oder gar zur katastrophalen Degradation führt. Die Wärmequelle des

GaAs-Bipolartransistors sitzt im Kollektor, da hier die größte Verlustleistung auf-

tritt. Die Ableitung der Wärmeenergie erfolgt aus dem aktiven Transistorgebiet in

beide Richtungen zum Substrat bzw. zum Emitterkontakt mit den Galvanikgoldbrü-

cken. Für den weiteren Wärmetransport spielen die Wärmeleitfähigkeiten des Sub-

strats und der Luftbrücken eine große Rolle und müssen entsprechend der Leistung

Abbildung 28:Simulation des Einflusses der Substratdicke auf den thermischen Widerstand,

von aufgebauten Multifinger-HBTs mit einer Emitterfläche von 4000 µm² [Kurp02].

Abbildung 29: Thermischer Widerstand von aufgebauten HBTs von nicht abgedünntem

Wafer (links), und von einem auf 100 µm abgedünnten Wafer (rechts)

IV.1. Messverfahren 53

des Transistors dimensioniert werden. Leider ist GaAs aufgrund seiner geringen

Wärmeleitfähigkeit von = 55 W/mK im Vergleich zu Gold mit

= 318 W/mK für den Wärmetransport aus dem Bauelement schlecht geeignet.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung des thermischen Widerstands des Transis-

tors – neben der Layoutoptimierung – ist das Abdünnen des Substrats. Messungen

an GaAs-Leistungs-HBTs (Emitterfläche = 4000 µm²) haben gezeigt, dass sie

bei einer Substratdicke von 650 µm einen thermischen Widerstand von ca. 29 K/W

besitzen. Simulationen von Transistoren mit auf 100 µm abgedünnten Substrat zei-

gen eine Verringerung des thermischen Widerstands auf ca. 19 K/W. Ein weiteres

deutliches Abdünnen auf ca. 3 µm brächte nur eine Verringerung um 25 % auf ca.

15 K/W [Kurp02] (Abbildung 28). HBT Leistungstransistoren werden daher „flip-

chip― mit der Vorderseite nach unten auf einem speziellen strukturierten Trägersub-

strat mit geringem thermischen Widerstand aufgelötet. Das Trägersubstrat besteht

meistens aus AlN, da seine Wärmeleitfähigkeit mit = 285 W/mK nur gering-

fügig niedriger als die von Gold ist. Außerdem weicht der thermische Ausdeh-

nungskoeffizient von AlN (

= 5,0×10-6 K-1) nur sehr geringfügig von dem

von GaAs (

= 6,2×10-6 K-1) ab, wodurch bei Wärmeentwicklung mechani-

sche Spannungen an deren Grenzfläche vermieden werden.

Die HBTs in dieser Arbeit werden bei vergleichsweise niedrigen Verlustleis-

tungen von = 220 bis 250 mW gealtert. Darüberhinaus sind sie mit einer di-

cken Luftbrücke von ca. 16 µm ausgestattet. Hierdurch hat die Substratdicke nur

einen geringen Einfluss auf den thermischen Widerstand dieser HBTs. So führt das

Abdünnen des Wafers von 650 µm auf 100 µm zu einer Verringerung des thermi-

schen Widerstandes von ca. 550 K/W um ca 10 % auf ca. 500 K/W, jeweils bei

einer Verlustleitung von 0,25 W (Abbildung 29).

Wie bereits erwähnt, haben die Luftbrücken einen großen Einfluss auf den

thermischen Widerstand der Transistoren. Besonders bei Leistungs-HBTs mit hoher

Wärmeentwicklung spielt die Dicke der Luftbrücken eine Rolle. Bei den HBTs mit

einem 3×30 µm² großen Emitterfinger beträgt der thermische Widerstand bei HBTs

mit 18 µm dicken Luftbrücken ca. 500 W/K. Vergleichbare HBTs mit nur 3 µm

dicken Luftbrücken besitzen einen 25 % höheren thermischen Widerstand von ca.

625 K/W (Abbildung 30).

54 IV. Lebensdaueruntersuchungen

IV.1.3. Alterungsbedingungen

Die Durchführung von Lebensdaueruntersuchungen wurde mit der Motivati-

on durchgeführt, die Entwicklung der GaAs-basierten HBTs zu begleiten und Feed-

back an die Technologie über die Zuverlässigkeit der Transistoren zu geben. Hier-

für mussten die Messungen in kurzer Zeit abgeschlossen werden, um zeitnah Aus-

sagen über die Qualität der Transistoren machen zu können.

Wie bereits in II.2.1 erwähnt, werden Umgebungstemperatur und Stromdichte

als Beschleunigungsparameter eingesetzt. Bei der Auswahl der Alterungsbedingun-

gen muss ein Kompromiss zwischen der Beschleunigung der Alterung und der

Aussagekraft der Lebensdauerdaten gefunden werden. Die Vergleichbarkeit der

Degradationsmechanismen unter normalen Betriebsbedingungen und Bedingungen

unter Stress muss gewährleistet werden.

Die untersuchten Transistoren mit einer Emitterfläche von 3×30 µm² haben

ihre maximale Stromverstärkung bei einer Kollektorstromdichte von ca.

4×104 A/cm² (Abbildung 31). Bei dieser Stromdichte besitzen sie auch ihre maxi-

male Grenzfrequenz von ca. 200 GHz. Die Kollektorspannung beträgt dabei

= 3,0 V. Das ist auch die Betriebsspannung für die verschiedenen Anwendun-

gen. Für die Festlegung der Stromdichte während der Alterungsmessungen wurde

ein Stufentest durchgeführt. Bei einer Kollektorspannung von = 3,0 V und ei-

ner Umgebungstemperatur von = 100 °C wurde die Kollektorstromdichte stu-

fenweise bis zum Ausfall des Transistors erhöht (Abbildung 32). Die Umgebungs-

temperatur wurde so ausgewählt, dass der Transistor bei einer Stromdichte von

Abbildung 30: Thermischer Widerstand von HBTs mit 3 µm (links) und 16 µm (rechts)

dicken Luftbrücken.

IV.1. Messverfahren 55

= 1×105 A/cm² eine Junction-Temperatur von ungefähr = 300 °C hat. Eine

Stromdichte von = 1,4×105 A/cm² führt unter diesen Bedingungen in der Regel

zum Ausfall des HBT’s. Von diesen Werten ausgehend können nun die Bedingun-

gen für die Lebensdaueruntersuchung ausgewählt werden.

Abbildung 31: Stromverstärkung (β) und Grenzfrequenz (fT, fMAX) in Abhängigkeit der Kol-

lektorstromdichte (JC). Die Kollektor-Emitterspannung beträgt UCE = 3,0 V.

Abbildung 32: Stufen-Test: stufenweise Erhöhung der Kollektorstromdichte von 5×104

A/cm² bis zum Ausfall des HBTs zur Bestimmung der maximalen Stromdichte bei einer

Umgebungstemperatur von TA = 100 °C.

56 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Um die HBTs während der Alterung nicht zu sehr zu belasten und die Akti-

vierung ungewöhnlicher Degradationsmechanismen zu vermeiden, die im normalen

Betrieb womöglich nicht auftreten, wurde die maximale Kollektorstromdichte für

Lebensdaueruntersuchungen auf = 1×105 A/cm² festgelegt. Diese Stromdichte

wurde für sogenannte Schnelltests bei einer Junction-Temperatur von = 300 °C

eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war es, innerhalb weniger Hundert Stunden

Ergebnisse zu erhalten. Damit sollten die Transistoren verschiedener Wafer mitei-

nander verglichen werden, um schnell Erkenntnis über deren Qualität zu erhalten.

Die Stromdichte für die Bestimmung der mittleren Lebensdauer sollte

einerseits nicht zu hoch sein, dass dadurch ungewöhnliche Degradationsmechanis-

men aktiviert werden. Andererseits sollte sie hoch genug sein, damit zum Erreichen

hoher Junction-Temperaturen von = 300 bis 325 °C nicht allzu hohe Umge-

bungstemperaturen eingestellt werden müssen. Die Umgebungstemperatur wird

durch die Temperaturfestigkeit des Leiterplattenmaterials und der passiven Bau-

elemente der Schaltung zur Unterdrückung der Transistoroszillation auf 200 °C

begrenzt. In Tabelle 3 sind Umgebungstemperaturen aufgetragen, die für Strom-

dichten = 6 bis 10×104 A/cm² (oberste Zeile) für einen HBT mit einer Emitter-

fläche von =3×30 µm² und einem thermischen Widerstand von = 550 K/W

eingestellt werden müssten, um die gewünschten Junction-Temperaturen (erste

Spalte rechts) zu erzielen. Man erkennt, dass eine Junction-Temperatur von 325 °C

bei einer Umgebungstemperatur von 192 °C – also knapp unter 200 °C – und bei

einer Stromdichte von 8×104 A/cm² erreicht wird.

Tabelle 3: Umgebungstemperatur TA in Abhängigkeit der Stromdichte, um die gewünschte

Junction-Temperatur TJ einzustellen. Für einen HBT mit einem thermischen Widerstand

von Rth = 550 K/W und bei einer Kollektorspannung von UC = 3,0 V

Stromdichte JC [× 104 A/cm²]

Umgebungstemperatur TA [°C]

126,5

107,8

88,0

66,8

43,8

225

Junction-Temperatur TJ [°C]

152,1

133,6

114,2

93,6

71,5

250

177,5

159,3

140,2

120,2

98,8

275

202,9

184,9

166,2

146,5

125,7

300

228,3

210,5

192,0

172,6

152,3

325

IV.2 Messtechnik 57

IV.2. Messtechnik

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Labor mit Messplätzen speziell für die in

dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Lebensdaueruntersuchung von Transisto-

ren aufgebaut. In diesem Abschnitt werden die Messplätze und deren Funktions-

weise erläutert und die Probleme, die sich bei diesen Untersuchungen ergeben, be-

schrieben. Die Bestimmung der Lebensdauer von Transistoren erfordert die Unter-

suchung einer ausreichenden Zahl von Bauelementen, um eine statistisch gesicherte

Aussage über die Lebensdauer machen zu können. Wie bereits in II.2.1 erwähnt,

wird die Alterung der Transistoren durch Einsatz von höheren Umgebungstempera-

turen und höheren Stromdichten beschleunigt. Insbesondere erfordern die hohen

Umgebungstemperaturen bis = 200 °C den Einsatz spezieller Materialien und

Komponenten, die bei diesen Temperaturen selbst zuverlässig funktionieren.

Die Alterung der HBTs erfolgte ausschließlich bei konstanter Verlustleistung

des Kollektors. Die gewünschte Kollektorspannung von = 3,0 V wurde ange-

legt und der Basisstrom so geregelt, dass der gewünschte Kollektorstrom konstant

den vorgegebenen Wert einhält, wodurch die Junction-Temperatur, also die Belas-

tung des HBT’s, nahezu konstant bleiben. Dies erfordert jedoch eine ständige

Überwachung der elektrischen Parameter (Abbildung 33). Das Ziel diese Methode

ist, den Fehler in der Bestimmung der mittleren Lebensdauer und der Akti-

vierungsenergie minimal zu halten.

Abbildung 33: Regelkreis für die Alterung der HBTs bei konstanter Ausgangsleistung.

58 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Die Einstellung, Kontrolle und Regelung der Alterungsparameter erfolgte zu-

nächst ausschließlich durch Netzteile (Keithley 2400 Serie), die mit einem selbst

entwickelten Programm über einen PC gesteuert wurden. Der Nachteil ist, dass die

Alterung von vielen Transistoren durch nur ein Programm zur Überlastung des

PC’s führen kann und diesen anfällig für Systemabstürze macht. Auch ein Ausfall

des PC’s kann zur Unterbrechung der Alterung und Datenverlust führen. Daher

wurden die Netzteile durch ein speziell für Alterung von Bauelementen entwickel-

tes Messsystem der französischen Firma iTest ersetzt (Abbildung 34), welches auf

die Anforderungen und die Alterungsmethoden in dieser Arbeit angepasst wurde.

Ein System (Unit) besteht aus maximal 13 Modulen – ein Modul zur Regelung der

Temperatur und 12 Module zur elektrischen Versorgung der Transistoren. Diese

Module werden von einem Mikrocontroller überwacht, gesteuert, und die Messda-

ten werden im lokalen Speicher des Controllers abgelegt. Mit einem speziellen Pro-

gramm können dann die Einstellungen der Messung an den Controller übertragen

und die Messdaten aus seinem lokalen Speicher ausgelesen werden. Auf diese Wei-

se kann ein Ausfall des PC’s nicht zum Datenverlust führen. Ein weiterer Vorteil

ist, dass die Kontrolle der Alterungsparameter für viele Transistoren auf verschie-

dene Controller verteilt wird.

Abbildung 34: Alterungssystem von iTest zur Durchführung der Lebensdauermessungen.

Der Mikrokontroller (CPU) überwacht und regelt die Alterungsmessungen und speichert

die Daten lokal ab.

IV.2 Messtechnik 59

Ein Problem der Messtechnik ist die Neigung von Transistoren mit hoher

Stromverstärkung ( > 60) zur Instabilität aufgrund von Rückkopplungen im Tran-

sistor und zum Schwingen bei Frequenzen im Bereich von wenigen hundert MHz.

Das Schwingen kann den Transistor zerstören, da es hierbei keine Kontrolle mehr

über den Arbeitspunkt gibt. Das Schwingen kann aber auch zur sogenannten HF-

Kühlung führen. Dabei wird die Gleichstromverlustleistung nicht in Wärme, son-

dern in ein Hochfrequenzsignal umgesetzt. Es wird also weniger Wärme im Tran-

sistor entwickelt, was zur Verringerung der Junction-Temperatur bzw. Belastung

des Transistors, und somit höhere Lebensdauer während der Alterung führt.

Um diese Instabilität der Transistoren zu beheben, wurde für aufgebaute

HBTs eine spezielle Schaltung entworfen (Abbildung 35), die eine Rückkopplung

im Transistor unterbindet bzw. eine Kreisverstärkung kleiner als 1 ermöglicht. Für

On-Wafer-Messungen werden aus diesem Grund Koplanarmessspitzen verwendet,

die mit Hochfrequenzkabeln angeschlossen werden. Zur Einspeisung der Span-

nungsversorgung werden Bias-Tees eingesetzt, die aufgrund ihrer Funktionsweise

ebenfalls zur Unterdrückung von Oszillationen führen.

Die Alterung von HBTs on-wafer erfolgte an einem Prober mit einem heizba-

ren Chuck, wobei zum Anlegen von Strom und Spannung die HBTs auf dem fertig

prozessierten Wafer mit speziellen Messspitzen angetastet werden (Abbildung 36).

Der Chuck kann bis auf 180 °C geheizt werden. Die on-wafer Alterung wurde aus-

schließlich für die erwähnten Schnelltests ( = 1×105 A/cm² und = 300 °C) ein-

gesetzt. Dabei betrugen die Umgebungstemperaturen ca. 150 °C, wofür spezielle

Messspitzen aus Wolfram eingesetzt werden mussten.

Abbildung 35: Schaltungsnetzwerk zur Unterdrückung von Transistoroszillation für verein-

zelte Transistoren.

60 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Für die Bestimmung der mittleren Lebensdauer , wurden die HBTs

einzeln aufgebaut und in Öfen gealtert (Abbildung 37). Für diese Messungen wur-

den drei Öfen in Zusammenarbeit mit iTest entworfen und gebaut, um die Span-

nungsversorgungeinheiten der HBTs während der Alterung und auch die Öfen ge-

meinsam in mobilen Racks einzubauen. Es wurden drei kleine Öfen gebaut, in de-

nen jeweils drei Keramikgehäuse – je für zwei HBTs ausgelegt – Platz finden. Die

Keramikgehäuse wurden so gewählt, dass sich die HBTs im Betrieb durch die

Selbsterwärmung sich nicht zu sehr aufheizen. Bei geschlossenem Ofen und sechs

HBTs in Betrieb heizt sich der Ofen maximal auf 40 °C auf.

Die vereinzelten HBTs wurden auf vergoldete Kupferträger gelötet und dann

in Keramikgehäuse eingeklebt. Darauf wurde eine Leiterplatte mit der in Abbildung

35 gezeigten Schaltung zur Unterdrückung von Oszillationen geklebt, die an der

Position der HBTs entsprechende Löcher besitzt. Die HBTs werden dann mit der

Leiterplatte mittels Bonddrähten elektrisch verbunden (Abbildung 37). Das Materi-

Abbildung 36: Links: Prober mit beheizbarem Chuck und 5-fach Messspitzen für on-wafer

Lebensdaueruntersuchung von Transistoren (On-Wafer Alterungsmessplatz), rechts: DC-

Messspitzen für 5 Transistoren.

Abbildung 37: Links: Ofen für die Alterung aufgebauter HBTs in Keramikgehäusen für

jeweils zwei HBTs, rechts: Leiterplatte mit Netzwerk zur Unterdrückung von Oszillationen,

Schaltung siehe Abbildung 35.

IV.2 Messtechnik 61

al der Leiterplatte und die darauf befindlichen passiven Komponenten mussten so

gewählt werden, dass sie eine lang andauernde Belastung durch die Umgebungs-

temperatur selbst aushalten. So erfordert die Alterung der HBTs bei einer Junction-

Temperatur von = 325 °C und einer Stromdichte von = 8×104 A/cm² eine

Umgebungstemperatur von = 192 °C (siehe Tabelle 3). Dies bedeutet eine starke

Belastung für die Leiterplatte und die darauf befindlichen Komponenten.

Damit sich die Transistoren leichter und präziser aus dem Waferverbund ver-

einzeln lassen, muss der ca. 650 µm dicke Wafer auf 100 µm abgedünnt werden.

Der Aufbau der Transistoren lässt sich allerdings auch mit nicht abgedünnten

Wafern durchführen. Untersucht man die Lebensdauern von abgedünnten und nicht

abgedünnten HBTs eines Wafers im aufgebauten Zustand, so stellt man fest, dass

abgedünnte Transistoren zum Teil nicht nur deutlich früher ausfallen, sondern der

Anteil der Frühausfälle – also Transistoren, die sehr schnell nach Inbetriebnahme

ausfallen – deutlich größer ist (Abbildung 38). Eine mögliche Erklärung für die

kürzere Lebensdauer bei den abgedünnten Wafern ist nicht der Abdünnprozess

selbst, sondern es sind mechanische Spannungen, die beim Löten während des Auf-

bauprozesses auf dem Transistor wirken. Beim Löten werden die Kupferträger, auf

die die Transistoren gelötet werden, auf 330-350 °C (Lötmaterial Gold-Zinn) auf-

geheizt. Beim Abkühlen steht dann der Transistor unter mechanischer Spannung,

wenn sich der Träger zusammenzieht. Diese Verspannung kann bei nicht abgedünn-

tem Substrat (ca. 650 µm) abgefangen werden, ohne dass die aktiven Schichten des

Transistors davon betroffen sind. Bei abgedünnten Transistoren (100 µm) jedoch

reicht die Verspannung auch in die aktiven Bereiche des Transistors hinein, und

führt zur zusätzlichen Belastung und beschleunigt die Alterung. Diese Annahme

wurde verifiziert, indem Transistoren zweier Waferbruchstücke desselben Wafers –

eines abgedünnt, das andere mit normaler Dicke – unter gleichen Bedingungen mit

der On-Wafer-Messtechnik gealtert wurden. Dabei wurde kein messbarer Unter-

schied in der Lebensdauer festgestellt.

62 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Abbildung 38: Einfluss des Abdünnens auf die Lebensdauer von aufgebauten HBTs. Dia-

gramm A zeigt den Alterungsverlauf von abgedünnten HBTs, Diagramm B zeigt den Ver-

lauf von nicht abgedünnten HBTs des gleichen Wafers. Die Alterung wurde bei gleichen

Junction-Temperaturen durchgeführt. Deutliche Unterschiede in Lebensdauer und Anzahl

der Frühausfälle sind ersichtlich.

IV.3. Degradationsverlauf 63

IV.3. Degradationsverlauf

Der Alterungsverlauf eines HBTs wird durch die Auftragung der Stromver-

stärkung über der Zeit dargestellt (Abbildung 39). Dieser Verlauf lässt sich in

drei Phasen einteilen: Die erste Phase nennt man „Burn-in― (englisch: einbrennen).

Sie ist gekennzeichnet durch die zum Teil starke Änderung der Stromverstärkung in

den ersten Stunden des Transistorbetriebs, in denen sowohl eine Zunahme als auch

ein Abfall der Stromverstärkung beobachtet werden kann [Bovo00]. Nach der

Burn-in-Phase stabilisiert sich die Stromverstärkung und verläuft konstant bzw.

fällt leicht ab. In der dritten Phase bricht die Stromverstärkung abrupt zusammen

und fällt in sehr kurzer Zeit (~ 100 h) auf einen sehr kleinen (< 10) Wert ab. Daher

wird diese Phase als katastrophale Degradation bezeichnet.

Der Zeitpunkt des Ausfalls kann unterschiedlich definiert werden. Überwie-

gend wird eine Abweichung eines Parameters um einen definierten Betrag von sei-

nem Anfangswert als Ausfall bezeichnet. Da zu Beginn des Betriebes von Transis-

toren die elektrischen Parameter stark schwanken können, werden sie für kommer-

zielle Anwendungen vor der Auslieferung einem Burn-in unterzogen, damit dies

während des Betriebs beim Kunden nicht mehr auftritt. Dadurch lassen sich Bau-

Abbildung 39: Degradationsverlauf eines GaAs HBTs und seine Phasen. Phase 1: Burn-in

– Änderung der Stromverstärkung in den ersten Betriebsstunden, Phase 2: Graduelle De-

gradation – Leichter Abfall oder auch konstanter Verlauf der Stromverstärkung während

der Alterung, Phase 3: Katastrophale Degradation – Rapider Abfall der Stromverstärkung,

Ausfall des HBTs

64 IV. Lebensdaueruntersuchungen

elemente mit Produktionsfehler aussortieren und die Ausfallrate in den ersten Be-

triebsstunden deutlich verringern (siehe dazu II.1.5 und II.2.2). In dieser Arbeit ist

die Ausfallbedingung als eine Änderung von 20 % der Stromverstärkung nach dem

Burn-in definiert.

In den folgenden Abschnitten werden zunächst die Mechanismen diskutiert,

die während der Burn-in-Phase zur Änderung der Stromverstärkung führen und

danach werden das Langzeitverhalten der Transistoren und die katastrophale De-

gradation diskutiert.

IV.3.1. Kurzzeitdegradation: Burn-in

Die erste Phase der Alterung von GaAs-basierten HBTs ist gekennzeichnet

durch Schwankungen in der Stromverstärkung (Abbildung 39). In diesem als Burn-

in bezeichneten Zeitraum ist sowohl ein Abfall als auch eine Zunahme der Strom-

verstärkung zu beobachten. Dieser Prozess tritt nur bei frisch prozessierten HBTs

auf und ist irreversibel.

In der Literatur wurden bisher verschiedene Abläufe des Burn-ins beobachtet.

Zum Teil wurde ein Abfall mit nachfolgender Stabilisierung der Stromverstärkung

beobachtet [Brun03]. Henderson berichtete als einziger bisher von zunächst stei-

gender und dann stabilisierender Stromverstärkung [Hend96]. Borgarino beobach-

tete zunächst einen Anstieg und dann einen Abfall der Stromverstärkung [Borg99].

Ueda wiederum untersuchte die Änderung der Einsatzspannung (vgl. II.3.1)

während der Alterung [Ueda96]. Ein Vergleich der verschiedenen Ergebnisse ist

aufgrund der unterschiedlichen Technologien und Messbedingungen sehr schwie-

rig. Auch die Interpretationen der Ergebnisse sind nicht ohne weiteres miteinander

vergleichbar.

Der Burn-in-Prozess wird in der Literatur einheitlich der Wasserstoff-

Kontamination der Basisschicht angelastet. Diese Kontamination erfolgt während

der Wachstumsphase der nach der Basis folgenden Schichten [Brun02, Kozu93] in

der Epitaxieanlage. In der hoch kohlenstoff-dotierten Basis kann der Wasserstoff in

drei Zuständen gefunden werden [Liu98]:

1. Der Wasserstoff kann mit dem Kohlenstoff in der Basis elektrisch neut-

rale Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexe (C-H) bilden [Rahb93].

IV.3. Degradationsverlauf 65

2. Der Wasserstoff kann, isoliert vom Kohlenstoff, in Form von H+, als

Donator wirkt und die C-Akzeptoren kompensieren [Fush94].

3. Wasserstoff-Atome können als Verunreinigung im GaAs-Gitter tiefe

Störstellen bilden und als Rekombinationszentren fungieren [Chi97].

Abbildung 40: Typischer Verlauf des Burn-ins bei GaAs HBTs. (Das untere Diagramm ist

die Vergrößerung des markierten Bereichs im oberen Diagramm.)

Abbildung 41: Gummel-Plot während des Burn-ins zeigt Änderungen des Basisstroms.

Dies ist ein Hinweis, dass der Burn-in mit Änderungen in der Basisschicht zusammenhängt.

66 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Während in den beiden ersten Fällen die aktive Basisdotierungshöhe verrin-

gert wird [Bahl95] [Ren95], können im letzteren Fall die Störstellen als Rekombi-

nationszentren wirken und zur Entstehung und Ausbreitung von Versetzungen füh-

ren.

In Abbildung 40 ist ein typischer Burn-in-Verlauf eines GaAs-HBTs zu se-

hen, der am FBH hergestellt wurde. Auffällig ist, dass die Stromverstärkung zu-

nächst stark abfällt, bis sie ein Minimum erreicht, um dann exponentiell anzustei-

gen und danach einen nahezu konstanten Wert anzunehmen. Dieser Prozess ist nach

ca. 30 Minuten bis zwei Stunden abgeschlossen – abhängig von der angelegten Kol-

lektorstromdichte und der Umgebungstemperatur . Danach geht die Alterung

in die Phase der graduellen Degradation über und die Stromverstärkung beginnt zu

sinken. Während des Burn-ins nimmt der Idealitätsfaktor der Emitter-Basis-

Diode leicht zu (Abbildung 41). Dieser Verlauf deutet auf zwei Mechanismen, die

beide mit dem Wasserstoff in der Basis zusammenhängen. Nach dem Einschalten

des HBTs werden zunächst unter Injektion von Elektronen vom Emitter in die Basis

durch die Dissoziation von C-H-Komplexen H+-Ionen produziert [Fush95]. Dies

führt zur Aktivierung der Kohlenstoffakzeptoren in der Basis bei gleichzeitiger Er-

höhung der Basisdotierungshöhe, infolgedessen sinkt die Stromverstärkung

[Bahl95] [Yeat02]. Der danach folgende Anstieg der Stromverstärkung deutet auf

eine Verringerung des Rekombinationsstroms in der Basis hin. Hierfür kann es

mehrere Gründe geben: Die freigesetzten H+-Ionen diffundieren zur Emitter-Basis-

Grenzfläche oder zur extrinsischen Basisoberfläche [Lee08] und passivieren dort

die Defekte. Beide Mechanismen verringern den Anteil an Rekombinationsströmen

des Basisstroms und führen zum Ansteigen der Stromverstärkung [Joyc75].

IV.3.1.1. Elektrische und thermische Einflüsse auf den Burn-in-Verlauf

Um den Mechanismus während des Burn-ins besser verstehen und erklären zu

können, wurden on-wafer Lebensdauertests von einigen wenigen Stunden mit je-

weils fünf HBTs durchgeführt. Im ersten Test wurden die neuen unbenutzten Tran-

sistoren bei Raumtemperatur und bei unterschiedlichen Kollektorströmen von 54,

63, 72, 81 und 90 mA gealtert. Diese Werte entsprechen bei den untersuchten HBTs

mit einer Emitterfläche von 3×30 µm2 Stromdichten von 6, 7, 8, 9 und

10×104 A/cm² (Abbildung 42). Im zweiten Test wurde die Temperaturabhängigkeit

IV.3. Degradationsverlauf 67

untersucht. Es wurden fünf unbenutzte Transistoren bei einem Kollektorstrom von

72 mA (Kollektorstromdichte von 8×104 A/cm²) bei unterschiedlichen Umgebungs-

temperaturen von 40, 50, 60, 70 und 80 °C untersucht (Abbildung 43).

Abbildung 42: Burn-in-Verlauf bei Raumtemperatur und bei verschiedenen Kollektor-

stromdichten. (A) Es ist deutlich zu erkennen, dass der Burn-in-Prozess durch die erhöhte

Stromdichte beschleunigt wird. (B) Verlauf der normierten Stromverstärkung zur Verdeut-

lichung der Ablaufgeschwindigkeit des Burn-ins. Die Stromverstärkung wurde auf ihren

Anfangswert normiert.

68 IV. Lebensdaueruntersuchungen

In den Abbildungen ist deutlich zu erkennen, dass die Stromdichte den stärks-

ten Einfluss auf die Burn-in-Mechanismen hat. So läuft das Burn-in mit steigender

Stromdichte schneller ab, was ein Hinweis darauf ist, dass die Aktivierung der Koh-

lenstoffakzeptoren durch Dissoziation der C-H-Komplexe von der Elektroneninjek-

tion abhängt.

Abbildung 43: Burn-in-Verlauf in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur Die

Stromdichte liegt bei 8×104 A/cm, die Kollektorspannung liegt bei UCE = 3 V. Im unteren

Diagramm ist der Burn-in-Verlauf in Abhängigkeit von der Temperatur normiert auf das

Minimum der Stromverstärkung dargestellt. Die Temperatur hat keinen Einfluss auf die

Verlaufsform des Burn-ins, beschleunigt jedoch den Ablauf leicht.

Abbildung 44: Bestimmung der Aktivierungsenergie des Burn-in-Prozesses. Die Strom-

dichte beträgt JC = 8×104 A/cm²

IV.3. Degradationsverlauf 69

Betrachtet man die Messungen bei steigender Temperatur (Abbildung 43), so

erkennt man, dass die Temperatur kaum Einfluss auf die Form der Burn-in-Kurve

hat, jedoch den Ablauf des Burn-ins bis zum Erreichen des Minimums leicht be-

schleunigt (Abbildung 43, unten). Aus diesen Diagrammen lässt sich die Aktivie-

rungsenergie des Burn-in-Prozesses bestimmen. Hierfür wird die Zeit bis zum Er-

reichen des Minimums der Stromdichte in Abhängigkeit der Junction-Temperatur

im Arrhenius-Diagramm aufgetragen (Abbildung 44). Aus der Steigung des linea-

ren Fits lässt sich dann die Aktivierungsenergie bestimmen. Sie beträgt in diesem

Fall = 0,65 eV. Bovolon bestimmte für kleinere GaAs HBTs ( = 2×6 µm²) bei

niedrigerer Stromdichte (5,6×104 A/cm²) eine Aktivierungsenergie von

= 0,45 eV [Bovo00]. Der Unterschied durfte sicherlich an der höheren Basisdo-

tierung von 4,5×1019 cm-3 bei Bovolon gegenüber einer Dotierungshöhe von

3,3×1019 cm-3 bei den in dieser Arbeit untersuchten HBTs liegen.

IV.3.1.2. Burn-in-Prozess in Abhängigkeit der Basisdotierung

Die Untersuchung des Burn-in-Verlaufs bei Bauelementen mit unterschiedli-

chen Basisdotierungshöhen von 3,3 bzw. 4,5×1019 cm-3 zeigt, dass bei Transistoren

mit niedrigerer Basisdotierungshöhe das Burn-in schneller abläuft (Abbildung 45).

Abbildung 45: Burn-in-Verlauf von HBTs mit unterschiedlichen Basisdotierungshöhen.

Beide HBTs wurden bei einer Stromdichte von 1 x 105 A/cm² und einer Umgebungstempe-

ratur von 25 °C

70 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Eine niedrigere Kohlenstoffdotierung hat neben einer geringeren Passivierung

durch den Wasserstoff in der Basis auch eine abnehmende tensile Gitterverspan-

nung zur Folge [Brun02]. Der daraus resultierende Defektstatus hat jedoch auf die

hier untersuchte Kurzzeitdegradation keinen Einfluss, kann jedoch die Lebensdauer

des Bauelements beeinflussen. Dieses Ergebnis unterstreicht die Annahme, dass die

beobachtete Kurzzeit-Degradation – also das Burn-in – durch die strominduzierte

Aktivierung wasserstoffpassivierter Kohlenstoffatome verursacht wird.

IV.3.2. Graduelle und katastrophale Degradation

Nach der Burn-in-Phase geht der Alterungsverlauf in die Phase der graduellen

Degradation über. Diese Phase ist gekennzeichnet von einem konstanten oder leicht

abfallenden Verlauf der Stromverstärkung. Der Verlauf hängt vom Arbeitspunkt

während der Alterung ab [Yeat08]. Bei Betriebsspannungen nahe der Basis-

Kollektor-Durchbruchspannung ist die graduelle Degradation so stark, dass das

Absinken der Stromverstärkung um 20% bereits vor der katastrophalen Degradation

eintritt [Yeat08]. Nach der graduellen Degradation folgt die katastrophale Degrada-

tion, die durch den abrupten Abfall der Stromverstärkung gekennzeichnet ist.

Während der graduellen Degradation erfolgt in den Bauelementen eine Gene-

ration von Punktdefekten, Punktdefektclustern und Microloops [Hend96]. Die Ge-

schwindigkeit ihrer Entstehung und Ausbreitung wirkt sich direkt auf den Abfall

der Stromverstärkung aus. Auch die katastrophale Degradation ist eine Folge dieses

Mechanismus. Während die Punktdefekte als Rekombinationszentren wirken und

zur Generation weiterer Defekte und zur Ausbreitung vorhandener Versetzungen

führen (REDR), kommt es zu einem rapiden Anstieg des Rekombinationsstroms.

Durch diesen Leckstrom nimmt die Stromverstärkung rapide ab.

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit 71

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-

Zuverlässigkeit

Während der Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von Halbleiterbau-

elementen werden diverse Parameter variiert, welche nicht nur die elektrischen Ei-

genschaften ändern, sondern auch Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer

der Bauelemente haben. In der Herstellung von GaAs-basierten HBTs spielen nicht

nur die Qualität der gewachsenen Epitaxieschichten und deren Zusammensetzung –

beispielsweise die Höhe der Basisdotierung oder der Indiumgehalt des Emitters –

eine Rolle, sondern auch die darauf folgende Prozessierung der Wafer, insbesonde-

re deren Reproduzierbarkeit. Aber auch die Qualität der Ausgangsmaterialien, ins-

besondere die Substratqualität spielt eine Rolle.

IV.4.1. Substratmaterial

Für die Zuverlässigkeit der Transistoren spielen Defekte im aktiven Bereich

eine große Rolle. Sie fungieren als Rekombinationszentren und die frei gewordene

Energie kann wiederum zur Entstehung neuer Defekte und deren Wachstum und

Bewegung im Transistor führen. Dieser als rekombinationsbeschleunigte Defektre-

aktion (REDR) bekannte Mechanismus (vgl. IV.3.1.2) ist seit Langem bei opto-

elektronischen Bauelementen bekannt [Ueda99]. Dabei spielt die Qualität – im We-

sentlichen die Versetzungsdichte – des Substratmaterials eine Rolle. Durch Einsatz

von Substraten mit verringerter Versetzungsdichte, wie z. B. VGF13F

- oder VB14F

Material konnte die Ausbeute und Lebensdauer von Laserdioden und LEDs erheb-

lich verbessert werden [Hend99]. Für elektronische Anwendungen jedoch wird ein

Großteil des eingesetzten semi-isolierenden (SI-) Substratmaterials mit der LEC15F

Methode hergestellt. Dieses Material besitzt eine ca. 25- bis 50-fach höhere Verset-

zungsdichte (Tabelle 4) [Rudo99]. Es fällt aber auch auf, dass Wafer von gleichem

Substratmaterial aber unterschiedlichem Durchmesser sich in der Versetzungsdichte

um einen Faktor 2 bis 3 unterscheiden (Tabelle 4).

Um die Zuverlässigkeit der Bauelemente zu erhöhen, ist es daher geboten, die

VGF: englisch, „Vertical Gradient Freeze―,

VB: englisch, „Vertical Bridgman―

LEC: englisch, „Liquid Encapsulated Czochralski―

72 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Zahl der Defekte bzw. die Defektdichte im Bauelement so gering wie möglich zu

halten. Ist die Epitaxie soweit ausgereift, dass während des Schichtwachstums keine

weiteren Defekte erzeugt werden, bestimmt die Qualität des Substratmaterials die

Defektdichte in der aktiven Zone des Bauelements. Darüber hinaus haben epitaxie-

basierte Bauelemente gegenüber Implantationsbauelementen den Vorteil, dass

durch Wachstum spezieller Pufferschichten auf dem Substrat die Defektfortpflan-

zung in die Epitaxieschichten verringert werden kann [Brun02].

Im Folgenden werden die beiden Substrattypen LEC und VGF im Hinblick

auf ihren Einfluss auf die Lebensdauer untersucht. Die Qualität des Substrats hin-

sichtlich Versetzungen wird vom Hersteller über die etch pit density (EPD16F

) ange-

geben. Dafür wird die Waferoberfläche mit Kaliumhydroxid (KOH) bei 450 °C

geätzt. Die Ätzrate ist an Versetzungen höher und führt zur Entstehung von Vertie-

fungen, die dann unter dem Mikroskop gezählt werden. Daraus wird die Verset-

zungsdichte bestimmt. Dieses Verfahren ist nach DIN 50454-1 standardisiert. Die

Versetzungsdichte kann auch mit Beugungsmethoden wie hochauflösende Rönt-

gendiffraktometrie (HRXRD17F

) bestimmt werden. Dabei wird die Änderung der

Halbwertsbreite der Rockingkurve zur Höhe der Versetzungsdichte korreliert.

In Abbildung 46 sind die Ergebnisse der hochauflösenden Röntgenbeu-

gungsmessungen an zwei 4-Zoll GaAs-Substraten – einem VGF- (links) und einem

LEC-Wafer (rechts) – dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das VGF-

Substrat im Vergleich zum LEC-Substrat sowohl eine geringere Versetzungsdichte

besitzt, als auch eine homogenere Versetzungsverteilung. Beim LEC-Substrat sind

Strukturen zu erkennen, wo die Versetzungsdichte deutlich höher ist als in der Um-

EPD: englisch, „Etch Pit Density―, deutsch „Ätzgrübchendichte―

HRXRD: englisch, „High Resolution X-Ray Diffraction―

Tabelle 4: Angaben des Substratherstellers Freiberger für die Versetzungsdichte (EPD)

von 3 und 4-Zoll LEC- und VGF-GaAs-Wafer.

Waferdurchmesser

(Zoll)

Versetzungsdichte

(EPD, cm-2)

VGF

1500

5000

LEC

70000

150000

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit 73

gebung. Im Histogramm ist die Verteilung der Halbwertsbreiten aufgetragen

(Abbildung 47). Die Verteilung ist beim VGF-Substrat deutlich schmaler und das

Maximum liegt bei niedrigeren Halbwertsbreiten. Die Verteilung beim LEC-

Substrat ist deutlich breiter, was für eine inhomogenere Verteilung der Verset-

zungsdichte über dem Wafer spricht. Ebenso liegt das Maximum der Verteilung bei

höheren Halbwertsbreiten, was ein Zeichen für die höhere Versetzungsdichte ist.

Die Untersuchung des Einflusses der Substratqualität auf die Lebensdauer

bedarf einer großen Zahl von Messungen, um diesen Einfluss statistisch zu unter-

Abbildung 46: HRXRD-Map von VGF (links) und LEC (rechts) GaAs-Substrate. Zu sehen

ist die Verteilung der Halbwertsbreite der Rocking-Kurve. Niedrige Werte (hell) gehören

zu einer geringen Halbwertsbreite des Signals, also einer geringeren Versetzungsdichte,

höhere Werte repräsentieren entsprechend Bereiche mit höherer Versetzungsdichte.

Abbildung 47: Histogramm: Verteilung der Versetzungsdichtenanteile von VGF- (blau)

und LEC-Substrate (grün). Deutlich zu erkennen ist, dass das VGF-Substrat eine geringe

und homogene Verteilung der Versetzungsdichte besitzt, während das LEC-Substrat eine

deutliche höhere mittlere Versetzungsdichte besitzt.

74 IV. Lebensdaueruntersuchungen

mauern. Dies lässt sich mit einigen Vorüberlegungen zeigen: Für die Zuverlässig-

keit der Transistoren sind Versetzungen und Defekte wichtig, die sich beim Wachs-

tum der Epitaxieschichten vom Substrat in die aktiven Schichten des Transistors

fortpflanzen. Da sie nur im aktiven Bereich des Transistors Einfluss auf dessen Le-

bensdauer haben, kann man mit einer einfachen Rechnung die Wahrscheinlichkeit

für das Auftreten eines Defekts in einem Transistor für ein bestimmtes Substratma-

terial bestimmen. Diese Wahrscheinlichkeit entspricht dem Produkt der vom Her-

steller angegebenen Versetzungsdichte des Substrats und der Größe der aktiven

Fläche des Transistors (Emitterfläche). In Tabelle 6 sind die Wahrscheinlichkeiten

für das Auftreten von Versetzungen im Emitter von HBTs mit einer Emitterfläche

von 3×30 µm2 für den beiden Substrattypen VGF und LEC berechnet worden. Für

Transistoren auf LEC-Wafern beträgt die Wahrscheinlichkeit 1:0,135, also etwa ein

Defekt auf 7,4 Transistoren. Für Transistoren auf VGF-Wafern ist die Wahrschein-

lichkeit 30-fach niedriger. Dort kommt ein Defekt auf 222,2 Transistoren. Diese

Berechnung zeigt, dass zum Nachweis des Einflusses der Substratqualität auf die

Lebensdauer sehr viele Transistoren untersucht werden müssen.

Im Folgenden werden Lebensdaueruntersuchungen von Transistoren vorge-

stellt, die auf unterschiedlichen Substrattypen gewachsen wurden. Epitaxie und

Prozess waren für die betrachteten HBTs gleich.

In Abbildung 48 sind Alterungsdaten von jeweils drei HBTs auf 3-Zoll LEC-

und VGF-Wafer mit identischen Epitaxie-Schichten dargestellt. Es sind keine Un-

terschiede im Langzeitverhalten der HBTs zu erkennen. Auch ein Vergleich der

Zuverlässigkeit von Transistoren auf 4-Zoll LEC- und VGF-Wafern zeigt keinen

Unterschied im Langzeitverhalten der Lebensdauern (Abbildung 49). Hier wurden

die HBTs vereinzelt aufgebaut. Es fällt jedoch auf, dass die Zahl der Frühausfälle

beim LEC-Wafer sehr hoch ist.

Tabelle 5: Durchschnittliche Zahl von Versetzungen pro HBT mit einer Emitterfläche von

3×30 µm² auf einem 4“-Wafer.

Versetzungsdichte

(EPD, cm-2)

Anzahl Versetzungen

pro 3×30µm² HBT

VGF

5000

0,0045

LEC

150000

0,135

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit 75

Die bisher durchgeführten Messungen konnten den Einfluss der Versetzungs-

dichten auf die Lebensdauer nicht nachweisen und lassen auf eine gute und repro-

duzierbare Technologie schließen.

Abbildung 48: On-wafer Lebensdauermessungen von HBTs auf 3-Zoll LEC- und VGF-

Wafer. Die Alterung wurde bei TA = 150 °C und JC = 1×105 A/cm² durchgeführt.

Abbildung 49: Lebensdauerdaten von aufgebauten HBTs von 4-Zoll LEC- und VGF-

Wafern. Die Messungen erfolgten bei UCE = 3,0 V, JC = 1 x 105 A/cm2 und TA = 150 °C.

76 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Die in der Tabelle 6 angegebenen Versetzungsdichten für die jeweiligen Sub-

strattypen sind Durchschnittswerte. Daher wurden im Folgenden Transistoren von

versetzungsarmen und versetzungsreichen Bereichen der LEC-Wafer verglichen.

Um genauere Aussagen über den Einfluss der Versetzungsdichten auf die Le-

bensdauer der Transistoren machen zu können, wurden von zwei Wafern zunächst

Abbildung 50: HRXRD-Map des untersuchten 4-Zoll VGF-Wafers. Entlang einer Linie

wurden die HBTs A bis J untersucht.

Abbildung 51: HBT Lebensdauerdaten über dem Wafer zur Untersuchung des Einflusses

der Versetzungen auf die Lebensdauer. Alterungsbedingung: UC = 3,0 V, IC = 90 mA,

TA = 150 °C

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit 77

HRXRD-Maps gemessen, um die Verteilung der Versetzungsdichte über dem

Wafer zu bestimmen. Auf dem ersten Wafer wurden Transistoren entlang einer

Linie quer über den Wafer ausgesucht und on-wafer gealtert (Abbildung 50). Auf

dem zweiten Wafer wurden Transistoren aus Bereichen mit hoher und niedriger

Versetzungsdichte ausgewählt und on-wafer gealtert.

Die Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen an HBTs entlang der Linie

sind in Abbildung 51 dargestellt. In zwei Punkten wurde von der Linie abgewichen,

um Transistoren aus Bereichen mit höherer Versetzungsdichte zu untersuchen (G,

H). Auffällig ist, dass im mittleren Bereich des Wafers die Transistoren ähnliche

Lebensdauern aufweisen, während die Transistoren am Rand deutlich abweichende

Lebensdauer – entweder deutliche kürzer (B, J) oder deutlich längere (A, H) – ha-

ben. Vergleicht man die Lebensdauerdaten mit der Verteilung der Versetzungsdich-

te über dem Wafer, so erkennt man, dass keine Korrelation zu beobachten ist.

Eine weitere Untersuchung erfolgte durch gezielte Alterung von Transistoren

in Bereichen mit unterschiedlicher Versetzungsdichte (Abbildung 52). Zunächst

wurden zwei Transistoren am Rand in einem Bereich mit mittel hoher Versetzungs-

dichte gemessen (Abbildung 52: A, B), wobei Transistor B in einem Bereich erhöh-

ter Versetzungsdichte im Vergleich zu Transistor A liegt. Die Transistoren C und D

wurden in der Mitte und Transistoren E und F am Rand des Wafers mit niedriger

Versetzungsdichte gemessen. Die Messung der Transistoren G und H erfolgte un-

weit in einem Bereich höherer Versetzungsdichte.

Die Ergebnisse der Alterungsmessungen sind in Abbildung 53 dargestellt. Es

fällt zunächst auf, dass die beiden Transistoren C und D aus der Mitte des Wafers

eine deutliche höhere Lebensdauer aufweisen, als die restlichen Transistoren. Die

Transistoren E und F, die etwas weiter am Rand sind, jedoch aus einem Bereich mit

vergleichbarer Versetzungsdichte wie C und D sind, zeigen deutlich geringere Le-

bensdauern, wobei die Stromverstärkung bei diesen Transistoren vergleichbar ist.

Dass die kurze Lebensdauer am Rand nicht durch Prozessfehler verursacht ist,

konnte durch Auswertung der elektrischen Messungen über dem gesamten Wafer

ausgeschlossen werden. Transistor A und B wurden aus einem Bereich mit höherer

Versetzungsdichte ausgesucht und gealtert. Deren Lebensdauer – bei vergleichbarer

Stromverstärkung – ist deutlich kürzer als die der Transistoren aus der Mitte (C, D),

die aus Bereichen mit niedrigerer Versetzungsdichte stammen. Andererseits zeigen

78 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Transistoren B, G, und H deutlich kurze Lebensdauern, bei ihnen ist aber auch die

Stromverstärkung im Vergleich zu den anderen geringer, was die Vermutung zu-

lässt, dass ihre elektrischen Eigenschaften auf Grund ihrer Lage am Rand sich vom

Rest unterschiedet und sie daher auch früher ausfallen.

Obwohl die Daten kein klares Ergebnis zeigen, ob die Versetzungsdichte des

Abbildung 52: HRXRD-Map des untersuchten 4-Zoll VGF-Wafers. Punkte A bis F zeigen

den Ort der untersuchten HBTs auf dem Wafer.

Abbildung 53: HBT Lebensdauerdaten über dem Wafer nach Versetzungsdichte zur Unter-

suchung von Einfluss der Versetzungen auf die Lebensdauer. Alterungsbedingung:

UC = 3,0 V, IC = 90 mA, TA = 150 °C.

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit 79

Substrats Einfluss auf die Lebensdauer der Transistoren hat, kann festgestellt wer-

den, dass es eine Tendenz gibt, die diese Vermutung unterstreicht. Denn auch wenn

ein Transistor auf einem Substrat mit hoher Versetzungsdichte hergestellt wird, ist

sein Ausfall aufgrund von Versetzungen oder Defekte immer noch eine Frage der

Wahrscheinlichkeit. Diese Wahrscheinlichkeit hängt von der Dichte der Versetzun-

gen ab (Tabelle 6). Aus den Messungen konnte wegen der geringen Anzahl der

untersuchten Transistoren kein Einfluss der Versetzungsdichte im Substrat auf die

Lebensdauer der Transistoren nachgewiesen werden. Auch die gezielte Alterung

von Transistoren aus Bereichen mit höchst unterschiedlichen Versetzungsdichten

zeigte keinen nachweisbaren Unterschied.

Kürzlich haben Low et al. eine Möglichkeit gefunden, um den Einfluss der

Substratqualität auf die Zahl der Frühausfälle bei Alterung von GaAs HBTs nach-

zuweisen [Low07]. Sie entwickelten eine Schaltung mit der sie 200 HBTs gleich-

zeitig altern konnten. Pro Wafer wurden über 12800 Transistoren gemessen und

gealtert. Diese Anzahl an Transistoren ermöglichte ihnen den Nachweis des Eins-

flusses der Versetzungsdichte auf die Frühausfälle bei der Alterung. Low et al. ha-

ben festgestellt, dass die Anzahl der Frühausfälle proportional zur EPD des Sub-

strats ist.

Die Frühausfälle werden wie bereits beschrieben durch die Existenz von Ver-

setzungen im aktiven Bereich der Transistoren ausgelöst und besitzen im Vergleich

zu den Ausfällen durch „Abnutzung― (sogenannte „Wear Out Failure―) eine gerin-

gere Aktivierungsenergie [Alt07].

IV.4.2. Einfluss der Epitaxie auf die Lebensdauer der HBTs

Ein wichtiger Parameter in der Technologie, der sich sehr stark auf die Le-

bensdauer der Transistoren auswirken kann, ist die Epitaxie. In der Epitaxie werden

die funktionalen Schichten der HBTs auf das Substrat aufgebracht, wobei die große

Herausforderung darin besteht, die Schichten möglichst defektfrei aufzuwachsen.

Trotz Wachstum einer speziellen Pufferschicht auf dem Substrat lässt es sich jedoch

nicht vermeiden, dass sich die im Substrat bereits vorhandenen Versetzungen in die

aufgewachsenen Epitaxieschichten fortsetzen [Kozu93]. Durch die Optimierung des

Wachstumsprozesses kann jedoch an den Grenzflächen die Entstehung neuer De-

fekte unterbunden werden.

80 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Besonders kritisch sind die Grenzflächen von Schichten mit unterschiedli-

cher Materialzusammensetzung, da deren Wachstum eine Umschaltung der Aus-

gangsstoffe und möglicherweise auch unterschiedliche Wachstumstemperaturen

erfordern. Dabei können sich unterschiedliche Gitterkonstanten ergeben, die zu

Defektentstehung führen können. Während bei GaAs HBTs das Kollektor- und Ba-

sismaterial sich nur in der Dotierung – Kollektor: GaAs mit Si dotiert, Basis: GaAs

mit C dotiert – unterscheiden, ist das Emittermaterial (InGaP) anders zusammenge-

setzt. Die Gitterfehlanpassung wurde durch Optimierung des Emitterschichtwachs-

tums der in dieser Arbeit untersuchten HBTs auf weniger als 0,5 ppm eingestellt

[Brun02]. Wesentlich für die Zuverlässigkeit der HBTs sind die Materialqualität der

hoch kohlenstoffdotierten Basisschicht und die Grenzfläche zum Emitter – also

auch das Wachstum der Emitterschicht. Hier hat sich herausgestellt, dass optimale

Wachstumsparameter und die Wahl der Kohlenstoffdotierungsart entscheidend für

die Zuverlässigkeit der HBTs sind [Brun02].

In Abbildung 54 sind die Lebensdauerdaten von HBTs von Wafern während

Abbildung 54: Lebensdauerdaten der beschleunigten Alterung von Standard-HBTs wäh-

rend der GaAs-HBT-Technologieentwicklung von verschiedenen Wafern bei einer Be-

triebsspannung von UC = 3,0 V und einer Stromdichte von JC = 1 x 105 A/cm2, die einer

Junction-Temperatur von 300 °C entsprechen. Die Bezeichnungen an der x-Achse entspre-

chen dem Fortschritt der Technologieentwicklung.

IV.4. Einfluss der Technologieparameter auf die HBT-Zuverlässigkeit 81

der GaAs-HBT-Technologieentwicklung dargestellt. Die x-Achse entspricht der

Waferdurchlauf-Nummer. Alle Lebensdauerdaten wurden bei einer Spannung von

= 3,0 V und einer Stromdichte von = 1×105 A/cm2 bestimmt. Dies entspricht

einer Junction-Temperatur von = 300 °C (beschleunigte Alterung). Die Lebens-

dauerdaten sind Durchschnittswerte aller Messungen und die Fehlerbalken entspre-

chen der Standardabweichung der Messdaten.

Die Streuungen zu Beginn der Entwicklung (bis KMA82) sind auf Änderun-

gen in der Epitaxie zur Optimierung der HBTs zurückzuführen. So wurde das

Wachstum der Basis und der Emitterschicht – insbesondere die Qualität der Basis-

emitter-Grenzfläche – optimiert. Die Basisschicht wurde im Hinblick auf Wasser-

stoffeinbau während des Wachstums verbessert. So konnte die Wasserstoffkonzent-

ration in der Basis durch Tempern bei 600 °C nach dem Wachstum der InGaP-

Emitterschicht verringert werden [Brun03]. Danach ist die Epitaxie sehr stabil und

ab KMA82 haben die Transistoren eine Mindestlebensdauer von > 50 Stunden in

der beschleunigten Alterung – bei einer Junction-Temperatur von = 300 °C –

nahezu alle erreichen und sie konnte kontinuierlich verbessert werden. Einige Aus-

reißer der Daten, wie zum Beispiel KMA96 oder KMA102 sind auf Prozessfehler

zurückzuführen. So hatte es bei KMA96 Probleme mit Lackschichten während der

Ätzung der Emittermesa gegeben. Bei KMA102 wurde der Emitter zu stark unter-

ätzt, sodass die effektive Emitterfingerbreite deutlich geringer als die gewünschten

3 µm war. Dadurch war die Stromdichte während der Alterung deutlich höher als

bei anderen Alterungen, was folglich zu früherem Ausfall der Transistoren führte.

Der Vergleich der Substrate im Hinblick auf Einfluss ihrer Qualität auf die

Lebensdauer kann auch hier durchgeführt werden. Es fällt auf, dass die Transistoren

der 3-Zoll-Wafer im Vergleich zu den 4-Zoll-Wafer trotz des gleichen Epitaxiepro-

zesses eine etwas bessere Lebensdauer aufweisen.

Insgesamt jedoch ist zu erkennen, dass die Lebensdauermessungen die Ent-

wicklung einer Technologie zur Herstellung zuverlässiger GaAs-HBT erfolgreich

unterstützen konnte.

82 IV. Lebensdaueruntersuchungen

IV.5. Bestimmung der mittleren HBT-Lebensdauer

Die Bestimmung der mittleren Lebensdauer der HBTs erfolgt durch

beschleunigte Alterung nach dem Arrhenius-Modell (vgl. II.2.1). Es setzt die Be-

schleunigung der Alterung durch die Temperatur voraus [Arrh89] [Galw95]. Des-

halb erfolgt die -Bestimmung von HBTs desselben Wafers im gleichen Ar-

beitspunkt bei verschiedenen Junction-Temperaturen . Aufgrund des Zeitaufwan-

des solcher Messungen wurden sie bei aufgebauten Transistoren (Standard-HBT

mit = 1×3×30 µm²) durchgeführt.

Um das genau bestimmen zu können, wurden die gehäusten HBTs bei

mindestens drei Temperaturen gealtert. Die beschleunigten Alterungen wurden bei

einer Kollektorspannung von = 3,0 V durchgeführt, und der Basisstrom wurde

so eingestellt, dass die gewünschte Kollektorstromdichte erreicht wurde. Zunächst

wurden die Alterungen bei einer Stromdichte von = 1×105 A/cm² durchgeführt.

Diese Stromdichte wurde durch den Stufentest (vgl. IV.1.3) ermittelt und auch bei

den Schnelltests eingesetzt. Später wurde die Stromdichte auf = 8×104 A/cm²

reduziert, um die Alterung bei gleicher Junction-Temperatur durch die Umge-

bungstemperatur zu beschleunigen. Zum Beispiel erfordert eine Junction-

Temperatur = 300 °C in HBTs mit einem thermischen Widerstand von

= 550 K/W bei einer Stromdichte von = 1×105 A/cm² eine Umgebungstem-

peratur von ca. = 126 °C, während bei einer Stromdichte von = 8×104 A/cm²

eine Umgebungstemperatur von ca. = 166 °C eingestellt werden muss (vgl. Ta-

belle 3). Gleichzeitig muss darauf geachtet werden, dass alle Komponenten bei den

gehäusten HBTs durch die benötigte Umgebungstemperatur selbst nicht beschädigt

werden und zuverlässig funktionieren.

Wie bereits in Abschnitt IV.1.3 erwähnt, sollte die Junction-Temperatur wäh-

rend der beschleunigten Alterung nicht zu hoch gewählt werden, weil dadurch De-

gradationsmechanismen aktiviert werden können, die bei normalen Betriebsbedin-

gen nicht auftreten. Ab einer bestimmten kritischen Temperatur fallen HBTs

aufgrund von thermisch aktivierten Mechanismen aus [Hend99]. Unterhalb dieser

kritischen Temperatur fallen die HBTs fallen aufgrund strominduzierter Mechanis-

men aus, die zur Defektentstehung in der kristallinen Struktur der HBTs führen. Die

kritische Temperatur wird durch den Anstieg der Aktivierungsenergie hin zu höhe-

IV.5. Bestimmung der mittleren HBT-Lebensdauer 83

ren Junction-Temperaturen gekennzeichnet. Der Betrag der kritischen Temperatur

hängt vom Layout, der Geometrie und auch von der eingesetzten Stromdichte

und Belastung der HBTs während der Alterung ab [Hend96].

Um den Einfluss hoher Junction-Temperaturen auf die Bestimmung der mitt-

leren Lebensdauer zu untersuchen, wurde eine -Messung bei Junction-

Temperaturen von 260 °C bis 350 °C durchgeführt (Abbildung 55). Die

Abbildung 55: Arrhenius-Diagramm zur Bestimmung des MTTF von GaAs HBTs bei einer

Kollektorspannung von UCE = 3,0 V und einer Kollektorstromdichte von JC = 1×105 A/cm².

Hier wurden zusätzlich Alterungen bei hoher Junction-Temperatur TJ = 329 °C und 353 °C

durchgeführt, um deren Einfluss auf Extrapolation der Lebensdauerdaten und der Bestim-

mung von MTTF zu untersuchen.

Tabelle 6: Zusammenfassung der Ergebnisse aus Abbildung 55.

MTTF (h)

EA (eV)

ABCDE

6,2 x 1040,893

ABCDE3,5 x 1040,824

ABCDE 3,0 x 1040,802

ABCDE 2,6 x 1051,036

Messpunkte für

Extrapolation

Ergebnis der Extrapolation

84 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Messpunkte A bis E sind Mittelwerte der Lebensdauerdaten von jeweils sechs

HBTs bei den entsprechenden Junction-Temperaturen, wobei Messpunkt E bei

350 °C der zusätzliche Messpunkt bei hoher Juntion-Temperatur ist. Um den

Einfluss der hohen Junction-Temperaturen bei 330 °C und 350 °C auf die

Extrapolation zu untersuchen wurde zunächst Messpunkt E für die -

Bestimmung nicht berücksichtigt. Die Extrapolation der Lebensdauerdaten A bis D

auf eine Junction-Temperatur von = 125 °C ergibt eine von ca. 3,5×104

Stunden. Nimmt man zusätzlich Messpunkt D aus der Extrapolation heraus, und

extrapoliert die anderen Messdaten A bis C erhält man eine von ca. 3,0×104

Stunden. Also scheint die Alterung bei 330 °C die -Bestimmung nicht

so sehr zu beeinflussen. Nimmt man für die Extrapolation alle Messpunkte hinzu,

dann erhöht sich der extrapolierte auf 6,2×104 Stunden. Dies ist nahezu eine

Verdopplung der mittleren Lebensdauer im Vergleich zur Extrapolation der Mess-

punkte A bis C und zeigt, dass die Wahl hoher Junction-Temperaturen zur Über-

schätzung der mittleren Lebensdauer führen kann (Tabelle 6). Dies wird umso mehr

ersichtlich, wenn man nur die drei Messpunkte bei den höchsten Junction-

Temperaturen (Punkte C bis E) extrapoliert. Dabei erhält mit 2,6×105 Stunden man

eine ca. 8-fach höhere Lebensdauer bei = 125 °C, was ein Zeichen für die Akti-

vierung ungewöhnlicher Degradationsmechanismen sein kann. Andererseits erkennt

man die Wichtigkeit von Messungen bei niedrigerer Junction-Temperatur, um zu-

verlässigere Lebensdauerdaten durch die Extrapolation zu erhalten. Für die Lebens-

dauermessung am FBH und in dieser Arbeit wurde die kritische Temperatur bei

= 330 °C festgelegt und für weitere Messung wurden Junction-Temperaturen

geringer als dieser Wert verwendet.

Lee et al. haben ein phänomenologisches Modell entwickelt, um den Einfluss

der Junction-Temperatur auf die mittlere Lebensdauer zu beschreiben [Lee08]. Das

Model muss entsprechend an experimentelle Daten angepasst werden, zeigt jedoch

auf, wo die Grenzen der beschleunigten Alterung liegen. Abbildung 56 zeigt das

Ergebnis des Modells. Dabei wurden die Aktivierungsenergien für den thermischen

Ausfallmechanismus auf 1,7 eV und für den Defektentstehungsmechanismus auf

0,9 eV festgelegt.

IV.5. Bestimmung der mittleren HBT-Lebensdauer 85

Zunächst ist zu erkennen, dass die Alterung bei niedrigeren Stromdichten bei

gleicher Junction-Temperatur zu längeren Lebensdauerdaten führt. Zusätzlich ist

deutlich zu erkennen, dass der Verlauf der mittleren Lebensdauerkurven bei kon-

stanter Stromdichte hin zu hohen Junction-Temperaturen keine lineare Abhängig-

keit von 1/ hat. Dies bestätigt die bereits diskutierten experimentellen Beobach-

tungen. Ein Vergleich der gemessenen Lebensdauerdaten und Aktivierungsenergien

mit dem Modell in Abbildung 56 zeigt, dass die Verlaufsform der Messdaten vom

Modell gut beschrieben werden. Durch die Aktivierung der thermischen Ausfall-

mechanismen bei höheren Junction-Temperaturen steigt die Aktivierungsenergie an

und gleichzeitig wird die Abweichung der Messpunkte von der linearen Abhängig-

keit der Lebensdauerdaten von 1/ größer.

Abbildung 56:Modell von Lee et al. zur Abschätzung der Lebensdauer von GaAs HBTs

[Lee08]. Hier wurden Aktivierungsenergien von 1,7 eV für den thermisch aktivierten Aus-

fallmechanismus und von 0,9 eV für Defektentstehungsmechanismus ausgewählt. Mit ein-

gezeichnet sind die HBT Lebensdauerdaten und die daraus bestimmte Aktivierungsenergie

einer der ersten Generationen am FBH. Sie wurden bei einer Kollektorspannung von 3 V

und einer Kollektorstromdichte von 10×104 A/cm² beschleunigt gealtert. Die Verlaufsform

der Daten und der Aktivierungsenergie wird von der Simulation gut beschrieben.

86 IV. Lebensdaueruntersuchungen

Nach mehreren Optimierungsschritten der GaAs-HBT-Technologie wurde ei-

ne Langzeitlebensdauermessung zur -Bestimmung von aufgebauten HBTs

durchgeführt. Die HBTs wurden bei einer Kollektorspannung von = 3,0 V und

einer Kollektorstromdichte von = 8×104 A/cm2 beschleunigt gealtert. Ziel dieser

Untersuchung war die Alterung auch bei niedrigeren Junction-Temperaturen. Es

wurden fünf Gruppen von jeweils sechs HBTs bei Junction-Temperaturen von

= 236 °C bis 318 °C gealtert (Abbildung 57). Die Messdaten im Arrhenius-

Diagramm sind die Durchschnittswerte der Lebensdauerdaten für die jeweilige

Junction-Temperatur. Die höchste Lebensdauer zeigten HBTs bei der niedrigsten

Junction-Temperatur = 236 °C mit mehr als 19500 Stunden (ca. 27 Monate), Der

entsprechende HBT war zum Zeitpunkt des Messabbruchs noch nicht ausgefallen.

Abbildung 57: MTTF-Bestimmung von Transistoren von Wafern zur Beginn und zum

Abschluss der GaAs-HBT-Entwicklung. Durch Optimierung der Qualität der

Epitaxieschichten und des Prozesses wurde doe mittlere Lebensdauer auf 1,1x107Stunden

deutlich erhöht, dabei stieg die Aktivieungsenergie auf 1,1 eV.

IV.5. Bestimmung der mittleren HBT-Lebensdauer 87

Die mittlere Lebensdauer der HBTs wurde von 3,0×104 Stunden für

die der ersten Generation auf 1,1×105 Stunden für die HBTs der letzten Generation

der Technologieentwicklung verbessert. Dabei stieg die Aktivierungsenergie von

0,8 eV auf 1,1 eV (Abbildung 57). Das Ergebnis der -Bestimmung für die

ausgereifte Technologie von ca. 1,1×107 Stunden, das entspricht fast 1300 Jahren,

übertrifft das Ziel der Technologieentwicklung von 1×106 Stunden. Dabei besitzen

die HBTs sehr gut elektrische Eigenschaften, sowohl DC als auch HF (vgl. IV.1.3).

Somit ist die Zuverlässigkeit der HBTs nicht auf Kosten anderer Parameter erzielt

worden.

Um die Lebensdauerergebnisse dieser Arbeit mit Daten anderer Forschungs-

gruppen und Herstellern zu vergleichen, ist sehr viel Vorsicht geboten, da andere

Gruppen die Lebensdauer bei sehr unterschiedlichen Alterungsbedingungen be-

stimmen und zum Teil auch unterschiedliche Messmethoden verwenden. Einige

Gruppen haben -Werte von über 1×108 h veröffentlicht [Adle00] [Gupt01]

Abbildung 58:Modell von Lee et al. zur Abschätzung der Lebensdauer von GaAs HBTs

[Lee08]. Hier wurden Aktivierungsenergien von 1,7 eV für den thermisch aktivierten Aus-

fallmechanismus und von 0,9 eV für Defektentstehungsmechanismus ausgewählt.

88 IV. Lebensdaueruntersuchungen

[Ohku30], wobei sie gleichzeitig sehr hohe Aktivierungsenergien von mehr als

1,5 eV bestimmt haben. Dabei fällt auf, dass die Alterungen bei Junction-

Temperaturen von deutlich mehr als 320 °C durchgeführt wurden. Diese hohen

Temperaturen sind die Ursache für die großen -Werte, was bei Betrachtung

der Simulation von Lee et al. in Abbildung 56 deutlich wird. Bestätigt werden die

Ergebnisse dieser Arbeit von Gruppen, die die HBTs zwar bei unterschiedlichen

Stromdichten gealtert haben, aber vergleichbare Ergebnisse für die mittlere Le-

bensdauer und für die Aktivierungsenergie bestimmen konnten. Feng et

al. haben bei einer Stromdichte von = 2,5×104 A/cm2 eine von 7×106 h

und eine Aktivierungsenergie von 0,97 eV für ihre Technologie bestimmt [Feng01].

Henderson hat für die Triqint HBT-Technologie eine mittlere Lebensdauer von ca.

1×107 h bestimmt, jedoch bei geringerer Stromdichte von 5,5×104 A/cm2

[Hend02].

Ein Vergleich der Messergebnisse in dieser Arbeit und die von Henderson

und Feng mit dem Modell von Lee zeigt deutlich die herausragende Zuverlässigkeit

der am FBH hergestellten InGaP/GaAs HBTs (Abbildung 58). Die Daten liegen

zwar sehr nahe beieinander und werden sehr gut vom Modell beschrieben, jedoch

ist zu bedenken, dass die Daten in dieser Arbeit bei deutlich höherer Stromdichte

bestimmt wurden, was normalerweise zu niedrigeren Lebensdauerwerten führt

(vgl. II.2.1.2) [Feng01]. Die in dieser Arbeit bestimmten Werte für die Lebensdauer

der Transistoren aus der „gereiften― Technologie zeigen, dass die GaAs-HBT-

Technologie von der Zuverlässigkeit her Weltspitze ist.

Kapitel 5

V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Die Entwicklung von zuverlässigen HBTs erfordert neben der Messtechnik,

der Messmethodik und der statistischen Auswertung zur Bestimmung der Lebens-

dauer auch die Analyse der Degradationsmechanismen der HBTs. Dabei sollen die

Ursachen für den Ausfall der Transistoren während der Alterung gefunden und cha-

rakterisiert werden, indem gezielt z. B. vermutete Schwachstellen des Transistors

untersucht werden. Die wichtigsten Degradationsmechanismen in GaAs HBTs sind:

 Rekombinationsbeschleunigte Defektreaktion REDR

 Metalldiffusion ins Halbleitermaterial

 Diffusion von Dotierungselementen

Für die Untersuchung dieser Degradationsmechanismen wurden in dieser Ar-

beit die folgenden analytischen Methoden eingesetzt:

 Elektrolumineszenz (EL),

 fokussierte Ionenstrahlen (FIB),

 Transmissionselektronenmikroskop (TEM)

 energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS)

Die Untersuchungen wurden wie folgt durchgeführt: Zunächst wurden an speziell

entworfenen HBTs Elektrolumineszenzuntersuchungen durchgeführt, um Defek-

tentstehung und -ausbreitung sichtbar zu machen. Darauffolgend wurden degradier-

te HBTs in TEM untersucht, um Versetzungen im Bauelement, zu lokalisieren und

zu charakterisieren. Mit dem im TEM vorhandenen EDXS-System wurden degra-

dierte HBTs auf Degradationsmechanismen wie Metalldiffusion [Liu98], Kohlen-

stoffpräzipitate [Taka94] und Diffusion von Halbleitermaterialien untersucht. Zu-

sätzlich wurden unbelastete HBTs als Referenzproben untersucht, um auszuschlie-

ßen, dass die Befunde in den degradierten HBTs bereits vor der Alterung vorhanden

waren.

In den nächsten Abschnitten werden die untersuchten Degradationsmecha-

nismen und die in dieser Arbeit eingesetzten analytischen Methoden zur Untersu-

chung von degradierten HBTs vorgestellt und die Ergebnisse beschrieben und dis-

kutiert.

90 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

V.1. Rekombinationsbeschleunigte Defektreaktionen

Ein dominierender Degradationsmechanismus in HBTs ist die sogenannte re-

kombinationsbeschleunigte Defektreaktion REDR10F

. Dabei spielt die nicht strahlen-

de Rekombination von Ladungsträgern eine wichtige Rolle und kann wie folgt be-

schreiben werden: Während die Basis-Emitter-Diode in der Durchlassrichtung ge-

schaltet ist, fließen Minoritätsladungsträger (Elektronen) in die Basis, wodurch es

zu Rekombinationen kommt. Ein Teil der Rekombination erfolgt unter Emission

von Photonen; wobei Elektronen und Löcher direkt über die Bandlücke rekombi-

nieren (Abbildung 59A). Ein anderer Teil jedoch rekombiniert über Energiezustän-

de in der Bandlücke und emittiert die Energie als Phononen (Abbildung 59B). Die-

se Energiezustände in der Bandlücke entstehen während der Alterung durch Kris-

tallfehlern wie Leerstellen, Zwischengitterplatzdefekte und Versetzungen. Die emit-

tierten Phononen können wiederum zur Entstehung neuer Defekte oder deren Be-

wegung im Gitter führen. Diese Defekte können zusammenwachsen und größere

Defekte bzw. Versetzungen und dadurch größere Rekombinationszentren bilden.

Eine schematische Darstellung des Ablaufs in HBTs ist in Abbildung 60 dargestellt

[Ueda88]. Die Bezeichnung REDR wurde gewählt, um zu verdeutlichen, dass es

sich um einen Prozess handelt, bei dem die Elektron-Loch-Rekombination an einem

Defekt zur Beschleunigung von Defektentstehung und -ausbreitung durch positive

Rückkopplung führt. Die Erhöhung des Rekombinationsstroms ist gleichbedeutend

mit einer Erhöhung des Leckstroms in der Basis und führt mit der Zeit zur Degrada-

tion der Stromverstärkung. Dieser Prozess wurde zuerst von Kimerling beschrieben

[Kime78].

Für die Zuverlässigkeit der HBTs können aber auch die emittierten Photonen

REDR, englisch: „recombination enhanced defect reaction―

Abbildung 59: Rekombination unter Emission von Photonen (A) und Phononen (B)

V.1 Rekombinationsbeschleunigte Defektreaktionen 91

eine Rolle spielen. Sie können an anderer Stelle im Kristall von Defekten absorbiert

werden. Die Energie des Photons kann dann ausreichen, damit der Defekt im Kris-

tall „gleitet―. Auch dies ist ein Teil der positiven Rückkopplung.

Dass der REDR als Degradationsmechanismus sehr stark von der Stromdichte

abhängt, wurde durch die Alterung von speziellen HBTs der finalen GaAs-HBT-

Technologie für Betrieb bei hohen Spannungen – sogenannte Hochvolt-HBTs (HV-

HBT) – gezeigt. Diese HV-HBTs haben im Vergleich zu den in dieser Arbeit unter-

suchten Standard-HBTs eine dickere (3,5 statt 1,0 µm) und niedriger dotierte (4-

6×1015 statt 2×1016 cm-3) Kollektorschicht. Dadurch haben die HV-HBTs eine hohe

Durchbruchspannung von bis zu 70 V. Aufgrund der dicken Kollektorschicht und

daraus resultierenden höheren, seriellen Widerstands des Kollektors haben die HV-

HBTs jedoch eine niedrigere maximale Kollektorstromdichte von 3 - 5×104 A/cm2.

Die maximale Stromverstärkung der HV-HBTs ist im Vergleich zu Standard-HBTs

bei etwa der Hälfte (80 gegenüber 160).

Die Alterung von HV-HBTs wurde bei einer Kollektorspannung von 28 V

und einer Kollektorstromdichte von 1,2×104 A/cm2 durchgeführt (Abbildung 61).

Die Umgebungstemperatur lag bei 70 °C, woraus sich eine Junction-Temperatur

von 280 °C ergibt. Die fünf untersuchten HV-HBTs zeigten nach 5500 h Alterung

kein Anzeichen von Degradation. Vergleicht man dieses Lebensdauerergebnis mit

dem der Standard-HBTs bei vergleichbarer Junction-Temperatur (vgl. Abbildung

57), so erkennt man dass die HV-HBTs deutlich länger leben (mindestens 5500 h

im Vergleich zu ca. 2000 h). Dies liegt an der niedrigen Kollektorstromdichte und

dem demzufolge geringen REDR.

Abbildung 60: Prozess der graduellen Degradation durch REDR in GaAs HBTs nach

Henderson [Hend99]

92 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Dieses Ergebnis ist im Einklang mit den Ergebnissen aus Abschnitt II.2.1.2,

wo die Strombeschleunigung der Alterung durch Messungen bei verschiedenen

Stromdichten gezeigt wurde. Das Modell von Lee et al. aus Abschnitt IV.5 bestätigt

die Ergebnisse ebenso.

Eine Methode zum Nachweis des REDR ist die Untersuchung der Elektrolu-

mineszenz der HBTs während der Alterung. REDR führt in der Basis aufgrund ent-

stehender und wachsender Defekte und Versetzungen zu einer verstärkten nicht-

strahlenden Rekombination. Diese macht sich durch Ausbreitung dunkler Linien –

sogenannter Dark-Line Defects (DLDs) – in der Elektrolumineszenz bemerkbar

(Abbildung 62) [Hend96]. Die DLDs werden durch ihre Richtung charakterisiert.

Die von Henderson in HBTs beobachteten DLDs kommen überwiegend in den

〈 〉 Richtungen vor. Sie sind bereits aus GaAs-basierten LEDs und LDs bekannt

[Ueda96].

Abbildung 61: Lebensdauermessung von Hochvolt-HBTs bei hoher Kollektorspannung

von 28 V und niedriger Kollektorstromdichte von 1,2x104 A/cm2. Die resultierende

Junction-Temperatur liegt bei 280 °C. Keiner der 5 HV-HBTs ist nach 5500 h Belastung

ausgefallen, was auf die hervorragende Zuverlässigkeit der Technologie zurück geht.

Abbildung 62: Elektrolumineszenzaufnahmen eines Bauelements vor der Alterung(A), nach

der graduellen Degradation (B) und nach der katastrophalen Degradation (C) [Hend96].

V.2 Elektrolumineszenz 93

V.2. Elektrolumineszenz

Elektrolumineszenz (EL) ist ein optisches Phänomen in Halbleitern mit p-n-

Übergang, wobei Photonen mit charakteristischer Wellenlänge durch Anlegen von

Strom emittiert werden. Es ist die Folge der Rekombination eines Elektrons und

eines Lochs, wobei ein Photon mit der Energie der Bandlücke emittiert wird.

In GaAs HBTs tritt dieses Phänomen durch die Rekombination von Elektro-

nen und Löchern in der Basis auf (Abbildung 63). Die hochdotierte Basis

(p = 4×1019 cm-3) besitzt eine geringere Bandlücke ( ≈ 1,34eV) als der Kol-

lektor und das Substrat, die jeweils eine Bandlücke von ca. 1,42 eV besitzen

[Rich95]. Die aus der Basis emittierten Photonen, deren Wellenlänge (λ 926 nm)

im infraroten Bereich liegt, werden im übrigen Bauelement aufgrund ihrer niedri-

gen Energie nicht absorbiert und können von der Substratseite beobachtet werden.

An Versetzungen und Defekten erfolgt die Rekombination unter der Emission von

Phononen, was in EL-Aufnahmen als dunkle Bereiche – sogenannte DLDs (eng-

lisch: „dark line defects―) sichtbar wird. Um die Wahrscheinlichkeit für die Entste-

hung und Beobachtung von Versetzungen zu erhöhen, wurden auf denselben

Wafern mit den untersuchten Standard-HBTs ( = 1×3×30 µm2) für die Lebens-

daueruntersuchung, sogenannte Mehrfinger-HBTs mit = 16×2×120 µm2 bzw.

= 20×2×100 µm2 entwickelt und hergestellt.

Abbildung 63: Elektrolumineszenz im Bänderdiagramm Photonenemission bei der Rekom-

bination von Elektronen mit Löchern.

94 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Die emittierten Photonen sind theoretisch auch von der Vorderseite des

Wafers bzw. der HBTs zu beobachten, jedoch versperren die Metallschichten den

Weg. Für die EL-Untersuchung müssen die Bauelemente so aufgebaut werden, dass

die Substratoberfläche nach oben zeigt. Daher wurden die HBTs für diese Untersu-

chung flip-chip aufgebaut (Abbildung 64). Um die HBTs flip-chip aufbauen zu

können, wurde eine spezielle Metallisierungsstruktur entwickelt, um diese auf spe-

zielle Träger löten zu können [Kurp03]. Diese Träger besitzen geeignete Kontakte

und können in Gehäuse eingeklebt oder eingelötet werden. Die Kontakte werden

dann an die Kontakte des Gehäuses angebondet (Abbildung 65). Die Bauelemente

Abbildung 64: SEM-Aufnahme vom Querschnitt eines Multifinger-HBTs im flip-chip

Aufbau [Kurp04].

Abbildung 65: Flip-Chip aufgebauter HBT auf Träger gelötet und zusammen mit

Silberleitkelber in ein Spezialgehäuse eingeklebt. Die Kontakte desTrägers sind mit

Golddrähten an das Gehäuse gebondet.

V.2 Elektrolumineszenz 95

wurden dann in Betrieb unter einem Mikroskop mit einer infrarotempfindlichen

CCD-Kamera untersucht (Abbildung 66).

Die Elektrolumineszenzuntersuchungen erfolgten folgendermaßen: Die flip-

chip aufgebauten Mehrfinger-HBTs wurden bei einer Kollektorspannung von 3 V

und einer verhältnismäßig niedriger Kollektorstromdichte von = 3×104 A/cm2 bei

einer Junction-Temperatur von = 250 °C beschleunigt gealtert. Die niedrige

Stromdichte wurde gewählt, um leichter die Entstehung und Ausbreitung von Ver-

setzungen zu untersuchen. Vor und während der Alterung wurden die belasteten

HBTs unter einem Mikroskop mit einer IR-sensitiven CCD-Kamera untersucht. Die

HBTs wurden so betrieben, dass nur eine Diode „leuchtete―: Zunächst wurde die

Emitter-Basis-Diode mit = 1,3 V betrieben, wobei der Kollektor offen gelassen

wurde. Danach wurde entsprechend die Basis-Kollektor-Diode mit = 1,3 V und

offenem Emitter betrieben. Nach jedem Schritt wurden entsprechend Aufnahmen

von der Elektrolumineszenz der HBTs gemacht (Abbildung 67) und die Alterung

wurde dann fortgesetzt.

Abbildung 66: Schematische Darstellung des flip-chip Aufbaus von Multifinger-HBTs für

Elektrolumineszenzuntersuchungen.

Abbildung 67: Elektrolumineszenzaufnahmen im IR-Bereich von Mehrfinger-GaAs-HBT

bei Betrieb der Basis-Emitter-Diode (A) und offenem Kollektor und bei Betrieb der Basis-

Kollektor-Diode (B) bei offener Basis.

96 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

In Abbildung 67 ist eine Übersicht des gesamten Transistors – bei eingeschal-

teter Basis-Emitter-Diode (A) und eingeschalteter Basis-Kollektor-Diode – darge-

stellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass in der Basis-Emitter-Schaltung das leuch-

tende Gebiet schmaler ist als die Basis-Kollektor-Schaltung. Die beiden leuchten-

den Streifen an jedem Emitterfinger des Transistors sind Reflexionen der emittier-

ten Photonen an den Basiskontaktmetallen.

In Abbildung 68 sind IR-Aufnahmen eines Ausschnittes desselben Bereichs

eines HBT’s vor und nach 800 Stunden Alterung dargestellt. Der HBT war nicht

ausgefallen und die Stromverstärkung war nach dieser Zeit nur um 15% gefallen. In

(A) ist ein ausgewählter Bereich des Transistors bei eingeschalter Basis-Emitter-

Diode vor der Alterung und in (B) nach 800 Stunden Belastung abgebildet

(Abbildung 68). In (C) ist derselbe Bereich bei eingeschalteter Basis-Kollektor-

Diode nach 800 Stunden Alterung abgebildet. In (B) ist am oberen Rand des Emit-

terfingers eine dunkle Linie (englisch: „dark line defect―, DLD) zu sehen (siehe

Abschnitt IV.3.1.2). Diese Linie ist die Folge der Entstehung von Defekten bzw.

Versetzungen an dieser Stelle. Dort findet eine nicht-strahlende Rekombination von

Ladungsträgern über Energiezustände in der Bandlücke statt. Deshalb scheint dieser

Bereich im EL-Bild dunkel. Diese Defekte sind in diesem Fall in der Basis-Emitter-

Diode an der p-n-Grenzfläche entstanden, da die dunkle Linie in der Basis-

Kollektor-Diode nicht auftritt (C).

Abbildung 68: Elektrolumineszenzaufnahmen von Multifinger-HBT: (A) Basis-Emitter-

Diode vor der Alterung, (B) Basis-Emitter-Diode und (C) Basis-Kollektor-Diode des glei-

chen Bereichs in (B) nach über 800 h Alterung bei UCE=3V, IC=2×104 A/cm2, TJ=250 °C.

V.2 Elektrolumineszenz 97

Die Defektentstehung wurde durch die Degradationsmechanismen während

der graduellen Degradation hervorgerufen, die zu der Abnahme der Stromdichte um

15%, jedoch noch nicht zur katastrophalen Degradation geführt hat. Um den De-

gradationsprozess zu beschleunigen, wurde die Alterung eines weiteren HBTs bei

hoher Kollektorstromdichte ( = 4×104 A/cm2) und entsprechend hoher Junction-

Temperatur = 330 °C durchgeführt (Abbildung 69). Abgebildet ist nur eine von

zwei Fingerreihen, da in der anderen keine Defekte beobachtet wurden. Zu Beginn

war zwar in einem Finger ein Defekt zusehen (A), der mit der Zeit –nach 25 bzw.

65 h – weiter wuchs (B, C), aber bei 25 h waren keine weiteren Defekte entstanden.

Nach 65 h Belastung waren viele weitere Defekte zu beobachten und die Stromver-

stärkung war deutlich auf etwa 50% gefallen. Es wurde eine Ausbreitung in die

benachbarten Emitterfinger beobachtet (Abbildung 69C). Dies ist ein Zeichen da-

für, dass die entstandenen Defekte sich mit der Zeit sich ausdehnen und eine bevor-

zugte Ausbreitungsrichtung besitzen, die hier senkrecht zu den Emitterfingern ver-

läuft.

Nach Langzeitalterung eines Mehrfinger-HBTs und dem Eintreten der kata-

strophalen Degradation wird sogar ein Wachsen der Versetzung in die Basis-

Kollektor-Diode beobachtet (Abbildung 70). Zusätzlich kann man bei Mehrfinger-

Abbildung 69: Elektrolumineszenz der Basis-Emitter-Diode einer Fingerreihe eines Multi-

finger-HBTs: Defektentstehung und -weiterentwicklung nach 10, 25 und 65 Stunden Belas-

tung bei UCE=3V, IC=4×104 A/cm2, TJ=330 °C .

98 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

transistoren, deren Finger in einer sogenannten Fischgrätenform – also in zwei

Gruppen – angeordnet sind (Abbildung 70), beobachten, dass in der Gruppe mit

dem ersten sichtbaren DLD sich rasch weitere Versetzungen bilden. Dies weist auf

eine Rückkopplung hin, die zur Entstehung und Ausbreitung der Versetzungen

führt: Durch die Rekombination in der Basis wird Energie frei, die zur Entstehung

von Defekten und Versetzungen führt, die wiederum selbst als Rekombinationszen-

tren fungieren.

Elektrolumineszenz wurde bereits auch von anderen Gruppen bei GaAs HBTs

für verschiedene Untersuchungen, wie zum Beispiel die Verteilung des Stroms auf

die Emitterfinger von Mehrfinger-HBTs bei verschiedenen Betriebsbedingungen

[Sugi02], eingesetzt [Hend94] [Harr98] [Yeat08]. Bis auf Henderson aber keine

Gruppe hat eindeutig und hochaufgelöst Defekte beobachtet und sichtbar gemacht

(Abbildung 62). EL ist aber auch eine gängige Methode bei der analytischen Unter-

suchung von Defekten in GaAs LEDs und LDs [Fush91] [Tien06].

Abbildung 70: Aufnahmen der Elektrolumineszent von der Basis-Emitter-Diode (A) und

Basis-Kollektor-Diode (B) eines Multifinger-HBTs nach der katastrophalen Degradation.

Es fällt auf, dass die DLDs erstens nur in der oberen Fingerreihe und zweitens sogar in der

Basis-Kollektor-Diode auftreten.

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 99

V.3. Transmissionselektronenmikroskop – TEM

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine Mikroskopiertech-

nik, bei der einige 100 nm dünne Proben mit einem Elektronenstrahl durchstrahlt

werden. Um die gewünschte laterale Auflösung für die Untersuchung der Probe zu

erreichen, werden Beschleunigungsspannungen von 80 keV bis 400 keV eingesetzt.

Kristalline Proben werden mit einem Elektronenstrahl beleuchtet, wobei die

Elektronen an den Kristallebenen gebeugt und hinter der Probe in der hinteren

Brennebene der Objektivlinse fokussiert werden. In dieser Ebene können mit einer

Blende die gestreuten Elektronen gefiltert werden (Abbildung 71).Das Projektiv-

Linsensystem wirft das vom Objektiv-Linsensystem erzeugte erste Zwischenbild

weiter vergrößert auf einen Detektor mit dem die Abbildung dargestellt und gespei-

chert werden kann. Der dabei entstehende Kontrast wird als Beugungskontrast be-

zeichnet. Da hierbei die Bildintensität bei geringen lokalen Änderungen der Kris-

tallstruktur (Neigung, Atomabstand), in der Umgebung von Kristallbaustörungen

starke variiert zeigt, lässt sich damit die Realstruktur von Festkörpern untersuchen.

Durch eine Änderung des Projektivlinsensystems kann anstatt des Zwischen-

bildes auch die Fokusebene der Objektivlinse vergrößert abgebildet werden. Man

erhält so ein Elektronenbeugungsbild, mit dessen Hilfe sich die Kristallstruktur der

Abbildung 71: Prinzipieller Aufbau eines TEMs; Strahlengang mit Probe

100 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Probe bestimmen lässt. Im Falle eines Einkristalls besteht das Bild aus einzelnen

Punkten (Bragg-Reflexen) und dem durchgehendem Strahl. Jeder Reflex beschreibt

eine Schar von parallelen Ebenen. Er entsteht durch konstruktive Interferenz von

Elektronen, die an diesen Ebenen gestreut werden. Durch eine Blende in der hinte-

ren Brennebene kann ein Bragg-Reflex ausgewählt werden. Dadurch werden im

Bild nur die Bereiche dargestellt, die in diesen Reflex streuen. Beim sogenannten

„Hellfeld― wird der durchgehende Strahl ausgewählt. Beim „Dunkelfeld― wird ein

Reflex ausgewählt. Es sollte ein Reflex sein, der eine hohe Intensität besitzt, damit

nach dem Ausblenden die Intensität noch hoch genug für eine Beobachtung ist

(Abbildung 72).

V.3.1. Fokussierte Ionenstrahlen – FIB

Das FIB-Mikroskop (FIB, englisch: „focused ion beam―) ist ein Gerät zur

Bearbeitung von Oberflächen. Dabei entsteht der Materialabtrag durch Ionenätzung

(meist Gallium-Ionen). Ähnlich wie in einem Rasterelektronenmikroskop (REM)

kann die Oberfläche durch die beim Auftreffen der Ga-Ionen entstehenden Sekun-

därelektronen abgebildet werden. Der fokussierte Ga-Ionenstrahl ermöglicht das

kontrollierte Abtragen bzw. Aufbringen von Materialien. Die Ionen werden typi-

scherweise mit Spannungen von 5-50 kV beschleunigt und erreichen Stromstärken

von 2 pA bis zu 20 nA. Gallium wird wegen der guten Erzeugbarkeit seiner Ionen

mittels einer Flüssigmetall-Ionen-Quelle eingesetzt. Dabei wird Gallium auf einer

Abbildung 72: Dunkelfeld- und Hellfeld-Abbildung in TEM durch das Abblenden der

entsprechenden Bragg-Reflex.

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 101

Wolframnadel bis zum Schmelzpunkt erhitzt und in einem Feldemissionsprozess

der Ionenstrahl gewonnen. Die Gallium-Ionen können mithilfe elektrostatischer

Felder auf einige Nanometer fokussiert werden.

In dieser Arbeit wurde die FIB vorwiegend eingesetzt, um gezielt TEM-

Proben aus bestimmten Bereichen der HBTs zu präparieren (Abbildung 73). Die

Abbildung 73: FIB-Aufnahme:Längstschnitt eines Emitterfingers präpariert für TEM-

Untersuchung.

Abbildung 74: Aufsicht einer fertig präparierten TEM-Probe mit FIB. Die Probe selbst ist

leicht zur Seite gekippt.

102 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Herausforderung bei der Präparation von Proben für die TEM-Untersuchung bei

sehr hohen Auflösungen liegt in der extrem geringe Zieldicke der Probe von 100-

300 nm, während die Probe selbst eine Länge von 15-20 µm und eine Höhe von

etwa 10 µm hat (Abbildung 74). Gleichzeitig muss die Probe für die TEM-

Untersuchungen über die gesamte Länge gleichmäßig dick sein. Diese Vorausset-

zungen erfordern eine sorgfältige Präparation, denn neben dem Abtrag kann es

beim Sputterprozess auch zur Einlagerung von Galliumatomen und zur Amorphi-

sierung der Oberfläche kommen [Maye07]. Die Amorphisierung der Oberfläche

kann nur durch behutsames Dosieren der Ionenstrahlenergie bzw. –

beschleunigungsspannung vermindert werden.

V.3.2. TEM-Untersuchung der HBTs

Für die TEM-Untersuchung wurden mit der FIB durchstrahlbare Proben von

neuen unbelasteten sowie von degradierten HBTs desselben Wafers präpariert

(Abbildung 75). Die Lamellen aus unbelasteten Transistoren dienen als Referenz

für die Untersuchung der degradierten HBTs. Dabei soll gezeigt werden, dass die

Befunde in den degradierten HBTs nicht bereits vor der Alterung vorhanden waren

oder durch die Präparation der TEM-Proben entstanden sind. Hierfür wurden TEM-

Proben als Längs- und Querschnitte durch den Transistor präpariert. Die Quer-

schnitte dienen zur Untersuchung der Gebiete an der Mesakante und zur Untersu-

chung der Bereiche unterhalb der Ohmschen Kontakte hinsichtlich der Elektromig-

ration, die Längsschnitte dienen der Suche nach Defekten und Versetzungen.

Abbildung 75: Skizze, Längst- und Querschnitte durch den Transistor

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 103

In Abbildung 76 und Abbildung 77 sind die TEM-Aufnahmen der beiden Re-

ferenzproben, jeweils ein Querschnitt (Abbildung 76) und ein Längsschnitt

(Abbildung 77) durch den Emitterfinger eines HBTs abgebildet. Aufgrund der nicht

sehr sauberen FIB Präparation ist die Oberfläche der Querschnittsprobe durch auf-

gesputtertes Gold verunreinigt. Dies belegen EDXS Untersuchungen der Proben-

oberfläche (Abbildung 78).

Abbildung 76: TEM Aufnahme des Querschnitts eines unbelasteten HBTs.

Abbildung 77: TEM Aufnahme des Längsschnitts eines unbelasteten HBTs.

104 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Hier wurden zwei Punkte auf der Probe untersucht. Punkt A wurde direkt auf

einen Fleck gelegt und Punkt B auf eine saubere Stelle der Probe. Das Ergebnis der

EXDS-Untersuchung zeigt deutlich, dass während in Punkt A ein starkes Gold-

Signal (Au) zu detektieren war, dieses im Spektrum des Punktes B fehlt. Die Signa-

le von Kupfer (Cu) im Spektrum stammen vom TEM-Probenhalter, der aus Kupfer

besteht.

Abbildung 78: (oben) STEM Aufnahme einer unbelasteten Probe, (unten) EDX-Spektren

der Verschmutzung auf der Probe (A),Vergleich mit „sauberer“ Stelle (B). Es ist deutlich

zu erkennen, dass Punkt A goldhaltig ist, das während der Präparation der TEM-Probe auf

die Oberfläche unabsichtlich gesputtert wurde.

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 105

Die Untersuchung der Referenzproben ergab, dass diese versetzungs- und de-

fektfrei waren. Es wurde keine Metalldiffusion ins Halbleitermaterial oder sonstige

Auffälligkeiten beobachtet.

Die für die TEM-Untersuchung ausgewählten HBTs wurden bis zur katastro-

phalen Degradation gealtert und dann analysiert. Zunächst wurden gezielt nach bis-

her berichteten Degradationsmechanismen, wie Kohlenstoffpräzipitate [Taka94]

oder Metalldiffusion ins Halbleitermaterial [Liu98], gesucht. Danach wurden die in

den Proben beobachteten Defekte und Versetzungen untersucht und charakterisiert.

V.3.3. Defekte und Versetzungen

Bei der Untersuchung der TEM-Proben von degradierten HBT`s – sowohl im

Querschnitt (Abbildung 79) als auch im Längsschnitt (Abbildung 80) wurden dage-

gen Versetzungen nachgewiesen. In beiden Aufnahmen ist deutlich zu sehen, dass

die Versetzungen von der Basis-Emitter-Grenzfläche ausgehen und sich im Bau-

element ausbreiten. In der Querschnittsaufnahme (Abbildung 79) ist zu erkennen,

dass die Versetzungen verstärkt in der Mitte des Emitterfingers auftreten, wo die

Verlustleistung und somit auch die Tempeartur am höchsten sind und die Defek-

tentstehung und -ausbreitung in diesem Bereiche beschleunigen.

Abbildung 79: TEM-Aufnahme vom Querschnitt eines degradierten HBTs. Versetzungen

treten insbesondere in der Mitte des Emitters im Bereich der höchsten Stromdichte auf.

106 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

In der Längsschnittaufnahme (Abbildung 80) ist gut zu sehen, wie sich Ver-

setzungen vom Emitter ausgehend wie Schleifen (Loops) bis in den Kollektor aus-

breiten. Dabei ist an der linken Seite zu sehen, wie die Versetzung an der Basis-

Kollektor-Grenzfläche (gestrichelte Hilfslinie) anscheinend „hängt―. Weitere Auf-

nahmen von Längsschnitten anderer TEM-Proben eines degradierten HBTs zeigen,

dass die Versetzungen bis tief in den Kollektor eindringen können (Abbildung 81).

Abbildung 80: TEM-Aufnahme vom Längsschnitt eines degradierten HBTs. Es ist beson-

ders gut zu sehen, dass die Versetzungen von der Emitterbasisgrenzfläche ausgehen und

sich ausbreiten. (Längsschnitt, links).

Abbildung 81: TEM Aufnahme von Versetzungen im Längsschnitt eines degradierten

HBTs; Versetzung tief im Kollektor

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 107

Das Eindringen der Versetzungen bis in den Kollektor tritt bei HBTs auf, die

einen „totalen― Ausfall des Transistors zeigten – also soweit, bis die Stromverstär-

kung kaum noch sinkt (Abbildung 82). Die Entwicklung der Versetzungen in der

Basis und deren Ausbreitung bis in den Kollektor wurden auch durch Messung von

Gummel-Plots der HBTs während der Alterung nachgewiesen. In den Abbildungen

Abbildung 82: Alterungsverlauf eines GaAs HBTs zur Untersuchung der Änderung der

elektrischen Eigenschaften (Gummel-Plot) während der Alterung (Abbildung 83).

Abbildung 83: Änderungen des Gummel-Plots während der Alterung: vom Start bis vor

Beginn (A) und nach Beginn (B+C) der katastrophalen Degradation. Die Diagramme B

und C sind identisch, in B wurden die Basisströme und in C die Kollektorströme farblich

hervorgehoben. Die Punkte im Alterungsverlauf (Abbildung 82) zeigen den Zeitpunkt der

Messung an.

108 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

82 und 83 sind die Ergebnisse dargestellt. In Abbildung 82 ist der Alterungsverlauf

dargestellt und der Zeitpunkt der Gummel-Plot-Messungen markiert. Die Ergebnis-

se der Gummel-Plot-Messungen sind in der Abbildung 83 dargestellt. Die Farben

der Kurven entsprechen den Farben der Markierungen in Abbildung 82.

Betrachtet man in Abbildung 83A die Änderungen des Gummel-Plots wäh-

rend den ersten Stunden der Alterung, so erkennt man, dass es nur zu einer kleinen

Drift des Basisstroms kommt, während der Kollektorstrom gleich bleibt. Die größte

Veränderung des Basisstroms im Gummel-Plot ist zunächst zwischen der Messung

vor Beginn der Alterung (Kurve A, schwarz) und direkt nach dem starken Abfall

der Stromverstärkung im Minimum des Burn-in’s (Kurve B, rot) zu erkennen. Nach

dem Burn-in nähert sich der Verlauf des Basisstroms im Gummel-Plot der Aus-

gangskurve (Kurve C, blau und Kurve D, grün) und ändert sich bis zum Beginn der

katastrophalen Degradation kaum (Kurve E, pink). Bei allen Messungen ist keine

Drift des Kollektorstroms sichtbar.

In Abbildung 83B und C sind die Gummel-Plots nach Einsatz der katastro-

phalen Degradation dargestellt. Für eine bessere Darstellung wurden in Abbildung

83B die Basisströme und in 83C die Kollektorströme farblich dargestellt. Als Refe-

renz ist die Messkurve vor Beginn der Alterung (Kurve A, schwarz) mit abgebildet.

In Abbildung 83B ist die geringe Abweichung des Basisstroms kurz vor Einsatz der

katastrophalen Degradation gut zu erkennen. Erst nach Einsatz der katastrophalen

Degradation beginnt der Basisstrom im Gummel-Plot zu steigen bis die Abnahme

der Stromverstärkung sich verlangsamt (Abbildung 82). Zwischen den Messungen

zum Schluss der Alterung – H, orange und J, violett – ändert sich der Basisstrom

nicht. Genau gegensätzlich verhält sich der Kollektorstrom (Abbildung 83C). Eine

Änderung des Kollektorstromverlaufs im Gummel-Plot ist erst zum Schluss der

Alterung zu erkennen. Die Messung in Punkt G (dunkelblau) weicht nur geringfü-

gig von den vorhergehenden ab, die darauf folgenden zeigen aber eine deutlich Ab-

nahme des Kollektorstroms mit der Dauer der Alterung (H, orange und J, violett).

Die Zunahme des Basisstroms ist mit der Entstehung und Ausbreitung der

Versetzungen in der Basis und der damit verbundenen Zunahme an Rekombinati-

onsstrom zu erklären, der einen Verluststrom darstellt und nicht zur Stromverstär-

kung beiträgt, wodurch diese abnimmt. Die Abnahme des maximalen Kollektor-

stroms am Ende der Alterung kann mit der Entstehung von Defekten im Kollektor

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 109

oder auch mit dem Eindringen der Versetzungen aus der Basis in den Kollektor

erklärt werden, die zur Erhöhung des Kollektorwiderstandes und damit zur Verrin-

gerung des maximalen Kollektorstroms führen.

V.3.4. Burgers-Vektor-Analyse

Versetzungen werden durch zwei Größen charakterisiert: die Versetzungslinie

und den Burgersvektor

󰇍

[Hirt82] [Hull84]. Der Einheitsvektor in Versetzungslini-

enrichtung kennzeichnet die räumliche Lage der Versetzung im Kristall. Der Bur-

gersvektor beschreibt die Richtung und Art der lokalen Kristalldeformation. Be-

stimmt wird er durch den sogenannten Burgersumlauf, man vollführt dabei im un-

gestörten und gestörten Kristallgebiet einen geschlossenen Umlauf, die Differenz in

Länge und Richtung beider Umläufe entspricht dem Burgersvektor (Abbildung 84).

Zur Bestimmung des Burgersvektors der Versetzungen wird die Probe im

TEM untersucht. Versetzungen in Kristallen werden in TEM deshalb sichtbar, da

sie Störungen der periodischen Kristallstruktur darstellen und dort die Bragg’sche

Beugungsbedingung schlechter oder gar nicht erfüllt wird. Dadurch werden die

Versetzungen durch Helligkeitsunterschiede sichtbar. Orientiert man den Kristall

nun so, dass nur eine Ebenenschar die Braggbedingung erfüllt, so erreicht man die

maximale Helligkeitsvariation durch die Versetzungen, die in dieser Ebene vorhan-

den sind. Diese sind die Ebenen, deren Normale parallel zum Burgersvektor

󰇍

liegt. Liegt die abbildende Ebenenschar senkrecht zum Burgersvektor, wird der

Abbildung 84: Skizze zur Veranschaulichung der Bestimmung des Burgersvektors.

110 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

Kontrast minimal:

󰇍

= 0.

Stellt man nun unterschiedliche ein, so lässt sich der Burgersvektor

󰇍

bestimmen.

Abbildung 85 ist die TEM-Aufnahme des Längsschnitts eines degradierten

HBTs. Hier sind Versetzungen zu sehen, die vom Emitter des HBTs ausgehen. Um

Abbildung 85: TEM-Hellfeldaufnahme der zu untersuchenden Versetzungen.

Abbildung 86: TEM Dunkelfeldaufnahmen von Versetzung bei unterschiedlichen Bragg-

Reflexen.

V.3 Transmissionselektronenmikroskop – TEM 111

den Burgersvektor der Versetzungen zu bestimmen, wurden Aufnahmen der Ver-

setzungen unter verschiedenen Beugungsbedingungen durchgeführt (Abbildung

86). Man kann deutlich erkennen, dass die Versetzungen für die Beugungsvektoren

und

 sehr gut sichtbar sind, während sie für und

 nicht mehr zu erkennen sind. Dies bedeutet, dass die Normalen der Ebe-

nen senkrecht zum Burgersvektor der Versetzungen sind und somit liegt ausrei-

chend Information vor, um diesen zu berechnen. Aus dem Vektorkreuzprodukt der

beiden Ebenennormalen und nachfolgender Normierung ergibt sich somit für den

Burgersvektor:

󰇍

[

 ]

Der bestimmte Burgersvektor unterscheidet sich von den bisher berichteten

Vektoren für die Versetzungen im GaAs-Bauelementen [Take92]. Die wahrschein-

lichsten Burgersvektoren in GaAs sind vom Typ

〈 〉 [Amon99]. Die beobachte-

ten Versetzungen sind Mischtypen und ihr Burgersvektor ist entsprechend zusam-

mengesetzt aus verschiedenen Burgersvektoren, wie zum Beispiel

[ ] und

[

] [Amon99].

112 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

V.4. Materialdiffusion

V.4.1. Energiedispersive Röntgenspektroskopie – EDX

Energiedispersive Röntgenspektroskopie EDXS (englisch: energy dispersive

X-ray spectroscopy) ist eine Methode zur Ermittlung von Elementzusammenset-

zung von Materialien. Die Atome in der Probe werden dazu mit einem Elektronen-

strahl angeregt und senden characteristische Röntgenstrahlung mit einer element-

spezifischen Energie aus. Dabei wird ein Elektron aus der Atomhülle aus einem der

niedrigeren Energiezustände herausgeschlagen, dessen Zustand von einem Elektron

aus einem höheren Zustand besetzt wird. Die überschüssige Energie des Elektrons

kann durch ein Photon (Röntgenquant) emittiert werden. Die Energie dieses

Röntgenquants ist ein Indikator dafür, um welches Element es sich handelt. Diese

Spektroskopie wird in Verbindung mit TEM Untersuchungen angewendet, um lo-

kale Materialanalysen durchzuführen.

V.4.2. Metalldiffusion in den Halbleiter

Die Degradation der Metallkontakte bzw. der ohmschen Kontakte ist ther-

misch aktiviert und tritt auch bei anderen Transistortypen auf. Die möglichen De-

gradationsmechanismen bestehen einerseits in einer Erhöhung des Kontaktwider-

standes oder in der Diffusion von Metallatomen in das Halbleitermaterial [Liu98],

was sogar zum Kurzschluss zwischen Basis und Emitter führen kann. Als ohmscher

Kontakt für den Emitter wird überwiegend Ti/Pt/Au- und für die Basis eine

Pt/Ti/Pt/Au-Legierung verwendet. Diese Legierung ist niederohmig und lässt sich

gleichzeitig leicht herstellen. Die Titanschicht im Pt/Ti/Pt/Au-Basiskontakt soll die

Diffusion von Gold in die GaAs-Schicht vermeiden.

Die Ohmschen Kontakte sind mögliche Ursachen für die Degradation von

HBTs. Das Kontaktmetall kann in den Halbleiter diffundieren und zum Kurzschluss

führen. Um die Stabilität der Metallkontakte zu überprüfen, wurde bei einem de-

gradierten HBT die Materialzusammensetzung (Pt/Ti/Pt/Au) in der Umgebung des

Basismetallkontakts in TEM untersucht (Abbildung 87). Aufgrund der Anforderun-

gen an die Hochfrequenzeigenschaften der HBTs wurde die Basis möglichst dünn

(≈ 90 nm) hergestellt, um die Transferzeit der Elektronen zu verringern. Daher

könnte die Diffusion von Kontaktmetall in die Basis sehr schnell zu einem Kurz-

V.4 Materialdiffusion 113

schluss mit der Kollektorschicht – und somit zum Ausfall des HBT’s – führen.

In Abbildung 87 ist zunächst eine Übersichtsaufnahme (oben links) des HBTs

mit der Emittermesa in der Mitte und den beiden Basiskontakten rechts und links zu

sehen. Die Scanning-TEM-Aufnahme (oben Mitte) zeigt den linken Rand des rech-

ten Basiskontakts. Dieser Bereich ist von besonderem Interesse, da eine Metalldif-

fusion zu einem Basis-Emitter- oder Basis-Kollektor-Kurzschluss führen kann. Die

farbigen Punkte sind die Stellen, an denen die Materialanalyse mit EDXS durchge-

führt wurde. Die Ergebnisse der Analysen sind in den gleichen Farben wie die

Punkte in der STEM-Aufnahme dargestellt. Die untersuchten Bereiche sind im

Uhrzeigersinn: Basismetall (rot), Basiskontakt (blau und braun), Basis (Magenta)

und Emitter (grün). Im Emitter (grün) und in der Basisschicht (Magenta) sind keine

Spuren von Metall entdeckt worden. Der Basiskontakt aus Pt/Ti/Pt/Au ist so konzi-

piert, dass eine Golddiffusion durch das vorhandene Titan unterbunden wird. Dies

ist hier sehr gut gezeigt worden. Daher ist Elektromigration für die am FBH herge-

stellten HBTs kein Degradationsmechanismus.

Abbildung 87: Untersuchung des ohmschen Kontakts der Basis eines degradierten HBTs.

Die Untersuchung mit EDXS zeigt keine Diffusion von Metall in das Halbleitermaterial.

114 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

V.4.3. Kohlenstoffpräzipitate

Takahashi et al. [Taka94] haben in ihrer Publikation degradierte Transistoren

einer Strukturanalyse im TEM unterzogen. Dabei wurden Kohlenstoffpräzipitate

beobachtet, die sich in der Basis-Emitter-Grenzfläche in der Nähe der Mesakante

gebildet hatten (Abbildung 88). Diese Präzipitate haben einen Durchmesser von 10-

15 nm, EDX-Untersuchungen haben bestätigt, dass sie kohlenstoffhaltig sind. Da-

her haben Uematsu et al. vorgeschlagen, dass die rekombinationsbeschleunigte

Fremdatomdiffusion REID (englisch, „Recombination Enhanced Impurity Diffusi-

on―) ein möglicher Mechanismus für die Bildung der Präzipitate ist [Uema91]. Da-

her wird die von REID ausgelöste Degradation durch eine Zunahme von Rekombi-

nationszentren in der Raumladungszone während des Betriebs begleitet, die zu ei-

ner gleichzeitigen Zunahme des Basisstroms und der Verminderung der Stromver-

stärkung führt.

Die Untersuchung der Querschnittsprobe des degradierten HBTs in der Nähe

der Mesakante in TEM brachte keine Erkenntnisse über Kohlenstoffpräzipitate

(Abbildung 89). Es erfolgte zwar keine Materialanalyse, jedoch sind optisch in den

Aufnahmen keine auffälligen Erscheinungen sichtbar. Dabei unterscheiden sich

HBTs von denen aus [Taka94] nur durch das Emittermaterial – InGaP im Falle

FBH bzw., AlGaAs bei Takahashi. Die Basisdotierungshöhe ist in beiden Fällen

gleich. Takahashi belastete die Transistoren bei niedrigerer Stromdichte

( = 6×104 A/cm²) im Vergleich zu = 1×105 A/cm² in dieser Arbeit.

Yang et al. sehen den Grund für das Auftreten der Präzipitate in der Wachs-

tumstemperatur des Emitters und der Emitterkontaktschicht. Das Aufwachsen der

Emitterkontaktschicht bei hohen Temperaturen (> 600 °C), das nach dem Wachs-

tum der Basisschicht erfolgt, führt zu Entstehung von Kohlenstoffkomplexen

[Yang00]. Während des Temperns wechseln einige Kohlenstoffatome von Gitter-

auf Zwischengitterplätze und sind als Akzeptor nicht mehr verfügbar. Dieser Pro-

zess verringert die aktive Kohlenstoffkonzentration und die Löcherkonzentration in

der Basis. Die Kohlenstoffatome können nun Präzipitate bilden oder als Defekte in

der Basis zur Rekombinationsstrom und zur Abnahme des Stromverstärkung füh-

ren. Die thermisch induzierte Entstehung der Kohlenstoffkomplexe in Zusammen-

hang mit dem Verlust an Kohlenstoffakzeptoren wurde von Wagner et al. mit Hilfe

V.4 Materialdiffusion 115

von Raman-Messungen abgeleitet [Wagn97]. Durch die entsprechende Änderung

der Wachstumsparameter und Erhöhung der Schichtqualität kann dieser Effekt un-

terdrückt und die Entstehung der Kohlenstoffpräzipitate vermieden werden

[Brun02].

Abbildung 88: Kohlenstoffpräzipitate in der Basisschicht Nahe der Mesakante [Taka94]

Abbildung 89: TEM-Aufnahme vom Querschnitt eines degradierten HBTs. Zunächst sind

keine Kohlenstoffpräzipitate in der Basisschicht in der Nähe der Mesakante sichtbar.

116 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

V.4.4. Indium-Diffusion aus dem Emitter

Die Ausdiffusion von Indium aus InGaAs-Quantumwells in das umgebende

Material ist von Laserdioden bekannt [Bugg04]. Deshalb wurde insbesondere die

InGaP-Emitterschicht untersucht. Für die EDXS-Analyse wurden ein unbelasteter

und ein degradierter HBT präpariert. In Abbildung 90 (links) sind die TEM-

Abbildung des untersuchten Bereichs und die Pfade der EDXS-Untersuchung dar-

gestellt. Das Ergebnis der Elementanalyse für Indium (Abbildung 90, rechts) zeigt

die Verteilung entlang der jeweiligen Pfade an. Die Kurvenform der Indium-

Verteilung ist für alle untersuchten Pfade gleich. Dass der Anteil des Indiums nur

11-15 % statt 25 % erreicht, liegt an Ablagerungen an der Oberfläche der Probe

während der Präparation, wie bereits in Abschnitt V.2.2.3 beschrieben. Von Wich-

tigkeit für die Untersuchung ist jedoch die Form der Verteilung, da hier die Diffusi-

on des Indiums aus dem Emitter untersucht wird.

In Abbildung 91 sind die Ergebnisse der EDXS-Untersuchungen des degra-

dierten HBTs dargestellt. Die TEM-Aufnahmen zeigen die EXDS-Pfade und die

dort beobachteten Versetzungen. Im Weiteren sind der Indiumanteil für die jeweili-

gen Pfade (A, C und D) dargestellt. Die Emitterschicht liegt in den jeweiligen Dia-

grammen aufgrund der etwas veränderten EDXS-Scans etwas unterschiedlich und

ist hervorgehoben. Für die EDXS-Untersuchungen wurden drei Pfade, eine im ver-

setzungsfreien (A) und zwei im versetzungsreichen Gebieten (C und D), untersucht

und der Indiumanteil bestimmt. Das Ergebnis zeigt deutlich, dass es im verset-

zungsfreien (A) Gebiet es zu einer Diffusion von Indium aus dem Emitter gekom-

men ist. Die Verteilung ist deutlich verbreitet und der Indiumanteil im Maximum ist

gesunken. In den versetzungsreichen Gebieten C und D ist eine Ausdiffusion nicht

zu erkennen. Die Versetzungen verhindern die Ausdiffusion des Indiums aus dem

Emitter.

V.4 Materialdiffusion 117

Abbildung 90: EDXS Untersuchung der In-Verteilung um die Emitterschicht eines unbelas-

teten HBTs

Abbildung 91: EDXS Untersuchung der In-Verteilung um die Emitterschicht eines degra-

dierten HBTs in versetzungsarmen und versetzungsreichen Bereichen.

118 V. Analytische Untersuchung degradierter HBTs

V.5. Zusammenfassung der Ergebnisse

Die Ergebnisse der analytischen Untersuchungen werden in diesem Abschnitt

zusammengefasst:

Die Untersuchung von degradierenden HBTs mithilfe von Elektrolumines-

zenz (EL) konnte die Entstehung und Ausbreitung von Versetzungen während des

Betriebes sichtbar machen. Dabei werden die aktiven Bereiche des Transistors als

„leuchtende― Strukturen sichtbar, während die Versetzungen als dunkle Linien

(DLD – Dark Line Defects) in diesem hellen Bereich beobachtet werden. Während

der Alterung der HBTs entstandene DLDs und ihre Ausbreitung durch die Finger

des Mehrfinger-HBT´s konnten mit Elektrolumineszenz beobachtet werden. Die

Ausbreitungsrichtung der Versetzungen wurde in der [110]-Richtung identifiziert.

Diese Versetzungen entstehen durch rekombinationsbeschleunigte Defektre-

aktion (REDR). Bei diesem Degradationsmechanismus führt die durch nichtstrah-

lende Rekombination freigesetzte Energie zur Entstehung von Punktdefekten, die

wiederum als Rekombinationszentren agieren und die Entstehung weiterer Punktde-

fekte beschleunigen. Das führt zur Ausbildung von Punktdefektclustern und zum

Wachstum und zur Ausbreitung von Versetzungen.

Bei den Untersuchungen der degradierten HBTs im TEM wurde keine Diffu-

sion von Kontaktmetallen am Emitter, an der Basis oder am Kollektor ins Halb-

leitermaterial und auch keine Elektromigration gefunden. Es wurden keine Kohlen-

stoffpräzipitate in der Basis der HBTs beobachtet, wie sie von anderen Gruppen in

der Nähe der Mesakante gefunden wurden. Die Untersuchungen in TEM zeigten,

dass degradierte HBTs Versetzungen aufweisen, die vom Emitter ausgehen und in

die Basis reichen, in manchen Fällen sogar bis in den Kollektor. Diese Beobachtun-

gen unterstreichen, dass die rekombinationsbeschleunigte Defektreaktion (REDR)

der Hauptdegradationsmechanismus in den GaAs-HBTs ist.

Versetzungen werden durch ihren Burgersvektor charakterisiert. Die Bestim-

mung des Burgersvektors der Versetzungen in den degradierten HBTs zu

󰇍

[

 ] zeigte, dass diese Versetzungen nicht zu den typischen Versetzungen in

GaAs gehören, wie sie zum Beispiel in GaAs basierten Dioden beobachtet wurden.

Die wahrscheinlichsten Burgersvektoren in GaAs sind vom Typ

〈 〉. Die beo-

V.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 119

bachteten Versetzungen sind Mischtypen und ihr Burgersvektor ist entsprechend

zusammengesetzt aus verschiedenen Burgersvektoren, wie zum Beispiel

[ ]

und

[

].

Eine Elementverteilungsanalyse mit EDXS in TEM zeigte, dass sich die Ver-

teilung des Indiums im InGaP-Emitter in versetzungsfreien Bereichen deutlich un-

terscheidet von der Indiumverteilung in Bereichen mit Versetzungen. In verset-

zungsarmen Bereichen diffundiert das Indium während der beschleunigten Alterung

des HBT’s aus dem Emitter, während in versetzungsreichen Bereichen das Indium

von Versetzungen an der Ausdiffusion gehindert wird.

Abschließend wird festgestellt, dass REDR der für die Degradation der HBTs

verantwortliche Mechanismus ist. Dies konnte durch analytische Untersuchung von

degradierten HBTs festgestellt werden. Die am FBH hergestellten HBTs zeigen

keine weiteren Degradationsmechanismen und sind extrem zuverlässig.

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[Zinke93]

Zinke, Brungswig, „Lehrbuch der Hochfrequenztechnik―, Band 2,

Springer Verlag Heidelberg (1993)

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Günther Tränkle, der es mir am

Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ermöglichte, diese Ar-

beit zu erstellen, mir in regelmäßigen Abständen inhaltlich und organisatorisch zur

Seite stand und meine Promotion betreute.

Weiterhin möchte ich mich bei Dr. Joachim Würfl bedanken, der mich als

Abteilungsleiter beim Aufbau und der Erweiterung des Lebensdauerlabors unter-

stützte und mich fachlich beratend zur Seite stand.

Bei Frau Dr. Ute Zeimer möchte ich mich für ihre Betreuung, ihre Unterstüt-

zung bei der Durchführung und Auswertung der analytischen Untersuchungen und

ihre intensive Hilfe und Geduld bei der Anfertigung dieser Arbeit bedanken.

Herrn Dipl.-Phys. Andreas Braun, Herrn Dr. Michael Mai und Herrn Dr.

Frank Brunner danke ich für ihre Hilfe bei der Einarbeitung in das Gebiet der Zu-

verlässigkeitsuntersuchungen und Degradationsmechanismen, sowie der Messtech-

nik und der Unterstützung bei den Messungen. Ich danke Herrn Dr. Paul Kurpas

und Herrn Dr. Andre Maaßdorf für die diversen ausführlichen fachlichen Diskussi-

onen und ihrer Hilfe, die Funktionsweise und die Technologie zur Herstellung der

HBTs besser zu verstehen.

Ich bedanke mich auch bei der Aufbautechnik für die Unterstützung bei der

Anfertigung der Proben für die Untersuchung der aufgebauten HBTs. Herrn Dr.

Werner Österle und seiner Analytikgruppe von der „Bundesanstalt für Materialfor-

schung und –prüfung― danke ich für die Anfertigung und Untersuchung der TEM

Proben. Ich bedanke mich auch bei Herrn Dr. Holm Kirmse von der Humboldt-

Universität zu Berlin für die analytischen Untersuchungen an den TEM Proben und

der Hilfe bei der Auswertung der Daten.

Besonderer Dank gilt meiner Frau und meiner Familie für ihre Unterstützung

während der Anfertigung dieser Arbeit.