Electronic transport phenomena in ultrascaled aluminum layers

Ultradünne Aluminiumschichten im Nanometer-Dickenbereich sind für nanoskalige Leiterbahnen und supraleitende Nanoelektronik besonders interessant, ihre Herstellung ist jedoch durch diskontinuierliches Wachstum und schnelle Oxidation begrenzt. Diese Arbeit entwickelt eine CMOS-kompatible Plattform für kontinuierliche, elektrisch stabile Aluminiumschichten auf Silizium-auf-Isolator-Wafern, basierend auf einer thermisch induzierten Silizium-Aluminium-Austauschreaktion und kontrollierter thermischer Oxidation. Lithographie und reaktives Ionenätzen definieren die Geometrie, oxidationsbasiertes Dünnen die Zieldicke. Ein kurzer Annealing-Schritt wandelt verbleibendes Silizium lokal in Aluminium um. Die intrinsische Oxidkapselung ermöglicht Selbstpassivierung und Langzeitstabilität. Für das ultradünne Regime werden zwei Prozessrouten (subtraktiv vs. additiv) umgesetzt, die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung sowie das Sputtern temporärer Siliziumschichten zum Schutz der Kontaktpads während der Oxidation nutzen. Beide Ansätze werden hinsichtlich Ausbeute und Oberflächenqualität verglichen, wodurch eine robuste Prozessroute mit hoher Ausbeute identifiziert wird. Die Arbeit etabliert eine quantitative Prozess-Struktur-Eigenschafts-Kette durch die Kombination komplementärer Metrologie: Ellipsometrie zur Dickenbestimmung, Rasterkraftmikroskopie zur Quantifizierung der Oberflächenrauheit sowie (Raster-)Transmissionselektronenmikroskopie im Querschnitt zur Verifikation von Kontinuität, Mikrostruktur und lokaler Dicke bis in den Bereich weniger Nanometer. Die elektrische Charakterisierung verknüpft diese Strukturgrößen mit elektrischen Transporteigenschaften, Messungen der Stromtragfähigkeit, Niederfrequenz-Rauschspektroskopie (quantifiziert über die standardisierte 1/f-Rauschleistungsdichtespektraldichte) sowie Tieftemperaturmessungen zur Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften der hergestellten ultradünnen Aluminiumschichten. Die Ergebnisse zeigen kontinuierliche Aluminiumschichten bis hin zu Dicken von etwa 1 nm und eine Eigenschaftskombination, die sich von konventionell abgeschiedenen ultradünnen Aluminiumfilmen unterscheidet: (i) unterhalb von 10 nm nimmt die spezifische Resistivität mit abnehmender Dicke ab und nähert sich Werten von hochreinem, einkristallinem Aluminium; (ii) die Stromtragfähigkeit steigt im ultradünnen Grenzfall deutlich an und erreicht kritische Stromdichten in der Größenordnung von 10^10 A/cm2; (iii) dünnere Schichten weisen ein unterdrücktes normiertes 1/f-Rauschen auf; und (iv) die supraleitende Übergangstemperatur Tc steigt systematisch mit abnehmender Dicke und erreicht etwa 2.8 K bei einer effektiven Dicke von etwa 1.4 nm. Diese Befunde liefern eine experimentelle Grundlage zur Einordnung von Größeneffekt-Modellen (Fuchs-Sondheimer-Oberflächenstreuung und Mayadas-Shatzkes-Korngrenzenstreuung) und zur Quantifizierung, in welchem Ausmaß Grenzflächenqualität, Kapselung und geometrische Einengung klassische Erwartungen verändern. Insgesamt stellt die Arbeit eine reproduzierbare Prozess-Struktur-Eigenschafts-Plattform für selbstpassivierte Aluminiumschichten auf einer SOI-Plattform bereit und motiviert eine verfeinerte Transportmodellierung im extremen Dickenregime.