Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

Kurzfassung
Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente erfordert die Integration von
hoch-ε Materialien. Der Anwendungsbereich dieser Dielektrika reicht von Kondensatoren mit
metallisch leitenden Elektroden für DRAMs und integrierten Kondensatoren bis zur Anwendung
als Gateoxid in Feldeffekttransistoren. Bei den hier betrachteten Materialien handelt es
sich um (Ba,Sr)TiO3, SrTiO3 und SrTa2O6 sowie die Oxide der Metalle der IV. Nebengruppe,
Ti, Zr und Hf. Die Abscheidung erfolgte sowohl auf Platin als auch Silizium, um die Eigenschaften
der Dielektrika sowohl in sogenannten Metall-Isolator-Metall (MIM) als auch in Metall-Isolator-Halbleiter
(MIS) Strukturen untersuchen zu können.
Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit beschreibt die Prozessentwicklung und Optimierung der
zur Herstellung von hoch-ε Schichten benutzten MOCVD Verfahren. Ein Reaktor der Serie
AIX-2600G3, der ursprünglich für die Herstellung von III-V Halbleiter konzipiert wurde,
konnte in Zusammenarbeit mit der Firma AIXTRON erfolgreich für die Abscheidung von
oxidischen hoch-ε Materialien modifiziert werden. Wichtigste Veränderungen waren dabei
die Abscheidung bei niedrigem Druck und unter Sauerstoff, sowie die Implementierung von
‚liquid delivery’ Verdampfersystemen. Hier wurden zwei verschiedene kommerzielle Systeme
verwendet: Das LDS-300B der Firma ATMI und der TRIJET Verdampfer von JIPELEC.
Entsprechend den Anforderungen ergaben sich unterschiedliche Herangehensweisen: Mischung
kommerzieller Prekursoren für die Abscheidung des (Ba,Sr)TiO3, Test eines monomolekularen
Prekursors für das SrTa2O6 und der Test neuartiger Prekursoren für die Gruppe
IVb Metalle, Gr-IVb-(O-I-Pr)2(tbaoac)2. Zusätzlich werden Tests zur Kompatibilität verschiedener
Prekursoren am Beispiel des SrTiO3 vorgestellt.
Der Schwerpunkt der Untersuchungen der Schichtstrukturen liegt bei den auf Platin abgeschiedenen
(Ba,Sr)TiO3 Schichten (MIM Struktur). Hier wurde die Nukleation auf Platin
unter Benutzung einer neuen Methode der Leitfähigkeitsmessung im Rastersondenmikroskop,
SPM, im Detail untersucht. Zusätzliche Untersuchungen mit XRD, SEM,
HRTEM, SPM und XPS geben ein konsistentes Bild der strukturellen Eigenschaften und ihrer
Abhängigkeit von Wachstumstemperatur und chemischer Zusammensetzung. Die für die Anwendung
relevanten elektrischen Eigenschaften, vor allen Dingen Kapazität und Leckstrom,
zeigen eine starke, nichttriviale Abhängigkeit von der Schichtdicke und werden an Hand von
Serien verschiedener Filmdicken diskutiert. Möglichkeiten zur Optimierung der Schichteigenschaften
durch Veränderung der Grenzschichten an den Elektroden werden aufgezeigt. Als
Alternative zum (Ba,Sr)TiO3, für Anwendungen bei denen die Spannungsabhängigkeit der
Dielektrizitätskonstante (Tunability) nicht erwünscht ist, wurde SrTa2O6 untersucht. Die hier
vorgestellten elektrischen Eigenschaften der amorphen Schichten sind vielversprechend
Die Eigenschaften der auf Silizium gewachsenen MIS Strukturen sind ohne Optimierung
weitgehend durch die sich beim Wachstum bildende SiOx Grenzschicht beeinflusst. Das
Wachstum dieser Grenzschicht wurde am Beispiel der Abscheidung von SrTiO3 mittels
HRTEM genauer untersucht. Erste Resultate für die mit einem neuen Prekursor abgeschiedenen
Oxide der Gruppe IVb, die momentan als aussichtsreichste Kandidaten für die nächste
Generation von Gateoxiden gelten, werden vorgestellt. Die nicht von der Grenzschicht beeinflussten
Schichteigenschaften wie Struktur, Rauhigkeit, Dielektrizitätskonstante des entsprechenden
massiven Oxids, sind für alle untersuchten Oxidschichten vielversprechend, so dass
sie sich nach einer Optimierung der Grenzschicht auch für Anwendungen in MIS Kondensatoren
anbieten.