Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4006
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften von Dünnschichten aus
SrTiO3 und (Ba0.7Sr0.3)TiO3 untersucht, die nasschemisch oder aus der Gasphase
abgeschieden wurden. Neben der Charakterisierung anhand von Kapazitätsmessungen lag der
Schwerpunkt in der Untersuchung des Leckstromverhaltens. Für diese Experimente wurde
eine automatisierte Messapparatur aufgebaut, die eine Strommessung mit einer Auflösung
von 100 fA ermöglicht. Die Messungen wurden an Dünnschichten mit unterschiedlicher
Dicke und verschiedenen Elektrodenmaterialien in einem Temperaturbereich von
Raumtemperatur bis 475 K durchgeführt.
Basierend auf der gemessenen Dickenabhängigkeit der Permittivität wurde an den
Grenzflächen zu den Elektroden Randschichten mit einer gegenüber dem Volumen
reduzierten Dielektrizitätskontanten eingeführt. Diese sogenannten "dead layer" können die
Abnahme der Permittivität mit abnehmender Dicke der Schichten erklären. Der
Stromtransport durch eine solche Struktur wurde mit Hilfe der Finite-Differenzen Methode
simuliert. In dieser Simulation wurden sowohl die Schichteigenschaften (Beweglichkeit der
Ladungsträger, Dotierung) wie auch die Absenkung der Barriere aufgrund des Schottky-
Effekts berücksichtigt. Der simulierte wie auch der gemessene Strom zeigen qualitativ über
weite Bereiche ein Verhalten, welches dem der Schottky-Emission ähnelt. Quantitativ ist er
jedoch kleiner als der Schottky-Strom und damit durch die Eigenschaften des Volumens
begrenzt. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass die Elektronenkonzentration, die
u.a. für die Leitfähigkeit der Schicht verantwortlich ist, stark von den Eigenschaften der
Grenzfläche abhängt. Damit lässt sich auch der Einfluss verschiedener Elektrodenmaterialien
auf den Leckstrom erklären.
The main part of this thesis considers the electrical characterisation of SrTiO3 and
(Ba0,7SrO,3)TiO3 thin films deposited by chemical solution deposition (CSD) and metal organic
chemical vapour deposition (MOCVD). Apart from the capacitance measurements the focus
lies on the investigation of the leakage current. An automated probe station with a resolution
of less than 100 fA was constructed and built to measure leakage currents. These
measurements were performed on metal-insulator-metal (MIM) capacitors having different
dielectric film thicknesses and different materials were used as top electrode. The test
temperature varied between room temperature and 475 K.
The current transport through a MIM-structure was simulated using the finite difference
calculation method. Based on the thickness dependence of the permittivity, interface layers
with a largely reduced dielectric constant compared to the bulk were assumed at the electrode
interfaces. Introduction of these layers, also called "dead" layers, and the consideration of the
thin film properties (charge carrier mobility and doping) and the barrier lowering due to the
Schottky effect resulted in a good agreement between the simulation and experimental results.
In particular, the surprising experimental thickness dependence -decreasing leakage current
with decreasing thickness -could be explained. Over a wide voltage range the measurements
as well as the simulated leakage currents behave qualitatively like the thermionic emission
(Schottkyemission). However the absolute value of the leakage current is smaller than the
Schottkyemission current and, therefore, is bulk limited. The conductivity of the
electroceramic thin film depends on the electron concentration within the film which in turn is
strongly influenced by the electron concentration at the interface. This influence of the
interface explains the Schottky-like behaviour of the leakage current as well as its
dependencies on different electrode materials.
Schmitz, Sam Isao
Abhängigkeit des Lechstromes und der Dielektrizitätskonstanten in SrTiO3- und (Ba,Sr)TiO3-Dünneschichtkondensatoren von der Kontaktmetallisierung
XX, 123 S., 2003
Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften besitzen elektrokeramische Materialien (z.B.
Titanate) ein großes Potential für Anwendungen in der Mikroelektronik. Neben der
Verwendung in Sensoren, Aktoren und elektrooptischen Bauelementen ist vor allem der
Einsatz als Dünnschicht-Dielektrikum in Halbleiterspeichern (z.B. DRAMs) von Interesse.
Sowohl die Integration dieser Materialien in die Siliziumtechnologie als auch die strukturelle
und elektrische Charakterisierung sind daher Thema der Forschung. Durch die Verwendung
von elektrokeramischen Materialien, deren Dielektrizitätskonstanten größer als die der derzeit
verwendeten SiO2/Si3N4- oder Ta205-Dielektrika sind, ist eine Steigerung der Speicherdichte
und eine Reduzierung der Komplexität des Speicherzellenaufbaus von DRAMs möglich. Da
diese Materialien jedoch keine idealen Isolatoren sind, kommt es in den Zellkondensatoren zu
Ladungsverlusten, z.B. aufgrund eines zu hohen Leckstroms. Um die Information zu erhalten,
muss diese daher in regeImäßigen Zeitabständen erneut in die Speicherzelle geschrieben
werden (refresh). Somit sind die Dielektrizitätskonstante und der Leckstrom zwei wichtige
Kriterien für die zukünftige Nutzung elektrokeramischer Dünnschichten in elektronischen
Bauteilen.
Due to their electrical properties electroceramic materials ( e.g. Titanates) have a great
potential for applications in microelectronics. Apart from the use in sensors, actuators and
electro-optical elements, thin films consisting of high permittivity materials are of great
interest as dielectrics for semiconductor memories such as DRAMs. Both the integration of
these materials into the manufacturing process of conventional CMOS devices as well as the
structural and electrical characterisation are therefore topics of research. The use of
electroceramic materials with much larger dielectric constants than those of SiO2lSi3N4 and
TaO5, dielectric materials in present DRAMs, allows the design of memory cells in a simple
stack structure with an increased memory density in the ab range. However, these materials
are not ideal insulators, suffer from charge losses in the cell capacitor due to leakage and
relaxation currents. In order to retain the information, the charge has to be renewed in regular
time intervals (refresh). Therefore, the dielectric constant and the leakage current are
important characteristics of electroceramic thin films for their use in future DRAM
applications.
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