Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3956
Schäfer, Patrick R.
Entwicklung und Aufbau einer neuartigen MOCVD-Anlage zum Wachstum ferroelektrischer Dünnschichten
133 S., 2002

Oxidkeramische Dünnschichten mit hoher dielektrischer Permittivität oder ferroelektrischen Eigenschaften werden zur Zeit weltweit auf ihren Einsatz in hochintegrierten dynamischen Halbleiterspeichern (DRAMs) bzw. nichtflüchtigen ferroelektrischen Speichern (FeRAMs) untersucht. Die Integration elektrokeramischer Materialien in die CMOS-Siliziumtechnologie erfordert einen Herstellungsprozeß, mit dem keramische Dünnschichten gleichmäßiger Zusammensetzung und Schichtdicke auf dreidimensional strukturierten Oberflächen konform abgeschieden werden können. Dabei dürfen die darunterliegenden Siliziumstrukturen nicht durch zu hohe Prozeßtemperaturen und daraus resultierende Diffusionsprozesse geschädigt werden. Da diese Bedingungen von der "metal-organic chemical vapor deposition" (MOCVD) erfüllt werden können, wird diese Methode im Hinblick auf industrielle Nutzung als die aussichtsreichste angesehen.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich deshalb mit der Herstellung ferroelektrischer Dünnschichten mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens. Den Schwerpunkt bilden dabei Entwicklung und Aufbau einer kompletten MOCVD-Versuchsanlage, die mit einem neuartigen kontaktlosen Verdampfersystem ausgestattet ist. Hier werden die Precursoren von einem Ultraschallzerstäuber vernebelt und dann in einen heißen Gasstrom injiziert, so daß sie verdampfen, ohne mit einer heißen Oberfläche in Berührung zu kommen. Auf diese Weise wird der größte Nachteil konventioneller Verdampferkonzepte, die Verschmutzung des Verdampferelementes durch sich zersetzende Chemikalien, vollständig umgangen, so daß die Anlage nahezu wartungsfrei ist. Im direkten Vergleich mit dem bewährten Direct Liquid Injection Subsystem DLI-25C, welches uns von MKS Instruments leihweise zur Verfügung gestellt wurde, konnten die Vorteile berührungsfreier Verdampfung demonstriert werden.

Darüber hinaus wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Standardprozesse zur Abscheidung der ternären Oxide SrTiO3, BaTiO3 und PbTiO3 entwickelt und Wachstumsstudien durchgeführt. An MIM-Strukturen mit Pt als Elektrodenmaterial und SrTiO3 als Dielektrikum vorgenommene elektrische Messungen zeigen eine Schichtqualität, die vergleichbar ist mit den in der Literatur vorgestellten Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen. Weiterhin konnte erstmalig das Mischkristallsystem (PbxBa1-xTiO3 mittels MOCVD abgeschieden werden. Dieses Material ist in Dünnschichtform noch weitgehend unbekannt. Da es einen Übergang zwischen dem in Dünnschichtform superparaelektrischen Bariumtitanat und dem ferroelektrischen Bleititanat darstellt, eignet es sich sehr gut als Modellsystem zur Untersuchung des Einflusses mechanischer Spannungen auf die Schichteigenschaften. Durch Variation des Blei/Barium-Verhältnisses läßt sich die tetragonale Verzerrung der Gitterzellen in weiten Bereichen variieren.

Oxide ceramic thin films with a high permittivity or ferroelectric properties are currently investigated worldwide regarding their application in highly integrated dynamic solid state memories (DRAMs) or non-volatile ferroelectric memories (FeRAMs). The integration of electroceramic materials into the CMOS silicon technology requires a manufacturing process capable of depositing ceramic thin films with uniform composition and structure on three-dimensional surfaces. Thereby, the underlying silicon structures must not be damaged by high process temperatures and resulting diffusion processes. These requirements can be fulfilled by the "metal-organic chemical vapor deposition" (MOCVD) that is considered the most promising method for the growth of ceramic thin films with respect to industrial use.

This thesis deals with the production of ferroelectric thin films using the MOCVD technology. The main focus is put on the design and construction of a complete MOCVD research system that is equipped with a novel non-contact vaporizer system. The precursors are nebulized in an ultrasonic atomizer and injected into a hot gas stream, so they can vaporize without getting into contact with a hot surface. Hence, one of the biggest disadvantages of conventional vaporizer concepts, the contamination of the vaporizing element with decomposing chemicals, could be avoided completely, resulting in a nearly maintenance-free system. In a direct comparison with the well- established Direct Liquid Injection Subsystem DLI-25C from MKS Instruments, the advantages of non-contact evaporation were clearly demonstrated.

Additionally, the scope of this work included the development of standard deposition processes for the ternary oxides SrTiO3, BaTiO3 und PbTiO3 and growth studies were performed. Electrical measurements performed on MIM structures with Pt electrodes and SrTiO3 as dielectric indicate a high film quality comparable with results presented in the literature. Furthermore, for the first time the solid solution (PbxBal-xTiO3 has been deposited by MOCVD. This material system is widely unknown in thin film form and it is well suited as a model system to investigate the influence of mechanical stresses on the film properties, because it represents a transition between the (as a thin film) superparaelectric barium titanate and the ferroelectric lead titanate. Through variation of the lead/barium ratio the tetragonal distortian of the lattice cell could be adjusted in a wide range.

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Letzte Änderung: 07.06.2022