Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3956
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.
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.
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.
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.
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