Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4159
Regnery, Stephan
Metallorganisch chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) von oxidischen hoch-epsilon Schichten
IV, 166 S., 2005
Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente erfordert die Integration von
hoch-ε Materialien. Der Anwendungsbereich dieser Dielektrika reicht von Kondensatoren mit
metallisch leitenden Elektroden fur 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 ursprunglich fur die Herstellung von III-V Halbleiter konzipiert wurde,
konnte in Zusammenarbeit mit der Firma AIXTRON erfolgreich fur die Abscheidung von
oxidischen hoch-ε Materialien modifiziert werden. Wichtigste Veranderungen 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 fur die Abscheidung des (Ba,Sr)TiO3, Test eines monomolekularen
Prekursors fur das SrTa2O6 und der Test neuartiger Prekursoren fur die Gruppe
IVb Metalle, Gr-IVb-(O-I-Pr)2(tbaoac)2. Zusatzlich werden Tests zur Kompatibilitat 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
<111> unter Benutzung einer neuen Methode der Leitfahigkeitsmessung im Rastersondenmikroskop,
SPM, im Detail untersucht. Zusatzliche Untersuchungen mit XRD, SEM,
HRTEM, SPM und XPS geben ein konsistentes Bild der strukturellen Eigenschaften und ihrer
Abhangigkeit von Wachstumstemperatur und chemischer Zusammensetzung. Die fur die Anwendung
relevanten elektrischen Eigenschaften, vor allen Dingen Kapazitat und Leckstrom,
zeigen eine starke, nichttriviale Abhangigkeit von der Schichtdicke und werden an Hand von
Serien verschiedener Filmdicken diskutiert. Moglichkeiten zur Optimierung der Schichteigenschaften
durch Veranderung der Grenzschichten an den Elektroden werden aufgezeigt. Als
Alternative zum (Ba,Sr)TiO3, fur Anwendungen bei denen die Spannungsabhangigkeit der
Dielektrizitatskonstante (Tunability) nicht erwunscht ist, wurde SrTa2O6 untersucht. Die hier
vorgestellten elektrischen Eigenschaften der amorphen Schichten sind vielversprechend.
Die Eigenschaften der auf Silizium <001> 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 fur die mit einem neuen Prekursor abgeschiedenen
Oxide der Gruppe IVb, die momentan als aussichtsreichste Kandidaten fur die nachste
Generation von Gateoxiden gelten, werden vorgestellt. Die nicht von der Grenzschicht beeinflussten
Schichteigenschaften wie Struktur, Rauhigkeit, Dielektrizitatskonstante des entsprechenden
massiven Oxids, sind fur alle untersuchten Oxidschichten vielversprechend, so dass
sie sich nach einer Optimierung der Grenzschicht auch fur Anwendungen in MIS Kondensatoren
anbieten.
The ongoing miniaturisation in CMOS technology requires the integration of high-k materials.
The application for these high-k materials includes capacitors in DRAMs, integrated capacitors,
gate oxides in MOSFETs and tunable devices. The considered materials in this work
are (Ba,Sr)TiO3, SrTiO3 and SrTa2O6 and the oxides from the group IVb metals: Ti, Zr and
Hf. The films were deposited on Platinum and Silicon substrates in order to evaluate the dielectric
properties for applications in metal-insulator-metal (MIM) structures as well as in
metal-insulator-semiconductor (MIS) structures.
The high-k films were grown by metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) and
the evaluation and optimisation of the production processes is a major part of this work. The
used reactor is an AIX-2600G3, which was originally constructed for the production of III-V
semiconductors and which was further developed for our purposes with special emphasis to
operation at low pressure and in an oxygen atmosphere. Additionally, two liquid delivery systems
were tested, which are the LDS-300B from ATMI and the TRIJET from JIPELEC. Different
approaches were investigated: Mixing of conventional precursors for the example of
(Ba,Sr)TiO3, test of a single source precursor for SrTa2O6 and tests of newly designed precursors
for the group IVb-metal oxides, M-(O-I-Pr)2(tbaoac)2. In addition, compatibility tests of
the new Titanium precursors with the conventional Strontium precursor are presented for the
example of SrTiO3.
Most detailed investigations were performed on the nucleation and growth processes of
(Ba,Sr)TiO3 on Platinum <111>. Details of the nucleation were obtained from the new method
of conductivity scans with the AFM. These investigations were combined with XRD,
SEM, HRTEM, SPM and XPS and give a consistent picture of development of the structural
properties and their dependencies on growth temperature and chemical composition. The electrical
properties, especially capacity and leakage current indicate a strong dependency from
film thickness, which can be explained by separating the bulk- from the interface capacity.
Based on these results the interface layer was optimised by changing the interfacial stoichiometry.
Additionally, SrTa2O6 was tested as an
alternative material with low tunability and
shows promising electrical results.
The MOCVD growth of oxide layers on Silicon is characterized by the growth of an amorphous
interfacial SiOx layer, which corroborates the electrical properties. For the example of
SrTiO3 on Silicon <001> details of the growth kinetics of the interfacial layer were investigated
by HRTEM. The first results from group IVb oxides, which are the most promising
candidates for gate oxides, are presented. Film properties, which are not influenced by the
amorphous SiOx layer, like structure, roughness, dialectical constant of the bulk material are
very promising. Hence, there remains an optimisation of the amorphous layer before integration.
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