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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Letzte Änderung: 07.06.2022