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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22775
URL: http://opus.kobv.de/btu/volltexte/2011/2277/


Dudek, Piotr

Atomic scale engineering of HfO2–based dielectrics for future DRAM applications

Engineering auf atomarer Skala von HfO2-basierten Dielektrika für künftige DRAM Anwendung

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Dokument 1.pdf (4.141 KB)


Kurzfassung in Englisch

Modern dielectrics in combination with appropriate metal electrodes have a great potential to solve many difficulties associated with continuing miniaturization process in the microelectronic industry.
One significant branch of microelectronics incorporates dynamic random access memory (DRAM) market. The DRAM devices scaled for over 35 years starting from 4 kb density to several Gb nowadays. The scaling process led to the dielectric material thickness reduction, resulting in higher leakage current density, and as a consequence higher power consumption. As a possible solution for this problem, alternative dielectric materials with improved electrical and material science parameters were intensively studied by many research groups. The higher dielectric constant allows the use of physically thicker layers with high capacitance but strongly reduced leakage current density.
This work focused on deposition and characterization of thin insulating layers. The material engineering process was based on Si cleanroom compatible HfO2 thin films deposited on TiN metal electrodes. A combined materials science and dielectric characterization study showed that Ba added HfO2 (BaHfO3) films and Ti added BaHfO3 (BaHf0.5Ti0.5O3) layers are promising candidates for future generation of state of the art DRAMs. In especial a strong increase of the dielectric permittivity k was achieved for thin films of cubic BaHfO3 (k~38) and BaHf0.5Ti0.5O3 (k~90) with respect to monoclinic HfO2 (k~19). Meanwhile the CET values scaled down to 1 nm for BaHfO3 and ~0.8 nm for BaHf0.5Ti0.5O3 with respect to HfO2 (CET=1.5 nm). The Hf4+ ions substitution in BaHfO3 by Ti4+ ions led to a significant decrease of thermal budget from 900°C for BaHfO3 to 700°C for BaHf0.5Ti0.5O3.
Future studies need to focus on the use of appropriate metal electrodes (high work function) and on film deposition process (homogeneity) for better current leakage control.

Kurzfassung in Deutsch

Moderne Dielektrika in Verbindung mit geeigneten Metallelektroden haben großes Potential um viele Schwierigkeiten mit dem voranschreitenden Minituarisierungsprozess in der Mikroelektronik zu lösen.
Ein wesentlicher Bestandteil der Mikroelektronik beinhaltet die Entwicklung von random access memory (DRAM). Diese begann vor über 35 Jahren mit Speichergrößen von 4kb, welche mittlerweile in den Bereich von mehreren Gigabytes vorangetrieben wurde. Daraus resultierte eine zunehmende Reduzierung der dieelektrischen Materialdicken, welche zu höheren Leckstromdichten und so zu einem erhöhten Leistungsverbrauch führte. Als mögliche Lösung werden alternative Dielektrika mit verbesserten elektrischen und materialspezifischen Eigenschaften von vielen Forschungsgruppen intensiv untersucht. Materialien mit höheren dielektrischen Konstanten ermöglichen die Verwendung von höheren Schichtdicken mit hohen Kapazitäten, jedoch mit vergleichsweise verringerten Leckstromdichten.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Deposition und Charakterisierung von dünnen isolierenden Schichten. Die Werkstoffkunde basierte auf dünnen HfO2 – Schichten die auf TiN – Metallelektroden abgeschieden wurden. Untersuchungen der materialspezifischen und dielektrischen Eigenschaften haben gezeigt, dass Ba-dotierte HfO2 Schichten (BaHfO3) und Ti-dotierte BaHfO3 Schichten (BaHf0.5Ti0.5O3) vielversprechende Kandidaten für die zukünftige Generation von DRAMs sind. Ein starkes Ansteigen der dielektrischen Permettivität konnte für dünne Schichten aus kubischem BaHfO3 (k~38) und BaHf0.5Ti0.5O3 (k~90) im Vergleich zu monoklinen HfO2 (k~19) erreicht werden. Mittlerweile sanken die CET-Werte bis auf 1 nm für BaHfO3 und ~0.8 nm für BaHf0.5Ti0.5O3 im Vergleich zu HfO2 (CET=1.5 nm). Die Substitution der Hf4+ - Ionen durch Ti4+ - Ionen in BaHfO3 führte zu einer signifikaten Absenkung des thermischen Budgets von 900°C für BaHfO3 zu 700°C für BaHf0.5Ti0.5O3. Zukünftige Untersuchungen haben zur Aufgabe die Leckstromkontrolle über passende Metallelektroden (höhere Austrittsarbeit) und einen Depositionsprozess mit verbesserter Homogenität zu verbessern.


SWD-Schlagwörter: Mikroelektronik , Miniaturisierung , Dielektrikum , Elektrode , Metall
Freie Schlagwörter (Deutsch): Dielektrika , Hoch-k Materialien , Untersuchung auf atomarer Skala
Freie Schlagwörter (Englisch): Dielectrics , High-k materials , Atomic Scale Engineering , HfO2-based materials , XPS
Collection: BTU / Wiss. Publikationen
Institut: LS Angewandte Physik / Sensorik
Fakultät: Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schmeisser, Dieter Prof. Dr. habil
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.02.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 20.10.2011


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