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Chemische Gasphasenabscheidung von Metallsilicatschichten aus Einquellen-Ausgangsstoffen für Anwendungen in der Mikroelektronik

Chemical vapor deposition of metal silicates using single-source precursors for microelectronic applications
 
: Lemberger, M.

Erlangen-Nürnberg, 2010, 217 S.
Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2010
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-16763
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer IISB ()
Mikroelektronik; Halbleitertechnologie; MOCVD-Verfahren; Ausgangsmaterial; MIS; High-k-Dielektrikum; Halbleitergrenzfläche; Hafniumsilicat; Zirconiumsilicat; Titanat; Siliciumscheiben; Germaniumscheiben

Abstract
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit umfassenden Untersuchungen zur metall-organisch chemischen Gasphasenabscheidung von hoch-Epsilon Metallsilicaten der Übergangsmetalle Hafnium, Zirconium und Titan und zur physikalischen wie elektrischen Charakterisierung der Schichten in MIS-Kondensatoren. Für die Abscheidung wurden neuartige Einquellen-Ausgangsstoffe der Form [M (acac) 2 (O Si tBu x Me 3-x) 2] mit gemischten beta-Diketonat- und Alkoholatliganden verwendet (M = Zr, Hf oder Ti, x = 0 oder 1, acac = Acetylacetonat, tBu = tert-Butyl und Me = Methyl). Die gewählte Struktur mit gemischten Liganden zeigte einen vielversprechenden Kompromiss zwischen Flüchtigkeit und Stabilität der Ausgangsstoffe und auch deren CVD-Verhalten erwies sich geeignet. Die erzielten Schichten im Temperaturbere ich 500 bis 600°C waren aufgrund einer bevorzugten Abspaltung des Siloxidliganden metallreich (d. h. Siliciumanteil bis etwa 20%). Eine signifikante Kohlenstoffkontamination (bis etwa 20 at.-%) aufgrund unvollständig dissoziierter Siloxidliganden erforderte eine Temperung in Sauerstoff bei Temperaturen größer 700°C. Diese Temperung verursachte neben der Eliminierung des Kohlenstoffs mit verbundener Ausheilung von Störstellen und Ladungen eine Kristallisation, aber auch ein Wachstum der Grenzflächenschicht zwischen Zirconium- bzw. Hafniumsilicat und Siliciumsubstrat. Dies beschränkt eine Skalierung zu kleinen effektiven Oxiddicken. Schichten einer Dicke von etwa 10 nm, die bei 900°C für 10 s in Sauerstoff getempert wurden, zeigten jedoch ein Optimum elektrischer Kenngrößen (z. B. effekti ve Dielektrizitätskonstante von etwa 12,5 bei einer Stromdichte kleiner 10-8 A/cm2 für elektrische Feldstärken gleich 1 MV/cm). In allen Schichten konnte zudem eine hohe Ladungsdichte (z. B. feste Isolatorladung bis etwa 1012 1/cm2 bei Volumenladungsdichten bis etwa 8*1019 1/cm3) beobachtet werden, welche die Stromtransportmechanismen (v. a. haftstellenbasierte Poole-Frenkel-Emission) als auch stressinduzierten Leckstrom als Indiz für eine Degradation begründet. Unterschiede konnten in Bezug auf die Energieniveaus der vorhandenen Haftstellen in Zirconium- bzw. Hafniumsilicat gezeigt werden. Diese, jeweils zwei Niveaus, liegen in Hafniumsilicat etwa 0,65 und 1,05 eV und in Zirconiumsilicat 0,95 und 1,5 eV unterhalb der Leitungsbandkante des Dielektrikums. Durch die Haftstellen wird au ch auch der Ladungsaufbau während eines elektrischen Stress beeinflusst. Neben ternären Metallsilicaten wurden die Auswirkungen einer Beimischung von Titansilicat unterschiedlicher Anteile in Hafniumsilicat mit resultierenden quarternären Hafniumtitansilicaten auf elektrische Kenngrößen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich durch Beimischung die Dielektrizitätskonstante erhöhen lässt, ohne dass dabei die Stromdichte signifikant steigt oder der Stromtransportmechanismus geändert wird. Im Rahmen der Untersuchungen trifft dies auf ein Hf:Ti-Verhältniss bis etwa 50:50 zu. Eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten geht jedoch zu Lasten von Ladungen im Dielektrikum aufgrund ungesättigter Bindungen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit von der Stöchiometrie sowo hl ein Wechsel im Stromtransportmechanismus von Poole-Frenkel-Emission in hafniumreichen Hafniumtitansilicaten hin zu phonenunterstütztem Tunneln (d. h. ab einem Hf:Ti-Verhältnis von etwa 30:70 über Phononen einer Energie etwa 20 meV) stattfindet als auch für den Übergangsbereich in Bezug auf die Spannungspolarität ein unsysmmetrischer Stromtransport auftritt. Beides ist in einer kontinuierlichen strukturellen Änderung von Hafniumtitansilicat mit steigendem Titangehalt begründet (z. B. Phasenseparation, von der Hafniumtitansilicat/Silicium-Grenzfläche beginnend). Im Weiteren konnte die Kompatibilität des CVD-Prozesses wie auch des Hafniumsilicat als Dielektrikum zu Germaniumscheiben nachgewiesen werden. In Gegenwart von Germanium konnte ein im Vergleich zu Siliciumsubstraten geändertes Abscheideverhalten der Ausgangschemie (d. h. verstärkte Abspaltung der Siloxidliganden) beobachtet werden, aufgrund dessen sich z. B. eine Stöchiometrie des Dielektrikum zu annähernd stöchiometrischem, kohlenstofffreiem Hafniumoxid mit einem Siliciumeinbau nur in der oberster Deckschicht bei Isolatordicken größer etwa 15 nm auf nitridiertem Germanium ergab. Für eine Nitridierung der Germaniumoberfläche ließen sich durchgängig positive Auswirkungen auf C(U)- als auch J(U)-Charakteristiken von MIS-Kondensatoren zeigen (d. h. Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten auf maximal 18,6 bei gleichzeitiger Verringerung der Ladungsdichte wie Stromdichte) im Vergleich zu blanken Germaniumscheiben. Der Stromtransport wurde wiederum über Poole-Frenkel-Emission über Haftstellen einer Energie von etwa 0,5 eV beobachtet.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-120064.html