(MOCVD) oxidischer Dönnschich ten aus dem Materialsystem Barium

2 1 Einleitung
Dielektrische Schichten aus komplexen Oxiden
Ein erheblicher Anteil der Materialwissenschaft ist stark auf die Anwendungen und
Erfordernisse der Informations-Technologie ausgerichtet. Für eine Auswahl von
Devices wie z. B. Speicherbausteine, Filterelemente und Schalter können die
Forderungen gut durch die speziellen physikalischen Eigenschaften der oxidischen
Ferroelektrika und der Hoch-�-Dielektrika erfüllt werden [7].
Dielektrika für MOSFET-Gates und integrierte Speicherkondensatoren werden bisher
aus SiO2 bzw. aus sogenannten ONO-Layern (Oxy-Nitrid-Schichten) gefertigt. Ihre
physikalische Grenze liegt in einsetzenden Tunnelströmen im ultradünnen Bereich. Das
skalierbare Dickenlimit liegt bei etwa 13 Å [8]. Eine Alternative zu diesen
Standardmaterialien stellen binäre metallische Oxide aus den Gruppe IV-
Übergangsmetallen dar: ZrO2, TiO2 und HfO2 sowie Al2O3. Sie weisen typischerweise
um einen Faktor zwei bis drei höhere Werte für die Dielektrizitätskonstante (DK) auf.
Dadurch kann die Schichtdicke im Vergleich zu SiO2 vergrößert werden, was wiederum
zu einer Reduktion des Leckstromes führt. Die betrachteten Übergangsmetalloxide
zeigen zudem geeignete thermodynamische Stabilität bei der Deposition und
anschließender Oxidation gegenüber Silizium, da Sauerstoffdiffusion und
Interfacereaktionen zur Bildung von amorphen SiO2-Zwischenschichten führen können.
Interfaceschichten reduzieren die Gesamtkapazität stark, da die niedrig polarisierbare
Zwischenschicht eine kapazitive Reihenschaltung mit dem eigentlichen Dielektrikum
bildet. Hier müssen sowohl ausgereifte Methoden als auch das mikroskopische
Verständnis über die Interface-Struktur greifen (interface engineering). Alternative
dielektrische Schichten sollen generell höhere DK-Werte besitzen. Hierin begründet
sich die Motivation für die Evaluation/den Einsatz von hoch-DK-Materialien in
zukünftigen integrierten Schaltkreisen.
Die nachfolgende ‚logische Kette’ soll für das Beispiel des Speicherkondensators
aufzeigen, wie zur Erhöhung der Performance skalierter Bauelemente die Integration
komplexer Oxide dienen kann. Die Miniaturisierung führt zu kleineren Kondensatoren.
Zur Gewährleistung auslesbarer Ladungsmengen in DRAM-Zellkondensatoren werden
höhere DK-Werte benötigt. Diese Forderung kann durch komplexe oxidische
Materialsysteme erfüllt werden. Die ermöglichte Reduktion der EOT 2 wurde effektiv
mit höheren realen Schichtdicken erzielt, wodurch wiederum die Tunnelströme deutlich
reduziert werden können, was schließlich die Forderung nach minimierten
Leistungsverlusten erfüllt. Die Technologie der dünnen Schichtsysteme gewinnt
dadurch ebenfalls an Komplexität. Verschiedene Depositionsmethoden beeinflussen
durch ihre spezielle Charakteristik die Struktur und Morphologie der Schichten.
Physikalische Methoden bewirken z. B. durch die hohe Auftreffenergie der auf das
Substrat gelangenden Teilchen möglicherweise eine Veränderung der physikalisch-
2
EOT: effective oxide thickness (äquivalente Schichtdicke eines hypothetisch integrierten SiO2-
Dielektrikums)