Deliverables and Services - IHP Microelectronics

Materialien für die Mikro- und
Nanoelektronik
AVD von HfO 2 und Sr 4 Ta 2 O 9 für
MIM-Anwendungen
Die Entwicklung von Bauelementen für die drahtlose
Kommunikation treibt die Entwicklung von Metall-
Isolator-Metall-Kondensatoren (MIM) mit kleineren
Grundflächen und hoher Kapazitätslinearität an. Die
Reduzierung der Kondensatorfläche kann durch den
Gebrauch von Hoch-k-Materialien erreicht werden.
Dielektrische Sr 4 Ta 2 O 9 - und HfO 2 -Schichten wurden in
einem Atomic Vapor Deposition (AVD) Tricent-Reaktor
von AIXTRON mittels monomolekuarer flüssiger Präkursoren
vom Typ Sr[Ta(OC 2 H 5 ) 5 -(OC 2 H 4 OCH 3 )] 2 für Sr 4 Ta 2 O 9
und vom Typ Hf(NMeEt) 4 für HfO 2 abgeschieden.
Röntgenbeugungsuntersuchungen zeigten, dass die
Sr 4 Ta 2 O 9 -Schichten amorph wachsen, während die HfO 2 -
Schichten in der polykristallinen kubischen Phase abgeschieden
wurden.
Die normalisierten Kapazitätsänderungen (C(V) / C 0 )
von HfO 2 - und Sr 4 Ta 2 O 9 -MIM-Kondensatoren mit unterschiedlichen
Schichtdicken sind in Abb. 30 dargestellt.
Die Kapazitätsänderung nimmt mit zunehmender
Schichtdicke ab. Zudem ist die Nichtlinearität von
Sr 4 Ta 2 O 9 schwächer ausgeprägt.
Die Kapazitäts-Spannungs-Linearität ist ein wichtiger
Parameter für die Anwendung von MIM-Kondensatoren
in integrierten Schaltungen. Entsprechend der ITRS-
Roadmap muss der quadratische Kapazitäts-Spannungs-Koeffizient
α kleiner als 100 ppm / V 2 sein. HfO 2 -
Kondensatoren bieten eine maximale Kapazitätsdichte
von 3,5 fF / µm 2 , während Sr 4 Ta 2 O 9 -MIMs eine Kapazitätsdichte
von 4,5 fF / µm 2 mit 100 ppm / V 2 zulassen.
Die dielektrischen Durchbruchspannungen, die mittels
I(V)-Messungen bestimmt wurden, sind in Abb. 31 dargestellt.
Mit Hilfe einer linearen Approximation wurden
die Durchbruchfeldstärken für HfO 2 (5,8 MV / cm) und
für Sr 4 Ta 2 O 9 (3,2 MV / cm) bestimmt.
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A U S G E w ä H L T E P R O J E K T E – S E L E C T E d P R O J E C T S
Materials for Micro- and
Nanoelectronics
AVd of HfO 2 and Sr 4 Ta 2 O 9 for MIM
Applications
the development of wireless devices promotes the development
of metal-insulator-metal (MIM) capacitors
with smaller area sizes and with high capacitance
linearity over a broad voltage range. the reduction
of capacitor area can be achieved by using high-k
dielectric materials.
Dielectric Sr 4 ta 2 o 9 and Hfo 2 thin films were deposited
in the AIXtRon Atomic Vapor Deposition (AVD) tricent
reactor using monomolecular liquid precursors
of the type Sr[ta(oC 2 H 5 ) 5 -(oC 2 H 4 oCH 3 )] 2 for Sr 4 ta 2 o 9
and of the type Hf(nMeet) 4 for Hfo 2 .
X-ray diffraction indicated that Sr 4 ta 2 o 9 layers were
amorphous while Hfo 2 films were deposited in the
poly-crystalline cubic phase.
the normalized capacitance variation (C(V) / C 0 ) of
Hfo 2 and Sr 4 ta 2 o 9 MIM capacitors with selected thicknesses
are illustrated in Fig. 30. Variation of capacitance
is reduced with increasing thickness of the
film. Furthermore, the nonlinearity of Sr 4 ta 2 o 9 based
capacitors is less pronounced.
the capacitance-voltage linearity is an important
parameter for the application of MIM capacitors in
mixed signal ICs. According to the ItRS roadmap, the
required value of the quadratic voltage-capacitance
coefficient α must be smaller than 100 ppm / V 2 . Setting
100 ppm / V 2 as upper limit, Hfo 2 capacitors provide
a maximum capacitance density of 3.5 fF / µm 2 ,
while Sr 4 ta 2 o 9 MIMs permit a capacitance of 4.5
fF / µm 2 .
the dielectric breakdown voltages, determined from
I(V) curves, are shown in Fig. 31. the dielectric
breakdown fields of Hfo 2 (5.8 MV / cm) and Sr 4 ta 2 o 9
(3.2 MV / cm) were determined by linear fits.