Formation and characterization of SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT)thin film capacitor module with Platinum-Titanium bottom and Platinum top electrodes

Hartner, Walter; Waser, Rainer

doi:628

Formation and characterization of SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT)thin film capacitor module with Platinum-Titanium bottom and Platinum top electrodes

Hartner, Walter (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Walter Hartner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

Umfang139 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-07-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6287
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61942/files/Hartner_Walter.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Strontiumverbindungen (Genormte SW) ; Bismutverbindungen (Genormte SW) ; Tantalate (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Ferroelektrikum (Genormte SW) ; Halbleiterspeicher (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; FeRAM (frei) ; SBT (frei) ; SBT thin film capacitors (frei) ; Strontium-Bismuth-Tantalate (frei) ; MOD (frei) ; thin film stress (frei) ; Pt hillock formation (frei) ; Adhesion (frei) ; Pt/Ti electrodes (frei) ; Pt/TiOx electrodes (frei) ; Ti doping of SBT (frei) ; Loss of Bi (frei) ; Bi Diffusion (frei) ; Rapid Thermal Processing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Neuartige Ferroelektrische Speicher (FeRAMs) sind mit ihrer Nicht-Flüchtigkeit, ihrer kleinen DRAM ähnlichen Zelle, ihrer schnellen Lese und Schreibgeschwindigkeit, ihres kleines Spannungsverhalten und ihres geringen Stromverbrauchs besonders für mobile Anwendungen interessant. Obwohl zur Herstellung von FeRAMs gängige CMOS Prozesse herangezogen werden können, müssen bei der Entwicklung von FeRAMs aufgrund der Verwendung von neuen Materialien wie Platin und SrBi2Ta2O9 (SBT) im Kondensator-Modul noch zahlreiche Probleme gelöst werden. Die wichtigsten Prozesse im Kondensator-Modul sind (A) die Bildung der unteren Elektrode und ihre Wechselwirkung mit der ferroelektrischen SBT Schicht, (B) die Abscheidung und Kristallisierung der ferroelektrischen Schicht selber, (C) das Strukturieren der oberen Elektrode und das Ausheilen der Ätzschäden nach der Strukturierung der oberen Elektrode, und schließlich (D) die Backend-Prozesse wie Zwischenoxyd-Abscheidung und Formiergas Temperung und deren Einfluß auf den ferroelektrischen Kondensator. Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist es nun, diese Prozesse zu untersuchen und deren Einfluß auf die ferroelektrischen und physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Es werden Modelle entwickelt, um die beobachteten Ergebnisse zu interpretieren. (A) So zeigt sich, daß bei Verwendung von Pt/Ti Elektroden ein größerer Bi-Verlust des SBT's in die untere Pt/Ti Elektrode im Vergleich zu einer Pt/TiOx Elektrode festzustellen ist. Mit diesem Befund können die unterschiedlichen elektrischen Ergebnisse von SBT Kondensatoren auf Pt/Ti versus Pt/TiOx als unterer Elektrode gedeutet werden. Die Haftung der unteren Platin Elektrode und das Hillockwachstum auf der unteren Platin Elektrode werden ebenfalls analysiert und gedeutet. (B) Untersuchungen der Kristallisierung bei verschiedenen Temperaturen und bei unterschiedlichen Schichtdicken des SBT's ermöglichten die Aufstellung eines Temperatur-Schichtdicken Phasendiagramms. Daraus ergeben sich die Zusammenhänge von Korngröße, Brechungsindex, Polarisation und Fremdphase. Kristallizationsprozesse in Stichstoff und unter Vakuum werden als eine Folge des Bi-Verlustes diskutiert. (C) Elektrische und analytische Resultate von strukturierten SBT-Kondensatoren mit kristallinem und nicht-kristallinem SBT, betrachtet jeweils vor und nach einer zusätzlichen Temperung nach dem Strukturieren der oberen Elektrode, werden vorgestellt. Daraus entwickeln sich zwei Modelle. Eines zum Leckstromverhalten von SBT Kondensatoren und ein weiteres Model zur Erklärung der Degradation der elektrischen Eigenschaften bei kleinen Strukturen. In allen Fällen werden sowohl kritstallines, als auch nicht-kristallines SBT betrachtet. (D) Der Einfluß einer Formiergas Temperung auf die Eigenschaften des SBT-Kondensators werden mit und ohne oberer Elektrode charakterisiert. Das Entstehen von Pt-Bi Nadeln auf der SBT Oberfläche und das Abblättern der oberen Elektrode nach einer Formiergas-Temperung werden diskutiert. Die Hauptursachen für die beobachteten Degradationsphänomene sind dabei das Stressverhalten des Platin Films und die Reduktion des BiOx zu metallischem Bi durch den Wasserstoff.

New ferroelectric memories (FeRAMs) provide a enormous business potential. They are nonvolatile, they can be designed like a DRAM with a small cell, and they exhibit fast read and write times. Especially interesting for mobile applications are FeRAMs with SrBi2Ta2O9 (SBT) due to their low voltage and low power behavior. Although standard CMOS processes can be used for front-end and back-end processes, FeRAM technology development has to overcome major challenges due to new materials used for the capacitor formation like SBT and Platinum. The main process steps for the formation of the capacitor module are (A) building of the bottom electrode and its interaction with the ferroelectric layer, (B) the deposition and crystallization of the ferroelectric layer, (C) the structuring of the top electrode and the recovery annealing after the patterning of the top electrode, and (D) the back-end processes like interlayer dielectric deposition and forming gas anneal and its impact on the performance of the ferroelectric capacitor. The objective of the thesis is to analyze all these processes and to characterize the interactions of the Pt/SBT/Pt stack during bottom electrode processing, SBT layer annealing, top electrode patterning and hydrogen annealing. Models are developed to explain the observed results. (A) It is shown that by using Pt/TiOx bottom electrodes higher polarization values compared to Pt/Ti bottom electrodes are obtained. By using Total X-Ray Fluorescence (TXRF) technique, the loss of bismuth into the Pt electrode is found to be almost 40% higher for Pt/Ti electrodes compared to Pt/TiOx electrodes. This difference in Bi-loss results in different crystallization of SBT at the Pt-SBT interface. For the Pt/Ti electrode the formation of Bi-deficient SBT with a lower dielectric constant at the interface could explain the higher polarization values for Pt/TiOx electrodes compared to Pt/Ti. The critical parameters for both hillock formation on Pt bottom electrode and for Pt adhesion are also discussed. (B) The effects of crystallization of SBT at different temperatures and at different film thickness are analyzed. The higher the crystallization temperature the larger the SBT grains and the higher the polarization values. The thinner the SBT films the more secondary phases are observed. In addition the results of the crystallization of SBT under low-pressure and in nitrogen is presented with the focus on Bi-loss. (C) Electrical and analytical results of patterned capacitors with both crystalline and non-crystalline SBT are shown. It is revealed that after patterning and annealing of the Pt/SBT stack, a degradation of the remanent polarization and leakage current for smaller feature sizes is observed. No degradation of electrical properties is seen after etching of non-crystalline SBT capacitors and annealing. A model to explain this difference of the electrical properties between crystalline and non-crystalline SBT capacitors is introduced. The model is based on a damaged zone with a Bi deficiency at the edge of the capacitor after patterning. (D) The effects of annealing in forming gas (FGA: 5% hydrogen, 95% nitrogen) on SBT films on platinum bottom electrode and on silicon dioxide with and without platinum top electrode are studied. The films were characterized by residual stress measurements, Scanning Electron Microscopy (SEM), Auger Electron Spectroscopy (AES), High Temperature X-Ray Diffraction (HT-XRD) and Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). After FGA of blanket SBT films, tall platinum-bismuth whiskers are seen on the SBT surface. FGA of the entire Pt/SBT/Pt/Ti stack shows two different results. For the samples with a high temperature annealing step in oxygen after top electrode patterning, peeling of the top electrode is observed after FGA. For the samples without a high temperature annealing step, no peeling is observed after FGA. The findings are discussed as a results of stress behavior and by the reduction of BiOx to metallic Bi by the hydrogen.

OpenAccess:
PDF
(additional files)