Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) ferroelektrischer Dünnschichten : Herstellung und Charakterisierung

Puchalla, Jochen; Waser, Rainer

doi:2040

Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) ferroelektrischer Dünnschichten : Herstellung und Charakterisierung = Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) of Ferroelectric Thin Films : Synthesis and Characterization

Puchalla, Jochen (Author)

2007

VerantwortlichkeitsangabeJochen Puchalla

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek, Verl. 2007

Umfang165 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-492-3

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Informationstechnik ; 17

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-06-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20401
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62544/files/Puchalla_Jochen.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MOCVD-Verfahren (Genormte SW) ; FRAM <Informatik> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Ferroelektrika (frei) ; ferroelectrics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die zunehmende Verbreitung digitaler Kommunikationssysteme erfordert immer leistungsfähigere und schnellere Speicher mit gleichzeitig minimalem Energieverbrauch. Neuartige nichtflüchtige Speicher aus ferroelektrischen kristallinen Dünnschichten (FeRAM) sind ein möglicher Ersatz für Flash- und DRAM-Speicher mit gleichwertigen und sogar überlegenen Eigenschaften. In der industriellen Herstellung ist die Methode der chemischen Gasphasenabscheidung favorisiert, die hohe Wachstumsraten verbindet mit der Skalierbarkeit auf größere Waferdurchmesser und der Möglichkeit, konform auf komplexen Strukturen abzuscheiden. Ferroelektrische Schichten des Materials Bleizirkonat-titanat (PZT) sind vielversprechend für den Einsatz in diesen Speicherbausteinen. Ein Problem ist die hohe Schaltspannung, die bei Verringerung der Schichtdicke unter 100 nm nicht weiter reduziert werden kann. Ein Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluß von Materialmodifikationen auf die elektrischen Eigenschaften von PZT basierten Schichten mit Dicken im Bereich um 100 nm zu studieren. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals eine systematische Untersuchung an polykristallinen und epitaktischen dünnen Schichten aus ferroelektrischem Barium-substituiertem Bleizirkonat-titanat (Pb1-xBax)(Zr1-yTiy)O3 (PBZT) durchgeführt, die per Metallorganischer Chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt wurden. Das Konzept der gepulsten MOCVD mit flüssiger Prekursorzuführung wurde genutzt, um Schichten von hoher Qualität herzustellen. Es wurde ein Prozess entwickelt mit dem einphasige PZT-basierte Perowskitschichten mit variablem Barium-Gehalt abgeschieden werden konnten, einerseits in polykristalliner Form auf Iridium-beschichteten Siliziumsubstraten und andererseits heteroepitaktisch auf mit Strontiumruthenat beschichteten Strontiumtitanat-Einkristallen. Durch Änderung der Prozessführung ist es gelungen, für die polykristallinen PBZT Schichten im Gegensatz zu den reinen PZT-Schichten eine signifikante Verbesserung der Grenzschichtqualität hervorzurufen, wie mit Transmissionselektronenmikroskopie nachgewiesen wurde. Die an Keramiken bei Einbringen von Barium in PZT beobachtete Verschiebung des morphotropen Phasenübergangs hin zu niedrigerem Zirkongehalt wurde auch in den Schichtsystemen durch Röntgenbeugungsmessungen nachgewiesen. Die Tetragonalität in den PBZT-Schichten nimmt linear mit dem Bariumgehalt ab. An epitaktischen Schichten konnte mit der Methode des „Reciprocal Space Mappings” ebenfalls gezeigt werden, dass der Winkel der Verkippung der a-Domänen in c-Achsen-orientierten Schichten ebenfalls durch den erhöhten Bariumgehalt reduziert wird. Dieser Verkippungseffekt wird durch die in allen Schichten vergleichbare substratinduzierte Druckspannung teilweise kompensiert. Die Substitution von PZT mit Barium ermöglicht so erstmals, Studien zum Einfluss der Tetragonalität auf die strukturellen und elektrischen Eigenschaften der Schichten durchzuführen, was bei Variation des Zr-Gehalts in reinem PZT durch den Phasenübergang von der tetragonalen zur rhomboedrischen Struktur limitiert ist. In epitaktischen 110 nm dünnen Schichten mit tetragonaler Struktur und (001)-Orientierung ist es gelungen, die Schaltspannung von 1,5 V für reines PZT(29/71) durch Substitution mit 11 at% Ba auf 0,9 V zu verringern. Die remanente Polarisation wird dabei um weniger als einen Faktor zwei von 52 µC/cm2 auf 29 µC/cm2 reduziert. Bei 1 V und Raumtemperatur liegt der Leckstrom in der Ba-substituierten Schicht bei Werten um 1,5·10-8 A/cm2.

The extended use of digital communication requires ever more powerful and faster memory with concurrently minimized energy consumption. Novel non-volatile memory using ferroelectric crystalline thin films (FeRAM) are a possible replacement for Flash- and DRAM-memory with equivalent or superior performance. Ferroelectric films consisting of lead zirconate titanate (PZT) are a promising candidate for the application in these memory devices. One problem for the application of PZT in memory devices is its high switching voltage which cannot be further reduced at film thicknesses below 100 nm. One aim of this work has been to study the effect of a material modification on the electronic properties of PZT based films with thicknesses in the area of 100 nm. For the first time a systematic examination on polycrystalline and epitaxial thin films of ferroelectric barium substituted lead zirconate titanate (Pb1-xBax)(Zr1-yTiy)O3 (PBZT) has been undertaken. These PBZT films have been synthesized by metal organic chemical vapour deposition (MOCVD). A process has been developed to deposit single-phase PZT based perovskite films with varying barium content, both in polycrystalline form on iridium covered silicon substrates and hetero-epitaxially on strontium ruthenate covered strontium titanate single crystals. By modification of the processing of polycrystalline PBZT films, a significant improvement of interface quality in comparison to pure PZT films has been shown successfully. The shifting of the morphotropic phase boundary to lower zirconium content, which has been observed by the insertion of barium into PZT ceramics, could also be verified in thin films by X-ray diffraction. The tetragonality in PBZT films decreases linearly with barium content. In epitaxial films it could be shown by the method of reciprocal space mapping that the tilting angle of a-domains in c-axis oriented films is also being decreased by increasing barium content. This tilting effect is partially compensated by substrate induced compressive stress, which is comparable in all films. The substitution of PZT with barium allows for the first time to study the influence of the tetragonality on the structural and electrical properties of the films. Only by variation of the zirconium content in pure PZT this influence is limited by the phase transition from the tetragonal to the rhombohedral structure. In epitaxial 110 nm thick films with tetragonal structure and (001) orientation the switching voltage has been successfully reduced from 1.5 V for pure PZT(29/71) to 0.9 V by the substitution of 11 at% barium in PZT. At the same time the remanent polarisation is being decreased by less than a factor of two from 52 µC/cm2 to 29 µC/cm2.

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