Template-controlled integration and characterization of bottom-up grown ferroelectric nanoislands

Clemens, Sven; Waser, Rainer

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-28083

Template-controlled integration and characterization of bottom-up grown ferroelectric nanoislands = Keimmatrizen-kontrollierte Integration und Charakterisierung additiv gewachsener Ferroelektrischer Nanoinseln

Clemens, Sven

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Clemens

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangV, 132 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-01-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28083
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63070/files/Clemens_Sven.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ferroelektrikum (Genormte SW) ; Informationstechnik (Genormte SW) ; Nanostruktur (Genormte SW) ; Low-k-Dielektrikum (Genormte SW) ; Dreidimensionale Integration (Genormte SW) ; Speicherdichte (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; additives Wachstum (frei) ; Nanostrukturierung (frei) ; ferroelectric (frei) ; integration density (frei) ; bottom-up growth (frei) ; nanostructures (frei) ; low-k-dielectric (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die fortschreitende Entwicklung der Dünnschichttechnologie eröffnet ferroelektrischen Keramiken heutzutage ein weitreichendes Feld neuer Einsatzgebiete im Bereich der Informationstechnologie bzw. der Halbleitertechnik. Exemplarisch sei hier der FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) erwähnt, welcher die spontane Polarisation ferroelektrischer Dünnschichten zur nicht-flüchtigen Speicherung digitaler Daten verwendet. Zum Einsatz kommen ferroelektrische Filme jedoch ebenso aufgrund ihrer herausragenden dielektrischen, piezoelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften. Die Zukunftsfähigkeit dieser Technologien wird in erster Linie davon abhängen, ob und inwiefern es gelingt, den Anforderungen des Marktes an wachsende Integrationsdichten gerecht zu werden. Größeneffekte in realen, ferroelektrischen Systemen werden oftmals weniger intrinsisch als vielmehr von äußeren Einflüssen wie der Strukturprozessierung, Randbedingungen und Defekten bestimmt. Es stellt sich daher die Frage, wie dreidimensionale ferroelektrische Strukturen mit Integrationsdichten in Gbit-Bereichen für zukünftige Bauelementgenerationen prozessiert werden können, ohne hierbei ihre physikalischen Eigenschaften nachhaltig zu schädigen. Bezüglich der elektrischen Charakterisierung der Strukturen kommt erschwerend hinzu, dass die messbare Ladung mit der Fläche skaliert. So besteht die Kompensationsladung für einen 100 nm2 großen Kondensator mit einer Polarisation von 30 µC/cm2 aus lediglich 180 Elektronen. An Kondensatoren unterhalb von 200 x 200 nm2 wurde Ferroelektrizität daher bislang lediglich qualitativ und indirekt über deren Piezoelektrizität nachgewiesen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden additiv gewachsene, ferroelektrische Bleititanat (PTO) Inseln in Hinblick auf ihr Integrationspotential untersucht. Das Verfahren, welches auf chemischer Lösungssynthese (CSD) basiert, ist insbesondere deshalb vielversprechend, weil es sich zur nicht-destruktiven parallelen Prozessierung kleinster ferroelektrischer Strukturen eignet. Eine neuartige Methode, die auf vordefinierte Titanoxid Nukleationskeime zurückgreift, ermöglicht es, die ferroelektrischen Kristalle auf dem Substrat mit präziser Anordnung und gleichmäßiger Größenverteilung aufzuwachsen. Die so hergestellten ferroektrischen Matrizen haben Integrationsdichten, die im Bereich regulär angeordneter, funktionaler ferroelektrischer Nanostrukturen erstmalig erreicht wurden. Bezüglich der elektrischen Charakterisierung der Nanoinseln wird eine Integrationsmethode vorgestellt, die auf CSD-basiert abgeschiedenen Low-k Oxidschichten und Chemisch-Mechanischer Planarisierung (CMP) basiert. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe des Planarisierungsschrittes vollständig isolierte ferroelektrische Nanoinseln geringster Höhe (< 20 nm) elektrisch kontaktierbar gemacht werden können. Eine Schädigung der ferroelektrischen Struktureigenschaften durch die Prozessierung ist nicht feststellbar, was durch elektrische Messungen an den Nanoinseln bestätigt wird. Elektrische Hysteresemessungen werden ermöglicht, indem die Inseln parallel kontaktiert werden. Zum ersten Mal überhaupt wurden so Schaltströme an ferroelektrischen Nanostrukturen mit typischen lateralen Abmessungen unterhalb von 100 nm aufgenommen.

The tremendous progress in thin-film processing has opened up an exciting new field of applications for ferroelectric materials in information and semiconductor technology today. Exemplarily, the development of the Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM) was enabled, which uses the spontaneous polarization of ferroelectric thin-films to store digital information non-volatile. Beyond, ferroelectric films are likewise employed due to their outstanding dielectric, piezoelectric and pyroelectric properties. The prospective success of any of these technologies will first and foremost depend on their potential to fulfill the markets requirement for ever growing integration densities. The scalability of ferroelectric materials however is still under discussion and therefore subject to various research projects. Size-effects in real systems are expected to be often rather extrinsically determined by technological issues like processing induced damage and boundary conditions than intrinsically. The general question arises, how ferroelectric nanostructures can be processed with Gbit integration densities for future devices without deteriorating their physical properties. In addition, electrical characterization of these structures is hampered as the electric charge to detect scales with lateral cell dimension. A surface charge of a 100 nm2 capacitor that features a 30 µC/cm2 polarization is compensated by merely 180 electrons for example. Hence, ferroelectricity of capacitors below 200 x 200 nm2 in lateral dimensions was so far only shown qualitatively and indirectly via their piezoelectric properties. In the framework of this thesis, bottom-up grown ferroelectric lead titanate (PTO) nanoislands are studied in terms of their potential for integration and electrical characterization. The production method applied is based on Chemical Solution Deposition (CSD) which is especially suited as it features a non-destructive, parallel processing of smallest ferroelectric nanostructures. A new method, based on pre-defined artificial titanium oxide nucleation sites, is introduced to enable growth of the ferroelectric crystals with a precise arrangement and a uniform size distribution. Using this technique, the ferroelectric nanostructure arrays achieve integration densities up to 6.4~Gbit/cm2 – for the first time obtained in the field of well-ordered functional ferroelectric nanostructures. Regarding electrical characterization of the nanoislands, an integration method based on flowable oxide layers and Chemical Mechanical Polishing (CMP) is presented. It is shown, that using the polishing step electrical contact can be provided to completely insulated, ferroelectric nanoislands of lowest heights (< 20 nm). A significant deterioration of the ferroelectric properties due to this processing method is not detected which is supported by direct electrical characterization of the embedded nanoislands. Electrical hysteresis measurements are facilitated by connecting the islands in parallel. For the first time displacement current peaks are recorded on ferroelectric nanostructures featuring typical lateral dimensions below 10000 nm2.

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