MOCVD von Strotium-Bismut-Tantalat / Bismut-Tantalat-Niobat - Schichten und ferroelektrische Speicherkondensatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Berichtszeitraum wurden Stapelschichten bestehend aus Strontium-Bismut-Tantalat (SBT) und Bismut-Titan-Niobat (BTN) mit Hilfe der entwickelten Gasphasenabscheidungsprozesse für die Einzelschichten hergestellt und charakterisiert. Die erzeugte Schichten wurden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Prozessführung untersucht. Neben der chemischen Zusammensetzung wurden die Mikrostruktur der SBT/BTN-Schichten, die optischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere die ferroelektrischen, bestimmt. Zunächst wurde das Wachstum der kombiniert erzeugten Schichten auf planaren Substratoberflächen aus Iridium untersucht. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die ferroelektrische Aurivillius-Struktur-Schichten bestehend aus Strontium-Bismut-Tantalat/Bismut-Titan-Niobat-Stapelschichten [=SBT/BTN, (SrBi2Ta2O9)/(Bi4Ti3)1-xNbxO12)] mit unterschiedlichen Stapelfolgen wurden in einer chemischen Gasphasenabscheidung unter Verwendung eines bereits erprobten SBT-Precursorsystems abgeschieden und charakterisiert. An auf Iridium abgeschiedenen Schichten wurden XPS-Untersuchungen durchgeführt. Die Einbaueffektivität der einzelnen Metalle wurde in Abhängigkeit des Massenflusses des jeweiligen Precursors, des Trägergasflusses und der Prozesstemperatur untersucht, um ein möglichst stabiles Prozessfenster für reproduzierbare Abscheideprozesse zu definieren. Einzelne SBT und BTN Schichten wurden für elektrische Messungen in Metall-Isolator-Metall (MIM) Kondensatorstrukturen präpariert. Dazu wurde die obere Kondensatorplatte in Form einer Kreisfläche mittels PVD durch eine Schattenmaske abgeschieden und somit ein strukturierter Iridiumkontakt aufgebracht. Anschließend wurden die SBT Probenbei jeweils konstant gehaltenen Temperaturen von 550 °C bis 800 °C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre getempert, um die Schichten in die Aurivillius-Phase zu überführen. Um diese Umwandlung zu verifizieren, wurden Röntgenbeugungsexperimente an derartig präparierten Schichten durchgeführt. Die Diffraktogramme zeigen, dass die Schichten nach dem Tempern die typische SBT Perowskit-Struktur aufweisen. Die Beugungsbilder zeigen kristallines SBT in Perowskit-Struktur mit ebenfalls teilweise vorhandener Fluorit-Phase. Nach Temperung bei 800 °C ist kein Auftreten der paraelektrischen pyrochloren Phase zu sehen. Durch das Tempern kristallisierte auch das BTN. Jedoch entstanden zwischen den vergleichsweise großen Kristallkörnern Löcher, die in den erzeugten MIM-Kondensatoren zu Kurzschlüssen zwischen den Metallelektroden führten. Die Rauheit der kristallisierten BTN-Schichten wurde mittels AFM untersucht. Die Analyse von einer 50 nm dicken BTN-Schicht zeigte, dass Ihre quadratische Rauheit relativ zur Schichtdicke hoch ist und Rrms = 9,2 nm beträgt. Die raue Oberfläche der Proben kann eine mögliche Erklärung für die Kurzschlüsse sein. Risse oder Poren entlang der Korngrenzen, die sich während der Wärmebehandlung mit Iridium füllen, können leitende Kanäle zwischen Top- und Bottomelektrode bilden. Infolgedessen konnten keine elektrischen Messungen an reinen BTN-Schichten erfolgen. Nach dem Tempern wurden elektrische Messungen durchgeführt. In Abhängigkeit der maximalen angelegten Spannung bzw. Feldstärke wurde die remanente Polarisation der Hysteresekurven für SBT Schichten mit unterschiedlichen Bismutanteilen ermittelt. Die ermittelten Werte der remanenten Polarisation für SBT Schichten liegen im Bereich 2,3 < 2∙Pr < 13,1 µC/cm² das sind Werte, wie sie auch in der Literatur berichtet wurden. Nach der erfolgten Entwicklung der Einzelschichten und dem erbrachten Nachweis ausreichender Prozesskompatibilität wurde die Abscheidung des Schichtenstapels aus SBT und BTN vorgenommen. Die Rauheit der kristallisierten Stapelschichten wurde mittels AFM untersucht. Aus dem 3D-Bild lässt sich entnehmen, dass die Probenoberflächen aus relativ großen Bereichen mit gleichmäßiger Kornstruktur und höherer quadratischen Rauheit bis zu 32,8 nm besteht. Die Diffraktogramme zeigen, dass die Schichten nach dem Tempern die typische Perowskit-Struktur aufweisen mit allen wichtigen Reflexen, wie zum Beispiel BiTiO (117), SBT (111), SBT (113), SBT (115) und SBT (315). An den wie oben beschrieben vorbereiteten MIM-Strukturen wurden Messungen zur elektrischen Charakterisierung durchgeführt. Bedingt durch hohe Leckströme haben die P-E-Kurven keinen reinen Hystereseverlauf, sondern sind stark gekrümmt. Durch die Erzeugung des Schichtstapels bestehend aus SBT und BTN Schichten, konnte eine Vergrößerung der remanenten Polarisation auf ~16,2 µC/cm2und eine Reduzierung des Leckstroms auf ~7,67∙10^-5 A/cm2 beobachtet werden. Zur Ermittlung der genauen Ursache für die schlechten elektrischen Eigenschaften der Stapelschichten müssen noch weitergehende Untersuchungen durchgeführt werden.
