Wechselwirkung zwischen dem Imprint- und Fatigue-Verhalten von ferroelektrischen Dünnschichtkondensatoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rainer Waser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 23098963

Die Ausfallphänomene Fatigue und Imprint in ferroelektrischen Dünnschichtkondensator werden seit langer Zeit untersucht. Ein geschlossenes Bild über die physikalischen Mechanismen existiert bisher jedoch nicht. Im Rahmen dieses Vorhabens soll erstmals überprüft werden, ob ein Zusammenhang zwischen beiden Effekten besteht und ob die physikalischen Ursachen für Fatigue und Imprint gleiche oder unterschiedliche Ursprünge haben, der auf die Grenzschicht zwischen dem eigentlichen ferrrolelektrischen Film und den Elektroden zurückgeführt werden kann. Zentraler Ansatz dieses Vorhabens ist es, den Einfluss dieser Grenzschicht auf das Fatigue- und Imprintverhalten nachzuweisen. Neben dem grundlegenden physikalischen Interesse hat die Randschicht auch eine sehr hohe technische Relevanz für die Anwendungen von Dünnschichtkondensatoren in nicht-flüchtigen Speichern. Mit abnehmender Strukturgröße auf der Nanometerskala steigt der Volumenanteil der Grenzschicht vom Gesamtvolumen des Kondensators und dominiert letztlich - unterhalb einer kritischen Strukturgröße - das elektrische Verhalten. Die Randschicht von Pb(Zr(Ti1-()O3-Dünnschichten soll gezielt durch verschiedene neue Ansätze beeinflusst werden. Dazu zählen Ätzschädigungen, das Einbringen von Pufferschichten, die Verwendung unterschiedlicher Elektrodenmaterialien oder ein vertikales Kondensatorkonzept mit seitlichen Elektroden, um die (wegen des Substrates stets vorhandene) asymmetrische Anordnung einer planaren Struktur aufzuheben. An diesen Proben sollen strukturelle, morphologische, elektrische oder elektromechanische Veränderungen der Randschicht im Laufe des Alterungs- bzw. Ermüdungsprozesses nachgewiesen werden. Die vertikalen Kondensatorstrukuren eignen sich gerade zum Nachweis von Änderungen der Randschicht mit Oberflächenempfindlichen Methoden, da bei diesen Strukturen die Randschicht frei zugänglich ist. Das Verhalten der ferroelektrischen Kondensatoren soll in bestimmten Fatigue- bzw. Imprintzuständen mit verschiedenen Methoden, u.a. Monte-Carlo-Simulation oder akustisches Ersatzschaltbild, simuliert werden, um einerseits eine Bewertung der existierenden physikalischen Modelle zu ermöglichen oder andererseits die Entwicklung neuer Modellansätze wie thermodynamischer Rechnungen oder ab-initio-Rechnungen zu eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen