Ferroelektrisches Hafniumoxid mit erhöhter Zuverlässigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430054035

Das Hauptziel des Projektes ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen einer dielektrischen und einer ferroelektrischen HfO2 oder ZrO2 basierten Schicht in einer Kondensatorstruktur. Innerhalb dieser Doppelschicht besteht eine starke Interaktion zwischen den ferroelektrischen Dipolen und Ladungen (z.B. Elektronen, Löchern, geladenen Sauerstofffehlstellen). Für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen liegt ein unterschiedliches Dickenverhältnis zwischen der dielektrischen und der ferroelektrischen Schicht vor: Von ferroelektrischen Kondensatoren über ferroelektrischen Feldeffekttransistoren und ferroelektrischen Tunnelübergang zu ‚Negativ-Capacitance‘ (negative Kapazität) Feldeffekttransistoren und infrarot Sensoren können sich die Effekte ändern, aber die Basiseigenschaften bleiben ähnlich. Bis jetzt ist das Detailverständnis zu Defekten und Ladungen in ferroelektrischen HfO2 basierten Schichten limitiert und weitere Studien sind dringend notwendig um die Einführung dieses neuen ferroelektrischen Materials in einem weiten Anwendungsbereich zu ermöglichen.Innerhalb des Projektes sollen HfO2 und ZrO2 basierte ferroelektrische Schichten mit Dotierstoffatomen mit unterschiedlicher Valenz dotiert werden um den Einfluss der Wertigkeit auf die ferroelektrischen Kondensator Zuverlässigkeit (Speicher Fenster, Leckstrom, Aufwachverhalten, Datenhaltung, Materialermüdung und Ausdauer während Zyklens unter angelegtem Feld) zu verstehen. Des Weiteren soll der Einfluss des dielektrischen/ ferroelektrischen Dickenverhältnisses und des Elektrodenmaterials auf die Eigenschaften des Kondensatorstapels bezüglich Reduzierung des Ladungseinfangs und entsprechender Performanceverbesserung untersucht werden. Um dieses Ergebnis zu erreichen wird die elektronische und atomare Struktur der Bauelemente mit unterschiedlichen Untersuchungsmethoden analysiert, die durch Lumineszenz und Ladungstransportmessungen inklusive ab-initio Simulationen ergänzt und untermauert werden. Die einzelnen Ergebnisse ermöglichen die Aufstellung eines detaillierten mikroskopischen Models zur Degradation der ferroelektrischen Eigenschaften um Verbesserungsvorschläge für zukünftige ferroelektrische Bauelemente zu entwickeln. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist die Verbesserung dieses neuen bleifreien ferroelektrischen Materials bezüglich Zuverlässigkeit, Performance, Umweltfreundlichkeit, Halbleiterfertigungs-Verträglichkeit, und Verfügbarkeit des Basismaterials.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Dr. Uwe Schröder
• Kooperationspartner: Dr. Damir Islamov, bis 3/2022