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JUEL-4006
Schmitz, Sam Isao
Abhängigkeit des Lechstromes und der Dielektrizitätskonstanten in SrTiO3- und (Ba,Sr)TiO3-Dünneschichtkondensatoren von der Kontaktmetallisierung
XX, 123 S., 2003

Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften besitzen elektrokeramische Materialien (z.B. Titanate) ein großes Potential für Anwendungen in der Mikroelektronik. Neben der Verwendung in Sensoren, Aktoren und elektrooptischen Bauelementen ist vor allem der Einsatz als Dünnschicht-Dielektrikum in Halbleiterspeichern (z.B. DRAMs) von Interesse. Sowohl die Integration dieser Materialien in die Siliziumtechnologie als auch die strukturelle und elektrische Charakterisierung sind daher Thema der Forschung. Durch die Verwendung von elektrokeramischen Materialien, deren Dielektrizitätskonstanten größer als die der derzeit verwendeten SiO2/Si3N4- oder Ta205-Dielektrika sind, ist eine Steigerung der Speicherdichte und eine Reduzierung der Komplexität des Speicherzellenaufbaus von DRAMs möglich. Da diese Materialien jedoch keine idealen Isolatoren sind, kommt es in den Zellkondensatoren zu Ladungsverlusten, z.B. aufgrund eines zu hohen Leckstroms. Um die Information zu erhalten, muss diese daher in regeImäßigen Zeitabständen erneut in die Speicherzelle geschrieben werden (refresh). Somit sind die Dielektrizitätskonstante und der Leckstrom zwei wichtige Kriterien für die zukünftige Nutzung elektrokeramischer Dünnschichten in elektronischen Bauteilen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften von Dünnschichten aus SrTiO3 und (Ba0.7Sr0.3)TiO3 untersucht, die nasschemisch oder aus der Gasphase abgeschieden wurden. Neben der Charakterisierung anhand von Kapazitätsmessungen lag der Schwerpunkt in der Untersuchung des Leckstromverhaltens. Für diese Experimente wurde eine automatisierte Messapparatur aufgebaut, die eine Strommessung mit einer Auflösung von 100 fA ermöglicht. Die Messungen wurden an Dünnschichten mit unterschiedlicher Dicke und verschiedenen Elektrodenmaterialien in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 475 K durchgeführt.

Basierend auf der gemessenen Dickenabhängigkeit der Permittivität wurde an den Grenzflächen zu den Elektroden Randschichten mit einer gegenüber dem Volumen reduzierten Dielektrizitätskontanten eingeführt. Diese sogenannten "dead layer" können die Abnahme der Permittivität mit abnehmender Dicke der Schichten erklären. Der Stromtransport durch eine solche Struktur wurde mit Hilfe der Finite-Differenzen Methode simuliert. In dieser Simulation wurden sowohl die Schichteigenschaften (Beweglichkeit der Ladungsträger, Dotierung) wie auch die Absenkung der Barriere aufgrund des Schottky- Effekts berücksichtigt. Der simulierte wie auch der gemessene Strom zeigen qualitativ über weite Bereiche ein Verhalten, welches dem der Schottky-Emission ähnelt. Quantitativ ist er jedoch kleiner als der Schottky-Strom und damit durch die Eigenschaften des Volumens begrenzt. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass die Elektronenkonzentration, die u.a. für die Leitfähigkeit der Schicht verantwortlich ist, stark von den Eigenschaften der Grenzfläche abhängt. Damit lässt sich auch der Einfluss verschiedener Elektrodenmaterialien auf den Leckstrom erklären.

Due to their electrical properties electroceramic materials ( e.g. Titanates) have a great potential for applications in microelectronics. Apart from the use in sensors, actuators and electro-optical elements, thin films consisting of high permittivity materials are of great interest as dielectrics for semiconductor memories such as DRAMs. Both the integration of these materials into the manufacturing process of conventional CMOS devices as well as the structural and electrical characterisation are therefore topics of research. The use of electroceramic materials with much larger dielectric constants than those of SiO2lSi3N4 and TaO5, dielectric materials in present DRAMs, allows the design of memory cells in a simple stack structure with an increased memory density in the ab range. However, these materials are not ideal insulators, suffer from charge losses in the cell capacitor due to leakage and relaxation currents. In order to retain the information, the charge has to be renewed in regular time intervals (refresh). Therefore, the dielectric constant and the leakage current are important characteristics of electroceramic thin films for their use in future DRAM applications.

The main part of this thesis considers the electrical characterisation of SrTiO3 and (Ba0,7SrO,3)TiO3 thin films deposited by chemical solution deposition (CSD) and metal organic chemical vapour deposition (MOCVD). Apart from the capacitance measurements the focus lies on the investigation of the leakage current. An automated probe station with a resolution of less than 100 fA was constructed and built to measure leakage currents. These measurements were performed on metal-insulator-metal (MIM) capacitors having different dielectric film thicknesses and different materials were used as top electrode. The test temperature varied between room temperature and 475 K.

The current transport through a MIM-structure was simulated using the finite difference calculation method. Based on the thickness dependence of the permittivity, interface layers with a largely reduced dielectric constant compared to the bulk were assumed at the electrode interfaces. Introduction of these layers, also called "dead" layers, and the consideration of the thin film properties (charge carrier mobility and doping) and the barrier lowering due to the Schottky effect resulted in a good agreement between the simulation and experimental results. In particular, the surprising experimental thickness dependence -decreasing leakage current with decreasing thickness -could be explained. Over a wide voltage range the measurements as well as the simulated leakage currents behave qualitatively like the thermionic emission (Schottkyemission). However the absolute value of the leakage current is smaller than the Schottkyemission current and, therefore, is bulk limited. The conductivity of the electroceramic thin film depends on the electron concentration within the film which in turn is strongly influenced by the electron concentration at the interface. This influence of the interface explains the Schottky-like behaviour of the leakage current as well as its dependencies on different electrode materials.

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