In der vorliegenden Arbeit wird die grundsätzliche Eignung von yttriumstabilisiertem Hafniumoxidschichten als neues Dielektrikum für Speicherkondensatoren in dynamischen Halbleiterspeichern (DRAM) untersucht. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um einen high-k Isolator der neuen Generation mit großem anwendungstechnischem Potential zur Substitution der seit vier Jahrzehnten eingesetzten siliciumbasierten Materialien. Daraus abgeleitet ergibt sich die Aufgabenstellung einer umfassenden Charakterisierung der praxisrelevanten Eigenschaften der Oxidschicht, umfassend in dem Sinne, dass aus dem Ergebnis eine wissenschaftlich fundierte Beurteilung zu den Aussichten einer Überführung in die Produktion abgeleitet werden kann. Es wird aufgezeigt, dass der Wechsel zu high-k Isolatoren erhebliche technische Neuerungen voraussetzt und weitere Entwicklungsarbeit nötig ist. Zusammenfassend kann erstmals die Eignung der ALD-Technik zur Herstellung dünnster yttriumstabilisierter Hafniumoxidschichten und deren Verwendung als Isolatorwerkstoff in zukünftigen mikroelektronischen Speicherkondensatoren anhand einer umfangreichen und anwendungstechnisch fokussierten Mikrostrukturcharakterisierung nachgewiesen werden. / This thesis investigates the basic suitability of yttrium stabilized hafnium oxide as a new dielectric for storage capacitors in dynamic random access memory (DRAM) semiconductor devices. This material is a so-called high- insulator with high dielectric constant. It is a good candidate to replace the silicon-based materials that are used for four decades now. Therefore it is necessary to extensively investigate selected properties of the oxide material. Extensively in terms of significant results that enable or object the applicability for the production process. It shows that the shift to high-insulators requires significant technological innovations and that further development work is necessary. The suitability of the ALD technique for depositing thin films of yttrium oxide and hafnium oxide is identified. The suitability of yttrium stabilized hafnium oxide layers as a dielectric material in future microelectronic storage capacitors can be given for the first time.

In der vorliegenden Arbeit wird die grundsätzliche Eignung von yttriumstabilisiertem Hafniumoxidschichten als neues Dielektrikum für Speicherkondensatoren in dynamischen Halbleiterspeichern (DRAM) untersucht. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um einen high-k Isolator der neuen Generation mit großem anwendungstechnischem Potential zur Substitution der seit vier Jahrzehnten eingesetzten siliciumbasierten Materialien. Daraus abgeleitet ergibt sich die Aufgabenstellung einer umfassenden Charakterisierung der praxisrelevanten Eigenschaften der Oxidschicht, umfassend in dem Sinne, dass aus dem Ergebnis eine wissenschaftlich fundierte Beurteilung zu den Aussichten einer Überführung in die Produktion abgeleitet werden kann. Es wird aufgezeigt, dass der Wechsel zu high-k Isolatoren erhebliche technische Neuerungen voraussetzt und weitere Entwicklungsarbeit nötig ist. Zusammenfassend kann erstmals die Eignung der ALD-Technik zur Herstellung dünnster yttriumstabilisierter Hafniumoxidschichten und deren Verwendung als Isolatorwerkstoff in zukünftigen mikroelektronischen Speicherkondensatoren anhand einer umfangreichen und anwendungstechnisch fokussierten Mikrostrukturcharakterisierung nachgewiesen werden.:Kurzbeschreibung Abstract Abkürzungen und Symbole 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. DRAM-Technik 1.3. Ziel der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Isolatorschichten mit hoher dielektrischer Konstante 2.2. Hafniumbasierte Isolatorschichten 2.3. Weitere elektrische Kenngrößen 2.3.1. Ladungsträgertransport in Isolatoren 2.3.2. Elektrische Zuverlässigkeit 2.4. Atomlagenabscheidung 2.4.1. Grundlagen der Atomlagenabscheidung 2.4.2. Abscheidung in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis 2.5. Eigenspannungen 3. Experimentelle Methodik 3.1. Substrate und Schichtabscheidung 3.2. Wärmebehandlung 3.2.1. Muffelofen mit Quarzglasrohr 3.2.2. Schnelle thermische Bearbeitung 3.2.3. Wärmebehandlung unter Vakuum 3.3. Präparation der Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie . 3.4. Physikalische Analysemethoden 3.4.1. Röntgenbeugung und -reflektometrie 3.4.2. Mikroskopische Verfahren 3.4.3. Spektroskopische Verfahren 3.4.4. Substratkrümmungsmessung 3.4.5. Elektrische Messverfahren 3.4.6. Weitere Methoden 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Mikrostruktur ebener Hf-Y-O-Schichten 4.1.1. Schichtwachstum 4.1.2. Rauheit und Dichte 4.1.3. Elementzusammensetzung 4.1.4. Kristallinität 4.1.5. Kristallphasen 4.1.6. Schichteigenspannungen 4.1.7. Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient und biaxialer Modul 4.1.8. Grenzfläche zum Substrat und der TiN-Elektrode 4.1.9. Zusammenfassung 4.2. Mikrostruktur in beschichteten Löchern mit hohem Aspektverhältnis 4.2.1. Schichtdicke als Funktion der Lochtiefe 4.2.2. Mikrostruktur und Grenzfläche 4.2.3. Modellierung der Bedeckungstiefe 4.2.4. Zusammenfassung 4.3. Einfluss der Mikrostruktur auf die elektrischen Eigenschaften 4.3.1. C-V und I-V Messungen 4.3.2. CAFM-Messungen 4.3.3. Zusammenfassung 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Probenherstellung A.1.1. Probenbezeichnung A.1.2. Datenerfassung, Archivierung A.1.3. Probenliste A.1.4. Beschichtungsablauf für Hf-Y-Mischoxidschichten A.2. Wärmebehandlung A.3. C-V- und I-V-Messungen B. Veröffentlichungsliste C. Danksagung D. Literaturverzeichnis E. Stichwortverzeichnis / This thesis investigates the basic suitability of yttrium stabilized hafnium oxide as a new dielectric for storage capacitors in dynamic random access memory (DRAM) semiconductor devices. This material is a so-called high- insulator with high dielectric constant. It is a good candidate to replace the silicon-based materials that are used for four decades now. Therefore it is necessary to extensively investigate selected properties of the oxide material. Extensively in terms of significant results that enable or object the applicability for the production process. It shows that the shift to high-insulators requires significant technological innovations and that further development work is necessary. The suitability of the ALD technique for depositing thin films of yttrium oxide and hafnium oxide is identified. The suitability of yttrium stabilized hafnium oxide layers as a dielectric material in future microelectronic storage capacitors can be given for the first time.:Kurzbeschreibung Abstract Abkürzungen und Symbole 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. DRAM-Technik 1.3. Ziel der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Isolatorschichten mit hoher dielektrischer Konstante 2.2. Hafniumbasierte Isolatorschichten 2.3. Weitere elektrische Kenngrößen 2.3.1. Ladungsträgertransport in Isolatoren 2.3.2. Elektrische Zuverlässigkeit 2.4. Atomlagenabscheidung 2.4.1. Grundlagen der Atomlagenabscheidung 2.4.2. Abscheidung in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis 2.5. Eigenspannungen 3. Experimentelle Methodik 3.1. Substrate und Schichtabscheidung 3.2. Wärmebehandlung 3.2.1. Muffelofen mit Quarzglasrohr 3.2.2. Schnelle thermische Bearbeitung 3.2.3. Wärmebehandlung unter Vakuum 3.3. Präparation der Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie . 3.4. Physikalische Analysemethoden 3.4.1. Röntgenbeugung und -reflektometrie 3.4.2. Mikroskopische Verfahren 3.4.3. Spektroskopische Verfahren 3.4.4. Substratkrümmungsmessung 3.4.5. Elektrische Messverfahren 3.4.6. Weitere Methoden 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Mikrostruktur ebener Hf-Y-O-Schichten 4.1.1. Schichtwachstum 4.1.2. Rauheit und Dichte 4.1.3. Elementzusammensetzung 4.1.4. Kristallinität 4.1.5. Kristallphasen 4.1.6. Schichteigenspannungen 4.1.7. Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient und biaxialer Modul 4.1.8. Grenzfläche zum Substrat und der TiN-Elektrode 4.1.9. Zusammenfassung 4.2. Mikrostruktur in beschichteten Löchern mit hohem Aspektverhältnis 4.2.1. Schichtdicke als Funktion der Lochtiefe 4.2.2. Mikrostruktur und Grenzfläche 4.2.3. Modellierung der Bedeckungstiefe 4.2.4. Zusammenfassung 4.3. Einfluss der Mikrostruktur auf die elektrischen Eigenschaften 4.3.1. C-V und I-V Messungen 4.3.2. CAFM-Messungen 4.3.3. Zusammenfassung 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Probenherstellung A.1.1. Probenbezeichnung A.1.2. Datenerfassung, Archivierung A.1.3. Probenliste A.1.4. Beschichtungsablauf für Hf-Y-Mischoxidschichten A.2. Wärmebehandlung A.3. C-V- und I-V-Messungen B. Veröffentlichungsliste C. Danksagung D. Literaturverzeichnis E. Stichwortverzeichnis