Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2009

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

Compositwerkstoffe mit Hartstoffverstärkung für das thermische Spritzen finden eine breite Anwendung als Beschichtungswerkstoffe, da sie einen sehr guten Verschleißschutz bieten. Die bislang zur Verfügung stehenden konventionellen karbidhaltigen Pulver für die Herstellung verschleißfester Schichten enthalten zum Teil höhere Mengen an Elementen, die sowohl als kostenintensiv als auch bedenklich im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit (z.B. Ni, Cr und Co) einzustufen sind. Die Untersuchungen wurden im Rahmen der Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Verbundwerkstoffe der TU Chemnitz mit dem Belorussischen Institut für Pulvermetallurgie Minsk durchgeführt. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung neuartiger SHS-Verbundwerkstoffe auf der Basis von Eisen-Titankarbid, die als preiswerte und umweltfreundliche Spritzpulver zum thermischen Spritzen von verschleißbeständigen Schichten eingesetzt werden können. Als metallische Bindephasen für die Herstellung der Verbundpulver wurden kostengünstiges Eisen und unterschiedliche Eisenlegierungen verwendet. Es werden die Gesetzmäßigkeiten des Werkstoffverhaltens während der SH-Synthese, bei der spritztechnischen Verarbeitung durch die APS-, VPS- und HVOF sowohl bei der Schichtbildung als auch während der verschiedenen Verschleißuntersuchungen vorgestellt, die durch umfassende metallkundliche Betrachtungen begleitet werden. Die Ergebnisse aus den Verschleißuntersuchungen der synthetisierten TiC-haltigen Spritzschichten sowie der Spritzschichten aus den herkömmlichen Pulvern werden verglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen Voraussetzungen für vielfältige Anwendungen von SHS-Verbundwerkstoffen des Fe/TiC-Systems für das thermische Spritzen hochverschleißfester Schichten.

Die hohe thermische Belastung des Lichtbogens während des Schaltvorganges bewirkt ein Aufschmelzen des Kontaktwerkstoffes. Für einen kurzen Augenblick schwimmen Metalloxidpartikel in einem Bereich geschmolzenen Silbers. Dies hat eine Gefügeumordnung zur Folge, welche die Eigenschaften des Kontaktes beeinflussen. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen Beitrag zur Erweiterung des Verständnisses von Ag/SnO2-Werkstoffen zu leisten, um die Entwicklung neuer und optimierter Kontaktwerkstoffe voranzutreiben und nachhaltig den Einsatz von Umweltressourcen wie Werkstoffe (Edelmetallgehalt) und Energie zu verringern. Dabei nimmt die Gefügecharakterisierung von ungeschalteten und geschalteten Ag/SnO2-Kontaktwerkstoffen einen wichtigen Stellenwert ein. Die Ausbildung der Kontaktoberfläche und die Ausprägung der Gefügeumordnung (sog. Schaltgefüge) werden in Abhängigkeit der Schaltversuchsart, der Werkstoffzusammensetzung und der Herstellroute der Kontaktwerkstoffe charakterisiert. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit ist die Untersuchung der Kontaktoberfläche und metallographischer Schliffe (Ionenstrahl poliert) von mehrfach geschalteten Kontakten (≥ 1000 Schaltungen) mittels FE-REM, um anschließend Zusammenhänge zwischen dem Ausgangsgefüge, dem Schaltgefüge und den Schalteigenschaften zu ermitteln. Dazu wird unter anderem die Wirkung der oxidischen Zusätze durch Benetzungsversuche von Ag auf Metalloxidsubstraten experimentell bestimmt. Des Weiteren wird die Schädigung des Werkstoffes durch die reine Lichtbogenbelastung mittels Laufschienenversuchen untersucht, wodurch das Laufverhalten des Lichtbogens und die Bildung der Anoden- und Kathodenkrater in Abhängigkeit des Werkstoffes untersucht werden kann. / During the switching process the contact material is melting. For a short time (about 10 ms) metal oxide particles will be swimming in liquid silver resulting in structural changes which will effect the properties of the contact materials. The goal of this investigation is to contribute to an improvement of knowledge about Ag/SnO2 contact materials in order to promote the development of new and improved contact materials to strongly reduce the stake of environmental resources like materials (precious metal content) and energy. The microstructure characterization of unswitched and switched Ag/SnO2-materials is the significant part of this study. The formation of the contact surface and the structural changes are investigated depending on several switching experiments, material composition and manufacturing process. An essential part of this work is to analyze the contact surface and the changes of the microstructure of multi-switched contacts (number of switches ≥ 1000) by FE-SEM. In order to identify relations between the bulk microstructure, the charged microstructure and switching behaviour. Furthermore, the effects of the oxide additives are investigated by wetting experiments of Ag on the metal oxide substrate. The erosion of the contact material is reviewed by using a running rails experiment with pure arc loading. Thereby it is possible to research the running arc behaviour and the formation of the anode and cathode craters depending on the contact material.

Die Sauerstoffausscheidung in Silicium wird durch die Höhe der Bordotierung beeinflusst. Mit dem Ziel der Aufklärung der Mechanismen bei der Ausscheidung wurden verschiedene physikalische Messmethoden angepasst und ein breiter Borkonzentrationsbereich charakterisiert. Es wurden die frühen Phasen der Ausscheidungsbildung sowie Komplexbildung als auch das Wachstum der Sauerstoffausscheidungen untersucht. Mithilfe einer neuen Methodenkombination aus alkalischem Ätzen und FTIR-Spektroskopie konnten verschiedene Bor-Komplexe nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse über deren Existenz sowie Kinetik wurden numerisch umgesetzt. Mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung wurden erstmals in den frühen Phasen der Sauerstoffausscheidung deren Form und Größe in Abhängigkeit der Borkonzentration bestimmt. Die physikalischen Prozesse, die zu einem beschleunigten als auch anomalen Ausscheidungsverhalten in Abhängigkeit der Borkonzentration führen, konnten teilweise aufgeklärt werden.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Die Sauerstoffausscheidung in Silicium wird durch die Höhe der Bordotierung beeinflusst. Mit dem Ziel der Aufklärung der Mechanismen bei der Ausscheidung wurden verschiedene physikalische Messmethoden angepasst und ein breiter Borkonzentrationsbereich charakterisiert. Es wurden die frühen Phasen der Ausscheidungsbildung sowie Komplexbildung als auch das Wachstum der Sauerstoffausscheidungen untersucht. Mithilfe einer neuen Methodenkombination aus alkalischem Ätzen und FTIR-Spektroskopie konnten verschiedene Bor-Komplexe nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse über deren Existenz sowie Kinetik wurden numerisch umgesetzt. Mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung wurden erstmals in den frühen Phasen der Sauerstoffausscheidung deren Form und Größe in Abhängigkeit der Borkonzentration bestimmt. Die physikalischen Prozesse, die zu einem beschleunigten als auch anomalen Ausscheidungsverhalten in Abhängigkeit der Borkonzentration führen, konnten teilweise aufgeklärt werden.

Die Schriftenreihe „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ behandelt Themengebiete der Werkstoffwissenschaft und -technik, der Oberflächentechnik sowie deren industriellen Anwendungen. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse aus den vier Professuren des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz vorgestellt: Professur Elektronenmikroskopie und Mikrostrukturanalytik, Professur Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik, Professur Werkstoffwissenschaft. Weiterhin sind in der Schriftenreihe die Tagungsbände des jährlich am Institut stattfindenden „Werkstofftechnischen Kolloquium“ enthalten. Die einzelnen Bände beschäftigen sich mit den Forschungsgebieten Galvanische Metallabscheidung, Anodisieren, Thermisches und Kaltgas-Spritzen, Löten, Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde, Wärmebehandlung, CVD-Beschichtungen/PVD-Beschichtungen, Simulation in der Beschichtungstechnik, Organisches Beschichten (Pulverbeschichten, Lackieren, Sol-Gel-Verfahren), Elektrochemisches Strukturieren, Thermomechanische Behandlung und Mechanische Werkstoffeigenschaften. / The book series „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ outlines up-to-date topics of material science and engineering, surface engineering as well as resulting industrial applications. Mainly, recent research results of the departments Composite Materials and Surface Engineering/Functional Materials of the Institute of Material Science and Engineering of Chemnitz University of Technology are presented. In addition, the book series includes the proceedings of the annual in-house conference “Werkstofftechnisches Kolloquium”. The separate volumes concentrate on the following fields of scientific research: Galvanised Coating, Anodising, Thermal and Cold Spraying, Soldering and Brazing, Composite Materials, Composite Structures, Thermal and Thermomechanical Treatment, CVD and PVD Coating, Simulation of Coating Processes, Organic coating (Powder Coating, Varnishing, Sol-Gel Processes), Electrochemical Structuring and Mechanical Material Properties.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Die Schriftenreihe „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ behandelt Themengebiete der Werkstoffwissenschaft und -technik, der Oberflächentechnik sowie deren industriellen Anwendungen. Es werden vorrangig aktuelle Forschungsergebnisse der Professuren Verbundwerkstoffe und Oberflächentechnik/Funktionswerkstoffe des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz vorgestellt. Weiterhin sind in der Schriftenreihe die Tagungsbände des jährlich am Institut stattfindenden „Werkstofftechnischen Kolloquium“ enthalten. Die einzelnen Bände beschäftigen sich mit den Forschungsgebieten Galvanische Metallabscheidung, Anodisieren, Thermisches und Kaltgas-Spritzen, Löten, Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde, Wärmebehandlung, CVD-Beschichtungen/PVD-Beschichtungen, Simulation in der Beschichtungstechnik, Organisches Beschichten (Pulverbeschichten, Lackieren, Sol-Gel-Verfahren), Elektrochemisches Strukturieren, Thermomechanische Behandlung und Mechanische Werkstoffeigenschaften. / The book series „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ outlines up-to-date topics of material science and engineering, surface engineering as well as resulting industrial applications. Mainly, recent research results of the departments Composite Materials and Surface Engineering/Functional Materials of the Institute of Material Science and Engineering of Chemnitz University of Technology are presented. In addition, the book series includes the proceedings of the annual in-house conference “Werkstofftechnisches Kolloquium”. The separate volumes concentrate on the following fields of scientific research: Galvanised Coating, Anodising, Thermal and Cold Spraying, Soldering and Brazing, Composite Materials, Composite Structures, Thermal and Thermomechanical Treatment, CVD and PVD Coating, Simulation of Coating Processes, Organic coating (Powder Coating, Varnishing, Sol-Gel Processes), Electrochemical Structuring and Mechanical Material Properties.