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Next generation high-k dielectrics for DRAM produced by atomic layer deposition studied by transmission electron microscopy

Schindler, Peter (2015) Next generation high-k dielectrics for DRAM produced by atomic layer deposition studied by transmission electron microscopy.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Karnthaler, Hans-Peter

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DOI: 10.25365/thesis.38170
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30079.43063.910269-0

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Abstract in English

Key pieces of modern day technology such as the dynamic random-access memory (DRAM) keep following the trend of down-scaling. This requires the dielectric layer that is a crucial component in these structures to reduce its thickness. As down-scaling continues rapidly, device features approach the fundamental physical limits. There are two main strategies to increase the capacitance without further decreasing the thickness of the dielectric layer. One is to facilitate high aspect-ratio (AR) surfaces to increase the effective surface area. The other one is to use high-k materials instead of SiO2. The key enabling technique to deposit ultra-thin, high-k dielectric layers conformally and pin-hole free on high AR substrates is atomic layer deposition (ALD). ALD is a type of chemical vapor deposition technique in which the chemical reaction is split up into two sequential, self-limiting reactions with the surface that ensures high quality films with great uniformity. Plasma-enhanced ALD (PEALD) is a rather new enhancement in which plasma species are utilized as an oxidizer instead of water vapor. In this thesis, work on PEALD of TiO2 on high AR trenches will be presented and studied by transmission electron microscopy (TEM). TEM reveals that the coverage of PEALD TiO2 on these substrates can be improved by increasing the plasma exposure time. Then PEALD of the high-k perovskite material BaTiO3 (BTO) will be explored. Lastly, we will report the best electrical performance for Al-doped BTO deposited on a Zr-doped TiN electrode. These results, we believe, may be the stepping stone for next generation high-k dielectric films for DRAM.

Schlagwörter in Englisch

atomic layer deposition / plasma-enhanced atomic layer deposition / high-k dielectrics / transmission electron microscopy / BaTiO3 / TiO2 / dynamic random-access memory

Abstract in German

Schlüsselelemente der heutigen Technologie wie der dynamische random-access memory (DRAM) folgen dem Trend der Miniaturisierung. Das verlangt, dass die dielektrische Schicht, die eine wichtige Komponente in diesen Strukturen ist, dünner wird. Da die Miniaturisierung schnell voranschreitet, nähern sich die Gerätekomponenten den fundamentalen physikalischen Limitierungen. Es gibt zwei Hauptstrategien um die Kapazität zu erhöhen, ohne die Dicke der dielektrischen Schicht weiter zu verringern. Eine ist es, Oberflächen zu nutzen die ein hohes Aspektverhältnis (AV) aufweisen, um die effektive Oberfläche zu vergrößern. Die andere ist es, high-k Materialien anstatt SiO2 zu verwenden. Die Schlüsseltechnologie um ultra-dünne, high-k dielektrische Schichten gleichmäßig und ohne jeglicher Löcher auf Substrate mit hohem AV aufzutragen ist atomic layer deposition (ALD, wtl. Atomlagenabscheidung). ALD ist eine Art von chemischer Gasphasenabscheidung, in der die chemische Reaktion in zwei sequenzielle, selbst-limitierende Reaktionen mit der Oberfläche aufgeteilt wird, was Filme mit hoher Qualität und guter Uniformität gewährleistet. Plasma-erweitertes ALD (PEALD) ist eine eher neue Erweiterung in der Plasma Teilchen anstatt Wasserdampf zur Oxidierung verwendet werden. In dieser Dissertation wird Arbeit zu PEALD von TiO2 auf Graben mit hohem AV präsentiert und mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. TEM zeigt, dass die Überdeckung von PEALD TiO2 auf diesen Substraten verbessert werden kann indem man die Plasma Einwirkungszeit verlängert. Dann wird PEALD von dem high-k Perowskit BaTiO3 (BTO) untersucht. Zuletzt berichten wir die besten elektrischen Betriebseigenschaften für Al-dotiertes BTO aufgetragen auf einer Zr-dotierten TiN Elektrode. Wir glauben, dass diese Resultate das Sprungbrett für die nächsten Generationen von high-k dielektrischen Filmen für DRAM sein könnte.

Schlagwörter in Deutsch

Atomlagenabscheidung / Plasma-erweiterte Atomlagenabscheidung / High-k Dielektriken / Transmissionselektronenmikroskopie / BaTiO3 / TiO2 / dynamischer Direktzugriffsspeicher

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Schindler, Peter
Title: Next generation high-k dielectrics for DRAM produced by atomic layer deposition studied by transmission electron microscopy
Umfangsangabe: 153 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Publication year: 2015
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Karnthaler, Hans-Peter
Assessor: Pond, Robert
2. Assessor: Schattschneider, Peter
Classification: 33 Physik > 33.68 Oberflächen, Dünne Schichten, Grenzflächen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
33 Physik > 33.72 Halbleiterphysik
33 Physik > 33.77 Dielektrika
AC Number: AC12389253
Item ID: 38170
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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