MOCVD of high-K ceramic thin films for the Gbit DRAM technology

Abstract

The next generation of DRAM memories demands the miniaturization of the storage capacitor. The road to smaller capacitors still able to maintain a sufficient amount of charge in terms of an error free logic state recognition leads to high-k materials. (Ba,Sr)TiO3 is the most promising of these new materials, since it offers a high relative permittivity combined with low leakage. Deposition of BST via MOCVD is considered to be the method of choice for thin films in view of DRAM application, in order to achieve homogenous growth and sufficient step coverage in high aspect ratio trenches. This thesis is concerned with the MOCVD growth of BST thin films using a prototype tool for oxide deposition and the systematical understanding of the film properties as a function of their composition and of the growth parameters. The scope of this thesis is twofold. From the engineering point of view an existing MOCVD tool, the AIXTRON Planetary Reactor® 2600G3 that has been developed for the growth of III-V semiconductors, is optimized for the deposition of ceramic oxides. Both reactor and deposition processes are modified to achieve an optimal temperature and process homogeneity. Many changes on the vital components of the system like the liquid delivery system (LDS-300B) from ATMI, the precursor and the gas transfer lines are performed. Design of Experiment methods (DOE) were applied early in many cases to narrow the process window and reduce the multidimensional parameter space to a manageable minimum and allow precise statements about the behavior of the reactor. The scientific part of this thesis considers the systematic investigation of the properties of the (Ba,Sr)TiO3 material system in form of thin films ranging from few nm up to 120nm. Many of the structural and especially the electrical properties interesting for application were focused and a variety of analyzing techniques were applied. Within the scope of this work, an advanced XRF analytic procedure was developed, in order to achieve a precision ≤1% in thickness and stoichiometry measurements. The investigations cover all important material aspects of BST and especially its integration in the existing CMOS process. Finally, a central point in the discussion was the interrelation between the microstructure of the films and the obtained electrical properties.

Η επόμενη γενιά μνήμης DRAM απαιτεί τη σμίκρυνση του πυκνωτή αποθήκευσης ηλεκτρικού φορτίου. Ο δρόμος προς μικρότερους πυκνωτές, οι οποίοι είναι σε θέση να διατηρήσουν ικανοποιητικό ηλεκτρικό φορτίο για την αναγνώριση της λογικής κατάστασης, οδηγεί σε υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Το (Ba,Sr)TiO3, ή αλλιώς BST, είναι το πιο ελπιδοφόρο από αυτά τα νέα υλικά, δεδομένου ότι προσφέρει υψηλή διηλεκτρική σταθερά σε συνδυασμό με χαμηλή διαρροή φορτίου. H εναπόθεση BST μέσω οργανομεταλλικής επίστρωσης (MOCVD) θεωρείται ως η βέλτιστη μέθοδος για την παραγωγή λεπτών υμενίων (φιλμ) του υλικού, εν όψει της χρήσης του σε μνήμες DRAM, προκειμένου να επιτευχθεί ομοιογενής κάλυψη των τρισδιάστατων δομών που τις χαρακτηρίζουν. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την ανάπτυξη των λεπτών υμενίων BST χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο εργαλείο MOCVD για την εναπόθεση του οξειδίου και την συστηματική κατανόηση των ιδιοτήτων του, ως συνάρτηση της σύνθεσής του και των παραμέτρων της δημιουργίας του. Ο σκοπός της διατριβής είναι διττός. Από την κατασκευαστική μεριά, χρησιμοποιήθηκε ένα υφιστάμενο μηχάνημα MOCVD, με πλανητικό αντιδραστήρα AIXTRON 2600G3® που είχε αρχικά αναπτυχθεί για επιστρώσεις ημιαγωγών ΙΙΙ-V. Ο αντιδραστήρας αυτός βελτιστοποιήθηκε για την εναπόθεση των κεραμικών οξειδίων. Οι μετατροπές στον αντιδραστήρα και στους παράγοντες της εναπόθεση έγιναν έτσι, ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη θερμική ομοιογένεια, η οποία διασφαλίζει την ομαλή εξέλιξη της διαδικασίας εναπόθεσης του υλικού σε πλάκες (wafer) πυριτίου έξι (6) ιντσών. Έγιναν πολλές τροποποιήσεις στα ζωτικά στοιχεία του συστήματος, όπως το σύστημα μεταφοράς υγρών (LDS-300B) της εταιρίας ATMI και τις γραμμές μεταφοράς των αερίων. Εξειδικευμένες μέθοδοι σχεδιασμού πειραμάτων εφαρμόστηκαν σε πολλές περιπτώσεις, με σκοπό να περιορίσουν το πολυδιάστατο παράθυρο λειτουργίας της συσκευής, που να επιτρέπει την ακριβή εξέταση της συμπεριφοράς του αντιδραστήρα. Το επιστημονικό μέρος της εργασίας καλύπτει τη συστηματική διερεύνηση των ιδιοτήτων του συστήματος (Ba,Sr)TiO3 που βρίσκεται με τη μορφή λεπτών υμενίων πάχους από μερικά νανόμετρα (nm) έως 120nm. Μια μεγάλη ποικιλία από δομικές, συστατικές και ηλεκτρικές αναλύσεις χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των δειγμάτων. Εντός της παρούσας εργασίας, αναπτύχθηκε μια προηγμένη διαδικασία ανάλυσης XRF, προκειμένου να επιτευχθεί μια ακρίβεια ≤ 1% στις μετρήσεις πάχους και στοιχειομετρίας. Οι έρευνες καλύπτουν όλες τις σημαντικές πτυχές του ηλεκτροκεραμικού υλικού BST, και κυρίως την δυνατότητα χρήσης του σε ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS. Ένα κεντρικό σημείο της ανάλυσης αφορά την αλληλεπίδραση μεταξύ της μικροδομής των δειγμάτων και τις ηλεκτρικές ιδιότητές τους.