Atomlagenabscheidung von Dielektrika für zukünftige DRAM-Generationen: Von Zirkonium- über Hafnuim- zu Titan-basierten Schichten

Eine zentrale Aufgabe bei der Weiterentwicklung von DRAM-Speichern besteht in der Suche nach immer effizienteren dielektrischen Materialien für die Speicherkondensatoren. Diese Dielektrika müssen aufgrund der schrumpfenden Bauelementabmessungen immer höhere Dielektrizitätskonstanten bei gleichzeitig möglichst geringem Leckstrom aufweisen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IISB und dem Fraunhofer IKTS arbeitet das Fraunhofer CNT an den Materialien für die nächsten 3x nm und 2x nm DRAM-Generationen. Aufgrund der komplexen 3dimensionalen-Struktur, welche durch hohe Aspektverhältnisse gekennzeichnet ist, sind homogene, nur wenige Nanometer dicke Beschichtungen nur mittels der Abscheidung von Atomlagen (ALD) konturengenau zu erreichen.

Die Forschungsschwerpunkte liegen dabei sowohl auf materialwissenschaftlichen als auch auf technologischem Gebiet. Bei der effektiven Suche nach geeigneten dielektrischen Materialien werden verschiedene Beschichtungsmethoden angewandt. Neben der Atomlagenabscheidung, kommen hierzu auch Methoden wie physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und die Sol-Gel-Technik zum Einsatz. Diese erlauben eine schnelle und große Materialvariation, sind aber nur für die Herstellung planarer Strukturen geeignet. Dabei als aussichtsreich identifizierte Materialien bilden die Grundlage für die Entwicklung entsprechender ALD-Technologien.

In Fortführung der bisherigen Arbeiten an Zirkonium-basierten Schichten, standen 2008 Hafnium- und Titan-basierte Dielektrika im Zentrum der Untersuchungen. Die Dielektrizitätskonstante k des HfO2 hängt stark von dessen Struktur ab. Für monoklines HfO2 beträgt die Konstante etwa 23 und für die tetragonale Phase besitzt sie einen deutlich höheren Wert von etwa 40. Ziel der laufenden Forschungsarbeiten ist es, die tetragonale Kristallstruktur bei hohem k durch verschiedene Dotanden zu stabilisieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Addition von Silicium zur Stabilisierung der tetragonalen Phase führt, die Beimischung von Yttrium zur Senkung der Kristallisationstemperatur. Ergebnisse von Hochtemperatur-Röntgenuntersuchungen stellen die Phasenstabilisierung als auch das Potential zur Verringerung des thermischen Budgets dar.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist die Weiterentwicklung der ALD-Technologie. Dies umfasst sowohl die Verbesserung der ALD-Technik als auch die Erprobung neuer Precursoren. Dazu wurde die Forschungsanlage durch ein Flüssigkeitsdosiersystem ergänzt, mit dem es nun auch möglich ist, Schichten aus Precursoren mit relativ niedrigem Dampfdruck herzustellen. Das Dosiersystem zur direkten Flüssigkeitsverdampfung wurde auf einer ALD-Prozesskammer montiert und kann bei unterschiedliche Precursoren eingesetzt werden. Bei der Herstellung Titan-basierter Dielektrika im System Ti-Hf-O steht der Vergleich verschiedener Titanprecursoren im Mittelpunkt. Da das Zersetzungsverhalten von ALD-Precursoren oft erheblichen Einfluss auf die Schichteigenschaften hat, werden Untersuchungen zum ALD-Prozessfenster für die verschiedenen Precursoren durchgeführt.