Charakterisierung und Optimierung von Diffusionsbarrieren auf der Basis metallischer Oxidschichten
Characterization and optimization of diffusion barriers based on metallic oxide films
Cay-Uwe Pinnow
Doctoral thesis
Date of Examination:
2001-12-11
Date of issue:
2002-02-18
Advisor:
Samwer, Konrad Prof. Dr.
Referee:
Samwer, Konrad Prof. Dr.
Referee:
Seibt, Michael PD Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B435-0
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Name:
pinnow.pdf
Size:
8,1 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
Reactively sputtered metallic Iridium dioxide (IrO2) thin films have been characterized and optimized for their application as diffusion barriers for the integration of ferroelectric oxidic perovskite thin films into FeRAM cells. For the optimization of the reactive sputtering process generic graphs were recorded so that high temperature stable stoichiometric IrO2 films can be deposited.By using x ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), mechanical stress analysis, thermal analysis, and scanning tunneling microscopy (STM) an extensive microstructural characterization of the optimized polycrystalline IrO2 films is performed and the recrystallization behavior is investigated in dependency on the used deposition temperature. The dependency of the recrystallization process on the deposition temperature found here is attributed to the films´ defect structure which can be explained by using an ion peening model introduced by Windischmann.Oxygen tracer diffusion measurements in the reactively sputtered IrO2 films are presented which were performed by using an 18O tracer gas and which were investigated by secondary ion mass spectrometry (SIMS) depth profiling. Diffusion results measured in recrystallized and in as prepared samples are compared. The oxygen mobility found in these samples is correlated with the defect structure present in the films and with the recrystallization process.
Keywords: thin films; diffusion barrier; oxide; sputtering; oxygen diffusion; ferroelectric; SIMS; tracer; recrystallization
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Für die Integration von ferroelektrischen, oxidischen Perowskit Schichten in FeRAM-Zellen sind reaktiv gesputterte, metallische Iridiumdioxid (IrO2) Schichten als Sauerstoffdiffusionsbarriere bezüglich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften charakterisiert und optimiert worden. Für die Optimierung der reaktiven Sputterdeposition sind generische Plasma-Graphen aufgenommen worden, mit deren Hilfe hochtemperaturstabile, stöchiometrische IrO2 Schichten abgeschieden werden können.Mit Hilfe von Röntgendiffraktometriemessungen (XRD), Transmissionselektronenmikroskopieanalysen (TEM), mechanischen Spannungsmessungen, thermischen Analysen und Rastertunnelmikroskopieanalysen (STM) werden die optimierten polykristallinen IrO2 Schichten mikrostrukturell charakterisiert und das Rekristallisationsverhalten in Abhängigkeit der zur Abscheidung verwendeten Substrattemperatur untersucht. Die gefundene Abhängigkeit des Rekristallisationsprozesses von der Substrattemperatur wird auf die Defektstruktur der Schichten zurückgeführt, die mit Hilfe eines Ion-peening Modells nach der Theorie von Windischmann erklärt werden kann.Es werden Sauerstofftracerdiffusionsmessungen in den reaktiv gesputterten IrO2 Schichten vorgestellt, die mit einem 18O Tracer-Gas durchgeführt wurden und mittels Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) Tiefenprofilanalysen untersucht worden sind. Dabei werden Diffusionsergebnisse verglichen, die an rekristallisierten und an nicht rekristallisierten Schichten gemessen worden sind. Die gefundene Sauerstoffmobilität wird mit der in den Schichten vorhandenen Defektstruktur und dem Rekristallisationsprozess korreliert.
Schlagwörter: Dünne Schichten; Diffusionsbarriere; Oxid; Sputtern; Sauerstoffdiffusion; ferroelektrisch; SIMS; Tracer; Rekristallisation
