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Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition and Characterization of Ferroelectric Aluminum Doped Hafnium Oxide

  • Ferroelectric doped hafnium oxide might be able to revive the ferroelectric memory as a candidate for future non-volatile memories. Recent publications have reported ferroelectricity in HfO2 films deposited via physical vapor deposition (PVD) and thermal atomic layer deposition (ALD). Within this thesis, such layers have been fabricated by a plasma enhanced ALD process for the first time. Using an O2 remote plasma to oxidize TEMAHf and TMAl, respectively, Al:HfO2 stacks with different compositions have been deposited. Sputter deposited TiN was used as bottom and top electrode to form metal-insulator-metal capacitors. Compared to the PVD or thermal ALD films reported in literature, the plasma enhanced ALD films exhibited one to two orders higher leakage current at 1 V. The root of this higher leakage are oxygen vacancies as well as carbon and nitrogen impurities in the range of several at%. Despite the consequential perturbing effects, the main trends reported earlier are discernable. Just these perturbing effects turn out to substantiate the current explanation of a ferroelectric phase as route source for the observed electrical behavior.
  • Ferroelektrisches, dotiertes Hafniumoxid hat das Potential, ferroelektrische Speicher wieder zu einem ernsthaften Kandidaten für nichtfüchtige Datenspeicherkonzepte der Zukunft zu machen. Seit 2011 wird über Ferroelektrizität in HfO2 Schichten publiziert, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder thermischer Atomlagenabscheidung (ALD) erzeugt wurden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden solche Schichten zum ersten Mal mit plasmaunterstützter ALD abgeschieden. TEMAHf und TMAl wurden mittels O2-Plasma oxidiert um Al:HfO2-Schichten verschiedener Zusammensetzung herzustellen. Gesputtertes TiN wurde als Elektrodenmaterial für die Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren genutzt. Die hergestellten Filme zeigen bei 1 V einen etwa ein bis zwei Größenordnungen höheren Leckstrom als die PVD- und thermischen ALD-Schichten aus der Literatur. Ursache sind Sauerstoffvakanzen sowie Kohlenstoff- und Stickstoff-Verunreinigungen im Bereich von einigen at%. Trotz der dadurch verursachten Störeffekte sind die gleichen Trends erkennbar wie in den bisherigen Publikationen. Es zeigt sich, dass gerade der Ein uss der Störeffekte die bisherige These einer ferroelektrischen HfO2-Phase als Erklärung des beobachteten elektrischen Verhaltens stützt.

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Metadaten
Author:Tony Schenk
Advisor:Hans-Dieter Schnabel, Uwe Schröder
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Name:NaMLab gGmbH
Nöthnitzer Str. 64, 01187 Dresden
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2012
Publishing Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2012/12/06
Release Date:2018/02/22
Tag:ALD; FeFET; Hafnium Oxid; ferroelektrisch
ALD; FeFET; HfO2; ferroelectric; plasma enhanced
GND Keyword:Atomlagenabscheidung; FRAM <Informatik>; Ferroelektrikum; Ferroelektrikum; Hochfrequenzplasma; Plasma
Page Number:63 Seiten, 48 Abb., 9 Tab., 99 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik