Universität zu Köln

Gerber, Andreas (2007). Strukturelle und elektrische Charakterisierungen ferroelektrischer Feldeffekttransistoren auf Silizium. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In heutigen Computersystemen mit stetig steigender Leistung, nehmen Speichermedien eine zunehmend wichtigere Funktion ein. Seitens der Halbleiter-Industrie wird ein erheblicher Aufwand betrieben, um neue Speichermedien zu entwickeln, welche den gestiegenen Anforderungen an ein Speicherelement gerecht werden. Der FeFET � der ferroelektrische Feldeffekttransistor � besitzt ein hohes Anwendungspotential und könnte als nichtflüchtiger-Speicher die bisher in Computern verwendeten Arbeitsspeicher ersetzten. Im Gegensatz zu FeRAMs, bei denen die Information in einem ferroelektrischen Kondensator gespeichert werden (1T1C), wird in einem FeFET eine ferroelektrische Schicht in den Gateschichtstapel eines Feldeffekttransistors integriert; es entsteht eine ein-Transistor- Speicherzelle (1T). Die Integration einer ferroelektrischen Schicht, wie PbZrxTi(1-x)O3 (PZT), in einen Siliziumbasierten Transistor, kann nur mit Hilfe einer zusätzlichen Buffer-Schicht zwischen Ferroelektrikum und dem Silizium-Substrat erfolgen. Diese Arbeit behandelt einerseits die Herstellung und Charakterisierung dielektrischer Bufferschichten auf Silizium, andererseits die Charakterisierung ferroelektrischer Gateschichten unter Verwendung der untersuchten Bufferschichten. Als dielektrische Bufferschichten wurden einkristalline SrTiO3(STO)-, polykristalline CeO2(CeO) und amorphe DyScO3-Schichten auf Silizium abgeschieden und in Form von MOS-Dioden und Transistoren elektrisch charakterisiert. CeO2- und DyScO3- Schichten zeigten geringe Leckströme, eine Dielektrizitätskonstante von epsilon = 25 und eine geringe Anzahl fester Ladungen in der Schicht. DyScO3-Schichten eignen sich, aufgrund der amorphen Struktur, nur bedingt als Buffer für ferroelektrische Schichten, könnten aber als Austauschmaterial für SiO2 in FETs benutzt werden (hoch-epsilon-Material). Unter Verwendung des ferroelektrischen Co-Polymers P(VDF-TrFE) konnten MFIS-Dioden und ferroelektrische Transistoren, mit Operationsspannungen unterhalb von 10V auf Basis von SiO2- und DyScO3-Buffer-Schichten hergestellt werden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Structural and Electrical Characterizations of Ferroelectric Field Effect Transistors on Si English
Translated abstract:	Abstract Language Nowadays storage media are taking a more and more crucial part in high power computersystems. The semiconductor-industry makes every effort to develope new data storage media which fulfill the steadily increasing requirements needed for memory-applications.The FeFET � the ferroelectric field effect transistor � basically features a high application potential as a non-volatile memory and is suitable to replace currently used DRAMs in pc�s. In a FeFET the information carrying ferroelectric layer is integrated into the gatestack of a field effect transistor � a single transistor storage-cell (1T) results � in contrast to FeRAMs, where the information data is stored in a ferroelectric capacity (1T1C). The integration of a ferroelectric layer into the gatestack of a silicon based FET, e. g. PbZrxTi(1-x)O3 (PZT), demands a dielectric buffer layer to avoid chemical reactions between the ferroelectric layer and the silicon substrate. On one hand this thesis deals with the fabrication and characterization of dielectric buffer layers on silicon substrates and on the other hand with the characterization of ferroelectric gate layers in combination with the investigated dielectric buffer layers. Thin dielectric layers of crystalline SrTiO3(STO)-, polycristalline CeO2(CeO), and amorphous DyScO3-layers were deposited on silicon and electrically characterized using MIS-diodes and transistor-structures. The CeO2 and DyScO3-diodes on silicon show a low leakage current, a low density of fixed oxide charges, and a high dielectric constant of epsilon = 25. The suitability of DyScO3 as a seed layer for ferroelectrics is limited, because of its amorphous structure. Nevertheless it has a high potential (high epsilon-material) to replace the SiO2-dielectric, which is essential for future transistor generations. It has been shown that it is possible to reduce the operation voltage of MFIS-diodes and transistors below 10V, using thin ferroelectric P(VDF-TrFE) co-polymer layers on top of SiO2 or DyScO3 buffer layers. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gerber, Andreas a.gerber@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-22007
Date:	2007
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language FeFET, PZT, Halbleiterspeicher, PVDF German FeFET, PZT, Semiconductor Memory Devices, PVDF English
Date of oral exam:	1 July 2007
Referee:	Name Academic Title Kohlstedt, Hermann PD. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2200