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Zusammenfassung:
In der heutigen Displayindustrie werden Transistoren verbaut, deren dielektrische Schichten über energieaufwendige Prozesse wie CVD oder thermische Oxidation hergestellt werden. Alternativ zu den energieaufwendigen Prozessen lassen sich dielektrische Schichten auch über wirtschaftlichere Lösungsprozessierung von Präkursoren realisieren. Bei der lösungsbasierten Herstellung von dielektrischen Dünnschichten werden geeignete Präkursoren homogen auf einem Substrat aufgebracht und hier zur Reaktion gebracht. Die aktuell erreichbaren qualitativ hochwertigsten Schichten aus diesen Techniken weisen allerdings Leckstromcharakteristiken auf, welche noch nicht konkurrenzfähig gegenüber den etablierten Verfahren sind. Die vorliegende Arbeit „Lösungsprozessierbare Silazanpräkursoren für Gate-Dielektrika“ ist in diesem Themenbereich angesiedelt und soll helfen, die Chemie der Präkursoren und den Einfluss dieser auf die dielektrischen Schichten zu verstehen. Die untersuchten Präkursormaterialien sind auf Silazanbasis. Im ersten Arbeitsschritt wird untersucht, ob das C:N-Verhältnis in Silazanpräkursoren einen Einfluss auf den Schichtbildungsprozess der dielektrischen Schichten hat. Es kann festgestellt werden, dass mit sinkendem C:N-Verhältnis der Präkursoren, der C-Gehalt der Schichten kleiner wird. Ein höherer C-Gehalt in den Schichten wird als Indiz für verbesserte Quervernetzung in den Schichten interpretiert. Durch Verbesserung der Quervernetzung können bessere Schichtbilder erzeugt werden und damit die gemessenen Leckströme der Schichten bei Feldstärken von 1 MV/ cm von etwa 1·10-4 A/ cm², bei erhöhtem schichtinternen C-Gehalt, auf etwa 1·10-8 A/ cm², bei geringerem C-Gehalt reduziert werden. Ein verringertes C:N-Verhältnis der Präkursoren kann durch Maximierung des Chlorgehaltes in den Ammonolyseedukten, welche zur Herstellung der Silazanpräkursoren genutzt werden, erreicht werden. Dieser Optimierungsansatz ist allerdings auf die Verwendung von drei Chloratomen pro Siliziumatom beschränkt. Optimale Schichteigenschaften lassen sich also, im Falle von Chlorsilanedukten mit Methylsubstituenten, für Trichlorsilane erhalten. Im zweiten Arbeitsschritt, soll daher der synthetische Zugang zu Präkursoren, basierend auf den Ammonolyseprodukten von Trichlorsilanen mit anderen organischen Substituenten, gefunden werden. Da Trichlorsilane bei der Reaktion mit NH3 unterschiedlichsten Reaktionen unterliegen können wird untersucht, inwiefern ein alternativer H-, Alkyl- oder Arylsubstituent und variierende Umsetzungstemperaturen die Ammonolyseprodukte von Trichlorsilanen beeinflussen. Für die Ammonolyse von Trichlortertiärbutylsilan kann Cyclotrisilazan [tBuSi(NH)(NH2)]3 als HCl-Addukt durch Einkristall XRD-Strukturanalysen nachgewiesen werden. Vermutlich bilden sich derartige Hydrochloride bei Ammonolysen von Trichlorsilanen immer und werden als metastabile Zwischenstufen durchlaufen. Bei einigen Substituenten, wie zum Beispiel tBu-Gruppen, können diese stabilisiert werden. Für die Ammonolyse von Trichlorphenylsilan kann die Existenz eines noch nicht beschriebenen Moleküls, Bis(dichlorphenylsilyl)amin, erstmals nachgewiesen werden. Im nächsten Arbeitsschritt ist die Umwandlung verschiedener Silazanpräkursoren, der Einfluss der Implementierung von thermisch instabilen Substituenten (tBu-Si) und der Einfluss variierender Ausheiztemperaturen auf den C-Gehalt der Schichten, auf den Schichtbildungsprozess sowie auf die elektrischen Eigenschaften der Schichten untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass der C-Gehalt der Schichten über Variation dieser Parameter gesenkt werden kann. Die Implementierung von tBu Substituenten führt allerdings zu verschlechterter Schichtqualität. Auch die gemessenen Leckströme dieser Schichten bei 1 MV/ cm fallen daher, je nach Umwandlungstemperatur, mit 6,2·10-5 A/ cm², 1,7·10-5 A/ cm² und 2,2·10-7 A/ cm² höher aus als bei Schichten aus einem Silazanpräkursor mit Me Substituenten (etwa 1·10-8 A/ cm²). Im darauf folgenden Arbeitsschritt ist untersucht ob es möglich ist, einen funktionsfähigen lösungsprozessierten Transistor mit dem Silazanpräkursor (5) zu realisieren. Mit leichten Abweichungen im Kohlenstoff- sowie im Stickstoffanteil entspricht die chemische Zusammensetzung von Syntheseprodukt (5) weitgehend der des HMSQ mit der Summenformel Si6(NH)9(CH3)6 bzw. CH3Si(NH)1,5. Die guten Leckstromwerte von Schichten welche auf diesem Präkursor basieren machen das Material sehr vielversprechend. Im Kapitel gelingt es, einen funktionsfähigen Transistor herzustellen. Allerdings erweist sich dieser gegenüber einem Transistor, welcher eine klassisch oxidativ hergestellte dielektrische Schicht nutzt, als qualitativ geringfügig schlechter. Dies wird auf eine erhöhte Ladungsträgerdichte innerhalb des Dielektrikums zurückgeführt.

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