보고서 정보
주관연구기관 |
청주대학교 Chengju University |
연구책임자 |
김광호
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발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 1996-04 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
청주대학교 Chengju University |
등록번호 |
TRKO200200017364 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
강유전체.불화물박막.MFS구조.MFSFET.강유전체메모리.ferroelectric materials.fluoride thin film.MFS structure.MFSFET.ferroelectric memory.
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초록
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현재 많이 사용되고 있는MISFET(metal-insulator-semiconducter-field-effect-transistor) 구조의 절연체를 강유전체박막으로 대체시킨 트랜지스터(MFSFET)는 비휘발성 메모리뿐만 아니라 기능성 뉴런디바이스의 응용에 기대가 되고 있다. 이러한 디바이스에서는 구조적으로는 반도체위에서 직접적으로 강유전성 박막이 실현되어야 하며, 전기적으로는 정상적인 FET의 동 작을 위해서는 강유전체/반도체 계면의 계면준위밀도가 적어야만 한다. 현재까지, Bi4Ti3012,
현재 많이 사용되고 있는MISFET(metal-insulator-semiconducter-field-effect-transistor) 구조의 절연체를 강유전체박막으로 대체시킨 트랜지스터(MFSFET)는 비휘발성 메모리뿐만 아니라 기능성 뉴런디바이스의 응용에 기대가 되고 있다. 이러한 디바이스에서는 구조적으로는 반도체위에서 직접적으로 강유전성 박막이 실현되어야 하며, 전기적으로는 정상적인 FET의 동 작을 위해서는 강유전체/반도체 계면의 계면준위밀도가 적어야만 한다. 현재까지, Bi4Ti3012, BaTiO3,PbTi03, PZT등 산화물 강유전체들의 연구가 주로 행하여져 왔으며, 이러한 강유전체 들은주로 백금과 같은 금속위에다 형성되어 비교적 양호한 강유전성을 얻고 있다. 그러나 이들 산화물 강유전체들을 실리콘위에다 직접 형성시킨 상태에서는 강유전성을 얻기는 매우곤란하기 때문에 구조적, 전기적 특성이 양호한 금속-강유전체-실리콘(MFS) 구조의 보고는매우 적다. 그 가장 큰 이유중의 하나는 이들 산화물 강유전체들은 실리콘위에서는 산화물과 반응하여 실리콘산화물을 형성하기 때문에 강유전성을 잃게되며, 따라서 계면에서도원자적으로 안정되지 않기 때문이다. 본 연구는 Si위에 강유전성이 유지되면서 계면특성이 좋은 특성을 얻어 MFS 디바이스에 적용시키는 것을 목적으로 한다.시료준비실이 설치된 초고진공장치(UHV) 시스템에서 BaMgF4막을 증착하였다. UHV의 도 달진공도는 5×10-8 Torr이하이다. 저항율이 1-10 Ω·cm인 붕소로 도핑된 p-Si기판을 유기 용매 세정 및 표준 RCA법으로 세정하였다. BaMgF4박막은 BaFa4와 MgF2의 덩어리를 같은 조 성으로 혼합하여 미리 용융시킨 것을 열적으로 가열하여 증발시켰다.0.1-0.2nm/s의 증착속도 로 100-160 nm 두께의 BaMgF4를 300℃에서 성장시킨 후, 600℃, 0.1Torr의 진공중에서 10초 동안 국내제작한 단시간 고온 열처리(RTA) 장치를 이용하여 열처리를 행하였다. BaMgF4박막 의 강유전성 특성의 기판 방향 의존성을 평가하기위해 방향이 각각 (100), (110), (111)인 기판을 써서 실험을 수행하였다. 형성시킨 막의구조적 평가는 X선회절장치(XRD) 및 러더포드 후방산란장치(RBS)를 이용하였으며, 전기적특성의 평가는 Al 전극을 증착시킨 MFS 커패시터를 제작하여 전류-전압(I-V) 및 ㎒의 용량-전압(C-V) 측정으로, 강유전성은 Sawyer-Tower 회로가 내장된 RT-66A(radiantTechnologies) 측정 시스템을 이용하여 평가 하였다. 본 연구에서는 단시간 고온 열처리방법을 이용하여 강유전체박막인 BaMgF4를 실리 콘위에 형성시킨 금속-강유전체박막-실리콘(MFS) 구조의 특성을 개선시켰고 BaMgF4/Si 구조의 구조적, 전기적 특성을 평가하였다. 전형적인 BaMgF4막의 저항율은 열처리전의 1-2×1011 Ω·cm에서 열처리후의 약5×1013 Ω·cm까지 증가하였으며, 1 MHz의 C-V곡선으로부터 산출한 BaMgF4/Si 계면의계면준위밀도는 midgap부근에서 약 8×1010/㎠?eV까지 감소하였다. Sawyer-Tower 회로로 측정한 Si(100)위의 강유전체 BaMgF4막의 잔류분극 및 항전계는 각각, 약 0.5 μC/㎠및 약 80 kV/㎝이었다. BaMgF4 강유전성 특성의 기판방향 의존성을 검토한 결과, (100)및 (111) 기판위에서는 잔류분극이 0.5-0,6 μC/㎠정도이었으며 (110) 기판위 에서는 1.2μC/㎠로 증가됨이 확인되어 FET를 제작해도 양호하게 동작하리라고 판단된다.유전체 박막은 그 박막이 갖는 성질, 즉, 절연성, 유전성, 강유전성, 초전성, 압전성, 광학적 특성, 기계적 특성등이 주목되어 여러가지 전자부품에 응용되고 있다. 유전체 박막중에서도 본 연구에서 수행된 반도체위에다 형성시킨 강유전이므로 수동 부품에서부터시작하여 기능 부품에의 응용이 기대된다. 예를들면, 현재 주목되고 있는 분극의 히스테리시스를 이용한 비휘발성 메모리, 뉴럴 네트워크에의 응용 및 CCD 관련 디바이스에의 응용 이외에 초전성을 이용한 적외선 센서, 압전성을 이용한 표면파 디바이스등의 전자회로 기능디바이스 및 압전 센서 전기광학 특성을 이용한 광도파형 편향기 및 스위치등의 광기능 디바이스의 연구개발 및 실용화가 한층 더 진행되리라 기대가 된다.
Abstract
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Thin films of inorganic ferroelectric materials are playing anincreasingly important role in various applications. The materials requirements for theferroelectric film in MFS device structures necessitate deposition directly onto thesemiconductors. In these cases, it is necessary tha
Thin films of inorganic ferroelectric materials are playing anincreasingly important role in various applications. The materials requirements for theferroelectric film in MFS device structures necessitate deposition directly onto thesemiconductors. In these cases, it is necessary that the film maintains its ferroelectricproperties on the semiconductor and the interface state density at the ferroelectricfilm/semiconductor interface must be small for normal FET operation. Thin films ofmost ferroelectric oxide materials usually exhibit good ferroelectric properties itself on ametal electrode such as the platinum. It is difficult, however, to preserveferroelectricity on silicon due to reaction between the oxides and silicon surface. So,there are few reports of good MFS devices. The isostructural group offluoridesBaMgF4 is known to be piezolectric materials. These orthorhombic materials withpoint group symmetry 2mm have also been shown to possess ferroelectric properties.The major object of this research is the fabrication of the ferroelectric fluoride thinfilms BaMgF4 on the Si substrate for applications to electron devices.BaMgF4 films were deposited in a UHV system. Boron doped p-type silicon waferswith resistivities of approximately 1-10cm were used. The wafers were boiled inorganic solvents and were cleaned. BaMgF4 films were deposited by evaporatingBaF2 and MgF2 grains, mixed in equimolecular portions in a carbon crucible. Fluoridefilms ranging from 100 to 160 nm thick were deposited at a temperature of 300℃with adeposition rate of 0.1-0.2 nm/s. After deposition of the BaMgF4 film, the RTA wasdone for 10 seconds at 600℃ in a vacuum of 0.1 Tor. The films were analyzedstructurally by X-ray diffraction and compositionally by Rutherford backscatteringspectrometry. The hysteresis Imeasurements were performed using a Sawyer-Towercircuit test system. Current-Voltage measurements were performed using a HP model4145B semiconductor parameter analyzer. The capacitance-voltage curves weremeasured with a 1 ㎒ C-V plotter using deposited Al electrode dot patterns with 200 mdialneter on the films. The results showed that the resistivity of the ferroelectricBaMgF4 film from a typical value of 1-2×1011 Ω·cm before the annealing to about 5×1013 Ω·cm and reduce the interface state density of the BaMgF4/Si interface toabout 8×10 /㎠·eV. Ferroelectric hysteresis measurements using a Sawyer-Towercircuit yielded remanent polarization andcoercive field values of about 0.5 Uc/cm2 and 80kV/cm, respectively. The typicalremanent polarization of the BaMgF4 films on the (100)and (111) oriented silicon wafers were 0.5-0.6 μC/㎠ and that of the films on the (110)wafers was 1.2 μC/㎠ . We expect these results to contribute to in variousapplications such as non-volatile ferroelectric memories, neural networks, pyroelectricdetectors, optical imaging, and swiching devices.
목차 Contents
- 목차...9
- 본문: 발표논문의 별쇄본으로 대체함...9
- 기타...26
- 연구수행관련 논문발표 목록서...26
- 자체평가서...28
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