초록 ▼

현재 많이 사용되고 있는 MISFET(metal-insulator-semiconductor-field-effect-transistor)구조의 절연체를 강유전체박막으로 대체시킨 트랜지스터는 비휘발성 메모리뿐만 아니라 기능성 뉴런디바이스의 응용에기대가 되고 있다. 이러한 디바이스에서는 구조적으로는 반도체위에서 직접적으로 강유전성 박막이 실현되어야 하며, 전기적으로는 정상적인 FET의 동작을 위해서는 강유전체/반도체 계면의 계면준위밀도가 적어야만 한다. 현재까지, 산화물 강유전체들의 연구가 주로 행하여져 왔으며, 이러한 산화물 강

현재 많이 사용되고 있는 MISFET(metal-insulator-semiconductor-field-effect-transistor)구조의 절연체를 강유전체박막으로 대체시킨 트랜지스터는 비휘발성 메모리뿐만 아니라 기능성 뉴런디바이스의 응용에기대가 되고 있다. 이러한 디바이스에서는 구조적으로는 반도체위에서 직접적으로 강유전성 박막이 실현되어야 하며, 전기적으로는 정상적인 FET의 동작을 위해서는 강유전체/반도체 계면의 계면준위밀도가 적어야만 한다. 현재까지, 산화물 강유전체들의 연구가 주로 행하여져 왔으며, 이러한 산화물 강유전체들은 주로 백금과 같은 금속위에다 형성되어 비교적양호한 강유전성을 얻고 있다. 그러나, 이들 산화물 강유전체들을 실리콘위에다 직접 형성시킨 상태에서는 강유전성을 얻기는 매우 곤란하기 때문에 구조적, 전기적 특성이 양호한금속-강유전체-실리콘(MFS;Metal Ferroelectric Semiconductor) 구조의 보고는 매우 적다.그 가장 큰 이유중의 하나는 이들 산화물 강유전체들은 실리콘위에서는 산화물과 반응하여실리콘산화물을 형성하기 때문에 강유전성을 잃게되며, 따라서 계면에서도 원자적으로 안정되지 않기 때문이다. 본 연구는 강유전체 물질을 Si위에다가 직접적으로 형성시키는 기술을 확립시키며 이러한 구조의 계면특성의 제어기술 및 해석기술을 개발하여 최종적으로는MFSFET를 실현시키는 것을 목적으로 한다.시료준비실이 설치된 초고진공장치(UHV) 시스템에서 BaMgF4막을 증착하였다. p-Si기판위에 BaF2와 MgF2의 덩어리를 같은 조성으로 혼합하여 미리 용융시킨 것을 열적으로가열하여 0.1-0.2 nm/s의 증착속도로 100-160 nm 두께의 BaMgF4박막을 300℃에서 성장시킨 후, 600℃, 0.1Torr의 진공중에서 10초동안 단시간 고온 열처리(RTA) 장치를 이용하여열처리를 행하였다.전기적 특성의 평가는 Al 전극을 증착시킨 MFS 커패시터를 제작하여 전류-전압(I-V) 및 1MHz의 용량-전압(C-V) 측정으로, 강유전성은 Sawyer-Tower 회로를 이용하여 평가하였다. 본 연구에서는 단시간 고온 열처리 방법을 이용하여 강유전체박막인 BaMgF4를 실리콘위에 형성시킨 금속-강유전체박막-실리콘(MFS) 조의 특성을 개선시켰고 BaMgF4/Si 구조의 구조적, 전기적 특성을 평가하였다. 전형적인 BaMgF4막의 저항율은 열처리전의 1-2×1011Ω·cm에서 열처리후의 약 5×1013Ω·cm까지 증가하였으며, 1 MHz의 C-V곡선으로부터 산출한 BaMgF4/Si 계면의 계면준위밀도는 midgap부근에서 약 8×1010/㎠·eV까지감소하였다. Sawyer-Tower 회로로 측정한 Si위의 강유전체 BaMgF4막의 잔류분극 및 항전계는 각각, 약 0.5-1.2μC/㎠ 및 약 80 kV/cm이었다.이러한 결과를 바탕으로 예비적으로 FET를 제작하여 동작을 확인하였으며, 강유전성으로 인한 hysteresis현상이 관측되었다.

Abstract ▼

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

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 preserve ferroelectricityon silicon due to reaction between the oxides and silicon surface. So, there are fewreports of good MFS devices. The isostructural group of fluorides BaMgF4 is knownto be piezoelectric materials. These orthorhombic materials with point group symmetry2mm have also been shown to possess ferroelectric properties.In this works, metal-ferroelectric-silicon structures using BaMgF4 film forapplication to MFSFETs were proposed and were improved the properties of thestructures with a rapid thermal annealing(RTA) technique. The fluoride films weredeposited in an ultra-high vacuum system at substrate temperature of 300 ℃. Apost-deposition annealing was conducted for 10 seconds at 600 ℃ in a vacuum of 0.1Torr. The results showed that the resistivity of the ferroelectric BaMgF4 film from atypical value of 1-2×1011Ω·cm before the annealing to about 5×1013Ω·cm andreduce the interface state density of the BaMgF4/Si interface to about 8×1010 /㎠·eV.Ferroelectric hysteresis measurements using a Sawyer-Tower circuit yielded remanentpolarization and coercive field values of about 0.5-1.2 μC/㎠ and 80 kV/cm, respectively.Preliminary fabrication of MFSFETs using BaMgF4 film have been achieved andascertained the FET operations.

목차 Contents

• 1)서론 :...7
• 1-1 연구개발의 중요성...7
• 1-2 국내외 기술개발현황...8
• 1-3 연구개발의 목표...10
• 1-4 연구개발 내용 및 범위...10
• 2)결과 및 고찰...10
• 2-1 실험방법...10
• 2-2 강유전체($BaMgF_4$)/Si 구현기술...12
• 2-3 $BaMgF_4$/Si(100)구조를 쓴 MFSFET...20
• 2-4 기대성과 및 장래전망...22
• 3)결론...24
• 4)인용문헌...25