Ç Ö «Y c l0 n É® z º Si 3 N 4 /Si ü; c Ö «Y c lc Ü R P ê s ¥ ¹ Å= k Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 U c lT c l8 ý

(1)

3 n

Ç Ö «Y c l0 n É® z º Si ₃ N 4 /Si ü; c Ö «Y c lc Ü R P ê s ¥ ¹ Å= k Bi _3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 U c lT c l8 ý

¹

ÅM X ì Ä ¤V R Ë; c å ¾ Ë X ¢ ì Å

T + ä \ 8 ; · < ' Ö < · z ª <+ ä · ¢ 9 £ · »® £* å · ¢ 9" k ^∗

"

fy © @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , " fÖ ¦ 121-742 (2004¸ 2 Z 4 16{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

y

© Ä » ^ Ó ü t| 9 Ð x Ð : £ ¤$ í s Ä ºÃ º ¦ H ï ß À Ó ì rF G° ú כ` ¦ t ¦ e H Bi

3.25

La

0.75

Ti

3

O

12

(BLT)

~ Ã

Ì} ` ¦ pulsed laser deposition Z O \ _ K í ß è ì r0 Al 200

^◦

C mTorr, 400

^◦

C : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ìr (

. BLT(2000 ˚ A)/Si

3

N

4

(150 nm)/p-Si(111) ½ ¨ ¸_ r ¼ # \ " f MFIS capacitor\ ¦ 0 Aô Ç insulator Ð

"

f Si

³

N

4

H a % ~ É r > : £ ¤$ í ` ¦ t 9, \ P % o : r ¸\ É r BLT~ Ã Ì} _ capacitance-voltage : £ ¤$ í õ memory window ° ú כ` ¦ ½ ¨ % i . BLT ~ Ã Ì} _ Ê ê\ P % o : r ¸ 7 £ x < Ê\ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð_

&

ñ $ í © ` ¦ S X % i ¦, 1 l x r \ © @ /& h Ü ¼ Ð ± ú É r ½ Ó > ° ú כ` ¦ ° ú H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó\ " f_ memory window° ú כ

É

r y è < Ê` ¦ · ú Ã º e % 3 . 700

^◦

C \ P % o õ & ñ ` ¦ 2 ; ~ Ã Ì} _ sweep voltage\ ¦ 3 V, 5 V, 7 V, 10 V

Ð 7 £ x r ~ ´ â Ä º memory window ° ú כ É r y y 0.2 V, 0.36 V, 0.8 V, 1V Ð 7 £ x % i .

PACS numbers: 77.80.-e, 77.80.Dj, 77.90.+k

Keywords: ` O Û ¼Y Us $ 7 £ x Ã ÌZ O , y © Ä » ^ > à Ô ½ t Û ¼' , Bi

3.25

La

0.75

Ti

3

O

12

I. " e Â ] Ø

y

© Ä » ^ B j ¸o (FRAM) H y © Ä » ^ ~ Ã Ì} _ ì rF Gì ø Í

õ Õ ª s § 4 : £ ¤$ í (hysteresis)` ¦ s 6 x # q 6 fµ 1 Ï$ í , ¦ 5

Å q, ¦| 9 & h ¸, ¦? /½ ¨$ í , $ èq § 4 o\ ¦ z ´ & ³½ + É Ã º e

H s © & h B j ¸o Ð" f y F g` ¦ ~ Ã Îl r # Õ ª ½ ¨

>

hµ 1 Ïs Ö ¸µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e [1].

&

³F z ´6 x o÷ & ¦ e H y © Ä » ^ B j ¸o H 1T/1C + þ A I

[2] Ð" f DRAM(dynamic random access memory) ½ ¨

¸ü < _ ° ú É r ½ ¨ ¸\ ¦ t l M :ë H \ 6 x ÷ & ¦ e H / B N

&

ñ í H " f_ H o\ O s è \ ¦ ] j ½ + É Ã º e Ü ¼ è

&

h _ 7 £ x , / B N& ñ © _ 4 ¤¸ ú $ í , & ñ Ð\ ¦ { 9 H õ & ñ \ " f ì ø Í

H ì rF G_ â Ä º { 9 é ß { 9 ¦ ì rF G s ì ø Í@ / ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼

Ð 7 # Q X <s ' õ ÷ &# Q, { 9 ¦ è ß Ê ê\ H ì ø Í@ / ~ ½ Ó

¾ Ó_ > \ ¦ # íl © I Ð X <s ' \ ¦ F l 2 ¤ K

H DRO(destructive read out) ~ ½ Ód ` ¦ G × þ ½ + É Ã ºµ 1 Ú

\

\ O H H : r& h ë H ] j& h ` ¦ î ß ¦ e [3].

ì

ø Í , F K5 Å q-y © Ä » ^ -ì ø Í ¸^ > + þ A à Ô ½ t Û ¼' (MFSFET, metal-ferroelectric-semi conductor field effect transistor) ½ ¨ ¸ H q 6 fµ 1 Ï$ í B j ¸o e õ 1 l x r \ X <s '

\

¦ { 9 ¦ " f ¸ $ © ) a X <s ' _ õ { 9 # Q t · ú § H NDRO(non-destructive read out) ~ ½ Ód Ü ¼ Ð é ß { 9 à Ô ½ t

∗

E-mail: [email protected]

Û

¼' ! s q + þ AI l : r ½ ¨$ í \ _ ô Ç ¦| 9 & h o\ Ä »o ô Ç ©

&

h ` ¦ t m ¦ e # Q & ³F F g# 3 0 A > ½ ¨ s À Ò# Qt ¦ e

[4].

Õ

ª Q MFSFET ] j _ © H ë H ] j& h É r @ /Â Òì r_ í

ß oÓ ü t > y © Ä » ^ [ þ t s z ´o B H õ ì ø Í6 £ x # z ´o B H í ß

oÓ ü t` ¦ + þ A$ í l M :ë H \ y © Ä » $ í ` ¦ { 9 > ÷ & 9,

"

f > \ " f ¸ " é ¶ & h Ü ¼ Ð î ß & ñ ÷ &t · ú §> ) a . s Qô Ç ë

H ] j& h ` ¦ K l 0 AK MFISFET(metal-ferroelectric- insulator-semiconductor field effect transistor) ½ ¨ ¸\ @ / ô

Ç ½ ¨ s À Ò# Qt ¦ e . : r ½ ¨\ " f H y © Ä » ^ Ó ü t

| 9

õ z ´o B H s \ ¢ - aØ æ8 £ x(buffer layer) Ü ¼ Ð" f SiO

2

\ q

K q §& h Z } É r Ä » © Ã º° ú כ` ¦ t 9 [6] í ß è S X í ß ©

#

4 (oxygen-diffusion barrier)Ü ¼ Ð" f_ % i ½ + É` ¦ H Si

3

N

4

] X

^ 8 £ x` ¦ ¶ ú { 9 # a % ~ É r > : £ ¤$ í ` ¦ % 3 ¦ % i .

¢

¸ô Ç y © Ä » ^ Ó ü t| 9 Ð þ j H \ La` ¦ ' ô Ç BiT ((Bi,La)

4

Ti

3

O

12

, BLT)~ Ã Ì} s ½ ¨÷ &% 3 H X <, s H l > r _ Bi> 8 £ x © ½ ¨ ¸\ ¦ t H y © Ä » ^ ~ Ã Ì} Ð 8 H ï ß À

Óì rF G` ¦ t ¦ SBT ~ Ã Ì} Ð 8 ± ú É r : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ì

½ +

É Ã º e ` ¦ ÷ rë ß m x Ð : £ ¤$ í ¸ Ä ºÃ ºô Ç õ \ ¦ % 3

#

Q? /# Q PZT~ Ã Ì} õ SBT~ Ã Ì} _ & h ` ¦ 1 l x r \ Ð ¢ - a ½ + É Ã

º e H כ Ü ¼ Ð Ð ¦÷ &% 3 [7]. : r 7 Hë H \ " f H \ x % 7 r

\ O

ô Ç ~ Ã Ì} $ í © s 6 x s ô Ç PLD(pulsed laser deposition)

~

½ ÓZ O Ü ¼ Ð y © Ä » ^ Ó ü t| 9 × æ BLT\ ¦ MFIS ½ ¨ ¸\ & h 6 x

¦ % i . BLTü < z ´o B Hç ß _ ì ø Í6 £ x` ¦ } Ü ¼ 9 a % ~ É r >

-90-

(2)

: £ ¤$ í ` ¦ % 3 l 0 AK ¢ - aØ æ8 £ x] X ^ Ð" f Si

3

N

4

\ ¦ 6 x

#

BLT(2000 ˚ A)/Si

3

N

4

(150 nm)/p-Si(111) ½ ¨ ¸ r ¼ # \

"

f_ \ P % o : r ¸\ É r BLT ~ Ã Ì} _ C-V(capacitance- voltage) : £ ¤$ í õ memory window : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

II. ÷ m Ç] M ö õ m Í U ê s0 n É

Si l ó ø Í É r p-type Si(111) wafer 0 A\ 15 nm ¿ ºa _

Si

₃

N

4

buffer layer Ð 7 £ x Ã Ì ) a l ó ø Í` ¦ ½ ¨{ 9 % i .

MIS(metal-insulator-semiconductor) capacitor ½ ¨ ¸\ " f _

y © ^ ~ Ã Ì} õ ì ø Í ¸^ > s _ buffer8 £ x Ü ¼ Ð" f H Si l ó ø Í 0 A\ " f \ P & h Ü ¼ Ð î ß & ñ 9, ± ú É r > x 9

¸(interface trap density)\ ¦ ° ú H q & ñ | 9 (amorphous) © I

_ ] X ^ Ä »6 x . l ó ø Í É r Ä »l [ j& ñ x 9 ³ ðï r RCA Z O

[8]` ¦ s 6 x # [ j' % i . Si l ó ø Í_ native í ß o}

`

¦ ] j l 0 A # Ô ¦í ß 6 xÓ o(HF solution)Ü ¼ Ð F Ø Ô

>

[ j& ñ ô Ç + ' | ¸ x 9 rinse õ & ñ ` ¦ ' % i .

MFIS capacitor ½ ¨ ¸\ " f_ y © Ä » ^ Ó ü t| 9 Ð BLT\ ¦ 7

£

x Ã Ì l 0 AK 248 nm_ © ` ¦ ° ú H KrF excimer Y Us

$

\ ¦ 6 x # PLD ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ~ Ã Ì} ` ¦ 7 £ x Ã Ì % i . 200 mTorr_ í ß è · ú § 4 õ 400

^◦

C_ l ó ø Í : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ì ) a

~ Ã

Ì} \ @ / # 600∼700

^◦

C_ : r ¸ # 3 0 A\ " f 1r ç ß 1 l xî ß Ê

ê\ P % o \ ¦ % i . 7 £ x Ã Ì ) a ~ Ã Ì} _ \ P % o Ê ê_ & ñ $ í x 9

$ í © o\ ¦ · ú Ðl 0 A # Rigaku _ XRD(x-ray diffraction) © q \ ¦ s 6 x % i . 7 £ x Ã Ì ) a ~ Ã Ì} _ ¿ ºa , ³ ð

x 9 é ß + þ A © É r SEM(scanning electron microscope)` ¦ :

x K ' a¹ 1 Ï % i .

~ Ã

Ì} _ l & h : £ ¤$ í ` ¦ ¨ î l 0 AK \ P 7 £ x Ã Ìl (thermal evaporator)\ ¦ 6 x # Â Ò F G Ü ¼ Ð" f Al` ¦ 7

£

x Ã Ìr v ¦, © Â Ò F G Ü ¼ Ð" f H shadow mask\ ¦ 6 x

# t 2 £ § s 150 µm f â ` ¦ ° ú H Au dot F G

`

¦ + þ A$ í r ( . & ñ 6 x| ¾ Ó- · ú (C-V) : £ ¤$ í É r HP4194A Impedance/gain-phase analyzer\ ¦ s 6 x # 0.05 volt ç ß

Ü ¼ Ð s # QÛ ¼ · ú ` ¦ Ë ¨# Q Å Ò " f 1 MHz_ Å Ò Ã

º Ð ª ô Ç · ú # 3 0 A\ " f sweep % i .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

Fig. 1 ? /Â Ò\ e H (a) Õ ªa Ë >õ ° ú s Au/Si

³

N

4

/p- Si(111)/Al ½ ¨ ¸_ capacitor\ ¦ + þ A$ í ô Ç Ê ê, C-V : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤

&

ñ # Ð ¤ . Fig. 1 É r 15 nm_ Si

₃

N

4

¿ ºa Ð C-V\ ¦ 8 £ ¤

&

ñ ô Ç õ s . C-V / B G \ " f s § 4 / B G s ) t

· ú §6 £ §` ¦ ^ ¦ Ã º e H X < s H ] X ^ ü < ì ø Í ¸^ > \ > r

Fig. 1. Capacitance-voltage measurements of Au/

Si

₃

N

₄

/Si/Al MIS structures at various frequencies.

F

H trap \ í S \ (trapping), ~ ½ ÓØ ¦(emission) ÷ &

H 1 p x_ charge injection & ³ © s \ O Ü ¼ 9, Si

³

N

4

ü < Si_ >

© I ¢ ¸ô Ç ª ñ < Ê` ¦ ´ ú K ï r . y : £ ¤$ í É r ª ô Ç Å Ò

Ã º % ò % i \ " f ' # & ¦, C-V 8 £ ¤& ñ Ü ¼ Ð ¶ ú ( R Ð| X <

SiO

2

\ q K q §& h Z } É r Ä » © Ã º° ú כ` ¦ t 9, í ß è S X

í ß © # 4 % i ½ + É` ¦ H Si

3

N

4

H ] X 8 £ x Ü ¼ Ð" f a % ~ É r > :

£

¤$ í ` ¦ f ` ¦ S X % i .

PLDZ O Ü ¼ Ð 15 nm_ ¿ ºa \ ¦ ° ú H Si

3

N

₄

/p-type Si l ó

ø Í0 A\ BLT ~ Ã Ì} ` ¦ 7 £ x Ã Ìr ( . Fig. 2 H 200 mTorr_ í

ß è · ú § 4 õ 400

^◦

C_ l ó ø Í : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ì ) a BLT ~ Ã Ì }

\ @ / # 600∼700

^◦

C_ : r ¸ # 3 0 A\ " f 1r ç ß 1 l xî ß Ê

ê\ P % o \ ¦ ô Ç XRD patterns . \ P % o _ ~ Ã Ì} É r (117) Ü ¼ Ð Ä º C ¾ Ó ) a ` ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô(perovskite) © ë

ß ' a¹ 1 Ï ) a ì ø Í Ê ê\ P % o : r ¸ Z } f \ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó

¾ ÓÜ ¼ Ð C ¾ Ó÷ &# Qf ` ¦ ' a¹ 1 Ï½ + É Ã º e . 650

^◦

C ü < 700

^◦

C

\ P

% o õ & ñ \ " f H (117) s ü @\ c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð C ¾ Ó ) a

Fig. 2. XRD θ-2θ scans for as-deposited, 600

^◦

C, 650

^◦

C

and 700

^◦

C post annealed BLT thin films.

(3)

(006), (008), (0010), (0014), (022)_ r] X x ß ¼[ þ t s ' a

¹ 1

Ï÷ &% 3 . s H memory window° ú כ\ % ò ¾ Ó` ¦ Å Ò> H d` ¦ S X

½ + É Ã º e .

y

~ Ã Ì} _ \ P % o õ & ñ \ É r ³ ð x 9 é ß SEM

` ¦ Fig. 3 \ " f Ð# ï r . \ P % o õ & ñ ` ¦ u t · ú § É r

~ Ã

Ì} É r Fig. 3(a) ü < ° ú s " é ¶+ þ A_ · ú Ì q ts (grain)[ þ t Ð ½ ¨$ í

÷

&# Q e Ü ¼ 9 \ P % o : r ¸ 600

^◦

C ü < 700

^◦

C Ü ¼ Ð © 5 p x

· ú Ì q ts _ ß ¼l H y y Fig. 3(b)ü < 3(c)\ " f ^ ¦ Ã º e 1

p

w s 7 £ x ) a . s H y © Ä » ^ \ P % o : r ¸\ · ú Ì q

ts " f Ð Ó ü æ u H & ³ © ` ¦ Ð# Å Ò ¦ e . Fig. 3(d) H Si l ó ø Í 0 A\ 15 nm_ ¿ ºa Ð + þ A$ í ) a Si

3

N

4

ü < 2000 _ ¿ º a

Ð 7 £ x Ã Ì ) a BLT ~ Ã Ì} _ é ß ` ¦ Ð# ï r .

l & h : £ ¤$ í ` ¦ ¶ ú ( R Ðl 0 AK © Â Ò F G É r f â 150 µm_ Au F G` ¦ + þ A$ í # Au/Bi

^3.25

La

0.75

Ti

3

O

12

/Si

₃

N

₄

/Si_ MFIS capacitor ½ ¨ ¸\ ¦ ¢ - a$ í % i . Fig. 4, 5 H MFIS capacitor ½ ¨ ¸\ " f_ C-V : £ ¤$ í ` ¦ Ð# Å Ò H hysteresis loop s . Õ ªa Ë >_ C-V : £ ¤$ í \ " f · ú Ã º e 1 p w s y

© Ä » ^ _ ì rF Gì ø Í \ _ ô Ç & ³ © ` ¦ ? / H r > ~ ½ Ó ¾ Ó _ C-V s § 4 / B G s ' a¹ 1 Ï÷ &% 3 . { 9 ì ø Í& h Ü ¼ Ð y © Ä » ^

~ Ã

Ì} \ ÷ & H · ú s 7 £ x ½ + ÉÃ º2 ¤ y © Ä » ^ _ ì rF G° ú כ õ

½ Ó · ú (coercive voltage)° ú כs 7 £ x > ÷ &# Q s § 4 / B G

_ ; ¤ B j ¸o û ¶ ¸Ä º ° ú כs 7 £ x > ) a . s § 4 / B G

_ ; ¤(∆V ) É r ~ Ã Ì} _ ¿ ºa ü < ½ Ó l © _ Y L \ q Y V 9 Õ ª ' a > H 6 £ § õ ° ú [9].

∆V = 2E

c

d (1)

#

l " f E

c

H y © Ä » ^ _ ½ Ó l © s ¦, d H y © Ä » ^

~ Ã

Ì} _ ¿ ºa \ ¦ · p . Ð s MFIS ½ ¨ ¸\ " f C-V /

B

G © _ s § 4 & ³ © s l % 3 è Ð_ 6 £ x6 x 0 p x$ í ` ¦ Ð

Fig. 3. Surface SEM images for (a) as-deposited, (b) 600

◦

C, (c) 700

^◦

C post annealed BLT thin films. Fig. 3(d) shows the cross-sectional view of BLT/Si

3

N

4

/Si struc- tures.

Fig. 4. Capacitance-voltage measurements for Au/BLT/Si

3

N

4

/Si MFIS structures treated at vari- ous post annealing temperatures.

#

ï r . > s à Ô F G \ · ú ` ¦ # Q Å Òt · ú § ¤` ¦ M :

H ^ _ & ñ 6 x| ¾ Ó_ s H y © Ä » ^ # Q " l

&

h õ & ñ ` ¦ % 3 Ö ¼ \ _ K & ñ ) a . s ü < ° ú É r & ñ 6 x

|

¾ Ó_ s H ì ø Í ¸^ ü < y © Ä » ^ _ > s # Q " © I t

, 7 £ ¤ » ¡ ¤& h © I , m ¦° ú © I \

&

ñ ÷ & 9, s H / B I > _ Ø Ô> h x 9 ¸(carrier density)\ y

© Ä » ^ _ % ò ¾ Ó\ _ ô Ç s e 6 £ §` ¦ Ð# ï r .

"

f · ú s 0 © I \ " f ¸ > ` ¦ â ìØ Ô H À Ó y © Ä »

^

\ _ K " f ¸] X | ¨ c Ã º e ¦, s " é ¶ o Ð l % 3 è Ð_ 6

£

x6 x s 0 p x K [10].

MFISFET + þ AI _ y © Ä » ^ B j ¸o _ l % 3 : £ ¤$ í _

` ¦ Z } s l 0 AK " f H memory window 9 þ t Ã º2 ¤ a % ~ .

Õ

ª Q y © Ä » ^ } s c» ¡ ¤ Ü ¼ Ð C ¾ Ó½ + É â Ä º ± ú É r ½ Ó >

(4)

Fig. 5. Capacitance-voltage measurements of 700

^◦

C post annealed Au/BLT/Si

₃

N

₄

/Si MFIS structures at various sweep voltages.

Ð K $ · ú ½ ¨1 l x \ B Ä º Ä »o > ÷ & H ì ø Í B j ¸o

û

¶ ¸Ä º ° ú כ É r d (1)\ _ K t > ) a .

Fig. 4 H BLT ~ Ã Ì} _ Ê ê\ P % o : r ¸\ É r C-V : £ ¤$ í

`

¦ · p . Ê ê\ P % o : r ¸ Z } | 9 Ã º2 ¤ B j ¸o û ¶ ¸ Ä

º ° ú כs t H â ¾ Ó` ¦ ^ ¦ Ã º e H X <, s H Ê ê\ P % o

¦ e H 700

^◦

C_ Ê ê\ P % o õ & ñ \ " f B j ¸o û ¶ ¸Ä º ° ú כ s

~ Ã

Ì} _ â Ä º B j ¸o û ¶ ¸Ä º ° ú כ É r 1.31 V s ¦, 600

^◦

C Ê ê

\ P

% o õ & ñ \ " f H 0.78 V, 700

^◦

C \ " f H 0.36 V_ B j ¸ o

û ¶ ¸Ä º ° ú כ` ¦ Í Ç x .

Õ

ªA á Ô\ " f ^ ¦ Ã º e 1 p w s : r ¸\ C-V / B G s ý a Ä

º Ð s 1 l x ÷ & H כ s S X ÷ &% 3 . Fig. 4(a)ü < (b)_ as- deposited õ 600

^◦

C \ P % o õ & ñ ` ¦ 2 ; ~ Ã Ì} ` ¦ q §

C-V / B G s 6 £ §_ · ú Ü ¼ Ð s 1 l x ÷ & H כ ` ¦ S X ½ + É Ã º e

ß ç ß Å Ò÷ & H ì ø Í \ ª _ · ú Ü ¼ Ð s 1 l x ÷ & H 700

^◦

C \ P

%

o ) a ~ Ã Ì} É r \ P % o : r ¸ Z } t ] X ^ ü < ì ø Í ¸

^

> \ > r F H interface trap \ í S \ ÷ & H \ _ ô

?

/\ > r F H Bi " é ¶ _ S X í ß \ @ /ô Ç % ò ¾ ÓÜ ¼ Ð > \ acceptor concentration s 7 £ x ÷ & ¦ s Ð K depleted area \ 7 £ x ÷ & H | ¾ Ó M :ë H s [12].

Fig. 5 H 700

^◦

C_ Ê ê\ P % o õ & ñ ` ¦ 2 ; ~ Ã Ì} ` ¦ 3 V, 5 V, 7 V, 10 V Ð sweep½ + É M : C-V : £ ¤$ í ` ¦ ? / H

כ

Ü ¼ Ð s M : B j ¸o û ¶ ¸Ä º H 0.2 V, 0.36 V, 0.8 V, 1 V% i . H · ú s 7 £ x ½ + ÉÃ º2 ¤ B j ¸o û ¶ ¸Ä º ° ú כ

\

> r F H dipole[ þ t_ { 9 Â Òë ß s ô Ç ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð C \ P ÷ &% 3 t

ë ß H · ú ` ¦ 7 £ x r ~ ´Ã º2 ¤ dipole[ þ t s @ /Â Òì r s

ô Ç ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼ Ð & ñ § > = % i 6 £ §` ¦ _ p ô Ç . ¢ ¸ô Ç · ú s

7 £ x ½ + ÉÃ º2 ¤ B j ¸o û ¶ ¸Ä º ° ú כs 7 £ x < Ê É r 0 A\ " f ¸

¶

IV. + s Ç Â ] Ø

~

½ ÓZ O Ü ¼ Ð BLT ~ Ã Ì} ` ¦ 7 £ x Ã Ìr v ¦, BLT/Si

³

N

4

28 £ x ~ Ã Ì}

`

3

N

₄

H a

% ~ É r > : £ ¤$ í ` ¦ ? /% 3 . BLT ~ Ã Ì} + þ A$ í õ & ñ \ " f Ê

ê\ P % o : r ¸ 7 £ x < Ê\ \ P % o _ (117) Ü ¼

Ð_ Ä º C ¾ Ó$ í \ " f \ P % o Ê ê c» ¡ ¤ Ü ¼ Ð & ñ $ í s Ò q t

.

Au/BLT/Si

3

N

4

/Si ½ ¨ ¸\ " f_ Si

3

N

4

\

÷ & H · ú õ \ P % o : r ¸\ É r ~ Ã Ì} _ & ñ $ í õ

' a s e . 700

^◦

C \ P % o õ & ñ ` ¦ 2 ; ~ Ã Ì} _ 3 V, 5 V, 7 V, 10 V Ð sweep voltage 7 £ x \ memory window ° ú כ É r y y 0.2 V, 0.36 V, 0.8 V, 1 V Ð 7 £ x % i

. s ü < ° ú É r : £ ¤$ í õ Ð ^ ¦ M :, Au/BLT/Si

3

N

4

/Si ½ ¨

¸_ 28 £ x ~ Ã Ì} s MFIS FET è \ & h 6 x 0 p x < Ê` ¦ · ú Ã º e

.

P c

p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r 2000¸ ¸ ô Ç² D G < ÆÕ ü t < É ª F é ß _ t " é ¶ \ _

#

½ ¨÷ &% 3 6 £ §(KRF-2000-015-DP0135).

Y c

p w Ã U Ø ô

[1] J. F. Scott, Ferroelectr. Rev. 1, 1 (1998).

[2] S. S. Eaton, D. B. Butler, M.Parris, D. Wilson and H. McNeillie, IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.

Tech. Digest 130 (1998).

[3] C. H. Seager, D. C. Mclntyre, W. L. Warren and B.

A. Tuttle, Appl. Phys. Lett. 68, 2660 (1996).

(5)

[4] S. Mathews, R. Ramesh and T. Venkateson, J.

Benedetto, Science 276, 238 (1997).

[5] S. Y. Wu, Ferroelectrics II, 379 (1976).

[6] E. Tokumitsu, G. Fujii and H. Ishiwara, Appl. Phys.

Lett. 75, 575 (1999).

[7] B. H. Park, B. S. Kang, S. D. Bu, T. W. Noh, J.

Lee and W. Jo, Nature 401, 682 (1999).

[8] K. Werner and D. A. Puotinen, RCA Review 31, 187 (1970).

[9] S. L. Miller and P. J. McWhorter. J. Appl. Phys.

72, 5999 (1992).

[10] S. Y. Wu, IEEE Trans. Electron Devices 21, 499 (1974).

[11] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed. (Wiley, New York, 1981), p. 395.

[12] B.-C. Lan C.-Y. Huang and S.-Y. Chen, J. Appl.

Phys. 94, 6735 (2003).

Electrical Properties of Ferroelectric Bi _3.25 La _0.75 Ti ₃ O ₁₂ Thin Films Pulsed Laser Deposited on Si ₃ N ₄ /Si Substrates

Jungsuk Lee, Jaemoon Pak, Eunjung Ko, Kuangwoo Nam, Jooyoung Kim and Gwangseo Park

^∗

Department of Physics, Sogang University, Seoul 100-611

(Received 16 February 2004)

Ferroelectric Bi

3.25

La

0.75

Ti

3

O

12

(BLT) thin films which are were fatigue-free and possess large remnant polarization values were deposited by using the pulsed laser deposition method at an oxygen pressure of 200 mTorr and a deposition temperature of 400

^◦

C. As for the insulator layer used in the MFIS capacitors, Si

3

N

4

was found to be appropriate with good interfacial properties. The capacitance-voltage measurements and memory window characteristics of the Au/BLT/Si

3

N

4

/Si/Al capacitor structures will be discussed. Preferable crystallizations along the c-axis with respect increasing annealing temperatures were observed, and resulted in decreased memory window values.

As the sweep voltages were increased to 3 V, 5 V, 7 V, and 10 V, for the films annealed at 700

^◦

C, the memory window values were found to increase to 0.2 V, 0.36 V, 0.8 V, and 1 V, respectively.

PACS numbers: 77.80.-e, 77.80.Dj, 77.90.+k

Keywords: Pulsed laser deposition, Ferroelectric gated FETs, BLT thin films

∗

Ç­   Ö «Y c l0 n É® z º Si 3 N 4 /Si ü; c  Ö «Y c lc Ü R P ê s ¥ ¹ Å= k Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 U c lT c l8 ý

3 n

Ç­   Ö «Y c l0 n É® z º Si 3 N 4 /Si  ü; c  Ö «Y c lc Ü R P ê s ¥ ¹ Å= k Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 U c lT c l8 ý

 ¹

ÅM X ì Ä  ¤V R Ë; c å ¾ Ë X ¢  ì Å 

T + ä \ 8 ; ·   < ' Ö < · z ª <+ ä  ·     ¢ 9­ £ ·  »® £* å  ·     ¢ 9" k ∗

"

fy © @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , " fÖ  ¦ 121-742 (2004¸  2 Z 4 16{ 9  ~ Ã Î6 £ §)

y

© Ä »  ^  Ó ü t| 9  Ð x  Ð : £ ¤$ í s  Ä ºÃ º  ¦  H ï ß À Ó ì  rF G° ú כ`  ¦ t  ¦ e    H Bi

La

Ti

O

(BLT)

~ Ã

Ì}  `  ¦ pulsed laser deposition Z O \  _ K  í ß  è ì  r0 Al  200

C mTorr, 400

C  : r  ¸\ " f 7 £ x Ã Ìr (  

. BLT(2000 ˚ A)/Si

N

(150 nm)/p-Si(111) ½ ¨ ¸_  r ¼ # \ " f MFIS capacitor\  ¦ 0 Aô  Ç insulator Ð

"

f Si

N

&

ñ $ í  © `  ¦ S X    % i  ¦, 1 l x r \   © @ /& h Ü ¼ Ð ± ú  É r  ½ Ó  > ° ú כ`  ¦ ° ú   H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó\ " f_  memory window° ú כ

 É

r y   è < Ê`  ¦ · ú  Ã º e  % 3  . 700

C \ P % o  õ & ñ `  ¦   2 ; ~ Ã Ì}  _  sweep voltage\  ¦ 3 V, 5 V, 7 V, 10 V



Ð 7 £ x r ~ ´  â Ä º memory window ° ú כ É r y  y   0.2 V, 0.36 V, 0.8 V, 1V  Ð 7 £ x  % i  .

PACS numbers: 77.80.-e, 77.80.Dj, 77.90.+k

Keywords: ` O Û ¼Y Us $  7 £ x Ã ÌZ O , y © Ä »  ^    >  à Ô ½ t Û ¼' , Bi

La

Ti

O

I. " e Â ] Ø

y

© Ä »  ^  B j ¸o (FRAM)  H y © Ä »  ^  ~ Ã Ì}  _  ì  rF Gì ø Í



 õ  Õ ª s § 4 : £ ¤$ í (hysteresis)`  ¦ s 6 x #  q 6 fµ 1 Ï$ í ,  ¦ 5

Å q,  ¦| 9 & h  ¸,  ¦? /½ ¨$ í , $  èq    § 4 o\  ¦ z ´ & ³½ + É Ã º e  



 H s  © & h   B j ¸o  Ð" f y  F g`  ¦ ~ Ã Îl  r    #  Õ ª   ½ ¨

>

hµ 1 Ïs   Ö ¸µ 1 Ïy    '  ÷ & ¦ e    [1].

 &

³F  z ´6 x o÷ & ¦ e    H y © Ä »  ^  B j ¸o   H 1T/1C + þ A I

 [2] Ð" f DRAM(dynamic random access memory) ½ ¨



¸ü <  _  ° ú  É r ½ ¨ ¸\  ¦ t l  M :ë  H \   6 x ÷ & ¦ e    H / B N

&

ñ í  H " f_   H   o\ O s   è \  ¦ ] j  ½ + É Ã º e  Ü ¼   è   

&

h _  7 £ x , / B N& ñ  © _  4  ¤¸ ú $ í , & ñ  Ð\  ¦ { 9   H õ & ñ \ " f ì ø Í

 

  H ì  rF G_   â Ä º { 9 é ß  { 9  ¦   ì  rF G s  ì ø Í@ / ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼



Ð  7 # Q X <s '  õ ÷ &# Q, { 9  ¦ è ß  Ê ê\   H ì ø Í@ / ~ ½ Ó



¾ Ó_    > \  ¦    #   íl   © I  Ð X <s ' \  ¦ F l 2  ¤ K 



   H DRO(destructive read out) ~ ½ Ód  `  ¦ G × þ ½ + É Ã ºµ 1 Ú

\

 \ O    H   H : r& h   ë  H ] j& h `  ¦ î ß  ¦ e    [3].

ì

ø Í  , F K5 Å q-y © Ä »  ^ -ì ø Í ¸^    > + þ A à Ô ½ t Û ¼'  (MFSFET, metal-ferroelectric-semi conductor field effect transistor) ½ ¨ ¸  H q 6 fµ 1 Ï$ í B j ¸o e  õ  1 l x r \  X <s ' 

\

 ¦ { 9  ¦ " f ¸ $  ©  ) a X <s ' _  õ  { 9 # Q t  · ú §  H NDRO(non-destructive read out) ~ ½ Ód  Ü ¼ Ð é ß { 9  à Ô ½ t 

E-mail: [email protected]

Û

¼'  ! s q + þ AI   l  : r ½ ¨$ í \  _ ô  Ç  ¦| 9 & h o\  Ä »o ô  Ç  © 

&

h `  ¦ t m  ¦ e  # Q  & ³F  F g# 3 0 A >    ½ ¨ s À Ò# Qt  ¦ e 

  [4].

Õ

ª Q  MFSFET ] j  _   ©   H ë  H ] j& h  É r @ /Â Òì  r_  í

ß  oÓ ü t >  y © Ä »  ^ [ þ t s  z ´o  B H õ  ì ø Í6 £ x #  z ´o  B H í ß 

oÓ ü t`  ¦ + þ A$ í l  M :ë  H \  y © Ä »  $ í `  ¦ { 9 >  ÷ & 9,   

"

Ç Ö «Y c l0 n É® z º Si 3 N 4 /Si ü; c Ö «Y c lc Ü R P ê s ¥ ¹ Å= k Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 U c lT c l8 ý

Ç Ö «Y c l0 n É® z º Si ₃ N 4 /Si ü; c Ö «Y c lc Ü R P ê s ¥ ¹ Å= k Bi _3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 U c lT c l8 ý

¹

ÅM X ì Ä ¤V R Ë; c å ¾ Ë X ¢ ì Å

T + ä \ 8 ; · < ' Ö < · z ª <+ ä · ¢ 9 £ · »® £* å · ¢ 9" k ^∗

fy © @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , " fÖ ¦ 121-742 (2004¸ 2 Z 4 16{ 9 ~ Ã Î6 £ §)

© Ä » ^ Ó ü t| 9 Ð x Ð : £ ¤$ í s Ä ºÃ º ¦ H ï ß À Ó ì rF G° ú כ` ¦ t ¦ e H Bi

Ì} ` ¦ pulsed laser deposition Z O \ _ K í ß è ì r0 Al 200

C : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ìr (

. BLT(2000 ˚ A)/Si

(150 nm)/p-Si(111) ½ ¨ ¸_ r ¼ # \ " f MFIS capacitor\ ¦ 0 Aô Ç insulator Ð

ñ $ í © ` ¦ S X % i ¦, 1 l x r \ © @ /& h Ü ¼ Ð ± ú É r ½ Ó > ° ú כ` ¦ ° ú H c» ¡ ¤ ~ ½ Ó ¾ Ó\ " f_ memory window° ú כ

É

r y è < Ê` ¦ · ú Ã º e % 3 . 700

C \ P % o õ & ñ ` ¦ 2 ; ~ Ã Ì} _ sweep voltage\ ¦ 3 V, 5 V, 7 V, 10 V

Ð 7 £ x r ~ ´ â Ä º memory window ° ú כ É r y y 0.2 V, 0.36 V, 0.8 V, 1V Ð 7 £ x % i .

Keywords: ` O Û ¼Y Us $ 7 £ x Ã ÌZ O , y © Ä » ^ > à Ô ½ t Û ¼' , Bi

© Ä » ^ B j ¸o (FRAM) H y © Ä » ^ ~ Ã Ì} _ ì rF Gì ø Í

õ Õ ª s § 4 : £ ¤$ í (hysteresis)` ¦ s 6 x # q 6 fµ 1 Ï$ í , ¦ 5

Å q, ¦| 9 & h ¸, ¦? /½ ¨$ í , $ èq § 4 o\ ¦ z ´ & ³½ + É Ã º e

H s © & h B j ¸o Ð" f y F g` ¦ ~ Ã Îl r # Õ ª ½ ¨

hµ 1 Ïs Ö ¸µ 1 Ïy ' ÷ & ¦ e [1].

&

³F z ´6 x o÷ & ¦ e H y © Ä » ^ B j ¸o H 1T/1C + þ A I

[2] Ð" f DRAM(dynamic random access memory) ½ ¨

¸ü < _ ° ú É r ½ ¨ ¸\ ¦ t l M :ë H \ 6 x ÷ & ¦ e H / B N

ñ í H " f_ H o\ O s è \ ¦ ] j ½ + É Ã º e Ü ¼ è

h _ 7 £ x , / B N& ñ © _ 4 ¤¸ ú $ í , & ñ Ð\ ¦ { 9 H õ & ñ \ " f ì ø Í

H ì rF G_ â Ä º { 9 é ß { 9 ¦ ì rF G s ì ø Í@ / ~ ½ Ó ¾ ÓÜ ¼

Ð 7 # Q X <s ' õ ÷ &# Q, { 9 ¦ è ß Ê ê\ H ì ø Í@ / ~ ½ Ó

¾ Ó_ > \ ¦ # íl © I Ð X <s ' \ ¦ F l 2 ¤ K

H DRO(destructive read out) ~ ½ Ód ` ¦ G × þ ½ + É Ã ºµ 1 Ú

\ O H H : r& h ë H ] j& h ` ¦ î ß ¦ e [3].

ø Í , F K5 Å q-y © Ä » ^ -ì ø Í ¸^ > + þ A à Ô ½ t Û ¼' (MFSFET, metal-ferroelectric-semi conductor field effect transistor) ½ ¨ ¸ H q 6 fµ 1 Ï$ í B j ¸o e õ 1 l x r \ X <s '

¦ { 9 ¦ " f ¸ $ © ) a X <s ' _ õ { 9 # Q t · ú § H NDRO(non-destructive read out) ~ ½ Ód Ü ¼ Ð é ß { 9 à Ô ½ t

¼' ! s q + þ AI l : r ½ ¨$ í \ _ ô Ç ¦| 9 & h o\ Ä »o ô Ç ©

h ` ¦ t m ¦ e # Q & ³F F g# 3 0 A > ½ ¨ s À Ò# Qt ¦ e

[4].

ª Q MFSFET ] j _ © H ë H ] j& h É r @ /Â Òì r_ í

ß oÓ ü t > y © Ä » ^ [ þ t s z ´o B H õ ì ø Í6 £ x # z ´o B H í ß

oÓ ü t` ¦ + þ A$ í l M :ë H \ y © Ä » $ í ` ¦ { 9 > ÷ & 9,

f > \ " f ¸ " é ¶ & h Ü ¼ Ð î ß & ñ ÷ &t · ú §> ) a . s Qô Ç ë

H ] j& h ` ¦ K l 0 AK MFISFET(metal-ferroelectric- insulator-semiconductor field effect transistor) ½ ¨ ¸\ @ / ô

Ç ½ ¨ s À Ò# Qt ¦ e . : r ½ ¨\ " f H y © Ä » ^ Ó ü t

õ z ´o B H s \ ¢ - aØ æ8 £ x(buffer layer) Ü ¼ Ð" f SiO

\ q

K q §& h Z } É r Ä » © Ã º° ú כ` ¦ t 9 [6] í ß è S X í ß ©

4 (oxygen-diffusion barrier)Ü ¼ Ð" f_ % i ½ + É` ¦ H Si

^ 8 £ x` ¦ ¶ ú { 9 # a % ~ É r > : £ ¤$ í ` ¦ % 3 ¦ % i .

¸ô Ç y © Ä » ^ Ó ü t| 9 Ð þ j H \ La` ¦ ' ô Ç BiT ((Bi,La)

, BLT)~ Ã Ì} s ½ ¨÷ &% 3 H X <, s H l > r _ Bi> 8 £ x © ½ ¨ ¸\ ¦ t H y © Ä » ^ ~ Ã Ì} Ð 8 H ï ß À

Óì rF G` ¦ t ¦ SBT ~ Ã Ì} Ð 8 ± ú É r : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ì

É Ã º e ` ¦ ÷ rë ß m x Ð : £ ¤$ í ¸ Ä ºÃ ºô Ç õ \ ¦ % 3

Q? /# Q PZT~ Ã Ì} õ SBT~ Ã Ì} _ & h ` ¦ 1 l x r \ Ð ¢ - a ½ + É Ã

º e H כ Ü ¼ Ð Ð ¦÷ &% 3 [7]. : r 7 Hë H \ " f H \ x % 7 r

ô Ç ~ Ã Ì} $ í © s 6 x s ô Ç PLD(pulsed laser deposition)

½ ÓZ O Ü ¼ Ð y © Ä » ^ Ó ü t| 9 × æ BLT\ ¦ MFIS ½ ¨ ¸\ & h 6 x

¦ % i . BLTü < z ´o B Hç ß _ ì ø Í6 £ x` ¦ } Ü ¼ 9 a % ~ É r >

: £ ¤$ í ` ¦ % 3 l 0 AK ¢ - aØ æ8 £ x] X ^ Ð" f Si

\ ¦ 6 x

BLT(2000 ˚ A)/Si

(150 nm)/p-Si(111) ½ ¨ ¸ r ¼ # \

f_ \ P % o : r ¸\ É r BLT ~ Ã Ì} _ C-V(capacitance- voltage) : £ ¤$ í õ memory window : £ ¤$ í ` ¦ 8 £ ¤& ñ % i .

Si l ó ø Í É r p-type Si(111) wafer 0 A\ 15 nm ¿ ºa _

Si

buffer layer Ð 7 £ x Ã Ì ) a l ó ø Í` ¦ ½ ¨{ 9 % i .

MIS(metal-insulator-semiconductor) capacitor ½ ¨ ¸\ " f _

y © ^ ~ Ã Ì} õ ì ø Í ¸^ > s _ buffer8 £ x Ü ¼ Ð" f H Si l ó ø Í 0 A\ " f \ P & h Ü ¼ Ð î ß & ñ 9, ± ú É r > x 9

¸(interface trap density)\ ¦ ° ú H q & ñ | 9 (amorphous) © I

_ ] X ^ Ä »6 x . l ó ø Í É r Ä »l [ j& ñ x 9 ³ ðï r RCA Z O

[8]` ¦ s 6 x # [ j' % i . Si l ó ø Í_ native í ß o}

¦ ] j l 0 A # Ô ¦í ß 6 xÓ o(HF solution)Ü ¼ Ð F Ø Ô

[ j& ñ ô Ç + ' | ¸ x 9 rinse õ & ñ ` ¦ ' % i .

MFIS capacitor ½ ¨ ¸\ " f_ y © Ä » ^ Ó ü t| 9 Ð BLT\ ¦ 7

x Ã Ì l 0 AK 248 nm_ © ` ¦ ° ú H KrF excimer Y Us

\ ¦ 6 x # PLD ~ ½ ÓZ O Ü ¼ Ð ~ Ã Ì} ` ¦ 7 £ x Ã Ì % i . 200 mTorr_ í ß è · ú § 4 õ 400

C_ l ó ø Í : r ¸\ " f 7 £ x Ã Ì ) a

Ì} \ @ / # 600∼700

C_ : r ¸ # 3 0 A\ " f 1r ç ß 1 l xî ß Ê

ê\ P % o \ ¦ % i . 7 £ x Ã Ì ) a ~ Ã Ì} _ \ P % o Ê ê_ & ñ $ í x 9