초록
본 연구에서는 강유전체 박막의 게이트 산화물로 사용한 $Pt/SrBi_2Ta_2O_9(SBT)/CeO_2/Si(MFS)$와 Pt/SBT/Si(MFS) 구조의 결정 구조 및 전기적 성질 의 차이를 연구하였다. XRD 및 SEM 측정 결과 SBT/$CeO_2$/Si박막은 약5nm정도의 $SiO_2$층 이 형성되었고 비교적 평탄한 계면의 미세구조를 가지는 반면, SBT/Si는 각각 약6nm와 7nm정도의 $SiO_2$층과 비정질 중간상층이 형성되었음을 알 수 있다. 즉 CeO2 박막을 완충층 으로 사용함으로써 SBT박막과 Si기판의 상호 반응을 적절히 억제할 수 있음을 확인하였다. Pt/SBT/$CeO_2/Pt/SiO_2$/와 Pt/SBT/Pt/$SiO_2$/Si구조에서 Polarization-Electric field(P-E) 특 성을 비교해 본 결과 CeO2박막의 첨가에 따라 잔류분극값은 감소하였고 항전계값은 증가하 였다. MFIS구조에서 memory window값은 항전계값과 직접적 관련이 있으므로 이러한 항 전계값의 증가는 MFIS구조에서의 memory window값이 증가할 수 있음을 나타낸다. Pt-SBT(140nm)/$CeO_2$(25nm)/Si구조에서 Capacitance-Voltage(C-V) 측정 결과로부터 동작 전압 4-6V에서 memory wondows가 1-2V정도로 나타났다. SBT박막의 두께가 증가할수록 memory window값은 증가하였는데 memory wondows가 1-2V정도로 나타났다. SBT박막의 두께가 증가할수록 memory window값은 증가하였는데 이는 SBT박막에 걸리는 전압강하가 증가하기 때문인 것으로 생각되어진다. Pt/SBT/$CeO_2$/Si의 누설전류는 10-8A/cm2정도였고 Pt/SBT/Si 구조에서는 약10-6A/cm2정도로 약간 높은 값을 나타내었다.
We have investigated the crystal structure and electrical properties of Pt/SBT/$CeO_2$/Si(MFIS) and Pt/SBT/Si(MFS) structures for the gate oxide of ferroelectric memory. XRD spectra and SEM showed that the SBT film of SBT/$CeO_2$/Si structure had larger grain than that of SBT/Si structure. Furthermore HRTEM showed that SBT/$CeO_2$/Si had 5 nm thick $SiO_2$layer and very smooth interface but SBT/Si had 6nm thick $SiO_2$layer and 7nm thick amorphous intermediate interface. Therefore, $CeO_2$film between SBT film and Si substrate is confirmed as a good candidate for a diffusion barrier. The remanent polarization decreased and coercive voltage increased in Pt/SBT/$CeO_2/Pt/SiO_2$/Si structure. This effect may increase memory window of MFIS structure directly related to the coercive voltage. From the capacitance-voltage characteristics, the memory of Pt/SBT(140 nm)/$CeO_2$(25 nm)/Si structure were in the range of 1~2 V at the applied voltage of 4~6 V. The memory window increased with the thickness of SBT film. These results may be due to voltage applied at SBT films. The leakage currents of Pt/SBT/$CeO_2$/Si and Pt/SBT/Si were $ 10^8A/\textrm{cm}^2$ and $ 10^6 A/\textrm{cm}^2$, respectively.
