The thin films of high permitivity in ferroelectric materials using a capacitor are applied to DRAMs and FRAMs. (Ba, Sr)TiO$_3$ thin films as ferroelectric materials were prepared by the sol-gel method and made by spin-coating on the Pt/Ti/SiO$_2$/Si substrate at 4,700 [rpm] for 10 seconds. The devices of BST thin films to composite (Ba$\_$0.7/Sr$\_$0.3/)TiO$_3$ were fabricated by changing of the depositing layer number on Pt/Ti/SiO$_2$/Si substrate. The thin film capacitor to be ferroelectric devices was investigated by structural and electrical properties. The thickness of BST thin films at each coating numbers 3, 4 and 5 times was 2500[${\AA}$], 3500[${\AA}$], 3800[${\AA}$]. The dielectric factor of thin film when the coating numbers were 3, 4 and 5 times was 190, 400 and 460 on frequency 1[MHz]. The dielectric loss of BST thin film was linearly increased by increasing of the specimen area.
An alkoxide-based sol-gel method was used to fabricate $Ba_{0.6}Sr_{0.4}TiO_3$ thin films doped by Bi from 5 to 20 mol% on a Pt/Ti/SiO2/Si substrate. The structural and dielectric properties of BST thin films were investigated as a function of Bi dopant concentration. The dielectric properties of the Bi doped BST films were strongly dependent on the Bi contents. The dielectric constant and dielectric loss of the films decreased with increasing Bi content. However, the leakage current density of the 10 mol% Bi doped $Ba_{0.6}Sr_{0.4}TiO_3$ thin film showed the lowest value of 5.13 10-7 at 5 V. The figure of merit (FOM) reached a maximum value of 32.42 at a 10 mol% Bi doped $Ba_{0.6}Sr_{0.4}TiO_3$ thin films. The dielectric constant, loss factor, and tunability of the 10 mol% Bi doped $BBa_{0.6}Sr_{0.4}TiO_3$ thin films were 333,0.0095, and 31.1%, respectively.
Thin film Ba$^{0.7}Sr^{0.3}TiO^{3}$ (BST) capacitors were fabricated on SiO$_{2}$/Si substrates by RF magnetron sputtering method and characterized at microwave frequencies ranging from 40 MHz to 1GHz to examine the dielectric dispersion of the capacitors. The BST thin films were electrode material of BST thin films capacitor which is known as one of the best electrode materials for BST films. 50$\AA$-thick titanium (Ti) layers were introduced to increase adhesion between bottom Pt and SiO$_{2}$. The leakage current density of the capacitors was about 1.7${\times}10^{7}A/cm^{2}$ at 1.5V and the dielectric constant was about 140 at 1MHz. Microwave measurement patterns having a coplanar waveguide type were fabricated and their S parameters were measured using network analyzer. After de-embedding parasitic components in microwave measurement patterns nearly frequency-invariant dielectric constant of about 120 was extracted in the measurement range of 40 MHz to 1 GHz.
We have studied the preparation and the properties of $Ba_{1-x}$Sr$_{x}$TiO$_{3}$(BST) thin films by using the sol-gel method. Through the comparison of the effects of various solvents and additives in making solutions, we establish the production method of the stable solution which generates the high quality of BST film. We also set up the heat-treatment conditions for depositing the BST thin film through the TGA and XRD analyses. Through the comparison of the surface conditions of BST films deposited on Pt/Ta/SiO$_{2}$/Si and Pt/Ti/SiO$_{2}$/Si substrates, we find that Ta is more efficient diffusion barrier of Si than Ti so that Ta layer prevents the formation of hillocks. We fabricate the planar type capacitor and measure the dielectric properties of the BST thin film deposited on the Pt/Ta/SiO$_{2}$/Si substrate. Dielectric constant and dielectric loss tangent at 1V, 10kHz, and leakage current density at 3V of the BST thin film are 339, 0.052 and 13.3.mu.A/cm$^{2}$, respectively.ely.
본 논문에서는 p-type (100)Si, (100)MgO 그리고 MgO/si 기판 위에 RF Magnetron sputtering 법으로 $Ba_{0.5}Sr_{0.5}TiO_3$(BST)박막을 증착하였다. BST 박막 증착 후 RTA(Rapid Thermal Annealing)를 이용하여 $600^{\circ}C$에서 산소분위기로 1분간 고온 급속 열처리를 하였다. 증착된 BST박막의 결정화를 조사하기 위해 XRD(X-Ray Diffraction)측정을 한 결과 모든 기판에서 (110) $Ba_{0.5}Sr_{0.5}TiO_3$(의 주피크가 관찰되어졌고, 열처리 후 재결정화에 기인하여 피크 세기가 증가함을 관찰할 수 있었다. Al 전극을 이용한 커패시터 제작 후 측정한 C-V(Capacitance-Voltage) 특성에서 각각의 기판에서 측정된 커패시턴스 값으로 계산된 유전율은 120(bare Si), 305(Mgo/Si) 그리고 310(MgO)이었다. 누설 전류 특성에서는 0.3 MV/cm이내의 인가전계에서 1 $\mu\textrm{A/cm}^2$ 이하의 안정된 값을 보여주었다. 결론적으로 MgO 버퍼층을 이용한 기판이 BST 박막의 증착을 위한 기판으로써 효과적임을 알 수 있었다.
In this paper, we have investigated the structure and dielectric properties of the $(Ba_{0.6}Sr_{0.4})TiO_3$ (BST) thin films film fabricatedon MgO(100)/Si substrate by an alkoxide-based sol-gel method. Both the structure and morphology of films were analyzed by x-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM). For the MgO(100)/Si substrates, the BST thin films exhibited highly (100) orientation. The highly (100)-oriented BST thin films showed high dielectric constant, tunability, and figure of merit (FOM). The dielectric constants, dielectric loss and tunability of the BST thin films annealed at 700 C deposited on the MgO(100)/Si substrates measured at 10 kHz were 515.9, 0.0082, and 54.3 %, respectively.
In this paper, $Ba_{0.5}$Sr$_{0.5}$TiO$_3$ thin-films were prepared on Pt/Ti/Si0$_2$/Si substrates by RF magnetron sp-uttering method. We investigated electric and dielectric properties of BST thin-films with various ann-ealing temperature using in-sute RTA. Deposition conditions of BST films were set substrate temperat-ure, 30$0^{\circ}C$ and working gas ratio, Ar:O$_2$=90:10. After BST films deposited, we fabricated a capacitor of MIM structure with Al top electrode for measurement. Post-annealing using RTA performed at 40$0^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, 80$0^{\circ}C$ for 60 sec, respectively. Also we exacted crystallization and composition of BST thin-films by XRD analysis. In measurement result, this capacitors showed a dielectric constant of about 200 at 1MHz and leakage current density of 5$\times$10$^{-8}$ A/$\textrm{cm}^2$ at 1.5V Microstructure of BST thin-films exhibited effective quality in low-temperature annealed 71ms than high-temperature annealed 71ms.s.s.
Ferroelectric (Ba, Sr) TiO$_3$(BST) thin films have attracted much attention for use in new capacitor materials of dynamic random access memories (DRAMs). In order to apply BST to the DRAMs, the etching process for BST thin film with high etch rate and vertical profile must be developed. However, the former studies have the problem of low etch rate. In this study, in order to increase the etch rate, BST thin films were etched with a magnetically enhanced inductively coupled plasma(MEICP) that have much higher plasma density than RIE (reactive ion etching) and ICP (inductively coupled plasma). Experiment was done by varying the etching parameters such as CF$_4$/(CF$_4$+Ar) gas mixing ratio, rf power, dc bias voltage and chamber pressure. The maximum etch rate of the BST films was 170nm/min under CF$_4$/CF$_4$+Ar) of 0.1, 600 W/-350 V and 5 mTorr. The selectivities of BST to Pt and PR were 0.6 and 0.7, respectively. Chemical reaction and residue of the etched surface were investigated with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and secondary ion mass spectroscopy (SIMS).
Variations of the leakage current behaviors and interface potential barrier $({\Phi}_B)$ of rf-sputter deposited (Ba, Sr)$TiO_3$ (BST) thin films with thicknesses ranging from 20 nm to 150nm are investigated as a function of the thickness and bias voltages. The top and bottom electrodes are dc-sputter-deposited Pt films. ${\Phi}_B$ critically depends on the BST film deposition temperature, postannealing atmosphere and time after the annealing. The postannealing under $N_2$ atmosphere results in a high interface potential barrier height and low leakage current. Maintaining the BST capacitor in air for a long time reduces the ${\Phi}_B$ from about 2.4 eV to 1.6 eV due to the oxidation. ${\Phi}_B$ is not so dependent on the film thickness in this experimental range. The leakage conduction mechanism is very dependent on the BST film thickness; the 20 nm thick film shows tunneling current, 30 and 40 nm thick films show Shottky emission current.
본 연구에서, (Ba,Sr)TiO\sub 3\ 박막이 rf 전력, dc 바이어스 전압 및 반응로 압력과 같은 식각 공정 변수를 변화하여 ICP에서 Cl\sub 2\Ar 가스 혼합비에 따라 식각되었다. 0.2의 Cl\sub 2\/(Cl\sub 2\+Ar) 가스 혼합비, 600 W의 rf 전력,250 V의 dc 바이어스 전압 및 5 mTorr의 반응로 압력의 공정 조건하에서 식각율은 56nm/min이었다. 이때 Pt, SiO\sub 2\ 막에 대한 BST 박막의 식각 선택비는 각각 0.52, 0.43이었다. 식각된 BST 박막의 표면반응은 XPS로 분석하였다. Ba는 BaCl\sub 2\ 와 같은 화학적인 반응과 물리적인 스퍼터링에 의해 제거되었다. Sr의 제거는 Sr과 Cl의 화확적인 반응보다 Ar 이온 충격이 더 효과적이었다. Ti는 TiCl\sub 4\ 와 같은 화학반응에 의해 용이하게 제거되었다. XPS 분석 결과를 비교하기 위하여 SIMS의 분석을 수행하여 비교한 결과 동일한 결론을 도출하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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