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(Ba, Sr)TiO$_3$ 커패시터의 Thermally Stimulated Current분석
김용주,차선용,이희철,이기선,서광석,Kim, Yong-Ju,Cha, Seon-Yong,Lee, Hui-Cheol,Lee, Gi-Seon,Seo, Gwang-Seok 대한전자공학회 2001 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.38 No.5
고유전 (Ba, Sr)TiO/sub 3/ (BST) 박막을 이용한 DRAM storage capacitor의 저전계 영역에서의 전하손실을 발생시키는 커패시터의 누설전류는 유전완화전류와 진성 누설전류로 이루진다고 알려져 있다. 특히, 기가급 DRAM의 동작 전압(~IV)에서 유전완화전류가 진성 누설전류에 비해 훨씬 크기 때문에 이에 대한 심도 있는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 thermally stimulated current (TSC) 측정법을 BST 박막에 처음으로 적용하여 트랩의 에너지 level 및 공정변화에 따른 트랩 밀도의 상대적 평가를 하였다. 그리고, 기존에 사용되던 전류-전압(I-V) 측정이나 전류-시간(I-t) 측정과 비교 및 분석함으로써 유전완화 전류의 원인을 규명하고 TSC 측정법의 신뢰성을 살펴보았다. 먼저 안정적인 TSC 측정을 위해 전계, 시간, 온도 및 승온속도에 따른 polarization condition을 알아보았다 이 조건을 이용한 TSC 측정으로부터 BST 박막에서의 트랩의 energy level이 0.20(±0.01) eV와 0.45(±0.02) eV임을 알 수 있었다. Rapid thermal annealing (RTA)을 이용한 후속 열처리에 따른 TSC 측정을 통하여 이 트랩들이 산소결핍(oxygen vacancy)에 기인함을 확인할 수 있었다. MIM BST 커패시터의 열처리에 대한 TSC 특성은 전류-전압(I-V) 및 전류-시간(I-t) 특성과 같은 경향성을 보인다. 이것은 TSC 측정이 BST 박막내의 트랩을 평가하는데 있어서 매우 효과적인 방법이라는 것을 보여준다. It has been known that the leakage current in the low field region consists of the dielectric relaxation current and intrinsic leakage current, which cause the charge loss in dynamic random access memory (DRAM) storage capacitor using (Ba,Sr)TiO$_{3}$ (BST) thin film. Especially, the dielectric relaxation current should be seriously considered since its magnitude is much larger than that of the intrinsic leakage current in giga-bit DRAM operation voltage (~IY). In this study, thermally stimulated current (TSC) measurement was at first applied to investigate the activation energy of traps and relative evaluation of the density of traps according to process change. And, through comparing TSC to early methods of I-V or I-t measurement and analyzing, we identify the origin of the dielectric relaxation current and investigate the reliability of TSC measurement. First, the polarization condition such as electric field, time, temperature and heating rate was investigated for reliable TSC measurement. From the TSC measurement, the energy level of traps in the BST thin film has been investigated and evaluated to be 0.20($\pm$0.01) eV and 0.45($\pm$0.02) eV. Based on the TSC measurement results before and after rapid thermal annealing (RTA) process, oxygen vacancy is concluded to be the origin of the traps. TSC characteristics with thermal annealing in the MIM BST capacitor have shown the same trends with the current-voltage (I-V) and current-time (I-t) characteristics. This means that the TSC measurement is one of the effective methods to characterize the traps in the BST thin film.
Ba$^{0.7}Sr^{0.3}TiO^{3}$ 박막 커패시퍼의 마이코로파 측정
장병택,차선용,이승훈,곽동화,이희철,유병곤,백종태,유형준 대한전자공학회 1996 전자공학회논문지-A Vol.33 No.2
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.
Giga-Bit급 DRAM을 위한 고유전 $(Ba,Sr)Tio_3$박막 커패시터의 유전완화 특성에 대한 회로 모델
장병탁,차선용,이희철,Jang, Byeong-Tak,Cha, Seon-Yong,Lee, Hui-Cheol 대한전자공학회 2000 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.37 No.4
고유전 커패시터의 유전완화 특성은 시간영역에서 나타나는 커패시터의 동적특성으로 이해될 수 있으며 이것은 DRAM의 재충전 시간동안 충전된 전하를 잃어버리는 가장 주된 요인으로 인식된다. 그러므로 DRAM 동작에 미치는 영향을 고려하기 위하여 고유전 커패시터의 유전완화에 대한 등가회로를 만드는 것이 필수적이다. 그러나 아직까지 등가회로를 만들 수 있는 일반적이고 이론적인 방법이 제시되지 않고 있다. 근 본 연구에서는 고유전 커패시터의 등가회로를 주파수 영역에서 모델링하는 새로운 방법을 개발하였다. 이 방법은 이론적인 체계를 갖춘 일반적인 방법이다. 또한, 본 연구에서는 실험과정을 통해서 이 방법의 타당성으로 확인하였고, 궁극적으로 새로운 방법으로 얻어진 등가회로를 활용하여 유전완화가 DRAM 동작에 미치는 영향을 고찰하였다. The dielectric relaxation of high-dielectric capacitors could be understood as a dynamic property of the capacitor in the time domain, which is regarded as a primarily important charge loss mechanism during the refresh time of DRAMs. Therefore, the equivalent circuit of the dielectric relaxation of the high-dielectric capacitor is essentially required to investigate its effects on DRAM. Nevertheless, There is not any theoretical method which is generally applied to realize the equivalent circuit of the dielectric relaxation. Recently, we have developed a novel procedure for the circuit modeling of the dielectric relaxation of high-dielectric capacitor utilizing the frequency domain. This procedure is a general method based on theoretical approach. We have also verified the feasibility of this procedure through experimental process. Finally, we successfully investigated the effect of dielectric relaxation on DRAM operation with the obtained equivalent circuit through this new method.
고유전 (Ba, Sr) $TiO_3$ 박막 커패시터의 저전계 영역에서의 전기전도기구
장훈,장병탁,차선용,이희철,Jang, Hoon,Jang, Byung-Tak,Cha, Seon-Yong,Lee, Hee-Chul 대한전자공학회 1999 電子工學會論文誌, D Vol.d36 No.6
High density DRAM의 cell capacitor로 촉망 받고 있는 고유전체 BST박막 커패시터의 저 전계(<0.2MV/cm) 영역에서의 전기전도 현상을 분석하였다. 저 전계 영역에서 Pt/BST/Pt구조의 MIM 커패시터에 일정 전계를 인가한 후 전류를 측정하는 I(t)방법을 이용하여 유전완화전류와 누설전류를 분리해내어 박막의 측정온도 변화, 전계의 크기, 인가방향 변화, 후속 열처리에 따른 BST 박막의 전기전도 기구를 분석하였다. 그 결과, 유전완화전류는 Hoppiong process에 의한 BST박막내부의 trap된 전자들의 이동에 의한 전하재배치로 설명되어지며, 누설전류도 박막내의 trap에 의한 poole-Frenkel process에 의한 것임을 알 수 있었다. 그리고 각 전류성분에 기억하고 있는 trap이 BST박막내의 산호 결핍임을 추정하였다. The electrical conduction mechanism of high dielectric $(Ba,Sr)TiO_3$ (BST) thin film capacitor, which is the promising cell capacitor for high density DRAM, was investigated in low field region (<0.2MV/cm). It is known that the current in the low field region consists of dielectric relaxation current and leakage current. The current-time (I-t) measurement technique under the constant voltage was used for extracting successfully each current component. The conduction mechanism of the BST capacitor was deduced from the dependency of the current on the measurement temperature, strength of electric field, the polarity of applied electric field and post annealing process. From these results, it was suggested that the dielectric relaxation current and the leakage current are originated from the redistribution of internally trapped electron by hopping process and Pool-Frenkel conduction mechanism, respectively. It was also concluded that traps causing these two current components are due to oxygen vacancies within the BST film.