FILM TIPIS STO SEBAGAI INSULATOR DALAM STRUKTUR MIS Al/STO/p-Si Putu Suardana Jurusan Fisika FMIPA Universitas Udayana Denpasar Abstrak Telah dilakukan studi “Film tipis STO sebagai insulator dalam struktur MIS Al/STO/p-Si”, didapatkan bahwa terjadi pergeseran kurva C-V hasil pengukuran dari kurva CV idealnya. Pergeseran ini diakibatkan oleh adanya rapat muatan listrik yang terdistribusi pada film tipis STO dan beda fungsi kerja elektroda Al/p-Si yang besarnya masing-masing 1,03x10-12 C/mm2 dan 0,856 volt. Terlihat bahwa kontribusi muatan listrik yang terdistribusi pada film tipis STO terhadap ketidakidealan ini sangat kecil dibandingkan dengan kontribusi oleh beda fungsi kerja Al/p-Si, hal ini menunjukkan bahwa film tipis STO dalam struktur MIS Al/STO/p-Si sangat berpotensi untuk dikembangkan sebagai insulator. Kata kunci: film tipis STO, insulator, kurva kapasitansi-tegangan, tegangan pita-datar Abstract Has conducted a study of "STO thin film as an insulator in the MIS structure of Al/STO/p-Si", it was found that there was a shift from C-V curve measurement results to the ideal curve. This shift is caused by the electrical charge density distributed on STO thin film and different work function electrode of Al/p-Si that the magnitude of each 1.03x10-12 C/mm2 and 0.856 volts . It appears that the contribution of electric charge that distributed in a thin film of STO to the shift of C-V curve is very small compared with the contribution by different work function of Al/p-Si, it demonstrates that the thin film STO in the structure of MIS Al/STO/p-Si has the potential to be developed as an insulator Key word: thin film of STO, insulator, capasitance-potential curve, potential plate-band
PENDAHULUAN
Film tipis STO Selain digunakan sebagai lapisan penyangga pada penumbuhan film tipis superkonduktor YBCO [3], pada bidang elektronika film tipis STO juga dibutuhkan dalam rangkaian terintegrasi skala besar (VLSI) dengan dimensi kecil seperti dynamic random-access memories (DRAMs) [2]. Hal ini berkaitan dengan nilai tetapan dielektriknya yang tinggi. Karena peranannya yang sangat penting ini, berbagai metode telah digunakan dalam penumbuhan film tipis STO, diantaranya adalah proses sol-gel [1], excimer laser ablation [2], pulsed laser ablation [3], pulsed laser deposition [4][5], rf magnetron sputtering [6], dan ion-beam sputtering [7], deposisi lapisan tipis SrTiO3 dan pengaruh muatan listrik di dalam insulator SrTiO3 dan fungsi kerja Al/p-Si terhadap sifat ideal struktur MIS Al/SrTiO3/pSi.
TINJAUAN PUSTAKA
Pada bagian ini dibahas tentang struktur MIS (metal-insulator-semikonduktor) dan kurva C-V (kapasitansi-tegangan). - Struktur MIS Ideal V d
Metal Insulator Semikonduktor Kontak ohmik ohmic
Gambar 1. Diagram struktur MIS [12]
Gambar 1 menunjukkan diagram MIS, dengan d dan V masing-masing ketebalan film tipis insulator dan potensial yang diberikan pada lapisan metal, yaitu potensial antara gate dan sambungan ohmic. Struktur MIS ideal mengasumsikan bahwa antara metal dan semikonduktor tidak terdapat beda fungsi kerja (ms=0) dan pada keadaan potensial gate V0 distribusi pembawa muatan hanya terdapat pada semikonduktor yang berdekatan dengan antar-muka insulatorsemikonduktor dan pada permukaan metal yang berdekatan dengan antar-muka metalinsulator. Distribusi pembawa muatan pada semikonduktor yang berdekatan dengan antar-muka insulator-semikonduktor bergantung pada besarnya potensial gate V. Jika V<0 maka akan terjadi akumulasi lubang (pembawa mayoritas) pada permukaan semikonduktor di dekat antar-mukanya, yang disebut dengan keadaan akumulasi. Bila V>0 maka akan terjadi deplesi lubang dari permukaan semikonduktor di dekat antar-mukanya, yang disebut dengan keadaan deplesi. Jika V diperbesar lagi maka akan terjadi akumulasi elektron (pembawa minoritas) pada permukaan semikonduktor di dekat antar-mukanya, yang disebut dengan keadaan inversi. Ketiga keadaan ini berhubungan dengan besarnya kapasitansi sistem struktur MIS.
- Kurva C-V Ideal Muatan ruang persatuan luas Qs di dalam semikonduktor yang berdekatan dengan antar mukanya diberikan oleh persamaan (1)12, yang mana q/kT dan s, LD dan s berturutturut adalah permitifitas semikonduktor, panjang karakteristik Debye untuk lubang dan potensial permukaan semikonduktor.
2 s F s LD
(1)
F s e s s 1
(2)
Qs dengan
Kapasitansi lapisan semikonduktor Cs yang berkaitan dengan muatan ruang persatuan luas Qs pada persamaan (1) diberikan oleh persamaan (3).
Q Cs s
s
1 e s
2 LD F s
(3)
Tanpa adanya beda fungsi kerja, potensial gate yang diberikan sebagian bekerja pada lapisan tipis insulator Vi dan sebagian bekerja pada lapisan semikonduktor s, seperti dinyatakan oleh persamaan (4).
V Vi s
Dengan
Vi
Qs Ci
(4)
(5)
Kapasitansi total dari sistem struktur MIS adalah kombinasi seri dari kapasitansi insulator Ci dan kapasitansi lapisan semikonduktor, seperti ditunjukkan pada persamaan (6).
C
Ci Cs Ci Cs
(6)
Pada keadaan V=VFB=0 dimana s=0 kapasitansinya diberikan oleh persamaan (7), dengan i adalah permitifitas lapisan insulator.
CFB
i d i s LD
(7)
Dengan menggunakan persamaan (1) sampai dengan persamaan (6) dapat diplot kurva C-V ideal yang akan digunakan sebagai acuan dalam menganalisis karakteristik lapisan insulator dalam struktur MIS.
- Struktur MIS Tak Ideal Peyimpangan struktur MIS dari keadaan idealnya selain disebabkan oleh adanya beda fungsi kerja antara metal dan semikonduktor (ms0) juga disebabkan oleh adanya muatan yang terdistribusi di dalam lapisan tipis insulator dengan kerapatan Qi. Penyimpangan ini dapat dilihat dari pergeseran kurva C-V hasil eksperimen terhadap kurva C-V ideal. Pergeseran kurva C-V yang diakibatkan oleh muatan yang terdapat di dalam insulator diberikan oleh persamaan (8) [12], dengan Ci=i/d. Vi Qi Ci
(8)
Sebagai akibatnya tegangan pita datarnya menjadi:
VFB ms
Qi d i
(9)
FILM TIPIS STO SEBAGAI INSULATOR Struktur MIS Al/STO/p-Si dibuat dengan mendeposisikan aluminium di atas film tipis STO dengan metode evavorasi. Perbandingan kurva C-V hasil pengukuran dengan kurva C-V keadaan idialnya ditunjukkan pada Gambar 2. 80
ideal eksp
C (pF)
65 50 35
d = 329.6 nm
0.853 volt
20 5
-6
-4
-2 0 2 V (volt)
4
6
(a) 55
ideal eksp
C (pF)
45 35
d = 524.7 nm
25
0.851 volt
15 5 -3
-2
-1
0 1 V (volt)
2
3
(b) Gambar 2. Penyimpangan kurva C-V hasil pengukuran terhadap keadaan ideal struktur Al/STO/p-Si
VFB (volt)
-0.85 -0.851
VFB = 1E-06d – 0.8564
-0.852 -0.853 -0.854 2000 3000 4000 5000 6000
d (Å) Gambar 3. Grafik antara ketebalan film tipis STO (d) dan tegangan pita datar (VFB) hasil pengukuran. Besarnya muatan yang terdistribusi di dalam film tipis STO dan beda fungsi kerja antara elektroda Al dan lapisan p-Si ditentukan dengan menggunakan persamaan (9). Penyimpangan
kurva C-V hasil pengukuran terhadap kurva C-V ideal pada arah sumbu V untuk kedua struktur Al/STO/p-Si ditunjukkan pada Gambar 2(a) dan 2(b) masing-masing untuk ketebalan film tipis STO 329,6 dan 524,7 nm dengan masing-masing penyimpangannya pada arah sumbu V negatif sebesar 0,853 dan 0,851 volt. Berdasarkan grafik tegangan pita datar (VFB) dan tebal film tipis STO (d) yang ditunjukkan pada Gambar 3 didapatkan bahwa rapat muatan listrik negatif yang terperangkap pada film tipis STO dan beda fungsi kerja antara elektroda Al dan p-Si masing-masing sebesar 1,03x10-12 C/mm2 dan 0,856 volt.
KESIMPULAN
Berdasarkan grafik antara ketebalan film tipis STO (d) dan tegangan pita datar (VFB) hasil pengukuran yang ditunjukkan pada Gambar 3, disimpulkan bahwa rapat muatan listrik yang terdistribusi pada film tipis STO dan beda fungsi kerja antara elektroda Al dan p-Si masing-masing sebesar 1,03x10-12 C/mm2 dan 0,856 volt berkontribusi terhadap ketidakidealan struktur MIS Al/STO/p-Si ini. Hal ini ditunjukkan oleh adanya pergeseran kurva C-V hasil pengukuran dari kurva C-V idealnya, dan terlihat bahwa kontribusi muatan listrik yang terdistribusi pada film tipis STO terhadap ketidakidealan ini sangat kecil dibandingkan dengan kontribusi oleh beda fungsi kerja Al dan p-Si, hal ini menunjukkan bahwa film tipis STO dalam struktur MIS Al/STO/p-Si sangat berpotensi untuk dikembangkan sebagai insulator.
DAFTAR PUSTAKA
[1] P. C. Joshi and S. B. Krupanidhi, Appl. Phys. Lett. 61 (13), 1525 (1992) [2] D. Roy, C. J. Peng and S. B. Krupanidhi, Appl. Phys. Lett. 60 (20), 1744 (1992) [3] F. Sanchez, M. Varela, X. Queralt, R. Aguiar, and J. L. Morenza, Appl. Phys. Lett. 61 (18), 2228 (1992) [4] Osamu Nakagawa, Masato Kobayashi, Yukio Yoshino, Yuzo Katayama, Hitoshi Tabata, and Tomoji Kawai, J. Appl. Phys. 78 (12), 7226 (1995) [5] A. Walkenhorst, C. Doughty, X. X. Xi, S. N. Mao, Q. Li, T. Venkatesan, and R. Ramesh, Appl. Phys. Lett. 60 (14), 1992 [6] P. Tajedor, V. M. Fuenzalida, and F. Briones, J. Appl. Phys. 80 (5), 2799 (1996) [7] Seigen Otani, Mami Kimura, and Nobuo Sasaki, Appl. Phys. Lett. 63 (14), 1889 (1993) [8] K. Morii, H. Kawano, I. Fujii, T. Matsui, and Y. Nakayama, J. Appl. Phys. 78 (3), 1914 (1995) [9] Hiroshi Ishiwara, Naoki Tsuji, Hiroyuki Mori, and Hiroshi Nohira, Appl. Phys. Lett. 61 (12), 1459 (1992) [10] Tomoko Tsuyama ARAI, Yoshiaki INAISHI, Yoshinori SAWADO, Ichizo KOBAYASHI, and Junichi HIDAKA, Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) 4875 [11] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York, 1981, p. 363-400 [12] T. Hori, Gate Dielectrics and MOS ULSIs Principles, Technologies, and Applications, Springer-Verlag, Heisenberg, 1997 [13] C. Suryanarayana and M. Grant Norton, X-Ray Diffraction A practical Approach, Plenum Press, New York, 1998
