Jurnal Matematika dan Sains Vol. 10 No. 3, September 2005, hal 87-91
Sifat Listrik Film Tipis SrTiO3 untuk Kapasitor MOS Darsikin1,2, Khairurrijal1, Sukirno1, and M. Barmawi1 Laboratorium Fisika Material Elektronik, Departemen Fisika, FMIPA ITB 2) Program Fisika, Universitas Tadulako, Palu e-mail:
[email protected]
1)
Diterima Januari 2005, disetujui untuk dipublikasi Mei 2005 Abstrak Film tipis strontium titanate (SrTiO3) telah berhasil dideposisi di atas substrat silikon menggunakan teknik pulsedlaser ablation deposition (PLAD). Temperatur optimum adalah 600o C. Sifat listrik diukur menggunakan struktur kapasitor metal-oksida-semikonduktor (MOS). Film tipis menunjukkan sifat insulator yang baik pada temperatur ruang. Rapat muatan tetap dan rapat arus bocor juga dihitung. Hasil pengukuran film tipis menunjukkan bahwa film tipis SrTiO3 dapat diaplikasikan sebagai gerbang dielektrik alternatif. Kata kunci: Arus bocor, Metal-oksida–semikonduktor (MOS), pulsed-laser ablation deposition (PLAD), rapat muatan tetap, SrTiO3, Abstract Strontium titanate (SrTiO3) film was successfully deposited on a silicon substrate by using a pulsed-laser ablation deposition (PLAD) technique. The optimum temperature is 600o C. The electrical properties measurement was metal-oxide-semiconductor capacitor. The film exhibits good insulating property at room temperature. The fixed charge density and leakage current density were also calculated. The results show that the films have promising applications as alternative gate dielectrics. keywords: Fixed charge density, leakage current, metal-oxide–semiconductor (MOS), pulsed-laser ablation deposition (PLAD), SrTiO3, , Karena peta jalan teknologi meramalkan bahwa ketebalan dielektrik gerbang di masa mendatang kurang dari 2 nm 3), beberapa bahan dielektrik gerbang alternatif telah dipelajari. Dielektrik gerbang alternatif yang dibutuhkan adalah bahan yang mempunyai konstanta dielektrik lebih tinggi dari SiO2 sehingga meskipun ketebalan fisis dielektrik gerbang tersebut lebih tebal, memiliki ketebalan elektrik yaitu ketebalan equivalen lapisan oksida (equivalent oxide thickness) yang tipis. Penelitian untuk dielektrik gerbang baru meliputi bermacammacam material seperti SiN dan SiO2 yang dinitridasi, Ta2O5, TiO2, Al2O3, ZrO2, dan SrTiO3. Salah satu dari bahan-bahan tersebut yang menarik untuk diteliti adalah SrTiO3. Oksida dengan struktur kristal perovskite, Seperti SrTiO3 kemudian di pilih sebagai kandidat untuk dielektrik sangat tipis untuk menggantikan SiO2 dan silikon nitrida dalam mikroelektronik karena mempunyai konstanta dielektrik tinggi. Kemudian jika ditumbuhkan secara epitaksi pada Si (100) menghasilkan ketaksesuaian kisi hanya sekitar 1,7%2). Dengan menggunakan bahan yang konstanta dielektriknya tinggi seperti SrTiO3 maka diharapkan arus bocor yang dihasilkan akan rendah. Bahan ini telah berhasil ditumbuhkan secara epitaksi di atas wafer silikon dengan menggunakan molecular beam epitaxy (MBE)4), dan metalorganic chemicalvapor deposition (MOCVD)5). Dalam paper ini kami melaporkan sifat-sifat listrik film tipis SrTiO3 yang ditumbuhkan pada
1. Pendahuluan Pada akhir tahun 1930an, teknologi silikon berkembang sangat pesat karena adanya pengecilan ukuran yang menghasilkan peningkatan konstanta dalam jumlah komponen per chip. Reduksi ukuran ini beriringan dengan meningkatnya kinerja dan menurunnya harga divais (fungsi penurunan sekitar 25% per tahun). Fenomena ini cenderung secara populer dikuantisasi sebagai hukum Moore yang memprediksi bahwa jumlah komponen per chip berlipat dua setiap 18 bulan. Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FieldEffect-Transistor (FET) adalah divais yang sangat penting untuk Ultra-Large-Scale-Integration (ULSI: > 107 transistor pada Chip)1). Penumbuhan SiO2 yang digunakan dalam divais di atas sebagai dielektrik gerbang (insulator) biasanya dilakukan secara termal. Sejak ditemukannya divais tiga terminal (transistor persambungan bipolar) oleh John Bardeen dan Walter Brittain pada tahun 1948, industri elektronik berkembang sangat pesat. Sedangkan silikon dioksida (SiO2) telah digunakan sebagai bahan dielektrik gerbang bagi complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sejak 1960. Akan tetapi sejalan dengan pengecilan divais MOS, SiO2 mempunyai beberapa keterbatasan fundamental sebagai dielektrik gerbang. Untuk skala ketebalan SiO2 di bawah 2 nm arus bocor gerbang (gate leakage current) MOSFET menjadi tinggi karena arus terobosan (tunneling current) yang berlebihan2). 87
88
JMS Vol. 10 No. 3, September 2005
Dalam penumbuhan film tipis substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Prosedur pembersihan substrat Si adalah sebagai berikut: Substrat tersebut dicuci dengan aseton dan metanol berurutan masing-masing 10 menit di dalam wadah penggetar ultrasonik Branson 2210 untuk menghilangkan kotoran organik soluble dan kemudian dibilas dengan air deionized (DI). Selanjutnya, prosedur pencucian RCA tiga langkah dilakukan pada substrat tersebut. RCA adalah prosedur standar pencucian wafer silikon. Langkah pertama adalah membersihkan organik yang tidak dapat larut dalam air: dengan menggunakan larutan H2O:NH4OH:H2O2 dengan perbandingan 5:1:1(RCA1). Untuk membuat larutan ini dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut: pertama-tama menaruh 325 ml DI water dalam gelas kimia pyrex, kemudian menambahkan 65 ml NH4OH (27%) dan memanaskannya di atas plat pemanas pada suhu kirakira 70+5oC. Larutan yang dipanaskan tadi dipindahkan dari plat pemanas, kemudian menambahkan 65 ml H2O2 (30%). Selanjutnya ditunggu 1 hingga 2 menit, kemudian digetarkan selama 15 menit, dan membersihkan substrat dengan menggunakan DI water. Langkah kedua adalah substrat yang sudah dibersihkan pada langkah 1) dimasukkan ke dalam larutan H2O:HF dengan perbandingan 50:1 untuk menghilangkan lapisan silikon dioksida yang muncul akibat proses tersebut. Langkah selanjutnya adalah membersihakan kontaminan ionik dan logam berat (RCA-2). Hal ini dapat dilakukan dengan cara: memasukkan 300 ml DI water ke dalam gelas kimia pyrex dan perlahan-lahan ditambahkan 50 ml HCl lalu dipanaskan sampai suhu 70+5oC. Larutan yang sudah dipanaskan tadi selanjutnya dipindahkan dari plat pemanas dan ditambahkan 50 ml H2O2 (30 %), kemudian ditunggu 1 hingga 2 menit lalu digetarkan selama 10 menit dan substrat siap dikeringkan dengan menggunakan gas nitrogen6,7). Lapisan tipis SrTiO3 ditumbuhkan pada substrat yang telah dipreparasi dengan menggunakan teknik PLAD. Pelet yang digunakan sebagai target laser pulsa adalah SrTiO3. Adapun detail dari kondisi penumbuhan SrTiO3 seperti pada tabel 1. Tabel 1. Parameter penumbuhan film tipis SrTiO3 Temperatur Substrat Tekanan chamber Aliran Oksigen Frekuensi repetasi Tegangan lucutan Lama penumbuhan
600 – 700o C 200 mTorr 10 sccm 10 Hz 1,52 kV 20 menit
Setelah SrTiO3 ditumbuhkan sifat fisiknya dikarakterisasi. Ketebalan lapisan SrTiO3 diukur
Gambar 1. Struktur kapasitor MOS. 3. Hasil dan Diskusi Dari hasil pengukuran dengan profilometer Dektak didapatkan bahwa laju penumbuhan lapisan tipis SrTiO3 adalah 10 nm/menit. Pola difraksi sinarX lapisan tipis SrTiO3 dengan ketebalan 200 nm pada substrat Si (100) seperti ditunjukkan pada gambar 2. Puncak di 2θ = 69.5o adalah puncak substrat Si (100). Karena tidak ada puncak-puncak SrTiO3 maka film tipis ini adalah amorf. 200 Si (10 0)
2. Eksperimen
menggunakan profilometer dektak untuk mengetahui laju penumbuhannya. Difraktometer sinar-X Philips dengan panjang gelombang 1,54056 Å dan dioperasikan pada tegangan 40 kV digunakan untuk menentukan kristalinitas lapisan SrTiO3. Morfologi permukaan dan penampang lintang lapisan dipotret menggunakan mikroskop elektron sekunder (secondary electron microscopy/ SEM) JEOL JSM35C. Struktur kapasitor MOS digunakan untuk mengetahui sifat-sifat listrik lapisan tipis SrTiO3. Logam aluminium (Al) sebagai elektroda dengan ukuran 4x10-2cm2 dideposisikan pada struktur SrTiO3/Si(100) dengan teknik evaporator. Nilai kapasitansi-tegangan (C-V) diukur dengan menggunakan meter kapasitansi Hewlett-Packard HP4280A 1 MHz. Kurva karakteristik arus-tegangan (J-V) diperoleh dengan menggunakan meter pA (picoampere) Hewlett-Packard HP4140B dan sumber tegangan DC. Adapun struktur kapasitor adalah seperti pada gambar 1.
Inte nsita s (cps)
substrat silikon dengan menggunakan teknik pulsedlaser ablation deposition (PLAD).
150 100 50 0 20
30
40
50
60
70
80
90
2θ (deg)
Gambar 2. Pola difraksi sinar X lapisan tipis SrTiO3 pada ketebalan 200 nm.
JMS Vol. 10 No. 3, September 2005
89
Gambar 3 dan 4 adalah morfologi permukaan dan penampang lintang film tipis SrTiO3 dengan ketebalan 600 nm. Dari permukaan terlihat bahwa ukuran butir film tipis SrTiO3 sekitar 0,2-1,0 µm.
Kapasitansi (pF/cm -2)
800
700o C
700 600
600o C
500 400 650o C
300 200 100 0 -5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Tegangan (Volt)
Gambar 5. Kurva C-V frekuensi tinggi dengan ketebalan fisik 200 nm.
Gambar 3. Permukaan film tipis SrTiO3 di atas Si (100).
Untuk memperoleh harga digunakan persamaan:
COX =
konstanta
κ .ε o . A
(1)
tOX
dimana COX adalah kapasitansi akumulasi, konstanta dielektrik,
ε O adalah
dielektrik
κ
adalah
permitivitas pada
ruang hampa udara yang besarnya 8,85 x 10-14 F.cm1 , A adalah luas elektroda, dan tOX adalah ketebalan lapisan oksida. Kapasiatansi akumulasi berturut-turut adalah 659 pF, 108 pF dan 795 pF untuk temperatur penumbuhan 600o C, 650o C dan 700o C. Dengan menggunakan persamaan 1 maka harga konstanta dielektrik film tipis SrTiO3 adalah berturut-turut 93, 15 dan 112 untuk temperatur penumbuhan 600o C, 650o C dan 700o C. Untuk menghitung EOT adalah dengan menggunakan persamaan di bawah ini:
teq =
κ SiO .tox κ ox 2
dimana teq adalah ketebalan equivalen,
(2)
κ SiO
2
adalah
konstanta dielektrik SiO2 yang besarnya 3,9, κ OX adalah konstanta dielektrik SrTiO3 dan tOX
Gambar 4. Penampang film tipis SrTiO3 dengan ketebalan 800 nm di atas Si (100). Pengukuran kapasitansi sebagai fungsi tegangan (C-V) pada frekuensi tinggi (1MHz) dilakukan pada modus akumulasi dan oleh karena itu efek mekanika kuantum tidak dipertimbangkan. Ketebalan oksida equivalen (equivalent oxide thickness/EOT) dihitung dari kapasitansi akumulasi kurva kapasitansi-tegangan (C-V) frekuensi tinggi tanpa mempertimbangkan efek mekanika kuantum8).
adalah ketebalan oksida. Dengan menggunakan persamaan (1) dan κ SiO2 = 3,9 ketebalan equivalen
teq film tipis SrTiO3 berturut-turur adalah 8,36 nm, 51,32 nm dan 6,94 nm. Agar film tipis SrTiO3 tersebut dapat digunakan sebagai oksida pada kapasitor MOS, rapat muatan tetap (fixed charge density) di film tipis SrTiO3 tersebut harus berkisar antara 1010-1011/cm2 9,10,11) . Rapat muatan tetap N fc dapat dihitung dengan memanfaatkan kurva C-V dan persamaan berikut ini :
6,8)
90
JMS Vol. 10 No. 3, September 2005
N fc = −Cmax (VFB − φ MS ) /(eA)
Dengan menggunakan persamaan (3) rapat muatan tetap N fc diperoleh yang besarnya berurutan
Cmax adalah kapasitansi maksimum yang
adalah 2,98x1010, 8,37x109 dan 4,1x1010/cm2, untuk T= 600o C, 650o C dan 700o C. Nilai-nilai N fc yang
ditunjukkan oleh kurva C-V, yaitu kapasitansi film tipis SrTiO3, e adalah muatan listrik, dan A adalah luas permukaan kapasitor. Tegangan pita datar (flat-band voltage) VFB di dalam pers. (2) diperoleh dari kurva C-V dan persamaan berikut:11)
CFB = dimana
tOX
ε OX dan ε Si
κ OX . ε O A + (ε OX / ε Si )LD
(4)
1.E-03
berurutan adalah permitivitas
film tipis SrTiO3 dan silikon, sedangkan
650 o C
tOX adalah
ketebalan lapisan SrTiO3. Panjang Debye LD dinyatatakan oleh11)
LD =
diperoleh mengindikasikan bahwa film tipis SrTiO3 yang ditumbuhkan pada ketiga temperatur tersebut berpotensi untuk digunakan sebagai lapisan oksida untuk kapasitor MOS. Rapat arus yang mengalir melalui kapasitor MOS dengan lapisan oksida film tipis SrTiO3 dengan ketebalan 200 nm sebagai fungsi tegangan (J-V) ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
kTε Si N Ae 2
(5)
1.E-04 Kerapatan arus j z (A.cm-2)
dengan
(3)
700 o C
1.E-05
600 o C
1.E-06
1.E-07
dengan k adalah konstanta Boltzmann, T adalah 1.E-08
temperatur, dan N A adalah konsentrasi doping. Beda fungsi kerja antara logam dan semikonduktor φ MS diberikan oleh11)
φ MS = φ M − {χ + ψ B + ( Eg / 2e)} dengan
φM
adalah fungsi kerja logam,
χ
(6)
dan E g
berurutan adalah afinitas elektron dan celah pita semikonduktor. Beda potensial ψ B adalah selisih antara tingkat Fermi EF dan tingkat Fermi intrinsik
Ei , yang ditulis sebagai10)
ψ B = kT ln( N A / ni )
(7)
dengan ni adalah konsentrasi pembawa intrinsik. Dengan menggunakan persamaan (4) dan konstanta dielektrik Si dan SrTiO3 berturut-turut 11,910) dan 112 diperoleh kapasitansi pita datar C FB adalah 175 pF. Dari gambar kurva C-V ditunjukkan bahwa nilai kapasitansi C FB bersesuaian dengan tegangan pita datar VFB berurutan -0,8 V, -0,2, dan 0,3 untuk T= 600o C, 650o C dan 700o C. Karena ni = 1x1015.cm-3 untuk Si pada T=300 K, N A =5x1014.cm-3, celah pita Si pada T=300 K sebesar 1,12 eV, afinitas elektron Si 4,05 V, dan fungsi kerja Al 4,1 V,10) maka beda fungsi kerja antara elektroda logam Al dan substrat Si φ MS yang dihitung dengan persamaan (6) adalah -0,51 V.
0
1
2
3
4
5
Tegangan V g (Volt)
Gambar 6. Rapat arus melalui kapasitor MOS dengan ketebalan SrTiO3 200 nm. Dari gambar kurva karakteristik J-V menunjukkan konduktivitas ohmik pada tegangan di bawah 1 V dan bergantung secara eksponensial pada tegangan di atas 1 V. Kebocoran arus pada tegangan 1 V berurutan adalah: 6.61x10-6, 8.14x10-5, dan 9.12x10-6 A.cm-2 untuk T= 600o C, 650o C dan 700o C. Dari hasil ini film tipis SrTiO3 berpotensi sebagai gerbang dielektrik untuk menggantikan SiO2. 4. Kesimpulan Telah berhasil ditumbuhkan film tipis SrTiO3 di atas substrat Si (100) dengan menggunakan teknik PLAD. Dari hasil perhitungan rapat muatan tetap diperoleh berurutan adalah 2,98x1010, 8,37x109 dan 4,1x1010/cm2, untuk T= 600o C, 650o C dan 700o C. Dari hasil tersebut maka film tipis SrTiO3 dapat digunakan sebagai lapisan oksida untuk kapasitor MOS. Kurva karakteristik J-V menunjukkan konduktivitas ohmik pada tegangan di bawah 1 V dan bergantung secara eksponensial pada tegangan di atas 1 V. Daftar Pustaka 1.
Hori, T., “Gate Dielectric and MOS ULSIs (Principles, Technologies, and Applications)”, Berlin Heidelberg, Germany, Springer-Verlag (1997).
JMS Vol. 10 No. 3, September 2005
2.
3. 4.
5.
6.
Eisenbeiser, K., Finder, J.M., Yu, Z., Ramdani, J., Curless, J.A., Hallmark, J.A. Droopad, R., Ooms, W.J., Salem, L., Bradshaw, S., & Overgaard, C.D., “Field effect transistors with SrTiO3 gate dielectric on Si”, Appl. Phys. Lett., 76, 1324 (2000). Semiconductor Industry Association, The National Technology Roadmap for Semiconductor (2001). Fröhlich, K., Machajdík, D., Rosová, A., Vávra, I., Weiss, F., Bochu, B., & Senateur, J.P., “Growth of SrTiO3 thin epitaxial films by aerosol MOCVD Thin Sol”, Films 260, 187 (1995). Hitoshi Tabata, Hidekazu Tanaka, Tomoji Kawai, & Masanori Okuyama, “Strained SrTiO3/BaTiO3 Superlattices Formed by Laser Ablation Technique and Their High Dielectric”, Properties, Jpn. J.Appl. Phys. 34, 544 (1995). Khairurrijal, Darsikin, & Budiman, M., “Kapasitor MOS dengan dielektrik Ceria Amorf”, Jurnal Matematika dan Sains 9:3, 269 (2004).
91
7.
Heyns, M.M., et. al, “Cost-effective cleaning and high-quality thin gate oxides”, IBM J. Res. Develop. 43:43, 339 (1999). 8. Wang, S.J., Ong, C.K., Xu, S.Y., Chen, P., Tjiu, W.C., Huan, A.C.H., Yoo, W.J., Lim, J.S., Feng, W., & Choi, W.K., “Electrical properties of crystalline YSZ films on silicon as alternative gate dielectrics”, Semicond. Sci. Technol. 16 L13 (2001) 9. Hou, Y., Xu, X.H., Wang, H., Wang, M., & Shang, S.X., “Bi3.25La0.25Ti3O12 thin films prepared on Si (100) by metal-organic decomposition method”, Appl. Phys. Lett. 78, 1773 (2001). 10. Sze, S.M., “Physics of Semiconductor Devices, 2nd ed.”, New York, John Wiley & Sons, 381395 (1981). 11. Yang, Ch.H., Wang, Zh., Jiang F.Y., Geng, Y.L., Zhu, B.Y., Yi, X.J., Ma, G.P., & Han, J.R., “Electrical properties of Pr-doped Bi4Ti3O12 thin films on Si substrate”, Journal of Crystal Growth 271, 171 (2004).
