High-dielectric thin films have attacted great interests as DRAM dielectric materials because of their high dielectric constant, but the electrical properties related to DRAM operation such as dielectric relaxation and conduction leakage properties have not sufficiently studied yet. Dielectric relaxation phenomena are observed with the dielectric relaxation current in the time domain or with the dielectric dispersion in the frequency domain. The dielectric relaxation and the dielectric dispersion are fundamentally the same because it is verfied that they are connected each other through Fourier integral transform. The dielectric relaxation of high dielectric thin films such as $SrTiO_3$, $(Ba,Sr)TiO_3$, $Pb(Zr,Ti)O_3$ is known to be Curie-von Schweidler relaxation. Waser et al. and Horikawa et al. proposed a multiple series connected RC circuit could be an equivalent circuit of Curie-von Schweidler relaxation.
We have been tried to make an equivalent circuit model of Curie-von Schweidler relaxation. In the progress of circuit-modeling, we have developed a new method to determine the RC parameters utilizing a distribution function of relaxation times. It has been verified that the developed distribution function of relaxation times is that of Curie-von Schweidler relaxation. By approximating the continuous distribution function to multiple delta functions which are the distribution functions of Debye relaxation, we could change the distribution function of Curie-von Schweidler relaxation to that of multiple Debye relaxation. Each Debye relaxation can be converted to a series connected RC circuit As the same way, the Curie-von Schweidler relaxation can be converted to an equivalent circuit.
We have verified that the modeled equivalent circuit has a characteristic very close to that of Curie-von Schweidler relaxation in the time and the frequency domain Furthermore, with the equivalent circuit, the effect of the dielectric relaxation on DRAM operation has been simulated. The current conduction properties of the high dielectric capacitor has been modeled with a linear resistor and its effect have been also simulated.
Finally, we have tried to measure the frequency response of $(Ba,Sr)TiO_3$ thin film capacitor as a new method to investigate the dielectric relaxation of high dielectric capacitor. In this process, a new fabrication process has been developed and an easy de-embedding procedure for parasitic components has been introduced. Low frequency response of the fabricated high dielectric capacitor has been measured with an impedance analyzer and the high frequency response has been measured with a network analyzer up to 1GHz. The $(Ba,Sr)TiO_3$ thin film capacitor showed high dielectric properties up to 1GHz. The measured dielectric properties are believed to be sufficient for DRAM application. With the measured frequency response of dielectric capacitor, and equivalent circuit has been realized and it was found that the characteristics of the equivalent circuit are very close to the measured characteristics of the dielectric capacitor in time domain and frequency domain. This result implies that the developed procedure for equivalent circuit of Curie-von Schweidler relaxation is a very effective and useful method.
고유전 박막 커패시터의 중요한 전기적 특성으로 고유전 특성 외에 유전완화 특성 및 전류 누설 특성을 들 수 있다. 고유전 박막을 DRAM에 응용할 때에 유전완화 특성 및 전류 누설 특성은 모두 전하 손실 기구로서 작용한다. 그러므로 고유전 박막을 DRAM에 응용하기에 앞서 이 두 기구에 대한 이론적인 이해와 해석을 통해 등기모델을 구현하여 그 영향을 정확하게 파악하는 것은 매우 중요한 일이다.
지금까지 유전완화는 커패시터에 일정한 전압을 인가했을 때 흐르는 전류·시간 특성으로 이해되어 왔으며 또한, 유전완화는 주파수에 따른 유전율의 감소와도 직접 관련이 되어 있음이 알려져 왔다. 그러나 DRAM 동작을 시뮬레이션하기 위한 유전체의 전기적 모델은 시간 영역에서 보면 1ns~1s에 이러는 aon 넓은 범위에 대해서 이루어져야 한다. 그러므로 기존의 모델링에서 널리 사용하던 측정 데이터를 커브 피팅하는 방식이 아닌 새로운 방식이 요구되고 있었다.
본 연구에서는 기존의 방식과 달리 완화시간의 분포함수를 이용하여 유전 특성을 보다 쉽게 이해할 수 있게 하였으며 이를 바탕으로 목적에 맞는 간단한 등가모델을 쉽게 얻어 낼수 있는 방법을 제안하였다. 새로운 모델링 방법에 의해서 만들어진 등가모델의 주파수 특성 및 시간 특성은 Curie-von Schweidler 완화 특성과 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이 모델링 방법은 Curie-von Schweidler 완화 뿐 아니라 다른 어떤 유전완화 특성에 대해서도 응용할 수 있는 일반적인 이론이다.
또한, 본 논문에서는 유전완화 특성을 측정하는 새로운 방식을 소개 하였고 그것을 실제 실험에 적용함으로써 그 타당성을 입증하였다. 유전완화 특성은 시간 영역에서 전류·시간 특성을 측정하여 알 수 있지만 측정이 까다롭고 잡음에 의한 영향으로 정확한 측정이 어렵다. 그러나 주파수 영역에서 유전분산을 측정함으로써 쉽게 유전완화 특성을 파악할 수 있음을 보였다.
한편, 유전분산을 측정하기 위하여 고유전 박막 커패시터의 주파수 특성을 고주파까지 측정할 수 있는 간단한 커패시터의 구조 및 제작 과정을 개발하고 측정 패턴에 포함되어 있는 기생 성분들을 간단히 추출할 수 있는 방법을 개발하였다. 측정된 주파수 특성으로부터 유전완화 특성을 간단히 추출할 수 있는 방법을 개발하였다. 측정된 주파수 특성으로부터 유전완화 특성을 분석하였고 이것을 바탕으로 등가모델을 구현하여 DRAM 응용에서 동작 특성을 고찰하였다. 누설 전류 특성을 바꾸어 가며 DRAM 동작을 시뮬레이션 함으로써 DRAM 동작에 영향을 주는 누설 전류의 범위를 알 수 있었다.
이러한 유전완화 전류에 대한 등가모델은 단순히 DRAM 동작을 시뮬레이션하는 데만 활용하는 것이 아니라 유전체의 다른 전기적인 특성을 분석하는 데도 충분히 활용될 수 있다. 일반적인 전기적 측정에서 유전완화에 의한 영향을 충분히 예측할 수 있다면 다른 전기적 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있을 것으로 본다.
