The use of ferroelectric thin films such as $SrBi_2Ta_2O_9$ (SBT) and $YMnO_3$ is of great importance in the application to non-volatile ferroelectric random access memory (NV-FRAM) devices. Particularly, it is very attractive to use them as gate materials in the MEFSFET and MEFISFET devices. In these points, both the fundamental study and applied study have been performed in this thesis.
A transmission electron microscopy study of the solid phase crystallization of amorphous SBT thin films, deposited by metal-organic decomposition and annealed at 800℃ in a dry $O_2$ ambient, was carried out, in order to investigate the grain formation and origins of grain growth. The grains grew preferentially to the ＜110＞ direction resulting in elliptical grains. Because the highest ionic packing planes are the (001) planes with heights of 0.9217 and 0.5783, which planes are very the planes including $TaO_6$ octahedra in SBT crystal structure, and the nearest bonding direction of these planes is the ＜110＞ direction, the grains grew to ＜110＞ direction preferentially. As the annealing time was increased, elliptical grains maintained the preferential growth of the ＜110＞ direction. High-resolution (HR) TEM and HR image computer simulation studies of the solid-phase crystallization of amorphous SBT thin films, prepared by metal-organic decomposition, were carried out, in order to investigate defect structure and its effect on the grain growth of the SBT films on an atomic level. In most of the grains, there were antiphase boundaries of which lattice on the one side is displaced by $d_(005)$ toward the ＜001＞ direction compared with the lattice on the other side. The formation of a stacking fault induces the antiphase boundary at the amorphous/crystalline interface. A corner of the antiphase boundary at the interface acts as preferable nucleation sites for an atomic step of the {001} planes, and nuclei of {001} planes are formed easily in the corner. Thus, the antiphase boundary enhances elliptical grain growth in the ＜110＞ direction on {001} planes. In the end the shape of a grain elongated in the direction parallel to the (001) planes and the stacking fault plane. As a result, the grain had an elliptical shape. Our results will help to those who would like to prepare preferred or epitaxial growth of SBT thin films.
A novel approach that can enhance the memory window in the fabrication of MEFIS field-effect transistor using the Pt/SBT/$Y_2O_3$/Si structure is proposed. The memory window increases from 0.96 to 1.38V when the sweep voltage is raised from 5 to 7V. The memory window of the MEFISFET can be controlled with the variation of thickness ratio of the SBT/$Y_2O_3$ film. The output characteristics of MEFISFET show an excellent electrical performance compared to the conventional MOSFET and EEPROM, since the memory window (0.96~1.38V) is wider than the reported value of the conventional EEPROM (1V) at 1~7V and the leakage current of this device is $10^{-8}~10$^{-7}A/㎠$ at the $V_G$ range of 1~5V.
To compare the crystallization behavior with SBT films, solid-phase crystallization of amorphous $YMnO_3$ thin films in the $YMnO_3$/Si structure was investigated. During the crystallization of amorphous $YMnO_3$ thin film on Si (001) at 870℃ in a dry $O_2$ ambient, a thin layer of nanoprecipitate $Y_2$ $O_3$ phase was found on the interface between c-axis oriented $YMnO_3$ and the substrate. High-resolution transmission electron microscopy and computer image processing indicate that the observed interplanar spacings and angles between planes clearly matched those of cubic $Y_2O_3$. This polycrystalline $Y_2O_3$ layer has a local epitaxial relationship of $YMnO_3$ (0001) // $Y_2O_3$ (111). The existence of the polycrystalline $Y_2O_3$ layer at the $YMnO_3$ side and Y-containing amorphous layer at the Si side of interface are due to the greater oxidizing ability of Y than those of Mn and Si during heat treatment in the oxygen atmosphere.'
$SrBi_2Ta_2O_9$ (SBT), $YMnO_3$와 같은 저유전율 강유전체 박막의 이용은 비휘발성 강유전체 막 접근 기억 (RAM: random access memory) 소자로 이용하는데 매우 큰 중요성을 갖는다. 특히 SBT와 $YMnO_3$ 강유전체 박막을 금속/강유전체/반도체 마당효과 트랜지스터 (MEFSFET: metal/ferroelectric/semiconductor field-effect transistor)나 금속/강유전체/절연체/반도체 마당효과 트랜지스터 (MEFISFET: metal/ferroelectric/insulator/semiconductor FET) 소자의 게이트 재료로 이용함에 있어서 큰 이점을 가지고 있다. 이런 관점에서 이 논문에서 위의 재료들에 대한 기본적인 연구와 소자로의 응용가능성에 대한 연구를 수행하였다.
먼저 유기금속분해에 의해 증착된 비정질 SBT 박막을 800℃의 건조 산소 분위기에서 열처리하여 결정립 형성과 결정 성장의 원인을 투과전자현미경을 이용하여 조사하였다. 초기의 결정립은 ＜110＞ 방향으로 길게 성장하여 타원형 모양을 이루고 있었다. 이는 $TaO_6$ 팔면체를 포함하는 (001) 면이 가장 높은 이온 충진면이고 이 면들에서 가장 가까운 결합 방향이 ＜110＞ 방향이기 때문에 ＜110＞ 방향으로 길게 성장한 타원형의 결정립을 형성하였다. 열처리 시간을 증가시켰을 때, ＜110＞ 방향으로 우선 성장한 타원형 모양이 그대로 유지되었다. 또한 고분해능 투과전자현미경과 고분해능 컴퓨터 모사 연구를 수행하여 결정과 결함, 그리고 SBT 결정 성장에 미치는 결함의 영향을 원자단위로 분석하였다. 대부분의 결정립에서 결정립의 한쪽이 다른 한쪽에 비해 ＜001＞ 방향으로 $d_(005)$ 만큼 어긋나 있는 역위상 경계가 관찰되었다. 이러한 역위상 경계는 비정질/결정질 계면에서의 적층순서 오류에 의해 형성된 적층결함과 조금씩 다르게 배향된 결정 성장 선단면의 교차 등에 의하여 형성되었다. 적층결함은 c-축 방향으로 하나의 TaO$_6$ 팔면체 층과 하나의 $BiO_2$ 층이 결손되어 존재하였다. 비정질/결정질 계면의 역위상 경계의 끝부분은 {001} 면들의 원자 계단을 위한 우선 핵생성 자리의 역할을 하여 ＜110＞ 방향으로의 타원형 결정 성장을 증가시킨다. 결국, 결정립은 {001} 면 (적층결함이 형성된 면)에 평행한 방향으로 길게 성장된 타원형 모양을 가지게 된다. 따라서 이 결과는 강유전체 SBT 박막을 우선 성장시키거나 에피택셜 성장시키고자 하는 연구자에게 도움을 줄 것이라고 판단된다.
응용 연구로써 Pt/SBT/$Y_2O_3$/Si 구조를 이용한 MEFISFET를 제작하여 기억 창 (memory window) 값을 증가시킬 수 있었다. 작동 전압을 5V에서 7V로 증가시켰을 때 기억 창 값이 0.96V에서 1.38V로 증가하였다. 이런 MEFISFET의 기억 창은 SBT/$Y_2O_3$ 박막의 두께 변화로 조절될 수 있었다. 출력 특성은 일반적인 MOS (metal/oxide/semiconductor) FET나 EEPROM (electrically erasable programmable read only memory)의 출력 특성과 비교하여 상당히 우수한 전기적 성능을 나타내었다. 기억 창은 일반적인 EEPROM의 1V보다 큰 값 (0.96~1.38V)을 나타내었고 누설전류 밀도는 게이트 전압 (V$_G$) 범위가 1~5V에서 $10^{-8}~10^{-7} A/㎠$를 나타내었다.
강유전체 SBT 박막의 결정화와 비교하기 위하여 Si (001) 기판위에 증착된 비정질 강유전체 $YMnO_3$ 박막의 결정화를 조사하였다. 비정질 $YMnO_3$ 박막을 870oC의 건조 산소 분위기에서 열처리하였을 때 c-축 방향으로 우선성장한 $YMnO_3$ 박막과 기판 사이의 계면에 얇은 $Y_2O_3$ 나노석출물이 형성되었다. 고분해능 투과전자현미경과 컴퓨터 상 처리를 통하여 관찰된 면간 거리와 면사이의 각도가 입방정 결정구조의$Y_2O_3$의 그것들과 정확하게 일치하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 다결정 $Y_2O_3$ 층은 국부적으로 $YMnO_3$ (0001) // $Y_2O_3$ (111)의 에피택셜 관계를 가지고 있었다. 산소 분위기의 열처리 동안에 $YMnO_3$ 쪽 계면에 이러한 다결정 $Y_2O_3$ 층이 형성되고 Si 쪽 계면에는 Y을 포함하는 비정질 층이 형성되는 것은 Y 원소가 Mn과 Si의 산화 능력에 비해 2배이상 크기 때문이다. 이런 공정은 MESFET를 이용하여 MEFSIFET의 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 생산 원가를 절감하고 self aligned MESIFET를 구현하는 새로운 공정임을 제안할 수 있었다.
