Skip to main content
Erschienen in: Journal of Materials Science: Materials in Electronics 8/2015

01.08.2015

Characterization of interface defects in BiFeO3 metal–oxide–semiconductor capacitors deposited by radio frequency magnetron sputtering

verfasst von: Senol Kaya, Ercan Yilmaz, Aliekber Aktag, Jan Seidel

Erschienen in: Journal of Materials Science: Materials in Electronics | Ausgabe 8/2015

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

In this work, we study the structural and electrical properties of BiFeO3 MOS capacitors with a special focus on the oxide–semiconductor interface for gate dielectric applications. For this purpose BiFeO3 thin films with a thickness of 300 nm were deposited on p-type Si (100) substrates at 0 °C by RF sputtering. Half of the films were annealed at 550 °C for 30 min in atmospheric environment while the other half were kept as-deposited. XRD and SEM measurements were performed for both samples for structural characterization. MOS capacitors were fabricated by evaporation technique using Al from samples. For electrical characterizations of MOS capacitors, capacitance–voltage (C–V), conductance–frequency (Gp/ω–F) and leakage current density–voltage (J–V) measurements were performed. The XRD analyses show that BiFeO3 thin films are polycrystalline with some impurity phases, which influence the electronic device properties. The formation of crystallization is confirmed by SEM measurements. Debye length, barrier height and flat band voltages showed variations due to the frequency dependent charges, partially originating from interface defects, in the device structure. Therefore ignoring effects of frequency dependent charges can lead to significant errors in the analysis of electrical characteristics of MOS capacitors. Moreover, the obtained results from analyses of C–V, Gp/ω–F and J–V characteristics of annealed samples depict that all measured and calculated parameters are of the same order for novel MOS devices. Hence, the BiFeO3 dielectric layer in fabricated MOS devices exhibits a stable insulation property for gate dielectric applications.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd edn. (Wiley, New York, 1981) S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd edn. (Wiley, New York, 1981)
2.
Zurück zum Zitat H. Bentarzi, Transport in Metal–Oxide–Semiconductor Structures (Springer, Berlin, 2011)CrossRef H. Bentarzi, Transport in Metal–Oxide–Semiconductor Structures (Springer, Berlin, 2011)CrossRef
3.
Zurück zum Zitat V. Edon, M.C. Hugon, B. Agius, C. Cohen, C. Cardinaud, C. Eypert, Thin Solid Films 515, 7782–7789 (2007)CrossRef V. Edon, M.C. Hugon, B. Agius, C. Cohen, C. Cardinaud, C. Eypert, Thin Solid Films 515, 7782–7789 (2007)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat P. Morgen, T. Jensen, C. Gundlach, L.B. Taekker, S.V. Hoffman, Z.S. Li, K. Pedersen, Phys. Scr. T101, 26–29 (2002)CrossRef P. Morgen, T. Jensen, C. Gundlach, L.B. Taekker, S.V. Hoffman, Z.S. Li, K. Pedersen, Phys. Scr. T101, 26–29 (2002)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat S.K. Nandi, S. Chakraborty, M.K. Bera, C.K. Maiti, Bull. Mater. Sci. 30, 247–254 (2007)CrossRef S.K. Nandi, S. Chakraborty, M.K. Bera, C.K. Maiti, Bull. Mater. Sci. 30, 247–254 (2007)CrossRef
6.
Zurück zum Zitat W. Fan, J. Cao, J. Seidel, Y. Gu, J.W. Yim, C. Barrett, K.M. Yu, J. Ji, R. Ramesh, L.Q. Chen, J. Wu, Phys. Rev. B 83, 054506 (2011)CrossRef W. Fan, J. Cao, J. Seidel, Y. Gu, J.W. Yim, C. Barrett, K.M. Yu, J. Ji, R. Ramesh, L.Q. Chen, J. Wu, Phys. Rev. B 83, 054506 (2011)CrossRef
7.
Zurück zum Zitat C.H. Yang, D. Kan, I. Takeuchi, V. Nagarajan, J. Seidel, Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 15953–15962 (2012)CrossRef C.H. Yang, D. Kan, I. Takeuchi, V. Nagarajan, J. Seidel, Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 15953–15962 (2012)CrossRef
8.
Zurück zum Zitat G. Catalan, J. Seidel, R. Ramesh, J.F. Scott, Rev. Mod. Phys. 84, 119–156 (2012)CrossRef G. Catalan, J. Seidel, R. Ramesh, J.F. Scott, Rev. Mod. Phys. 84, 119–156 (2012)CrossRef
10.
11.
Zurück zum Zitat S. Kamba, D. Nuzhnyy, M. Savinov, J. Sebek, J. Petzelt, J. Prokleska, R. Haumont, J. Kreisel, Phys. Rev. B 75, 024403 (2007)CrossRef S. Kamba, D. Nuzhnyy, M. Savinov, J. Sebek, J. Petzelt, J. Prokleska, R. Haumont, J. Kreisel, Phys. Rev. B 75, 024403 (2007)CrossRef
12.
Zurück zum Zitat K.Y. Yun, M. Noda, M. Okuyama, H. Saeki, H. Tabata, K. Saito, J. Appl. Phys. 96, 3399–3403 (2004)CrossRef K.Y. Yun, M. Noda, M. Okuyama, H. Saeki, H. Tabata, K. Saito, J. Appl. Phys. 96, 3399–3403 (2004)CrossRef
13.
Zurück zum Zitat D.J. Huang, H.M. Deng, P.X. Yang, J.H. Chu, Mater. Lett. 64, 2233–2235 (2010)CrossRef D.J. Huang, H.M. Deng, P.X. Yang, J.H. Chu, Mater. Lett. 64, 2233–2235 (2010)CrossRef
14.
Zurück zum Zitat B.C. Luo, C.L. Chen, K.X. Jin, Mater. Chem. Phys. 132, 364–367 (2012)CrossRef B.C. Luo, C.L. Chen, K.X. Jin, Mater. Chem. Phys. 132, 364–367 (2012)CrossRef
15.
Zurück zum Zitat H.W. Chang, F.T. Yuan, C.W. Shih, C.S. Ku, P.H. Chen, C.R. Wang, W.C. Chang, S.U. Jen, H.Y. Lee, Nanoscale Res. Lett. 7, 1–5 (2012)CrossRef H.W. Chang, F.T. Yuan, C.W. Shih, C.S. Ku, P.H. Chen, C.R. Wang, W.C. Chang, S.U. Jen, H.Y. Lee, Nanoscale Res. Lett. 7, 1–5 (2012)CrossRef
16.
Zurück zum Zitat B.S. Soram, B.S. Ngangom, H.B. Sharma, Thin Solid Films 524, 57–61 (2012)CrossRef B.S. Soram, B.S. Ngangom, H.B. Sharma, Thin Solid Films 524, 57–61 (2012)CrossRef
17.
Zurück zum Zitat P. Dash, B.N. Dash, H. Rath, C. Rath, N.C. Mishra, Indian J. Phys. 83, 485–491 (2009)CrossRef P. Dash, B.N. Dash, H. Rath, C. Rath, N.C. Mishra, Indian J. Phys. 83, 485–491 (2009)CrossRef
18.
Zurück zum Zitat M. Ohring, The Materials Science of Thin Films, 2nd edn. (Academic Press, New York, 1992) M. Ohring, The Materials Science of Thin Films, 2nd edn. (Academic Press, New York, 1992)
19.
Zurück zum Zitat S. Kaya, R. Lok, A. Aktag, J. Seidel, E. Yilmaz, J. Alloys Compd. 583, 476–480 (2014)CrossRef S. Kaya, R. Lok, A. Aktag, J. Seidel, E. Yilmaz, J. Alloys Compd. 583, 476–480 (2014)CrossRef
20.
Zurück zum Zitat H.P. Klug, B.E. Alexander, X-ray Diffraction Procedures (Wiley, New York, 1974) H.P. Klug, B.E. Alexander, X-ray Diffraction Procedures (Wiley, New York, 1974)
21.
Zurück zum Zitat M.C. Sekhar, P. Kondaiah, S.V.J. Chandra, G.M. Rao, S. Uthanna, Surf. Interface Anal. 44, 1299–1304 (2012)CrossRef M.C. Sekhar, P. Kondaiah, S.V.J. Chandra, G.M. Rao, S. Uthanna, Surf. Interface Anal. 44, 1299–1304 (2012)CrossRef
22.
Zurück zum Zitat E.M.F. Vieira, R. Diaz, J. Grisolia, A. Parisini, J. Martin-Sanchez, S. Levichev, A.G. Rolo, A. Chahboun, M.J.M. Gomes, J. Phys. D Appl. Phys. 46, 095306 (2013)CrossRef E.M.F. Vieira, R. Diaz, J. Grisolia, A. Parisini, J. Martin-Sanchez, S. Levichev, A.G. Rolo, A. Chahboun, M.J.M. Gomes, J. Phys. D Appl. Phys. 46, 095306 (2013)CrossRef
23.
Zurück zum Zitat A. Tataroglu, S. Altindal, Microelectron. Eng. 85, 2256–2260 (2008)CrossRef A. Tataroglu, S. Altindal, Microelectron. Eng. 85, 2256–2260 (2008)CrossRef
24.
Zurück zum Zitat H. Xiao, S.H. Huang, Mater. Sci. Semicond. Process. 13, 395–399 (2010)CrossRef H. Xiao, S.H. Huang, Mater. Sci. Semicond. Process. 13, 395–399 (2010)CrossRef
25.
Zurück zum Zitat L. Soliman, E. Duval, M. Benzohra, E. Lheurette, K. Ketata, M. Ketata, Mater. Sci Semicond. Process. 4, 163–166 (2001)CrossRef L. Soliman, E. Duval, M. Benzohra, E. Lheurette, K. Ketata, M. Ketata, Mater. Sci Semicond. Process. 4, 163–166 (2001)CrossRef
26.
Zurück zum Zitat N.M. Murari, R. Thomas, S.P. Pavunny, J.R. Calzada, R.S. Katiyar, Appl. Phys. Lett. 94, 142907 (2009)CrossRef N.M. Murari, R. Thomas, S.P. Pavunny, J.R. Calzada, R.S. Katiyar, Appl. Phys. Lett. 94, 142907 (2009)CrossRef
27.
Zurück zum Zitat T. Ahmed, A. Vorobiev, S. Gevorgian, Thin Solid Films 520, 4470–4474 (2012)CrossRef T. Ahmed, A. Vorobiev, S. Gevorgian, Thin Solid Films 520, 4470–4474 (2012)CrossRef
28.
Zurück zum Zitat V. Singh, S.K. Sharma, D. Kumar, R.K. Nahar, Microelectron. Eng. 91, 137–143 (2012)CrossRef V. Singh, S.K. Sharma, D. Kumar, R.K. Nahar, Microelectron. Eng. 91, 137–143 (2012)CrossRef
29.
Zurück zum Zitat H. Ke, W. Wang, Y. Wang, H. Zhang, D. Jia, Y. Zhou, X. Lu, P. Withers, J. Alloys Compd. 541, 94–98 (2012)CrossRef H. Ke, W. Wang, Y. Wang, H. Zhang, D. Jia, Y. Zhou, X. Lu, P. Withers, J. Alloys Compd. 541, 94–98 (2012)CrossRef
30.
Zurück zum Zitat L.H. Chong, K. Mallik, C.H. de Groot, R. Kersting, J. Phys. Condens. Matter 18, 645–657 (2006)CrossRef L.H. Chong, K. Mallik, C.H. de Groot, R. Kersting, J. Phys. Condens. Matter 18, 645–657 (2006)CrossRef
31.
32.
Zurück zum Zitat P.M. Tirmali, A.G. Khairnar, B.N. Joshi, A.M. Mahajan, Solid State Electron. 62, 44–47 (2011)CrossRef P.M. Tirmali, A.G. Khairnar, B.N. Joshi, A.M. Mahajan, Solid State Electron. 62, 44–47 (2011)CrossRef
33.
Zurück zum Zitat E.H. Nicollian, J.R. Brews, MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology (Wiley, New York, 2003) E.H. Nicollian, J.R. Brews, MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology (Wiley, New York, 2003)
34.
Zurück zum Zitat S. Altindal, A. Tataroglu, I. Dokme, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 85, 345–358 (2005)CrossRef S. Altindal, A. Tataroglu, I. Dokme, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 85, 345–358 (2005)CrossRef
35.
Zurück zum Zitat P. Chattopadhyay, A.N. Daw, Solid State Electron. 29, 555–560 (1986)CrossRef P. Chattopadhyay, A.N. Daw, Solid State Electron. 29, 555–560 (1986)CrossRef
38.
Zurück zum Zitat L. You, N.T. Chua, K. Yao, L. Chen, J.L. Wang, Phys. Rev. B 80, 024105 (2009)CrossRef L. You, N.T. Chua, K. Yao, L. Chen, J.L. Wang, Phys. Rev. B 80, 024105 (2009)CrossRef
39.
Zurück zum Zitat H. Bea, M. Bibes, A. Barthelemy, K. Bouzehouane, E. Jacquet, A. Khodan, J.P. Contour, S. Fusil, F. Wyczisk, A. Forget, D. Lebeugle, D. Colson, M. Viret, Appl. Phys. Lett. 87, 072508 (2005)CrossRef H. Bea, M. Bibes, A. Barthelemy, K. Bouzehouane, E. Jacquet, A. Khodan, J.P. Contour, S. Fusil, F. Wyczisk, A. Forget, D. Lebeugle, D. Colson, M. Viret, Appl. Phys. Lett. 87, 072508 (2005)CrossRef
40.
Zurück zum Zitat V. Shelke, V.N. Harshan, S. Kotru, A. Gupta, J Appl Phys 106, 104114 (2009)CrossRef V. Shelke, V.N. Harshan, S. Kotru, A. Gupta, J Appl Phys 106, 104114 (2009)CrossRef
41.
Zurück zum Zitat Y. Shuai, S.Q. Zhou, S. Streit, H. Reuther, D. Burger, S. Slesazeck, T. Mikolajick, M. Helm, H. Schmidt, Appl. Phys. Lett. 98, 232901 (2011)CrossRef Y. Shuai, S.Q. Zhou, S. Streit, H. Reuther, D. Burger, S. Slesazeck, T. Mikolajick, M. Helm, H. Schmidt, Appl. Phys. Lett. 98, 232901 (2011)CrossRef
42.
Zurück zum Zitat X.Y. Zhang, Q. Song, F. Xu, C.K. Ong, Appl. Phys. Lett. 94, 022907 (2009)CrossRef X.Y. Zhang, Q. Song, F. Xu, C.K. Ong, Appl. Phys. Lett. 94, 022907 (2009)CrossRef
43.
Zurück zum Zitat A. Srivastava, R.K. Nahar, C.K. Sarkar, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 22, 882–889 (2011)CrossRef A. Srivastava, R.K. Nahar, C.K. Sarkar, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 22, 882–889 (2011)CrossRef
44.
Zurück zum Zitat Y.-H. Wu, M.-L. Wu, J.-R. Wu, Y.-S. Lin, Microelectron. Eng. 87, 2423–2428 (2010)CrossRef Y.-H. Wu, M.-L. Wu, J.-R. Wu, Y.-S. Lin, Microelectron. Eng. 87, 2423–2428 (2010)CrossRef
Metadaten
Titel
Characterization of interface defects in BiFeO3 metal–oxide–semiconductor capacitors deposited by radio frequency magnetron sputtering
verfasst von
Senol Kaya
Ercan Yilmaz
Aliekber Aktag
Jan Seidel
Publikationsdatum
01.08.2015
Verlag
Springer US
Erschienen in
Journal of Materials Science: Materials in Electronics / Ausgabe 8/2015
Print ISSN: 0957-4522
Elektronische ISSN: 1573-482X
DOI
https://doi.org/10.1007/s10854-015-3174-1

Weitere Artikel der Ausgabe 8/2015

Journal of Materials Science: Materials in Electronics 8/2015 Zur Ausgabe

Neuer Inhalt