FILM TIPIS STO SEBAGAI INSULATOR DALAM STRUKTUR MIS Al-STO-pSi.

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 V0 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 V0 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 (ms0) 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