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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 SBT와 같은 층상 구조인 물질이지만 SBT 보다는 결정화온도가 낮은 SrBi2Ta2O9 (SBN) 박막을 RF-magnetron sputtering 장비를 이용해서 co-sputtering 방식으로 증착 하여 Bi 량 및 성장 온도에 따른 SBN 박막의 구조적, 전기적 특성에 미치는 영향을 고찰하여 SBN 박막의 메모리 소자에의 응용 가능성을 확인 하였다.
- 본 연구에서는 RF magnetron co-sputtering 장비를 이용하여 SBN 자체의 강유전성을 파악하기 위해 Pt/Ti/SiO2/Si (Pt 기판) 을 사용하여 파위 비에 따른 구조적, 전기적 특성을 파악하였다. 이 때 co-sputtering을 위해 SrNb2O6 (SNO)와 Bi2O3 세라믹 타겟을 사용하였다.
제안 방법
- 1) MFM 구조의 SBN 박막을 Pt 기판위에 두 타겟 (SrNb2O6 : Bi2O3) 의 파워비를 100 W : 20 W, 100 W : 25 W, 100 W : 30 W으로 조절하여 성장시켰다. SBN 박막의 전기적 특성이 박막내의 Bi 조성의 양에 크게 영향을 받음을 확인하였다.
- 박막의 결정성 및 결정구조를 분석하기 위하여 Rigaku Model No. D/Max-2A X-ray diffractometer (XRD)를 이용하여 측정하였으며, 단면 및 표면 관찰을 위해 HITACHI사의 S-4100 field emission scanning electron microscope(FE-SEM)을 이용하였고, Park Scientific Instruments사의 Atomic Force Microscopy (AFM)을 통해 표면 거칠기 (rough-ness)를 살펴보았다. 또한, 증착된 박막의 조성 분석을 위하여 JEOL사의 JXA-8900R Electron Probe x-ray Micro Analyzer(EPMA)를 이용하였고, 깊이에 따른 원소분포를 관찰하여 중간상의 형성과 상호확산 정도를 알아보기 위해 PHI 사의 Auger Electron Spectroscopy (AES) 를 사용하여 depth profile을 측정하였다.
- 또한, 증착된 박막의 조성 분석을 위하여 JEOL사의 JXA-8900R Electron Probe x-ray Micro Analyzer(EPMA)를 이용하였고, 깊이에 따른 원소분포를 관찰하여 중간상의 형성과 상호확산 정도를 알아보기 위해 PHI 사의 Auger Electron Spectroscopy (AES) 를 사용하여 depth profile을 측정하였다. 그리고, 박막의 전기적 특성을 측정하기 위해 상부전극으로 백금(Pt) 을 직류 스퍼터링법으로 증착한 후 산소 분위기에서 600℃~700℃에서 30분간 전극 후열처리 하였으며7,8), 열처리후 갑작스러운 온도 변화에 따른 열충격에 의한 응력을 줄이기 위해 냉각시 12 ℃/min 의 속도로 냉각하였다. 이력곡선 및 분극특성 (polarization-electric field: P-E)은 Radiant Technology 사의 RT66A 강유전체 테스터를 사용하여 측정하였고, 누설전류의 특성은 HP 사의 HP4156A를 사용하여 측정하였다.
- 나타냄을 알 수 있었다. 따라서, 이후에 실험에서는 타겟의 파워비를 100 W : 25 W로 고정시키고, 열처리 온도에 따른 구조적, 전기적 특성을 파악하였다.
- 또한, 전기적 특성을 조사하기 위해 상부전극으로 Pt 전극을 dot 형태로 중착하였다. Fig.
- D/Max-2A X-ray diffractometer (XRD)를 이용하여 측정하였으며, 단면 및 표면 관찰을 위해 HITACHI사의 S-4100 field emission scanning electron microscope(FE-SEM)을 이용하였고, Park Scientific Instruments사의 Atomic Force Microscopy (AFM)을 통해 표면 거칠기 (rough-ness)를 살펴보았다. 또한, 증착된 박막의 조성 분석을 위하여 JEOL사의 JXA-8900R Electron Probe x-ray Micro Analyzer(EPMA)를 이용하였고, 깊이에 따른 원소분포를 관찰하여 중간상의 형성과 상호확산 정도를 알아보기 위해 PHI 사의 Auger Electron Spectroscopy (AES) 를 사용하여 depth profile을 측정하였다. 그리고, 박막의 전기적 특성을 측정하기 위해 상부전극으로 백금(Pt) 을 직류 스퍼터링법으로 증착한 후 산소 분위기에서 600℃~700℃에서 30분간 전극 후열처리 하였으며7,8), 열처리후 갑작스러운 온도 변화에 따른 열충격에 의한 응력을 줄이기 위해 냉각시 12 ℃/min 의 속도로 냉각하였다.
- 본 실험에서는 SrNb2O6와 Bi2O3 세라믹 타겟의 파워비를 조절하여 RF-마그네트론 동시 스퍼터링 방법으로 증착시킨 SBN 박막의 가장 좋은 특성을 갖는 조성비를 찾아 성장 온도에 따른 SBN 박막의 구조적, 전기적 특성을 파악하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그리고, 박막의 전기적 특성을 측정하기 위해 상부전극으로 백금(Pt) 을 직류 스퍼터링법으로 증착한 후 산소 분위기에서 600℃~700℃에서 30분간 전극 후열처리 하였으며7,8), 열처리후 갑작스러운 온도 변화에 따른 열충격에 의한 응력을 줄이기 위해 냉각시 12 ℃/min 의 속도로 냉각하였다. 이력곡선 및 분극특성 (polarization-electric field: P-E)은 Radiant Technology 사의 RT66A 강유전체 테스터를 사용하여 측정하였고, 누설전류의 특성은 HP 사의 HP4156A를 사용하여 측정하였다.
- SBN 박막의 증착 조건은 Table 1에 나타내었다. 증착 후 SBN 박막을 산소분위기에서 1시간 동안 각각 600℃, 650℃ 그리고 700℃에서 열처리 하였다. 박막의 결정성 및 결정구조를 분석하기 위하여 Rigaku Model No.
대상 데이터
- 특성을 파악하였다. 이 때 co-sputtering을 위해 SrNb2O6 (SNO)와 Bi2O3 세라믹 타겟을 사용하였다. SBN 박막의 증착 조건은 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) FRAM 은 비휘발성 특성과 더불어 빠른 동작 속도, 전전압 동작, 1012이상의 기록 가능 횟수 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 특성을 가진 강유전체 물질로서 PbZrxTi1-xO3(PZT)와 층상 구조인 SrBi2Ta2O9 (SBT)가 비휘발성 기억소자에 응용하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
- 이는 SBN의 화학양론에 훨씬 못 미치는 Bi 양의 감소로 인한 결과로 생각된다. 100 W : 25 W 및 100 W : 30 W 의 타겟 파워비를 가지는 박막은 28.4° 근방에서 (008) 면으로의 c 축 성장과 29.1° 와 55.7° 근방에서 각각 (115)와 (315)면의 random 방향으로의 성장이 잘 이루어졌고, 또한, Bi2Pt 상의 peak이 나타났다. 이 Bi2Pt 상은 조성분석 결과에서 확인된 SBN 박막 내에 과잉의 Bi와 Pt 기판 계면에서 700℃의 열처리하는 동안 상호작용으로 인하여 새로운 Bi2Pt 상을 형성하는 것으로 생각된다.
- 61 ×10-5 A/cm2 였다. 100 W : 25 W 에서 성장된 과잉의 Bi 함량을 갖는 박막의 경우 저전압 부분에서는 우수한 누설전류 특성을 나타냄을 확인하였다. 그러나 고전압에서는 2차상의 계면에서의 형성이 큰 누설전류를 나타내는 것으로 생각된다.
- 8은 분극반전에 대한 표준화된 분극값 (P*-P^)을 나타낸 것이다. 110회의 분극반전 후 분극 초기값의 74 %를 유지하였다.
- 2) Pt 기판에서 성장 시킨 2.4의 Bi 조성을 갖는 SBN 박막은 열처리 온도가 증가할수록 자발분극 특성 및 누설전류 특성이 향상되었다. 700℃에서 외부 인가전계가 250 kV/cm일 때 2P, 값이 6 μC/cm2, Ec 값이 57 kV/cm였다.
- 이러한 특성을 가진 강유전체 물질로서 PbZrxTi1-xO3(PZT)와 층상 구조인 SrBi2Ta2O9 (SBT)가 비휘발성 기억소자에 응용하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.2) 그러나 PZT는 Pt 전극 하에서 107-8) cycle 전후에서 심각한 피로특성(fatigue property)이 일어나 FRAM 의 피로특성 요구조건인 1012회 cycle 이상을 만족시키지 못한다.3,4) 이에 비해 SBT 는 PZT에 비해 잔류 분극(remnant polari zation: Pr) 값이 작지만 비스므스 산화물층이 완충층 역할을 하여 피로특성이 우수하다고 알려져 있으며5), 작동전압이 낮고 막두께에 대한 Pr 값의 의존도가 거의 없어 고집적화에 유리한 특성을 가지고 있다.
- W, 100 W : 30 W으로 조절하여 성장시켰다. SBN 박막의 전기적 특성이 박막내의 Bi 조성의 양에 크게 영향을 받음을 확인하였다. 파워비 100 : 25와 100 : 30의 경우 과잉의 Bi 조성을 갖는 박막이 성장되었으며 우수한 전기적 특성을 보였으나 Bi의 큰 양을 갖는 100 : 30의 경우 박막내에 second phase 인 Bi2Pt 및 Bi2O3 상이 관찰되었다.
- 결과이다. 그 결과 Nb/Sr의 화학양론 비는 2로 거의 일정 하였으나, Bi 조성은 증가하는 경향성을 파악할 수 있었다.
- 6은 타겟의 파워비 100 W : 25 W에서 성장시킨 시편의 열처리 온도에 따른 XRD 측정 결과를 나타내고 있다. 그 결과 열처리 온도가 600℃에서 700℃로 증가할수록 결정성이 향상됨을 알 수 있었다. 즉 600℃ 열처리 온도에서는 결정화가 일어나지 않았다.
- 6의 XRD 결과를 통해 살펴볼 때 결정화가 이루어지지 않았기 때문이라고 생각된다. 그리고, 700℃에서 열처리한 박막이 650℃에서 열처리한 박막보다 상대적으로 좋은 누설전류 특성을 나타내었다. 이는 앞에서 언급했던 이 차상의 형성이 저전압 부분에서 SBN 박막의 누설전류 특성을 향상시킨것으로 생각된다.
- 2에 보여진 파워비 100 : 25에서 성장된 박막의 AES 결과에서 알 수 있듯이 박막 내에 Bi가 Pt 기판으로확산된 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 타겟의 파워비가 100 W : 30 W을 가지는 박막은 Bi의 과잉함량으로 인하여 BijOs 상이 성장하였음을 확인 할 수 있었다.(Fig.
- 그리고, 650℃에서는 (200) 면의 peak 강도가 크게 나타났으나 700℃에서는 (115) 면으로 결정이 이루어졌으며 (315)면의 peak이나타나고, Bi2Pt 상이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 따라서, Bi2Pt 상은 열처리 온도가 700℃ 이상에서 형성되는 것을 알 수 있었다.
- 이러한 second 상이 박막의 전기적 특성을 저하시킴을 확인하였다. 본 실험에서는 100 W : 25 W의 파워비로 성장시킨 박막이 결정성 및 전기적 특성이 가장 좋았으며, 조성은 Sr : Bi : Nb=0.9 : 2.4 : 1.8 였다.
- 7은 타겟의 파워비 100 W : 25 W 에서 성장시킨 박막의 열처리 온도에 따른 P-E 측정 결과를 나타내고 있다. 이를 자세히 살펴보면 열처리 온도가 600°C에서 700℃로 증가함에 따라 Pr 값이 증가하며 이력곡선이 포화되고 있음을 확인할 수 있다. 이는 Fig.
- 이상의 결과로부터 SBN 박막은 타겟의 파워비가 100 W : 25 W 일때 가장 우수한 분극 특성 및 누설전류 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 따라서, 이후에 실험에서는 타겟의 파워비를 100 W : 25 W로 고정시키고, 열처리 온도에 따른 구조적, 전기적 특성을 파악하였다.
- 9는 파워비 100 : 25에서 성장된 박막의 열처리 온도에 따른 Ⅰ-Ⅴ 측정 결과를 나타내고 있다. 측정한 누설전류 값을 살펴보면 외부의 인가전압 3 V에 대하여 열처리 온도가 650℃, 700℃로 증가함에 따라 각각 2.9×10-6 A/cm2, 2.45×10-7 A/cm2 으로 나타났다. 600℃로 열처리한 박막은 1 Ⅴ에서 절연파괴 현상이 일어났다.
- SBN 박막의 전기적 특성이 박막내의 Bi 조성의 양에 크게 영향을 받음을 확인하였다. 파워비 100 : 25와 100 : 30의 경우 과잉의 Bi 조성을 갖는 박막이 성장되었으며 우수한 전기적 특성을 보였으나 Bi의 큰 양을 갖는 100 : 30의 경우 박막내에 second phase 인 Bi2Pt 및 Bi2O3 상이 관찰되었다. 이러한 second 상이 박막의 전기적 특성을 저하시킴을 확인하였다.
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