[논문]Rf-sputtering법으로 증착한 PZT박막의 타겟의 Pb 함량에 따른 전기적 특성에 관한 연구

이규일; 강현일; 박영; 박기엽; 송준태

doi:10.4313/jkem.2003.16.3.186

Rf-sputtering법으로 증착한 PZT박막의 타겟의 Pb 함량에 따른 전기적 특성에 관한 연구
Electrical Characteristics of PZT Thin film Deposited by Rf-magnetron Sputtering as Pb Excess Content of Target 원문보기

The role of excess Pb about the crystallization behavior and electrical properties in b(Zr$_<$TEX>0.52/Ti$_<$TEX>0.48/)O3(PZT) thin films has not been precisely defined. In this work, the effect of excess Pb content on the ferroelectric properties of these films was investigated. To analyze the effect, PZT films containing various amounts of excess Pb were Prepared. PZT thin films were deposited on the Pt/Ti bottom electrode by rf magnetron sputtering method and then they were crystallized by rapid thermal annealing (RTA). The experiment showed that all PZT films indicated perovskite polycrystalline structure with preferred orientation (111) and no pyrochlore phase was observed. As higher excess Pb was included, the films showed that value of leakage current shift from 2.03${\times}$10$^<$TEX>-6/ to 6.63 ${\times}$ 10$^<$TEX>-8/A/cm$^2$ at 100kV/cm, and value of remanent polarization shift from 8.587 ${\mu}$C /cm$^2$ to 4.256 ${\mu}$C/ cm$^2$. Electrical properties of PZT thin film affected by Pb excess content of target were explained to be caused of defect among space charges and defect grain boundaries.

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문제 정의

그러나 Pb의 함유량과 전기적인 특성 및 결정구조에 관해서는 소규모적인 연구만이 진행되고 있을뿐이다. 따라서 본 논문에서는 Pt/Ti 구조 기판위에 PZT를 Pb의 함유량을 변화시키며 증착함으로써 Pb의 함유량과 전기적인 특성에 대한 관계에대하여 비교 분석하였다.
본 연구에서는 Pt/Ti구조 전극에 성장한 PZT 박막의 결 정상변화를 규명 하기 XRD로 분석 하였다. 하부 전극 위에 성장된 PZT 박막을 RTA방식으로 700°C에서 3분간 열처리하였을 때의 각각의 XRD 결과를 그림 1에 나타내었다.

제안 방법

열처리 전 박막의 오염을 방지하기 위하여 초기진공을 2x10° torr로 유지하였고 비결정질 상태의 PZT 박막을 결정화되도록 700°C에서 3분간을 실시하였다. 열처리간 산소의 휘발을 보상하기 위하여 20 seem의 고순도 산소를 공급하여 작동간 압력을 1.0x10'' torr로 유지하였다. 후열처리에 대한조건을 다음 표 2에 나타내었다.
PZT* Pb의 함유량이 각각 5%, 25%, 50%의비율로 함유된 타겟을 준비하였으며, PZT 박막은 rf 마그네트론 스퍼터링법으로 Pt/Ti/SiCA/Si 구조 기판위에 기판과 타겟의 간격을 70mm로 하고, 기판의 온도는 300°C로 유지하며 제조하였다. 박막성장 시 챔버내의 진공도는 불순물에 의한 박막의오염을 최소한으로 줄이기 위해 rotary pump와 diffusion pump 를 이용하여 초기진공을 2x10” torr이상을 유지하였고, 가스는 99.
999%의 고순도의 Ar 및 02 가스 비를 18:2로 조절하여 증착 시압력이 1X10? torr로 유지하였다. Pb 함유량이 5%, 25%, 50%인 각각의 PZT 타겟에 대하여 rf power를 125 W로 하여 90분간 증착하였고, 스퍼터링 조건을 표 1에 나타내었다. 증착된 박막은 순수한 페롭스카이트 상만이 생성되게 하기 위해서 rapid thermal annealing (RTA) 법을 이용하였다.
후열처리 후 PZT 박막의 결정화 여부와 결정상 규명을 위해 XRD와 SEM을 이용하여 열처리 이후의 PZT 박막의 미세구조를 관찰하였다. XRD는 MacScience M18XHF - SRA를 이용하여 2。X선회절 범위에서 측정하였고, SEM은 Philips XL30FRG ESEM를 이용하여 25000배로 계면 및 미세구조 상태를 관찰하였으며, PZT 박막의 누설전류 밀도를 측정하기 위해서 Keithley 617 electro meter 른 이용하였고, hysteresis 이 력곡선의 특성은 Radiant사의 RT - 66A를 이용하였다.
스퍼터링법으로 Pt/Ti/SiOj/Si 干조 기판 위에 Pb 함유량을 달리하여 PZT 박막을 400 nm의 두께로 증착시켰고 제작된 각각의 PZT 박막 시료에대한 결정학적, 전기적 특성은 XRD. SEM, RT-66A를 이용하여 측정하였다.
증착된 박막은 순수한 페롭스카이트 상만이 생성되게 하기 위해서 rapid thermal annealing (RTA) 법을 이용하였다. 열처리 전 박막의 오염을 방지하기 위하여 초기진공을 2x10° torr로 유지하였고 비결정질 상태의 PZT 박막을 결정화되도록 700°C에서 3분간을 실시하였다. 열처리간 산소의 휘발을 보상하기 위하여 20 seem의 고순도 산소를 공급하여 작동간 압력을 1.
후열처리에 대한조건을 다음 표 2에 나타내었다. 후열처리 후 PZT 박막의 결정화 여부와 결정상 규명을 위해 XRD와 SEM을 이용하여 열처리 이후의 PZT 박막의 미세구조를 관찰하였다. XRD는 MacScience M18XHF - SRA를 이용하여 2。X선회절 범위에서 측정하였고, SEM은 Philips XL30FRG ESEM를 이용하여 25000배로 계면 및 미세구조 상태를 관찰하였으며, PZT 박막의 누설전류 밀도를 측정하기 위해서 Keithley 617 electro meter 른 이용하였고, hysteresis 이 력곡선의 특성은 Radiant사의 RT - 66A를 이용하였다.

대상 데이터

결정학적, 전기적 특성은 XRD. SEM, RT-66A를 이용하여 측정하였다. XRD와 SEM 사진을 통해 승착된 박막의 결정이 안성된 페롭스카이브상이 되었으며 결정의 간격이 작아짐을 확인했고, (111) 방향으로 우선 성장했음을 보였으며 전계를 가했을 때, 타겟의 Pb 함유량이 25% 함유된 박막이 63.

이론/모형

Pb 함유량이 5%, 25%, 50%인 각각의 PZT 타겟에 대하여 rf power를 125 W로 하여 90분간 증착하였고, 스퍼터링 조건을 표 1에 나타내었다. 증착된 박막은 순수한 페롭스카이트 상만이 생성되게 하기 위해서 rapid thermal annealing (RTA) 법을 이용하였다. 열처리 전 박막의 오염을 방지하기 위하여 초기진공을 2x10° torr로 유지하였고 비결정질 상태의 PZT 박막을 결정화되도록 700°C에서 3분간을 실시하였다.

성능/효과

SEM, RT-66A를 이용하여 측정하였다. XRD와 SEM 사진을 통해 승착된 박막의 결정이 안성된 페롭스카이브상이 되었으며 결정의 간격이 작아짐을 확인했고, (111) 방향으로 우선 성장했음을 보였으며 전계를 가했을 때, 타겟의 Pb 함유량이 25% 함유된 박막이 63.32kV/cm로 가장 낮은 항전계를 갖는 반면, Pb의 함유량이 적은 5%일 때, 8.587 “C/cm? 로가장 높은 산류분극 값을 나타냈고, 누설전류는 50%일 때, 6.63X10 B A/cm?로 Pb 함유량이 많을수록 우수한 득성을 나타내는 것을 확인했다.
따라서 스퍼터 링법으로 세조된 박막은 Pb 함유량이 증가함에 따라 전기적인 성질 중 누설전류는 감소되고, 잔류분극은 증가되었으며, 항전계는 Pb 함유량이 25% 시는 감소되다가 50%에서는 Pb의 과잉초과로 인해 증가하는 성질을 보였다. 따라서 각 특징들을 고려하여 박막을 캐패시터로써 제작 시, 타겟의 Pb가 함유량이 25%에 접근 시에 개선된다.
63X10 B A/cm?로 Pb 함유량이 많을수록 우수한 득성을 나타내는 것을 확인했다. 따라서 스퍼터 링법으로 세조된 박막은 Pb 함유량이 증가함에 따라 전기적인 성질 중 누설전류는 감소되고, 잔류분극은 증가되었으며, 항전계는 Pb 함유량이 25% 시는 감소되다가 50%에서는 Pb의 과잉초과로 인해 증가하는 성질을 보였다. 따라서 각 특징들을 고려하여 박막을 캐패시터로써 제작 시, 타겟의 Pb가 함유량이 25%에 접근 시에 개선된다.

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