[논문]기판온도에 따른 PLZT 박막의 결정성과 전기적 특성

이인석; 윤지언; 김상지; 손영국

doi:10.4313/jkem.2009.22.1.029

기판온도에 따른 PLZT 박막의 결정성과 전기적 특성
Effects of Substrate Temperatures on the Crystallinity and Electrical Properties of PLZT Thin Films 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.1, 2009년, pp.29 - 34

이인석 (부산대학교 재료공학부) , 윤지언 (부산대학교 재료공학부) , 김상지 (부산대학교 재료공학부) , 손영국 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

PLZT thin films were deposited on platinized silicon (Pt/$TiSiO_2$/Si) substrate by RF magnetron sputtering. A $TiO_2$ buffer layer was fabricated, prior to deposition of PLZT films. the layer was strongly affected the crystallographic orientation of the PLZT films. X-ray diffraction was performed on the films to study the crystallization of the films as various substrate temperatures (Ts). According to increasing Ts, preferred orientation of films was changed (110) plane to (111) plane. The ferroelectric, dielectric and electrical properties of the films were also investigated in detail as increased substrate temperatures. The PLZT films deposited at $400^{\circ}C$ showed good ferroelectric properties with the remnant polarization of $15.8{\mu}C/cm^2$ and leakage current of $5.4{\times}10^{-9}\;A/cm^2$.

주제어

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문제 정의

때. 기판온도가 PLZT 박막의 결정성과 강유전 특성, 전기적 특성에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. X-선 회절 분석 결과 본 실험에서 기판온도의 변화는 전체적인 회절피크에서 (110)과 (111)방향에 크게 영향을 주었다.
특성 곡선이다. 누설전류 특성은 일반적인 CMOS 구조에서 기본적으로 A/af 이하로낮추어야 하므로 성장된 박막이 이에 적합한지를확인하였다. 기판온도가 실온, 300 ℃, 400 莒로- 점차 증가했을 때, 박막의 누설전류는 각각 1.
PLZT 박막은 기판온도, 가스유량, 압력 등의 공정 변수에 따라 유전율, 누설전류 등의 특성이 민감하게 변하기 때문에 우수한 기억 소자 특성을 가지는 FRAM 소자를 제조하기 위해서는 PLZT 박막의 특성 변화 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 RF-마그네트론 스퍼터링 방법으로 비휘발성 메모리소자용 PLZT 박막을 형성할 때 기판온도가 PLZT 박막의 결정성과 미세구조 특성, 전기적 특성 및 강유전 특성에미치는 영향에 관하여 연구하여 최적의 열처리 조건을 확립하고자 한다.

제안 방법

이때 증착조건은 RF power를 120 W로 하고 기판과 타겟과의 거리는 4 cm, 가스분압 비(Ar : 0, 는 9 : 1로 고정하였으며, 증착변수로는 기판온도를 Room Temperature(이하 RT), 300 笆, 400 ℃, 500 笆의 조건에서 증착하여 기판온도에 따른 결정구조와 전기적, 강유전 특성의 변화를 관찰하였다. 초기 진공은 diffusion oil pump를 이용하여 L5x IO* Torr이하로 낮추고 chamber내에 Ar gas와 。2 gas를 주입한 뒤 3시0” Torr압력에서 sputtering 하였고 타겟 표면의 불순물을 제거하고 스퍼터링 압력을 안정화시키기 위해 pre-sputtering을 20분씩 실시하였다. 증착된 PLZT 박막은 결정화시키기 위해 급속열처리법 (rapid thermal annealing: RTA, Sinku Riko, TER-2000RHX 사용하여 700 ℃ 에서 후열처리하였다.
입한 Pt/Ti/SiOa/Si구조로 하기 위해 DC- 마그네트론 스퍼터링 방식으로 Ti을 300 A, Pt 1500 A을 실리콘 위에 증착하였다. 그리고 PLZT 를 증착하기 전에 Pt와 PLZT 계면사이의 상호확산 제어, 결정성을 향상시키기 위해 완충층으로 TiQz를 증착하였다. 이렇게 준비된 TiOz/Pt/Ti/ SiOz/Si기판위에 RF-마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 8/65/35(La/Zr/Ti)조성의 세라믹 타겟으로 PLZT 박막을 4000 A정도로 일정하게 증착하였다.
그리고 그림 4의 P-E 이력곡선이 대칭이 아닌 비대칭을 이루고 있는데, 그 이유는 상부전극과 하부전극의 다른 증착조건 때문이라고할 수 있다. 두 전극은 모두 같은 Pt 타겟을 사용하였으나, 하부전극의 경우에는 PLZT 박막의 성장을 위해 충분히 결정화되어야 하기 때문에 300 t 의 증착온도를 가하였으며, 상부전극은 PLZT 박막으로부터 Pb의 손실을 막기 위해 실온에서 증착을하였다.
박막의 두께는 박막두께 측정기 (a-step, dectak3) 으로 측정하였고, 결정성을 관찰하기 위해 X-선회 절 (X-ray diffraction, XRD, Rigaku D/Max 2200) 분석을 실시하였으며, 박막의 미세구조는 SEM (Scanning Electron Microscopy, Hitachi S-4300)으로 분석하였다. 전기적 특성과 강유전 특성을 알아보기 위해 상부전극을 Pt로 반지름이 0.
이렇게 준비된 TiOz/Pt/Ti/ SiOz/Si기판위에 RF-마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 8/65/35(La/Zr/Ti)조성의 세라믹 타겟으로 PLZT 박막을 4000 A정도로 일정하게 증착하였다. 이때 증착조건은 RF power를 120 W로 하고 기판과 타겟과의 거리는 4 cm, 가스분압 비(Ar : 0, 는 9 : 1로 고정하였으며, 증착변수로는 기판온도를 Room Temperature(이하 RT), 300 笆, 400 ℃, 500 笆의 조건에서 증착하여 기판온도에 따른 결정구조와 전기적, 강유전 특성의 변화를 관찰하였다. 초기 진공은 diffusion oil pump를 이용하여 L5x IO* Torr이하로 낮추고 chamber내에 Ar gas와 。2 gas를 주입한 뒤 3시0” Torr압력에서 sputtering 하였고 타겟 표면의 불순물을 제거하고 스퍼터링 압력을 안정화시키기 위해 pre-sputtering을 20분씩 실시하였다.
그리고 PLZT 를 증착하기 전에 Pt와 PLZT 계면사이의 상호확산 제어, 결정성을 향상시키기 위해 완충층으로 TiQz를 증착하였다. 이렇게 준비된 TiOz/Pt/Ti/ SiOz/Si기판위에 RF-마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 8/65/35(La/Zr/Ti)조성의 세라믹 타겟으로 PLZT 박막을 4000 A정도로 일정하게 증착하였다. 이때 증착조건은 RF power를 120 W로 하고 기판과 타겟과의 거리는 4 cm, 가스분압 비(Ar : 0, 는 9 : 1로 고정하였으며, 증착변수로는 기판온도를 Room Temperature(이하 RT), 300 笆, 400 ℃, 500 笆의 조건에서 증착하여 기판온도에 따른 결정구조와 전기적, 강유전 특성의 변화를 관찰하였다.
분석하였다. 전기적 특성과 강유전 특성을 알아보기 위해 상부전극을 Pt로 반지름이 0.2 mm인 도트 패턴 마스크를 이용하여 약 1500 A 두께로 증착하였다. 전류-전압 특성과 분극 이력곡선은 Ferroelectric Tester (Radiant Technologies, Precision LC)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

Si기판을 준비하였다. 기판은 1.5시.5 cirf 크기로 절단하여 표면의 먼지나 불순물 등을 제거하기 위해 에탄올, 아세톤 등 유기용매로 초음파 세척기를 사용하여 교대로 세척한 후 탈이 온수로 철저히 행구고 고순도 질소를 사용하여 물기를 불어 낸 후 건조 사용하였다. 실리콘 공정시에 PLZTWSiOz/Si구조로 했을 때 후속열처리 시 발생하는 백금과 실리콘과의 반응을 막고, 그들 간의 접착력을 높이기 위해 그 사이에 확산방지막으로 Ti을 십.
본 실험에서 (Pb, La)(Zr, Ti)O₃ 박막을 입히기 위한 방법으로 RF-마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하였으며, 실험에 사용하기 위한 기판으로는 p-type(lll) Si기판을 준비하였다. 기판은 1.
실리콘 공정시에 PLZTWSiOz/Si구조로 했을 때 후속열처리 시 발생하는 백금과 실리콘과의 반응을 막고, 그들 간의 접착력을 높이기 위해 그 사이에 확산방지막으로 Ti을 십.입한 Pt/Ti/SiOa/Si구조로 하기 위해 DC- 마그네트론 스퍼터링 방식으로 Ti을 300 A, Pt 1500 A을 실리콘 위에 증착하였다. 그리고 PLZT 를 증착하기 전에 Pt와 PLZT 계면사이의 상호확산 제어, 결정성을 향상시키기 위해 완충층으로 TiQz를 증착하였다.

이론/모형

2 mm인 도트 패턴 마스크를 이용하여 약 1500 A 두께로 증착하였다. 전류-전압 특성과 분극 이력곡선은 Ferroelectric Tester (Radiant Technologies, Precision LC)를 이용하여 측정하였다.
초기 진공은 diffusion oil pump를 이용하여 L5x IO* Torr이하로 낮추고 chamber내에 Ar gas와 。2 gas를 주입한 뒤 3시0” Torr압력에서 sputtering 하였고 타겟 표면의 불순물을 제거하고 스퍼터링 압력을 안정화시키기 위해 pre-sputtering을 20분씩 실시하였다. 증착된 PLZT 박막은 결정화시키기 위해 급속열처리법 (rapid thermal annealing: RTA, Sinku Riko, TER-2000RHX 사용하여 700 ℃ 에서 후열처리하였다.

성능/효과

기판온도가 PLZT 박막의 결정성과 강유전 특성, 전기적 특성에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. X-선 회절 분석 결과 본 실험에서 기판온도의 변화는 전체적인 회절피크에서 (110)과 (111)방향에 크게 영향을 주었다. 기판온도가 증가할수록 PLZT 박막의 격자상수와 Pt의 격자상수와 잘 일치하기 때문에 (111)방향으로의 핵이 많이 생성될 뿐만 아니라, 기판에 흡착된 입자들이 이동도가 충분하여 표면 에너지가 가장 작은 (111)면을 형성하기 위하여 안정한 자리로 증착되었다.
누설전류 특성은 일반적인 CMOS 구조에서 기본적으로 A/af 이하로낮추어야 하므로 성장된 박막이 이에 적합한지를확인하였다. 기판온도가 실온, 300 ℃, 400 莒로- 점차 증가했을 때, 박막의 누설전류는 각각 1.7신0* A/cm', 2.8싯0、A/crf, 5.4시(产 A/E로 낮아지며 안정된 특성을 나타내었다. 이러한 전압-전류 특성은그림 2의 SEM 표면 형상사진으로 설명할 수 있다.
X-선 회절 분석 결과 본 실험에서 기판온도의 변화는 전체적인 회절피크에서 (110)과 (111)방향에 크게 영향을 주었다. 기판온도가 증가할수록 PLZT 박막의 격자상수와 Pt의 격자상수와 잘 일치하기 때문에 (111)방향으로의 핵이 많이 생성될 뿐만 아니라, 기판에 흡착된 입자들이 이동도가 충분하여 표면 에너지가 가장 작은 (111)면을 형성하기 위하여 안정한 자리로 증착되었다. 기판온도 400 ℃에서는 (110)과 (111)방향의 회절 피크가 비슷한 크기를 보이다가 500 ℃로 증가하면 (111)방향이 우선 배향되며 (110)방향의 피크는 감소하는 경향을 보였다.
일반적으로 누설전류는 박막과 전극사이의 계면에 민감하므로 막질의 상태는 누설전류에 큰 영향을 미친다. 따라서 기판온도가 400 ℃일 때 가장치밀화된 박막의 상태로써 누설전류 특성 또한 가장 안정하였으며, 기판온도가 증가하여 500 ℃에서는 결정립이 조대화되어 성장되기 때문에 결정립계면에는 높은 전장이 인가되어 누설전류는 다시커지는 경향을 보였다.
기판온도 400 ℃에서는 (110)과 (111)방향의 회절 피크가 비슷한 크기를 보이다가 500 ℃로 증가하면 (111)방향이 우선 배향되며 (110)방향의 피크는 감소하는 경향을 보였다. 박막의 미세구조, 전기적 특성, 강유전 특성 모두 기판 온도 400 P 에서 가장 우수하게 나타났으며, 이 때의 누설전류밀도와 잔류분극 값 (R)은 각각 54<10-9 a/E와 15.8 uC/cnf 이 였다. 그러나 기판 온도 500 ℃에서는 누설전류밀도가 3.
치환된 La의 작용으로 PZT보다 고유전율, 적은 누설전류 특성 및 양호한 피로 특성을 나타내며, SBT 보다 낮은 결정화 온도를 필요로 하는 장점을 갖고있어 FRAM 전하저장 캐패시터로의 응용에 적합하다. FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) 은 SRAM (Static Random Access Memory) 의 속도와 FLASH memory의 비휘발성을 동시에 나타내는 가장 이상적인 기억소자이다[1].

후속연구

박막표면의 결함, 스퍼터링 공정동안 플라즈마의 안정하지 못함에 기인한 타겟 조성과 박막 조성과의 차이 등이있음에도 불구하고 RF-마그네트론 스퍼터링 프로세스는 낮은 공정 온도조건, CMOS와 같은 일반적인 반도체 제조공정에의 적용 가능성, 박막의 화학양론적, 그리고 증착변수의 적절한 제어 등으로 인해 널리 이용되고 있다. PLZT 박막은 기판온도, 가스유량, 압력 등의 공정 변수에 따라 유전율, 누설전류 등의 특성이 민감하게 변하기 때문에 우수한 기억 소자 특성을 가지는 FRAM 소자를 제조하기 위해서는 PLZT 박막의 특성 변화 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 RF-마그네트론 스퍼터링 방법으로 비휘발성 메모리소자용 PLZT 박막을 형성할 때 기판온도가 PLZT 박막의 결정성과 미세구조 특성, 전기적 특성 및 강유전 특성에미치는 영향에 관하여 연구하여 최적의 열처리 조건을 확립하고자 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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