[논문]루테늄 전극위에 증착된 PZT 박막의 전기적 및 강유전 특성

황현석; 유영식; 임윤식; 강현일

doi:10.5370/kieep.2014.63.1.046

루테늄 전극위에 증착된 PZT 박막의 전기적 및 강유전 특성
The Electric and Ferroelectric of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 Thin Films Deposited on Ruthenium Electrodes 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.1, 2014년, pp.46 - 49

황현석 (서일대학교 전기과) , 유영식 (여주대학 전기과) , 임윤식 (여주대학 방송제작연예과) , 강현일 (국립한밭대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3(PZT)$ thin films deposited on $Ru/RuO_2$ bottom electrode that grown for in-situ progress used rf magnetron sputtering method. We investigated the dependence of the crystalline and electrical properties in the way of capacitors PZT thin films. Our results show that all PZT films indicated polycrystalline perovskite structure with preferred orientation (110) and no pyrochlore phase is observed. The electric properties of the Ru improved with increasing Ru thin films thickness. A well-fabricated Ru/PZT/Ru (100 nm) /$RuO_2$ capacitor showed a leakage current density in the order of $2.03{\times}10^{-7}$ $A/cm^2$ as a 50 kV/cm, a remnant polarization (Pr) of 9.22 ${\mu}C/cm^2$, and a coercive field (-EC) of -32.22 kV/cm. The results show that $Ru/Ru/RuO_2$ bottom electrodes are expected to reduce the degradation ferroelectric fatigue and excellent ferroelectric properties.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

PZT 박막은 이중 산화물 하부 전극위에 성장시킨 후 급속 열처리법인 RTA(Rapid Thermal Annealing)를 이용하여 후 열처리 하였다. PZT 박막의 구조적 특성은 XRD(X-ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscopy)을 통해 분석하였다. 또한 PZT 박막 전기적, 강유전 특성은 누설전류, P-E 이력곡선 등으로 분석하였다.
전극이다. Ru/RuO₂ 위에 rf magnetron sputtering법을 이용하여 PZT 박막 증착하였고, 이중 산화물 하부전극 중 Ru 금속 전극의 다양한 두께에 따른 PZT 박막 구조적, 전기적, 강유전 특성을 분석하였다. PZT 박막은 이중 산화물 하부 전극위에 성장시킨 후 급속 열처리법인 RTA(Rapid Thermal Annealing)를 이용하여 후 열처리 하였다.
PZT 박막의 구조적 특성은 XRD(X-ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscopy)을 통해 분석하였다. 또한 PZT 박막 전기적, 강유전 특성은 누설전류, P-E 이력곡선 등으로 분석하였다.
본 논문에서는 in-situ 공정으로 아르곤 가스와 산소 가스의 비율에 따라 RuO₂ 산화물 전극과 Ru 금속 전극으로 이루어진 이중 산화물 전극을 얻을 수 있다. 이중 산화물 전극 중 금속 전극의 두께 변화에 따른 PZT 박막의 특성은 Ru(100 nm)/RuO₂전극에 증착된 PZT 박막의 XRD를 측정한 경우 (110)면 방향으로 우선 성장이 하였으며, 결정성 또한 가장 우수하였다.
이중 산화물 전극의 두께에 따른 PZT 박막의 결정화 여부를 분석하기 위하여 XRD(Mac Science M18XHFSRA, Cu target, 1.54Å, Ni filter)를 사용하여 2θ = 20 ～ 60°의 범위에서 측정하였다.
Ru 25 nm에서 보다 Ru 100 nm에서 Ru 금속 전극의 결정성이 향상되었는데, 이는 이중 산화물 전극의 상부에 있는 Ru의 결정성이 하부에 있는 RuO₂ 산화물 전극 보다 우선 성장된 것으로 사료된다. 증착된 PZT 박막의 미세 구조는 Philips XL30FRG사의 ESEM를 이용하여 후열처리 이후의 PZT 박막의 미세구조를 분석하였다.
9％, Super Conductive사)을 사용하여 rf-sputtering법으로 증착하였다. 하부 이중산화물 전극의 결정화를 위하여 RTA (Rapid Thermal Annealing) 장비를 이용하여 2분간 열처리 하였다.

대상 데이터

제작된 각 하부 이중산화물 전극 위에 기판 온도를 300℃에서 400 nm 두께의 PZT 박막을 성장하였다. PZT target은 Zr/Ti mole 비가 52/48이고 고온성장시 Pb휘발을 보상하기 위하여 Pb가 5 mole% 과잉 첨가된 Pb_1.05(Zr_0.52Ti_0.48)O₃single ceramic target(순도 99.9％, Super Conductive사)을 사용하여 rf-sputtering법으로 증착하였다. 하부 이중산화물 전극의 결정화를 위하여 RTA (Rapid Thermal Annealing) 장비를 이용하여 2분간 열처리 하였다.
본 논문에서 사용된 기판은 thermal oxide가 400 nm 성장된 SiO₂ 기판이고 아세톤, 메탄올, 증류수 속에서 각각 10분간 organic 세척하였다. 전극 증착에 사용된 Ru(Φ = 2 inch, 99.
본 연구에서 제안한 이중 산화물 하부전극은 단일 Ru target 만을 사용하여 산소분압에 따른 in-situ 공정으로 형성한 Ru/RuO₂ 전극이다. Ru/RuO₂ 위에 rf magnetron sputtering법을 이용하여 PZT 박막 증착하였고, 이중 산화물 하부전극 중 Ru 금속 전극의 다양한 두께에 따른 PZT 박막 구조적, 전기적, 강유전 특성을 분석하였다.
전극 증착에 사용된 Ru(Φ = 2 inch, 99.999%, Cerac) 타겟은 rf-Sputtering법으로 SiO2 기판 위에 in situ 공정으로 산화물 전극 RuO2를 400℃에서 150 nm 두께로 증착한 후 상온까지 온도를 낮추었다가 다시 300℃까지 승온하여 25, 50, 75, 100 nm의 두께 금속 전극 Ru를 증착하였다.

이론/모형

Ru/RuO₂ 위에 rf magnetron sputtering법을 이용하여 PZT 박막 증착하였고, 이중 산화물 하부전극 중 Ru 금속 전극의 다양한 두께에 따른 PZT 박막 구조적, 전기적, 강유전 특성을 분석하였다. PZT 박막은 이중 산화물 하부 전극위에 성장시킨 후 급속 열처리법인 RTA(Rapid Thermal Annealing)를 이용하여 후 열처리 하였다. PZT 박막의 구조적 특성은 XRD(X-ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscopy)을 통해 분석하였다.
XRD 분석 시, 고정된 X-ray beam에 대하여 2θ 각도로 detector를 회전하여 측정하는 BraggBrentano 방법을 이용 XRD pattern을 얻었다.

성능/효과

PZT 박막의 누설전류 특성은 RTA 700℃에서 2분간 열처리한 Ru 100 nm에서 가장 우수했으며 하부의 산소의 확산을 막아 표면의 크랙을 막아, 누설전류 특성을 향상 된 것으로 사료된다. P-E 곡선 결과 모든 조건의 PZT박막에서 우수한 강유전성을 보였으며 그중에서도 Ru 100 nm이 가장 높은 잔류 분극 값을 얻었다. 이러한 결과는 향후 이중 산화물 전극의 제조 시 우수한 강유전 특성을 갖는 PZT 박막의 증착에 기여하리가 기대된다.
이중 산화물 전극 중 금속 전극의 두께 변화에 따른 PZT 박막의 특성은 Ru(100 nm)/RuO₂전극에 증착된 PZT 박막의 XRD를 측정한 경우 (110)면 방향으로 우선 성장이 하였으며, 결정성 또한 가장 우수하였다. PZT 박막의 누설전류 특성은 RTA 700℃에서 2분간 열처리한 Ru 100 nm에서 가장 우수했으며 하부의 산소의 확산을 막아 표면의 크랙을 막아, 누설전류 특성을 향상 된 것으로 사료된다. P-E 곡선 결과 모든 조건의 PZT박막에서 우수한 강유전성을 보였으며 그중에서도 Ru 100 nm이 가장 높은 잔류 분극 값을 얻었다.
Ru 전극의 두께가 증가할수록 PZT(110)면이 우선 성장하였으며, Ru(101)면 방향과 RuO2(101)면 방향이 측정되었다. Ru 25 nm에서 보다 Ru 100 nm에서 Ru 금속 전극의 결정성이 향상되었는데, 이는 이중 산화물 전극의 상부에 있는 Ru의 결정성이 하부에 있는 RuO₂ 산화물 전극 보다 우선 성장된 것으로 사료된다.
03×10^-7A/cm²를 나타내었다. Ru 전극의 두께가 증가할수록 우수한 누설 전류 특성을 보였다. 이는 Ru 금속의 증가가 RuO₂의 산소의 diffusion을 억제하여 도전율을 증가시켜 누설전류의 감소에 따른 것이라고 사료된다.
그리고 모든 전극에서 저전계 영역에서는 누설전류밀도(lnJ)와 인가전계(lnE)의 관계가 선형적인 J∝V의 ohmic 특성이 나타났고, 고전계 영역에서는 lnJ ∝ E1/2 비례하는 특성이 나타내였다.
이는 Ru 금속의 증가가 RuO₂의 산소의 diffusion을 억제하여 도전율을 증가시켜 누설전류의 감소에 따른 것이라고 사료된다. 또한 구조적 특성의 결과로부터, 결정성이 뛰어난 Ru(100 nm)/RuO2 전극이 하부 전극으로 가장 우수한 누설전류 특성을 나타냈었다. 그리고 모든 전극에서 저전계 영역에서는 누설전류밀도(lnJ)와 인가전계(lnE)의 관계가 선형적인 J∝V의 ohmic 특성이 나타났고, 고전계 영역에서는 lnJ ∝ E1/2 비례하는 특성이 나타내였다.
22 kV/cm이다. 모든 조건의 PZT박막에서 전형적인 hystersis 이력곡선 특성이 나타났으며, 이는 XRD 결과 proveskite 상이 존재하는 것과 일치한다.
산화물 전극과 Ru 금속 전극으로 이루어진 이중 산화물 전극을 얻을 수 있다. 이중 산화물 전극 중 금속 전극의 두께 변화에 따른 PZT 박막의 특성은 Ru(100 nm)/RuO₂전극에 증착된 PZT 박막의 XRD를 측정한 경우 (110)면 방향으로 우선 성장이 하였으며, 결정성 또한 가장 우수하였다. PZT 박막의 누설전류 특성은 RTA 700℃에서 2분간 열처리한 Ru 100 nm에서 가장 우수했으며 하부의 산소의 확산을 막아 표면의 크랙을 막아, 누설전류 특성을 향상 된 것으로 사료된다.

후속연구

P-E 곡선 결과 모든 조건의 PZT박막에서 우수한 강유전성을 보였으며 그중에서도 Ru 100 nm이 가장 높은 잔류 분극 값을 얻었다. 이러한 결과는 향후 이중 산화물 전극의 제조 시 우수한 강유전 특성을 갖는 PZT 박막의 증착에 기여하리가 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강유전체 박막이란?	강유전체 박막은 영구 쌍극자 모멘트에 의해 자발 분극이 형성되면, 외부 전계에 의해 분극 방향을 반전시킬 수 있는 물질이다. 특히 PZT는 Pb계 페로브스카이트 구조의 강유전체는 강유전성, 압전성, 초전성 및 전기광학 특성이 우수하여 휘발성 및 비휘발성 메모리 소자, 엑츄에이터, IR 센서, SAW(Surface Acoustic Wave) filter, 적외선 감지소자 및 각종 전자부품 재료로서 주목받고 있다[1-3].
	PZT는 Pb계 페로브스카이트 구조의 강유전체의 특징은?	강유전체 박막은 영구 쌍극자 모멘트에 의해 자발 분극이 형성되면, 외부 전계에 의해 분극 방향을 반전시킬 수 있는 물질이다. 특히 PZT는 Pb계 페로브스카이트 구조의 강유전체는 강유전성, 압전성, 초전성 및 전기광학 특성이 우수하여 휘발성 및 비휘발성 메모리 소자, 엑츄에이터, IR 센서, SAW(Surface Acoustic Wave) filter, 적외선 감지소자 및 각종 전자부품 재료로서 주목받고 있다[1-3]. 현재 연구되는 PZT 박막의 제조 방법으로는 DC/RF magnetron sputtering 법 MOCVD법, laser ablation법과 sol-gel법 등이 있다[4,5].
	PZT 박막의 제조 방법 중 RF magnetron sputtering법의 장점은?	현재 연구되는 PZT 박막의 제조 방법으로는 DC/RF magnetron sputtering 법 MOCVD법, laser ablation법과 sol-gel법 등이 있다[4,5]. 이러한 방법 중에 RF magnetron sputtering법은 플라즈마를 target에 국한시켜 플라즈마 밀도를 높여서 방전전압이 낮아도 큰 전류를 얻을 수 있으므로 비교적 불순물이 적고, 높은 에너지의 원자들이 기판에 증착 되어 결정성이 좋으며, 증착 조건의 조절이 용이하여 양질의 박막을 쉽게 제작할 수 있다는 이점이 있다. PZT의 전극 재료로는 pervoskite상 형성이 용이하고 낮은 누설 전류 특성을 갖는 장점이 있는 Pt(Platinum), Ir(Iridium) 또는 Ru(Ruthenium) 같은 금속전극이 사용되고 있다[6].

참고문헌 (7)

Yi Yin, Hui Ye, Wenbo Zhan, Liang Hong, Haimin Ma, and Jian Xu, "Preparation and characterization of unimorph actuators based on piezoelectric $Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3 $ materials", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 171, Issue 2, pp. 332-339, 2011.

상세보기
A. I. Mardare, C. C. Mardare, and E. Joanni, "Bottom electrode crystallization of PZT thin films for ferroelectric capacitors", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 25, pp. 735-741, 2005.

상세보기
C. Manke, O. Boissiere, U. Weber, G. Barbar, P.K. Baumann, J. Lindner, M. Tapajna, and K. Fro¨hlich, "Growth of Ru/ $RuO_2$ layers with atomic vapor deposition on plain wafers and into trench structures", Microelectronic Engineering, Vol. 83, pp. 2277-2281, 2006.

상세보기
A. Huang, and S.R. Shannigrahi, "Effect of bottom electrode and resistive layer on the dielectric and ferroelectric properties of sol-gel derived $BiFeO_3$ thin films", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 39, Issue 1, pp. 219-225, 2013.
L.W. Martin, Y.-H. Chu, and R. Ramesh, "Advances in the growth and characterization of magnetic, ferroelectric, and multiferroic oxide thin films", Materials Science and Engineering: R: Reports, Vol. 68, Issues 4-6, pp. 89-133, 2010.

상세보기
Kyubong Jung, Takeshi Momose, and Yukihiro Shimogaki, "Strontium ruthenium oxide deposition in supercritical carbon dioxide using a closed reactor system", The Journal of Supercritical Fluids, Vol. 79, pp. 244-250, 2013.

상세보기
E Bouyssou, P Leduc, G Guegan and R Jerisian, "Leakage current conduction in $IrO_2$ /PZT/Pt structures", Journal of Physics: Conference Series, Vol. 10, pp. 317-320, 2005.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증