ECR-PECVD PZT 박막의 FRAM 소자로의 응용에 관한 연구

Abstract

ECR-PECVD (electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition)법으로 증착된 PZT(Lead Zirconate Titanate) 박막의 증착특성 및 전기적 특성에 대한 전극의 영향을 고찰하였다. PZT 박막 증착을 위한 하부전극 은 Pt(100nm)/Ti(30nm)/$SiO_2$/Si와 $RuO_2$(200nm)/$SiO_2$/Si을 사용하였다. $RuO_2$ 기판에서는 Pt/Ti 기판에 비하여 perovskite 핵생성이 보다 어렵고, Pb 과잉된 PZT 박막이 형성되기 쉬웠다. $RuO_2$ 기판에서 단일한 perovskite 상형성과 안정된 전기적 특성의 박막을 얻기 위해서는 정확한 MO source flow rate (특히 $Pb(DPM)_2$ flow rate) 및 기판 전처리가 요구되었다. Ti oxide seed 의 도입으로 Pb 성분의 과잉 incorporation을 억제하고, peorvskite 핵생성을 촉진할 수 있었다. 이로 인해 perovskite PZT 박막 제조를 위한 $Pb(DPM)_2$ flow rate의 process window를 넓힐 수 있었다. Ti oxide seed와 후속 RTA를 겪은 Pt(top)/PZT/$RuO_2$ capacitor는 PZT 박막의 미세구조 안정화 때문에 150kV/cm에서 $10^{-6} A/㎠$의 우수한 누설전류 특성을 나타내었다. $RuO_2$와 Pt 를 상하부 전극으로 한 4가지 PZT capacitor에서, $RuO_2$//$RuO_2$ capacitor는 누설전류 밀도가 100kV/cm에서 $10^{-4} A/㎠$ 정도로 매우 열악하였다. 이는 고온의 $RuO_2$ 상부전극 형성공정이 상부계면에서 Ru와 Pb의 확산을 조장하여 나타난 것으로 해석되었다. Fatigue 특성은 PZT 박막두께, domain structure, fatigue pulse polarity, temperature, 전극물질에 따라 조사되었다. 인가전계의 크기와 박막두께에 대한 fatigue rate를 조사한 결과, P-E 이력곡선이 포화되는 전계영역에서는 fatigue rate가 fatigue pulse height에 무관하게 나타났다. $RuO_2$와 Pt를 사용하여 4가지 상부//하부 전극배열을 갖는 PZT capacitor에 대하여 biploar 및 unipolar fatigue 특성을 조사하였다. Unipolar fatigue test에서 polarization degradation은 나타나지 않았으며, 전극으로부터의 charge injection에 의하여 polarization-shift 현상이 일어났다. Unipolar fatigue test와 bipolar fatigue의 온도의존성 결과에서 PZT 박막내 charged defect의 이동은 힘든 것으로 나타났다. 한편, unipolar pulse에 의해서 fatigue는 나타나지 않기 때문에, fatigue는 domain switching이 동반되어야 함을 알 수 있었다. Fatigue는 domain switching 중 (특히, 전극과의 계면부근에서) 형성되는 charged defect에 의해서 발생되는데, 이 charged defect는 Pt 전극계면 부근에서 주로 형성되며, $RuO_2$ 계면에서는 형성되지 않는 것으로 판단된다. 따라서, bipolar fatigue test에서 상하부 전극 중 어느 하나라도 Pt인 경우 fatigue가 발생하게 된다. 이는 domain switching 과정에서 발생된 defect가 oxygen vacancy임을 짐작케 한다. 상하부 전극을 다른 물질로 한 경우는 bipolar pulse에 의해 Pt와 $RuO_2$ 전극 계면부근에 생성되는 charged defect density에 차이에 의하여 polarization-shift가 발생하였다. PZT 박막내 domain switching이 어려운 non-180° domain을 많이 가진 경우 내부응력의 작용에 의해 보다 큰