상전이 온도 이하에서 제조된 헤테로에피택셜 $PbTiO_3$ 박막의 강유전성 평가 및 분역 구조 생성에 관한 이해

Abstract

페로브스카이트 (Perovskite) 구조의 $BaTiO_3$ (BTO), $PbTiO_3$ (PTO), 및 $Pb(Zr,Ti)O_3$ (PZT) 와 같은 강유전체 박막들은 높은 유전성 또는 압전성을 가지고 있기 때문에, Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM), 센서 (Sensor) 또는 엑츄에이터 (Actuator) 등의 응용을 위한 연구가 많이 진행되어왔다. [1,2] 그 중에서 PTO는 잔류 분극, 기계적 결합계수, 및 상전이 온도 (Curie temperature ; $T_c$ ≒ 490℃)가 높아 초전소자 및 압전소자에 적용하려는 연구가 많이 진행되어 왔다. 일반적으로 PTO 박막은 sputtering, sol-gel, pulsed laser deposition (PLD) 그리고 metalorganic chemical vapor deposition(MOCVD) 등의 증착 방법으로 제조된다.[3] 이러한 방법들은 공정온도가 높거나 상 (phase) 형성을 위해 후속열처리 (>600℃) 공정을 필요로 한다.[3] 이는 납 휘발로 인한 결함형성, 박막과 기판 사이의 물질이동 (interdiffusion), 열응력에 의한 열적변형을 발생시키는데, 미세한 소자에서는 치명적인 결함이 될 수 있다. 이에 본 연구에서는 고온 공정에서 발생되는 문제를 배제하기 위해 $T_c$ 이하의 낮은 공정온도에서 페로브스카이트 구조의 PTO강유전체 박막을 제조할 수 있는 수열합성법을 채택하였다. 수열합성이란 비교적 저온 (100~400℃) 및 고압 (<15MPa) 의 상태에서 용액의 화학적 반응을 이용하여 분말 상태의 무기재료를 합성하는 공정을 말한다.[4,5] 지금에 와서는 수열합성법을 활용하여 강유전체 다결정질 박막 제조는 [6-8] 물론, 입방정 구조의 산화물 단결정 기판을 활용하여 헤테로에피택셜(Heteroepitaxial) 박막 제조도 가능하게 되었고. 이 방법을 hydrothermal epitaxy 라고 한다.[9-13] 그러나 아직까지 hydrothermal epitaxy 에 대한 연구는 초기단계에 있다. 즉 대부분 연구가 공정조건과 hydrothermal epitaxy 의 단점인 uniformity 문제에 초점을 맞추고 있으며, 아직까지 Tc 이하에서 제조된 페로브스카이트 구조의 강유전체 박막의 소자 적용을 위한 강유전성, 신뢰성 및 압전성에 대한 정확한 특성 평가가 이루어지지 못하고 있다. 강유전체 박막을 비휘발성 메모리 소자인 FeRAM(Ferroelectric random access memory)에 적용하기 위한 요건을 간단히 요약하면 다음과 같다.[1-3] (1) 신호 구분을 위해서 잔류분극값이 크고, 용이한 분극의 반전을 위해 항전계가 작은 것이 바람직하다. (2) Switching pulse 횟수에 대해 잔류분극값의 감소가 작아야 한다. 즉 피로특성(fatigue)을 나타내지 않는 fatigue-free (>1012)이어야 한다. (3) 고온에서 안정한 동작이 가능해야 하므로 상전이 온도는 높은 것이 바람직하다. (4) 저장되어있는 메모리 값을 읽어 내는 과정에서 원래의 분극 값이 차이를 전류 값의 차이로 구별하여야 하므로, 전압 인가시 발생하는 누설 전류 값은 되도록 작아야 한다. (5) 임프린트(imprint) 현상이 없어야 한다. 강유전체 박막의 이력곡선이 한쪽으로 이동(shift)하는 현상이다. 이러한 현상은 결국 반대 방향의 정보를 읽고 쓸 때의 분극값의 감소를 유발한다. 현재까지의 연구는, 위와 같은 요건들을 만족시키기 위해 강유전체 박막의 조성제어, 성장방향 제어, 및 전극과의 계면에 대해 활발한 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 강유전체 특성에 가장 큰 영향을 끼치는 분역구조에 관한 연구는 소홀히 했고, 근래에 들어와서 분역구조 제어를 통한 특성을 향상 시키는 연구가 활발히 진행 중이다. 강유전체 계 (ferroelectric system)는 반분극전계 (Depolarization Field)에 의한 에너지 증가를 해