KR100229358B1 - Sbt 강유전체 박막의 제조방법 - Google Patents

Sbt 강유전체 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SBT(SrBi2Ta2O9) 강유전체 박막의 제조방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 화학증착법에 의하여 강유전체 박박(SrBi2Ta2O9; 스크론튬 비스무스 탄탈레이트 화합물)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 3V 인가전압에서 잔류분극(Pr)이 15 μC/cm2이상, 항전계(Ec)는 50 kV/cm 이하, Pt 상하부 전극구조에서 6V 양극 사각파(bipolar square pulse) 하에서 1 X 1011싸이클 까지 피로현상이 나타나지 않는 박막을 최대한 낮은 온도에서 제조할 수 있는 SBT 강유전체 박막의 제조방법을 제공함에 있다.
따라서, 본 발명은 Sr, Bi, Ta의 전구체로 Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5를 사용하여 110-130℃, 140-160℃ 및 120-140℃로 각각 버블링(bubbling)시켜 플라즈마 내에서 RF 동력을 100-150 W로 하여 500-550℃로 저온증착시키는 SBT(SrBi2Ta2O9) 강유전체 박막의 제조방법임을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제조된 SBT 강유전체 박막은 강유전 특성 및 우수한 피로특성 나타내기 때문에, 비휘발성 기억소자에 활용될 수 있다.

Description

SBT(SrBi2Ta2O9) 강유전체 박막의 제조방법
본 발명은 SBT(SrBi2Ta2O9) 강유전체 박막의 제조방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 화학증착법에 의하여 강유전체 박막 (SrBi2Ta2O9) ; 스트론튬 비스무스 탄탈레이트 화합물)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 SBT 박막을 제조하는 방법으로는 졸겔법, MOD법, 레이저 어블레이션(Laser Ablation)법 등에 의한 연구가 진행되었는데, 이러한 방법들 중에서 특히 넓은 면적의 증착과 층 덮힘도 (step coverage), 그리고, 치밀한 구조를 갖는 박막의 제조가 가능한 유기금속 화학증착법 (Metal Chemical Vapor Deposition ; MOCVD)이 가장 잘 알려진 방법이다. 그러나, MOCVD 법을 포함해서 현재의 SBT 박막을 제조공정에 있어서, 가장 큰 문제점은 제조온도가 매우 높다는 것이다. 즉, 750-800℃에 달하는 제조온도로 말미암아 기존의 반도체 공정에 많은 문제점을 보이므로, 이점에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근의 가장 우수한 특성을 나타내는 MOCVD-SBT 박막도 500-600℃에서 증착을 하지만, 후속 열처리를 750℃ 이상에서 수행하여야 강유전체 특성을 나타낼 수 있다는 문제점이 있다(Li et al, Appl. Phys. Lett., 68(5), 616(1996) ; Yang et al, Materials Letters, 30, 245-248 (1997)).
이에 본 발명자 들은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 연구를 수행하던 중, Sr, Bi, Ta의 전구체로 Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5를 조합하여 사용하고, 플라즈마 안에서 증착하여 기존에 사용되는 기존의 공정 보다 200℃이상 낮은 온도로 우수한 특성을 갖는 SBT박막을 제조할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 3V 인가전압에서 잔류분극(Pr)이 15 μC.cm2이상, 항전계 (Ec)는 50 kV/cm 이하, Pt 상하부 전극구조에서 6V양극 사각파 (bipolar square pulse) 하에서 1 X 1011싸이클 까지 피로현상이 나타나지 않는 박막을 최대한 낮은 온도에서 제조할 수 있는 SBT 강유 전체 박막의 제조방법을 제공함에 있다.
즉, 본 발명은 Sr, Bi, Ta의 전구체로 Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5를 사용하여 110-130℃, 140-160℃ 및 120-140℃로 각각 버블링 (bubbling)시켜 플라즈마 내에서 RF 동력을 100-150 W로 하여 500-550℃로 저온 증착시키는 SBT(SrBi2Ta2O9)강유전체 박막의 제조방법임을 특징으로 한다.
제1도는 제조온도에 따른 SBT 박막의 상형성,
제2도는 550℃에서 증착된 SBT 박막의 이력특성,
제3도는 550℃에서 증착된 SBT 박막의 피로특성을 나타낸 것이다.
본 발명에서 사용한 소스는 Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5이고, 반응기체로 산소를 사용하여 증착온도를 500-600℃까지 변화시키면서 Ar 가스로 소스를 반응기까지 이동시키며 반응시키면 550℃ 이상에서 부터 뚜렷한 결정상을 형성하고 강유전 특성을 지니게 된다.
이하에서는 본 발명에 의한 SBT(SrBi2Ta2O9)강유전체 박막의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
진공펌프를 이용하여 챔버를 고진공(10-6토르)으로 한 후, 기판을 550℃까지 가열한다. 여기에 각각의 버블러 (bubbler)를 가열하고 아르곤 가스를 이용하여 소스를 챔버로 전달시킨다. 이때, 반응가스로 산소가스를 챔벌에 주입시키고, 플라즈마를 일으킬 수 있도록 작동압력을 유지시키고 RF 동력 발생기 (RF power Generator)를 이용하여 플라즈마를 발생시킨다. 증착을 시작한 후 일정시간이 지난 다음, 밸브를 잠구어 증착을 끝낸후, 챔버 안에서 노냉을 시켜 SBT 박막을 제조하는데, 본 발명에 의해 SBT 강유전체 박막을 제조하는 각각의 반응조건을 다음의 표 1에 나타내었다.
[표 1] SBT 박막의 저온증착을 위한 반응조건
Figure kpo00002
도면에 의해 본 발명에 의한 SBT 박막의 강유전 특성 및 피로특성을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 증착온도에 따라 SBT 박막의 상형성을 나타낸 것인데, 증착온도가 증가할 수록 c축 방향의 우선배향성인 (001) 방향의 피크의 강도가 증가하게 된다.
도 2는 550℃에서 증착된 220nm 두께의 SBT 박막의 P-E 이력곡선을 나타낸 것으로, 이 박막은 3 V에서 부터 완전한 P-E 곡선으로 포함되었음을 나타내고, 3V의 인가전압에서 잔류분극(Pr)은 약 15μC.cm2, 항전계(ec)는 약 50 KV/cm를 나타내었다.
도 3은 SBT 박막의 피로특성을 나타낸 것인데, (a)는 1.0 x 1011싸이클 까지 특성의 차이가 거의 없음을 보여주고 있고, (b)는 피로특성을 측정하기 전의 이력곡선과 측정 후의 이력곡선을 비교하기 위한 것으로, 피로 특성은 1 MHz에서 6V 양극 사각파 (bipolar square pulse)를 사용하여 측정하였는데, 1.0 x 1011싸이클 후의 잔류응력 감소량은 약 4% 정도로 매우 미미하였다. 이러한 특성은 저온제조 임에도 불구하고 기존의 SBT 박막에서는 찾아볼 수 없는 우수한 특성이다.
다음의 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예에 국한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
진공펌프를 이용하여 챔버를 고진공 (10-6토르)로 한 후, 기판을 550℃까지 가열하였다. Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5소스에 버블러(bubbler)를 각각 120℃, 150℃ 및 130℃로 가열하고 아르곤 가스를 이용하여 각각의 소스를 챔버로 전달시켰다. 이때, 반응가스로 산소가스를 챔버에 주입시키고, 플라즈마를 일으킬 수 있도록 작동압력을 유지시키고 RF 동력을 130W로 하여 플라즈마를 발생시켰다. 증착을 시작한 후 10-20분이 지난 다음, 밸브를 잠구어 증착을 끝낸 후, 챔버 안에서 노냉을 시켜 SBT 강유전체 박막을 제조하였다.
[실시예 2]
Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5소스에 버블링 온도 (bubbling temperature)를 각각 110℃,140℃ 및 120℃로 하는 것 이외에는 실시예1과 동일하게 실시하여 SBT강유전체 박막을 제조하였다.
[실시예 3]
Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5소스에 버블링 온도 (bubbling temperature)를 각각 130℃, 160℃ 및 140℃로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 SBT 강유전체 박막을 제조하였다.
본 발명에 의한 SBT 강유전체 박막의 제조방법은 우수한 소스 들의 조합과 플라즈마 증착을 이용하여 550℃의 저온증착으로 결정질의 SBT박막을 제조할 수 있고,빅막의 특성이 200nm SBT 시편이 3V 인가전압에서 잔류분극 (Pr)15 μC.cm2, 항전계 (Ec) 50 kV/cm, Pt 상하부 전극구조에서 6V 양극 사각파 (bipolar square pulse) 하에서 1 X 1011싸이클 까지 우수한 피로특성을 나타내기 때문에, 비휘발성 기억소자에 활용될 수 있다.

Claims (4)

  1. Sr, Bi, Ta의 전구체로 Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5를 버블링시켜 플라즈마 내에서 저온증착시킴을 특징으로 하는 SBT(SrBi2Ta2O9)강유전체 박막의 제조방법
  2. 제 1항에 있어서, Sr(C5F6HO2)2, Bi(C6H5)3, Ta(C2H5O)5의 버블링 온도는 각각 110-130℃, 140-160℃ 및 120-140℃임을 특징으로 하는 SBT(SrBi2Ta2O9)강유전체 박막의 제조방법
  3. 제 1항에 있어서, 증착온도는 500-550℃ 임을 특징으로 하는 SBT(SrBi2Ta2O9)강유전체 박막의 제조방법
  4. 제 1항에 있어서, 플라즈마의 RF 동력은 100-150 W 임을 특징으로 하는SBT(SrBi2Ta2O9)강유전체 박막의 제조방법
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