KR100389124B1 - 강유전체캐패시터의분극감퇴방지방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임프린트를 이용한 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 상기 방법은 분극이 존재하는 상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 갖도록 강유전체 캐패시터를 제작하는 단계: 및 상기 두개의 분극상태를 메모리 논리로 사용하며 파셜스위칭 신호를 연속적으로 인가하는 단계를 포함함으로써 강유전체 캐패시터의 분극감퇴를 방지하여 피로특성을 개선시킬 수 있고, 궁극적으로 그 수명을 연장시킬 수 있는 잇점이 있다.
Description
본 발명은 임프린트(imprint)를 이용한 강유전체 캐패시터의 분극 감퇴 방지방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 인위적으로 임프린트 현상이 발생되도록 강유전체 캐패시터를 제작하고 이때 발생된 잔류분극과 분극이 존재하지 않는 분극상태(zero polarization)를 메모리 논리(memory logic)로 사용하고 여기에 파셜 스위칭(partial switching)을 신호를 인가함으로써 강유전체 캐패시터의 잔류분극이 감퇴되는 것을 방지할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반직으로, FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)용으로 사용되는 강유전체 캐패시터는 작동하다가 정지할 경우 잔류분극 상태를 유지하게 되는데, 이때 캐패시터의 작동 히스토리(hystory)에 따라 잔류분극을 유지하는 수명이 각각 달라지게 된다. 이의 극단적인 경우로서 잔류분극이 소멸되거나 또는 역으로 분극되는 경우가 있는데, 이를 "임프린트"라 한다. 강유전체는 인가된 전압을 제거해도 분극상태가 유지되어 그 기능으로 보아 메모리 효과가 있다고 볼 수 있는데, 만약 임프린크 현상이 발생하게 되면 전압이 제거된 상태에서 약 100msec에서 1sec 사이에 분극이 자연적으로 감퇴되어 메모리 기능을 상실하게 되는 것이다.
한편, 탈극(depolarization)이라는 현상은 분극에 대한 반작용으로 "0"전압에서 잔류분극에 대한 약간의 손실이 있는 것으로 인정되어 왔지만, 임프린트의 경우에는 탈극현상에 비해 그 크기가 매우 크게 때문에 별도의 원인이 있는 것으로 해석되고 있다. 또한, 임프린트가 심한 경우에는 "0"전압에서의 잔류분극이 아예 반대편 분극으로 바뀌는 경우도 있다(분극반전).
임프린트의 원인으로는 외부전압, 온도 등에 의한 공간전하(spacecharge)와 연관된 도메인(domain)의 소멸때문인 것으로 알려져 있다. 만약 이러한 임프린트현상이 FRAM에서 발생된 경우에는 메모리의 소멸(momory bit failure)이 발생된 것으로 본다 (Imprint Mechanisms in PZT Thin Film Capacitors, S. B. Desu and I. K. Yoo, Philosophical Mmgazine 참조).
임프린트는 다양한 조건하에서 관찰될 수 있고 다양한 원인들에 의해 분류되지만, 그 원인들은 쉽게 조절될 수 있다. 이러한 원인들을 조절하는 대표적인 방법으로는 특정한 시간동안 어닐링(annealing)시키는 것이다. 그러나, 전기적인 용력. 열적 용력, 시간, 공정과 같은 외적인 원인들에 의해 발생된 임프린프의 경우에는 그러한 어닐링후 조차에서도 일정시간동안 임프린트 현상이 계속적으로 발생하는 문제점이 있다.
따라서. 본 발명의 목적은 이러한 임프린트 현상을 방지하기 보다는 오히려 이것을 이용함으로서 분극감퇴에 따른 피로특성을 향상시킬수 있고 궁극적으로 그 수명을 연장시킬 수 있는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법은 분극이 존재하는 상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 갖도록 강유전체 캐패시터를 제작하는 단계; 및 상기 두개의 분극상태를 메모리 논리로 사용하여 파셜 스위칭 신호를 연속적으로 인가하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1도의 (가), (나) 및 (다)는 임프린트와 이력곡선과의 관계를 나타낸 것으로, 임픈린트가 발생한 강유전체 캐패시터의 이력곡선이 어떻게 측정되는가를 예시한 것이다.
제 1도의 (가)는 정상상태의 강유전체 캐패시터의 이력곡선으로, 정상적인 조건에서는 이력곡선이 양의 분극과 음의 분극이 대칭적으로 나타난다. 반면, 제 1도의 (나)는 음의 유니폴라 펄스, 기공(vacancies) 등에 의해 완전한 임프린트가 발생된 강유전체 캐패시터의 이력곡선이다. 즉, 음의 분극상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 갖는 비대칭적 이력곡선을 보이고 있다. 한편, 제 3도의 (다)는 극한의 임프린트를 보이는 강유전체 캐패시터의 이력곡선이다. 즉, 양극의 분극상태가 "0" 전압에서 저절로 음극으로 전환되어 극한의 임프린트를 보이고 있다.
상술한 바와 같이, 임프린트는 통상 양극분과 음분극쪽에서 공히 발생되지만 통상 비대칭적으로 발생하는 것이 보통이다. 한편, 임프린트는 인위적으로 발생시킬 수도 있는데, 그러한 방법으로는 캐패시터의 구조를 바꾸거나 또는 공정으로 조절할 수 있다. 만약 대 1도의 (나)에 도시된 바와 같이 한쪽 분극은 잔류분극이 안정하게 남아 있도록 하고 반대편 잔류분극은 완전히 감퇴되도특 하는 완전한 비대칭 임프린트를 유발시킨다면 양 또는 음의 잔류분극상태와 분극이 존재하지 않는 상태의 두가지 상태를 얻을 수 있다. 이때 잔류분극이 존재하는 상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 "1", "0" 상태로 지정하여 메모리 논리회로를 형성할 수 있게 된다.
한편. 부분 변환(partial switching) 개념에 의하면, 인위적으로 한쪽방향의 분극을 크게 하고 다른 방향은 부분적으로 분극시킴으로써 장기간 사용에 의한 분극감퇴, 이른바 피로(fatigue)를 최소화시킬 수 있는데, 이는 FRAM의 수명을 연장시키는 결정적인 효과가 있다(Partial Switching, disclosure filed, Patent pending, VA TEch.).
도메인(domain)의 변환공전은 인가전압과 변환시간에 의존한다는 사실은 잘 알려져 있다. 즉, 인가전압이 증가함에 따라 변환시간은 단축된다. 이것은 도매인이 도매인 벽(domain wall)의 움직임과 관계가 있는 트리거 모션(trigger motion)으로 변환된다는 것을 의미한다. 따라서, 만약 인가전압이 너무 낮거나 또는 전압이 너무 단시간에 걸쳐 인가된다면 도메인은 부분적으로 변환되는 것이다. 이러한 원리를 "파셜 스위칭"이라 한다.
제 2도의 (가), (나) 및 (다)는 파셜 스위칭 원리를 나타낸 것이다. 제 2도의 (가)는 동일한 크기의 양극 펄스와 음극 펄스를 인가했을 경우의 강유전체 캐패시터의 이력곡선을 나타낸 것으로, 양의 분극과 음의 분극이 대칭적인 것을 보이고 있다. 반면. 제 2도의 (나) 는 일정크기의 양극 펄스와 상기 양극 펄스의 전압보다 낮은 전압의 음극 펄스를 인가했를 경우의 이력곡선을 보인 것으로, 캐패시터가 양의 잔류분극상대와 분극이 존재하지 않는 상태의 두가지 분극상태를 가지는 이른바 파셜 스위칭을 보이고 있다.
이와같이 파셜 스위칭을 위해서는 낮은 전압을 사용하거나, 펄스 폭(pulse width)이 작은 신호를 사용하거나, 또는 충분한 챠징(charging)을 일으키지 않는 약한 전기적 신호를 이용해야 한다.
제 2도의 (다)는 일정크기의 양극 펄스와, 상기 양극 펄스의 전압보다 낮은전압의 음극 펄스를 연속적으로 인가했을 경우의 강유전체 캐패시터의 이력곡선을 나타낸 것으로, 파셜 스위칭을 일으키는 펄스를 연속적으로 가할 경우 분극이 회복된다는 것을 보이고 있다.
그러나, 이와같이 파셜 스위칭을 위한 약신호를 반복해서 사용하게 되면, 즉 유니폴라 신호를 반복해서 인가하게 되면 충분한 챠징이 이루어지기 때문에 분극이 존재하지 않는 상태를 유지할 수 있는 강유전체 캐패시터가 필요하게 되는데, 이때 임프린트된 캐패시터를 사용하게 되면 분극이 존재하지 않는 상태를 보장할 수 있다.
그러면, 임프린트된 캐패시터는 정상신호에 의해서도 분국이 존재하지 않는 상태를 유지할 수 있을 터인대 굳이 파셜 스위칭이 필요한 것인가에 대한 의구심이 생길 수 있다. 실제로, 임프린트는 연속적인 전기적 신호인 유니폴라 펄스에 의해서 발생할 수 있는 것이므로 역으로 반대의 전기신호로 임프린트를 제거할 수도 있다. 그렇다면 음 또는 야의 정상신호를 사용할 경우, 음극에 의해 임프린트된 캐패시터는 양극의 신호에 의해 임프린트가 해소될 가능성도 있는 것이다. 따라서, 원하는 수준의 임프린트가 유지되도록 하기 위해서는 임프린프를 야기시키는 신호는 충분히 하고 임프린트를 해고시키는 신호는 약하게 해줄 필요가 있다. 이러한 신호로 적합한 것이 바로 파셜 스위칭 신호인 것이다. 즉, 파셜 스위칭의 약신호는 임프린트를 회복시키지 못하기 때문에 캐패시터가 분극이 존재하지 않는 상태를 유지하는 것이 가능해지고 캐패시터는 임프린트를 유지하게 때문에 파셜 스위칭 신호가 연속적으로 유니폴라 형태로 입력되어도 분극이 존재하지 않는 상태를 보장할 수있는 상호보완적 효과를 기대할 수 있게 된다. 더욱이 파셜 스위칭은 피로현상을 감소시키므로 FRAM의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
한편, 임프린트를 인위적으로 얻게 되면 파셜 스위칭과 동일한 효과를 나타내게 되어 FRAM의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 이러한 인위적인 임프린트를 얻기 위해서는 한폭방향의 도메인이 소멸되도록 조건을 갖추어 주어야 하는데, 램트론(Ramtron)의 미합중국 특허 제5,216,572호에서는 "Structure and Method for increasing the Dielectric Constant of Integrated Ferroelectric Capacitors"라는 명칭의 비대칭 전극 사용방법을 제안하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 단순히 상부전극과 하부전극의 믈질만을 다르게 하기 때문에 이력곡선의 변위는 크게 되지 않고 단지 불충분한 임프린트만이 형성될 가능성이 있다. 따라서. 램트톤의 비대칭 전극 사용방법보다는 오히려 비대칭 다층막을 형성하여 이력곡선의 변위를 충분히 크게 하는 것이 바람직하다.
제 3도의 (가), (나) 및 (다)는 캐패시터 박막층 구조와 이력곡선과의 관계를 나타낸 것으로. 대칭과 비대칭의 이력곡선을 캐패시터의 구조에 따라 대비시킨 것이다. 도면중 부호 1은 하부전극 2는 강유전체, 3은 상부전극, 4는 삽입층이다.
제 3도의 (가)는 하부전극(1)과 상부전극(3)의 물질이 동일할 경우 강유전체 캐패시터의 이력곡선을 나타낸 것으로, 양의 분극과 음의 분극이 대칭적인 것을 보이고 있다. 제 3도의 (나)는 상기 램프론의 미합중국 특허 제 5.216,572호에서 제안한 방법으로서 하부전극(1)과 상부전극(3)의 물질이 서로 다른 비대칭 전극을 사용할 경우의 이력곡선을 나타낸 것이다. 이 경우, 이력곡선의 변위는 크게 되지 않고 단지 불충분한 임프린트만이 형성되어 있다.
한편, 제 3도의 (다)는 하부전극(1)와 상부전극(3)종 일축전극과 강유전체(2) 사이에 삽입층(4)이 형성된 비대칭 다층막 구조를 가지는 강유전체 캐패시터 구조와 그 이력곡선을 나타낸 것이다. 이 경우, 캐패시터는 양의 잔류분극상태와 분극이 존재하지 않는 상태의 두가지 분극상태를 가지는 완전한 임프린트를 형성하고 있다.
이상에서 알 수 있듯이, 본 발명의 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법은 분극이 존재하는 상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 갖도록 강유전체 캐패시터를 제작하는 단계: 및 상기 두개의 분극상태를 메모리 논리로 사용하여 파셜 스위칭신호를 연속적으로 인가하는 단계를 포함하는 것에 특징이 있다.
한편, 본 발명의 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 분극이 존재하는 상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 갖는 강유전체 캐패시터, 즉 완전히 임프린트된 강유전체 캐패시터를 제작한다. 이를 위해서는 제 3도의 (다)에 도시된 바와 같이, 하부전극(1)과 상부전극(3)중 일측전극과 강유전체(2) 사이, 에를들면 하부전극(1)과 강유전체(2) 사이, 또는 상부전극(2)과 강유전체(3)사이에 삽입층(4)을 형성시켜 비대칭 다층막 구조를 갖도록 강유전체 캐패시터를 제작한다. 이때 삽입층 물질로는 전도성 세라믹, 금속 또는 폴리머가 이용되는데, 바람직하기로는 전도성 세라믹이다. 한편, 상기 하부전극과 상부전극은 동일할 물질 또는 서로 다른 물질 모두 가능하다.
그 다음, 상기 두개의 분극상태, 양 또는 음의 분극상태와 분극이 존재하지 않는 상태를 메모리 논리로 사용하여 제 2도의 (다)에 도시된 바와 같이 파셜 스위칭 신호를 연속적으로 인가하여 사용하는 것이다. 이때 두개의 분극상태중 분극이 존재하는 상태에서는 정상적인 신호를 인가하고 분극이 존재하지 않는 상태에서는 상기 정상신호보다 낮은 전압의 신호를 연속적으로 인가하는 것이다. 따라서, 일정크기의 펄스의 전압보다 낮은 전압의 펄스인 파셜 스위칭을 일으키는 펄스를 연속적으로 가할 경우에는 분극이 회복될 수 있다. 즉, 파셜 스의칭의 약신호는 임프린트를 회복시키지 뭇하기 때문에 캐패시터가 분극이 존재하지 않는 상태를 유지하는 것이 가능해지고 캐패시터는 임프린트를 유지하기 때문에 파셜 스위칭 신호가 연속적으로 유니폴라 형태로 입력되어도 분극이 존재하지 않는 상태를 보장할 수 있는 상호보완적 효과를 기대할 수 있는 것이다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만, 이것이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
먼저 2000Å 두께의 PZT 강유전체에 두께 2000Å인 적극을 중착시켰다. 윗전극을 이온밀링(ion milling)으로 에칭시켜 캐패시터를 제작하였다.
이러한 구조의 캐패시터에 -5V. 5V의 전압을 인가하여 그 분극을 측정하여 제 4도와 같은 이력곡선을 얻었다.
제 4도에 의하면, 0 V의 전압에서 0, 20μC/cm2의 두개의 분극량을 갖는 완전한 임프린트 현상을 보인다는 것을 알 수 있다.
제 5도의 (가) 및 (나)는 이와같이 제작한 캐패시터의 피로특성을 측정한 그래프이다. 제 5도의 (가)는 2.5V의 유니폴라 펄스를 가한 경우이고 제 5도의 (나)는 -5V, 2.5V의 베대칭 교번파(asymmetricsquare wave)를 가한 경우이다.
제 5도의 (가) 및 (나)에 의하면, 유니폴라 펄스 또는 비대칭 교번 파하에서 분극변화를 전혀 나타내지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기와 같은 피로 싸이클후 누설전류 레벨도 이의 원래의 값을 그대로 유지하는 것으로 관할되었다.
따라서, FRAM 응용시 "0"를 위해서 2.5V을 사용하고 "1"를 위해서 -5V를 사용한다면 적어도 109회 이상 피로없이 작동됨을 증명하는 것이다.
그러므로, 본 발명의 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법에 의하면, 강유전체 캐패시터의 분극감퇴를 방지하며 피로특성을 개선시킬 수 있으며, 궁극적으로 그 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
제 1도의 (가), (나) 및 (다)는 임프린트와 이력곡선와의 관계를 나타낸 것이고,
제 2도의 (가), (나) 및 (다)는 파셜 스위칭 원리를 나타낸 것이며,
제 3도의 (가). (나) 및 (다)는 캐패시터 박막층 구조와 이력곡선과의 관계를 나타낸 것이며,
제 4도는 본 발명에 따른 캐패시터의 이력곡선,
제 5도의 (가) 및 (나)는 본 발명에 따른 캐패시터의 피로특성을 측정한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 하부전극 2 : 강유전체
3 : 성부전극 4 : 십입층
Claims (6)
- a) 분극이 존재하는 상태의 분극이 존재하지 않는 상태를 갖도록 강유전체 캐패시터를 제작하는 단게; 및b) 상기 두개의 분극상태를 메모리 논리로 사용하여 파셜 스위칭 신호를 연속적으로 인가하는 단계를 포함하는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 a) 단계의 강유전체 캐패시터는 상, 하 전극중 일축전극과 강유전체 사이에 삽입층이 형성된 비대칭 다층막 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 삽입층 물질이 전도성 세라믹, 금속 및 폴리머로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 삽입층 물질이 전도성 세라믹인 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 상부전극과 하부전극이 동일한 물질이거나, 또는 서로 다른 물질인 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 b)단계에서 분극이 존재하는 상태에서는 정상적인 신호를 인가하고 분극이 존재하지 않는 상태에서는 상기 정상신호보다 낮은 전압의 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터의 분극감퇴 방지방법.
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