KR20020020304A - Process for the formation of la-substituted bismuth titanate film with a sol coating method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is lanthanum-substituted bismuth titanate, Bi4-xLaxTi3O12 (x=0.55-1.05), thin films with no fatigue phenomenon and homogeneous ferroelectric characteristics by sol coating method. The preparation method saves the cost and enables mass production without forming and sintering. CONSTITUTION: The preparation method comprises the steps of: dissolving lanthanite, bismuthate and titanate into acidic water(pH 0.1-3), alcoholic organic solvent, or mixed solvent thereof by heating under 150deg.C for a sol(0.3-2M) having a Ba : La : Ti molar ratio being 0.33-3.9 : 0.55-1.05 : 3; coating a substrate, electrode metal(Pt, Ir, Ru, etc.), with the sol by dipping or spin coating; drying between room temperature and 650deg.C; thermal treating at 400-700deg.C in O2 or air atmosphere. The used lanthanite, bismuthate and titanate are inorganic salts, organic salts or alkoxides.

Description

솔 코팅법에 의한 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 경제적인 제조 방법 {PROCESS FOR THE FORMATION OF LA-SUBSTITUTED BISMUTH TITANATE FILM WITH A SOL COATING METHOD}Economical manufacturing method of lanthanum-containing bismuth titanate thin film by sol coating method {PROCESS FOR THE FORMATION OF LA-SUBSTITUTED BISMUTH TITANATE FILM WITH A SOL COATING METHOD}

본 발명은 솔 코팅법을 이용한 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 란탄, 비스무스 및 티탄을 각각 함유하는 유기 또는 무기 염들을 용제에 용해시켜 Bi:La:Ti가 3.33 내지 3.9 : 0.55 내지 1.05 : 3 범위의 몰비로 혼합된, 공기중에서 안정한 솔(sol)을 이용하여 균일한 강유전 특성과 피로현상에 대한 내구성이 우수한 Bi4-xLaxTi3O12(x=0.55 ∼ 1.05) 박막을 경제적으로 대량 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a lanthanum-containing bismuth titanate thin film using a sol coating method, and more specifically, organic or inorganic salts containing lanthanum, bismuth and titanium, respectively, in a solvent to dissolve Bi: La: Ti from 3.33 to 3.33. Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (x = 0.55) with excellent ferroelectric properties and excellent durability against fatigue, using a stable sol in air mixed in a molar ratio of 3.9: 0.55 to 1.05: 3 -1.05) The present invention relates to a method for mass production of thin films economically.

강유전체를 메모리칩에 응용하는 연구가 1980년대 말에 시작된 이래, 세계 각국에서는 그의 상품화가 구체적으로 가시화되고 있다. 이러한 강유전체 메모리 소자 (ferroelectric random access memory device, FRAM device)의 기초적인 요구 조건으로는 높은 상전이온도 (transition temperature, Tc), 높은 잔류분극량 (remanant polarization, Pr), 낮은 상생성온도 (phase formation temperature) 및 낮은 보전압 (coercive voltage, Vc) 등이 있으며, 이러한 조건을 만족시키는 여러 가지 강유전 물질로 특히 PZT(lead zirconate titanate, Pb(ZrxTi1-x)O3) (한국 특허 공보 제99-233999호, 한국특허 공개 제99-23743호 참조) 및 SBT (strontium bismuth titanate, SrBi2Ti2O9) 등에 대해 많은 연구가 이루어졌다 (James F. Scott et. al., "Ferroelectric Memories" Science vol. 246, 1400 (1989) 참조).Since research into the application of ferroelectrics to memory chips began in the late 1980s, commercialization of his fertilizer has become more visible in many countries. Basic requirements for such ferroelectric random access memory devices (FRAM devices) include high transition temperature (Tc), high residual polarization (Pr), and low phase formation temperature. ) And low coercive voltage (Vc), and various ferroelectric materials that satisfy these conditions, particularly lead zirconate titanate (PZT) (Zr x Ti 1-x ) O 3 ) (Korean Patent Publication No. 99 -233999, Korean Patent Publication No. 99-23743) and SBT (strontium bismuth titanate, SrBi 2 Ti 2 O 9 ), etc. have been studied (James F. Scott et. Al., "Ferroelectric Memories" Science) vol. 246, 1400 (1989)).

FRAM 소자를 이용하여 정보를 입력 또는 저장하는 경우 양분극(positive polarization)과 음분극(negative polarization)시의 전하량의 차이가 커야 신호의 감지에 있어 오류가 발생할 가능성이 적고 메모리 소자의 설계 및 제작이 용이해진다. 양분극과 음분극시의 전하량의 차이가 크기 위해서는 재료가 높은 잔류분극량을 가져야 한다. 또한, 양분극과 음분극시의 전하량의 차이를 이용하여 전보를 입력하고 저장하는 FRAM 소자의 경우 여러차례의 반복적인 분극 스위칭이 불가피하고 이때 강유전체 물질에서 피로(fatigue) 현상이 나타나지 않아야 한다. 이러한 피로현상이 발생할 경우 Pr값이 현저히 감소하며, 이에 따라 정보의 판독과 저장시 전기신호의 감지를 어렵게 만들어 오류를 발생시킬 가능성을 증가시킨다.When information is input or stored using FRAM devices, the difference in the amount of charge during positive polarization and negative polarization should be large so that there is little possibility of error in signal detection and the design and manufacture of memory devices It becomes easy. The material must have a high residual polarization amount in order for the difference in the amount of charge in the positive and negative polarizations to be large. In addition, in the case of a FRAM device that inputs and stores a telegram by using a difference in the amount of charge in the positive and negative polarizations, it is inevitable to repeatedly switch the polarization several times, and at this time, no fatigue phenomenon occurs in the ferroelectric material. When such fatigue phenomenon occurs, the Pr value is significantly reduced, thereby increasing the possibility of generating an error by making it difficult to detect an electrical signal when reading and storing information.

상기 PZT의 경우, 높은 Pr을 가져 강유전 메모리 소자의 재료로 유용하기는 하지만 스위칭을 107회 정도 수행하면 피로 현상이 발생한다. 이를 개선하기 위해 IrO2, RuO2, 및 복합 산화물들을 함유하는 전극재료들이 개발되었으나, 이 물질들은 가격이 높을 뿐 아니라 제조가 어려워 경제성이 적다. 또한, 상기 SBT의 경우에는, 피로에 대한 내성은 우수하나 양분극과 음분극시의 전하량 차이가 10μc/cm2정도로 작아 신호의 감지를 어렵게 만들어 오류가 발생할 가능성이 높아 FRAM 소자의 설계 및 제작을 어렵게 만들며 강유전 상생성온도가 750 ℃ 이상으로 높아 메모리 장치 제작시 열처리 온도를 높여 불량율을 증가시키는 원인을 제공한다.For the PZT, to be useful as a material of the ferroelectric memory element brought to a high Pr, but if the switching performed by 10 7 times fatigue phenomenon occurs. In order to improve this, electrode materials containing IrO 2 , RuO 2 , and composite oxides have been developed, but these materials are not only expensive but also difficult to manufacture, and thus economical. In addition, in the case of the SBT, fatigue resistance is excellent, but the difference in charge amount between the positive and negative polarizations is about 10 μc / cm 2, which makes it difficult to detect a signal, thereby increasing the possibility of error. It makes it difficult, and the ferroelectric phase generating temperature is higher than 750 ℃, which increases the heat treatment temperature when manufacturing a memory device, thereby providing a cause of increasing the defective rate.

이러한 문제를 해결하기 위하여 높은 Pr값을 가지면서도 3 x 1010의 스위칭 사이클 후에도 피로현상을 나타내지 않을 뿐 아니라 650 ℃ 이하의 낮은 상생성온도를 가지는 La 함유 티탄산 비스무스(BLT, Bi4-xLaxTi3O12)가 개발되었다 (문헌 [B. H Park et al., "Lanthanum-substituted bismuth titanate for use in non-volatile memories", Nature, vol. 401, 14 (1999)] 참조).In order to solve this problem, bismuth titanate containing La (BLT, Bi 4-x La x) , which has high Pr value and does not exhibit fatigue even after 3 x 10 10 switching cycles, and has a low phase temperature below 650 ° C Ti 3 O 12 ) (see B. H Park et al., "Lanthanum-substituted bismuth titanate for use in non-volatile memories", Nature, vol. 401, 14 (1999)).

일반적으로 양질의 강유전체 박막을 제조하는 방법은 고진공설비, 타겟 산화물 및 제이저 공급원을 사용하는 펄스 레이저 증착(pulse laser deposition, PLD) 방법과 레이저 에블레이션(ablation)법 등이 있으나, 이들 방법은 고진공을 이용하는 고가의 장비 및 타겟 산화물 제조의 어려움, 대면적 박막 제조의 어려움, 화학양론적 비의 박막 조성 달성의 어려움 등이 단점으로 지적되어 왔다. 한편, 상기문헌에는 펄스 레이저 증착법에 의해 La 함유 티탄산 비스무스 (BLT, Bi4-xLaxTi3O12) 강유전 박막을 제조하는 기술을 개시하고 있으나, 결정 성장 방향의 불균일성 등으로 고밀도 집적 회로 제작시 소자의 위치에 따른 유전 특성의 변화가 발생하여 불량율이 높은 등의 문제점이 지적되었다 (Augus Kingon, "Memories are made of ..." Nature, vol. 401, 658 (1999) 참조). 따라서, 상기 문헌에 개시된 La 함유 티탄산 비스무스 강유전체 물질을 상업적으로 이용하기 위해서는 저가의 장비를 이용하여 균일한 결정성장 방향을 가지는 대면적의 강유전체 박막을 경제적으로 제조하는 기술이 절실히 필요하다.In general, high-quality ferroelectric thin films are manufactured by high vacuum equipment, pulse laser deposition (PLD) method using a target oxide and a zezer source, and laser ablation method. Difficulties in the production of expensive equipment and target oxides, the difficulty of producing large-area thin films, and the difficulty of achieving a stoichiometric ratio of thin film compositions have been pointed out as disadvantages. Meanwhile, the above document discloses a technique for producing a La-containing bismuth titanate (BLT, Bi 4-x La x Ti 3 O 12 ) ferroelectric thin film by a pulse laser deposition method, but manufacturing a high density integrated circuit due to nonuniformity in the crystal growth direction. Problems such as high defect rate due to the change of dielectric properties depending on the position of the device have been pointed out (see August Kingon, "Memories are made of ..." Nature, vol. 401, 658 (1999)). Therefore, in order to commercially use the La-containing bismuth titanate ferroelectric material disclosed in the above document, there is an urgent need for a technique for economically manufacturing a large-area ferroelectric thin film having a uniform crystal growth direction using inexpensive equipment.

본 발명은 균일한 강유전성 및 피로현상에 대한 내구성을 갖춘 La 함유 티탄산 비스무스(BLT, Bi4-xLaxTi3O12, x=0.55 내지 1.05) 박막을 경제적으로 대량 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides a method for economically mass production of La-containing bismuth titanate (BLT, Bi 4-x La x Ti 3 O 12 , x = 0.55 to 1.05) thin films with uniform ferroelectricity and durability against fatigue. Its purpose is to.

도 1 내지 3은 각각 본 발명에 따른 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 XRD 회절 패턴, 강유전 특성 및 스위칭에 따른 피로특성을 나타내는 그래프이다.1 to 3 are graphs showing XRD diffraction patterns, ferroelectric properties, and fatigue properties according to switching, respectively, of the lanthanum-containing bismuth titanate thin film according to the present invention.

본 발명에서는, 란탄 함유 유기 또는 무기 염, 비스무스 함유 유기 또는 무기 염 및 티탄 함유 유기 또는 무기 염을 산성수 또는 알콜성 유기용매 또는 이들의 혼합용매에 가하여 얻은 혼합물을, 금속 염의 휘발을 방지하기 위한 응축장치가 내장된 밀폐 용기 내에서 150 ℃이하의 온도로 가열, 완전 용해 및 안정화시켜Bi:La:Ti가 3.33 내지 3.9 : 0.55 내지 1.05 : 3 범위의 몰비로 혼합된 안정한 솔(sol)을 형성하고, 이 솔을 기재 상에 코팅한 후 건조 및 열처리 산화시켜 Bi4-xLaxTi3O12(x=0.55 내지 1.05) 박막을 제조하는 방법을 제공한다.In the present invention, a mixture obtained by adding a lanthanum-containing organic or inorganic salt, a bismuth-containing organic or inorganic salt, and a titanium-containing organic or inorganic salt to an acidic water or an alcoholic organic solvent or a mixed solvent thereof is used to prevent volatilization of metal salts. It is heated, completely dissolved and stabilized at a temperature of 150 ° C. or lower in a sealed container in which a condenser is incorporated to form a stable sol in which Bi: La: Ti is mixed in a molar ratio ranging from 3.33 to 3.9: 0.55 to 1.05: 3. And then, the brush is coated on a substrate and then dried and heat treated to provide a method for producing a Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (x = 0.55 to 1.05) thin film.

이하, 본 발명을 보다 상세히 기술한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

비스무스는 휘발이 쉽게 되는 물질이므로 코팅 후 열처리시 일부가 휘발되어 없어지므로, 본 발명에 따른 박막의 형성에 있어서 열처리 후의 Bi의 화학적인 양을 충족시키기 위해서는, 화학양론적 양 이상의 과량의 비스무스 염을 사용하여야 한다. 이러한 화학양론적 양이 충족되지 않으면 강유전 박막 내에 결정 결함이 발생하게 되고 이는 박막에 도전성을 유발하므로 강유전 특성을 제거하는 효과를 나타내어 심각한 불량요인으로 작용한다. 따라서, 본 발명에 따르면 Bi : La : Ti를 3.33 내지 3.9 : 0.55 내지 1.05 : 3 범위의 몰비로 사용한다.Since bismuth is a material that is easily volatilized, part of the bismuth is volatilized and disappeared during heat treatment after coating. In order to satisfy the chemical amount of Bi after heat treatment in forming a thin film according to the present invention, an excess of bismuth salt in excess of a stoichiometric amount is required. Should be used. If the stoichiometric amount is not satisfied, crystal defects are generated in the ferroelectric thin film, which causes conductivity in the thin film, thus exhibiting the effect of removing the ferroelectric properties, thus acting as a serious defect. Therefore, according to the present invention, Bi: La: Ti is used in a molar ratio in the range of 3.33 to 3.9: 0.55 to 1.05: 3.

본 발명에 사용될 수 있는 상기 란탄, 비스무스 및 티탄 염의 예로는 초산염, 질산염, 염산염 또는 이들의 수화물 등과 같은 무기 염 및 옥살산염, 알콕사이드 등과 같은 유기 염이 있다.Examples of the lanthanum, bismuth and titanium salts which can be used in the present invention include inorganic salts such as acetates, nitrates, hydrochlorides or hydrates thereof and organic salts such as oxalates, alkoxides and the like.

상기 금속 염들은 용제에 대한 용해도가 낮아 쉽게 용해되지 않으므로 상기 금속염과 용제의 혼합액을 150 ℃ 이하의 온도로 가열하여 완전용해시키되, 비스무스의 휘발을 방지하기 위해 위발분 응축장치가 있는 밀폐 용기에서 수행하여 균일한 솔을 제조하는 것이 필수적이다.Since the metal salts are not easily dissolved due to low solubility in solvents, the metal salts and solvents are completely dissolved by heating to a temperature of 150 ° C. or lower, but performed in a closed container having a gastric condensation device to prevent volatilization of bismuth. It is essential to make a uniform sole.

솔 제조시 용제로는 산성수 또는 알콜성 유기용매 또는 이들의 혼합용매가이용될 수 있으며, 산성수 사용시 pH는 0.1 내지 3 범위이다. 균일한 코팅을 얻기 위해서는 형성된 솔 중의 용질의 농도는 0.3 내지 2.0 M 범위가 바람직하다. 농도가 0.3 M 보다 적으면 박막으로 제작시 용질 농도가 미달되어 다공질 박막이 얻어지며, 2.0 M 이상이면 금속염의 완전용해가 어려울 뿐만 아니라 점도가 증가하여 균질한 코팅이 어렵다.Solvents may be acidic or alcoholic organic solvents or mixed solvents thereof, and the pH may range from 0.1 to 3 when the sole is used. In order to obtain a uniform coating, the concentration of solute in the formed brush is preferably in the range of 0.3 to 2.0 M. When the concentration is less than 0.3 M, the solute concentration is insufficient when the thin film is manufactured, and when the concentration is 2.0 M or more, complete dissolution of the metal salt is not only difficult, but the viscosity increases, making it difficult to homogeneous coating.

본 발명에 따라 형성된 솔은 용질의 석출이 거의 없이 수 개월 동안 안정하여 저장성이 우수하여 현장 대량 생산시 생산성 및 품질안정화에 기여할 수 있다.The brush formed in accordance with the present invention is stable for several months with little precipitation of solutes and excellent storage properties can contribute to productivity and quality stabilization during on-site mass production.

상기 솔을 이용하여 박막을 제조하기 위해서는 적절한 기재 상에 상기 솔을 코팅한 후 예비 건조 및 열처리한다. 기재로는 통상의 전극용 금속이 이용될 수 있으며, 예로는 Pt, Ir, Ru 등이 사용될 수 있으며, 코팅은 통상의 침지 코팅법 또는 스핀 코팅법에 의해 수행할 수 있다.In order to manufacture a thin film using the brush, the brush is coated on a suitable substrate, followed by predrying and heat treatment. As the substrate, a conventional electrode metal may be used, and for example, Pt, Ir, Ru, or the like may be used, and the coating may be performed by a conventional dip coating method or spin coating method.

코팅된 박막의 건조는 상온 내지 650 ℃ 범위의 온도에서 수행할 수 있고, 열처리는 공기 또는 산소 분위기 하에 400 내지 700 ℃ 범위의 온도에서 수행할 수 있다. 코팅 박막은 400 ℃ 이하의 온도에서는 비정질상으로 존재하나, 고온 열처리를 거치게 되면 휘발분의 증발 및 결정화가 진해되어 강유전상으로 바뀌게 된다. 따라서, 열처리 온도가 400 ℃ 보다 낮으면 강유전상이 형성되지 않아 코팅 박막이 비정질상으로 그대로 남아 있게 되며, 700 ℃ 보다 고온에서 열처리를 수행하게 되면 하부 금속 전극이 산화 또는 박리 등의 형태로 손상될 수 있어 바람직하지 않다.Drying of the coated thin film may be carried out at a temperature in the range of room temperature to 650 ℃, heat treatment may be carried out at a temperature in the range of 400 to 700 ℃ under an air or oxygen atmosphere. The coating thin film is present in an amorphous phase at a temperature of 400 ° C. or lower, but when subjected to a high temperature heat treatment, the volatile component evaporates and crystallizes to become a ferroelectric phase. Therefore, when the heat treatment temperature is lower than 400 ℃, the ferroelectric phase is not formed, the coating thin film remains in an amorphous phase, and when the heat treatment is performed at a temperature higher than 700 ℃, the lower metal electrode may be damaged in the form of oxidation or peeling. Not desirable

열처리후 수득되는 본 발명에 따른 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막이 강유전성 및 피로현상에 대한 내구성을 나타내기 위해서는 박막 조성이 Bi4-xLaxTi3O12(x=0.55 ∼ 1.05)이 되어야 한다. 란탄 함량(x값)이 0.55몰 보다 작으면 장기(109사이클) 스위칭 후에 피로 현상이 발생하는 문제점이 있으며, 1.05몰을 초과하면 피로현상은 발생하지 않으나 잔류분극값이 감소하는 결과를 나타낼 수 있다.In order for the lanthanum-containing bismuth titanate thin film obtained after the heat treatment to exhibit ferroelectricity and durability against fatigue, the thin film composition should be Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (x = 0.55 to 1.05). If the lanthanum content (x value) is less than 0.55 mole, there is a problem that fatigue occurs after long-term (10 9 cycles) switching. If the lanthanum content (x value) exceeds 1.05 mole, the fatigue phenomenon does not occur but the residual polarization value may decrease. have.

본 발명에 따라 제조된 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막은 균질한 결정 성장 방향을 가짐에 따라 균질한 강유전 특성을 나타내고, 여러 번의 스위칭 이후에도 피로 현상이 나타나지 않으며, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 타겟 제작을 위한 원료 물질의 성형 및 소성 공정이 필요 없어 원가가 낮으며, 박막 조성을 화학양론적으로 제어하는 것이 용이하고, 또한 150 ℃ 이하의 비교적 저온인 기초 용해 장비만을 필요로 하며, 고 진공이 필요 없고, 대 면적 코팅이 용이하여, 균질한 강유전 특성을 가지는 고품질 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 대량 생산에 경제적이고 효과적인 방법이다.The lanthanum-containing bismuth titanate thin film prepared according to the present invention exhibits homogeneous ferroelectric properties as it has a homogeneous crystal growth direction, and does not exhibit fatigue phenomenon even after several switching. As described above, the method according to the present invention targets It is low in cost because there is no need for forming and firing raw materials for fabrication, it is easy to control stoichiometrically of thin film composition, and only needs relatively low temperature basic melting equipment below 150 ℃, and high vacuum is required. It is free of large area coating and is an economical and effective method for mass production of high quality lanthanum-containing bismuth titanate thin films having homogeneous ferroelectric properties.

이하, 본 발명을 실시예로써 더욱 설명하나, 이들 실시예가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, although an Example further demonstrates this invention, these Examples do not limit this invention.

코팅 솔(sol)의 제조Preparation of Coating Sol

제조예 1Preparation Example 1

pH 1의 초산수용액에 초산 비스무스(bismuth acetate), 초산 란탄수화물(lanthanum acetate hydrate), 디이소프로폭시화 티탄 착염(chelated titanum diisopropoxide)을 Bi:La:Ti를 기준으로 3.33 내지 3.9 : 0.55 내지 1.05 : 3의 몰비가 되도록 혼합한 뒤, 금속염들의 완전용해 및 안정화를 위하여 금속염들의 휘발을 방지하기 위한 응축장치가 장착된 밀폐용기에서 100 ℃로 가열하였다. 이때, 디이소프로폭시화 티탄을 공기중에 노출될 시 급격히 산화하여 솔 중에서 균질하게 분포하지 않고 석출되어 솔의 조성을 불균일하게 하는 경향이 있어 사용 전에 아세틸아세토네이트를 이용하여 착염화시킨 후 사용되었다. 또한, 박막 성형시 급격한 용매 휘발에 의해 크랙이 생기는 것을 방지하기 위하여 건조속도를 조절하기 위한 건조속도 조절제로 에틸렌글리콜이 용액대비 0.2 부피% 첨가되었다.Bismuth acetate, lanthanum acetate hydrate, and chelated titanum diisopropoxide in dilute acetic acid solution at pH 1 were 3.33 to 3.9: 0.55 to 1.05 based on Bi: La: Ti. The mixture was mixed to a molar ratio of 3 :, and then heated to 100 ° C. in a closed vessel equipped with a condenser to prevent volatilization of the metal salts for complete dissolution and stabilization of the metal salts. At this time, the titanium isopropoxylated when exposed to the air, it is rapidly oxidized and is not uniformly distributed in the sol, so that the composition tends to be non-uniform, so that the composition of the sol is used after complexing with acetylacetonate before use. In addition, in order to prevent cracking due to rapid solvent volatilization during thin film molding, 0.2 vol% of ethylene glycol was added as a drying rate adjusting agent for controlling the drying rate.

솔의 농도는 용질 총량을 기준으로 0.3, 0.6, 1.0 및 2.0 M 농도로 다양하게 조정하여, 본 발명에 따른 다양한 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막 제조용 솔을 제조하였다.The concentration of the sole was variously adjusted to 0.3, 0.6, 1.0, and 2.0 M concentrations based on the total amount of the solute, thereby preparing various lanthanum-containing bismuth titanate thin film preparation brushes according to the present invention.

제조예 2Preparation Example 2

상기 제조예 1에서 출발 원료로서 질산 비스무스 수화물, 질산 란탄 수화물, 디이소프로폭시화 티탄 착염 및 pH 0.9의 질산 수용액을 을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 솔을 형성하였다.Except for using bismuth nitrate hydrate, lanthanum nitrate hydrate, diisopropoxylated titanium complex salt and a nitric acid aqueous solution of pH 0.9 as the starting material in Preparation Example 1 to form a sol according to the present invention.

제조예 3Preparation Example 3

상기 제조예 1에서, 출발 원료로서 염화 비스무스, 염화 란탄 수화물, 디이소프로폭시화 티탄 착염 및 pH 0.9의 염산 수용액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 솔을 형성하였다.In Preparation Example 1, except that bismuth chloride, lanthanum chloride chloride, diisopropoxylated titanium complex salt and aqueous hydrochloric acid solution of pH 0.9 were used as starting materials, the sol according to the present invention was formed.

제조예 4Preparation Example 4

에탄올에 에톡시화 비스무스(bismuth ethoxide), 2-메톡시에톡시화 란탄(lanthanum 2-methoxyethoxide), 에톡시화 티탄(titanum ethoxide)을 Bi:La:Ti를 기준으로 3.33 내지 3.9 : 0.55 내지 1.05 : 3의 몰비가 되도록 혼합한 뒤, 금속염들의 완전용해, 수화반응, 중합반응 및 안정화를 위하여 금속염들의 휘발을 방지하기 위한 응축장치가 장착된 밀폐용기에서 100 ℃로 가열하였다. 또한, 박막 성형시 급격한 용매 휘발에 의해 크랙이 생기는 것을 방지하기 위하여 건조속도를 조절하기 위한 건조속도 조절제로 에틸렌글리콜이 용액대비 0.2 부피% 첨가되었다.In ethanol, bismuth ethoxide, lanthanum 2-methoxyethoxide, and titanum ethoxide were used in the range of 3.33 to 3.9: 0.55 to 1.05: 3 based on Bi: La: Ti. After mixing to a molar ratio of, the mixture was heated to 100 ° C. in a closed vessel equipped with a condenser to prevent volatilization of the metal salts for complete dissolution, hydration, polymerization and stabilization of the metal salts. In addition, in order to prevent cracking due to rapid solvent volatilization during thin film molding, 0.2 vol% of ethylene glycol was added as a drying rate adjusting agent for controlling the drying rate.

솔의 농도는 용질 총량을 기준으로 0.3, 0.6, 1.0 및 2.0 M 농도로 다양하게 조정하여, 본 발명에 따른 다양한 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막 제조용 솔을 제조하였다.The concentration of the sole was variously adjusted to 0.3, 0.6, 1.0, and 2.0 M concentrations based on the total amount of the solute, thereby preparing various lanthanum-containing bismuth titanate thin film preparation brushes according to the present invention.

제조예 5Preparation Example 5

상기 제조예 4에서, 출발 원료로서 2-메톡시에톡시화 비스무스, 2-메톡시에톡시화 란탄, 메톡시화 티탄을 사용하고 용제로서 메탄올을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 솔을 형성하였다.In Preparation Example 4, except that 2-methoxyethoxylated bismuth, 2-methoxyethoxylated lanthanum, and titanium methoxylated were used as starting materials, and methanol was used as a solvent. A brush was formed.

제조예 6Preparation Example 6

상기 제조예 4에서, 출발 원료로서 에톡시화 비스무스, 2-메톡시에톡시화 란탄, 메톡시화 티탄을 사용하고 용제로서 2-메톡시에탄올을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 솔을 형성하였다.In Preparation Example 4, except that bismuth ethoxylated, lanthanum 2-methoxyethoxylated and titanium methoxylated were used as starting materials, and 2-methoxyethanol was used as a solvent. Formed.

제조예 7Preparation Example 7

상기 제조예 4에서, 출발 원료로서 이소프로폭시화 비스무스, 이소프로폭시화 란탄, 이소부톡시화 티탄을 사용하고 용제로서 프로판올을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 솔을 형성하였다.In Preparation Example 4, a sol according to the present invention was formed in the same manner except that bismuth isopropoxylated, lanthanum isopropoxylated and titanium isobutoxylated were used as starting materials and propanol was used as a solvent.

상기 제조예 1 내지 7에서 수득한 본 발명에 따른 솔은 3개월 이상 상온의 공기 중에 방치 시에도 석출 현상이 발생하지 않고 균질한 상태를 유지하였다.The brush according to the present invention obtained in Preparation Examples 1 to 7 was maintained in a homogeneous state without precipitation phenomenon even when left in the air at room temperature for at least 3 months.

비교제조예 1 내지 3Comparative Production Examples 1 to 3

상기 제조예 1 내지 7에서 각각, 솔의 농도를 0.1M, 0.2M, 2.5M, 3.0M (100 ℃로 가열처리한 경우) 및 1.0M(상온 용해한 경우)로 변화시킨 것 이외에는 동일하게 수행하여 비교용 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막 제조용 솔들을 형성하였다.In the preparation examples 1 to 7, respectively, except that the concentration of the sole was changed to 0.1M, 0.2M, 2.5M, 3.0M (when heated to 100 ° C.) and 1.0M (when dissolved at room temperature) Brushes for forming a comparative lanthanum-containing bismuth titan thin film were formed.

란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 형성Formation of Lanthanum-containing Bismuth Titanium Thin Films

실시예 1 내지 7 및 비교실시예 1 내지 7Examples 1-7 and Comparative Examples 1-7

상기 제조예 1 내지 7에서 수득한 본 발명에 따른 솔 용액들 및 비교제조예 1 내지 7에서 얻은 비교용 솔 용액들을 회전코팅법에 의해 Pt 금속 박막 (Pt/Ti/SiO2/Si 기판) 위에 균일하게 코팅하였다. 이때, 솔의 용질 농도가 0.3 M인경우는 500-600 Å, 0.6 M인 경우는 800-900 Å, 1.0 M인 경우는 1,000-1,100 Å, 2.0 M인 경우는 1,300-1,500 Å의 두께로 코팅하였다.The sol solutions according to the present invention obtained in Preparation Examples 1 to 7 and the comparative sol solutions obtained in Comparative Preparation Examples 1 to 7 were formed on a Pt metal thin film (Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate) by a rotation coating method. Uniformly coated. At this time, when the solute concentration of the brush was 0.3 M, it was coated with a thickness of 500-600Å, 0.6M if 800-900Å, 1.0M if 1,000-1,100Å, and 2.0M 1,300-1,500Å. .

본 발명에 따른 제조예 1 내지 7의 솔을 이용하여 코팅한 경우는 균질한 코팅층을 얻을 수 있는 반면, 비교제조예 1 내지 7의 솔을 이용한 경우는, 0.3M 이하의 농도를 갖는 경우는 열처리시에 다공질 박막이 얻어졌고 2.0M 이상의 농도를 갖는 경우는 점도 증가 및 용질 불완전용해 등으로 불균질 코팅층이 얻어졌다. 또, 1.0M 농도를 갖고 안정화를 위한 열처리가 되지 않은 솔의 경우는 용질의 석출 현상 발생 및 솔의 불균질화로 코팅이 불가능하였다.In the case of coating using the soles of Preparation Examples 1 to 7 according to the present invention, a homogeneous coating layer can be obtained, whereas in the case of using the brushes of Comparative Preparation Examples 1 to 7, the concentration of 0.3 M or less is heat treated. When the porous thin film was obtained and had a concentration of 2.0 M or more, a heterogeneous coating layer was obtained due to the increase in viscosity, solute imperfection, and the like. In addition, in the case of a brush having a concentration of 1.0M and not subjected to heat treatment for stabilization, coating was impossible due to the occurrence of precipitation of solute and disproportionation of the sole.

란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 결정화Crystallization of Lanthanum-containing Bismuth Titanium Thin Films

실시예 8Example 8

상기 제조예 1의 솔을 사용하여 실시예 1에 따라 코팅시킨 박막을 250 ℃에서 5분 동안 건조한 후 공기 분위기 하 400, 450, 500, 550, 600 및 650 ℃에서 60분 동안 열처리하여 본 발명에 따른 Bi4-xLaxTi3O12(x=0.55-1.05)의 조성을 가진 박막들을 수득하였다.The thin film coated according to Example 1 using the brush of Preparation Example 1 was dried at 250 ° C. for 5 minutes and then heat-treated at 400, 450, 500, 550, 600 and 650 ° C. for 60 minutes in an air atmosphere. Thin films with the composition of Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (x = 0.55-1.05) were obtained.

250 ℃에서 건조된 후 박막은 비정질상을 나타내었고, 400 내지 650 ℃에서 열처리된 박막들은 강유전 결정상을 보였다. 이는 현재까지 상업적으로 이용되고 있는 모든 강유전 물질 중에서 가장 낮은 열처리 온도일 뿐 아니라 금속 전극 위에서로 다른 물질로 구성된 여러종류의 다층 박막을 성장시켜야 하는 실제 공정에서 박막층들간의 가열에 의한 확산을 억제할 수 있다는 중요한 잇점이 있다.After drying at 250 ° C., the thin film showed an amorphous phase, and the thin films heat-treated at 400 to 650 ° C. showed ferroelectric crystal phases. This is not only the lowest heat treatment temperature of all ferroelectric materials commercially available to date, but it can also suppress the diffusion by heating between the thin film layers in the actual process of growing many different types of multilayer thin films composed of different materials on metal electrodes. There is an important advantage.

도 1은 상기와 같이 제조된 박막들 중 란탄 함량이 0.75 몰인 Bi3.25La0.75Ti3O12의 조성을 가진 박막에 대한 XRD 회절 패턴을 보여주는 도이다. 도 1로부터 본 발명에 따라 솔 코팅법에 의한 코팅한 후 400 내지 700 ℃에서 열처리하여 얻은 박막이 강유전 결정상을 나타냄을 확실히 알 수 있다.FIG. 1 is a diagram showing an XRD diffraction pattern of a thin film having a composition of Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 having a lanthanum content of 0.75 mol in the thin films prepared as described above. It can be clearly seen from FIG. 1 that the thin film obtained by heat treatment at 400 to 700 ° C. after coating by the sol coating method according to the present invention exhibits a ferroelectric crystal phase.

또한 도 1의 XRD 회절 패턴으로부터 모든 강유전상이 거의 C축 방향으로 성장한 것을 알 수 있는데, 이는 메모리 장치 생산시 품질균일성을 확보하여 불량율을 낮출 수 있는 중요한 잇점으로 제시될 수 있을 뿐 아니라 불균일 결정성장에 따른 고집적 메모리 장치의 불량율 증가문제를 해결할 수 있는 중요한 진전이라 할 수 있다.In addition, it can be seen from the XRD diffraction pattern of FIG. 1 that all ferroelectric phases are grown almost in the C-axis direction, which can be presented as an important advantage to lower the defective rate by securing quality uniformity in memory device production, as well as non-uniform crystal growth. This is an important step to solve the problem of increasing the defective rate of the highly integrated memory device.

비교실시예 8Comparative Example 8

상기 실시예 8에서 열처리 온도를 350 ℃ 및 800 ℃로 한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 코팅 박막을 수득하였다.Except that the heat treatment temperature was 350 ℃ and 800 ℃ in Example 8 was carried out in the same manner to obtain a coating thin film.

350 ℃에서 열처리된 박막은 비정질상을 보였고 800 ℃에서 열처리한 박막은 손상받아 박리되는 양상을 나타내었다.The thin film heat-treated at 350 ° C. showed an amorphous phase and the thin film heat-treated at 800 ° C. showed damage and peeled.

실시예 9 내지 14 및 비교실시예 9 내지 14Examples 9-14 and Comparative Examples 9-14

상기 실시예 8과 동일하게 실시하되, 상기 제조예 2 내지 7과 비교제조예 2 내지 7의 솔을 이용하여 박막을 수득하였다.A thin film was obtained in the same manner as in Example 8, using the soles of Preparation Examples 2 to 7 and Comparative Preparation Examples 2 to 7.

실시예 9 및 비교예 9에서와 마찬가지로, 본 발명에 따라 400 내지 650 ℃의 온도에서 열처리된 박막은 강유전상을 나타낸 반면, 350 ℃의 온도에서 열처리된 박막은 비정질상으로 남아 있고, 800 ℃에서 열처리된 박막은 하부 금속전극이 손상되어 박리되는 현상을 나타내었다.As in Example 9 and Comparative Example 9, the thin film heat-treated at a temperature of 400 to 650 ℃ according to the present invention shows a ferroelectric phase, while the thin film heat-treated at a temperature of 350 ℃ remains an amorphous phase, heat treatment at 800 ℃ The thin film exhibited a phenomenon that the lower metal electrode was damaged and peeled off.

박막의 유전 특성 및 피로현상에 대한 내구성 시험Durability test on dielectric properties and fatigue phenomena of thin films

상기 실시예 8에서 수득한 강유전성 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막들 (열처리온도 650 ℃)에 대해 그의 잔류분극값 및 1010스위칭 후의 피로 현상 발생여부를 전기-잔류분극 측정법에 의해 측정한 결과, 잔류분극값이 15 내지 20 μc/cm2범위 내에 들었고 피로 현상이 전혀 발생하지 않았다.The residual polarization value of the ferroelectric lanthanum titanate-containing bismuth titanate thin films (heat treatment temperature of 650 ° C.) obtained in Example 8 and the occurrence of fatigue phenomena after 10 10 switching were measured by the electro-residual polarization measurement method. This was within the range of 15-20 μc / cm 2 and no fatigue phenomenon occurred.

도 2는 상기 박막들 중 Bi3.25La0.75Ti3O12의 조성을 가진 박막의 강유전 특성(분극-전기장 곡선)을 나타내는 것으로서, 메모리 장치의 품질 특성을 나타내는 잔류분극값 (2Pr)이 28 μc/cm2을 나타내고 있다. 이는 일반적으로 강유전 박막 형성온도가 750 ℃ 정도로 알려져 있고 잔류분극값이 최대 20 μc/cm2이하를 나타내는SBT 보다 낮은 온도에서 강유전 박막을 형성시킬 수 있을 뿐 아니라 오히려 높은 잔류분극값을 나타내어 보다 효율적으로 강유전 박막을 형성시킬 수 있음을 의미한다. 또한, 본 발명에 따른 상기 박막의 잔류분극값은 선행 문헌(Nature)에 보고된 24 μc/cm2보다 높은 값이다.FIG. 2 shows ferroelectric characteristics (polarization-field curve) of a thin film having a composition of Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 , wherein a residual polarization value (2P r ) representing a quality characteristic of a memory device is 28 μc / cm 2 is shown. It is generally known that the ferroelectric thin film formation temperature is about 750 ° C. and the ferroelectric thin film can be formed at a temperature lower than SBT having a residual polarization value of 20 μc / cm 2 or less. It means that the ferroelectric thin film can be formed. In addition, the residual polarization value of the thin film according to the present invention is higher than 24 μc / cm 2 reported in the prior art (Nature).

도 3a 및 3b는 상기 박막의 스위칭에 따른 피로특성을 나타내는 것으로, 3.5 x 1010스위칭 후에도 피로현상은 발생하지 않았을 뿐 아니라 전기장-분극 특성도 거의 변화하지 않음을 알 수 있다.3a and 3b show the fatigue characteristics according to the switching of the thin film, it can be seen that even after 3.5 x 10 10 switching, not only does the fatigue phenomenon occur but also the electric field-polarization characteristic hardly changes.

한편, 실시예 8 (열처리 온도 650 ℃)에서와 같이 수행하되 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막 중의 란탄 함량이 0.35 몰 및 1.15몰로 본 발명의 범위를 벗어나도록 한 박막을 별도로 제조하여, 이들을 본 발명에 따라 란탄 함량이 0.55 내지 1.05 몰인 경우와 잔류분극값 및 1010스위칭 후의 피로현상 발생여부를 비교하였으며, 그 결과를 하기 표에 나타내었다.Meanwhile, as in Example 8 (heat treatment temperature of 650 ° C.), a thin film was prepared separately so that the lanthanum content in the lanthanum-containing bismuth titanate thin film was 0.35 mol and 1.15 mol, which is outside the scope of the present invention, and these were lanthanum according to the present invention. When the content is 0.55 to 1.05 moles and the residual polarization value and the fatigue phenomenon after 10 10 switching was compared, the results are shown in the table below.

La 함량(몰)La content (mol) 잔류분극값(μc/cm2)Residual Polarization Value (μc / cm 2 ) 1010스위칭 후 피로현상10 10 Fatigue after switching 본 발명The present invention 0.550.55 10 내지 1510 to 15 없음none 0.650.65 10 내지 1810 to 18 없음none 0.750.75 12 내지 2012 to 20 없음none 0.850.85 13 내지 2013 to 20 없음none 0.950.95 13 내지 2013 to 20 없음none 1.051.05 10 내지 1810 to 18 없음none 대조군Control 0.350.35 5 내지 85 to 8 109스위칭 후 피로현상 발생10 9 Fatigue after switching 1.151.15 5 내지 105 to 10 없음none

상기 표로부터, 본 발명에 따른 박막이 강유전성과 피로현상에 대한 내구성을 가짐을 확인할 수 있다.From the above table, it can be seen that the thin film according to the present invention has ferroelectricity and durability against fatigue phenomenon.

본 발명에 따라 제조된 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막은 장기간의 스위칭에도 피로 현상이 나타나지 않고 높은 잔류분극값을 보이는 강유전 박막으로서, 본 발명의 방법은 타겟 제작을 위한 원료 물질의 성형 및 소성 공정이 필요 없어 원료 비용이 적으며, 박막 조성을 화학양론적으로 제어하는 것이 용이하고, 박막의 결정성장방향을 균일하게 유지하여 품질 변폭에 따른 불량을 억제할 수 있고, 또한 200 ℃ 이하의 비교적 저온인 기초 용해 장비만을 필요로 하며, 고진공이 필요없고, 대면적 코팅이 용이하여, 란탄 함유 티탄산 비스무스 박막의 대량 생산에 경제적이고 효과적인 방법이다.The lanthanum-containing bismuth titanate thin film prepared according to the present invention is a ferroelectric thin film exhibiting high residual polarization values without fatigue phenomenon even after long-term switching, and the method of the present invention does not require forming and firing of raw materials for target fabrication. Low cost of raw materials, easy stoichiometric control of thin film composition, uniform crystal growth direction of thin film to suppress defects due to quality variation, and relatively low temperature melting equipment below 200 ℃ It requires only high vacuum, no high vacuum, and easy to coat with large area, making it an economical and effective method for mass production of lanthanum-containing bismuth titanate thin films.

Claims (6)

란탄 염, 비스무스 염 및 티탄 염을 산성수 또는 알콜성 유기용매 또는 이들의 혼합용매에 용해시켜 Bi:La:Ti가 0.33 내지 3.9 : 0.55 내지 1.05 : 3 범위의 몰비로 혼합된 솔(sol)을 형성하고, 이 솔을 기재 상에 코팅한 후 건조 및 열처리산화시켜 Bi4-xLaxTi3O12(x=0.55 내지 1.05) 박막을 제조하는 방법.Lanthanum salts, bismuth salts and titanium salts are dissolved in acidic or alcoholic organic solvents or mixed solvents thereof. A method of forming a Bi 4-x La x Ti 3 O 12 (x = 0.55 to 1.05) thin film by forming and coating the brush on a substrate, followed by drying and heat-oxidizing oxidation. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 란탄 염, 비스무스 염 또는 티탄 염이 무기산 염, 유기산 염 또는 알콕사이드인 것을 특징으로 하는 방법.The lanthanum salt, bismuth salt or titanium salt is an inorganic acid salt, an organic acid salt or an alkoxide. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 솔의 농도가 0.3 내지 2 M 범위인 것을 특징으로 하는 방법.And the concentration of the sole is in the range of 0.3 to 2 M. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 금속 염의 용해를 응축장치가 내장된 밀폐용기에서 150 ℃ 이하의 온도에서 가열처리하는 것을 특징으로 하는 방법.Dissolving the metal salt is heat-treated at a temperature of 150 ° C. or lower in a sealed container with a condenser. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 건조를 상온 내지 650 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.Drying is carried out at a temperature from room temperature to 650 ° C. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 열처리를 산소 또는 공기 분위기 하 400 내지 700 ℃ 범위의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.Heat treatment at a temperature in the range from 400 to 700 ° C. under an oxygen or air atmosphere.
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