Lead Zirconate titanate(PZT) is a ferroelectric material which has perovskite structure. The PZT film is one of the promising materials applicable to capacitors in memory devices, such as ferroelectric non-volatile memory(FRAM), because of its high remanent polarization and P-E hysteresis properties. There has been much research on integrated PZT thin film memories for the past several years. In particular the fatigue properties of PZT thin films, which is a critical problem in applications for FRAM devices, has been extensively studied. To date, many approaches to overcome the switching fatigue problem have been proposed. To overcome the switching fatigue problem, we used conducting oxide electrodes, i.e., LSCO and LNCO.
In this research, the possibility of the low temperature growth of ferroelectric capacitor was studied using DC reactive sputtering method. LNCO electrode was proposed as a new candidate for conducting oxide electrodes.
$La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$(LSCO) and $LaNi_{0.6}Co_{0.4}O_3$(LNCO) thin films were deposited on Pt/Ti/$SiO_2$/Si and $SiO_2$/Si substrates by DC reactive sputtering at 450℃ and annealed at temperatures ranging from 550℃ to 750℃ for 30 min in $O_2$ ambient to improve the crystallinity of films and to reduce their resistivity. PZT thin films with 150nm thickness were then deposited on the LSCO and LNCO electrodes using DC reactive sputtering at the substrate temperature of 500℃ and 550℃. PZT films grown on LSCO and LNCO showed highly (001) preferred orientation and had uniform matrix of densely packed round grains.
The leakage current density remained on the order of $10^{-7}~10^{-9}A/㎠$ at the applied voltage below 5V. PZT thin films on LSCO/Pt showed a remanent polarization(2Pr) of about 46~52㎛/㎠, and a coercive voltage of about 1 V. PZT capacitor grown on LNCO/Pt electrodes showed a lower coercive voltage(＜0.6V) and a smaller remanent polarization(2Pr) of about 28.8~32μC/㎠ and excellent Ⅰ-Ⅴ characteristics($10^{-8}A/㎠$) compared with that of the Pt/PZT/LSCO/Pt. We note that coercive voltage is below 0.6V for Pt/PZT/LNCO/Pt capacitors(at 5V drive voltage) ; this suggests the applicability of thin films for low voltage operation in FRAM applications. The difference in electrical properties of PZT films grown on LSCO/Pt and LNCO/Pt is due to La penetration effect into PZT films and structural difference of each electrode.
LNCO($LaNi_{0.6}Co_{0.4}O_3$) film shows rhombohedral structure and has more La contents compared with LSCO($La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$). To investigate the effect of La penetration into the PZT films, the depth profiles were analyzed by Auger electron spectroscopy and $ε_γ$-V characteristics were evaluated. The Pt/PZT/LSCO/Pt and Pt/PZT/LNCO/Pt have a dielectric constant of 1300 and 2000 as maximum value, respectively. The dielectric constant of the PZT film grown on LNCO/Pt was higher than that of PZT film grown on LSCO/Pt. The increase in the dielectric constant may be inferred by the difference in the La penetration contents and the grain size of each PZT film. Also PZT thin films deposited at 500℃ showed good ferroelectric properties. It is clear that electrode material directly affects the nucleation, the microstructure(grain size, phase present, and orientation) and the electrical properties of PZT thin films. LSCO/Pt and LNCO/Pt electrodes were essential for lowering the crystallization temperature as well as for obtaining good electrical properties of PZT thin films.
본 연구의 목적은 강유전 커패시터의 저온 공정의 실현과 전도성 산화물 전극을 이용하여 PZT 강유전 박막을 메모리 소자에 응용함에 있어 문제가 되고 있는 fatigue 특성을 향상 시키는 것이다. 또한 새로운 전극 물질인 LNCO($LaNi_{0.6}Co_{0.4}O_3$)를 제안하고, LSCO($La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$) 전극과 특성을 비교하였다.
PZT 박막의 피로특성 향상과 상형성 증진을 위해 전도성 산화물 전극인 LSCO와 LNCO를 450℃에서 DC reactive sputtering 방법으로 증착을 하였고, 결정성과 비저항을 증가시키기 위해 550℃에서 750℃까지 산소분위기에서 30분 동안 열처리를 하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 LSCO와 LNCO의 결정성이 증가하는 것을 XRD 분석을 통해 확인하였으며, 비저항 또한 연속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
Pt/Ti 전극을 이용함에 있어 고온에서 Hillock 형성이 문제가 되고 있는데, 이를 LSCO/Pt와 LNCO/Pt의 Hybrid 전극 형태로 사용함으로써 낮은 비저항 값을 가지면서 Hillock 형성을 막을 수 있었다. LSCO와 LNCO 전극 위에 증착된 PZT 박막은 강한 (001) 우선 배향성을 가지고 있었으며, 표면미세구조 분석을 통해 PZT 박막이 매우 치밀하고 균일하다는 것을 확인하였다. LSCO/Pt위에 증착된 PZT 박막의 경우 leakage current density가 5V 이하에서 $10^{-7}~10^{-8}A/㎠2$ 이었으며, 잔류 분극(2Pr)은 46~52μC/㎠ 그리고 1V 정도의 coercive voltage 값을 보여주었다.
이에 비해 LNCO/Pt 위에 증착된 PZT 박막의 경우에는 LSCO/Pt 위에 증착된 PZT 박막과 비교하여 보다 낮은 leakage current density($10^{-8}A/㎠$), 보다 작은 잔류 분극(2Pr) $28.8~32μC/㎠$ 그리고 작은 coercive voltage(＜0.6V)를 보여주었다.
이러한 특성의 차이는 LSCO와 LNCO 전극의 구조적인 차이(LSCO는 Cubic perovskite구조, LNCO는 Rhombohedral 구조)와 PZT 계면에서의 La 침투 현상에 기인한 것으로 생각된다.
본 연구에서 목적 했듯이, LSCO와 LNCO 전극의 저온 증착 뿐만 아니라, PZT 박막의 저온 증착 특성을 알아보기 위해 500℃에 LSCO와 LNCO 전극 위에 PZT 박막을 증착하였다. 500℃에서 얻어진 PZT 박막에서도 우수한 누설전류밀도와 강유전 특성을 보여주었다. 이 결과로 부터 LSCO/Pt와 LNCO/Pt Hybrid 전극이 PZT 박막의 우수한 강유전 특성을 얻는 것 뿐만 아니라 결정화 온도를 낮추는 데도 중요한 역할을 함을 알 수 있었다.
