Ferroelectric $SrBi_2Ta_2O_9$ thin films were synthesized on various LSCO-Pt hybrid substrates, such as $La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$/Pt/$SiO_2$/Si(LSCO/Pt), and Pt/$La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$/$SiO_2$/Si(Pt/LSCO) by the MOD method. High-Temperature Grazing-Incidence X-ray Diffraction (HTGIXRD) has demonstrated that a fluorite structure changes to a perovskite structure on LSCO/$SiO_2$/Si(LSCO) at 630℃ while on Pt/$SiO_2$/Si(Pt) at 710℃. SBT film on Pt electrode annealed at 750℃ has a (105) preferred orientation while that on LSCO(001) electrode annealed at 630℃ has a (001) preferred orientation. SBT film on LSCO electrode is shown the unshaped P-E curve and leaky property due to the interface incompatibility or the interdiffusion of La,Bi.
In order to solve the interface problems, Pt layer was injected between SBT film and LSCO electrode. SBT film on Pt/LSCO electrode has not(001) preferred orientation, and it is enough crystallized at 680℃. The remanent polarization(Pr) of SBTfilm on Pt/LSCO electrode annealed at 680℃ is 4.8μC/㎠.
The other solution for the problems is that the using LSCO film as buffer layer on Pt/$SiO_2$/Si. SBT film on LSCO/Pt electrode is crystallized at 650℃, and Pr is 9.7μC/㎠.
These two kinds of SBT films do not show fatigue phenomenon up to $10^{10}$ cycles.
본 연구에서는 차세대 FRAM capacitor 재료로써 촉망되는 $SrBi_2Ta_2O_9$ 박막을 $La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_9$ 전극 위에 증착하여, capacitor를 제작하고 물성을 조사하여, 배향된 기판에 의한 SBT 박막의 저온 결정화 기구를 살펴 보았다.
기존의 Pt/Ti 적극위에 증착된 SBT 박막의 경우, 우수한 전기적 특성에도 불구하고, 750℃ 이상의 고온에서 열처리를 해야 강유전체적 특성을 나타내는 SBT 박막 고유의 특성 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 이런 고온 결정화 문제를 해결하기 위해 Buffer layer 법이나 저압산소분위기 결정화법 등이 제안되어 왔다. 그중 같은 페로브스카이트 구조를 가지는 Buffer layer를 증착하여 저온에서 결정화 시키는 방법은 미국이나 일본 등에서 근래에 많이 연구되고 있는 방법이다.
이 논문에서 사용한 LSCO 는 비저항이 매우 낮아 전기적 특성이 우수하여 그 자체를 전극으로도 사용할 수 있기 때문에 PZT 박막에서 저온 결정화와 피로특성 개선을 위해 자주 제안되어온 물질이다. 특히 PZT박막의 결정화 온도를 약 100℃ 정도나 낮췄다는 보고도 되고 있다.
LSCO/$SiO_2$/Si 기판위에 SBT 박막을 증착하여 열처리 한경우 650℃ 정도의 매우 낮은 온도에서 결정화가 일어났다. Grain 의 성장도 충분히 일어났으며 열처리 온도가 올라가도 Grain 이 성장하지 않는 특성을 나타내었다. 이는 SBT 박막에 비해 작은 LSCO의 Grain 이 SBT 박막의 성장을 억제하기 때문으로 해석되었다. 그러나 충분한 결정화와 Grain 성장에도 불구하고 LSCO 위에 증착한 SBT 박막은 매우 leaky 한 모습과 broad 한P-E 곡선을 나타내었다. 이는 초기 증착시 LSCO 와 SBT 박막간의 계면 incompatibility 와 계면간 원자의 상호확산에 기인한 것으로 해석되었다.
위 문제점들의 해결을 위해 이 논문에서는 Pt 와 LSCO 의 hybrid구조의 전극을 제시하였다.
1) LSCO/Pt/Ti/$SiO_2$/Si 와 2) Pt/LSCO/$SiO_2$/Si 의 LSCO-Pt hybrid 의 전극을 구성하였다. 1)의경우 계면 incompatibility 를 해결하기 위해 LSCO 이 두께를 변화하려는 시도였다. 이 경우 LSCO 하부에 Pt 를 증착해 전극으로 사용하였다. LSCO 의 두께가 10㎚ 일때 가장 좋은 특성을 나타냈으며, 원래 LSCO 전극에서와 마찬가지로 650℃ 정도에서 충분히 결정화 되었다. 미세구조는 LSCO 위에 증착한 경우와 비슷한 모습을 보였다. 2)는 계면 incompatibility 과 계면간 원자의 상호확산을 제어하기 위해 얇은 5㎚ 정도의 Pt 를 LSCO 기판위에 증착했다. 이 경우엔 Pt 위에 SBT 박막을 증착했을때랑, LSCO위에 올린 경우의 중간정도의 온도인 700℃ 에서 결정화가 일어났으며, 앞서 나타난 문제점들이 대부분 해결되었다.
1), 2) 어느 경우나 누설전류, $P_r$등 전기적 특성의 향상을 보였으며, 특히 $10^{10}$까지 전혀 피로현상을 보이지 않았다. 이는 FRAM 용 전극으로써 LSCO-Pt hybrid 구조의 유용성을 보여주는 결과이며, 정체되어 있는 SBT 를 이용한 FRAM 연구에 새로운 방법으로 제시될 수 있다.
