The bit formation using atomic force microscopy (AFM) was studied on 270 nm thick ＜111＞ preferentially oriented $Pb(Zr_{0.4}Ti_{0.6})O_3$ (PZT) films prepared by sol-gel process. To minimize the cantilever-sample capacitive force interaction, the experiment was carried out at or near the sample edge. Bit formation was investigated by calculating the electric field in AFM-tip/PZT film/bottom electrode configuration. It was found both experimentally and theoretically that the bit size is linearly dependent on the pulse voltage and the logarithmic value of the pulse width. The linear dependence of the bit size on the logarithmic value of pulse width was explained from the relationship between the switching time and electric field. It was found that the minimum bit size of a fully penetrating domain equals the film thickness in our film.
The retention loss characteristics of polarized nano-size domains were measured on 150 nm thick ＜111＞ preferentially oriented $Pb(Zr_{0.4}Ti_{0.6})O_3$ (PZT) films grown by chemical solution deposition. The experiment was performed with high-aspect ratio tip for minimization of cantilever-sample capacitive force interaction. In order to examine the dependence of retention loss characteristics on domain structure, three different pulses (1, 3 and 5 ms pulse widths) were applied to form three kinds of domain configurations (ring, egg and dot structure). The sample was heat-treated at six temperatures (100, 130, 160, 190, 220 and 250℃) for a constant period (30 min.) and rapidly cooled down to room temperature before the measurement. The retention loss phenomena of the bit arrays were characterized by measuring the number, dimension, areal color density and average amplitude change of the remaining data bits. The areal color density change was explained from the relationship between the thermodynamics and kinetics. In addition, the average amplitude change was understood from the relationship between the portion of domain boundary and amplitude. It was found that the ring structured domains, which represent fully penetrating domains in thickness direction, were more stable than non-penetrating egg and dot structured ones.
본 논문에서는 원자력 현미경(AFM)을 이용하여 강유전체 박막에서 도메인들의 분극반전에 관한 연구를 하고자 했다. 본 논문에서는 크게 강유전체 도메인 크기의 최소화와 나노 크기 도메인의 안정성에 관한 연구를 하였다.
최근 원자력 현미경을 이용하여 도메인을 쓰고 읽음으로써 각 도메인을 기본 단위로 하는 초고집적 메모리 소자가 제안되었다. 50 nm 이하 크기의 도메인들을 다루는 기술의 확립은 제곱 센티미터당 수십 Gigabit 이상의 높은 집적 도를 갖는 소자를 개발할 수 있다는 의미에서 향후 컴퓨터 및 정보 통신 산업에 중요한 핵심 기술로 부각될 것으로 예상된다.
따라서 본 연구에서는 이 소자의 메모리 용량 증가와 관련 있는 강유전체 도메인 크기의 최소화에 관한 연구를 수행했다. 또한 나노 미터 크기의 도메인들을 정렬시키고 이들의 시간에 따른 안정성을 나타내는 척도인 리텐션 손실을 연구했다.
본 논문에서는 정렬시킬 도메인과 반대방향의 도메인을 그 주위에 먼저 형성시켜주는 역 분극(back poling) 처리를 하였고 또한 cantilever와 하분 전극간의 상호작용의 최소화를 위해 종횡비가 큰 탐침(high-aspect ratio tip)을 사용하거나 시편의 가(edge)에서 도메인 읽기/쓰기와 안정성에 관한 연구를 수행하였다.
도메인 크기 최소화에 관한 연구는 270 nm 두께의 sol-gel PZT박막에서 이루어졌다. 또한 AFM 탐침(tip)을 통해 전장을 가했을 때 두께 방향으로의 전장분포를 계산하고 모사하였다. 그리고 정렬된 도메인 크기가 가하는 전장 펄스와 폭에 의해 조절되는 양상을 관찰하였다. 정량적인 분석을 위해 계산된 전장분포로부터 도메인 크기를 수평 수직 방향으로 나누어 예측하는 연구를 수행하여 인위적으로 형성된 도메인들을 분석하였다. 그 결과로 도메인 크기는 가하는 펄스크기와 펄스 폭의 로그 값에 선형적으로 의존함을 알았다. 또한 주어진 박막 하에서 최소의 크기를 가지면서 안정한 구조(ring structure)를 가지는 도메인 크기는 박막의 두께와 유사함을 알았다. 따라서 박막의 두께는 얻고자 하는 도메인 크기와 같거나 얇아야 한다.
다음으로 도메인 안정성에 관한 연구는 화학용액 증착법(chemical solution deposition)으로 만들어진 150 nm 두께의 PZT에서 이루어졌다. 3가지 구조(ring, egg, dot)를 가지는 나노 미터 크기의 도메인들을 형성시키고 이를 100, 130, 160, 190, 220, 250℃ 에서 일정시간 열처리한 후 상온으로 냉각시켜 그 결과로 상온에서의 안정성을 보았다. 본 연구에서는 히터로부터 오는 열적 잡음(thermal noise)의 방해를 받지 않기 위해 열처리 과정과 측정과정을 분리하였다. 따라서 같은 자리를 찾기 위한 위치 표시(position marker)로서 스크린에 직접 탐침의 위치를 펜으로 표시하고 특정한 입계 모양을 순차적으로 찾아가는 방법을 취하였다. 열처리 후 크기 분석이 가능하게 살아남은 도메인 수와 도메인 크기변화, 그리고 온도변화에 따른 도메인 분극현상의 변화를 보는 연구를 수행하였다. 본 실험의 결과 도메인들의 구조가 리텐션 현상에 중요한 영향을 보임을 알았다. 즉 박막의 두께방향으로 관통한 도메인(Amplitude에서 Ring구조를 보이는 도메인)들이 다른 구조(Egg 구조나 Dot 구조)를 가지는 도메인들에 비해 우수한 안정성을 보였다. 또한 온도에 따른 도메인 분극현상변화를 관찰한 결과, 어떤 임계온도를 기점으로 상부에서 하부로 향하는 분극의 양은 감소에서 증가로, 평균 amplitude값은 증가에서 감소로 변했다. 이러한 변화 현상은 열역학과 속도론적 고찰과 온도에 따른 도메인 경계(boundary) 양의 변화를 이해함으로써 해석되었다.
