This study has two parts. First part is for upgrading of electrode material and deposition method in the mass production of the nonvolatile memory(FRAM). There are several deposition methods(sputtering, PLD, CVD). However, for large size deposition(larger than 3-inch wafer), the sputtering method is more suitable. In previously reported studies, almost LSCO thin film electrodes were deposited by PLD(Pulsed Laser Deposition) just for study. To improve the experimental method of LSCO thin film electrode for application, this study has been undergone.
Also, it is very important to get a lower resistivity than 500μΩcm for the application. To get a lower resistivity thin film, the stoichiometry of LSCO thin film is main key. So, in this study, I have tried to make a good stoichiometry $La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3(LSCO)$ electrode with a LSCO sputtering target having an excess Co or Sr. Also, it is very important to reduce the current density of capacitor because it has a large consumption of power. However, previously reported LSCO electrode capacitor has a high current density $(~10^{-3}A/cm^2 at 250kV/cm)$. One aspect of this study is to reduce the current density by upgrading the experimental process.
For the MEMS(micro electromechanical systems) application, a good buffer layer is need. Because general dielectric buffer layer has a low contact between the ferroelectric layer and electrode, a good lattice match buffer layer should be needed to increase the contact. This LSCO thin film, it is well matched as buffer layer. So, I tried to deposited LSCO with 5nm thickness on $Pt(111)/TiO_2/SiO_2/Si(100)$ and studied for the possibility as buffer layer.
Having this purpose in the LSCO thin film study, I have improved the good stoichiometric LSCO thin film electrode having a 300μΩcm on $SiO_2/Si(100)$ substrate using the rf sputtering method with 3inch sputtering target. In case of MgO substrate, I got a LSCO thin film having a near 100μΩcm. Also, using a 3inch sputtering target having 5% Co and 5% excess, I can make a good stoichiometric LSCO thin film. This stoichiometry of LSCO is the key to reduce the resistivity. For the current density of capacitor, it has a $5*10^{-5}A/㎠$ at 400kV/cm. It has been well improved compared to that of previously results. As a $La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3$ (LSCO) buffer layer, it is approved that the conductive perovskite LSCO thin film (about 5nm thick) which consist with fine grain (less than 20nm) is grown on the $Pt/TiO_2/SiO_2/Si$ substrate at relatively low temperature (450 ℃) by rf magnetron sputtering and shows an ohmic contact to the Pt bottom electrode.
In the second part, I have studied the $Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ (PYN) based complex perovskite solid solution. This antiferroelectric(AFE) PYN shows a large variation with substitution. This study is very important to investigate the effect of dielectric, piezoelectric, P-E hysteresis study with substitution for application.
The crystal structure and the dielectric properties of the antiferroelectric solid solution of $(1-x)Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ - $xPb(Mg_{1/2}W_{1/2})O_3 (PYN_{1-x}PMW_x)$ (0≤x≤0.50) have been studied. In the PYN-rich composition range (0≤x<0.28), the paraelectric(PE)-antiferroelectric(AFE) phase transition occurs sharply and is independent of the applied frequency. However, on increasing the PMW concentration (0.28
본 연구는 크게 두 부분으로 나뉜다. 첫째는 비휘발성 메모리 소자(FRAM)의 생산라인에서 사용되는 전극 물질과 이의 증착 방법을 개선한 내용이다. 증착 방법에는 여러 가지(sputtering, PLD, CVD등)가 있지만 대면적(3-inch 이상의 wafer)을 증착할 수 있는 방법은 스퍼터링 방법이 가장 적합하다. 그러나 기존의 연구에 있어서는 작은 사이즈(1-inch 크기)의 증착에 적합한 PLD 방법을 이용하여 연구용으로서만 연구가 진행되어왔다. 그러한 이유로 본 연구에서는 생산라인에서 산화물 전극 $LSCO(La_{0.5}Sr_{0.5}CoO_3)$ 를 실제 응용을 위한 특성을 가지는(비저항이 500μΩcm 이하) 전극으로 제조하기 위해 연구가 진행되었다.
LSCO박막에 대한 연구에서 첫째 목적은 조성이 잘 맞으며 실제 소자에 적용할 수 있는 특성을 가지는 LSCO박막을 제조하는 것이다. 이 연구의 진행은 La을 기준으로 Co와 Sr를 추가로 넣어서 제조한 sputtering target을 이용하여 이루어졌다. 소자의 작동에 있어서 전력소모를 줄이기 위해 누설전류의 밀도를 낮추는 것 또한 중요한 문제이다. 연구를 통해 첫번째 목적에 부합하여 조성이 비교적 잘 맞으면서 (La:Sr:Co=1:1.01:1.95) 누설 전류 밀도가 기존의 연구에서 발표된 $(~10^{-3}A/㎠ at 250kV/cm)$ 것 보다 매우 낮으며 $(high 10^{-6} ~ low 10^{-5}A/cm at 400kV/cm)$ 비저항 또한 300μΩcm 이하의 LSCO산화물 전극을 얻을 수 있었다.
둘째 목적은 MEMS(micro electromechanical systems) 응용을 위한 것으로 버퍼층으로써의 사용가능성에 대한 것이다. 기존의 연구에서는 Si wafer에 하부전극으로 Pt만을 사용하여 강유전 박막과의 접촉에 대한 문제가 야기되었는데, 이를 해결하기 위해 버퍼층의 사용을 시도한 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 LSCO를 버퍼층으로 사용하고자 하는데 있어서 가능성에 대한 연구이다. 버퍼층으로 사용하기 위해서는 Pt 전극 및 FE layer와 lattice mismatch가 적은 물질이면서 전도성을 띤 물질로서 같은 perovskite구조의 LSCO를 대표적으로 들 수 있다. 그러한 이유로 LSCO를 Pt위에 5nm로 증착하여 버퍼층으로 이를 연구하고자 하였다. 연구를 통해 5nm로 증착된 LSCO는 Pt와 ohmic 접촉을 하며 또한 비교적 낮은 값의 누설전류등을 보이며 버퍼층으로 적합한 가능성을 보였다.
본 연구의 두 번째 부분은 복합 페롭스카이트의 $PYN(PbYb_{0.5}Nb_{0.5}O_3)$ 을 기본으로 한 고용계에 대한 연구이다. 이는 PZT를 대체할 수 있는 강유전, 압전 물질에 대한 개발 연구이다. PYN은 반강유전상으로서 여기에 이종의 물질을 고용시킴으로써 강유전, 압전 특성을 향상시키며 또한 학문적으로는 주파수 의존특성을 보이는 relaxor에 대한 연구가 진행되었다. 이러한 이유로 $PYN-PMW(PbYb_{0.5}Nb_{0.5}O_3- PbMg_{0.5}W_{0.5}O_3)$, $PFN-PMW(PbFe_{0.5}Nb_{0.5}O_3-PbMg_{0.5}W_{0.5}O_3)$, $PYT-PST(PbYb_{0.5}Ta_{0.5}O_3- PbSc_{0.5}Ta_{0.5}O_3)$, $PYN-PSN(PbYb_{0.5}Nb_{0.5}O_3-PbSc_{0.5}Nb_{0.5}O_3)$ 등의 고용계에 대한 연구가 진행되었다. 특히 Sc를 37% 치환한 경우인 $PYN_{0.63}PSN_{0.37}$ 의 고용계에서 relaxor to normal AFE 의 특성을 보이고 이에 대한 학문적 접근을 하였다.
