일반기술

PZT 박막 캐패시티의 비대칭적 성질

-최근에 이르러 강유전체가 갖고 있는 높은 잔류 분극과 높은 유전률과 같은 고유한 특성으로 인해 비휘발성 기억소자나 DRAM과 같은 기억소자로의 응용에 큰 주목을 끌고 있다. 이러한 비휘발성 기억소자는 DRAM의 특성인 빠른 동작속도와 데이터 입출력의 용이성 위에 강유전체의 비휘발성(bistable state)이 추가된 특성이 있으며 휘발성 기억소자에서는 강유전체에 고유한 높은 유전률을 이용하여 기존의 DRAM의 고집적화의 한계를 극복하려는 것이다. 비휘발성 기억소자로의 실현에 강유전체박막의 신뢰성 즉 fatigue, retention, imprint 등이 가장 중요한 문제로 부각되었다. 이중 최근에 이르러 주목을 받고있는 imprint란 강유전체 박막캐패시터의 성질 즉 전기신호에 따른 분극상태의 변화가 비대칭성을 띠게되고 이와 같은 강유전체 캐패시터를 포함하는 단위기억소자가 테이타의 입출력과정에서 오동작을 발생하게되는 것을 말한다. 본 연구는 비휘발성 강유전체 기억소자의 실현에 가장 중요한 신뢰성 문제로 부각된 imprint failure를 일으키는 강유전체의 비대칭성의 원인을 이해하기 위해서 pulsed laser deposition 방법으로 La(Sr)CoO3/Pb(ZrTi)O3/La(Sr)CoO3 복합구조를 성장시켰다. PZT 박막캐패시터의 전극이 모두 같은 조성일 때, 즉 (La0.5Sr0.5)CoO3 (LSCO)일 때 PZT 박막의 이력곡선은 대칭성을 보여준다. 그러나 산화물전극의 조성이 변할 때 PZT 박막캐패시터에서 비대칭성을 발견했다. 즉 LaCoO3 (LCO)를 상층전극, LSCO를 하층 전극으로 사용하였을 때 이력곡선은 음의 방향으로 분극된 상태가 불안정하여 음의 잔류 분극의 완화현상을 보여준다. 반면 상층전극이 LSCO, 하층전극이 LCO인 PZT 박막캐패시터는 양의 방향의 분극 상태가 불안정하여 양의 잔류 분극이 완화현상을 보여준다. 두 경우 모두 비대칭성으로 인한 imprint failure를 발견했으며 이것으로 전극물질과 imprint failure가 아주 밀접한 상관관계가 있음을 알 수 있다. 이러한 전극 구조에 의존한 분극상태의 비대칭적인 거동의 원인은 PZT 층의 내부전계의 형성 때문이며, 내부전계는 LCO/PZT와 LSCO/PZT 계면에서의 전압강하 차이 때문에 발생함을 알 수 있었다. 이러한 비대칭적인 전기적 접촉은 상층과 하층 전극의 일함수 차이에 의한 전자밴드구조의 비대칭적인 변형의 결과로 결론 내릴 수 있었다.