고성능 유연 비휘발 메모리구현을 위한 무기물 강유전체 커패시터 = Inorganic ferroelectric capacitor for high performance flexible nonvolatile memory

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 건식 전사공정을 이용하여 플라스틱 기판 상에 PZT커패시터와 강유전체 메모리를 제작하고, 전기적 특성을 측정하였다. PZT커패시터의 상부전극으로 Pt(100㎚), 하부전극으로 Pt/Ti(80㎚/20㎚)를 사용하였다. 강유전재료인 PZT는 졸-겔 법을 이용하여 360㎚의 두께로 형성되었다. PZT박막은 Ti와 Zr의 비율이 7:3으로 우수한 분극 특성을 나타낼 수 있게 하였다. 분극 특성을 향상시키기 위해 650℃에서 30분간 열처리를 실시하였고, 포토리소그래피와 ICP-RIE를 이용한 건식 식각 공정을 통하여 PZT커패시터 패턴을 형성하였다. a-Si과 SiO2의 식각 선택비를 이용하여 희생층인 a-Si을 제거하고, PDMS스탬프와 열박리 테이프를 이용하여 플라스틱 기판으로 전사하였다. 플라스틱 기판은 하부전극 형성을 위해 Au/Cr이 증착되었다. 기판이 휘어질 때 발생하는 변형과, 기판으로부터의 박리를 방지하기 위한 보호층(SU-8)을 코팅하였고, 마지막으로 측정을 위한 전극이 형성되었다. 전사된 소자는 커패시턴스와 분극 이력곡선을 측정하였고, 기판이 휘어진 상태에서 분극 이력곡선을 측정하였다. 유사한 공정을 이용하여 강유전체 메모리를 제작하였다. PZT커패시터의 하부전극을 절연성인 Al2O3로 대체하고, 희생층 에칭을 통하여 기판으로부터 분리할 수 있게 하였다. PDMS 스탬프와 SU-8 접착층을 이용하여 플라스틱 기판위로 먼저 전사된 단결정 실리콘위로 전사되었다. 마지막으로 SU-8보호층을 코팅하고 소스와 드레인, 게이트 전극을 형성하였다.
소자들의 전기적 특성을 측정한 결과, 전사공정 후 7%의 커패시턴스 감소, 166%의 ΔV값의 증가가 있었다. 전사 과정 중 커패시턴스를 측정해 봄으로써 식각공정에서 소자 성능변화가 발생함을 확인할 수 있었다. ±2, 3, 4, 5V의 범위에서 분극 이력곡선을 측정한 결과 ±3V에서 약 1.2V의 항전계 전압과 약 17μC/㎠의 잔류 분극값을 보여주었다. 이는 전사 후에도 전사되기 이전의 소자특성을 잘 유지하고 있음 의미한다. 소자의 굽힘성은 곡률 반경 8㎜까지 굽히면서 분극 이력곡선을 측정함으로써 평가되었다. ±3V의 측정 조건에서 소자의 굽힘성을 측정한 결과 20% 이내의 잔류 분극값 변화를 보여주었다. 곡률 반경 8㎜에서 PZT에 가해지는 변형률은 이론적으로 계산했을 때 0.11%로써 0.12%의 이론적 파괴변형률 보다 낮으며, 이로 인하여 안정적으로 작동할 수 있었던 것으로 생각된다. 강유전체 메모리측정결과 게이트전압의 변화 방향에 따라 약 10V의 문턱전압의 차이를 보여주었다. ±10V의 게이트 전압 인가 후 채널 영역 저항은 약 7배 정도의 변화를 보였다.
본 연구에서 제작된 소자는 전사공정 이전에 재료가 가지고 있는 물성을 잘 유지하고 있음을 보여주었고, 기판이 휘어진 상태에서도 안정적으로 작동함을 확인하였다. 따라서 고성능의 유연 비휘발성 메모리에 적용이 가능할 것으로 생각된다. 또한 전사공정의 반복을 통하여 다층으로 구성된 소자구현이 가능하므로 소자의 집적화에 있어서도 장점을 가질 것으로 생각한다. 또한 강유전체 메모리를 제작하여 측정한 결과 트랜지스터형 강유전체 메모리의 가능성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This letter reports the fabrication of PbZrxTi1−xO3(PZT) thin-film capacitors on flexible plastic substrates. The PZT film was formed on a wafer using a sol–gel method and transferred to a thin plastic substrate using an elastomeric stamp. The PZT film on the plastic substrate showed a well-saturated hysteresis loop with a Pr of ∼17 μC/cm2 and a Vc of ∼1.2 V at a supplied voltage of 3 V, which are similar to those observed for PZT films on
rigid wafers, as well as stable operation under an 8㎜ bending radius. These characteristics suggest promising applications in flexible electronic systems.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구목적과 방법론 1
• 제2장 문헌조사 5
• 1. 강유전체의 일반적인 특성 5
• 2. Lead Zirconate Titanate(PZT)의 일반적인 특성 9
• 3. PZT박막의 전극 12
• 4. 강유전체 메모리(FeRAM) 14
• 제3장 실험방법 18
• 1. 희생층, 전극, PZT박막 형성 18
• 2. PZT커패시터의 형성과 전사 19
• 3. 트랜지스터형 강유전체 메모리 소자의 제작 22
• 4. 제작된 소자의 표면 및 전기적 특성 분석 24
• 제4장 실험결과 및 고찰 25
• 1. 유연성 PZT커패시터의 표면 분석 25
• 2. 유연성 PZT커패시터의 전기적 특성 27
• 3. 유연성 강유전체 메모리의 광학적 이미지와 전기적 특성 31
• 제5장 결론 34
• 제6장 참고문헌 36
• ABSTRACT 40