Abstract
We have investigated Pt and $RuO_2$ as a bottom electrode for ferroelectric capacitor applications. The bottom electrodes were prepared by using an RF magnetron sputtering method. Some of the investigated parameters were a substrate temperature, gas flow rate, RF power for the film growth, and post annealing effect. The substrate temperature strongly influenced the surface morphology and resistivity of the bottom electrodes as well as the film crystallographic structure. XRD results on Pt films showed a mixed phase of (111) and (200) peak for the substrate temperature ranged from RT to $200^{\circ}C$, and a preferred (111) orientation for $300^{\circ}C$. From the XRD and AFM results, we recommend the substrate temperature of $300^{\circ}C$ and RF power 80W for the Pt bottom electrode growth. With the variation of an oxygen partial pressure from 0 to 50%, we learned that only Ru metal was grown with 0~5% of $O_2$ gas, mixed phase of Ru and $RuO_2$ for $O_ 2$ partial pressure between 10~40%, and a pure $RuO_2$ phase with $O_2$ partial pressure of 50%. This result indicates that a double layer of $RuO_2/Ru$ can be grown in a process with the modulation of gas flow rate. Double layer structure is expected to reduce the fatigue problem while keeping a low electrical resistivity. As post anneal temperature was increased from RT to $700^{\circ}C$, the resistivity of Pt and $RuO_2$ was decreased linearly. This paper presents the optimized process conditions of the bottom electrodes for memory device applications.
본 논문은 PZT 박막의 기억소자 응용을 위한 Pt 그리고 RuO2 박막을 조사하였다. 초고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 하부전극을 성장하였으며, 조사된 실험변수는 기판온도, 가스 부분압, RF 전력 그리고 후열처리 등이다. 기판온도는 Pt, $RuO_2$박막의 결정구조 뿐만 아니라 표면구조 및 비저항 성분에 크게 영향을 주었다. Pt 박막의 XRD 분석으로 기판온도가 상온에서 $200^{\circ}C$까지는 (111) 그리고 (200) 면이 혼재하는 결과를 보였으나 $300^{\circ}C$에서는 (111) 면으로 우선 방위 성장 특성을 보였다. XRD와 AFM 해석으로부터 Pt 박막 성장시 기판온도 $300^{\circ}C$, RF 전력 80W가 추천된다. 산소 분압비를 0~50%까지 가변하여 조사한 결과 산소가 5% 미만으로 공급되면 Ru 금속이 성장되고, 산소 분압비가 10 ~40%까지는 Ru와 $RuO_2$ 상이 공존하였으며 산소 분압비가 50%에서는 순수한 $RuO_2$상만이 검축되었다. 이 결과로부터 RuO2/Ru 이층 구조의 하부전극 형성이 산소 가스 부분압을 조절하여 한번의 공정으로 성장 가능하며, 이런 구조를 이용하면 금속의 낮은 비저항을 유지하면서도 PZT 박막의 산소 결핍에 의한 기억소자의 피로도 문제를 완화할 것으로 사료된다. 후 열처리 온도를 상온에서부터 $700^{\circ}C$까지 증가할 때 Pt와 $RuO_2$의 비저항 성분은 선형적 감소 추세를 보였다. 본 논문은 강유전체 기억소자 응용을 위한 최적화된 하부전극 제적조건을 제시한다.
