Effects of Oxygen Vacancies on the Electrical Properties of High-Dielectric (Ba,Sr)TiO$_3$Thin Films

산소 결핍이 고유전 BST 박막에 미치는 영향

The electrical properties of rf-magnetron sputtered $Ba_{0.5}Sr_{0.3}TiO_3$ (BST) capacitors were investigated by varying annealing temperature and atmosphere of the rapid thermal annealing (RTA). The electrical properties of Pt/BST/Pt capacitors were found to strongly depend on the RTA condition. It seems that the dependence of the electrical properties of the Pt/BST/Pt capacitors on the RTA condition is related to the oxygen vacancies in BST thin films. In order to clarify the relation between the oxygen vacancies and the electrical properties of Pt/BST/Pt capacitors, we have examined the two different annealing methods. One annealing method was performed in $O_2$ gas and the other was done in $O_2$-plasma at the same condition of 450$^{\circ}C$, 20 mtorr. It was found that the leakage current densities of $O_2$-plasma annealed capacitor were much lower than those of $O_2$ annealed capacitor. The dielectric constants of $O_2$ annealed capacitor decreased about 14% comparing with those of as-deposited. In contrast, there was no decrease in the dielectric constant of $O_2$-plasma annealed. These results indicate that $O_2$-plasma annealing is very effective in compensation the oxygen vacancies in BST thin films. It can be also concluded that the oxygen vacancies greatly affect the electrical properties of Pt/BST/Pt capacitors.

본 연구에서는 급속 열처리 온도와 분위기를 변화 시키면서 Pt/BST/Pt 커패시터의 전기적 특성 변화를 알아보고, 특성 개선에 대한 체계적인 원인을 분석하였다. 급속 열처리의 온도와 분위기에 따른 Pt/BST/Pt 커패시터의 전기적 특성 변화는 BST 박막 내의 산소 결핍과 관련이 있는 것으로 보인다. 이러한 사실을 확인하기 위하여 450℃, 20mttorr에서 산소와 산소 플라즈마 분위기에서 각각 열처리를 수행한 후 전기적 특성을 비교하였다. 산소 플라즈마에서 열처리를 수행한 BST 커패시터의 누설전류 전류밀도가 단순히 산소 분위기에서 열처리 한 시편과 비교하여 훨씬 낮았다. 또한, 산소 분위기에서 열처리를 수행한 BST 커패시터의 유전율이 약14%정도 감소한 반면, 산소 플라즈마에서 열처리를 수행한 유전율은 거의 감소가 없었다. 위의 결과는 반응성이 강한 산소 원자를 많이 포함하고 있는 산소 플라즈마가 산소 결핍을 보상하는데 있어서 매우 효과적임을 시사하고 있다. 결과적으로, BST박막 내의 산소 결핍이 BST커패시터의 누설전류 밀도와 유전율에 큰 영향을 미치고 있음을 추정할 수 있다. 그리고, 산소 플라즈마에서 열처리를 수행함으로써 유전율의 감소 없이 누설전류 밀도가 크게 개선된 BST커패시터를 얻을 수 있었다.