Materials Research Society Meeting는 세계적으로 잘 알려져 있는 미국의 재료학회로서 매년 봄과 가을 2차례에 걸쳐 개최되며, 봄학회는 샌프란시스코에서 가을학회는 보스톤에서 번갈아 가며 열린다. MRS'98 fall meeting은 1998년 11월 29일부터 12월 4일까지의 기간에 걸쳐 열렸다. 필자는 미국재료학회에 언젠가는 한번 참석하고 싶다는 뜻을 가지고 있었는데, 이번에 처음으로 참석하게 되었다. 특히, 박사학위 과정 중에는 발표논문 초록을 제출하고도 경제적인 여건 때문에 논문 발표를 포기해야만 했던 아픔이 있었기에, 필자의 느낌은 남달랐다. 또한, 이번의 학회 참석도 국제통화기금(IMF) 체제에서 국가적으로 불필요한 해외출장을 최대한으로 억제하는 상황에서 이루어져, 비싼 등록비와 경비를 들여 국제학회에 참석하기란 그리 쉬운 것만은 아니었다.
이번 학회는 소재 및 소자 응용과 관련된 44개의 심포지움으로 나누어 구성되어, Marriott, Westin, Sheraton 호텔에서 진행되었다. 본 학회는 재료 분야의 광범위한 연구주제를 다루고 있으며 참가하는 인원도 매우 많기 때문에, 전체 규모 및 내용을 파악하는 것이 불가능하였다. 필자는 이번 학술회의에서 진행된 많은 심포지움 가운데, 본인의 연구와 관련된 강유전체 박막 심포지움에 주로 참석하였다. 국내의 경제적인 상황에도 불구하고 이 심포지움에는 국내 산업체와 대학 연구자들이 많이 참가하여, 국내의 강유전체 박막 연구에 대한 열기를 짐작할 수 있었다. 또한 현지에서 Post-Doc.으로 일하고 있는 국내 연구자들도 많이 만날 수 있었다.
강유전체 박막에 대한 연구는 고유전율을 이용한 DRAM 및 분극반전 특성을 이용한 FRAM (ferroelectric random access memory) 등의 기억소자로의 응용가능성이 대두되면서 1990년대 이후 활발히 진행되어 왔고, 이에 대한 국제학회도 많이 개최되고 있다. MRS 학회에서의 강유전체 박막에 대한 심포지움은 1990년 샌프란시스코 봄학회를 시작으로 1년 6개월마다 개최되어 왔으며, 올해는 7번째로 개최되는 심포지움이었다. 본 학회에서도 다른 강유전체 학회와 마찬가지로 강유전체 박막에 대한 기본적인 물리현상, 신소재의 개발, 박막의 제조방법, 소자의 응용 등에 대한 많은 연구결과들이 발표되었다.
학회가 시작하기 전날인 11월 28일에는 North Carolina 주립대학의 Kingon 교수와 Virginia Polytech의 Deau 교수가 강유전체 박막에 관한 tutorial을 하루 종일 진행하였다. 이들은 강유전체에 대한 역사적 배경 및 정의, 강유전체 박막의 성장 방법 및 기초물성, 특히 강유전체 기억 소자로의 응용에 있어서 나타나는 분극피로, imprint, 누설전류, 유전 완화 등과 같은 신뢰성 문제 및 원인을 설명할 수 있는 이론들을 소개하였으며, 초전소자, 압전소자 등과 같은 다른 소자로의 응용에 관한 세계적인 연구 동향에 대해서도 간단히 강의하였다. 일요일이었음에도 불구하고, 강연장은 많은 연구자들로 꽉 채워졌다.
강유전체 박막 심포지움 VII는 오전 8:30부터 오후 10:00까지 4일 동안 진행되었으며, DRAM 소자 응용 관련 (Ba,Sr)TiO3[BST] 박막, 집적화를 위한 전극 소재, FRAM 소자의 응용을 위한 Pb-계 및 Bi-계 층상구조의 강유전체 박막의 성장과 특성, 기초 물성, 기타 응용 분야 (초전소자, 광학소자, 압전소자) 순으로 4일 동안 많은 초청논문 및 연구논문들이 발표되었다. 필자는 강유전체 박막 분야를 다음의 네 분야로 나누어, 연구 내용들과 동향에 대하여 이 지면을 통하여 간단히 소개하고자 한다.
1. DRAM 소자에의 응용
1 Gbit급의 DRAM 소자를 개발하기 위하여 고유전율을 가진 BST 박막에 대한 연구가 전세계적으로 진행되고 있다. 본 학회에서도 BST 박막 성장, 누설전류 특성, resistance degradation, 유전완화 현상 및 유전특성의 변형력 효과, 결함의 효과, 미세구조 등에 관한 연구논문들이 발표되었다.
기억 소자의 성공적인 개발을 위해서는 강유전체 박막의 유전완화 현상이 기본적으로 이해하고, 유전완화를 제어할 수 있어야만 한다. 따라서 유전완화 현상에 대한 여러 가지 실험 결과와 Maxwell-Wagner 완화 모델, 공간 전하 모델, many-body interaction 모델 등의 다양한 이론들이 제시되었다.
또한, DRAM 소자의 작동 전압 범위 내에서 누설전류를 제어하는 것은 매우 중요한 일이다. BST 박막의 누설전류 특성을 설명하기 위하여, Fowler- Mordheim, Poole-Frenkle 터널링 및 Schottky 장벽 등의 기본 메카니즘들이 제시되었다. BST 박막의 경우, 누설전류는 전극과 박막 사이의 계면에 의해 제어될 수 있다고 결과와 박막의 양질여부는 Schottky 장벽에 영향을 줄 수 있다고 결과들도 발표되었다.
강유전체 DRAM의 failure 메카니즘 가운데 resistance degradation도 중요한 요인이다. 이러한 현상은 장시간 동안의 일정한 전기장과 온도 하에서 누설전류가 증가하는 것이며, 그 원인이 박막 내의 공간전하에 의한 것이라는 발표가 있었다.
BST 물질에서 나타나는 비선형적인 전기용량-전압 특성을 강유전체의 현상론적 이론으로 설명하려는 논문들이 있었다. 또한, BST 박막을 성장하기 위한 MOCVD법에 관해 소개되었으며, 전극층과 장벽층의 증착, 박막의 식각 (특히, reactive ion etching) 및 그에 따른 문제점 등에 관한 연구 결과들도 발표되었다.
2. FRAM 소자에의 응용
강유전체 박막을 이용한 FRAM의 응용에 관한 연구논문들이 많이 발표되었다. 이 session에서는 FRAM 소자로의 응용에 관한 연구동향과 기본원리, 기억 소자의 신뢰성과 관련된 분극피로 현상, 누설전류, imprint 등과 같은 문제점에 관한 연구 논문들이 발표되었다.
강유전체에서의 분극피로 현상은 분극반전 횟수가 증가함에 따라 분극량이 감소하고 항전기장이 증가하는 현상으로써, 박막 내에서의 결함 증가, 계면에서의 공간전하의 축적, domain pinning 등이 분극피로 현상의 원인으로 제시되었으며, 이러한 주장을 증명하기 위하여 많은 실험적 증거들이 제시되었다. 대표적인 Pb-계 강유전체인 PZT 박막에 대한 연구결과들이 많이 발표되었으며, Zr/Ti의 조성비, 도핑 원소, 박막의 제조 방법과 성장조건, 전극, 두께에 따른 강유전 및 유전 특성들이 소개되었다. PZT 박막의 경우, 분극피로 및 imprint의 원인을 박막 내의 산소빈자리와 같은 공간전하에 의한 것으로 설명하는 많은 실험적 결과들이 보고되었으나, 필자의 생각으로는 이러한 실험 결과만으로 그 원인을 설명하기에는 아직 충분하지 않았다. 또한, 전극물질은 PZT 박막의 분극피로에 큰 영향을 주며, 기존의 Pt 전극 대신 금속 산화물 전극을 사용함으로서 분극피로 현상을 개선할 수 있다는 실험적 결과들이 발표되었다. 그러나, 대부분의 경우 누설전류도 같이 증가하여 새로운 문제를 야기할 수 있다는 사실이 지적되었다.
최근 분극피로를 일으키지 않는 Bi-계 층상 구조의 강유전체 박막에 대한 기초연구와 응용연구에 대해 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 층상구조를 갖는 SrBi2Ta2O9 박막의 제조 방법과 강유전 특성에 관한 내용이 발표되었으며, 분극피로 현상이 개선된다는 결과들이 보고되었다. 그러나, 이 물질은 기억소자로 응용하기에는 잔류분극량이 작다는 단점을 가지고 있었다.
3. MEMS 및 압전소자로의 응용
MEMS와 압전소자로의 응용을 위한 압전 박막에 관한 연구논문들이 발표되었다. Microelectro-mechanical devices에 관한 전반적인 연구 동향과 함께, 강유전체 MEMS의 응용과 관련된 경쟁 기술, 기본적인 원리, 응용과 실용의 예, 압전 박막의 특성 측정 방법, 현재의 연구 동향 등이 소개되었다. 강유전체 박막형 MEMS는 강유전체의 우수한 압전 및 전기 왜곡(Electrostriction) 특성을 이용하여, 센서나 엑튜에이터, scanning force microscopy, 의료분야 응용(초음파 외과수술용 미세칼, 소형 모터) 등에 응용이 가능하며, PZT, Pb(Mn1/3Nb2/3)O3, relaxor-PbTiO3 등의 박막을 이용하여 MEMS 소자로 응용성에 관한 연구가 진행되고 있었다.
특히, 강유전성/압전성의 기초연구, 기존의 세라믹 소자를 박막 소자로의 대체 기술, 압전적 퇴화(aging), 압전 박막 제조기술, 소자의 제조 및 측정기술 등에 관한 기초연구가 진행 중에 있음을 짐작할 수 있었다. 필자의 생각으론 국내에서는 이 분야에 대한 연구는 아직 미흡한 상태이며, 앞으로 집중적인 연구의 필요성을 느꼈다.
4. 기타 응용 분야
강유전체 박막은 DRAM과 FRAM 기억소자 이외에도 다른 응용성을 많이 가지고 있다. 특히, 초전특성을 이용한 적외선-CCD와 적외선 센서, 전기-광학 효과를 이용한 광변조기, 반사기, 광산란 효과를 이용한 홀로그래피 메모리와 광샷터, 압전효과를 이용한 표면탄성파 소자(SAW)와 액튜에이터, 저항전이 현상을 이용한 서미스터 습도 센서 등에 응용될 수 있다. 이러한 센서 응용을 위한 강유전체 박막의 제조 및 기초물성에 대한 논문들도 많이 발표되었다.
또한, 산화물 (강유전체, 자성체, 및 초전도체) 전자소자와 관련된 joint session에서 10여편의 논문이 발표되어, 많은 연구자들의 주목을 끌었다. 최근 세계적으로 많은 주목을 끌고 있는 초거대자기저항 (colossal magnetoresistance) 효과를 보이는 망간산화물 박막의 성장과 특성, 이들로 이루어진 trilayer junction의 자기저항 특성, 초고주파 통신소자의 응용을 위한 강유전체 박막의 성장 및 초고주파 유전 특성, 그리고 고온초전도체에서 스핀 방향에 의존한 quasi-particle injection 소자 등에 관한 연구내용들이 발표되었다.
최근 거대 자기저항을 갖는 망간산화물에 희토류 금속 물질이 도핑되는 경우 강유전체 전계효과 트랜지스터의 채널 물질로 사용이 가능하다는 제안이 나오면서, 망간산화물/강유전체 이종구조(heterostructures)에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 이 session의 마지막으로 "Epitaxial magnetoresistive/ ferroelectric (LSMO/PZT) thin film heterostructures"에 관한 연구 논문이 주목을 끌었으며, 이러한 이종구조에서 강유전 특성과 자기저항 특성을 동시에 우수한 특성을 보이는 실험적 결과들이 보고되었다. 그러나 강유전체 층의 큰 누설전류와 망간산화물 층의 변형력에 의한 degrada -tion에 관한 문제점들이 많이 논의되었다. 앞으로 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다.
필자는 밀려오는 졸음을 호텔 로비의 의자에 짬짬히 해결해 가면서, 본인의 연구 분야와 관련된 강유전체 박막 심포지움에서 집중적으로 연구논문 발표를 들었다. 이 분야에 대한 세계 각국의 연구자들과 직접 접하면서 세계적인 연구 동향을 파악할 수 있는 좋은 기회가 되었다고 생각한다. 국내의 IMF 상황으로 심리적으로 위축된 상태에서 학회에 참석하였기 때문에 개최지 주변의 관광은 생각도 할 수 없었으며, 처음으로 대서양 바다를 본 것만으로 만족을 하고 귀국을 하였다.