KR100247919B1 - Capacitor having ferroelectric film - Google Patents
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Abstract
강유전체막을 구비한 캐패시터가 개시된다. 이 캐패시터는, 실리콘 기판 위에 형성된 제1 완충층으로서의 YSZ층과, 상기 YSZ층 위에 형성되며, 상기 YSZ층과 같은 형석 구조인 제2 완충층으로서의 산화막과, 상기 산화막 위에 형성되며, 페로브스카이트 구조인 Y 계열 혹은 Bi 계열의 산화물 전도체로 이루어진 하부 전극과, 상기 하부 전극 위에 형성된 페로브스카이트계 강유전막, 및 상기 강유전체 박막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, YSZ막의 제1 완충층 이외에 상기 YSZ막과 같은 형성 구조인 산화막으로 제2 완충층을 도입함으로써, 산화물 전도체로 이루어진 하부 전극의 결정성을 높이게 되어, 강유전체막의 물성을 향상시킬 수 있다.A capacitor having a ferroelectric film is disclosed. The capacitor includes an YSZ layer as a first buffer layer formed on a silicon substrate, an oxide film as a second buffer layer formed on the YSZ layer and having the same fluorite structure as the YSZ layer, and formed on the oxide film, and having a perovskite structure. And a lower electrode formed of a Y-based or bi-based oxide conductor, a perovskite ferroelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the ferroelectric thin film. That is, by introducing the second buffer layer into the oxide film having the same structure as that of the YSZ film in addition to the first buffer layer of the YSZ film, the crystallinity of the lower electrode made of the oxide conductor can be increased, thereby improving the physical properties of the ferroelectric film.
Description
본 발명은 반도체 메모리장치에 관한 것으로, 특히 강유전체막을 구비한 캐패시터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor memory devices, and more particularly to a capacitor having a ferroelectric film.
반도체 산업의 급속한 성장을 이끌어온 디램(DRAM)은 높은 집적도와 빠른 동작속도를 가지는 장점이 있는 반면, 데이타(data)의 저장을 위해 계속적인 리플래쉬(reflash)가 요구되는 단점을 지니고 있다. 한편, 에스램(SRAM), 이이피롬(EEPROM), 플래쉬메모리(flash memory) 등은 리플래쉬가 필요없어 데이타의 저장면에서는 사용이 편리한 장점을 가지나, 동작전압이 높거나, 고집적이 어렵거나, 동작속도가 느리다는 단점을 가지고 있다.DRAM, which has led the rapid growth of the semiconductor industry, has the advantage of high density and fast operation speed, but has the disadvantage of requiring continuous refresh to store data. On the other hand, SRAM, EEPROM, flash memory, etc., do not need refreshing, and thus have the advantage of being easy to use in terms of data storage, but have high operating voltage, high integration difficulty, It has a disadvantage of slow operation speed.
이에 반해 PZT(PbZrTiO3)를 비롯한 강유전체를 이용한 에프램(FRAM)은 강유전성이라는 물질의 물리적특성을 이용하여 소자를 제조하게 되므로, 상기한 양쪽의 장점을 모두 살릴 수 있는 커다란 장점을 지니고 있다. 강유전성을 가지는 물질에 전압을 가하면 전기적으로 쌍극자(electric depole)들이 전계방향으로 배열(polarization)하고, 이러한 배열은 전압을 제거하여도 그대로 남아있게 되며, 이렇게 남아있는 분극을 데이타의 저장으로 이용하면 외부에서 인가되는 전압이 없이도 데이타의 저장이 가능하게 된다.On the contrary, the FRAM using ferroelectrics, including PZT (PbZrTiO 3 ), is manufactured using the physical properties of the material of ferroelectricity, and thus has a great advantage of utilizing both of the above advantages. When voltage is applied to a ferroelectric material, electrical depoles are electrically polarized in the electric field, and this arrangement remains intact even when the voltage is removed. The data can be stored without a voltage applied at.
현재까지 강유전체를 사용한 FRAM 소자에 관하여 많은 연구가 진행되어져 왔으며 반도체 기술 즉, 박막화 기술, 식각기술, 평가기술 등이 발전함에 따라 이를 이용한 FRAM의 개발이 가속화되고 있다.Until now, many researches have been conducted on FRAM devices using ferroelectrics, and development of FRAM using the same has been accelerated as semiconductor technologies, ie, thin film technology, etching technology, and evaluation technology, have been developed.
이러한 강유전체 물질중에서 높은 잔류분극(remanent ploarization)과 낮은 항전계(coerceive field)를 가지는 PZT 계열이 가장 많은 연구가 이루어지고 있으나, 이를 백금(Pt)과 같은 금속계전극과 사용하게 되면 읽기(read)/쓰기(wite)의 반복하에서 자발분극의 전하가 감소하는 피로현상이 발생한다. 이의 원인에 대하여는 아직 확실한 이론은 없지만 PZT 박막과 전극 사이에 형성되어진 계면에서의 결함들이 도메인(domain)의 움직임을 방해함으로써 발생되어진다고 생각되어지고 있으며 산화물 전도체를 전극으로 사용하면 해결될 수 있음이 알려져 있다.Among the ferroelectric materials, the PZT series with high residual ploarization and low coerceive field has been studied. However, when used with a metal electrode such as platinum (Pt), the read / Fatigue occurs when the charge of spontaneous polarization decreases under repeated wite. There is no clear theory on the cause of this, but it is thought that defects at the interface formed between the PZT thin film and the electrode are caused by disturbing the movement of the domain and can be solved by using an oxide conductor as the electrode. Known.
특히, 이러한 산화물 전도체중에서 PZT와 같은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 LaSrCuO(LSCO), YBCO(YBCO), BiSrCaCuO(BSCCO) 등을 전극으로 사용하게 되면 에피텍셜한 PZT박막을 얻을 수 있으며 이로인하여 강유전체의 특성이 극대화 되어 질 수 있다. 현재까지 알려진 바로는 이러한 페로브스카이트 산화물 전도체를 실리콘기판위에서 에피텍셜하게 성장시킬 수 있는 방법으로 페로브스카이트 재료와 원자구조가 잘 일치하면서 실리콘기판위에서 에피텍셜한 성장이 가능한 YSZ (Yttria-stabilized Zirconia)를 전극과 기판의 완충층으로 사용하면 가능하다고 보고 되어져 있고, 이러한 구조를 도 1에 도시하였다.In particular, when using LaSrCuO (LSCO), YBCO (YBCO), BiSrCaCuO (BSCCO) having a perovskite structure such as PZT among these oxide conductors, an epitaxial PZT thin film can be obtained. Due to this, the characteristics of the ferroelectric can be maximized. To date, it is known that such perovskite oxide conductors can be epitaxially grown on a silicon substrate, and YSZ (Yttria-) can be grown epitaxially on a silicon substrate while the atomic structure of the perovskite material is well matched. It is reported that stabilized Zirconia) can be used as a buffer layer of an electrode and a substrate, and this structure is shown in FIG.
도 1은 종래 YSZ 완충층을 구비한 캐패시터의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor having a conventional YSZ buffer layer.
도 1을 참조하면, 먼저 실리콘기판(100)위에 캐패시터의 하부전극과 상기 기판과의 완충층 역할을 수행하는 YSZ층(10)을 소정두께 형성하고, 이 완충층(10)위에 페로브스카이트 구조인 Y 계열 혹은 Bi 계열의 산화물 전도체(YBCO 혹은 BiSrCaCuO)를 에피텍셜하게 성장시켜 캐패시터의 하부전극(20)을 형성하며, 이 하부전극(20)위에 강유전체로 PZT 박막(30)을 형성한 후, 상부전극(40)으로 다시 페로브스카이트 구조의 산화물 전도체를 형성하여 캐패시터를 완성한다.Referring to FIG. 1, first, an YSZ layer 10 is formed on a silicon substrate 100 to serve as a buffer layer between a lower electrode of a capacitor and the substrate, and a perovskite structure is formed on the buffer layer 10. The Y- or Bi-based oxide conductor (YBCO or BiSrCaCuO) is epitaxially grown to form the lower electrode 20 of the capacitor, and the PZT thin film 30 is formed on the lower electrode 20 by ferroelectric. The electrode 40 again forms an oxide conductor having a perovskite structure to complete the capacitor.
이와같이, 종래에서 완충층으로 YSZ를 사용할 경우, 상기 YSZ층위에서 성장하는 페로브스카이트 산화물 전극재료는 그 결정구조의 차이로 인하여 몇가지의 인-플랜(in-plane) 성장방위가 가능하고, 그위에 성장한 강유전체 박막도 이러한 성장방위를 따라 증착되므로 결정립계를 형성하여 누설전류나 도메인의 움직임을 방해하게 된다. 다시말하면, YSZ는 형석(fluorite) 구조로서 이는 실리콘의 다이아몬드 구조와 매우 비슷하고 양이온과 음이온의 배열이 같은 (001)면을 가지고 있다. 또한, 이를 실리콘위에서 성장시킬 때 초기 실리콘 산화막의 제거없이도 에피텍셜하게 성장한다고 알려져있다. 실리콘, YSZ의 격자상수는 각각 5.431Å, 5.16Å(9 mol% yttria)로서 실리콘은 큐빅(cubic) 구조를 가지며 YBCO는 사방정형(orthorhombic) 구조로 a=3.82Å, b=3,89Å, c=11.68Å의 격자상수를 가진다. YSZ의 (001)면은 YBCO의 (001)면이 〈001〉을 축으로 하여 45°회전하였을 때 각 면내의 원자들이 가장 잘 일치하므로 이러한 성장거동을 가지게 되는데, 이때 격자상수의 차이로 인하여 발생하게 되는 격자불일치는 5.4%의 값을 가진다. 이런 격자들의 불일치는 성장하는 YBCO 박막내에 결함을 유발하게 되며, 격자불일치값이 작은 다른 방위의 성장이 가능하게 되어 YBCO 막막이 여러 방위를 가지며 성장하게 된다. 이러한 YBCO 전극내의 결함은 그대로 PZT 강유전체의 성장에 영향을 주게되며 이들 결함들로 인하여 도메인의 움직임이 제한되고 피로의 원인을 제공하게 되므로 강유전성을 감소시키게 된다.As described above, when YSZ is used as a buffer layer in the related art, the perovskite oxide electrode material grown on the YSZ layer is capable of several in-plane growth directions due to the difference in crystal structure thereof. Grown ferroelectric thin films are also deposited along these growth directions, thus forming grain boundaries, thus preventing leakage currents or domain movements. In other words, YSZ is a fluorite structure, which is very similar to the diamond structure of silicon and has the same (001) plane with the same arrangement of cations and anions. It is also known to grow epitaxially without removing the initial silicon oxide film when it is grown on silicon. The lattice constants of silicon and YSZ are 5.431Å and 5.16Å (9 mol% yttria), respectively, and silicon has cubic structure and YBCO has orthorhombic structure with a = 3.82Å, b = 3,89Å, c It has a lattice constant of = 11.68Å. The (001) plane of YSZ has this growth behavior because the atoms in each plane best match when the (001) plane of YBCO is rotated 45 ° around the axis of <001>, which occurs due to the difference in lattice constant. The lattice mismatch is about 5.4%. This mismatch of gratings causes defects in the growing YBCO thin film, and enables the growth of other orientations with small lattice mismatches, which causes the YBCO film to grow with various orientations. These defects in the YBCO electrode, as it affects the growth of the PZT ferroelectric as it is, because these defects limit the movement of the domain and provide a cause of fatigue, thereby reducing the ferroelectricity.
본 발명이 이루고자 하는 기술적과제는, 실리콘기판위에 에피텍셜한 PZT 계열의 강유전체를 증착함에 있어서 캐패시터의 하부전극으로 사용되는 산화물 전도체의 결정성을 높이기 위해 YSZ 이외의 또 다른 완충층을 더 구비한 캐패시터를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a capacitor further comprising another buffer layer other than YSZ to increase the crystallinity of the oxide conductor used as the lower electrode of the capacitor in depositing an epitaxial PZT series ferroelectric on a silicon substrate. To provide.
도 1은 종래 YSZ 완충층을 구비한 캐패시터의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor having a conventional YSZ buffer layer.
도 2는 본 발명에 따른 강유전체막을 구비한 캐패시터를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a capacitor having a ferroelectric film according to the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
100...실리콘기판 10...완충층 혹은 제1 완충층100 silicon substrate 10 buffer layer or first buffer layer
15 ...산화막 혹은 제2 완충층 20...하부전극15 ... oxide film or second buffer layer 20 ... lower electrode
30 ...강유전체막 40...상부전극30 ... ferroelectric film 40 ... upper electrode
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은, 실리콘 기판 위에 형성된 제1 완충층으로서의 YSZ층; 상기 YSZ층 위에 형성되며, 상기 YSZ층과 같은 형석 구조인 제2 완충층으로서의 산화막; 상기 산화막 위에 형성되며, 페로브스카이트 구조인 Y 계열 혹은 Bi 계열의 산화물 전도체로 이루어진 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 형성된 페로브스카이트계 강유전막; 및 상기 강유전체 박막 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, YSZ layer as a first buffer layer formed on a silicon substrate; An oxide film formed on the YSZ layer and serving as a second buffer layer having the same fluorite structure as the YSZ layer; A lower electrode formed on the oxide film and formed of a Y-based or Bi-based oxide conductor having a perovskite structure; A perovskite ferroelectric film formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the ferroelectric thin film.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 캐패시터를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a capacitor according to the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저 실리콘기판(100)위에 제1 완충층(10) 예컨대 SrOx, 혹은 SrTiO3, 혹은 YSZ를 소정두께 형성하고, 이 제1 완충층(10)위에 제2 완충층으로 산화막(15) 예컨대 CeO2, 혹은 CoSi2, 혹은 PrO2, 혹은 SrTiO3, 혹은 LaAlO3, 혹은 LaGaO3, 혹은 BaTiO3, 혹은 Al2O3, 혹은 MgO 등을 소정두께 형성한다.Referring to FIG. 2, first, a first buffer layer 10, for example, SrO x , SrTiO 3 , or YSZ, is formed on a silicon substrate 100, and an oxide film 15 is formed as a second buffer layer on the first buffer layer 10. ) to form, for example CeO 2, or CoSi 2, or PrO 2, or SrTiO 3, or LaAlO 3, LaGaO 3 or, or BaTiO 3, or Al 2 O 3, or a predetermined thickness of the MgO or the like.
상기 제1 완충층 위에 CeO2막과 같은 제2 완충층을 도입함으로써, 캐패시터의 하부전극으로 사용되는 YBCO 산화물 전도체의 결정성이 높아지고, 이 산화물 전도체위에 성장되는 PZT의 물성을 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 격자상수값이 5.411Å이며 YSZ와 같은 형석 구조인 CeO2막을 YBCO 산화물 전도체와 YSZ 사이에 증착하여 주면, YBCO와 CeO2의 격자불일치가 1% 이하로서 격자불일치값이 매우 적어지게 되므로 결함이 거의 없는 양질의 에피텍셜한 PZT를 얻을 수 있다. 또한, 상기 CeO2막 등은 YSZ에 비해 고온에서 매우 안정한 재료이고, 화학적으로도 안정하므로 강유전체내의 Pb이나 전극물질 또는 산소의 확산방지층의 역할로도 매우 우수하다. 다음에, 이 산화막(15)위에 페로브스카이트 구조인 Y 계열 혹은 Bi 계열의 산화물 전도체 예컨대 YBCO, 혹은 LSCO, 혹은 BiSr(Ca)CuO, 혹은 TlBa(Ca)CuO, 혹은 SrRuO3, 혹은 CaRuO3를 에피텍셜하게 성장시켜 캐패시터의 하부전극(20)을 형성하며, 이 하부전극(20)위에 강유전체막(30)으로 페로브스카이트계 강유전체 박막이나 비등방성 페로브스카이트 강유전체 박막을 형성한 후, 상부전극(40)으로 다시 페로브스카이트 구조인 산화물 전도체 혹은 Pt 등의 귀금속계열의 금속을 형성하여 캐패시터를 완성한다.By introducing a second buffer layer such as a CeO 2 film on the first buffer layer, the crystallinity of the YBCO oxide conductor used as the lower electrode of the capacitor is increased, and the physical properties of the PZT grown on the oxide conductor can be improved. In other words, when a CeO 2 film having a lattice constant of 5.411 Å and a fluorite structure such as YSZ is deposited between YBCO oxide conductor and YSZ, lattice mismatch of YBCO and CeO 2 is less than 1% and the lattice mismatch becomes very small. This rare, high quality epitaxial PZT can be obtained. In addition, the CeO 2 film is a very stable material at a high temperature compared with YSZ, and is also chemically stable, and thus is excellent in the role of the diffusion barrier layer of Pb, electrode material or oxygen in the ferroelectric. Next, the page on the oxide film 15. perovskite structure of Y x or the Bi-based oxide conductor for example, YBCO, or LSCO, or BiSr (Ca) CuO, or TlBa (Ca) CuO, or SrRuO 3, or CaRuO 3 Is epitaxially grown to form the lower electrode 20 of the capacitor, and a perovskite ferroelectric thin film or an anisotropic perovskite ferroelectric thin film is formed on the lower electrode 20 with the ferroelectric film 30. The capacitor is completed by forming a metal of a noble metal series such as oxide conductor or Pt having a perovskite structure as the upper electrode 40 again.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by one of ordinary skill in the art within the technical idea of the present invention.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 강유전체막을 구비한 캐패시터에 의하면, 실리콘기판위에서 에피텍셜한 PZT 계열의 강유전체를 증착함에 있어서 YSZ 이외에 CeO2막 등과 같은 산화막을 또다른 완충층으로 도입함으로써, 캐패시터의 하부전극으로 사용되는 YBCO 산화물 전도체의 결정성이 높아지고, 이 산화물 전도체위에 성장되는 PZT의 물성을 향상시킬 수 있으며, 강유전체내의 Pb이나 전극물질 또는 산소의 실리콘기판으로의 확산을 효과적으로 방지할 수 있다.As described above, according to the capacitor having a ferroelectric film according to the present invention, in the deposition of an epitaxial PZT-based ferroelectric on a silicon substrate, an oxide film such as a CeO 2 film, etc., in addition to YSZ is introduced into another buffer layer, thereby providing a lower electrode of the capacitor. The crystallinity of the YBCO oxide conductor used in this step can be improved, and the physical properties of PZT grown on the oxide conductor can be improved, and diffusion of Pb, electrode material, or oxygen into the silicon substrate can be effectively prevented.
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