KR100382149B1 - 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법 - Google Patents

스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자층 증착 장비를 이용하여 형성한 스트론튬 탄탈륨 산화막의 형성 방법과 그 응용에 관한 것으로, 원자층 증착법에 플라즈마를 이용해서 증착한 스트론튬 탄탈륨 산화막은 누설 전류가 매우 낮고 유전 상수가 열처리 조건에 따라 30~100 특성을 갖는데, 이 박막을 이용하여 금속막/강유전체막/절연막/실리콘 구조로 형성되는 NDRO형 강유전체 메모리 소자의 절연막, 실리콘 산화막을 대신하는 게이트 산화막, 전계 발광 디스플레이 소자의 절연막 등에 사용되는 구조를 구현한다.

Description

스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법 {Formation method for Sr-Ta-O thin films}
본 발명은 유전체/절연체 산화막 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막의 제조 방법에 관한 것이다.
유전체/절연체 산화막은 다양한 응용 분야를 갖고 있는데, 금속막/강유전체막/절연막/실리콘 구조로 형성되는 NDRO(Non-Destructive Read-Out)형 강유전체 메모리 소자의 절연막, 실리콘 산화막을 대신하는 게이트 산화막, 전계 발광 디스플레이 소자의 절연막 등에 사용된다.
강유전체 반도체 소자에서, 강유전체(Ferroelectric) 재료를 커패시터에 사용함으로써 기존 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자에서 필요한 리프레쉬(Refresh)의 한계를 극복하고 대용량의 메모리를 이용할 수 있는 소자의 개발이 진행되어 왔다. 강유전체 메모리 소자는 불휘발성 메모리 소자의 일종으로 전원이 끊어진 상태에서도 저장 정보를 기억하는 장점이 있을 뿐만 아니라 동작 속도도 기존의 DRAM에 필적하여 차세대 기억소자로 각광받고 있다. 강유전체는 상온에서 유전 상수가 수백에서 수천에 이르며 두 개의 안정한 잔류 분극(Remnant Polarization) 상태를 갖는다. 따라서, 가해주는 전기장의 방향으로 분극의 방향을 조절하여 신호를 입력하고 전기장을 제거하였을 때, 남아 있는 잔류 분극의 방향에 의해 디지털 신호 1과 0을 저장할 수 있다.
현재까지 강유전체 커패시터에 사용되는 유전막으로는 주로 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3), SBT(SrxBiyTa2O9) 등이 이용된다. 각 재료의 주요한 특성을 살펴보면, PZT 막은 우수한 강유전 특성과 고집적 소자 제조에 필수적인 저온 공정이 가능하다는 장점을 갖고 있으나, 피로 현상이 나타나므로 한정된 산화물 전극을 이용하여야 하고, 누설 전류가 크다는 단점이 있다. PZT와 달리 SBT계는 피로 현상이 없으므로 금속 전극 상에서도 우수한 특성을 갖고 있어 현재 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
강유전체 메모리 소자에 이용되는 중간 절연막은 다음과 같은 주요 특성을 가져야 한다. 첫째, 유전 상수가 높을수록 유리하고, 둘째, 낮은 누설 전류 특성을 갖고 있어야 하고, 셋째, 강유전체나 실리콘 계면과 반응이 일어나지 않아야 한다. 실리콘 산화막을 대신하는 게이트 산화막과 전계 발광 디스플레이 소자의 절연막도 마찬가지로 높은 유전 상수와 낮은 누설 전류 특성이 필수적이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 상대적으로 높은 유전 상수와 낮은 누설 전류를 가지는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막을 저온에서 형성하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화막을 형성하기 위한 장비의 전체 구성을 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화막의 제조 방법 및 유량도를 간략하게 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화막 형성을 위한 증착 변수를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 패터닝된 실리콘 기판위에 증착된 스트론튬 탄탈륨 산화막의 사진을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 Sr-Ta-O 박막의 열처리 온도에 따른 유전 상수 특성을 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 Sr-Ta-O 박막의 열처리 온도에 따른 누설 전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 소자를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 ※
110 : 반응 가스 - 산소(Reactant gas - Oxygen)
111 : 아르곤 가스(Argon Gas)
112 : 가스 유량 조절기(MFC : Mass Flow Controller)
113 : 가스 라인(Gas Line)
114 : 밸브(Valve)
115 : 플라즈마 발생 장치(RF Generator)
116 : 소스통(Source Reservoir)
117 : 마이크로 펌프(Micropump)
118 : 기체 변환기(Vaporizer)
119 : 반응 체임버(Reaction Chamber)
120 : 히터(Heater)
121 : 펌프(Pump)
122 : 스트론튬 탄탈륨 산화막(Sr-Ta-O Films)
123 : 기판(Substrate)
124 : 소오스 / 드레인(Source / Drain)
125 : 강유전체 박막(Ferroelectric Thin Films)
126 : 상부 전극(Top Electrode)
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 패터닝된 기판의 표면에 스트론튬(Sr) 탄탈륨(Ta) 산화물 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 기판을 반응 체임버(Chamber) 속에 배치하여 가열하는 단계; 스트론튬 탄탈륨 에톡사이드(Strontium Tantalum Ethoxide)를 함유하는 소스를 캐리어 가스에 의하여 상기 반응 체임버 속으로 유입시키는 단계; 상기 캐리어 가스 속에 기화된 소스를 퍼지 가스에 의하여 상기 반응 체임버 외부로 불어내는 단계; 상기 반응 체임버 속에 산소를 유입시켜 플라즈마화하는 단계; 및 상기 산소 플라즈마를 퍼지 가스에 의하여 상기 반응 체임버 외부로 불어내는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법이 제공된다.
본 발명은 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막(이하 Sr-Ta-O 박막이라 함)의 형성 방법을 제공하고, 형성된 박막을 사용하는 소자 구조를 제시하는데 특징이 있다. 본 발명은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)법을 이용하여 Sr-Ta-O 박막을 형성하여, 강유전체 메모리 소자인 NDRO(Non-Destructive Read-Out)형 구조의 절연막에 사용하는 구조, 실리콘 산화막을 대신하는 게이트 산화막에 사용하는 트랜지스터 구조 및 전계 발광 디스플레이 소자의 절연막에 사용하는 구조를 구현한다. 상기 스트론튬 탄탈륨 산화막계 유전체막에서 Sr과 Ta의 조성비 Sr/Ta는 0.45 에서 0.60까지의 범위가 되도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화막을 형성하기 위한 장비의 전체 구성을 나타낸 구성도로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
Sr-Ta 소스(Strontium Tantalum Ethoxide)를 저장하고 있는 소스통(116)과 소스를 조절하는 마이크로 펌프(117), 기체 변환기(Vaporizer, 118)로 구성되어 있는 소스 전달 부분이 있다. 또한, 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 발생기(115)와 히터(120)로 가열되는 기판으로 구성되는 반응 체임버(119) 부분이 있고, 아르곤 가스(111)와 반응 가스인 산소 가스(110)는 가스 유량 조절기(112)와 밸브(114) 등의 조작을 통해 상기 반응 체임버(119)로 들어간다. 상기 소스통(116)에 있는 Sr-Ta 소스는 상기 아르곤 가스(111) 압력에 의해 상기 마이크로 펌프(117)로 전달되고, 상기 마이크로 펌프(117)에 의해 조절된 액체 소스는 온도가 160~180 도로 유지된 상기 기체 변환기(118)에서 기체로 변환된 소스가 상기 반응 체임버(119)로 유입되어 기판(23)에 증착된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화막의 제조 방법 및 유량도를 간략하게 도시한 도면으로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
시간에 따라 처음에는 Sr-Ta 소스가 체임버로 유입되면, 체임버 내부에 존재하는 기판상에 Sr-Ta 층이 증착이 된다. 다음에는 상기 증착된 Sr-Ta 층을 보다 더 균일하게 하고, Sr-Ta 단일층만을 형성하기 위하여 퍼지 가스인 아르곤(Ar)이 들어간다.
이어서, 스트론튬 탄탈륨 산화물 상 형성을 위하여 반응 가스인 산소가 체임버에 유입되어 플라즈마가 발생되면서, 기판상에 증착된 Sr-Ta 소스가 Sr-Ta-O 막으로 변환된다. 그리고, 반응 가스를 체임버에서 제거하여 기상 반응이 일어나지 않게 다시 퍼지 가스인 아르곤 가스를 체임버로 보낸다. 이렇게 사이클을 구성하여 Sr-Ta-O 박막을 한층씩 증착한다. 반응 가스가 들어가는 부분에서 플라즈마를 발생시키는 이유는 일반적으로 플라즈마를 발생시켜 증착시키면, 상형성을 일으키는 기판 온도를 낮출 수 있고, 형성된 박막에 탄소 등의 불순물이 포함되지 않아 우수한 특성을 보인다. 원자층 증착법이 가능한 기판 온도는 일반적으로 낮기 때문에 이러한 문제점들이 발생할 수 있지만 위의 방법으로 문제점을 해결할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 Sr/Ta 소스의 조성비를 0.45에서 0.60까지의 범위에서 실험을 한 결과 한층 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 상기 체임버 내부의 온도는 200에서 300도 범위, 압력은 0.5에서 1.5토르로 하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화막 형성을 위한 증착 변수를 나타낸 도면으로서, 각각의 가스양과 공정 압력 등이 나타나 있다.
기체 변환기의 온도는 약 155 ~ 165 도로 고정시키고, 가스 라인 온도는 160 ~ 180 도이다. 기판 온도는 원자층 증착법이 가능한 부분인 200 ~ 300 도로 고정시켰다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 패터닝된 실리콘 기판위에 증착된 스트론튬 탄탈륨 산화막의 사진을 나타낸 도면으로서, 위에서 설명한 방법으로 Sr-Ta-O 박막을 형성한 결과를 보여주는 도면이다.
사용한 기판은 실리콘 상에 실리콘 산화막을 형성하여 패터닝을 한 기판이다. 도 4에서 보는 것처럼, Sr-Ta-O 박막이 균일하게 증착되어 있다. 단차 피복도가 거의 100%인 우수한 특성을 보인다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 Sr-Ta-O 박막의 열처리 온도에 따른 유전 상수 특성을 보여주는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 Sr-Ta-O 박막의 열처리 온도에 따른 누설 전류 특성을 보여주는 그래프로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 열처리 온도가 500도에서 800도로 변화시킴에 따라, 유전 상수가 약 30에서 100으로 변화되는 특성을 보여주고 있고, 도 6에 도시되어 있듯이, 누설 전류 특성도 열처리 온도를 600도에서 700도로 변화시킨 시편에서 아주 우수한 특성을 보이고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 소자를 개략적으로 나타낸 횡단면도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막을 이용하는 예를 보여주고 있다.
도 7은 강유전체 메모리 소자의 기본 개략도 인데, 강유전체 소자의 단면도로서, 강유전체 메모리 소자 제조 공정에서 실리콘 기판(123)상에 형성된 Sr-Ta-O 박막(122), 그 위에 형성된 강유전체 박막(125) 및 상부 전극(126)으로 이루어지는 강유전체 메모리 소자를 보이고 있다. 뿐만 아니라, 강유전체 박막이 증착되지 않은 경우는 일반적인 트랜지스터 구조(상부전극(126)/Sr-Ta-O박막(122)/실리콘 기판(123))가 되고 Sr-Ta-O 박막이 게이트 산화막(122)이 되어 기존에 사용되고 있는 실리콘 산화막을 대체하는 형태가 된다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술 사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 상대적으로 높은 유전상수와 낮은 누설전류 특성을 보여주는 스트론튬 탄탈륨 산화막을 플라즈마를 이용한 원자 증착법으로 형성, 이용함으로써, 강유전체 메모리 소자, 트랜지스터 등의 전기적 특성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 앞에서 기술한 바와 같이 플라즈마를 이용함으로써, 일반적인 화학 기상 증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition)보다 저온 증착을 하는 원자층 증착법에서 불순물 첨가 등의 문제점을 해결하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 패터닝된 기판의 표면에 스트론튬(Sr) 탄탈륨(Ta) 산화물 박막을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 기판을 반응 체임버(Chamber) 속에 배치하여 가열하는 단계;
    스트론튬 탄탈륨 에톡사이드(Strontium Tantalum Ethoxide)를 함유하는 소스를 캐리어 가스에 의하여 상기 반응 체임버 속으로 유입시키는 단계;
    상기 캐리어 가스 속에 기화된 소스를 퍼지 가스에 의하여 상기 반응 체임버 외부로 불어내는 단계;
    상기 반응 체임버 속에 산소를 유입시켜 플라즈마화하는 단계; 및
    상기 산소 플라즈마를 퍼지 가스에 의하여 상기 반응 체임버 외부로 불어내는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 가열 단계에서는 상기 기판을 200 내지 300 ℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 유입 단계에서는 155 내지 165℃로 기화된 소스를 유입시키는 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Sr-Ta 소스는 조성비 Sr/Ta가 0.45에서 0.60까지의 범위인 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체임버 내부의 압력은 0.5에서 1.5 토르 범위인 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트론튬 탄탈륨 산화물 층을 다수의 층으로 형성하기 위하여 상기 방법을 반복적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 스트론튬 탄탈륨 산화물 박막 형성 방법.
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