KR100716652B1 - Capacitor with nano-composite dielectric and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 누설전류특성이 우수하고 콘케이브 구조를 포함한 모든 캐패시터에서 적용가능하면서도 높은 유전율을 얻을 수 있는 나노컴포지트 형태의 유전막을 갖는 캐패시터 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 캐패시터의 유전막은 HfO2과 적어도 상기 HfO2의 유전율과 동일한 유전율을 갖는 유전막(ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 유전율이 25∼30이고, 밴드갭에너지가 4.3∼7.8)이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트 유전막을 포함하므로써, 상대적으로 얇은 두께에서도 유전율손실없이 누설전류특성을 확보하면서 높은 유전율을 갖는 캐패시터를 제조할 수 있는 효과가 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a capacitor having a nanocomposite dielectric film capable of obtaining high dielectric constant while having excellent leakage current characteristics and being applicable to all capacitors including a concave structure, and a method of manufacturing the dielectric film of the capacitor of the present invention. Is a dielectric film having a dielectric constant of HfO 2 and at least the dielectric constant of HfO 2 (ZrO 2 , La 2 O 3, or Ta 2 O 5 is 25-30, and the bandgap energy is 4.3-7.8). By including the nano-composite dielectric film mixed in the form, it is possible to produce a capacitor having a high dielectric constant while ensuring leakage current characteristics without loss of dielectric constant even in a relatively thin thickness.

캐패시터, 유전막, 나노컴포지트, HfO₂, HfZrO Capacitor, Dielectric Film, Nanocomposite, HfO₂, HfZrO

Description

나노컴포지트 유전막을 갖는 캐패시터 및 그의 제조 방법{CAPACITOR WITH NANO-COMPOSITE DIELECTRIC AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Capacitor with nanocomposite dielectric film and manufacturing method therefor {CAPACITOR WITH NANO-COMPOSITE DIELECTRIC AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래 기술에 따른 HfO2/Al2O3 유전막을 갖는 캐패시터를 도시한 도면,1 is a view showing a capacitor having a HfO 2 / Al 2 O 3 dielectric film according to the prior art,

도 2는 종래기술에 따른 HfAlO 나노컴포지트 유전막의 유전율을 도시한 도면,2 is a view showing the dielectric constant of the HfAlO nanocomposite dielectric film according to the prior art,

도 3은 본 발명의 나노컴포지트 유전막의 개념을 도시한 도면,3 is a view showing a concept of a nanocomposite dielectric film of the present invention,

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면,4 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the HfZrO nanocomposite dielectric film according to the first embodiment of the present invention,

도 5는 도 4에 의해 증착된 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 구조를 도시한 도면,FIG. 5 illustrates the structure of the HfZrO nanocomposite dielectric film deposited by FIG. 4;

도 6은 본 발명의 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 유전율을 도시한 도면,6 is a diagram showing the dielectric constant of the HfZrO nanocomposite dielectric film of the present invention,

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 HfLaO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면,7 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the HfLaO nanocomposite dielectric film according to a second embodiment of the present invention,

도 8은 도 7에 의해 증착된 HfLaO 나노컴포지트 유전막의 구조를 도시한 도면.FIG. 8 shows the structure of the HfLaO nanocomposite dielectric film deposited by FIG.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 HfTaO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면,9 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the HfTaO nanocomposite dielectric film according to a third embodiment of the present invention,

도 10은 도 9에 의해 증착된 HfTaO 나노컴포지트 유전막의 구조를 도시한 도면,10 is a view showing the structure of the HfTaO nanocomposite dielectric film deposited by FIG.

도 11은 본 발명의 HfZrO 나노컴포지트 유전막을 채택한 캐패시터의 구조를 도시한 도면.FIG. 11 shows the structure of a capacitor employing the HfZrO nanocomposite dielectric film of the present invention. FIG.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

21 : 하부전극21: lower electrode

22 : HfZrO 나노컴포지트 유전막22: HfZrO nanocomposite dielectric film

23 : 상부전극23: upper electrode

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 두 개의 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트(Nano-composite) 유전막을 갖는 캐패시터 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a capacitor having a nano-composite dielectric film in which two dielectric films are mixed in the form of a nanocomposite, and a method of manufacturing the same.

최근 미세화된 반도체 공정 기술의 발달로 메모리 제품의 고집적화가 가속화됨에 따라 단위 셀면적이 크게 감소하고 있으며, 동작전압의 저전압화가 이루어지 고 있다. 그러나, 기억소자의 동작에 필요한 충전용량은 셀면적 감소에도 불구하고, 소프트 에러(soft error)의 발생과 리프레쉬 시간(refresh time)의 단축을 방지하기 위해서 25pF/cell 이상의 충분한 용량이 지속적으로 요구되고 있다. 따라서, 현재 DCS(Di-Chloro-Silane) 가스를 사용하여 증착한 실리콘질화막(Si3N4)을 유전체로 사용하고 있는 DRAM용 NO 캐패시터 소자의 경우 표면적이 큰 반구형 구조의 전극 표면을 갖는 3차원 형태의 스토리지노드를 사용하고 있음에도 불구하고, 그 높이가 계속적으로 증가하고 있다.Recently, as the integration of memory products has accelerated due to the development of miniaturized semiconductor process technology, the unit cell area has been greatly reduced, and the operating voltage has been reduced. However, the charging capacity required for the operation of the memory device, despite the reduction in cell area, sufficient capacity of 25pF / cell or more is continuously required to prevent the occurrence of soft errors and shortening of the refresh time. have. Therefore, in the case of the NO capacitor element for DRAM that uses a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) deposited using Di-Chloro-Silane (DCS) gas as a dielectric, it has a three-dimensional electrode surface having a hemispherical structure with a large surface area. Despite the use of form storage nodes, their height continues to increase.

한편, NO 캐패시터가 256M 이상의 차세대 DRAM 캐패시터에 필요한 충전용량을 확보하는데 그 한계를 보이고 있기 때문에 Ta2O5, Al2O3, HfO2 등의 고유전상수를 갖는 유전막을 채용한 캐패시터 소자 또는 스토리지노드의 구조를 3차원 구조(실린더, 콘케이브)로 개발하는 연구가 본격적으로 진행되고 있다.On the other hand, since the NO capacitor shows a limit in securing the charge capacity required for the next-generation DRAM capacitor of 256M or more, a capacitor element or a storage node employing a dielectric film having a high dielectric constant such as Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , HfO 2, etc. The research to develop the structure of the three-dimensional structure (cylinder, concave) is in full swing.

그러나, Ta2O5는 누설전류특성이 취약하며, Al2O3(ε=9)는 누설전류특성은 우수하지만 유전상수가 아주 크지 않기 때문에 충전용량 확보에 제약이 있으며, 유전상수가 비교적 큰 HfO2(ε=25)는 충전용량 확보는 우수하지만 항복전계 강도가 낮아 반복적인 전기적 충격에 취약하기 때문에 캐패시터의 내구성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.However, Ta 2 O 5 has a weak leakage current characteristic, and Al 2 O 3 (ε = 9) has a good leakage current characteristic, but the dielectric constant is not very large, thereby limiting the charging capacity and having a relatively large dielectric constant. HfO 2 (ε = 25) is excellent in securing the charging capacity but has a problem in that the durability of the capacitor is inferior because the breakdown field strength is vulnerable to repetitive electric shock.

이를 해결하기 위해 HfO2/Al2O3와 같은 적층 구조, 즉 이중 유전막(Double dielectric layer) 구조를 채택하는 캐패시터가 제안되었다.In order to solve this problem, a capacitor having a stacked structure such as HfO 2 / Al 2 O 3 , that is, a double dielectric layer structure, has been proposed.

도 1은 종래 기술에 따른 HfO2/Al2O3 유전막을 갖는 캐패시터를 도시한 도면이다.1 is a view showing a capacitor having a HfO 2 / Al 2 O 3 dielectric film according to the prior art.

도 1에 도시된 바와 같이, 하부전극(11)과 상부전극(13) 사이에 위치하는 캐패시터의 유전막(12)은 Al2O3(12a)와 HfO2(12b)가 적층된 이중 유전막 구조를 갖는다.As shown in FIG. 1, the dielectric film 12 of the capacitor positioned between the lower electrode 11 and the upper electrode 13 has a double dielectric film structure in which Al 2 O 3 (12a) and HfO 2 (12b) are stacked. Have

Al2O3는 유전율이 낮아 80nm급 이하의 소자에서 나노컴포지트(nano-composite) 형태로 제조하여 누설전류를 낮추기 위하여 첨가하여 사용하고 있으며, 물리적 얇은 두께에서도 누설전류가 확보되므로 80nm급 소자까지는 우수한 양산성 및 전기적특성을 가져 적용이 가능하다. 그러나, 콘케이브(Concave) 구조를 사용하는 DRAM의 캐패시터에서는 Tox.eq(Equivalent oxide thickness)에 대한 스케일링(scaling)이 더욱 요구되어 콘케이브 구조에서는 적용이 불가능하다.Al 2 O 3 is manufactured in nano-composite form in devices below 80nm class with low dielectric constant and added to reduce leakage current.It is excellent to 80nm class devices because leakage current is secured even in physical thin thickness. Applicable due to mass productivity and electrical characteristics. However, scaling of the equivalent oxide thickness (Tox.eq) is further required in a capacitor of a DRAM using a concave structure, which is not applicable to the concave structure.

이와 같이 콘케이브 구조의 캐패시터에서도 적용하기 위해 최근에는 HfO2와 Al2O3가 각각 일정 조성비로 혼합된 조성물, 즉 HfO2_Al2O3 나노컴포지트 개념으로 증착되는 유전막(이하 'HfAlO 나노컴포지트 유전막'이라고 약칭함)을 캐패시터의 유전막으로 사용하고자 하였다.In order to apply to a capacitor having a concave structure, a dielectric film in which HfO 2 and Al 2 O 3 are mixed at a constant composition ratio, that is, HfO 2 _Al 2 O 3 nanocomposite concept is recently deposited (hereinafter referred to as' HfAlO nanocomposite dielectric film). Is used as a dielectric film of a capacitor.

그러나, 이 경우에는, HfAlO 나노컴포지트 유전막의 유전율이 13∼15 정도의 낮은 값을 갖는 문제가 있다.However, in this case, there is a problem that the dielectric constant of the HfAlO nanocomposite dielectric film has a low value of about 13 to 15.

도 2는 종래기술에 따른 HfAlO 나노컴포지트 유전막의 유전율을 도시한 도면 이다.2 is a view showing the dielectric constant of the HfAlO nanocomposite dielectric film according to the prior art.

도 2에 도시된 바와 같이, HfO2의 유전율은 25 수준이고, Al2O3의 유전율은 9 수준이나, HfO2와 Al2O3가 나노컴포지트 형태로 혼합된 HfAlO(Hf:Al=1:1) 나노컴포지트 유전막은 그 유전율이 13∼15 수준으로 측정되고 있다.As shown in FIG. 2, the dielectric constant of HfO 2 is 25 and the dielectric constant of Al 2 O 3 is 9, but HfAlO (Hf: Al = 1: HfO 2 and Al 2 O 3 mixed in the form of a nanocomposite) is shown. 1) The nanocomposite dielectric film has a dielectric constant of 13 to 15.

도 2에 나타난 결과에 의하면, HfAlO 나노컴포지트 유전막은 HfO2의 유전율 25보다 매우 낮은 값을 갖게 되어, 즉 HfAlO 나노컴포지트 유전막에 혼합된 HfO2의 유전율 손실이 발생하여 80nm급 이하의 소자에서 나노컴포지트 유전막이 얻고자 하는 높은 유전율을 확보할 수 없다.According to the results shown in FIG. 2, the HfAlO nanocomposite dielectric film has a value very lower than the dielectric constant of HfO 2 , that is, a loss of dielectric constant of HfO 2 mixed in the HfAlO nanocomposite dielectric film occurs and the nanocomposite is used in a device of 80 nm or less. It is not possible to secure the high permittivity of the dielectric film.

이와 같이, HfAlO 나노컴포지트 유전막이 HfO2의 유전율값보다 낮은 값을 나타내는 이유는 유전율이 9 수준으로 매우 낮은 Al2O3을 혼합하기 때문이다.As such, the reason why the HfAlO nanocomposite dielectric film exhibits a lower value than the dielectric constant value of HfO 2 is because Al 2 O 3 having a very low dielectric constant is mixed.

따라서, 누설전류특성이 우수하고, HfO2의 유전율과 동일한 수준의 높은 유전율을 확보하면서도 콘케이브 구조를 포함하는 모든 캐패시터에서 적용가능한 유전막이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for a dielectric film that is excellent in leakage current characteristics and has a high dielectric constant equal to that of HfO 2 , but is applicable to all capacitors including a concave structure.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 누설전류특성이 우수하고 콘케이브 구조를 포함한 모든 캐패시터에서 적용가능하면서도 높은 유전율을 얻을 수 있는 나노컴포지트 형태의 유전막을 갖는 캐패시터 및 그의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, a capacitor having a nanocomposite dielectric film having excellent leakage current characteristics and applicable to all capacitors including a concave structure and attaining a high dielectric constant. It is an object to provide a manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐패시터의 유전막은 HfO2과 적어도 상기 HfO2의 유전율과 동일한 유전율을 갖는 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트 유전막을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 유전막은 유전율이 25∼30이고, 밴드갭에너지가 4.3∼7.8인 것을 특징으로 하며, 상기 유전막은 ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하고, 상기 나노컴포지트 유전막은 상기 HfO2와 상기 유전막이 각각 원자층증착법을 통해 증착사이클당 1Å∼5Å 두께를 갖고 혼합된 것을 특징으로 한다.The dielectric film of the capacitor of the present invention for achieving the above object is characterized in that the dielectric film having a dielectric constant equal to the dielectric constant of HfO 2 and at least the HfO 2 comprises a nanocomposite dielectric film mixed in the form of a nanocomposite, the dielectric film has a dielectric constant And 25 to 30, and a band gap energy of 4.3 to 7.8, wherein the dielectric film is selected from ZrO 2 , La 2 O 3, or Ta 2 O 5 , and the nanocomposite dielectric film is HfO 2. And the dielectric film are each mixed by having a thickness of 1 Å to 5 당 per deposition cycle by atomic layer deposition.

그리고, 캐패시터의 유전막 제조 방법은 원자층증착법을 이용하여 [HfO2 증착사이클]과 [유전막 증착사이클]을 각각 y회 및 z회 반복진행하여 HfO2와 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트 유전막을 증착하는 단계, 및 상기 나노컴포지트 유전막의 치밀화를 위한 어닐링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 유전막은 ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하며, 상기 y와 z의 비율은 1:10∼10:1인 것을 특징으로 하고, 상기 나노컴포지트 유전막의 두께가 25Å∼200Å 두께가 되도록 상기 HfO2와 상기 유전막은 각각 증착사이클당 1Å∼5Å 두께로 여러번 증착되어 나노컴포지트 형태로 혼합되는 것을 특징으로 한다.The dielectric film manufacturing method of the capacitor is a nanocomposite dielectric film in which HfO 2 and the dielectric film are mixed in nanocomposite form by repeating the [HfO 2 deposition cycle] and [dielectric film deposition cycle] y and z times, respectively, using atomic layer deposition. And depositing annealing step for densification of the nanocomposite dielectric film, wherein the dielectric film deposited by the [dielectric film deposition cycle] is selected from ZrO 2 , La 2 O 3, or Ta 2 O 5 . The ratio of y and z is 1:10 to 10: 1, and the HfO 2 and the dielectric film are respectively deposited per deposition cycle so that the thickness of the nanocomposite dielectric film is 25 kW to 200 kW. It is characterized in that it is deposited several times with a thickness of 1Å ~ 5Å and mixed in the form of nanocomposite.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .

후술하는 본 발명은 Al2O3 수준의 우수한 누설전류특성을 갖고, HfO2의 유전율과 동일한 수준의 높은 유전율(ε=20 이상)을 확보하며, 콘케이브 구조를 포함하는 모든 캐패시터에서 적용가능하여 70nm급 이하의 초고집적 반도체소자에서 적용가능한 유전막을 제안한다. The present invention described below has excellent leakage current characteristics of Al 2 O 3 level, secures a high dielectric constant (ε = 20 or more) at the same level as the dielectric constant of HfO 2 , and is applicable to all capacitors including a concave structure. A dielectric film applicable to ultra-high density semiconductor devices of 70 nm or less is proposed.

도 3은 본 발명의 나노컴포지트 유전막의 개념을 도시한 도면이다. 여기서, 본 발명에서 도입하고자 하는 나노컴포지트 유전막(Nano-composite dielectric)은 제1유전막과 제2유전막이 적층 형태로 형성된 것이 아니라 제1유전막과 제2유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 유전막을 일컫는다.3 is a diagram illustrating the concept of the nanocomposite dielectric film of the present invention. Here, the nano-composite dielectric to be introduced in the present invention refers to a dielectric film in which the first dielectric film and the second dielectric film are mixed in a nanocomposite form, rather than being formed in a stacked form.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 나노컴포지트 유전막은 제1원소(M1)가 포함된 제1유전막(M1O)과 제2원소(M2)가 포함된 제2유전막(M2O)이 나노컴포지트 형태로 혼합된 것이며, 이처럼 제1유전막(M1O)과 제2유전막(M2O)이 나노컴포지트 형태로 혼합되어 제1유전막(M1O)과 제2유전막(M2O)의 성질을 갖는 것이 아니라 제1원소 (M1)와 제2원소(M2)를 포함하는 새로운 산화막물질인 M1M2O 나노컴포지트 유전막을 형성한다. 여기서, M1M2O 나노컴포지트 유전막에서 'M1'은 제1원소, 'M2'는 제2원소, 그리고 'O'는 산소를 의미한다.3, the nano-composite dielectric of the present invention has a first element (M 1) a first dielectric layer containing a (M 1 O) and the second dielectric layer containing a second element (M 2) (M 2 O) is mixed in the form of nanocomposite, and thus the first dielectric film (M 1 O) and the second dielectric film (M 2 O) are mixed in the form of nanocomposite so that the first dielectric film (M 1 O) and the second dielectric film (M The M 1 M 2 O nanocomposite dielectric film, which is a new oxide material including the first element (M 1 ) and the second element (M 2 ), does not have the property of 2 O). Here, in the M 1 M 2 O nanocomposite dielectric film, 'M 1 ' means the first element, 'M 2 ' means the second element, and 'O' means oxygen.

도 3에서 설명한 M1M2O 나노컴포지트 유전막은 HfAlO 나노컴포지트 유전막이 갖는 유전율보다 큰 유전율(적어도 20 이상)을 갖도록 하기 위해 제1원소(M1)와 제2원소(M2)를 선택한다. The M 1 M 2 O nanocomposite dielectric film described in FIG. 3 selects the first element M 1 and the second element M 2 to have a dielectric constant (at least 20) greater than that of the HfAlO nanocomposite dielectric film. .

예를 들어, 제1원소(M1)는 Hf으로 선택하고, 제2원소(M2)는 Zr, La 또는 Ta 중에서 선택한다.For example, the first element M 1 is selected as Hf, and the second element M 2 is selected from Zr, La, or Ta.

따라서, 본 발명의 M1M2O 나노컴포지트 유전막은 HfZrO, HfLaO 또는 HfTaO이 가능하며, 이들 M1M2O 나노컴포지트 유전막은 HfAlO 나노컴포지트 유전막이 갖는 유전율(13∼15)보다 큰 유전율(적어도 20 이상)을 갖는다.Accordingly, the M 1 M 2 O nanocomposite dielectric film of the present invention can be HfZrO, HfLaO or HfTaO, and these M 1 M 2 O nanocomposite dielectric films have a dielectric constant (at least 15 to 15) of the HfAlO nanocomposite dielectric film. 20 or more).

다음의 표1은 유전막의 종류에 따른 유전율, 밴드갭에너지 및 CBO를 비교한 도면이다.Table 1 below compares permittivity, band gap energy, and CBO according to the types of dielectric films.

유전막Dielectric film 유전율permittivity 밴드갭에너지(Eg, ev)Band gap energy (Eg, ev) CBO to Si(eV)CBO to Si (eV) SiO2 SiO 2 3.93.9 8.98.9 3.53.5 Si3N4 Si 3 N 4 77 5.15.1 2.42.4 Al2O3 Al 2 O 3 99 8.78.7 2.82.8 Y2O3 Y 2 O 3 1515 5.65.6 2.32.3 ZrO2 ZrO 2 2525 7.87.8 1.41.4 HfO2 HfO 2 2525 5.75.7 1.51.5 Ta2O5 Ta 2 O 5 2626 4.54.5 0.30.3 La2O3 La 2 O 3 3030 4.34.3 2.32.3 TiO2 TiO 2 8080 3.53.5 0.00.0

표1에서, 'CBO to Si'는 전자를 빼내는데 얼마나 어려우냐를 가늠하는 척도로서, 그 값이 낮을 수록 누설전류특성이 좋고, 이와 동시에 밴드갭에너지가 클수록 누설전류특성이 좋다. 유전막은 상온에서 구조가 비정질이면 전도 경로(conduction path) 측면에서 유리하므로 누설전류가 작다. 그러나, 유전율이 크려면 결정질이 필요하므로, 유전율과 비정질은 트레이드오프(trade-off) 관계가 있다. In Table 1, 'CBO to Si' is a measure of how difficult it is to extract electrons. The lower the value, the better the leakage current characteristic, and the larger the band gap energy, the better the leakage current characteristic. When the dielectric film is amorphous at room temperature, the dielectric film is advantageous in terms of the conduction path, so that the leakage current is small. However, a large dielectric constant requires crystallinity, and thus the dielectric constant and amorphous have a trade-off relationship.

표1에서 알 수 있듯이, SiO2, Si3N4, Al2O3, Y2O3는 유전율이 20 이하의 값을 가지므로 고집적 반도체소자의 캐패시터 유전막에서 요구하는 높은 충전용량을 구현하지 못하고, ZrO2, HfO2, Ta2O5, La2O3, TiO2는 유전율이 20 이상의 값을 가져 고집적 반도체소자의 캐패시터 유전막에서 요구하는 높은 충전용량을 구현할 수 있다.As can be seen from Table 1, since SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , and Y 2 O 3 have a dielectric constant of 20 or less, the high charge capacity required for the capacitor dielectric film of a highly integrated semiconductor device cannot be realized. , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , and TiO 2 have a dielectric constant of 20 or more, thereby realizing a high charge capacity required in a capacitor dielectric film of a highly integrated semiconductor device.

하지만, ZrO2, HfO2, Ta2O5, La2O3, TiO2는 각각 단독 또는 적층으로 사용되는 경우에는 유전율의 손실, 누설전류특성 저하, 적용되는 캐패시터의 구조의 한계 등의 문제점을 갖는다.However, when ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 and TiO 2 are used alone or in a laminate, problems such as loss of dielectric constant, degradation of leakage current characteristics, and limitations of the structure of the applied capacitors Have

따라서, 본 발명에서는 유전율이 20 이상의 값을 가져 고집적 반도체소자의 캐패시터 유전막에서 요구하는 높은 충전용량을 구현하면서, 혼합되는 유전막들(특히 HfO2)의 유전율손실없이 누설전류특성이 우수하고 모든 캐패시터의 구조에 적용할 수 있는 비정질의 나노컴포지트 유전막을 형성한다.Therefore, in the present invention, the dielectric constant is 20 or more, thereby realizing the high charge capacity required for the capacitor dielectric film of the highly integrated semiconductor device, and having excellent leakage current characteristics without loss of dielectric constant of the mixed dielectric films (especially HfO 2 ), and of all capacitors. An amorphous nanocomposite dielectric film applicable to the structure is formed.

표1에 의해, 본 발명의 나노컴포지트 유전막은 HfZrO, HfLaO 또는 HfTaO이 가능하며, 이들 나노컴포지트 유전막은 HfAlO 나노컴포지트 유전막이 갖는 유전율(13∼15)보다 큰 유전율(적어도 20 이상)을 갖는다. 여기서, HfZrO, HfLaO 또는 HfTaO은 공통적으로 Hf를 포함하고 있는데, HfZrO, HfLaO 또는 HfTaO은 HfO2(유전율 25)에 ZrO2(유전율 25), La2O3(유전율 30) 또는 Ta2O5(유전율 26)를 나노컴포지트 형태로 혼합한 것이기 때문이다. 따라서, HfZrO, HfLaO 또는 HfTaO은 HfO2의 유전율이 손실되는 것없이 적어도 20 이상의 유전율을 갖는다. 이에 반해, HfAlO 나노컴포지트 유전막은 유전율이 25인 HfO2에 유전율이 9인 Al2O3를 혼합하여 HfO2보다도 낮은 유전율을 가져 HfO2가 갖는 유전율의 손실을 초래하였다.According to Table 1, the nanocomposite dielectric film of the present invention can be HfZrO, HfLaO or HfTaO, and these nanocomposite dielectric films have a dielectric constant (at least 20 or more) larger than the dielectric constants 13 to 15 of the HfAlO nanocomposite dielectric film. Here, HfZrO, HfLaO or HfTaO commonly includes Hf, where HfZrO, HfLaO or HfTaO is HfO 2 (dielectric constant 25), ZrO 2 (dielectric constant 25), La 2 O 3 (dielectric constant 30) or Ta 2 O 5 ( This is because the dielectric constant 26) is mixed in the form of nanocomposite. Thus, HfZrO, HfLaO or HfTaO has a dielectric constant of at least 20 or more without losing the dielectric constant of HfO 2 . On the other hand, HfAlO nanocomposite dielectric layer is brought to a lower dielectric constant than HfO 2 resulted in the loss of the dielectric constant HfO 2 having a mixture of Al 2 O 3 of a dielectric constant of 9 to HfO 2 is a dielectric constant of 25.

한편, 표1에서 유전율이 80으로 가장 높은 TiO2도 HfO2에 혼합되어 나노컴포지트 유전막을 형성할 수 있으나, TiO2는 밴드갭에너지(Eg)가 다른 유전막들에 비해 상대적으로 낮아 70nm급 이하의 디자인룰을 갖는 소자에 필요한 10Å 이하의 Tox.eq를 얻는 것이 불가능하여 캐패시터의 전기적특성을 저하시킨다.Meanwhile, in Table 1, TiO 2, which has the highest dielectric constant of 80, may also be mixed with HfO 2 to form a nanocomposite dielectric film. However, TiO 2 has a lower band gap energy (Eg) than other dielectric films, which is 70 nm or less. It is impossible to obtain a Tox.eq of 10 dB or less, which is necessary for a device having a design rule, thereby lowering the electrical characteristics of the capacitor.

전술한 바와 같이, 본 발명의 M1M2O 나노컴포지트 유전막은 적층형태가 아닌 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖도록 하기 위해 제1원소(M1)가 포함된 제1유전막(M1O)과 제2원소(M2)가 포함된 제2유전막(M2O)을 원자층증착법(Atomica Layer Depsotion; ALD)을 이용하여 형성한다.As described above, the M 1 M 2 O nanocomposite dielectric film of the present invention includes a first dielectric film (M 1 O) including a first element (M 1 ) in order to have a mixed structure in a nanocomposite form, not a stacked form. And a second dielectric layer (M 2 O) including the second element (M 2 ) is formed using an atomic layer deposition (ALD).

후술하는 실시예들에서는 HfZrO, HfLaO, HfTaO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착방법 및 구조를 설명하고 있다.In the following embodiments, the atomic layer deposition method and structure of the HfZrO, HfLaO, and HfTaO nanocomposite dielectric film are described.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면으로서, HfZrO 나노컴포지트 유전막을 원자층증착법에 의해 형성할 때 가스를 챔버내로 공급하는 개념을 나타낸 도면이다.4 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the HfZrO nanocomposite dielectric film according to the first embodiment of the present invention, the concept of supplying a gas into the chamber when the HfZrO nanocomposite dielectric film is formed by atomic layer deposition to be.

잘 알려진 바와 같이, 원자층증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)은 먼저 소스가스를 공급하여 기판 표면에 한 층의 소스를 화학적으로 흡착(Chemical Adsorption)시키고 여분의 물리적 흡착된 소스들은 퍼지가스를 흘려보내어 퍼지시킨 다음, 한 층의 소스에 반응가스를 공급하여 한 층의 소스와 반응가스를 화학반응시켜 원하는 원자층을 증착하고 여분의 반응가스는 퍼지가스를 흘려보내 퍼지시키는 과정을 한 사이클로 하여 박막을 증착한다. 상술한 바와 같이 원자층 증착방법은 표면 반응 메카니즘(Surface Reaction Mechanism)을 이용하므로써 안정된 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 균일한 박막을 얻을 수 있다. 또한, 소스가스와 반응가스를 서로 분리시켜 순차적으로 주입 및 퍼지시키기 때문에 화학적기상증착법(CVD)에 비해 가스 위상 반응(Gas Phase Reaction)에 의한 파티클(Particle) 생성을 억제하는 것으로 알려져 있다.As is well known, Atomic Layer Deposition (ALD) first supplies a source gas, which chemically adsorbs a layer of source onto the substrate surface, and the extra physically adsorbed sources shed purge gas. After purging, supply a reaction gas to one layer of the source to chemically react one source and the reaction gas to deposit the desired atomic layer, and the excess reaction gas flows through the purge gas to purge the thin film in one cycle. Deposit. As described above, in the atomic layer deposition method, not only a stable thin film but also a uniform thin film can be obtained by using a surface reaction mechanism. In addition, since the source gas and the reaction gas are separated from each other and sequentially injected and purged, it is known to suppress particle generation due to gas phase reaction compared to chemical vapor deposition (CVD).

HfZrO 나노컴포지트 유전막을 증착하기 위한 원자층증착공정의 단위 사이클은 다음과 같다.The unit cycle of the atomic layer deposition process for depositing the HfZrO nanocomposite dielectric film is as follows.

[단위 사이클 1][Unit cycle 1]

[(Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y(Zr 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z]n [(Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y (Zr source / purge / oxidant exposure / purge) z ] n

위 단위사이클1에서 Hf 소스는 HfO2를 형성하기 위한 Hf 소스를 공급하는 펄스이고, Zr 소스는 ZrO2를 형성하기 위한 Zr 소스를 공급하는 펄스이며, y는 HfO2의 막두께를 결정하는 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지) 사이클의 횟수, z는 ZrO2의 막두께를 결정하는 (Zr 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지) 사이클의 횟수를 나타내며, n은 HfZrO 유전막의 두께를 결정하는 사이클의 횟수를 나타낸다.In unit cycle 1, the Hf source is a pulse for supplying an Hf source for forming HfO 2 , the Zr source is a pulse for supplying a Zr source for forming ZrO 2 , and y determines a film thickness of HfO 2 ( Number of cycles of Hf source / purge / oxidant exposure / purge), z denotes the number of cycles (Zr source / purge / oxidant exposure / purge) that determine the film thickness of ZrO 2 , and n denotes the thickness of the HfZrO dielectric film. Indicates the number of cycles.

단위사이클1을 자세히 살펴보면, (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클은 Hf 소스, 퍼지, 산화제 노출 및 퍼지로 구성된 사이클을 y회 반복하는 HfO2 증착 사이클을 일컬으며, (Zr 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클은 Zr 소스, 퍼지, 산화제노출 및 퍼지로 구성된 사이클을 z회 반복하는 ZrO2 증착사이클을 일컫는다. 상기한 바와 같은 각 증착사이클을 y 및 z회 반복수행하므로써 요구되는 두께의 HfO2와 ZrO2를 각각 증착하고, HfO2 증착사이클과 ZrO2 증착사이클의 통합 증착사이클을 n회 반복수행하여 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 총 두께를 결정한다.Looking closely at unit cycle 1, the (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y cycle refers to the HfO 2 deposition cycle that repeats the cycle consisting of Hf source, purge, oxidant exposure and purge y times, and (Zr source / Purge / Oxidant Exposure / Purge) The z cycle refers to a ZrO 2 deposition cycle in which z cycles of Zr source, purge, oxidant exposure and purge are repeated z times. By repeating each deposition cycle as described above y and z times, HfO 2 and ZrO 2 of the required thickness are deposited respectively, and HfZrO nano is performed by performing n times of integrated deposition cycles of HfO 2 deposition cycle and ZrO 2 deposition cycle. Determine the total thickness of the composite dielectric film.

도 4를 참조하여 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 증착예를 자세히 설명하면 다음과 같다.The deposition example of the HfZrO nanocomposite dielectric film will be described in detail with reference to FIG. 4.

증착공정을 설명하기 앞서, HfO2 증착사이클은 (Hf/N2/O3/N2)를 단위사이클로 하고 이 단위사이클을 y회 반복진행한다. 상기 단위사이클에서 Hf는 Hf 소스이고, N2는 퍼지가스이며, O3은 산화제 가스이다.Before describing the deposition process, the HfO 2 deposition cycle is (Hf / N 2 / O 3 / N 2 ) as a unit cycle and the unit cycle is repeated y times. In the unit cycle, Hf is an Hf source, N 2 is a purge gas, and O 3 is an oxidant gas.

그리고, ZrO2 증착사이클은 (Zr/N2/O3/N2)를 단위사이클로 하고 이 단위사이클을 z회 반복진행한다. 상기 단위사이클에서 Zr은 Zr 소스이고, N2는 퍼지가스이며, O3는 산화제 가스이다.In the ZrO 2 deposition cycle, (Zr / N 2 / O 3 / N 2 ) is a unit cycle, and the unit cycle is repeated z times. In the unit cycle, Zr is a Zr source, N 2 is a purge gas, and O 3 is an oxidant gas.

그리고, HfO2 증착사이클과 ZrO2 증착사이클은 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내에서 진행한다.The HfO 2 deposition cycle and the ZrO 2 deposition cycle proceed in a chamber that maintains a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C.

먼저 HfO2의 증착에 대해 설명하면, HfCl4, Hf(NO3)4, Hf(NCH2C2H5)4 또는 Hf(OC2H5)4 중에서 선택되는 Hf 소스를 기화기에서 기화시킨후 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시켜 Hf 소스를 흡착시킨다. 다음에, 미반응 Hf 소스를 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행하고, 산화제인 O3 가스를 0.1초∼3초간 플로우시켜 흡착된 Hf 소스와 O3 사이의 반응을 유도하여 HfO2를 증착한다. 다음에, 미반응 O3 및 반응부산물을 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행한다. First, the deposition of HfO 2 will be described. After vaporizing an Hf source selected from HfCl 4 , Hf (NO 3 ) 4 , Hf (NCH 2 C 2 H 5 ) 4, or Hf (OC 2 H 5 ) 4 in a vaporizer, The Hf source is adsorbed by flowing 0.1 seconds to 3 seconds into a chamber that maintains a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove the unreacted Hf source, and the adsorbed Hf source and O are flowed by oxidizing O 3 gas for 0.1 seconds to 3 seconds. Induce a reaction between 3 to deposit HfO 2 . Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted O 3 and the reaction byproduct.

전술한 바와 같은 Hf 소스, N2 퍼지, O3 공급, N2 퍼지의 과정을 단위사이클로 하고, 이 단위사이클을 y회 반복 실시하여 원하는 두께(1Å∼5Å)의 HfO2을 증착한다. 그리고, 산화제로는 O3외에 H2O 증기를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로는 질소(N2) 외에 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이용할 수도 있다.Cycloalkyl Hf source, N 2 purge, O 3 supplied, N units of the second purge process as described above, and subjected to a cycle unit of y-repeated to deposit a desired thickness of HfO 2 (1Å~5Å). As the oxidant, H 2 O vapor may be used in addition to O 3 , and an inert gas such as argon (Ar) may be used in addition to nitrogen (N 2 ) as the purge gas.

다음으로, ZrO2 증착에 대해 설명하면, 기판 온도를 100℃∼450℃, 압력을 0.1torr∼10torr로 유지한 상태에서 Zr 소스인 TEMAZ[Zr{N(CH3)(C2H5)}4]를 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시켜 기판에 TEMAZ를 흡착시킨다. 다음에, 미반응 TEMAZ를 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행하고, 산화제인 O3 가스를 0.1초∼3초간 플로우시켜 흡착된 TEMAZ와 O3 사이의 반응을 유도하여 원자층 단위의 ZrO2를 증착한다. 다음에, 미반응 O3 및 반응부산물을 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행한다. Next, ZrO 2 deposition will be described. The Zr source is TEMAZ [Zr {N (CH 3 ) (C 2 H 5 )} with a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C and a pressure of 0.1torr to 10torr. 4 ] is flowed into the chamber for 0.1 to 3 seconds to adsorb TEMAZ to the substrate. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted TEMAZ, and an O 3 gas, which is an oxidant, is flowed for 0.1 seconds to 3 seconds, and the adsorbed TEMAZ and O 3 are adsorbed. ZrO 2 in atomic layer is deposited by inducing a reaction of. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted O 3 and the reaction byproduct.

전술한 바와 같은 Zr 소스, N2 퍼지, O3 공급, N2 퍼지의 과정을 단위사이클로 하고, 이 단위사이클을 z회 반복 실시하여 원하는 두께(1Å∼5Å)의 ZrO2를 증착한다. 여기서, ZrO2의 Zr 소스로는 전술한 TEMAZ 외에 TDEAZ[Zr{N(C2H5)2}4]를 이용할 수도 있다. 그리고, 산화제로는 O3외에 H2O 증기(vapor)를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로는 질소 외에 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이용할 수도 있다.To deposit a Zr source, N 2 purge, O 3 supplied to the process cycles of N 2 purge unit, and perform the unit cycle z times repeatedly ZrO 2 having a desired thickness (1Å~5Å) as described above. Here, in addition to the above-described TEMAZ, TDEAZ [Zr {N (C 2 H 5 ) 2 } 4 ] may be used as the Zr source of ZrO 2 . In addition to O 3 , H 2 O vapor may be used as the oxidant, and inert gas such as argon (Ar) may be used as the purge gas.

도 5는 도 4에 의해 증착된 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the HfZrO nanocomposite dielectric film deposited by FIG. 4.

도 5를 참조하면, HfZrO 나노컴포지트 유전막은 HfO2와 ZrO2가 레이어 바이 레이어(Layer by layer) 개념으로 적층되어 형성되는 것이 아니라 HfO2와 ZrO2가 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 5, the HfZrO nanocomposite dielectric layer is not formed by stacking HfO 2 and ZrO 2 in a layer by layer concept, but has a structure in which HfO 2 and ZrO 2 are mixed in a nanocomposite form.

이처럼 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖는 이유는 도 4에 의한 원자층증착법을 이용하여 HfO2와 ZrO2를 증착하기 때문이며, 특히 HfO2 증착사이클 횟수(y)와 ZrO2 증착사이클 횟수(z)를 조절하여 HfO2와 ZrO2를 각각 1Å∼5Å의 두께로 형성하기 때문이다. 여기서, HfO2와 ZrO2의 1Å∼5Å 두께는 각 막들이 불연속적으로 형성되는 두께로, 5Å 보다 두껍게 증착하는 경우에는 연속적인 막 형태를 가져 HfO2와 ZrO2가 레이어 바이 레이어 형태로 적층되는 구조가 된다.The reason for having the mixed structure in the form of nanocomposite is because HfO 2 and ZrO 2 are deposited by using the atomic layer deposition method of FIG. 4, in particular, the number of HfO 2 deposition cycles (y) and the number of ZrO 2 deposition cycles (z). This is because HfO 2 and ZrO 2 are formed to have a thickness of 1 kPa to 5 kPa, respectively. Here, the thickness of 1Å to 5Å of HfO 2 and ZrO 2 is the thickness of each film formed discontinuously. In case of depositing thicker than 5Å, HfO 2 and ZrO 2 are stacked to form a layer by layer. It becomes a structure.

위와 같이 원자층증착법을 이용하여 HfO2와 ZrO2가 혼합되어 있는 HfZrO 나노컴포지트 유전막을 형성하기 위해서 다음의 조건을 만족해야 한다.In order to form the HfZrO nanocomposite dielectric film in which HfO 2 and ZrO 2 are mixed using the atomic layer deposition method, the following conditions must be satisfied.

첫째, HfO2와 ZrO2의 나노컴포지트(Nano-composite) 효과를 증대시키기 위하여 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클에 의해 형성되는 HfO2와 (Zr 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클에 의해 형성되는 ZrO2의 두께가 1Å∼5Å의 두께가 되도록 한다. 여기서, 각각 막의 두께가 5Å보다 두꺼우면 각각의 막이 독립적인 특성-연속적인 막-을 발휘하므로 종래 HfO2/ZrO2 적층 유전막과 같거나 오히려 열화된 특성을 보일 수 있다.First, HfO 2 and ZrO 2 in the nanocomposite (Nano-composite) to increase the effect (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) HfO 2 formed by the y-cycle and (Zr source / purge / oxidant exposure / purge The thickness of ZrO 2 formed by the z cycle is 1 kPa to 5 kPa. In this case, when the thickness of each film is thicker than 5 GPa, each film exhibits an independent characteristic-continuous film- and thus may exhibit the same or deteriorated characteristics as the conventional HfO 2 / ZrO 2 laminated dielectric film.

둘째, 레이어 바이 레이어(layer by layer) 개념이 아니라 HfO2와 ZrO2가 혼합되는 나노컴포지트(Nano-composite) 구조를 위해 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클과 (Zr 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클에서 사이클 횟수인 y와 z를 10 이하로 한다. 즉, y:z의 비율을 1:10∼10:1로 한다.Second, for the nano-composite structure in which HfO 2 and ZrO 2 are mixed, not the concept of layer by layer, the (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y cycle and (Zr source / purge) / Oxidant exposure / purge) The number of cycles y and z in the z cycle is 10 or less. In other words, the ratio y: z is set to 1:10 to 10: 1.

위와 같이, y와 z를 10 이하로 하면, HfO2와 ZrO2가 적층되는 것이 아니라 혼합되는 나노컴포지트(Nano-composite)를 형성하고, 이로써 ZrO2도 아니고 HfO2도 아닌 새로운 컴포지트 물질인 HfZrO 나노 컴포지트 유전막이 형성되는 것이다. 더불어, 증착사이클비율인 y:z의 비율을 1:10∼10:1로 하면, HfO2와 ZrO2를 각각 1Å∼5Å의 두께로 증착할 수 있다.As described above, when y and z are less than or equal to 10, HfO 2 and ZrO 2 are not laminated but form a mixed nanocomposite, thereby forming a new composite material, HfZrO nano, which is neither ZrO 2 nor HfO 2 . A composite dielectric film is formed. In addition, when the ratio of y: z, which is the deposition cycle ratio, is set to 1:10 to 10: 1, HfO 2 and ZrO 2 can be deposited at a thickness of 1 kPa to 5 kPa, respectively.

전술한 것처럼, HfZrO 나노 컴포지트 유전막을 원자층증착법을 통해 증착사이클비(y:z=1:10∼10:1)를 조절하여 각각 1Å∼5Å의 두께로 증착하여 나노컴포지트 형태로 혼합하여 증착하면, HfO2, ZrO2 또는 HfO2/ZrO2 적층막에 비해 결정화온도가 높아지고 고온에서도 잘 견디며, 유전특성이 우수해진다. 여기서, 유전특성의 향상은 HfZrO 나노 컴포지트 유전막의 유전율이 25 수준으로 측정된 다음의 도 6으로부터 알 수 있다.As described above, when the HfZrO nanocomposite dielectric film is deposited to a thickness of 1 Å to 5 각각 by controlling the deposition cycle ratio (y: z = 1: 10 to 10: 1) through atomic layer deposition, the mixture is deposited into a nanocomposite form. Compared to the HfO 2 , ZrO 2 or HfO 2 / ZrO 2 laminates, the crystallization temperature is higher, and it can withstand high temperatures, and the dielectric properties are excellent. Here, the improvement of the dielectric properties can be seen from FIG. 6 after the dielectric constant of the HfZrO nanocomposite dielectric film is measured at 25 levels.

도 6은 본 발명의 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 유전율을 도시한 도면이다.6 is a diagram showing the dielectric constant of the HfZrO nanocomposite dielectric film of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, HfO2의 유전율은 25 수준이고, ZrO2의 유전율도 25 수준으로서, HfO2와 ZrO2의 나노컴포지트 물질인 HfZrO 나노 컴포지트 유전막은 25 수준으로 측정되고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, the dielectric constant of HfO 2 is 25 and the dielectric constant of ZrO 2 is 25, and the HfZrO nanocomposite dielectric film, which is a nanocomposite material of HfO 2 and ZrO 2 , is measured at 25 levels. have.

도 6에 나타난 결과에 의하면, HfZrO 나노컴포지트 유전막은 HfO2의 유전율 25와 동일한 수준의 값을 가져 HfO2의 유전율 손실없이 나노컴포지트 유전막이 얻고자 하는 높은 유전율을 확보하면서도 누설전류특성이 우수하다.According to the results shown in Figure 6, HfZrO nanocomposite dielectric layer is excellent, yet bring the value of the same level as the dielectric 25 of HfO 2 ensure a high dielectric constant Here the nanocomposite dielectric layer gets no dielectric loss of HfO 2 leakage current characteristics.

한편, HfZrO 나노컴포지트 유전막을 증착한 후에는 막내에 포함되어 있는 유기물을 효과적으로 제거하고 막을 치밀화시키기 위해 후속 어닐처리를 수반한다. 이때, 어닐처리는 O3 분위기에서 300℃∼500℃ 온도에서 30초∼120초동안 진행한다.On the other hand, after depositing the HfZrO nanocomposite dielectric film, subsequent annealing is involved to effectively remove organic matter contained in the film and to densify the film. At this time, the annealing process is carried out for 30 seconds to 120 seconds at 300 ℃ to 500 ℃ temperature in O 3 atmosphere.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 HfLaO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면으로서, HfLaO 나노컴포지트 유전막을 원자층증착법에 의해 형성할 때 가스를 챔버내로 공급하는 개념을 나타낸 도면이다.7 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the HfLaO nanocomposite dielectric film according to the second embodiment of the present invention, the concept of supplying a gas into the chamber when the HfLaO nanocomposite dielectric film is formed by the atomic layer deposition method. to be.

HfLaO 나노컴포지트 유전막을 증착하기 위한 원자층증착공정의 단위 사이클은 다음과 같다.The unit cycle of the atomic layer deposition process for depositing the HfLaO nanocomposite dielectric film is as follows.

[단위 사이클 2][Unit cycle 2]

[(Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y(La 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z]n [(Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y (La source / purge / oxidant exposure / purge) z ] n

위 단위사이클2에서 Hf 소스는 HfO2를 형성하기 위한 Hf 소스를 공급하는 펄스이고, La 소스는 La2O3를 형성하기 위한 La 소스를 공급하는 펄스이며, y는 HfO2의 막두께를 결정하는 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지) 사이클의 횟수, z는 La2O3의 막두께를 결정하는 (La 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지) 사이클의 횟수를 나타내고, n은 HfLaO 유전막의 두께를 결정하는 사이클의 횟수를 나타낸다.In unit cycle 2, the Hf source is a pulse supplying an Hf source for forming HfO 2 , the La source is a pulse for supplying a La source for forming La 2 O 3 , and y determines a film thickness of HfO 2 . Number of cycles (Hf source / purge / oxidant exposure / purge), z denotes the number of cycles (La source / purge / oxidant exposure / purge) to determine the film thickness of La 2 O 3 , and n denotes the number of cycles of HfLaO dielectric film. The number of cycles for determining the thickness is shown.

단위사이클2을 자세히 살펴보면, (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클은 Hf 소스, 퍼지, 산화제 노출 및 퍼지로 구성된 사이클을 y회 반복하는 HfO2 증착 사이클을 일컬으며, (La 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클은 La 소스, 퍼지, 산화제노출 및 퍼지로 구성된 사이클을 z회 반복하는 La2O3 증착사이클을 일컫는다. 상기한 바와 같은 각 증착사이클을 y 및 z회 반복수행하므로써 요구되는 두께의 HfO2와 La2O3를 각각 증착하고, HfO2 증착사이클과 La2O3 증착사이클의 통합 증착사이클을 n회 반복수행하여 HfLaO 나노컴포지트 유전막의 총 두께를 결정한다.Looking at unit cycle 2 in detail, the (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y cycle refers to the HfO 2 deposition cycle that repeats the cycle consisting of Hf source, purge, oxidant exposure, and purge y times (La source / Purge / Oxidant Exposure / Purge) The z cycle refers to a La 2 O 3 deposition cycle that repeats z cycles of La source, purge, oxidant exposure and purge. By repeating each deposition cycle as described above y and z times, HfO 2 and La 2 O 3 of the required thickness are deposited respectively, and the integrated deposition cycle of HfO 2 deposition cycle and La 2 O 3 deposition cycle is repeated n times. To determine the total thickness of the HfLaO nanocomposite dielectric film.

도 7을 참조하여 HfLaO 나노컴포지트 유전막의 증착예를 자세히 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 7, a deposition example of an HfLaO nanocomposite dielectric film is described in detail.

증착공정을 설명하기 앞서, HfO2 증착사이클은 (Hf/N2/O3/N2)를 단위사이클로 하고 이 단위사이클을 y회 반복진행한다. 상기 단위사이클에서 Hf는 Hf 소스이고, N2는 퍼지가스이며, O3은 산화제 가스이다.Before describing the deposition process, the HfO 2 deposition cycle is (Hf / N 2 / O 3 / N 2 ) as a unit cycle and the unit cycle is repeated y times. In the unit cycle, Hf is an Hf source, N 2 is a purge gas, and O 3 is an oxidant gas.

그리고, La2O3 증착사이클은 (La/N2/O3/N2)를 단위사이클로 하고 이 단위사이클을 z회 반복진행한다. 상기 단위사이클에서 La은 La 소스이고, N2는 퍼지가스이며, O3는 산화제 가스이다.In the La 2 O 3 deposition cycle, (La / N 2 / O 3 / N 2 ) is a unit cycle, and the unit cycle is repeated z times. In the unit cycle, La is a La source, N 2 is a purge gas, and O 3 is an oxidant gas.

그리고, HfO2 증착사이클과 La2O3 증착사이클은 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내에서 진행한다.The HfO 2 deposition cycle and the La 2 O 3 deposition cycle proceed in a chamber maintaining a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C.

먼저 HfO2의 증착에 대해 설명하면, HfCl4, Hf(NO3)4, Hf(NCH2C2H5)4 또는 Hf(OC2H5)4 중에서 선택되는 Hf 소스를 기화기에서 기화시킨후 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시켜 Hf 소스를 흡착시킨다. 다음에, 미반응 Hf 소스를 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행하고, 산화제인 O3 가스를 0.1초∼3초간 플로우시켜 흡착된 Hf 소스와 O3 사이의 반응을 유도하여 HfO2를 증착한다. 다음에, 미반응 O3 및 반응부산물을 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행한다. First, the deposition of HfO 2 will be described. After vaporizing an Hf source selected from HfCl 4 , Hf (NO 3 ) 4 , Hf (NCH 2 C 2 H 5 ) 4, or Hf (OC 2 H 5 ) 4 in a vaporizer, The Hf source is adsorbed by flowing 0.1 seconds to 3 seconds into a chamber that maintains a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove the unreacted Hf source, and the adsorbed Hf source and O are flowed by oxidizing O 3 gas for 0.1 seconds to 3 seconds. Induce a reaction between 3 to deposit HfO 2 . Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted O 3 and the reaction byproduct.

전술한 바와 같은 Hf 소스, N2 퍼지, O3 공급, N2 퍼지의 과정을 단위사이클로 하고, 이 단위사이클을 y회 반복 실시하여 원하는 두께(1Å∼5Å)의 HfO2을 증착한다. 그리고, 산화제로는 O3외에 H2O 증기를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로는 질소(N2) 외에 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이용할 수도 있다.Cycloalkyl Hf source, N 2 purge, O 3 supplied, N units of the second purge process as described above, and subjected to a cycle unit of y-repeated to deposit a desired thickness of HfO 2 (1Å~5Å). As the oxidant, H 2 O vapor may be used in addition to O 3 , and an inert gas such as argon (Ar) may be used in addition to nitrogen (N 2 ) as the purge gas.

다음으로, La2O3 증착에 대해 설명하면, 기판 온도를 100℃∼450℃, 압력을 0.1torr∼10torr로 유지한 상태에서 La 소스인 La(tmhd)3를 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시켜 기판에 La(tmhd)3를 흡착시킨다. 다음에, 미반응 La(tmhd)3를 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행하고, 산화제인 O3 가스를 0.1초∼3초간 플로우시켜 흡착된 La(tmhd)3와 O3 사이의 반응을 유도하여 원자층 단위의 La2O3를 증착한다. 다음에, 미반응 O3 및 반응부산물을 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행한다. Next, La 2 O 3 deposition will be described. La (tmhd) 3 , which is a La source, is kept in the chamber for 0.1 seconds to 3 seconds while the substrate temperature is maintained at 100 ° C. to 450 ° C. and the pressure is 0.1 to 10 tor. Flow to adsorb La (tmhd) 3 to the substrate. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted La (tmhd) 3 , and the O 3 gas, which is an oxidant, is flowed for 0.1 seconds to 3 seconds, to adsorb La. The reaction between (tmhd) 3 and O 3 is induced to deposit La 2 O 3 in atomic layer units. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted O 3 and the reaction byproduct.

전술한 바와 같은 La(tmhd)3 공급, N2 퍼지, O3 공급, N2 퍼지의 과정을 단위사이클로 하고, 이 단위사이클을 z회 반복 실시하여 원하는 두께(1Å∼5Å)의 La2O3를 증착한다. 여기서, La2O3의 La 소스로는 전술한 La(tmhd)3 외에 La(iPrCp)3, La(tmhd)3:tetraglyme, La(tmhd)3:tetraen 또는 La(tmhd)3:diglyme 중에서 선택된 La 소스를 이용할 수도 있다. 그리고, 산화제로는 O3외에 H2O 증기(vapor)를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로는 질소 외에 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이용할 수도 있다.La (tmhd) 3 supplied as described above, N 2 purge, O 3 supplied, the process cycles of N 2 purge unit, and this unit cycle z times repeatedly performed by La 2 O 3 of desired thickness (1Å~5Å) Deposit. Here, the La source of the La 2 O 3 in addition to three aforementioned La (tmhd) La (iPrCp) 3, La (tmhd) 3: tetraglyme, La (tmhd) 3: tetraen or La (tmhd) 3: selected from diglyme You can also use La sauce. In addition to O 3 , H 2 O vapor may be used as the oxidant, and inert gas such as argon (Ar) may be used as the purge gas.

도 8은 도 7에 의해 증착된 HfLaO 나노컴포지트 유전막의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating the structure of the HfLaO nanocomposite dielectric film deposited by FIG. 7.

도 8을 참조하면, HfLaO 나노컴포지트 유전막은 HfO2와 La2O3가 레이어 바이 레이어(Layer by layer) 개념으로 적층되어 형성되는 것이 아니라 HfO2와 La2O3가 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 8, the HfLaO nanocomposite dielectric layer is not formed by stacking HfO 2 and La 2 O 3 in a layer by layer concept, but a mixture of HfO 2 and La 2 O 3 in a nanocomposite form. Has

이처럼 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖는 이유는 도 7에 의한 원자층증착법을 이용하여 HfO2와 La2O3를 증착하기 때문이며, 특히 HfO2 증착사이클 횟수와 La2O3 증착사이클 횟수를 조절하여 HfO2와 La2O3를 각각 1Å∼5Å의 두께로 형성하기 때문이다. 여기서, HfO2와 La2O3의 1Å∼5Å 두께는 각 막들이 불연속적으로 형성되는 두께로, 5Å보다 두껍게 증착하는 경우에는 연속적인 막 형태를 가져 HfO2와 La2O3가 레이어 바이 레이어 형태로 적층되는 구조가 된다.The reason for having such a mixed structure in the form of nanocomposite is because HfO 2 and La 2 O 3 are deposited using the atomic layer deposition method of FIG. 7, in particular, the number of HfO 2 deposition cycles and the number of La 2 O 3 deposition cycles are controlled. This is because HfO 2 and La 2 O 3 are formed to have a thickness of 1 kPa to 5 kPa, respectively. Here, the thickness of 1Å to 5Å of HfO 2 and La 2 O 3 is the thickness that each film is formed discontinuously, and when deposited thicker than 5Å, HfO 2 and La 2 O 3 are layered by layer. It becomes a structure laminated | stacked in the form.

위와 같이 원자층증착법을 이용하여 HfO2와 La2O3가 혼합되어 있는 HfLaO 나노컴포지트 유전막을 형성하기 위해서 다음의 조건을 만족해야 한다.In order to form the HfLaO nanocomposite dielectric film in which HfO 2 and La 2 O 3 are mixed using the atomic layer deposition method, the following conditions must be satisfied.

첫째, HfO2와 La2O3의 나노컴포지트(Nano-composite) 효과를 증대시키기 위하여 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클에 의해 형성되는 HfO2와 (La 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클에 의해 형성되는 La2O3의 두께가 1Å∼5Å의 두께가 되도록 한다. 여기서, 각각 막의 두께가 5Å보다 두꺼우면 각각의 막이 독립적인 특성-연속적인 막-을 발휘하므로 종래 HfO2/La2O3 적층 유전막과 같거나 오히려 열화된 특성을 보일 수 있다.First, in order to increase the nano-composite effect of HfO 2 and La 2 O 3 (Hf source / purge / oxidant exposure / purge), HfO 2 and (La source / purge / oxidant exposure) formed by y cycles. / Purge) The thickness of La 2 O 3 formed by the z cycle is 1 kPa to 5 kPa. In this case, when the thickness of each film is thicker than 5 GPa, each film exhibits an independent characteristic-continuous film- and thus may exhibit the same or deteriorated characteristics as the conventional HfO 2 / La 2 O 3 laminated dielectric film.

둘째, 레이어 바이 레이어(layer by layer) 개념이 아니라 HfO2와 La2O3가 혼합되는 나노컴포지트(Nano-composite) 구조를 위해 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클과 (La 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클에서 사이클 횟수인 y와 z를 10 이하로 한다. 즉, y:z의 비율을 1:10∼10:1로 한다.Secondly, for the nano-composite structure where HfO 2 and La 2 O 3 are mixed, not the concept of layer by layer, the (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y cycle and (La source / Purge / oxidant exposure / purge) The number of cycles y and z in the z cycle is 10 or less. In other words, the ratio y: z is set to 1:10 to 10: 1.

위와 같이, y와 z를 10 이하로 하면, HfO2와 La2O3가 적층되는 것이 아니라 혼합되는 나노컴포지트(Nano-composite)를 형성하고, 이로써 La2O3도 아니고 HfO2도 아닌 새로운 컴포지트 물질인 HfLaO 나노 컴포지트 유전막이 형성되는 것이다. 더불어, 증착사이클비율인 y:z의 비율을 1:10∼10:1로 하면, HfO2와 La2O3를 각각 1Å∼5Å의 두께로 증착할 수 있다.As above, when y and z are 10 or less, HfO 2 and La 2 O 3 are not laminated but form a nanocomposite that is mixed, thereby forming a new composite that is neither La 2 O 3 nor HfO 2 . HfLaO nanocomposite dielectric film is formed. In addition, when the ratio of y: z, which is the deposition cycle ratio, is set to 1:10 to 10: 1, HfO 2 and La 2 O 3 can be deposited at a thickness of 1 kPa to 5 kPa, respectively.

전술한 것처럼, HfLaO 나노 컴포지트 유전막을 원자층증착법을 통해 증착사이클비(y:z=1:10∼10:1)를 조절하여 각각 1Å∼5Å의 두께로 증착하여 나노컴포지트 형태로 혼합하여 증착하면, HfO2, La2O3 또는 HfO2/La2O3 적층막에 비해 결정화온도가 높아지고 고온에서도 잘 견디며, 유전특성이 우수해진다. 여기서, 유전특성의 향상은 HfO2의 유전율이 25이고 La2O3의 유전율이 30이므로 HfLaO 나노 컴포지트 유전막의 유전율은 적어도 HfO2의 유전율보다 큰 25∼30 수준인 것으로부터 알 수 있다.As described above, when the HfLaO nanocomposite dielectric film is deposited with a thickness of 1 Å to 5 각각 by controlling the deposition cycle ratio (y: z = 1: 10 to 10: 1) through atomic layer deposition, the mixture is deposited in nanocomposite form. Compared to HfO 2 , La 2 O 3 or HfO 2 / La 2 O 3 laminated film, the crystallization temperature is higher, and it can withstand high temperatures, and the dielectric properties are excellent. Here, the improvement of the dielectric characteristic of the dielectric constant because the dielectric constant of HfO 2 is 25 and the dielectric constant is 30, the La 2 O 3 HfLaO nanocomposite dielectric layer can be seen from 25 to 30 to be greater than the level of dielectric constant of at least HfO 2.

한편, HfLaO 나노컴포지트 유전막을 증착한 후에는 막내에 포함되어 있는 유기물을 효과적으로 제거하고 막을 치밀화시키기 위해 후속 어닐처리를 수반한다. 이때, 어닐처리는 O3 분위기에서 300℃∼500℃ 온도에서 30초∼120초동안 진행한다.On the other hand, after depositing the HfLaO nanocomposite dielectric film, subsequent annealing is involved to effectively remove organic matter contained in the film and to densify the film. At this time, the annealing process is carried out for 30 seconds to 120 seconds at 300 ℃ to 500 ℃ temperature in O 3 atmosphere.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 HfTaO 나노컴포지트 유전막의 원자층증착법을 설명하기 위한 도면으로서, HfTaO 나노컴포지트 유전막을 원자층증착법에 의해 형성할 때 가스를 챔버내로 공급하는 개념을 나타낸 도면이다.9 is a view for explaining the atomic layer deposition method of the HfTaO nanocomposite dielectric film according to the third embodiment of the present invention, the concept of supplying a gas into the chamber when the HfTaO nanocomposite dielectric film is formed by the atomic layer deposition method. to be.

HfTaO 나노컴포지트 유전막을 증착하기 위한 원자층증착공정의 단위 사이클은 다음과 같다.The unit cycle of the atomic layer deposition process for depositing an HfTaO nanocomposite dielectric film is as follows.

[단위 사이클 3][Unit Cycle 3]

[(Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y(Ta 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z]n [(Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y (Ta source / purge / oxidant exposure / purge) z ] n

위 단위사이클3에서 Hf 소스는 HfO2를 형성하기 위한 Hf 소스를 공급하는 펄스이고, Ta 소스는 Ta2O5를 형성하기 위한 Ta 소스를 공급하는 펄스이며, y는 HfO2의 막두께를 결정하는 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지) 사이클의 횟수, z는 Ta2O5의 막두께를 결정하는 (Ta 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지) 사이클의 횟수를 나타내고, n은 HfTaO 유전막의 두께를 결정하는 사이클의 횟수를 나타낸다.In unit cycle 3, the Hf source is a pulse supplying an Hf source for forming HfO 2 , the Ta source is a pulse supplying a Ta source for forming Ta 2 O 5 , and y is a film thickness of HfO 2 . The number of cycles (Hf source / purge / oxidant exposure / purge), z denotes the number of cycles (Ta source / purge / oxidant exposure / purge) to determine the film thickness of Ta 2 O 5 , and n is the number of cycles of HfTaO dielectric film. The number of cycles for determining the thickness is shown.

단위사이클3을 자세히 살펴보면, (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클은 Hf 소스, 퍼지, 산화제 노출 및 퍼지로 구성된 사이클을 y회 반복하는 HfO2 증착 사이클을 일컬으며, (Ta 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클은 Ta 소스, 퍼지, 산화제노출 및 퍼지로 구성된 사이클을 z회 반복하는 Ta2O5 증착사이클을 일컫는다. 상기한 바와 같은 각 증착사이클을 y 및 z회 반복수행하므로써 요구되는 두께의 HfO2와 Ta2O5를 각각 증착하고, HfO2 증착사이클과 Ta2O5 증착사이클의 통합 증착사이클을 n회 반복수행하여 HfTaO 나노컴포지트 유전막의 총 두께를 결정한다.Looking at unit cycle 3 in detail, the (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y cycle refers to the HfO 2 deposition cycle that repeats the cycle consisting of Hf source, purge, oxidant exposure and purge y times (Ta source / Purge / Oxidant Exposure / Purge) The z cycle refers to a Ta 2 O 5 deposition cycle that repeats z cycles consisting of Ta source, purge, oxidant exposure and purge. By repeating each of the above deposition cycles y and z times, HfO 2 and Ta 2 O 5 of the required thickness are deposited respectively, and the integrated deposition cycle of HfO 2 deposition cycle and Ta 2 O 5 deposition cycle is repeated n times. To determine the total thickness of the HfTaO nanocomposite dielectric film.

도 4를 참조하여 HfZrO 나노컴포지트 유전막의 증착예를 자세히 설명하면 다음과 같다.The deposition example of the HfZrO nanocomposite dielectric film will be described in detail with reference to FIG. 4.

증착공정을 설명하기 앞서, HfO2 증착사이클은 (Hf/N2/O3/N2)를 단위사이클로 하고 이 단위사이클을 y회 반복진행한다. 상기 단위사이클에서 Hf는 Hf 소스이고, N2는 퍼지가스이며, O3은 산화제 가스이다.Before describing the deposition process, the HfO 2 deposition cycle is (Hf / N 2 / O 3 / N 2 ) as a unit cycle and the unit cycle is repeated y times. In the unit cycle, Hf is an Hf source, N 2 is a purge gas, and O 3 is an oxidant gas.

그리고, Ta2O5 증착사이클은 (Ta/N2/O3/N2)를 단위사이클로 하고 이 단위사이클을 z회 반복진행한다. 상기 단위사이클에서 Ta은 Ta 소스이고, N2는 퍼지가스이며, O3는 산화제 가스이다.In the Ta 2 O 5 deposition cycle, (Ta / N 2 / O 3 / N 2 ) is a unit cycle, and the unit cycle is repeated z times. In the unit cycle, Ta is a Ta source, N 2 is a purge gas, and O 3 is an oxidant gas.

그리고, HfO2 증착사이클과 Ta2O5 증착사이클은 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내에서 진행한다.The HfO 2 deposition cycle and the Ta 2 O 5 deposition cycle proceed in a chamber maintaining a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C.

먼저 HfO2의 증착에 대해 설명하면, HfCl4, Hf(NO3)4, Hf(NCH2C2H5)4 또는 Hf(OC2H5)4 중에서 선택되는 Hf 소스를 기화기에서 기화시킨후 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시켜 Hf 소스를 흡착시킨다. 다음에, 미반응 Hf 소스를 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행하고, 산화제인 O3 가스를 0.1초∼3초간 플로우시켜 흡착된 Hf 소스와 O3 사이의 반응을 유도하여 HfO2를 증착한다. 다음에, 미반응 O3 및 반응부산물을 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행한다. First, the deposition of HfO 2 will be described. After vaporizing an Hf source selected from HfCl 4 , Hf (NO 3 ) 4 , Hf (NCH 2 C 2 H 5 ) 4, or Hf (OC 2 H 5 ) 4 in a vaporizer, The Hf source is adsorbed by flowing 0.1 seconds to 3 seconds into a chamber that maintains a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove the unreacted Hf source, and the adsorbed Hf source and O are flowed by oxidizing O 3 gas for 0.1 seconds to 3 seconds. Induce a reaction between 3 to deposit HfO 2 . Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted O 3 and the reaction byproduct.

전술한 바와 같은 Hf 소스, N2 퍼지, O3 공급, N2 퍼지의 과정을 단위사이클로 하고, 이 단위사이클을 y회 반복 실시하여 원하는 두께(1Å∼5Å)의 HfO2을 증착한다. 그리고, 산화제로는 O3외에 H2O 증기를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로는 질소(N2) 외에 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이용할 수도 있다.Cycloalkyl Hf source, N 2 purge, O 3 supplied, N units of the second purge process as described above, and subjected to a cycle unit of y-repeated to deposit a desired thickness of HfO 2 (1Å~5Å). As the oxidant, H 2 O vapor may be used in addition to O 3 , and an inert gas such as argon (Ar) may be used in addition to nitrogen (N 2 ) as the purge gas.

다음으로, Ta2O5 증착에 대해 설명하면, 기판 온도를 100℃∼450℃, 압력을 0.1torr∼10torr로 유지한 상태에서 Ta 펜톡사이드(Ta pentoxide)를 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시켜 기판에 Ta 펜톡사이드를 흡착시킨다. 다음에, 미반응 Ta 펜톡사이드를 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행하고, 산화제인 O3 가스를 0.1초∼3초간 플로우시켜 흡착된 Ta 펜톡사이드와 O3 사이의 반응을 유도하여 원자층 단위의 Ta2O5를 증착한다. 다음에, 미반응 O3 및 반응부산물을 제거하기 위해 질소(N2) 가스를 0.1초∼5초간 플로우시키는 퍼지 과정을 수행한다. Next, Ta 2 O 5 deposition will be described. Ta pentoxide is flowed into the chamber for 0.1 to 3 seconds while the substrate temperature is maintained at 100 ° C. to 450 ° C. and the pressure is 0.1 to 10 tor. To adsorb Ta pentoxide to the substrate. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted Ta pentoxide, and the adsorbed Ta pentoxide is flowed by oxidizing O 3 gas for 0.1 seconds to 3 seconds. The reaction between and O 3 is induced to deposit Ta 2 O 5 in atomic layer units. Next, a purge process is performed in which nitrogen (N 2 ) gas is flowed for 0.1 seconds to 5 seconds to remove unreacted O 3 and the reaction byproduct.

전술한 바와 같은 Ta 펜톡사이드 공급, N2 퍼지, O3 공급, N2 퍼지의 과정을 단위사이클로 하고, 이 단위사이클을 z회 반복 실시하여 원하는 두께(1Å∼5Å)의 Ta2O5를 증착한다. 여기서, 산화제로는 O3외에 H2O 증기(vapor)를 이용할 수 있고, 퍼지 가스로는 질소 외에 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이용할 수도 있다.The Ta pentoside supply, the N 2 purge, the O 3 feed, and the N 2 purge as described above are used as a unit cycle, and the unit cycle is repeated z times to deposit Ta 2 O 5 having a desired thickness ( 1 to 5 μs). do. Here, as an oxidant, H 2 O vapor may be used in addition to O 3 , and an inert gas such as argon (Ar) may be used as the purge gas.

도 10은 도 9에 의해 증착된 HfTaO 나노컴포지트 유전막의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating the structure of the HfTaO nanocomposite dielectric film deposited by FIG. 9.

도 10을 참조하면, HfTaO 나노컴포지트 유전막은 HfO2와 Ta2O5가 레이어 바이 레이어(Layer by layer) 개념으로 적층되어 형성되는 것이 아니라 HfO2와 Ta2O5가 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 10, the HfTaO nanocomposite dielectric layer is not formed by stacking HfO 2 and Ta 2 O 5 in a layer by layer concept, but a mixture of HfO 2 and Ta 2 O 5 in a nanocomposite form. Has

이처럼 나노컴포지트 형태로 혼합된 구조를 갖는 이유는 도 9에 의한 원자층증착법을 이용하여 HfO2와 Ta2O5를 증착하기 때문이며, 특히 HfO2 증착사이클 횟수와 Ta2O5 증착사이클 횟수를 조절하여 HfO2와 Ta2O5를 각각 1Å∼5Å의 두께로 형성하기 때문이다. 여기서, HfO2와 Ta2O5의 1Å∼5Å 두께는 각 막들이 불연속적으로 형성되는 두께로, 5Å보다 두껍게 증착하는 경우에는 연속적인 막 형태를 가져 HfO2와 Ta2O5가 레이어 바이 레이어 형태로 적층되는 구조가 된다.The reason for having the mixed structure in the form of nanocomposite is because HfO 2 and Ta 2 O 5 are deposited by using the atomic layer deposition method of FIG. 9, in particular, the number of HfO 2 deposition cycles and the number of Ta 2 O 5 deposition cycles are controlled. This is because HfO 2 and Ta 2 O 5 are formed to have a thickness of 1 kPa to 5 kPa, respectively. Here, the thickness of 1Å to 5Å of HfO 2 and Ta 2 O 5 is the thickness of each film formed discontinuously, and when deposited thicker than 5Å, HfO 2 and Ta 2 O 5 are layered by layer. It becomes a structure laminated | stacked in the form.

위와 같이 원자층증착법을 이용하여 HfO2와 Ta2O5가 혼합되어 있는 HfTaO 나노컴포지트 유전막을 형성하기 위해서 다음의 조건을 만족해야 한다.In order to form the HfTaO nanocomposite dielectric film in which HfO 2 and Ta 2 O 5 are mixed by using the atomic layer deposition method, the following conditions must be satisfied.

첫째, HfO2와 Ta2O5의 나노컴포지트(Nano-composite) 효과를 증대시키기 위하여 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클에 의해 형성되는 HfO2와 (Ta 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클에 의해 형성되는 Ta2O5의 두께가 1Å∼5Å의 두께가 되도록 한다. 여기서, 각각 막의 두께가 5Å보다 두꺼우면 각각의 막이 독립적인 특성-연속적인 막-을 발휘하므로 종래 HfO2/Ta2O5 적층 유전막과 같거나 오히려 열화된 특성을 보일 수 있다.First, HfO 2 and Ta 2 O 5 nanocomposite (Nano-composite) to increase the effect (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) HfO 2 and (Ta source / purge / oxidant exposure formed by the y-cycle of / Purge) The thickness of Ta 2 O 5 formed by the z cycle is set to be 1 kPa to 5 kPa. In this case, when the thickness of each film is thicker than 5 GPa, each film exhibits an independent characteristic-continuous film- and thus may exhibit the same or deteriorated characteristics as the conventional HfO 2 / Ta 2 O 5 laminated dielectric film.

둘째, 레이어 바이 레이어(layer by layer) 개념이 아니라 HfO2와 Ta2O5가 혼합되는 나노컴포지트(Nano-composite) 구조를 위해 (Hf 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)y 사이클과 (Ta 소스/퍼지/산화제 노출/퍼지)z 사이클에서 사이클 횟수인 y와 z를 10 이하로 한다. 즉, y:z의 비율을 1:10∼10:1로 한다.Second, for the nano-composite structure where HfO 2 and Ta 2 O 5 are mixed, not the concept of layer by layer, the (Hf source / purge / oxidant exposure / purge) y cycle and (Ta source) / Purge / oxidant exposure / purge) The number of cycles y and z in the z cycle is 10 or less. In other words, the ratio y: z is set to 1:10 to 10: 1.

위와 같이, y와 z를 10 이하로 하면, HfO2와 Ta2O5가 적층되는 것이 아니라 혼합되는 나노컴포지트(Nano-composite)를 형성하고, 이로써 Ta2O5도 아니고 HfO2도 아닌 새로운 컴포지트 물질인 HfTaO 나노 컴포지트 유전막이 형성되는 것이다. 더불어, 증착사이클비율인 y:z의 비율을 1:10∼10:1로 하면, HfO2와 Ta2O5를 각각 1Å∼5Å의 두께로 증착할 수 있다.As above, when y and z are 10 or less, HfO 2 and Ta 2 O 5 are not laminated but form a mixed nanocomposite, thereby creating a new composite which is neither Ta 2 O 5 nor HfO 2 . HfTaO nanocomposite dielectric film is formed. In addition, when the ratio of y: z, which is the deposition cycle ratio, is set to 1:10 to 10: 1, HfO 2 and Ta 2 O 5 can be deposited at a thickness of 1 kPa to 5 kPa, respectively.

전술한 것처럼, HfTaO 나노 컴포지트 유전막을 원자층증착법을 통해 증착사이클비(y:z=1:10∼10:1)를 조절하여 각각 1Å∼5Å의 두께로 증착하여 나노컴포지트 형태로 혼합하여 증착하면, HfO2, Ta2O5 또는 HfO2/Ta2O5 적층막에 비해 결정화온도가 높아지고 고온에서도 잘 견디며, 유전특성이 우수해진다. 여기서, 유전특성의 향상은 HfO2의 유전율이 25이고 Ta2O5의 유전율이 26이므로 HfTaO 나노 컴포지트 유전막의 유전율은 적어도 HfO2의 유전율보다 큰 수준인 것으로부터 알 수 있다.As described above, when the HfTaO nanocomposite dielectric film is deposited to a thickness of 1 Å to 5 각각 by controlling the deposition cycle ratio (y: z = 1: 10 to 10: 1) through atomic layer deposition, mixed and deposited in nanocomposite form Compared to the HfO 2 , Ta 2 O 5 or HfO 2 / Ta 2 O 5 laminated film, the crystallization temperature is higher, and it can withstand high temperatures, and the dielectric properties are excellent. In this case, the dielectric constant is improved because the dielectric constant of HfO 2 is 25 and the dielectric constant of Ta 2 O 5 is 26, indicating that the dielectric constant of the HfTaO nanocomposite dielectric film is at least higher than that of HfO 2 .

한편, HfTaO 나노컴포지트 유전막을 증착한 후에는 막내에 포함되어 있는 유기물을 효과적으로 제거하고 막을 치밀화시키기 위해 후속 어닐처리를 수반한다. 이때, 어닐처리는 O3 분위기에서 300℃∼500℃ 온도에서 30초∼120초동안 진행한다.On the other hand, after the deposition of the HfTaO nanocomposite dielectric film, subsequent annealing is involved to effectively remove organic matter contained in the film and to densify the film. At this time, the annealing process is carried out for 30 seconds to 120 seconds at 300 ℃ to 500 ℃ temperature in O 3 atmosphere.

상술한 제1실시예 내지 제3실시예에 따른 HfZrO, HfLaO, HfTaO 나노컴포지트 유전막은 총 두께가 25Å∼200Å 두께이다.The HfZrO, HfLaO, and HfTaO nanocomposite dielectric films according to the first to third embodiments described above have a total thickness of 25 kPa to 200 kPa.

도 11은 본 발명의 HfZrO 나노컴포지트 유전막을 채택한 캐패시터의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 11 shows the structure of a capacitor employing the HfZrO nanocomposite dielectric film of the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명의 캐패시터는, 하부전극(21), 하부전극(21) 상에 HfO2와 ZrO2가 나노컴포지트 형태로 혼합되어 있는 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22), HfZrO 나노컴포지트 유전막(22) 상의 상부전극(23)으로 구성된다. Referring to FIG. 11, the capacitor of the present invention includes a HfZrO nanocomposite dielectric layer 22 and a HfZrO nanocomposite dielectric layer in which HfO 2 and ZrO 2 are mixed in a nanocomposite form on the lower electrode 21 and the lower electrode 21. It consists of the upper electrode 23 on 22. As shown in FIG.

도 11에서, 하부전극(21)과 상부전극(23)은 인(P) 또는 비소(As)가 도핑된 폴리실리콘막, TiN, Ru, RuO2, Pt, Ir 및 IrO2로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이며, 예컨대, 하부전극(21)과 상부전극(23)이 모두 폴리실리콘막으로 구성되어 SIS(Silicon Insulator Silicon) 캐패시터 구조를 형성하거나, 하부전극(21)은 폴리실리콘막이고 상부전극(23)은 금속막 또는 금속산화막으로 구성되어 MIS(Metal Insulator Silicon) 캐패시터 구조를 형성하거나 또는 하부전극(21)과 상부전극(23)이 모두 금속막 또는 금속산화막으로 구성되어 MIM(Metal Insulator Metal) 캐패시터 구조를 형성할 수 있다. 아울러, 하부전극(21)은 적층(stack) 구조, 콘케이브(concave) 구조 또는 실린더(cylinder) 구조의 3차원 구조일 수 있다.In FIG. 11, the lower electrode 21 and the upper electrode 23 are selected from the group consisting of a polysilicon film doped with phosphorus (P) or arsenic (As), TiN, Ru, RuO 2 , Pt, Ir, and IrO 2 . For example, the lower electrode 21 and the upper electrode 23 are both made of a polysilicon film to form a silicon insulator silicon (SIS) capacitor structure, or the lower electrode 21 is a polysilicon film and the upper electrode 23. ) Is composed of a metal film or a metal oxide film to form a metal insulator silicon (MIS) capacitor structure, or the lower electrode 21 and the upper electrode 23 are all composed of a metal film or a metal oxide film, and thus a metal insulator metal (MIM) capacitor The structure can be formed. In addition, the lower electrode 21 may be a three-dimensional structure of a stack structure, a concave structure, or a cylinder structure.

그리고, 하부전극(21)과 상부전극(23) 사이에 위치하는 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)은 도 4 및 도 5의 원리를 이용하여 원자층증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통해 증착한 것으로, 단위사이클1과 같이 HfO2를 원자층 단위로 증착하는 사이클과 ZrO2를 원자층 단위로 증착하는 사이클을 반복 수행하여 총 두께를 25Å∼200Å 두께로 형성한 것이다.The HfZrO nanocomposite dielectric layer 22 disposed between the lower electrode 21 and the upper electrode 23 is deposited by atomic layer deposition (ALD) using the principles of FIGS. 4 and 5. As shown in Unit Cycle 1, the cycle of depositing HfO 2 in atomic layer units and the cycle of depositing ZrO 2 in atomic layer units are repeated to form a total thickness of 25 kPa to 200 kPa.

상기한 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)에서, 하부전극(21)과 상부전극(23)에 직접 접촉하는 막이 HfO2 및 ZrO2 단독이 아니고 HfO2와 ZrO2가 모두 하부전극(21)과 상부전극(23)에 직접 접촉하는 형태를 갖는다(도 5 참조). 즉, HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)은 HfO2와 ZrO2가 레이어 바이 레이어 개념의 적층(Stack) 형태로 형성된 것이 아니라, HfO2와 ZrO2가 나노컴포지트 형태로 혼합된 것이다.In the above HfZrO nanocomposite dielectric layer 22, lower electrode 21 and the film is in direct contact to the top electrode (23), HfO 2 and ZrO 2 is not a single HfO 2 and ZrO 2 are both the lower electrode 21 and upper electrode It has a form in direct contact with 23 (see Fig. 5). That is, the HfZrO nanocomposite dielectric layer 22 is not formed of HfO 2 and ZrO 2 in a stack form of a layer by layer concept, but HfO 2 and ZrO 2 are mixed in a nanocomposite form.

이와 같이, HfO2와 ZrO2가 나노컴포지트 형태로 혼합된 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)은 원자층증착법을 이용하여 증착하기 때문에 가능하다. 즉, 도 5에서 설명한 것처럼, 원자층증착법의 특성상 사이클 횟수 조정에 따라 막을 불연속적으로 형성할 수 있기 때문에 HfO2와 ZrO2가 나노컴포지트 형태로 혼합된다. As described above, the HfZrO nanocomposite dielectric film 22 in which HfO 2 and ZrO 2 are mixed in the form of a nanocomposite is deposited by atomic layer deposition. That is, as described with reference to FIG. 5, since the film can be formed discontinuously according to the cycle number adjustment due to the characteristics of the atomic layer deposition method, HfO 2 and ZrO 2 are mixed in the form of nanocomposite.

HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)의 원자층증착방법은 전술한 도 4, 도 5 및 그에 따른 설명을 참조하기로 한다.The atomic layer deposition method of the HfZrO nanocomposite dielectric layer 22 will be described with reference to FIGS. 4 and 5 and the description thereof.

상기 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)은 원자층증착법(ALD)을 이용하여 증착하는데, 이때 HfO2와 ZrO2의 두께가 각각 1Å∼5Å의 두께가 되도록 각 사이클 횟수를 조절하여 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22)의 총 두께가 25Å∼200Å 두께가 되도록 한다. 도 4 및 도 5의 설명에서 각 사이클횟수의 비율인 y:z의 비율을 1:10∼10:1로 한다고 밝힌 바 있다.The HfZrO nanocomposite dielectric film 22 is deposited using atomic layer deposition (ALD), wherein the number of cycles is adjusted so that the thicknesses of HfO 2 and ZrO 2 are 1 kPa to 5 kPa, respectively, and the HfZrO nanocomposite dielectric film 22 ) Should be 25 총 to 200Å thick. In the description of FIGS. 4 and 5, the ratio of y: z, which is the ratio of the number of cycles, is set to be 1:10 to 10: 1.

여기서, HfO2와 ZrO2의 1Å∼5Å 두께는 각 막들이 불연속적으로 형성되는 두께로, 5Å보다 두껍게 증착하는 경우에는 연속적인 막 형태를 가져 하부전극(21)과 상부전극(23)에 직접 접촉하지 않는 HfO2(22a)와 ZrO2(22b)의 적층 구조가 되어 HfZrO 나노컴포지트 유전막보다 특성이 저하된다.Here, the thickness of 1Å to 5Å of HfO 2 and ZrO 2 is a thickness in which each film is formed discontinuously. In case of depositing thicker than 5Å, it has a continuous film form and is directly connected to the lower electrode 21 and the upper electrode 23. It becomes a laminated structure of HfO 2 (22a) and ZrO 2 (22b) that are not in contact with each other, resulting in deterioration in characteristics than the HfZrO nanocomposite dielectric film.

한편, 도 11에서 하부전극(21)이 폴리실리콘막인 경우에는 하부전극(21)의 표면에 후속 HfZrO 나노컴포지트 유전막(22) 형성시 하부전극(21)의 표면이 산화되어 자연산화막이 형성되는 것을 억제하기 위하여 NH3 분위기에서 800℃∼1000℃ 온도로 10초∼120초동안 RTP(Rapid Thermal Process)를 진행하여 실리콘질화막(SiN, 24)을 형성해준다. 이처럼, 실리콘질화막(24)을 형성해주면 자연산화막 생성으로 인해 초래되는 누설전류특성저하 및 유전율감소를 방지한다.Meanwhile, in FIG. 11, when the lower electrode 21 is a polysilicon film, when the HfZrO nanocomposite dielectric film 22 is formed on the surface of the lower electrode 21, the surface of the lower electrode 21 is oxidized to form a natural oxide film. In order to suppress this, a silicon nitride film (SiN, 24) is formed by performing a rapid thermal process (RTP) for 10 seconds to 120 seconds at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. in an NH 3 atmosphere. As such, forming the silicon nitride film 24 prevents a decrease in the leakage current characteristic and a decrease in the dielectric constant caused by the formation of the natural oxide film.

상술한 도 11에서는 캐패시터의 유전막이 HfZrO 나노컴포지트 유전막인 경우에 대해 설명하였으나, 캐패시터의 유전막은 HfLaO, HfTaO도 적용가능하다.In FIG. 11, the case where the dielectric film of the capacitor is an HfZrO nanocomposite dielectric film has been described. However, HfLaO and HfTaO may be applied to the dielectric film of the capacitor.

전술한 바와 같이, 캐패시터의 유전막으로 나노컴포지트 형태를 갖는 HfZrO, HfLaO 또는 HfTaO를 사용하므로써 얇은 두께에서도 누설전류특성이 확보되어 높은 충전용량을 얻을 수 있다.As described above, by using HfZrO, HfLaO, or HfTaO having a nanocomposite shape as the dielectric film of the capacitor, leakage current characteristics can be secured even at a thin thickness, thereby obtaining high charge capacity.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

상술한 본 발명은 나노컴포지트 형태의 유전막을 채택하므로써 상대적으로 얇은 두께에서도 유전율손실없이 누설전류특성을 확보하면서 높은 유전율을 갖는 캐패시터를 제조할 수 있는 효과가 있다.The present invention described above has the effect of manufacturing a capacitor having a high dielectric constant while ensuring a leakage current characteristics without loss of dielectric constant even in a relatively thin thickness by adopting a nano-composite dielectric film.

Claims (43)

HfO2과 적어도 상기 HfO2의 유전율과 동일한 유전율을 갖는 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트 유전막A nanocomposite dielectric film in which a dielectric film having a dielectric constant at least equal to that of HfO 2 and at least the HfO 2 is mixed in a nanocomposite form 을 포함하는 캐패시터의 유전막.The dielectric film of the capacitor comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유전막은 유전율이 25∼30이고, 밴드갭에너지가 4.3∼7.8인 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막.The dielectric film has a dielectric constant of 25 to 30 and a bandgap energy of 4.3 to 7.8. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유전막은 ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막.The dielectric film is a dielectric film of a capacitor, characterized in that selected from ZrO 2 , La 2 O 3 or Ta 2 O 5 . 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 나노컴포지트 유전막은 상기 HfO2와 상기 유전막이 각각 원자층증착법 을 통해 증착사이클당 1Å∼5Å 두께를 갖고 혼합된 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막.The nanocomposite dielectric film is a capacitor dielectric film, characterized in that the HfO 2 and the dielectric film are each mixed with a thickness of 1 ~ 5 Å per deposition cycle through the atomic layer deposition method. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 나노컴포지트 유전막은, 25Å∼200Å 두께인 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막.The nanocomposite dielectric film has a thickness of 25 kV to 200 kV. 원자층증착법을 이용하여 [HfO2 증착사이클]과 [유전막 증착사이클]을 각각 y회 및 z회 반복진행하여 HfO2와 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트 유전막을 증착하는 단계; 및Depositing a nanocomposite dielectric film in which HfO 2 and the dielectric film are mixed in a nanocomposite form by repeating the [HfO 2 deposition cycle] and the [dielectric film deposition cycle] y and z times using atomic layer deposition; And 상기 나노컴포지트 유전막의 치밀화를 위한 어닐링 단계Annealing step for densification of the nanocomposite dielectric layer 를 포함하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.Dielectric film production method of a capacitor comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 [HfO2 증착사이클]은,[HfO 2 deposition cycle], Hf 소스를 흡착시키는 단계;Adsorbing an Hf source; 상기 Hf 소스 중에서 미반응 Hf 소스를 제거하기 위한 퍼지 단계;A purge step to remove unreacted Hf source from the Hf source; 산화제를 공급하여 상기 흡착된 Hf 소스와의 반응을 유도하여 HfO2를 증착하는 단계; 및Supplying an oxidant to induce a reaction with the adsorbed Hf source to deposit HfO 2 ; And 미반응 산화제 및 반응부산물을 제거하기 위한 퍼지 단계Purge step to remove unreacted oxidants and reaction byproducts 를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.Dielectric film production method of a capacitor comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 [HfO2 증착사이클]은,[HfO 2 deposition cycle], 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판 온도로 진행하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.A method for producing a dielectric film for a capacitor, characterized by advancing at a pressure of 0.1 tortor to 10torr and a substrate temperature of 100 to 450C. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 Hf 소스를 흡착시키는 단계는,Adsorbing the Hf source, HfCl4, Hf(NO3)4, Hf(NCH2C2H5)4 또는 Hf(OC2H5)4 중에서 선택되는 Hf 소스를 기화기에서 기화시킨후 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시키는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.The Hf source selected from HfCl 4 , Hf (NO 3 ) 4 , Hf (NCH 2 C 2 H 5 ) 4, or Hf (OC 2 H 5 ) 4 is vaporized in a vaporizer, and the pressure is from 0.1 to 10 tor and at a temperature of from 100 to A method of manufacturing a dielectric film for a capacitor, characterized by flowing 0.1 seconds to 3 seconds into a chamber maintaining a substrate temperature of 450 ° C. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 산화제의 공급은,The supply of the oxidant, O3 또는 H2O 증기를 0.1초∼5초간 플로우시키는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.A method for producing a dielectric film for a capacitor, characterized by flowing O 3 or H 2 O vapor for 0.1 to 5 seconds. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 퍼지 단계는,The purge step, 질소 또는 비활성 가스를 이용하여 0.1초∼3초간 진행하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.A method of producing a dielectric film for a capacitor, characterized by advancing for 0.1 to 3 seconds using nitrogen or an inert gas. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 유전막은,The dielectric film deposited by the [dielectric film deposition cycle], ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.ZrO 2 , La 2 O 3 or Ta 2 O 5 A method for producing a dielectric film of a capacitor, characterized in that. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 ZrO2를 위한 Zr 소스는,Zr source for ZrO 2 deposited by the [dielectric film deposition cycle], TEMAZ[Zr{N(CH3)(C2H5)}4] 또는 TDEAZ[Zr{N(C2H5)2}4]를 사용하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.A method for producing a dielectric film for a capacitor, comprising using TEMAZ [Zr {N (CH 3 ) (C 2 H 5 )} 4 ] or TDEAZ [Zr {N (C 2 H 5 ) 2 } 4 ]. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 La2O3를 위한 La 소스는,La source for La 2 O 3 deposited by the [dielectric film deposition cycle], La(tmhd)3, La(iPrCp)3, La(tmhd)3:tetraglyme, La(tmhd)3:tetraen 또는 La(tmhd)3:diglyme 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.La (tmhd) 3 , La (iPrCp) 3 , La (tmhd) 3 : tetraglyme, La (tmhd) 3 : tetraen or La (tmhd) 3 : a method for producing a dielectric film of a capacitor, characterized in that didigmeme. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 Ta2O5를 위한 Ta 소스는,Ta source for Ta 2 O 5 deposited by the [dielectric film deposition cycle], Ta 펜톡사이드를 사용하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.Method for producing a dielectric film of a capacitor, characterized in that it uses Ta pentoxide. 제6항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 6 to 15, 상기 y와 z의 비율은 1:10∼10:1인 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.The ratio of y and z is 1:10 to 10: 1, characterized in that the dielectric film manufacturing method of the capacitor. 제6항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 6 to 15, 상기 나노컴포지트 유전막의 두께가 25Å∼200Å 두께가 되도록 상기 HfO2와 상기 유전막은 각각 증착사이클당 1Å∼5Å 두께로 여러번 증착되어 나노컴포지트 형태로 혼합되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.The HfO 2 and the dielectric film are each deposited several times at a thickness of 1 ~ 5Å per deposition cycle so that the nanocomposite dielectric film has a thickness of 25 ~ 200Å thickness and mixed in the form of nanocomposite. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 어닐링 단계는,The annealing step, 300℃∼500℃ 온도에서 30초∼120초동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 유전막 제조 방법.A method of producing a dielectric film for a capacitor, characterized in that the heat treatment for 30 seconds to 120 seconds at a temperature of 300 ℃ to 500 ℃. 하부전극;Lower electrode; 상기 하부전극 상에 HfO2과 적어도 상기 HfO2의 유전율과 동일한 유전율을 갖는 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합되어 형성된 나노컴포지트 유전막; 및Nanocomposite dielectric layer is dielectric layer having the same dielectric constant and at least a dielectric constant of the HfO 2 and HfO 2 on the lower electrode is formed of a mixture to form a nanocomposite; And 상기 나노컴포지트 유전막 상의 상부전극An upper electrode on the nanocomposite dielectric layer 을 포함하는 캐패시터.Capacitor comprising a. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 나노컴포지트 유전막을 구성하는 상기 HfO2와 유전막은 원자층증착법을 통해 증착된 것을 특징으로 하는 캐패시터.And the HfO 2 and the dielectric film forming the nanocomposite dielectric film are deposited by atomic layer deposition. 제20항에 있어서,The method of claim 20, 상기 나노컴포지트 유전막은, The nanocomposite dielectric film, 상기 HfO2와 유전막이 각각 1Å∼5Å 두께를 갖고 여러번 증착되어 나노컴포지트 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 캐패시터.The capacitor and the HfO 2 and the dielectric film each having a thickness of 1Å ~ 5Å deposited several times to have a nano-composite form. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 나노컴포지트 유전막은, 25Å∼200Å 두께인 것을 특징으로 하는 캐패 시터.The nanocomposite dielectric film has a thickness of 25 kPa to 200 kPa. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 19 to 22, 상기 유전막은,The dielectric film, ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터.A capacitor, characterized in that selected from ZrO 2 , La 2 O 3 or Ta 2 O 5 . 제23항에 있어서,The method of claim 23, wherein 상기 하부전극과 상부전극은, The lower electrode and the upper electrode, 인 또는 비소가 도핑된 폴리실리콘막인 것을 특징으로 하는 캐패시터.A capacitor characterized in that the polysilicon film doped with phosphorous or arsenic. 제24항에 있어서,The method of claim 24, 상기 하부전극과 나노컴포지트 유전막 사이에 형성된 실리콘질화막을 더 포함하는 캐패시터.And a silicon nitride film formed between the lower electrode and the nanocomposite dielectric film. 제23항에 있어서,The method of claim 23, wherein 상기 하부전극과 상부전극은, The lower electrode and the upper electrode, TiN, Ru, RuO2, Pt, Ir 또는 IrO2 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터.A capacitor, characterized in that selected from TiN, Ru, RuO 2 , Pt, Ir or IrO 2 . 하부전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode; 상기 하부전극 상에 원자층증착법을 이용하여 HfO2과 적어도 상기 HfO2의 유전율과 동일한 유전율을 갖는 유전막이 나노컴포지트 형태로 혼합된 나노컴포지트 유전막을 증착하는 단계; Depositing a nanocomposite dielectric film in which a dielectric film having a dielectric constant at least equal to that of HfO 2 and at least the HfO 2 is mixed in a nanocomposite form by using an atomic layer deposition method on the lower electrode; 상기 나노컴포지트 유전막의 치밀화를 위한 어닐링 단계; 및Annealing for densification of the nanocomposite dielectric film; And 상기 어닐링된 나노컴포지트 유전막 상에 상부전극을 형성하는 단계Forming an upper electrode on the annealed nanocomposite dielectric layer 를 포함하는 캐패시터의 제조 방법.Method of manufacturing a capacitor comprising a. 제27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 나노컴포지트 유전막을 증착하는 단계는,Depositing the nanocomposite dielectric film, 원자층증착법을 이용하여 상기 HfO2를 증착하기 위한 [HfO2 증착사이클]과 상기 유전막을 증착하기 위한 [유전막 증착사이클]을 각각 y회 및 z회 반복진행하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.[HfO 2 deposition cycle] and a method for manufacturing a capacitor, characterized in that the dielectric layer - dielectric layer deposition cycle; for depositing each of y times and proceeds z iterations for using atomic layer deposition to deposit the HfO 2. 제28항에 있어서,The method of claim 28, 상기 [HfO2 증착사이클]은,[HfO 2 deposition cycle], Hf 소스를 흡착시키는 단계;Adsorbing an Hf source; 상기 Hf 소스 중에서 미반응 Hf 소스를 제거하기 위한 퍼지 단계;A purge step to remove unreacted Hf source from the Hf source; 산화제를 공급하여 상기 흡착된 Hf 소스와의 반응을 유도하여 HfO2를 증착하는 단계; 및Supplying an oxidant to induce a reaction with the adsorbed Hf source to deposit HfO 2 ; And 미반응 산화제 및 반응부산물을 제거하기 위한 퍼지 단계Purge step to remove unreacted oxidants and reaction byproducts 를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.Method of manufacturing a capacitor comprising a. 제29항에 있어서,The method of claim 29, 상기 [HfO2 증착사이클]은,[HfO 2 deposition cycle], 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판 온도로 진행하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.A process for producing a capacitor, characterized by advancing at a pressure of 0.1torr to 10torr and a substrate temperature of 100 ° C to 450 ° C. 제29항에 있어서,The method of claim 29, 상기 Hf 소스를 흡착시키는 단계는,Adsorbing the Hf source, HfCl4, Hf(NO3)4, Hf(NCH2C2H5)4 또는 Hf(OC2H5)4 중에서 선택되는 Hf 소스를 기화기에서 기화시킨후 0.1torr∼10torr의 압력과 100℃∼450℃의 기판온도를 유지하는 챔버 내부로 0.1초∼3초간 플로우시키는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.The Hf source selected from HfCl 4 , Hf (NO 3 ) 4 , Hf (NCH 2 C 2 H 5 ) 4, or Hf (OC 2 H 5 ) 4 is vaporized in a vaporizer, and the pressure is from 0.1 to 10 tor and at a temperature of from 100 to A method for producing a capacitor, characterized by flowing for 0.1 seconds to 3 seconds into the chamber maintaining the substrate temperature of 450 ℃. 제29항에 있어서,The method of claim 29, 상기 산화제의 공급은,The supply of the oxidant, O3 또는 H2O 증기를 0.1초∼5초간 플로우시키는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.A process for producing a capacitor, characterized by flowing O 3 or H 2 O steam for 0.1 to 5 seconds. 제29항에 있어서,The method of claim 29, 상기 퍼지 단계는,The purge step, 질소 또는 비활성 가스를 이용하여 0.1초∼3초간 진행하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.A method for producing a capacitor, characterized by advancing for 0.1 to 3 seconds using nitrogen or an inert gas. 제28항에 있어서,The method of claim 28, 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 유전막은,The dielectric film deposited by the [dielectric film deposition cycle], ZrO2, La2O3 또는 Ta2O5 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.ZrO 2 , La 2 O 3 or Ta 2 O 5 A method for producing a capacitor, characterized in that. 제34항에 있어서,The method of claim 34, wherein 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 ZrO2를 위한 Zr 소스는,Zr source for ZrO 2 deposited by the [dielectric film deposition cycle], TEMAZ[Zr{N(CH3)(C2H5)}4] 또는 TDEAZ[Zr{N(C2H5)2}4]를 사용하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.A process for producing a capacitor, characterized by using TEMAZ [Zr {N (CH 3 ) (C 2 H 5 )} 4 ] or TDEAZ [Zr {N (C 2 H 5 ) 2 } 4 ]. 제34항에 있어서,The method of claim 34, wherein 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 La2O3를 위한 La 소스는,La source for La 2 O 3 deposited by the [dielectric film deposition cycle], La(tmhd)3, La(iPrCp)3, La(tmhd)3:tetraglyme, La(tmhd)3:tetraen 또는 La(tmhd)3:diglyme 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.La (tmhd) 3 , La (iPrCp) 3 , La (tmhd) 3 : tetraglyme, La (tmhd) 3 : tetraen or La (tmhd) 3 : diglyme. 제34항에 있어서,The method of claim 34, wherein 상기 [유전막 증착사이클]에 의해 증착되는 Ta2O5를 위한 Ta 소스는,Ta source for Ta 2 O 5 deposited by the [dielectric film deposition cycle], Ta 펜톡사이드를 사용하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.Method for producing a capacitor, characterized by using Ta pentoxide. 제28에 있어서,The method of claim 28, 상기 y와 z의 비율은 1:10∼10:1인 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.The ratio of y and z is 1: 10-10: 1, The manufacturing method of a capacitor characterized by the above-mentioned. 제27항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 27 to 38, 상기 나노컴포지트 유전막의 두께가 25Å∼200Å 두께가 되도록 상기 HfO2와 상기 유전막은 각각 증착사이클당 1Å∼5Å 두께로 여러번 증착되어 나노컴포지트 형태로 혼합되는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.The HfO 2 and the dielectric film is deposited several times at a thickness of 1 kW to 5 kW per deposition cycle so that the nanocomposite dielectric film has a thickness of 25 kPa to 200 kPa, and is mixed in a nanocomposite form. 제27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 어닐링 단계는,The annealing step, 300℃∼500℃ 온도에서 30초∼120초동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.A method for producing a capacitor, characterized in that the heat treatment for 30 seconds to 120 seconds at 300 ℃ to 500 ℃ temperature. 제27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 하부전극은, The lower electrode, 인 또는 비소가 도핑된 폴리실리콘막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.A process for producing a capacitor, characterized in that it is formed of a polysilicon film doped with phosphorus or arsenic. 제41항에 있어서,The method of claim 41, wherein 상기 하부전극과 나노컴포지트 유전막 사이에 실리콘질화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 캐패시터의 제조 방법.And forming a silicon nitride film between the lower electrode and the nanocomposite dielectric film. 제42항에 있어서,The method of claim 42, wherein 상기 실리콘질화막은,The silicon nitride film, 상기 하부전극의 표면을 NH3 분위기에서 800℃∼1000℃ 온도로 10초∼120초동안 RTP를 진행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 캐패시터의 제조 방법.And forming a surface of the lower electrode by RTP at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. for 10 seconds to 120 seconds in an NH 3 atmosphere.
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