KR101303853B1 - Method for formation ferroelectrics thin film and method for manufacturing device of planar structure - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강유전체 박막의 형성방법 및 평면 구조 소자의 제조방법에 관한 것으로, 300℃ 이하의 저온에서 강유전체 박막을 형성(제조)시킬 수 있는 강유전체 박막의 형성방법, 및 이를 이용한 평면 구조 소자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 (ⅰ) 기판 상에 비정질의 예비 강유전체 박막을 형성하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 비정질의 예비 강유전체 박막에 엑시머 레이저를 조사하여 결정화하는 단계를 포함하되, 상기 (ⅰ)단계에서는 비정질의 예비 강유전체 박막을 50㎚ 이상의 두께로 형성하고, 상기 (ⅱ)단계에서는 엑시머 레이저를 50 mJ/㎠ 내지 200 mJ/㎠의 에너지 밀도와, 1회 내지 2,000회의 조사횟수로 조사하는 강유전체 박막의 형성방법, 및 이를 포함하는 평면 구조 소자의 제조방법을 제공한다.  본 발명에 따르면, 300℃ 이하의 저온에서 강유전체 박막을 형성(결정화)할 수 있으며, 엑시머 레이저 어닐링의 특성상 박막 하단부에 잔존하는 비정질층의 영향을 받지 않는 평면 구조 소자(Device of planar structure)를 구현하여 고온 소결에 의한 박막보다 우수한 유전 특성을 가지는 강유전체 소자를 제조할 수 있다.
 
The present invention relates to a method of forming a ferroelectric thin film and a method of manufacturing a planar structure element, a method of forming a ferroelectric thin film capable of forming (manufacturing) a ferroelectric thin film at a low temperature of less than 300 ℃, and a method of manufacturing a planar structure element using the same It is about. The present invention comprises the steps of (i) forming an amorphous pre-ferroelectric thin film on the substrate; And (ii) irradiating an excimer laser to the amorphous preliminary ferroelectric thin film, wherein in step (iii), the amorphous preferroelectric thin film is formed to a thickness of 50 nm or more, and in step (ii), the excimer Provided are a method of forming a ferroelectric thin film irradiating a laser at an energy density of 50 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2 and at a frequency of 1 to 2,000 irradiation, and a method of manufacturing a planar structure element including the same. According to the present invention, a ferroelectric thin film can be formed (crystallized) at a low temperature of 300 ° C. or lower, and a device of planar structure is realized that is not affected by the amorphous layer remaining at the lower end of the thin film due to the characteristics of the excimer laser annealing. In this way, ferroelectric devices having better dielectric properties than thin films by high temperature sintering can be manufactured.

Description

강유전체 박막의 형성방법 및 평면 구조 소자의 제조방법{METHOD FOR FORMATION FERROELECTRICS THIN FILM AND METHOD FOR MANUFACTURING DEVICE OF PLANAR STRUCTURE}METHODS FOR FORMATION FERROELECTRICS TH FILM AND METHOD FOR MANUFACTURING DEVICE OF PLANAR STRUCTURE}

본 발명은 강유전체 박막의 형성방법 및 평면 구조 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 300℃ 이하의 저온에서 강유전체 박막을 형성(제조)시킬 수 있는 강유전체 박막의 형성방법, 및 이를 이용한 평면 구조 소자의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of forming a ferroelectric thin film and a method of manufacturing a planar structure device, and more particularly, to a method of forming a ferroelectric thin film capable of forming (manufacturing) a ferroelectric thin film at a low temperature of less than 300 ℃ on the substrate, and It relates to a method for manufacturing a planar structure element used.

일반적으로, 강유전성을 띠는 물질(강유전체)은 고주파 집적회로(RF integrated circuits)나 메모리(memory) 소자에 이용될 수 있다.   강유전체는 기판 상에 박막화되어, 예를 들어 축전기(capacitor), 공진기(resonator), 이상기(phase shifter), 주파수 필터(frequency filter), 전압 분할기(voltage divider), 전압 발진기(voltage oscillator), 전기적 조절가능 안테나(electrical steerable antenna) 등의 다양한 고주파 집적회로나 정보를 판독 기록하는 메모리의 소자로 이용될 수 있다.  In general, ferroelectric materials (ferroelectrics) may be used in high frequency integrated circuits or memory devices. Ferroelectrics are thinned on the substrate, for example capacitors, resonators, phase shifters, frequency filters, voltage dividers, voltage oscillators, electrical controls Various high frequency integrated circuits such as an electrical steerable antenna or a memory element for reading and writing information can be used.

그러나 강유전체 박막은 위와 같이 다양한 소자로의 응용 가능성이 높음에도 불구하고 그 사용이 매우 제한적이다. However, although the ferroelectric thin film is highly applicable to various devices as described above, its use is very limited.

일반적으로, 강유전체 박막은 결정화된 후 강유전성을 나타낼 수 있는 물질(금속 화합물)을 사용하여 물리 기상 증착법, 화학 기상 증착법 및 용액법 등의 막 형성방법으로 기판 상에 형성하고 있다.  이 중에서, 용액법은 고가의 장치를 필요로 하지 않고, 저렴하면서 간편하게 강유전체 박막을 형성할 수 있다.  또한 용액법은 정밀한 조성 제어가 용이하고, 조성의 차이에 의한 특성 변동을 억제할 수 있다는 장점이 있어, 매우 유용한 강유전체 박막의 형성방법(제조방법)의 하나로 검토되고 있다.  용액법에 의한 강유전체 박막을 형성(제조)함에 있어서는, 원료가 되는 강유전체 물질(금속화합물 전구체)을 균질하게 용해시킨 용액을 기판에 도포하고, 도막을 건조시킨 후, 필요에 따라 예비 소성한다.  그리고 건조(또는 예비 소성) 이후, 공기 중에서 고온 열처리(annealing)를 통해 결정화한다.(소성 공정)  이때, 결정화 공정(소성 공정)은 필수적이다.  In general, a ferroelectric thin film is formed on a substrate by a film formation method such as a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, and a solution method using a material (metal compound) capable of exhibiting ferroelectricity after crystallization. Among them, the solution method does not require an expensive device, and can form a ferroelectric thin film inexpensively and simply. In addition, the solution method has an advantage that it is easy to precisely control the composition and can suppress the characteristic variation due to the difference in composition, and is considered as one of the very useful methods of forming the ferroelectric thin film (manufacturing method). In forming (manufacturing) a ferroelectric thin film by the solution method, a solution obtained by homogeneously dissolving a ferroelectric material (metal compound precursor) as a raw material is applied to a substrate, and the coating film is dried, and then prebaked if necessary. Then, after drying (or preliminary firing), crystallization is carried out by annealing at high temperature in the air (firing process). At this time, a crystallization process (firing process) is essential.

강유전체 물질은 결정화되어야만 강유전체 고유의 특성을 나타낸다.  즉, 결정화가 되지 않은 비결정질 상태에서는 낮은 강유전성을 가지며, 유전 손실 값 또한 높게 나타난다.  강유전체 물질은 일반적인 산화물과 유사하게 높은 온도에서 결정화가 이루어진다.  이에, 고온에서 증착 또는 열처리를 하지 않을 경우 결정화가 이루어지지 않고, 강유전 특성을 보이기 어렵다.   Ferroelectric materials must be crystallized to exhibit ferroelectric inherent properties. That is, in the non-crystallized amorphous state, it has low ferroelectricity and high dielectric loss value. Ferroelectric materials crystallize at high temperatures similar to common oxides. Therefore, crystallization is not performed when the deposition or heat treatment is not performed at a high temperature, and it is difficult to show ferroelectric characteristics.

일반적으로, 강유전체 박막을 결정화함에 있어서, 종래에는 강유전체 물질을 기판 상에 코팅한 후, 600℃ 이상의 온도(주로 700℃)에서 전기로를 이용한 열처리(furnace annealing, FA) 또는 급속 열처리 방법(rapid thermal annealing, RTA) 등을 이용한 고온 열처리를 통해 결정화시키고 있다. In general, in crystallizing a ferroelectric thin film, conventionally, after coating a ferroelectric material on a substrate, using an electric furnace (furnace annealing, FA) or rapid thermal annealing at a temperature of 600 ℃ or more (mainly 700 ℃) Crystallization through high temperature heat treatment using RTA).

그러나 이러한 600℃ 이상의 고온 열처리는 강유전체 박막의 다양한 소자로의 적용을 제한하고 있다.  고온 증착의 경우에도 그러하다.  먼저, 기판의 사용이 제한되어 고온에 견딜 수 없는 기판의 사용이 어렵다. 예를 들어, 열에 약한 폴리머 필름(polymer film) 등은 기판으로 사용하기 어렵다.  또한, 소자와의 동시 소성이 불가능하다.  예를 들어, 논리 회로 등이 고집적화된 소자 상에 강유전체 물질을 코팅한 후 고온 열처리하는 경우, 소자의 불량 및 특성 저하를 발생시킬 수 있다.  이에 따라, 소자와의 동시 소성이 불가능하여, 예를 들어 평면 구조(Planar Structure)의 소자라 불리는 고집적화된 복합소자로의 적용이 어렵다.  However, such high temperature heat treatment of 600 ° C. or higher limits the application of the ferroelectric thin film to various devices. The same is true for high temperature deposition. First, the use of the substrate is limited, so it is difficult to use a substrate that cannot withstand high temperatures. For example, a thermally weak polymer film is difficult to use as a substrate. In addition, simultaneous firing with the element is impossible. For example, when the ferroelectric material is coated on a device in which logic circuits and the like are highly integrated and then subjected to high temperature heat treatment, defects and deterioration of the device may occur. This makes it impossible to co-fire with the device, making it difficult to apply to a highly integrated composite device, for example, a device having a planar structure.

이러한 문제를 해결하기 위해 저온 열처리 기술들이 제안되고 있다.  예를 들어 논문(M. Lourdes Calzada et. al. "Low-temperature Processing of Ferroelectric Thin Films Compatible with silicon Integrated Circuit Technology", Adv. Mater, 16, No. 18, pp. 1620 (2004))에서는 실리콘 집적회로 기술에 응용하고자 UV-assisted RTA 공정을 이용하여 강유전체 박막의 소성 온도를 450℃까지 낮춘 기술을 제안하였다.  또한, 대한민국 공개특허 2006-0012573호에서는 강유전체 박막 형성용 조성물을 개선하여 550℃, 바람직하게는 450℃ 이하의 온도에서 소성이 가능한 기술을 제시하였다. Low temperature heat treatment techniques have been proposed to solve this problem. For example, M. Lourdes Calzada et. Al. "Low-temperature Processing of Ferroelectric Thin Films Compatible with silicon Integrated Circuit Technology", Adv. Mater, 16, No. 18, pp. 1620 (2004). In order to apply to the circuit technology, a technique of lowering the firing temperature of the ferroelectric thin film to 450 ° C by using a UV-assisted RTA process was proposed. In addition, the Republic of Korea Patent Publication No. 2006-0012573 proposed a technique capable of baking at a temperature of 550 ℃, preferably below 450 ℃ by improving the composition for forming the ferroelectric thin film.

그러나 상기 방법들의 경우에도 450℃라는 제한적인 고온에서 강유전체 박막을 결정화시키고 있어, 강유전체 박막의 다양한 소자로의 적용에 어려움이 있다. However, the above methods also crystallize the ferroelectric thin film at a limited temperature of 450 ° C., which makes it difficult to apply the ferroelectric thin film to various devices.

이에, 본 발명은 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser annealing) 방법을 이용하여 300℃ 이하의 저온에서 강유전체 박막을 결정화시킬 수 있는 강유전체 박막의 형성방법, 및 이를 이용한 평면 구조 소자의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention provides a method of forming a ferroelectric thin film capable of crystallizing a ferroelectric thin film at a low temperature of less than 300 ℃ using an excimer laser annealing method, and a method of manufacturing a planar structure element using the same. The purpose is.

또한, 본 발명은 엑시머 레이저의 조사 조건을 최적화시킴으로써, 우수한 유전 특정을 가지는 강유전체 박막의 형성방법, 및 엑시머 레이저 어닐링 방법의 특성상 하단부에 잔존하는 비정질층이 강유전성에 끼치는 악영향을 최소화 하기 위한 평면 구조 소자 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
In addition, the present invention, by optimizing the irradiation conditions of the excimer laser, a planar structure element for minimizing the adverse effect on the ferroelectric property of the amorphous layer remaining at the lower end due to the characteristics of the method of forming a ferroelectric thin film having excellent dielectric properties, and the excimer laser annealing method It is an object to provide a manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, The present invention to achieve the above object,

(ⅰ) 기판 상에 비정질의 예비 강유전체 박막을 형성하는 단계; 및(Iii) forming an amorphous preliminary ferroelectric thin film on the substrate; And

(ⅱ) 상기 비정질의 예비 강유전체 박막에 엑시머 레이저를 조사하여 결정화하는 단계를 포함하되, (Ii) crystallizing the amorphous pre-ferroelectric thin film by applying an excimer laser,

상기 (ⅰ)단계에서는 비정질의 예비 강유전체 박막을 50㎚ 이상의 두께로 형성하고, In the step (iii), an amorphous pre-ferroelectric thin film is formed to a thickness of 50 nm or more,

상기 (ⅱ)단계에서는 50 mJ/㎠ 내지 200 mJ/㎠의 에너지 밀도와, 1회 내지 2,000회의 조사횟수로 엑시머 레이저를 조사하는 강유전체 박막의 형성방법을 제공한다. In the step (ii), an energy density of 50 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2 and a method of forming a ferroelectric thin film for irradiating an excimer laser at 1 to 2,000 irradiation times are provided.

또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,

(Ⅰ) 기판 상에 강유전체 박막을 형성하는 단계; 및(I) forming a ferroelectric thin film on the substrate; And

(Ⅱ) 상기 강유전체 박막 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하고, (II) forming an electrode on the ferroelectric thin film,

상기 (Ⅰ)단계는 상기의 방법으로 강유전체 박막을 형성하는 평면 구조 소자의 제조방법을 제공한다.
Step (I) provides a method of manufacturing a planar structure element for forming a ferroelectric thin film by the above method.

본 발명에 따르면, 강유전체 박막을 300℃ 이하의 저온 조건에서 형성(제조)할 수 있다.  이에 따라, 기판의 종류에 제한되지 않고, 예를 들어 열에 약한 폴리머 필름 등을 기판으로 사용 가능하고, 또한 논리 회로 등이 고집적화된 소자 상에서 강유전체 박막을 결정화시킬 수 있어 다양한 소자로의 적용이 가능한 효과를 갖는다.  According to the present invention, the ferroelectric thin film can be formed (manufactured) under low temperature conditions of 300 ° C or lower. Accordingly, the present invention is not limited to the type of substrate, and for example, a polymer film or the like which is weak to heat can be used as the substrate, and the ferroelectric thin film can be crystallized on a device in which logic circuits and the like are highly integrated. Has

또한, 본 발명에 따르면, 종래의 고온 열처리에 의한 방법과 비교하여, 동등 또는 그 이상의 우수한 유전 특정을 가지는 강유전체 박막의 형성할 수 있고, 이를 이용한 평면 구조 소자는 우수한 전기/전자적 특성을 갖는다.
In addition, according to the present invention, it is possible to form a ferroelectric thin film having an excellent dielectric characteristic equivalent to or higher than that of the conventional high temperature heat treatment method, and the planar structure element using the same has excellent electric / electronic characteristics.

도 1은 본 발명에 따른 강유전체 박막의 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 강유전체 박막의 다른 구현예에 따른 제조 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 평면 구조 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 평면 구조 소자의 전극 형상을 예시한 평면도이다.
도 5는 엑시머 레이저 어닐링에 의해 결정화된 강유전체 박막의 표면 사진이다.
도 6은 엑시머 레이저 어닐링에 의해 결정화된 강유전체 박막의 XRD 패턴이다.
도 7은 평면 구조(planar structure) 소자의 유전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 평면 구조(planar structure) 소자의 용량 가변능(tunability) 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a manufacturing process chart of a ferroelectric thin film according to the present invention.
2 is a manufacturing process chart according to another embodiment of the ferroelectric thin film according to the present invention.
3 is a cross-sectional view of the planar structural element according to the present invention.
4 is a plan view illustrating the electrode shape of the planar structure element according to the present invention.
5 is a surface photograph of a ferroelectric thin film crystallized by excimer laser annealing.
6 is an XRD pattern of a ferroelectric thin film crystallized by excimer laser annealing.
7 is a graph showing dielectric properties of planar structure devices.
FIG. 8 is a graph illustrating a capacity tunability characteristic of a planar structure device.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 강유전체 박막(20)의 형성방법은, First, referring to Figures 1 and 2, the method of forming the ferroelectric thin film 20 according to the present invention,

(ⅰ) 기판(10) 상에 비정질의 예비 강유전체 박막(22)을 형성하는 단계와,(Iii) forming an amorphous preliminary ferroelectric thin film 22 on the substrate 10;

(ⅱ) 상기 비정질의 예비 강유전체 박막(22)을 결정화하는 단계를 포함한다.(Ii) crystallizing the amorphous preliminary ferroelectric thin film 22.

이때, 본 발명에 따라서, 상기 (ⅰ)단계에서는 비정질의 예비 강유전체 박막(22)을 50㎚ 이상의 두께를 갖도록 형성하고, 상기 (ⅱ)단계에서는 엑시머 레이저(Le, Excimer Laser)를 조사하여 결정화하되, 50 mJ/㎠ 내지 200 mJ/㎠의 에너지 밀도와, 1회 내지 2,000회의 조사횟수로 엑시머 레이저(Le)를 조사하여 결정화한다. At this time, according to the present invention, in step (iii), the amorphous preferroelectric thin film 22 is formed to have a thickness of 50 nm or more, and in step (ii), crystallization is performed by irradiating an excimer laser (Le, Excimer Laser). The crystal is irradiated with an excimer laser (Le) at an energy density of 50 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2, and at 1 to 2,000 irradiation times.

본 발명에 따르면, 종래와 같이 고온 소결에 의하지 않고, 엑시머 레이저(Le)의 에너지를 통해 결정화함으로써, 300℃ 이하의 저온 조건에서 결정화된 강유전체 박막(20)을 형성(제조)할 수 있다.  또한, 상기 공정 조건, 즉 엑시머 레이저(Le)의 조사 조건(에너지 밀도 및 조사횟수 범위)과 박막(22)의 두께는 본 발명의 목적 달성을 위한 중요한 인자로 작용한다. According to the present invention, it is possible to form (manufacture) the crystallized ferroelectric thin film 20 at a low temperature condition of 300 ° C. or lower by crystallizing the energy of the excimer laser Le without using high temperature sintering as in the prior art. In addition, the process conditions, that is, the irradiation conditions of the excimer laser (Le) and the thickness of the thin film 22 serve as important factors for achieving the object of the present invention.

먼저, 상기 비정질의 예비 강유전체 박막(22)의 두께에 있어서, 박막(22)의 두께가 50㎚ 미만인 경우 엑시머 레이저(Le)의 에너지가 강하게 작용하여 기판(10)의 손상이 발생될 수 있다.  즉, 엑시머 레이저(Le)의 에너지가 박막(22)과 기판(10)의 경계면을 넘어 기판(10)에 너무 강하게 가해져 기판(10)의 변형이 발생될 수 있다.  이에 따라, 상기 박막(22)의 두께는 50㎚ 이상이면 좋으며, 그의 최대치는 제한되지 않는다. 예시적인 구현예에 따라서, 박막(22) 두께의 최대치는 1,000㎚로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 박막(22)의 두께는 50 ㎚ 이상이면 본 발명에 포함한다. First, in the thickness of the amorphous preliminary ferroelectric thin film 22, when the thickness of the thin film 22 is less than 50 nm, the energy of the excimer laser Le may act strongly, resulting in damage to the substrate 10. That is, the energy of the excimer laser Le may be applied too strongly to the substrate 10 beyond the interface between the thin film 22 and the substrate 10, resulting in deformation of the substrate 10. Accordingly, the thickness of the thin film 22 may be 50 nm or more, and its maximum value is not limited. According to an exemplary embodiment, the maximum thickness of the thin film 22 may be 1,000 nm, but is not limited thereto. The thickness of the thin film 22 is included in the present invention as long as it is 50 nm or more.

또한, 상기 엑시머 레이저(Le)의 에너지 밀도에 있어서, 에너지 밀도가 50 mJ/㎠ 미만인 경우, 양호한 결정성을 도모하기 어려워 강유전성이 떨어진다.  그리고, 에너지 밀도가 200 mJ/㎠를 초과하는 경우, 레이저 조사 지점의 박막(22) 표면에서 레이저 융발(laser ablation)이 일어날 수 있다.  이로 인해, 결정화된 박막(20)의 표면이 비정질화되며, 강유전성이 저하될 수 있다. In the energy density of the excimer laser Le, when the energy density is less than 50 mJ / cm 2, it is difficult to achieve good crystallinity and the ferroelectricity is inferior. In addition, when the energy density exceeds 200 mJ / cm 2, laser ablation may occur on the surface of the thin film 22 at the laser irradiation point. As a result, the surface of the crystallized thin film 20 is amorphous, and the ferroelectricity may be lowered.

아울러, 상기 엑시머 레이저(Le)의 조사횟수에 있어서, 조사횟수가 2,000회(번) 이상일 경우, 레이저 조사지점의 박막(22) 표면에서 균열이 발생 할 수 있다. 이로 인해, 결정화된 박막(20)의 강유전성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 엑시머 레이저(Le)는 1회 내지 2,000회의 조사횟수로 조사한다. In addition, in the irradiation frequency of the excimer laser (Le), when the irradiation frequency is 2,000 times (times), cracks may occur on the surface of the thin film 22 at the laser irradiation point. As a result, the ferroelectricity of the crystallized thin film 20 may be lowered. Accordingly, the excimer laser Le is irradiated at one to 2,000 irradiation times.

따라서 엑시머 레이저(Le)의 에너지 밀도와 조사되는 레이저의 횟수 범위, 그리고 박막(22)의 두께는 기판(10)의 손상을 방지하고, 양호한 결정화에 따른 강유전성을 갖게 하여, 고온의 열을 가하지 않고도, 즉 300℃ 이하의 저온 조건에서 강유전체 박막(20)의 형성(결정화)을 도모할 수 있는 중요한 인자로 작용한다.  상기 엑시머 레이저(Le)의 에너지 밀도는, 바람직하게는 80 mJ/㎠ 내지 150 mJ/㎠가 좋으며, 그리고 엑시머 레이저(Le)의 조사횟수는 바람직하게는50 내지 500회가 바람직하다. 이때, 엑시머 레이저(Le)의 에너지 밀도를 바람직한 범위로서 위와 같이 80 mJ/㎠ 내지 150 mJ/㎠로 하는 경우, 결정립 성장을 향상시켜 종래의 고온 열처리(예를 들어, 700℃)에 의해 결정화된 경우보다 우수한 강유전성을 갖게 한다.Therefore, the energy density of the excimer laser (Le), the frequency range of the irradiated laser, and the thickness of the thin film 22 prevent the damage of the substrate 10 and give ferroelectricity due to good crystallization, without applying high temperature heat. That is, it acts as an important factor that can form (crystallize) the ferroelectric thin film 20 under low temperature conditions of 300 ° C or lower. The energy density of the excimer laser (Le) is preferably 80 mJ / cm 2 to 150 mJ / cm 2, and the number of irradiation of the excimer laser (Le) is preferably 50 to 500 times. At this time, when the energy density of the excimer laser (Le) is 80 mJ / cm 2 to 150 mJ / cm 2 as above, the grain growth is improved and crystallized by conventional high temperature heat treatment (for example, 700 ° C.). It has better ferroelectricity than that.

상기 기판(10)은 반도체 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 폴리머 기판 또는 이들로부터 선택된 2 이상의 조합을 포함하며, 이들의 다중 층이어도 좋다.  본 발명에서 기판(10)은 제한되지 않는다.  기판(10)은 박막(20)의 결정화 시 저온 공정이 적용되어 열변형 온도에 제한되지 않는다.  즉, 기판(10)은 고온에 견딜 수 없는 것이 사용 가능하다.  기판(10)은 예를 들어 폴리머 기판(필름)으로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리에테프술폰(PES) 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지로부터 제조된 필름을 사용할 수 있다.  기판(10)은 플렉시블(flexible)한 것이어도 좋다. The substrate 10 may include a semiconductor substrate, a ceramic substrate, a metal substrate, a polymer substrate, or a combination of two or more selected from these, and may be multiple layers thereof. In the present invention, the substrate 10 is not limited. The substrate 10 is a low temperature process is applied during the crystallization of the thin film 20 is not limited to the heat distortion temperature. That is, the board | substrate 10 can use what cannot endure high temperature. Substrate 10 is, for example, a polymer substrate (film), made from one or more resins selected from polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyethylene naphthalate (PEN), polyether sulfone (PES), and the like. Film can be used. The substrate 10 may be flexible.

상기 (ⅰ)단계에서, 비정질의 예비 강유전체 박막(22)은 결정화되었을 때 강유전체가 될 수 있는 것이면 제한되지 않는다.  즉, 본 발명에서 상기 '예비 강유전체'란, 결정화된 후 강유전체가 될 수 있는 물질(전구체)로서, 이는 금속을 포함하는 금속 산화물로부터 선택될 수 있다.  구체적으로, 상기 비정질의 예비 강유전체 박막(22)은 Ba, Sr, Pb, Ca, La, K, Na, Ti, Zr, Nb, Ta 및 Fe 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.  이때, 상기 비정질의 예비 강유전체 박막(22)은 상기 금속 원소를 포함하는 금속 산화물이 기판(10) 상에 증착되어 형성(증착법)되거나, 금속 산화물과 용매를 포함하는 액상 조성물이 코팅, 건조되어 형성(용액법)될 수 있다.  상기 비정질의 예비 강유전체 박막(22)은 예를 들어 스퍼터링에 의한 물리기상증착법(Pysical Vapor Deposition), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 화학용액증착법(Chmical Solution Deposition), 에어로졸 증착법(Aerosol Deposition) 및 화학용액 코팅법 등의 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 박막(22)의 형성방법은 제한되지 않는다. In the step (iii), the amorphous pre-ferroelectric thin film 22 is not limited as long as it can become a ferroelectric when crystallized. That is, in the present invention, the 'preliminary ferroelectric' is a material (precursor) capable of becoming a ferroelectric after crystallization, which may be selected from metal oxides including metals. Specifically, the amorphous pre-ferroelectric thin film 22 may include at least one element selected from Ba, Sr, Pb, Ca, La, K, Na, Ti, Zr, Nb, Ta, and Fe. In this case, the amorphous pre-ferroelectric thin film 22 is formed by depositing a metal oxide containing the metal element on the substrate 10 (deposition), or by coating and drying a liquid composition containing a metal oxide and a solvent. (Solution method). The amorphous pre-ferroelectric thin film 22 may be, for example, physical vapor deposition by sputtering, chemical vapor deposition, chemical solution deposition, aerosol deposition, and the like. It may be formed by various methods such as a chemical solution coating method, the method of forming the thin film 22 is not limited.

또한, 상기 (ⅰ)단계의 공정 온도는 300℃ 이하이다.  예를 들어, 증착법(스퍼터링 등)으로 형성할 경우, 챔버 내의 온도 조건을 300℃ 이하, 구체적으로 상온 내지 300℃로 유지하여 비정질의 예비 강유전체 박막(22)을 형성한다.  아울러, 액상법(코팅 등)으로 형성할 경우, 금속 산화물과 용매를 포함하는 액상 조성물을 코팅한 후, 300℃ 이하의 조건, 구체적으로 상온 내지 300℃의 조건에서 건조시켜 비정질의 예비 강유전체 박막(22)을 형성한다.  이때, 액상법(코팅 등)의 경우, 건조 이후에 예비 소결을 진행할 수도 있는데, 상기 예비 소결은 300℃ 이하의 온도 조건, 예를 들어 100 ~ 300℃의 온도에서 진행한다. In addition, the process temperature of the step (iii) is 300 ℃ or less. For example, when formed by vapor deposition (sputtering or the like), the amorphous preliminary ferroelectric thin film 22 is formed by maintaining the temperature conditions in the chamber at 300 ° C. or lower, specifically from room temperature to 300 ° C. In addition, in the case of forming by a liquid phase method (coating, etc.), after coating a liquid composition containing a metal oxide and a solvent, and dried under conditions of 300 ℃ or less, specifically room temperature to 300 ℃ conditions of the amorphous pre-ferroelectric thin film (22 ). In this case, in the case of a liquid phase method (coating, etc.), presintering may be performed after drying, and the presintering is performed at a temperature condition of 300 ° C or lower, for example, a temperature of 100 to 300 ° C.

상기 비정질의 예비 강유전체 박막(22)은 엑시머 레이저(Le)의 조사에 의해 결정화된다.  엑시머 레이저(Le)의 조사는 도 1에 도시한 바와 같이 비정질의 예비 강유전체 박막(22)의 상부에서 조사한다. 상기 엑시머 레이저(Le)의 조사는 300℃ 이하의 온도 조건에서 진행한다.  즉, 상기 (ⅱ)단계의 공정 조건은 300℃ 이하(구체적으로, 상온 내지 300℃)의 온도 조건이다.  The amorphous pre-ferroelectric thin film 22 is crystallized by the excimer laser (Le) irradiation. The excimer laser Le is irradiated from the upper portion of the amorphous preliminary ferroelectric thin film 22 as shown in FIG. 1. Irradiation of the excimer laser Le proceeds at a temperature of 300 ° C. or less. That is, the process conditions of step (ii) is a temperature condition of 300 ℃ or less (specifically, room temperature to 300 ℃).

따라서 본 발명에서, 강유전체 박막(20)의 형성(제조) 시 모든 공정 조건은 300℃ 이하이다.  즉, 예비 강유전체 박막(20)의 형성 단계(스퍼터링 증착 또는 용액 코팅) 및 박막(20)의 결정화 단계(엑시머 레이저 조사)는 300℃ 이하의 온도에서 진행된다.  이에 따라, 고온에 견딜 수 없는 기판(10)의 사용이 가능하여 기판(10)의 종류에 제한이 없다. 또한, 소자와 동시 소성(결정화)이 가능하다.  즉, 논리 회로 등이 고집적화된 소자 상에서 강유전체 박막을 결정화시킬 수 있다. Therefore, in the present invention, all the process conditions when forming (manufacturing) the ferroelectric thin film 20 is 300 ℃ or less. That is, the formation step (sputter deposition or solution coating) of the preliminary ferroelectric thin film 20 and the crystallization step (excimer laser irradiation) of the thin film 20 proceed at a temperature of 300 ° C. or less. Accordingly, it is possible to use the substrate 10 that cannot withstand high temperatures, and there is no limitation on the type of the substrate 10. In addition, simultaneous firing (crystallization) with the element is possible. In other words, the ferroelectric thin film can be crystallized on a highly integrated device such as a logic circuit.

상기 결정화된 강유전체 박막(20)은 강유전성을 가지는 조성이면 제한되지 않으며, 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지면 좋다. 상기 결정화된 강유전체 박막(20)은, 바람직하게는 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지는 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 포함하는 것이 좋다. The crystallized ferroelectric thin film 20 is not limited as long as it has a ferroelectric composition, and may have a perovskite structure. The crystallized ferroelectric thin film 20 preferably has a perovskite structure, and preferably includes a composition represented by the following Chemical Formula 1.

 

[화학식 1][Formula 1]

ABO3
ABO 3

위 화학식 1에서, A는 Ba, Sr, Pb, Ca, La, K 및 Na 중에서 선택된 하나 이상이고, B는 Ti, Zr, Nb, Ta 및 Fe 중에서 선택된 하나 이상이다.  예를 들어, A는 Ba, Sr, Pb 또는 Ba와 Sr의 조합일 수 있다.  그리고 B는 Ti, Zr 또는 Ti와 Zr의 조합일 수 있다.  보다 바람직하게는, 상기 결정화된 강유전체 박막(20)은 하기 화학식 2 및 화학식 3 중에서 선택된 하나 이상의 조성을 포함하는 것이 좋다.  구체적으로, 결정화된 강유전체 박막(20)은 하기 화학식 2의 BST계 조성을 포함하거나, 하기 화학식 3의 PZT계 조성을 포함할 수 있다.  그리고 이들의 혼합을 포함할 수 있다. 
In Formula 1, A is at least one selected from Ba, Sr, Pb, Ca, La, K, and Na, and B is at least one selected from Ti, Zr, Nb, Ta, and Fe. For example, A can be Ba, Sr, Pb or a combination of Ba and Sr. And B may be Ti, Zr or a combination of Ti and Zr. More preferably, the crystallized ferroelectric thin film 20 may include at least one composition selected from Chemical Formulas 2 and 3 below. Specifically, the crystallized ferroelectric thin film 20 may include a BST-based composition of Formula 2 or a PZT-based composition of Formula 3 below. And mixtures thereof.

[화학식 2](2)

Ba1 - xSrxTiO3
Ba 1 - x Sr x TiO 3

[화학식 3](3)

PbZr1 - xTixO3
PbZr 1 - x Ti x O 3

위 화학식 2 및 3에서, 원자 분율 x는 0 ≤ x ≤ 1이다.  바람직하게는, x는 0.1 ≤ x ≤ 0.9이다.  상기 화학식 2와 3의 조성을 포함하는 강유전체 산화물은 유선 특성이 우수하여 본 발명에 유용하게 적용될 수 있다. In Chemical Formulas 2 and 3 above, the atomic fraction x is 0 ≦ x ≦ 1. Preferably, x is 0.1 ≦ x ≦ 0.9. Ferroelectric oxides including the compositions of Formulas 2 and 3 may be usefully applied to the present invention because of excellent wireline properties.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 상기 (ⅱ)단계에서 엑시머 레이저(Le)는 빔 호모지나이저(beam homogenizer)를 이용하여, 비정질의 예비 강유전체 박막(22)의 상부에 상기한 바와 같은 에너지 밀도 및 횟수로 레이저 빔을 조사하되, 사각형 형태로 조사하는 것이 좋다.  구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이 레이저 빔이 사각형 형태로 넓게 분포되도록 조사하는 것이 좋다.  이 경우, 레이저 빔의 에너지가 고르게 분포하여 균질한 결정성을 도모할 수 있다.  이때, 도 2를 참조하면, 레이저(Le)의 조사 면적이 박막(22)의 면적보다 작은 경우, 기판(10)을 도 2에 도시한 화살표 방향으로 이동시키면서 조사할 수 있다. Further, according to a preferred embodiment of the present invention, the excimer laser (Le) in the step (ii) using a beam homogenizer, as described above on the amorphous pre-ferroelectric thin film 22 Irradiate the laser beam with energy density and frequency, but it is better to irradiate in the form of a square. Specifically, as shown in FIG. 2, it is preferable to irradiate the laser beam so that it is widely distributed in a rectangular shape. In this case, the energy of the laser beam is evenly distributed to achieve homogeneous crystallinity. 2, when the irradiation area of the laser Le is smaller than the area of the thin film 22, the substrate 10 may be irradiated while moving in the direction of the arrow shown in FIG. 2.

아울러, 상기 엑시머 레이저(Le)를 조사함에 있어, 엑시머 가스(excimer gas)는 F, Ar, Cl, Br, Kr 및 Xe 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상인 것이 바람직하다.  구체적인 예를 들어 ArF, KrF, XeCl, XeBr 또는 XeF의 엑시머 레이저를 조사하는 것이 좋다.  이때, 이들 가스는 빔(beam)에 의해 불안정 상태로 붕괴되면서 에너지를 고출력으로 발진하여 강유전체 박막(20)의 결정립을 성장시킨다.  In addition, when irradiating the excimer laser (Le), the excimer gas (excimer gas) is preferably two or more different from each other selected from F, Ar, Cl, Br, Kr and Xe. For example, it is preferable to irradiate an excimer laser of ArF, KrF, XeCl, XeBr or XeF. At this time, these gases decay into an unstable state by a beam, and oscillate energy with high power to grow crystal grains of the ferroelectric thin film 20.

또한, 바람직한 구현예에 따라서, 엑시머 레이저(Le)의 조사 시, 300℃ 이하의 온도를 기판(10)에 가해주는 것이 좋다.  이때, 기판(10)에 가해지는 온도는 예를 들어 100 ~ 300℃가 될 수 있으며, 바람직하게는 기판(10)의 하단부에 온도를 가해주는 것이 좋다.  이와 같이, 엑시머 레이저(Le)의 조사와 동시에, 기판(10)에 온도를 가해주는 경우, 강유전체 박막(20)의 결정성을 향상시킬 수 있다. In addition, according to a preferred embodiment, when irradiating the excimer laser (Le), it is good to apply a temperature of 300 ℃ or less to the substrate 10. At this time, the temperature applied to the substrate 10 may be, for example, 100 ~ 300 ℃, it is preferable to apply the temperature to the lower end of the substrate 10. As described above, when the excimer laser Le is irradiated and the temperature is applied to the substrate 10, the crystallinity of the ferroelectric thin film 20 can be improved.

본 발명에 따라 형성(제조)된 강유전체 박막(20)은 평면 구조 소자(Device of planar structure) 등의 강유전체층으로 적용될 수 있다. The ferroelectric thin film 20 formed (manufactured) according to the present invention may be applied as a ferroelectric layer such as a device of planar structure.

본 발명에 따라 형성(제조)된 강유전체 박막(20)은 엑시머 레이저 어닐링 (Excimer laser annealing)방법의 특성상 박막(20) 하단부에는 일부 얇게 비정질층이 잔존할 수도 있는데, 이때 평면 구조(planar structure) 형태의 소자는 하단부의 비정질층에 영향을 받지 않아 본 발명에 유용하며, 강유전체층의 특성을 극대화 시킬 수 있는 소자를 제조할 수 있다. The ferroelectric thin film 20 formed (manufactured) according to the present invention may have some thin amorphous layers remaining at the bottom of the thin film 20 due to the characteristics of the excimer laser annealing method, wherein a planar structure is present. The device is not affected by the amorphous layer of the lower end is useful in the present invention, it is possible to manufacture a device that can maximize the characteristics of the ferroelectric layer.

한편, 본 발명에 따른 평면 구조 소자의 제조방법은 전술한 바와 같은 본 발명의 강유전체 박막(20) 형성 공정이 적용된다.  이하, 본 발명에 따른 평면 구조 소자의 제조방법을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.  On the other hand, the method of manufacturing a planar structure element according to the present invention is applied to the process of forming the ferroelectric thin film 20 of the present invention as described above. Hereinafter, a method of manufacturing a planar structure element according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

본 발명에 따른 평면 구조 소자의 제조방법은, Method for producing a planar structure element according to the present invention,

(Ⅰ) 기판(10) 상에 강유전체 박막(20)을 형성하는 단계와, (I) forming the ferroelectric thin film 20 on the substrate 10,

(Ⅱ) 상기 강유전체 박막(20) 상에 전극(30)을 형성하는 단계를 포함한다. (II) forming an electrode 30 on the ferroelectric thin film 20.

이때, 상기 (Ⅰ)단계는 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 강유전체 박막(20)의 형성방법으로 형성한다.  (Ⅰ)단계는 전술한 바와 같으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.  At this time, the step (I) is formed by the method of forming the ferroelectric thin film 20 according to the present invention as described above. Step (I) is as described above, so a detailed description thereof will be omitted.

상기 (Ⅱ)단계에서, 전극(30)은 전도성을 가지는 것이면 좋다.  전극(30)은 전극물질, 예를 들어 금속이나 금속산화물을 포함하는 전극물질이 증착(예, 스퍼터링)에 의해 형성될 수 있다.  상기 전극물질로서 금속은 특별히 제한되지 않으나 구리(Cu), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 등으로부터 선택된 하나 이상을 예로 들 수 있다.  그리고 전극물질로서 금속산화물은 예를 들어 인듐산화물, 주석산화물 및 아연산화물 등으로부터 선택된 하나 이상을 예로 들 수 있으나, 이들로 한정하는 것은 아니다. 전극(30)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 포함하며, 전도성을 가지는 것이면 제한되지 않는다. In the step (II), the electrode 30 may be conductive. The electrode 30 may be formed by depositing (eg, sputtering) an electrode material, for example, an electrode material including a metal or a metal oxide. Metal is not particularly limited as the electrode material, but at least one selected from copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), and the like may be exemplified. The metal oxide may be, for example, one or more selected from indium oxide, tin oxide, zinc oxide, and the like, but is not limited thereto. Electrode 30 includes those commonly used in the art, and is not limited so long as it has conductivity.

본 발명에서 평면 구조 소자는 특별히 한정한 것은 아니지만, 강유전체 박막(20)과, 하나 이상의 전극(30)을 포함하되, 모든 전극(30)이 강유전체 박막(20)의 상부에 위치한 구조를 가질 수 있다. Although the planar structure element is not particularly limited in the present invention, the ferroelectric thin film 20 and one or more electrodes 30 may be included, and all the electrodes 30 may have a structure positioned on the ferroelectric thin film 20. .

상기 (Ⅱ)단계는, 즉 전극(30)의 형성 공정은 전극(30)을 패터닝(patterning)하는 공정을 포함하는 것이 좋다.  구체적으로, 상기 (Ⅱ)단계는 강유전체 박막(20) 상에 전극(30)을 증착하는 공정과, 상기 증착된 전극(30)을 패터닝하는 공정을 포함할 수 있다.  이때, 전극(30)의 패터닝은 다양한 방법이 고려될 수 있으며, 예를 들어 에칭(etching)이나 마스킹(masking) 방법이 사용될 수 있다. 또한, 전극(20)을 강유전체 박막(20) 상에 형성하되, 도 3에 예시한 바와 같이 전극(20) 간의 사이에 공간(50)이 형성되도록 할 수 있으나, 하부전극이 없는 강유전체층을 사용한 소자라면 전극(30)의 형상은 한정되지 않는다. 상기 전극(30)은, 예를 들어 도 4에 예시한 바와 같이 링 타입(ring type, 31), 코-플래너 타입(co-planar type, 32), 인터 디지털 트랜스듀서 타입(inter digital transducer type, 33) 및 스트립 라인 타입(strip line type, 34) 등의 다양한 형상으로 패터닝될 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. In step (II), that is, the formation process of the electrode 30 includes a step of patterning the electrode 30. In detail, the step (II) may include a process of depositing the electrode 30 on the ferroelectric thin film 20 and a process of patterning the deposited electrode 30. In this case, various methods may be considered for the patterning of the electrode 30, and for example, an etching method or a masking method may be used. In addition, the electrode 20 may be formed on the ferroelectric thin film 20, but the space 50 may be formed between the electrodes 20 as illustrated in FIG. 3, but the ferroelectric layer without the lower electrode may be used. If it is an element, the shape of the electrode 30 is not limited. For example, as illustrated in FIG. 4, the electrode 30 may include a ring type 31, a co-planar type 32, an inter digital transducer type, 33) and strip line type 34, but may be patterned in a variety of shapes, such as, but not limited to.

본 발명에 따르면, 상기 강유전체 박막(20)의 형성 공정이 300℃ 이하의 저온에서 진행되어, 이를 포함하는 평면 구조 소자의 제조공정도 300℃ 이하의 저온 조건에서 진행될 수 있다.  본 발명에 따라 형성(제조)된 강유전체 박막(20) 및 평면 구조 소자는 제한됨이 없이 다양한 분야, 예를 들어 고집적 소자나 메모리 소자 등에 적용될 수 있다.  예를 들어, 평면 구조 소자의 경우, 전극(30)의 패터닝 구조에 따라 축전기(capacitor), 공진기(resonator), 이상기(phase shifter), 주파수 필터(frequency filter), 전압 분할기(voltage divider), 전압 발진기(voltage oscillator) 및 전기적 조절가능 안테나(electrical steerable antenna) 등의 다양한 소자로 쓰일 수 있다. According to the present invention, the process of forming the ferroelectric thin film 20 may be performed at a low temperature of 300 ° C. or less, and the manufacturing process of the planar structure element including the same may also be performed at a low temperature of 300 ° C. or less. The ferroelectric thin film 20 and the planar structure element formed (manufactured) according to the present invention can be applied to various fields, for example, a highly integrated element or a memory element, without being limited. For example, in the case of a planar structure element, a capacitor, a resonator, a phase shifter, a frequency filter, a voltage divider, a voltage according to a patterning structure of the electrode 30 It can be used in various devices such as a voltage oscillator and an electrical steerable antenna.

이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 강유전체 박막(20)을 300℃ 이하의 저온 조건에서 형성할 수 있다.  이에 따라, 기판(10)의 종류에 제한되지 않고, 예를 들어 열에 약한 폴리머 필름 등의 사용이 가능하고, 또한 논리 회로 등이 고집적화된 소자 상에서 강유전체 박막(20)을 결정화시킬 수 있어 다양한 소자로의 적용이 가능하다.  또한, 본 발명에 따르면, 종래의 고온 열처리에 의한 방법과 비교하여, 동등 또는 그 이상의 우수한 유전 특정을 가지는 강유전체 박막(20)의 형성(결정화)할 수 있고, 이를 이용한 평면 구조 소자는 우수한 전기/전자적 특성을 갖는다.
According to the present invention described above, as described above, the ferroelectric thin film 20 can be formed under a low temperature condition of 300 ° C or lower. Accordingly, the ferroelectric thin film 20 can be crystallized on a device in which a polymer film or the like, which is weak to heat, can be used, and a logic circuit or the like can be crystallized. It is possible to apply. In addition, according to the present invention, compared to the conventional high temperature heat treatment method, it is possible to form (crystallization) of the ferroelectric thin film 20 having an excellent dielectric characteristic equivalent or more, the planar structure device using the same is excellent Has electronic properties.

이하, 본 발명의 실시예를 예시한다.  하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplified. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1 및 비교예 1][Example 1 and Comparative Example 1]

예비 강유전체 물질(전구체)로서 탄산바륨, 산화스트론튬 및 산화티탄을 사용하였다.  그리고 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 상기 예비 강유전체 물질(전구체)을 기판 상에 300nm의 두께로 코팅한 후, 300℃의 열을 가하여 용매와 유기물을 제거하여 비정질 박막을 형성하였다.  이후, 비정질 박막 표면에 엑시머 레이저를 200회씩 조사하여 Ba1 - xSrxTiO3(x = 0.4) 조성의 결정화된 BST계 박막을 형성시켰다.  이때, 하기 [표 1]에 보인 바와 같이, 각 실시예 및 비교예에 따라 엑시머 레이저의 에너지 밀도(mJ/㎠)와 엑시머 레이저의 조사횟수를 달리하여 결정화시켰다. 그리고 각 실시예 및 비교예에 따라 결정화된 박막 시편에 대하여 기판 상태와 박막 표면을 관찰하여, 그 결과를 하기 [표 1]에 함께 나타내었다.  또한, 각 박막 시편에 대해 유전 특성(Dielectric constant)을 측정하여, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.  이때, 유전 특성(Dielectric constant)은 실시예 1-3(에너지 밀도 90 mJ/㎠, 조사횟수 200회)의 값을 기준(100)으로 한 상대적인 값으로 나타내었다.
Barium carbonate, strontium oxide and titanium oxide were used as preliminary ferroelectric materials (precursors). The preliminary ferroelectric material (precursor) was coated on the substrate to a thickness of 300 nm by using a sol-gel method, and then a solvent and an organic material were removed by heating at 300 ° C. to form an amorphous thin film. Thereafter, an excimer laser was irradiated 200 times to the surface of the amorphous thin film to form a crystallized BST thin film having a Ba 1 - x Sr x TiO 3 (x = 0.4) composition. At this time, as shown in Table 1, the energy density (mJ / ㎠) of the excimer laser and the number of irradiation times of the excimer laser were crystallized according to each Example and Comparative Example. Subsequently, the substrate state and the surface of the thin film were observed with respect to the thin film specimens crystallized according to the Examples and Comparative Examples, and the results are shown together in the following [Table 1]. In addition, by measuring the dielectric constant (Dielectric constant) for each thin film specimen, the results are shown in Table 1 below. At this time, the dielectric constant (Dielectric constant) is expressed as a relative value based on the value (100) of Example 1-3 (energy density 90 mJ / ㎠, irradiation frequency 200 times).

< 엑시머 레이저의 에너지 밀도 및 조사횟수에 따른 특성 평가 결과 > <Characteristic evaluation results according to the energy density and frequency of irradiation
비 고

Remarks
비교예
1-1
Comparative Example
1-1
실시예Example 비교예
1-2
Comparative Example
1-2
1-11-1 1-21-2 1-31-3 1-41-4 1-51-5 1-61-6 박막 두께
(㎚)
Thin film thickness
(Nm)
300300 300300 300300 300300 300300 300300 300300 300300
에너지 밀도
(mJ/㎠)
Energy density
(mJ / cm 2)
210210 150150 100100 9090 8080 7070 5050 4040
조사횟수
Survey Count
1One 1One 200200 200200 250250 300300 500500 21002100
기판 상태
Board Status
변형transform 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good
박막 표면
Thin film surface
융발Explosion 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 균열crack
유전 특성
Genetic characteristics
-- 55 102102 100100 9898 9595 5656 1010

상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이, 에너질 밀도가 200 mJ/㎠를 초과한 경우 기판의 변형과 박막 표면의 융발이 일어났으며, 에너질 밀도가 50 mJ/㎠ 미만인 경우 비결정화로 인해 유전 특성이 현저히 떨어짐을 알 수 있었다. 또한, 에너지 조사횟수가 낮을 경우 비결정화로 인한 유전 특성이 떨어지며 조사횟수가 2,000회를 초과할 경우 박막 표면에 균열이 관찰되었다.
As shown in [Table 1], when the energy density exceeds 200 mJ / cm 2, deformation of the substrate and fusion of the surface of the thin film occurred, and when the energy density was less than 50 mJ / cm 2, due to non-crystallization It was found that the characteristics were significantly reduced. In addition, when the number of irradiation times was low, dielectric properties due to non-crystallization decreased, and when the number of irradiation times exceeded 2,000, cracks were observed on the surface of the thin film.

[실시예 2][Example 2]

박막의 미세 구조와 결정성을 알아보기 위해, Pt/Ti/SiO2/Si 기판 상에 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 예비 강유전체 물질(전구체)을 코팅한 후, 150℃도의 열을 가하여 용매와 유기물을 제거하여 300 nm 두께의 비정질 박막을 형성하였다. 이후, 비정질 박막 표면에 엑시머 레이저를 200회씩 조사하여 Ba1 - xSrxTiO3(x = 0.45) 조성의 결정화된 BST계 박막을 형성시켰다.  이때, 엑시머 레이저의 에너지는 80 mJ/㎠, 90 mJ/㎠, 100 mJ/㎠, 및 110 mJ/㎠로 다양하게 인가하였다.In order to examine the microstructure and crystallinity of the thin film, a pre-ferroelectric material (precursor) was coated on a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate using a sol-gel method, followed by heat at 150 ° C. Was added to remove the solvent and organics to form an amorphous thin film of 300 nm thickness. Thereafter, an excimer laser was irradiated 200 times on the surface of the amorphous thin film to form a crystallized BST thin film having a Ba 1 - x Sr x TiO 3 (x = 0.45) composition. In this case, the energy of the excimer laser was variously applied to 80 mJ / cm 2, 90 mJ / cm 2, 100 mJ / cm 2, and 110 mJ / cm 2.

도 5는 엑시머 레이저의 에너지 밀도에 따른 결정 박막의 표면 사진이다.  도 5의 사진에서, 부호 06은 80 mJ/㎠, 07은 90 mJ/㎠, 08은 100 mJ/㎠, 09는 110 mJ/㎠의 에너지 밀도로 인가된 결과이다.  도 5에 보인 바와 같이, 박막에 조사한 레이저의 에너지 밀도가 커질수록 강유전체 박막의 결정립이 성장하는 것을 알 수 있다.  강유전성은 강유전체의 결정립의 크기에 기인하는 하기 때문에 강유전체 박막의 결정립 성장은 고집적 소자의 강유전성 향상에 크게 기인할 것으로 판단된다.  5 is a surface photograph of a crystalline thin film according to an energy density of an excimer laser. In the photograph of FIG. 5, reference numeral 06 is 80 mJ / cm 2, 07 is 90 mJ / cm 2, 08 is 100 mJ / cm 2, and 09 is 110 mJ / cm 2. As shown in FIG. 5, it can be seen that the grain size of the ferroelectric thin film grows as the energy density of the laser irradiated on the thin film increases. Since ferroelectricity is due to the grain size of the ferroelectric, grain growth of the ferroelectric thin film is considered to be largely due to the improvement of the ferroelectricity of the highly integrated device.

도 6은 상기 결정화시킨 강유전체 박막의 XRD 패턴이다.  이때, 도 6의 XRD 패턴에서, 부호 10은 80 mJ/㎠, 11은 90 mJ/㎠, 12는 100 mJ/㎠, 13은 110 mJ/㎠의 에너지 밀도로 인가된 결과이다.  도 6에 보인 바와 같이, 엑시머 레이저의 조사에 의해 비정질 박막이 결정화되었음을 알 수 있으며, 또한 Perovskite 구조를 갖는 Ba1 - xSrxTiO3 물질을 포함하는 강유전체 박막이 형성됨을 알 수 있다. 6 is an XRD pattern of the crystallized ferroelectric thin film. In this case, in the XRD pattern of FIG. 6, reference numeral 10 is 80 mJ / cm 2, 11 is 90 mJ / cm 2, 12 is 100 mJ / cm 2, and 13 is 110 mJ / cm 2. As shown in FIG. 6, it can be seen that the amorphous thin film was crystallized by the excimer laser irradiation, and a ferroelectric thin film including the Ba 1 - x Sr x TiO 3 material having a Perovskite structure was formed.

  

[실시예 3 및 비교예 2]Example 3 and Comparative Example 2

평면 구조(planar structure) 소자를 제조하기 위해, 산화알루미늄(Alumina) 기판 상에 강유전체 박막을 형성하였다.  강유전체 박막은 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 300 nm 두께로 형성하였으며, 엑시머 레이저의 에너지는 200회씩 조사하되, 에너지 밀도는 70 mJ/㎠, 80 mJ/㎠, 90 mJ/㎠, 및 100 mJ/㎠로 다양하게 인가하였다. 그리고 결정화된 Ba1 - xSrxTiO3 박막 표면에 구리(Cu) 전극을 sputtering 방법을 이용하여 상온에서 증착한 후, 에칭 공정을 통해 패터닝하였다.  이후, 통상적인 방법으로 전기적 가변 축전기(Tunable Capacitor) 소자를 제조하였다.  In order to fabricate a planar structure device, a ferroelectric thin film was formed on an aluminum oxide substrate. The ferroelectric thin film was formed to a thickness of 300 nm in the same manner as in Example 2, the energy of the excimer laser is irradiated 200 times, the energy density of 70 mJ / ㎠, 80 mJ / ㎠, 90 mJ / ㎠, and 100 mJ / Various applications were made in cm 2. And crystallized Ba 1 - x Sr x TiO 3 A copper (Cu) electrode was deposited on the surface of the thin film at room temperature using a sputtering method, and then patterned by an etching process. Thereafter, an electrically variable capacitor device was manufactured by a conventional method.

또한, 종래의 결정화 방법과 비교하기 위해, 상기와 동일하게 실시하되, 강유전체 박막을 결정화함에 있어, 엑시머 레이저를 조사하지 않고700℃에서 고온 소결하여 결정화시켰다.(비교예 2) In addition, in order to compare with the conventional crystallization method, in the same manner as described above, in crystallizing the ferroelectric thin film, crystallization was carried out at high temperature sintering at 700 ° C. without irradiating an excimer laser (Comparative Example 2).

위와 같이 제조된 각 소자 시편에 대하여, 유전 특성을 평가하고, 그 결과 도 7에 그래프로 나타내었다.  도 7에서, 부호 17은 70 mJ/㎠, 18은 80 mJ/㎠, 19는 90 mJ/㎠, 20은 100 mJ/㎠의 에너지 밀도로 인가된 유전 특성의 결과이다.  그리고 도 7에서 21은 종래의 방법(비교예 2)으로서, 700℃에서 고온 소결한 시편의 유전 특성 결과이다. For each device specimen prepared as above, the dielectric properties were evaluated, and the results are shown graphically in FIG. 7. In Fig. 7, reference numeral 17 is 70 mJ / cm 2, 18 is 80 mJ / cm 2, 19 is 90 mJ / cm 2, and 20 is a result of dielectric properties applied at an energy density of 100 mJ / cm 2. 7 to 21 are conventional methods (Comparative Example 2), which are results of dielectric properties of specimens sintered at 700 ° C. at high temperature.

도 7에 나타낸 바와 같이, 조사된 엑시머 레이저의 에너지가 증가함에 따라 강유전체의 유전 특성 역시 증가함을 알 수 있다.  또한, 80 mJ/㎠(18)의 에너지를 조사한 경우 종래의 고온 소결(21)과 동등한 유전 특성을 보이며, 특히 90 mJ/㎠ (19)과 100 mJ/㎠ (20)의 에너지를 조사한 경우, 종래의 고온 소결(21)보다 높은 유전 특성을 가짐을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, as the energy of the irradiated excimer laser increases, dielectric properties of the ferroelectric also increase. In addition, when irradiated with energy of 80 mJ / ㎠ (18) shows the dielectric properties equivalent to the conventional high temperature sintering (21), especially when the energy of 90 mJ / ㎠ (19) and 100 mJ / ㎠ (20), It can be seen that it has higher dielectric properties than the conventional high temperature sintering 21.

도 8은 상기 제조된 각 소자 시편에 대하여, 용량 가변능(tunability)을 평가한 그래프이다.  도 8에서, 부호 22는 70 mJ/㎠, 23은 80 mJ/㎠, 24는 90 mJ/㎠, 25는 100 mJ/㎠의 에너지 밀도로 인가된 용량 가변능 평가 결과이다.  그리고 도 8에서 26은 종래의 방법(비교예 2)으로서, 700℃에서 고온 소결한 시편의 결과이다.FIG. 8 is a graph evaluating capacity tunability for each device specimen prepared above. In Fig. 8, reference numeral 22 denotes 70 mJ / cm 2, 23 denotes 80 mJ / cm 2, 24 denotes 90 mJ / cm 2, and 25 denotes a variable variable capacity evaluation result applied at an energy density of 100 mJ / cm 2. 8 to 26 are conventional methods (Comparative Example 2), which are results of specimens sintered at high temperature at 700 ° C.

도 8에 보인 바와 같이, 조사된 에너지가 증가함에 따라 용량 가변능이 증가하는 것을 확인할 수 있다.  또한, 모든 에너지 밀도에서 700℃의 고온 소결(26)보다 높은 용량 가변능을 보임을 알 수 있다. As shown in Figure 8, it can be seen that the capacity variable capacity increases as the irradiated energy increases. It can also be seen that at all energy densities, higher capacity variability is shown than high temperature sintering 26 at 700 ° C.

이상의 실험예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 고온 소결에 의하지 않고, 레이저 어닐링 방법을 통해 300℃ 이하의 저온 공정 조건에서 강유전성을 가지는 박막을 형성시킬 수 있음을 알 수 있다.  또한, 평면 구조(Planar) 소자로 구현했을 때, 종래의 고온 소결을 통해 결정화시킨 박막보다 우수한 유전 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
As can be seen in the above experimental example, it can be seen that a thin film having ferroelectricity can be formed at a low temperature process condition of 300 ° C. or less through a laser annealing method without using high temperature sintering. In addition, when implemented as a planar device, it can be seen that the dielectric properties are superior to those of the thin film crystallized through the conventional high temperature sintering.

10 : 기판                           22 : 비정질의 예비 강유전체 박막
20 : 강유전체 박막                  30 : 전극
10 substrate 22 amorphous pre-ferroelectric thin film
20: ferroelectric thin film 30: electrode

Claims (11)

평면구조(Planar Structure)의 강유전체 소자 제조 방법에 있어서,
(ⅰ) 기판 상에 비정질의 예비 강유전체 박막을 형성하는 단계; 및
(ⅱ) 상기 비정질의 예비 강유전체 박막의 상부 전면에 엑시머 레이저를 조사하여 결정화함으로써 강유전체 박막을 형성하는 단계; 및
(iii) 상기 강유전체 박막 상에 전극을 형성하는 단계; 및
(iv) 상기 전극을 패터닝하는 단계를 포함하되,
상기 (ⅰ)단계의 공정 온도는 100 ~ 300℃ 이고,
상기 (ⅱ)단계에서 상기 기판의 온도는 20 ~ 300℃로 유지시키며,
상기 조사되는 엑시머 레이저의 에너지 밀도는 80 mJ/㎠ 내지 150 mJ/㎠ 이고, 조사되는 횟수는 1000 내지 2000회이고,
상기 (iv)단계에서 전극 패터닝시, 상기 전극은 상기 강유전체 박막의 상부에 평면구조 형태로 만들어지는 것을 특징으로 하는 평면구조의 강유전체 소자 제조 방법.
In the method of manufacturing a ferroelectric element of a planar structure,
(Iii) forming an amorphous preliminary ferroelectric thin film on the substrate; And
(Ii) forming a ferroelectric thin film by crystallizing an upper surface of the amorphous pre-ferroelectric thin film by irradiating an excimer laser; And
(iii) forming an electrode on the ferroelectric thin film; And
(iv) patterning the electrode,
Process temperature of the step (iii) is 100 ~ 300 ℃,
In the step (ii) the temperature of the substrate is maintained at 20 ~ 300 ℃,
The energy density of the excimer laser to be irradiated is 80 mJ / ㎠ to 150 mJ / ㎠, the number of irradiation is 1000 to 2000 times,
When the electrode patterning in the step (iv), the electrode is a planar ferroelectric device manufacturing method, characterized in that the electrode is made in a planar structure on top of the ferroelectric thin film.
제1항에 있어서,
상기 (ⅰ)단계에서 형성된 비정질의 예비 강유전체 박막은 Ba, Sr, Pb, Ca, La, K, Na, Ti, Zr, Nb, Ta 및 Fe 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면구조의 강유전체 소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The amorphous pre-ferroelectric thin film formed in step (iii) includes at least one element selected from Ba, Sr, Pb, Ca, La, K, Na, Ti, Zr, Nb, Ta, and Fe. Ferroelectric device manufacturing method.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (ⅱ)단계에서 결정화된 강유전체 박막은 하기 화학식 1로 표시되는 조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면구조의 강유전체 소자 제조 방법.
[화학식 1]
ABO3
(위 화학식 1에서, A는 Ba, Sr, Pb, Ca, La, K 및 Na 중에서 선택된 하나 이상이고, B는 Ti, Zr, Nb, Ta 및 Fe 중에서 선택된 하나 이상이다.)
The method of claim 1,
The ferroelectric thin film crystallized in the step (ii) is a ferroelectric device manufacturing method having a planar structure, characterized in that it comprises a composition represented by the following formula (1).
[Formula 1]
ABO3
(In Formula 1, A is at least one selected from Ba, Sr, Pb, Ca, La, K and Na, B is at least one selected from Ti, Zr, Nb, Ta and Fe.)
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (ⅱ)단계에서 엑시머 레이저를 사각형 형태로 조사하는 것을 특징으로 하는 평면구조의 강유전체 소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a ferroelectric device having a planar structure, characterized in that to irradiate the excimer laser in the form of a square in the step (ii).
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