KR101752060B1 - 전기적 특성이 향상된 mim 커패시터용 전기소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전기적 특성이 향상된 mim 커패시터용 전기소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이트륨 산화물이 도핑된 지르코늄 산화물의 박막에서 이트륨 산화물의 비율 및 지르코늄 산화물의 증착 비율을 조절하여 전기 소자의 전기적 특성을 향상시킨 MIM 커패시터용 전기소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 원자층 증착법에 의한 수퍼 사이클은 별도의 공정 과정 없이 균일하게 도핑된 산화물 박막의 생산이 가능하게 하였고, 기존의 High-K 기반의 MIM 커패시터에 적용하여 전기적 특성이 개선되어 종래의 MIM 커패시터에 이용되는 기술적 한계가 극복되었으며, 본원 발명의 MIM 커패시터 전기소자를 이용하여 미래 전기소자의 소형화에 확대 적용가능하다.

Description

전기적 특성이 향상된 MIM 커패시터용 전기소자 및 이의 제조 방법{Electric Device for MIM Capacitor having Enhanced electrical characteristics and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 MIM 커패시터용 전기소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이트륨 산화물이 도핑된 지르코늄 산화물의 박막에서 이트륨 산화물의 비율 및 지르코늄 산화물의 증착 비율을 조절하여 전기 소자의 전기적 특성을 향상시킨 MIM 커패시터용 전기소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
커패시터는 메모리 소자인 DRAM이나 임베디드 DRAM 소자 등에서 정보 저장 역할을 수행하는 장치이다. 메모리 소자에서 커패시터는 그 내부에 일정량 이상의 전하를 저장함으로써 소자 동작이 가능하도록 한다. 반도체 산업에서 칩의 원가 절감 및 저전력화 및 소형화를 구현하기 위해서는 초고집적화된 소자를 제조하는 기술 개발이 중요하며 이를 위한 전 세계적인 연구가 계속되고 있다.
하지만, 전자소자의 소형화는 고 유전율과 낮은 누설 전류의 기술적 한계를 극복하기 위한 필요성이 해결되지 않고 있으며, 기존의 ZrO2/Al2O3/ZrO2(ZAZ)구조와 같은 이원 산화물로는 도달하기 어렵다. 이를 위한 해결책으로 SrTiO3(STO) 또는 BaSrTiO3(BST)와 같은 다상 유전막이 연구되고 있으나, 아직은 산업화에 도입하기 용이하지 않다.
유효한 정전용량을 확보하기 위해 수 십에서 수 백의 유전상수를 갖는 고유전율을 갖는 새로운 유전재료의 개발 및 이에 적합한 전극재료를 개발하고, 커패시터의 유효 단면적을 증대시킬 수 있는 새로운 형태의 커패시터의 구조 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명자들은 ZrO2, HfO2, TiO2와 같은 기존 high-k 물질을 기반으로 한 Si, Ge, Ti 혹은 La, Y과 같은 희토류금속의 도핑에 의한 실제 산업에 적용 가능한 산화막 특성을 개선시킬 수 있는 방법을 개발하였다.
원자층 증착법은 우수한 단차피복성과 원자 수준의 두께조절 가능성으로 다양한 전자소자에 적용 가능한 기술로 원자층 증착의 수퍼 사이클(Super cycle)은 별도의 공정 과정 없이 균일하게 도핑된 산화물 박막을 생산 가능하게 하였다.
본 발명은 원자 수준의 두께 조절이 된 원자층 증착법을 이용하여 균일하게 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 박막을 개발하였고, 이를 이용한 MIM 커패시터를 제작하였다. 이트륨 도핑은 ZrO2 박막의 유전율을 높이고 절연 특성을 개선시켜 전기적 특성을 개선시켰고, 지르코늄 산화물(ZrO2) 기반 MIM 커패시터의 용량을 증가시키는 동시에 누설 전류를 감소시켜 전기적 특성을 개선할 수 있게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 루테늄(Ru) 기판; 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층, 지르코늄 산화물 층 상에 증착된 스퍼터링(Sputtering)된 루테늄(Ru) 층을 포함하는 MIM 커패시터를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 루테늄(Ru) 기판 상에 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시키는 단계 및 지르코늄 산화물 층 상에 루테늄(Ru) 층을 증착시키는 단계를 포함하는 MIM 커패시터 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자는 루테늄(Ru) 기판; 상기 루테늄(Ru) 기판에 결합되어 있는 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층; 및 상기 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층에 결합되어 있는 스퍼터링(Sputtering)된 루테늄(Ru) 층을 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법은 (a) 루테늄 층을 형성하는 단계; (b) 상기 루테늄 층 위에 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시키는 단계; (c) 루테늄 층 위에 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시킨 후 고온에서 어닐링(Annealing)시키는 단계; 및 (d) 상기 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층 위에 스퍼터링시킨 루테늄 층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법에서 루테늄 층 위에 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시키는 단계는 (b1) 이트륨 전구체를 주입시켜 루테늄 층에 흡착시키는 단계; (b2) 퍼지 가스를 주입하는 단계; (b3) 오존 가스를 주입하는 단계; (b4) 퍼지 가스를 주입하는 단계; (b5) 지르코늄 전구체를 주입시켜 이트륨이 흡착된 루테늄 층에 흡착시키는 단계; (b6) 퍼지 가스를 주입하는 단계; (b7) 오존 가스를 주입하는 단계; (b8) 퍼지 가스를 주입하는 단계; 및 상기 (b5) 내지 (b8) 단계를 반복적으로 수퍼 사이클(Super cycle)시켜 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 제조하는 원자층 증착법을 이용하는 것을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 효과에 대해서는 다음과 같다.
본 발명의 MIM 커패시터 전기소자는 원자층 증착법에 의한 수퍼 사이클을 통해 별도의 공정 과정 없이 균일하게 도핑된 산화물 박막의 생산이 가능하게 하였고, 기존의 High-K 기반의 MIM 커패시터에 적용하여 전기적 특성을 개선시켰다.
이트륨 산화물이 도핑된 지르코늄 산화물 기반의 MIM 커패시터 전기소자의 저장용량 및 누설 전류의 문제를 동시에 개선하여 종래의 MIM 커패시터에 이용되는 기술적 한계가 극복되었다. 본 발명의 MIM 커패시터 전기소자를 이용하여 미래 전기소자의 소형화에 확대 적용가능하다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조 과정의 전체 개괄 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자에서 원자층 증착법을 이용한 이트륨 산화물이 도핑된 지르코늄 산화물 박막의 제조 과정을 나타내는 것으로 전체 과정이 1회의 이트륨 산화물의 증착 및 n회의 지르코늄 산화물의 증착과정이 1 수퍼 사이클(Super cycle)에 해당한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조예 1에 의해 제작한 전기소자의 XPS의 코어 레벨 스펙트럼 수치로 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 각각 1:2, 1:4, 1:8일 때의 지르코늄, 이트륨, 산소의 함량에 따른 강도(Intensity)를 각각 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 인가 전압에 대한 정전용량-전압 수치를 나타낸 그래프로, 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 각각 1:2, 1:4, 1:8일 때의 정전용량 값을 측정하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 인가 전압에 대한 전류-전압 수치를 나타낸 그래프로, 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 각각 1:2, 1:4, 1:8일 때의 전류 밀도 값을 측정하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 인가 전압에 대한 정전용량-전압 수치를 나타낸 그래프로, 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 1:2일 때 각각의 어닐링 온도(400, 600 및 800℃)에 따라 정전용량 값을 측정한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 인가 전압에 대한 전류-전압 수치를 나타낸 그래프로, 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 1:2일 때 각각의 어닐링 온도(400, 600 및 800℃)에 따라 전류 밀도 값을 측정한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조 과정의 전체 개괄 이미지이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자에서 원자층 증착법을 이용한 이트륨 산화물이 도핑된 지르코늄 산화물 박막의 제조 과정을 나타내는 것으로 전체 과정이 1회의 이트륨 산화물의 증착 및 n회의 지르코늄 산화물의 증착과정이 1 수퍼 사이클(Super cycle)에 해당한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조예 1에 의해 제작한 전기소자의 XPS의 코어 레벨 스펙트럼 수치로 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 각각 1:2, 1:4, 1:8일 때의 지르코늄, 이트륨, 산소의 함량에 따른 강도(Intensity)를 각각 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 인가 전압에 대한 정전용량-전압 수치를 나타낸 그래프로, 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 각각 1:2, 1:4, 1:8일 때의 정전용량 값을 측정하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 인가 전압에 대한 전류-전압 수치를 나타낸 그래프로, 이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물의 증착 사이클 횟수 비율이 각각 1:2, 1:4, 1:8일 때의 전류 밀도 값을 측정하였다.
본 발명의 MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법은 원자층 증착법(ALD)을 통한 2원 산화물 박막의 제조 과정을 포함한다. 원자층 증착법(ALD)은 미국 특허 제 4,058,430호 및 제5,711,811호에 상세하게 기재되어 있다. Ritala 등 (Ritala, M. and Leskela, M., Appl. Surf. Sci. 75(1994),333)은 ALD식 방법에 의해서 ZrO2를 성장시키는 방법을 개시하고 있으며, ZrCl4가 지르코늄원 재료로서 사용되어 물이 산소원 재료로서 사용될 수 있다. 이 방법을 위한 온도는 약 500℃이며, 증착되는 성장 속도는 0.53Å/사이클이었다. 또한, Molsa 등 (Molsa, H. et al., Adv. Mat. Opt. El. 4(1994),389)는 ALE법에 의해서 Y2O3를 성장시키는 방법을 개시하고 있다. 이트륨 전구체 재료로서 Y(thd) 3(thd=2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디온(heptanedione)) 및 산소원 재료로서 오존-산소 혼합물을 사용했다. 이 방법을 위한 온도는 400 내지 500℃이며, 증착되는 성장 속도는 온도의 상승과 함께, 0.3Å/사이클에서 1.8Å/사이클까지 지속적으로 증가하였다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 MIM 커패시터용 전기소자는 루테늄(Ru) 기판; 상기 루테늄(Ru) 기판에 결합되어 있는 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층; 및 상기 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층에 결합되어 있는 스퍼터링(Sputtering)된 루테늄(Ru) 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물에서 이트륨(Y)은 이트륨 산화물(Y2O3)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층에서 이트륨(Y)이 함유된 비율(Y/Y+Zr)은 1 내지 5%이며, 보다 바람직하게는 2 내지 4%이며, 가장 바람직하게는 3 내지 4%이다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법은 (a) 루테늄 층을 형성하는 단계; (b) 상기 루테늄 층 위에 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시키는 단계; (c) 루테늄 층 위에 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시킨 후 고온에서 어닐링(Annealing)시키는 단계; 및 (d) 상기 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층 위에 스퍼터링시킨 루테늄 층을 형성하는 단계;를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 루테늄 층 위에 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시키는 단계는 (b1) 이트륨 전구체를 주입시켜 루테늄 층에 흡착시키는 단계; (b2) 퍼지 가스를 주입하는 단계; (b3) 오존 가스를 주입하는 단계; (b4) 퍼지 가스를 주입하는 단계; (b5) 지르코늄 전구체를 주입시켜 이트륨이 흡착된 루테늄 층에 흡착시키는 단계; (b6) 퍼지 가스를 주입하는 단계; (b7) 오존 가스를 주입하는 단계; (b8) 퍼지 가스를 주입하는 단계; 및 상기 (b5) 내지 (b8) 단계를 반복적으로 수퍼 사이클(Super cycle)시켜 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 제조하는 원자층 증착법을 이용한다.
루테늄 층에 공급되는 이트륨 전구체는 1초 내지 5초 동안 공급될 수 있다. 보다 바람직하게는 1초 내지 2초 동안 주입하여 루테늄 층에 증착시킨다. 이트륨 전구체를 증착시키는 방법은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)을 이용한다. 이트륨 전구체는 이트륨 산화물(Y2O3)인 것이 바람직하다.
증착에 참여하지 않은 이트륨 전구체를 제거하기 위해 퍼지 가스를 공급하여 제거시킨다. 상기 퍼지 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 네온(Ne) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 가스일 수 있으며, 보다 바람직하게는 아르곤(Ar) 가스를 이용한다.
다시 이트륨 전구체가 증착된 루테늄 층에 지르코늄 전구체를 공급하여 증착시킨다. 상기 지르코늄 전구체는 지르코늄 산화물(ZrO2)인 것이 바람직하다. 상기 지르코늄 전구체는 1초 내지 10초 동안 공급시킬 수 있으며 보다 바람직하게는 1초 내지 3초 동안 공급시킨다. 증착에 참여하지 않은 지르코늄 전구체를 제거하기 위해 퍼지 가스를 공급하여 제거시킨다.
퍼지 가스는 (b2) 단계에서 1초 내지 10초, (b4) 단계에서 1초 내지 10초, (b6) 단계에서 2초 내지 20초, (b8) 단계에서 1초 내지 10초 동안 공급시킬 수 있다.
이트륨 전구체 및 지르코늄 전구체를 루테늄 기판에 보다 잘 증착시키기 위해 오존 가스를 공급할 수 있다. 300 내지 500도 온도 조건에서 0.1 내지 3초 동안 오존 가스를 공급시킬 수 있으며 보다 바람직하게는 약 1초 동안 오존 가스를 공급한다. 증착을 진행시킨 후 각 단계에서 오존 가스를 제거하기 위해 퍼지 가스를 재공급한다. 각 단계마다 1초 내지 10초 동안 퍼지 가스를 공급할 수 있으나 충분한 시간 동안 처리하여 오존 가스를 제거시킬 수 있다.
다시 이트륨 전구체가 증착된 루테늄 층에 지르코늄 전구체를 공급하여 증착시키는 단계를 반복적으로 수행할 수 있다. 이를 통해 도핑된 이트륨의 농도를 조절할 수 있다. 이트륨 전구체 층을 증착시키는 단계를 1회 수행할 때, 지르코늄 전구체를 증착시키는 단계는 2회 내지 8회 수행한다. 이는 절대적인 회수를 의미하는 것에 국한되지 않으며, 증착 단계의 비율과 동일할 수 있다. 이트륨 전구체 층의 증착 단계를 2회 수행하는 경우 그에 맞추어 지르코늄 전구체의 증착 횟수를 비율에 맞추어 4회 내지 16회 수행할 수 있다.
이후 루테늄 층을 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층 위에 결합시키기 위해 사전에 어닐링 단계를 수행할 수 있다. 어닐링 가스는 도핑 물질이 박막 전체에 균일하게 분포될 수 있도록 질소 어닐링인 것이 보다 바람직하다. 어닐링 단계는 질소 조건에서 600 내지 1500℃로 가열시킬 수 있으며 보다 바람직하게는 700 내지 1000℃에서 어닐링 시킨다. 가장 바람직하게는 750 내지 900℃에서 어닐링 시킨다.
상기 이트륨 산화물(Y2O3)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층 위에 스퍼터링시킨 루테늄 층을 형성하는 단계에서 상부 루테늄 층은 상부 전극으로 이용되기 때문에 이를 위해 DC 마그네트론 스퍼터링(DC Magnetron Sputtering) 방법으로 루테늄 층을 증착시킨다.
[ 실시예 ]
1. 제조예 1 : MIM 커패시터 제작
도 1 및 도 2를 참조하면, 루테늄 기판 위에 이트륨 산화물(Y2O3)을 1.5초 동안 공급한 후, 퍼지 가스로 아르곤 가스를 5초 동안 공급하여 결합되지 않은 이트륨 산화물을 제거하였다. 이 후 1초 동안 오존 가스를 처리하였으며, 다시 아르곤 가스를 5초 동안 공급하여 오존 가스를 제거하였다.
이트륨 산화물을 증착시킨 상기 루테늄 기판에 지르코늄 산화물(ZrO2) 가스를 2초 동안 공급하였다. 이 후 아르곤 가스를 10초 동안 공급하여 잔류한 지르코늄 산화물을 제거시켰다. 이 후 1초 동안 오존 가스를 처리하였으며, 다시 아르곤 가스를 5초 동안 공급하여 오존 가스를 제거하였다.
지르코늄 산화물(ZrO2)을 증착시키는 과정을 2회/4회/8회 사이클로 반복적으로 수행하여 도핑된 이트륨 산화물(Y2O3)의 농도를 조절하였다. 지르코늄 산화물을 증착시키는 단계 횟수가 증가할수록 상대적으로 이트륨 산화물의 농도가 낮아진다.
이후 800도에서 질소 조건 하에서 어닐링을 수행하였고, DC 마그네트론 스퍼터링 방식을 통해 루테늄 층을 상기의 이트륨이 도핑된 지르코늄 산화물 층 위에 증착시켜 MIM 커패시터 제작을 완성하였다.
2. 실험결과 1 : X-ray photoelectron spectroscopy ( XPS )를 이용한 원자층 증착된 Y 도핑된 ZrO 2 화학적 조성 확인
상기 제조예 1의 방식으로 제작한 MIM 커패시터의 제작 방법에서 이트륨 산화물 1회 증착 대비, 지르코늄 산화물(ZrO2)을 증착시키는 과정을 2회/4회/8회 수행시켰을 때 이트륨의 상대적인 양을 확인하기 위해 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)을 이용하여 원자층에 증착된 화학 조성을 확인하였고 이를 하기 표 1에 기재하였다.
Y2O3 : ZrO2사이클 비율 1: 8 Y 도핑된 ZrO2 1: 4 Y 도핑된 ZrO2 1: 2 Y 도핑된 ZrO2
실험예 1 실험예 2 실험예 3
Y / (Zr+Y) (%) 2.36 2.73 3.69
XPS 분석을 통해, 지르코늄 사이클 횟수 대비 상대적인 이트륨 사이클 횟수 비율이 높을수록 박막 내의 이트륨 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 실험예 3에서 1:2 비율인 경우(실험예 3) 이트륨의 함량이 3.69%로 가장 높은 것으로 확인되었고, 1:8 비율인 경우(실험예 1)에 2.36%로 이트륨의 함량이 가장 낮은 것으로 확인되었다.
상기의 XPS 분석을 통해 이트륨 증착 단계 및 지르코늄 증착 단계의 사이클 비율을 조절함으로써 산화물 박막 내의 이트륨 도핑 비율을 달리할 수 있다.
3. 실험결과 2: MIM 커패시터의 정전용량-전압(Capacitive-voltage, C-V) 및 전류-전압(Current-Voltage, I-V) 특성의 측정
제조예 1의 방식으로 제조한 이트륨 산화물과 지르코늄 산화물 비율을 달리하여 제작한 각 MIM 커패시터(실험예 1, 2, 3)에 대한 정전용량-전압 분석 및 전류-전압 분석을 실시하였으며, 이트륨 산화물의 함량이 증가할 때의 정전용량-전압 분석 및 전류-전압 분석 데이터를 측정하였고 이를 도 6 및 도 7에 나타내었다. 상기 C-V, I-V 분석은 이트륨 산화물의 함량에 따른 지르코늄 산화물 박막 내의 이트륨 도핑의 효과를 나타낸다.
C-V 분석에서 이트륨 산화물이 도핑된 지르코늄 산화물 박막에서 이트륨 산화물의 함량이 많을수록(이트륨 산화물 증착 횟수와 지르코늄 산화물 산화물의 증착 횟수 비율이 1:2인 경우), 인가 전압 대비 정전용량(Capacitance)(도 6) 및 전류 밀도(Current density)(도 7)가 높게 측정되었으며, 증착 횟수 비율이 1:4, 1:8일수록 각 수치값이 떨어졌다. 도핑된 이트륨 산화물 함량이 높을수록 커패시터 전기 소자로서의 전기적 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
4. 실험결과 3: MIM 커패시터의 유전율 및 누설 전류 밀도 값 측정
실험예 1, 2 및 3의 MIM 커패시터의 유전율 및 누설 전류 밀도 값을 각각 측정하였고 하기 표 2에 나타내었다.
Y2O3 : ZrO2
사이클 비율
ZrO2 1: 8
Y 도핑된 ZrO2
1: 4
Y 도핑된 ZrO2
1: 2
Y 도핑된 ZrO2
비교예 실험예 1 실험예 2 실험예 3
유전율 19.1 21.2 24.5 30.2
누설 전류 밀도
A/cm2 at -1 MV/cm
2.6 ×10-7 2.4 ×10-6 5.8 ×10-7 4.3 ×10-9
상기 표 2를 참조하면, 유전율 및 누설 전류 밀도 측정 결과 실험예 3의 유전 상수 값이 가장 크게 나타났으며, 지르코늄 산화물의 단일 박막보다 유전율이 약 58% 가량 향상되었으며, 누설 전류 밀도의 경우 이트륨의 도핑 비율이 증가함에 따라 누설 전류 밀도가 점차 감소함을 확인할 수 있었으며, 실험예 3의 누설 전류 밀도 수치는 비교예보다 약 1/60 수준에 불과하였다. 이트륨 산화물 도핑량이 일정 비율 이상(> 3%)의 이트륨 산화물의 도핑을 통해 지르코늄 산화물 박막의 유전율 및 MIM 커패시터의 누설 전류 특성이 개선되었다.
상기의 실험 결과에 의할 때 도핑된 이트륨 산화물 함량이 높을수록 유전율 및 누설 전류 밀도 값이 각각 향상된 수치로 나타나 커패시터 전기 소자로서의 전기적 특성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
5. 실험결과 4: 어닐링 온도에 따른 전기적 특성 판단
비교예 조건과 실험예 3 조건을 보다 세분화하여 질소 분위기 하에서 어닐링시킬 때의 온도 조건을 각각 400, 600 및 800℃에서 수행하였을 때의 C-V 분석 및 I-V 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 8 및 도 9에 각각 나타내었다. 또한 유전율 및 누설 전류 밀도 값을 측정하여 하기 표 3에 기재하였다.
비교예는 각 온도 별로 비교예 2, 3 및 4로 구분하였으며, 마찬가지로 실험예를 실험예 4, 5 및 6으로 구분하여 나타내었다.
Y2O3 : ZrO2
사이클 비율
ZrO2 1: 2 Y 도핑된 ZrO2
비교예2 비교예3 비교예4 실험예 4 실험예 5 실험예 6
어닐링 온도(℃) 400 600 800 400 600 800
유전율 22.0 19.9 19.1 23.3 23.5 30.2
누설 전류 밀도
A/cm2 at -1 MV/cm
1.3 ×10-7 4.5 ×10-8 2.6 ×10-7 2.7 ×10-5 1.1 ×10-6 4.3 ×10-9
상기 표 3 및 도 8, 9를 참조하면, C-V 분석 및 I-V 분석에서 어닐링 온도에 따른 지르코늄 산화물 박막 내의 이트륨 도핑의 효과를 나타내었다. 이트륨 산화물 함량이 많은 1:2 조건에서의 지르코늄 산화물 박막에 대하여, 어닐링 온도가 600℃ 이하에서는 유전율과 누설 전류 밀도 측면에서 전기적 특성의 개선을 관찰할 수 없었다. 반면에 어닐링 온도 800℃에서는 지르코늄 산화물 단일 박막과 비교하였을 때 유전율이 58% 가량 증가하고 누설 전류 밀도가 1/60 정도로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 도핑된 이트륨 산화물 원소가 박막 내에 균일하게 분포하여 지르코늄 산화물의 원자 배열에 영향을 미치기 위해서는 일정한 온도 이상이 필요하며, 전구체의 Decomposition 등의 문제로 원자층 증착 온도를 증가시키는 것은 한계가 있어 증착 후 어닐링 온도를 조절하여 도핑 효과를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (12)

  1. (a) 루테늄(Ru) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 루테늄(Ru) 기판 위에 원자층 증착법(ALD)을 통해 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 증착시키는 단계;
    (c) 상기 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층을 고온에서 어닐링(Annealing)시키는 단계; 및
    (d) 상기 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층 위에 스퍼터링(Sputtering)을 통해 루테늄(Ru) 층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계는 원자층 증착법(ALD)을 통해 이트륨 산화물(Y2O3)을 증착시킨 후 그 위에 원자층 증착법(ALD)을 통해 지르코늄 산화물(ZrO2)을 복수회 증착시키는 1 수퍼 사이클(Super cycle)을 반복하는 것으로서, 이트륨 산화물(Y2O3)의 증착 1회당 지르코늄 산화물(ZrO2)의 증착 2회의 비율로 수행되는 것이고,
    상기 이트륨(Y)이 도핑된 지르코늄 산화물(ZrO2) 층에서 전체 금속 중 이트륨(Y) 원소가 함유된 비율(Y/Y+Zr)은 3.69%이며,
    상기 (c) 단계의 어닐링(Annealing)은 질소 조건 하에서 800℃의 온도로 수행되는 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 1 수퍼 사이클(Super cycle)은,
    (b1) 루테늄(Ru) 기판 위에 이트륨 전구체를 공급하여 흡착시키는 단계;
    (b2) 퍼지 가스를 주입하는 단계;
    (b3) 오존 가스를 주입하는 단계;
    (b4) 퍼지 가스를 주입하는 단계;
    (b5) 이트륨 산화물(Y2O3)이 흡착된 루테늄(Ru) 기판 위에 지르코늄 전구체를 공급하여 흡착시키는 단계;
    (b6) 퍼지 가스를 주입하는 단계;
    (b7) 오존 가스를 주입하는 단계; 및
    (b8) 퍼지 가스를 주입하는 단계;를 포함하는 것으로서,
    상기 (b5) 내지 (b8) 단계는 2회 반복적으로 수행되는 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar) 및 네온(Ne) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 가스인 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이트륨 전구체는 1초 내지 5초 동안 공급되는 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지르코늄 전구체는 1초 내지 10초 동안 공급되는 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 (b2) 단계, (b4) 단계 및 (b8) 단계의 퍼지 가스는 1초 내지 10초 동안 주입되고, 상기 (b6) 단계의 퍼지 가스는 2초 내지 20초 동안 주입되는 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 사이클(Super cycle) 횟수는 1회 내지 10회인 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 스퍼터링은 DC 마그네트론 스퍼터링(DC Magnetron Sputtering)을 통해 수행되는 것인,
    MIM 커패시터용 전기소자의 제조 방법.
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JP2009239080A (ja) * 2008-03-27 2009-10-15 Toshiba Corp 半導体装置、キャパシタ、および電界効果トランジスタ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100861678B1 (ko) * 1999-12-30 2008-10-07 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 금속전극을 형성하기 위한 방법
JP2009239080A (ja) * 2008-03-27 2009-10-15 Toshiba Corp 半導体装置、キャパシタ、および電界効果トランジスタ

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