KR102674344B1 - 높은 일함수 산화물반도체 중간층을 이용한 낮은 누설전류 및 높은 전기용량의 커패시터 제작 방법 및 이에 의해 제조된 커패시터 - Google Patents
높은 일함수 산화물반도체 중간층을 이용한 낮은 누설전류 및 높은 전기용량의 커패시터 제작 방법 및 이에 의해 제조된 커패시터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 높은 일함수 산화물반도체 중간층을 이용한 낮은 누설전류 및 높은 전기용량의 커패시터 제작 방법 및 이에 의해 제조된 커패시터를 개시한다. 본 발명에 따르면, 기판 상에 TiN으로 구성된 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상부에 V2O5 및 In2O3 중 하나로 구성된 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계; 상기 산화물반도체 중간층 상부에 TiO2로 구성된 유전체층을 형성하는 단계; 및 상기 유전체층 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 커패시터 제작 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 높은 일함수 산화물반도체 중간층을 이용한 낮은 누설전류 및 높은 전기용량의 커패시터 제작 방법에 관한 것이다.
DRAM의 집적도를 향상시키고 높은 속도를 달성하기 위해 개별 셀들의 크기가 작아지면서 전기용량이 감소하고 누설전류가 증가하게 된다.
작은 전기용량과 높은 누설전류는 잦은 리프레시(Refresh)를 필요로 하고 신뢰성 문제를 발생시킬 수 있다.
높은 유전율을 갖는 high-k 물질이 전기용량을 높이기 위해 많이 사용되지만 좁은 밴드갭으로 인한 누설전류는 여전히 큰 문제이다.
high-k 물질에 산화 알루미늄을 적층 또는 도핑하여 누설경로를 차단하거나 유전체의 비정질상을 유도하여 결정입계를 제거하는 방법이 사용되고 있다.
그러나, 이는 원자층 증착의 불완벽한 삼원 산화물 증착을 야기할 수 있고 유전체의 결정성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
이산화타이타늄(TiO2)는 high-k 물질 중에서도 높은 유전율(아나타제 ~40, 루틸 ~100)을 가지고 있지만 특히 좁은 밴드갭(3.2eV)으로 인해 큰 누설전류가 발생한다는 한계가 존재한다.
이를 해결하기 위해 높은 일함수를 가지는 전극이 요구되고 있으며, 최근 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터에서 가장 흔히 사용되는 TiN 전극을 대신하여 높은 일함수를 가지는 Ru 혹은 RuO2를 전극으로 사용하는 커패시터가 개발되고 있다.
이는 쇼트키 장벽을 증가시켜 누설전류를 크게 줄일 수 있지만 귀금속 물질인 Ru은 기존의 TiN 전극에 비해 가격이 매우 높다는 단점이 있다.
다음 표는 커패시터의 누설전류를 줄이기 위한 방법과 한계점을 요약한 것이다.
| 커패시터 소자 구조 | 결과 | 한계점 |
| TiN - ZrO2/Al2O3/ZrO2 - TiN | ZrO2에 Al2O3를 적층하여 누설경로 차단 및 결정입계 제거, 누설전류 32배 감소 | 유전체의 결정성 저하, 불완벽한 삼원 산화물 증착 야기 |
| TiN - Al2O3 - ZrO2 - Al2O3 - TiN | 계면에 넓은 밴드갭을 가지는 Al2O3 층을 삽입하여 누설전류 100배 이상 감소 | 상대적으로 낮은 유전율의 절연체인 Al2O3를 삽입함으로 등가 산화물 두께 (EOT) 증가 |
| RuO2 - TiO2 - RuO2 | 높은 일함수를 가지는 RuO-2 전극을 사용하여 누설전류 100배 이상 감소 | 귀금속 전극 사용으로 인한 비용 문제 발생 |
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 전극 및 유전체 사이의 에너지 장벽을 높일 수 있는 높은 일함수 산화물반도체 중간층을 이용한 낮은 누설전류 및 높은 전기용량의 커패시터 제작 방법을 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 커패시터 제작 방법으로서, 기판 상에 TiN으로 구성된 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상부에 V2O5 및 In2O3 중 하나로 구성된 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계; 상기 산화물반도체 중간층 상부에 TiO2로 구성된 유전체층을 형성하는 단계; 및 상기 유전체층 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 커패시터 제작 방법이 제공된다.
상기 산화물반도체 중간층은 0.5 내지 1.5nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계는, VTIP(Vanadium(V) oxytriisopropoxide) 또는 DADI([3-(dimethylamino)propyl]dimethyl indium) 전구체를 이용하여 원자층 증착을 통해 상기 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, Si 웨이퍼로 구성되는 기판; 상기 기판 상에 형성되며 산화물반도체 중간층이 삽입된 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되는 TiO2 로 구성된 유전체층; 및 상기 유전체층 상부에 형성되는 상부전극을 포함하는 커패시터가 제공된다.
본 발명에 따르면, 하부전극 상에 높은 일함수 산화물반도체 중간층을 형성함으로써 낮은 누설전류 및 높은 전기용량의 커패시터를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 산화물반도체 중간층 및 유전체의 원자층 증착에 사용된 전구체의 화학 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 실시예에 따른 커패시터에 사용된 각 구성물질의 종류 및 에너지 밴드를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 5는 본 실시예에 따른 중간층에 대한 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 TiO2 박막의 Ti 2p와 O 1s의 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 중간층이 삽입된 전극의 일함수 변화를 나타내는 자외선 광전자 분광법(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy, UPS) 그래프이다.
도 8은 본 실시예에 따른 중간층 위에 성장된 TiO2 박막의 X선 회절법(X-Ray Diffraction, XRD) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9는 100kHz에서의 커패시터의 전기용량밀도를 나타낸 도면이다.
도 10은 커패시터의 누설전류를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 실시예에 따른 산화물반도체 중간층 및 유전체의 원자층 증착에 사용된 전구체의 화학 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 실시예에 따른 커패시터에 사용된 각 구성물질의 종류 및 에너지 밴드를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 5는 본 실시예에 따른 중간층에 대한 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 TiO2 박막의 Ti 2p와 O 1s의 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 중간층이 삽입된 전극의 일함수 변화를 나타내는 자외선 광전자 분광법(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy, UPS) 그래프이다.
도 8은 본 실시예에 따른 중간층 위에 성장된 TiO2 박막의 X선 회절법(X-Ray Diffraction, XRD) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 9는 100kHz에서의 커패시터의 전기용량밀도를 나타낸 도면이다.
도 10은 커패시터의 누설전류를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 커패시터는 기판(Si wafer, 100)), 하부전극(102), 산화물반도체 중간층(104), 유전체층(106) 및 상부전극(108)으로 구성될 수 있다.
하부전극(102)은 TiN로 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 산화물반도체 중간층(104)은 높은 일함수를 가지며, V2O5, In2O3로 구성될 수 있다.
또한, 유전체층(106)은 TiO2로 구성되며, 상부전극(108)은 Ag일 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 산화물반도체 중간층 및 유전체의 원자층 증착에 사용된 전구체의 화학 구조를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, V2O5, In2O3, TiO2의 전구체는 각각 VTIP(Vanadium(V) oxytriisopropoxide), DADI([3-(dimethylamino)propyl]dimethyl indium) 및 TDMAT(titanium dioxide based on tetrakis-dimethyl-amido titanium)일 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 커패시터에 사용된 각 구성물질의 종류 및 에너지 밴드를 나타낸 것이다.
기존의 TiN로 구성된 하부전극은 낮은 일함수(4.5 eV)로 인해 TiO2를 사용하는 커패시터에서 열전자 방출로 인한 누설전류가 크게 발생시킨다.
그러나, 본 실시예에 따른 산화물반도체 중간층(104, 이하, 중간층이라 함)의 높은 일함수는 하부전극(102)과 유전체층(106) 사이의 장벽 높이를 증가시켜 누설전류를 감소시킬 수 있다.
도 4 내지 도 5는 본 실시예에 따른 중간층에 대한 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 중간층 삽입을 확인하기 위한 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 사진, 도 5는 전극 표면 거칠기 확인을 위한 원자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 사진을 나타낸 것이다.
도 4a는 중간층이 삽입되지 않은 소자이고, 도 4b는 중간층이 삽입된 소자를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 중간층(104)이 삽입된 소자의 경우 그렇지 않은 소자와 비교했을 때 얇은 두께의 중간층(104)이 TiN 전극(102)과 TiO2 유전체층(106) 사이에 증착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 중간층(104)의 두께는 0.5nm 내지 1.5nm일 수 있고, 바람직하게는 1nm일 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, In2O3로 구성된 중간층(104)이 증착된 전극의 경우 RMS(Root Mean Square) 거칠기가 0.23nm로 TiN만 사용된 전극(RMS: 0.71nm)에 비해 3배 이상 낮으며, 이는 결정화된 TiN 박막의 상대적으로 거친 표면에 원자층 증착을 통해 비정질의 중간층을 삽입하면서 평탄화된 것으로 볼 수 있다.
또한, V2O5로 구성된 중간층(104)이 증착된 전극의 경우에도 TiN만 사용된 전극에 비해 평탄화가 이루어진 것을 확인할 수 있다.
도 6은 TiO2 박막의 Ti 2p와 O 1s의 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 6은 X선 광전자 분광법을 통한 TiO2 박막의 Ti 2p와 O 1s의 결합 에너지를 나타낸 것이며, Ti 2p에서 두 정규분포 곡선은 각각 Ti4+와 Ti3+로 디콘볼루션 (deconvolution)될 수 있으며 Ti3+는 deoxidize된 것을 의미한다.
모든 조건에서 Ti 2p와 O 1s는 같은 그래프를 보였고 이는 TiO2 박막 내부의 산소 공공의 비율이 거의 같다는 것을 암시하며, 산소 공공은 유전체 내부에서 트랩으로 작용하여 누설전류를 야기한다.
도 7은 본 실시예에 따른 중간층이 삽입된 전극의 일함수 변화를 나타내는 자외선 광전자 분광법(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy, UPS) 그래프이다.
도 7을 참조하면, 낮은 일함수(4.45eV)의 TiN 전극에 중간층을 삽입하면 최대 약 16% 일함수(In2O3: 5.04eV, V2O5, 5.17eV)가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이처럼 일함수가 증가하는 경우, 하부전극과 유전체층 사이의 에너지 장벽을 높여 누설전류를 감소시킬 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 중간층 위에 성장된 TiO2 박막의 X선 회절법(X-Ray Diffraction, XRD) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 X선 회절법을 통한 TiO2 박막의 결정성을 나타낸 것으로서, V2O5 위에 성장된 TiO2는 TiN 위에 성장된 것과 비교했을 때 (101), (200)의 아나타제 (anatase)상의 피크가 감소하였고 In2O3 위에 성장된 TiO2는 반대로 같은 위치에서의 피크가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이처럼 결정성은 커패시터의 전기용량을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이며, 따라서 결정성이 증가된 In2O3 중간층의 경우 V2O5 중간층을 삽입했을 때 비해 더 큰 전기용량을 얻을 수 있다.
도 9는 100kHz에서의 커패시터의 전기용량밀도를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, TiN only, TiN/In2O3, TiN/V2O5 전극의 전기용량밀도는 각각 8.8 fF/μm2, 9.9 fF/μm2, 6.3 fF/μm2으로 In2O3가 삽입된 커패시터의 경우 TiN only 소자에 비해 12.5% 상승하였고 반대로 V2O5의 경우 28.4% 감소한 것을 확인할 수 있다.
전기용량밀도는 유전체의 유전율에 비례하며 유전체의 두께에 반비례한다.
V2O5의 경우 절연체(10-3-10-4 S/cm)이기 때문에 유전체의 두께가 증가하며, V2O5의 유전율은 TiO2에 비해 매우 낮기 때문에 TiN only 소자에 비해 전기용량밀도가 감소하게 된다.
반대로 In2O3의 경우 전도성 물질(~1289 S/cm)이기 때문에 절연체 두께에 영향이 없으며 X선 회절법에서 본 것과 같이 결정성이 증대되었기 때문에 더 높은 전기용량밀도를 가질 수 있다.
도 10은 커패시터의 누설전류를 나타내는 그래프이다.
도 10과 같이, 원자힘 현미경 측정의 결과, 전극의 표면 거칠기 차이는 1nm 이하로 거의 비슷한 수준이며, X선 광전자 분광법에 의해 유전체 내부의 산소 공공이 비슷할 것이라고 예측할 수 있다.
이는 모든 조건에서 트랩에 의한 누설전류의 크기가 비슷할 것임을 암시하며, 실제로 V2O5와 In2O3가 삽입된 커패시터의 경우 비슷한 누설전류 크기를 보인다.
일반적으로, TiO2 유전체의 경우 누설전류는 내부에 비해 계면에서 더 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 일함수가 증가함에 따라 계면 관련 누설전류 (Schottky emission, Fowlter-Nordheim tunneling)는 지수함수적으로 감소하는 경향이 있다.
자외선 광전자 분광법에 의해 본 실시예에 따른 중간층 삽입 후 일함수가 증가함을 확인했고 누설전류 차이는 일함수 차이에 근거한다고 볼 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (7)
- 커패시터 제작 방법으로서,
기판 상에 TiN으로 구성된 하부전극을 형성하는 단계;
상기 TiN으로 구성된 하부전극 상부에 In2O3로 구성된 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계;
상기 산화물반도체 중간층 상부에 TiO2로 구성된 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 유전체층 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 산화물반도체 중간층은 0.5 내지 1.5nm 범위의 두께를 가지며,
상기 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계는,
DADI([3-(dimethylamino)propyl]dimethyl indium) 전구체를 이용하여 원자층 증착을 통해 상기 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 산화물반도체 중간층이 삽입된 하부전극은 TiN만으로 구성된 하부전극에 비해 1.5배 이상 낮은 RMS 거칠기를 가지며,
상기 산화물반도체 중간층이 삽입된 하부전극은 TiN만으로 구성된 하부전극에 비해 10% 이상으로 일함수가 증가하는 커패시터 제작 방법. - 삭제
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- Si 웨이퍼로 구성되는 기판;
상기 기판 상에 형성되며 산화물반도체 중간층이 삽입된 하부전극;
상기 하부전극 상에 형성되는 TiO2 로 구성된 유전체층; 및
상기 유전체층 상부에 형성되는 상부전극을 포함하되,
상기 하부전극은,
상기 기판 상에 형성되는 TiN 층; 및
상기 TiN 층에 미리 설정된 두께로 형성되는 In2O3로 구성된 산화물반도체 중간층을 포함하고,
상기 산화물반도체 중간층은 0.5 내지 1.5nm 범위의 두께를 가지며,
상기 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계는,
DADI([3-(dimethylamino)propyl]dimethyl indium) 전구체를 이용하여 원자층 증착을 통해 상기 산화물반도체 중간층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 산화물반도체 중간층이 삽입된 하부전극은 TiN만으로 구성된 하부전극에 비해 1.5배 이상 낮은 RMS 거칠기를 가지며,
상기 산화물반도체 중간층이 삽입된 하부전극은 TiN만으로 구성된 하부전극에 비해 10% 이상으로 일함수가 증가하는 커패시터.
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| KR100455287B1 (ko) | 2002-02-28 | 2004-11-06 | 삼성전자주식회사 | 반도체 장치의 커패시터, 그 제조방법 및 상기 커패시터를채용하고 있는 전자 소자 |
| KR100713906B1 (ko) * | 2004-11-08 | 2007-05-07 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자의 캐패시터 형성방법 |
-
2022
- 2022-10-04 KR KR1020220126010A patent/KR102674344B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (4)
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|---|
| A. Ray, et al., Correlation between the dielectric and electrochemical properties of TiO2-V2O5 nanocomposite for energy storage application, Electrochimica Acta 266 (2018) 404-413* |
| J. Lee, et al., High mobility ultra-thin crystalline indium oxide thin film transistor using atomic layer deposition, Appl. Phys. Lett. 113, 112102 (2018)* |
| P. Pooja, et al., Improved capacitive memory in glancing angle electron-beam synthesized isotropic bilayer n-TiO2/In2O3 nanowires array, IEEE trans. on nanotech., Vol. 22, pp. 70~76, 2023* |
| X. Chen, et al., Ozone-based atomic layer deposition of crystalline V2O5 films for high performance electrochemical energy storage, dx.doi.org/10.1021/cm202901z, Chem. Mater. 2012, 24, 1255-1261* |
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