KR20030069306A

KR20030069306A - 2층 구조를 갖는 ＹＭｎＯ3 박막 및 2층 구조의 ＹＭｎＯ3박막형성방법

Info

Publication number: KR20030069306A
Application number: KR1020020008819A
Authority: KR
Inventors: 이정용; 유동철
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2003-08-27

Abstract

본 발명은 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 및 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법에 관한 것으로 강유전 YMnO₃박막을 급속열처리를 함으로써 c-축 배향층과 다결정층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 및 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법에 관한 것이다.

본 발명의 강유전 YMnO₃박막을 급속 열처리하여c-축 배향층과 다결정층을 갖는 2층 구조의 YMnO₃박막은 누설전류나 메모리 창 특성이 우수하여 종래 YMnO₃박막과 Si 기판 사이에 첨가한 층간 절연막을 사용하지 않아 공정을 간소화할 수 있으며, 박막 자체의 구조를 변화시킴으로써 누설전류 특성과 메모리창 효과를 향상시킬 수 있어 YMnO₃박막과 비슷한 물성의 다른 박막의 제작에도 적용시킬 수 있다.

Description

2층 구조를 갖는 ＹＭｎＯ3 박막 및 2층 구조의 ＹＭｎＯ3 박막 형성방법{YMnO3 thin film of two-layered structure and Formation method thereof}

본 발명은 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 및 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법에 관한 것으로 금속-강유전체-반도체 마당효과 트랜지스터(Metal-Ferroelectric-Semiconductor Field effect transistor; MFSFET)에 사용되는 강유전 YMnO₃박막을 급속열처리를 함으로써 c-축 배향층과 다결정층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 및 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법에 관한 것이다.

강유전 YMnO₃박막을 금속-강유전체-반도체 마당효과 트렌지스터에 응용하기 위해서는 우수한 메모리 창 특성, 낮은 누설전류 값 등 물성이 좋은 강유전막이 필수적으로 일반적인 YMnO₃박막은c-축 배향성 구조를 갖거나 또는 다결정 구조를 갖게 된다.

YMnO₃박막에 있어서 우수한 메모리 창(memory window) 효과를 얻기 위해서는c-축으로 배향된 구조가 유리하다. 그러나c-축으로 배향된 구조는 박막의 특성상 높은 스트레스(stress)를 갖고 있어 누설 전류 값이 크다는 문제가 있다.

또한 다결정 구조를 갖는 YMnO₃박막은 누설전류 값이c-축 배향성 구조를 갖는 YMnO₃박막에 비해 낮은 장점이 있으나 메모리 창 특성이 낮은 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 YMnO₃박막과 Si 기판사이에 Y₂O₃산화막, SiON 산화막 등의 층간 산화막을 첨가하여 사용하여 왔으나 Y₂O₃산화막, SiON 산화막이 YMnO₃박막과 Si 기판사이에 첨가됨으로 인해 비용이 증가하고 공정이 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여 금속-강유전체-반도체 마당효과 트렌지스터에 유용하게 사용할 수 있는 강유전 YMnO₃박막에 대해 연구하던중 종래의 YMnO₃박막과 Si 기판사이에 Y₂O₃산화막, SiON 산화막 등의 층간 산화막을 형성하지 않고도 급속열처리를 이용하여 우수한 메모리 창 특성, 낮은 누설전류 값을가지는 c-축 배향층과 다결정층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막이 형성함을 알게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 c-축 배향 구조와 다결정 구조의 장점을 모두 갖춘 c-축 배향층과 다결정층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 및 급속열처리를 이용하여 c-축 배향층과 다결정층 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법 제공을 목적으로 한다.

도 1은 급속 열처리 수행전의 비정질 YMnO₃박막과 Si 기판으로 이루어진 YMnO₃/Si 구조의 단면도

도 2는 급속 열처리 수행후의c-축 배향층 및 다결정의 2층 구조를 가지는 YMnO₃박막과 Si 기판으로 이루어진 YMnO₃/Si 구조의 단면도

도 3은 급속 열처리 수행후의c-축 배향층 및 다결정의 2층 구조를 가지는 YMnO₃박막과 Si 기판으로 이루어진 YMnO₃/Si 구조의 투과전자현미경 단면도

도 4는 급속 열처리 수행후의 YMnO3 박막이c-축 배향층 및 다결정의 2층 구조를 가지고 있음을 보여주는 YMnO₃박막의 고분해능 투과전자현미경 단면도

도 5는c-축 배향인 YMnO₃박막, 다결정인 YMnO₃박막,c-축 배향층 및 다결정층을 갖는 2층 구조 YMnO₃박막의 전기장에 따른 누설전류의 변화도

도 6a는 본 발명의c-축 배향층 및 다결정층을 갖는 2층 구조의 YMnO₃박막의전압에 따른 캐패시턴스 변화도

도 6b는 종래 다결정 YMnO₃박막의 전압에 따른 캐패시턴스 변화도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 :c-축 배향층 2 : 다결정층

3 : 비정질 YMnO₃박막 4 : YMnO₃박막과 Si의 경계면

5 : Si

본원 발명의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막은 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막으로서 바람직하게는 공지의 Si 기판 위에 형성된 비정질 YMnO₃박막에 있어서, c-축 배향층이 다결정 층 보다 상부에 위치하며 YMnO₃박막의 두께가 100∼200nm인 경우 c-축 배향층 두께는 40∼80nm, 다결정 층 두께는 60∼120nm인 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막을 포함한다.

본원 발명의 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 두께를 100∼200nm으로 조정시 c-축 배향층 두께가 40∼80nm, 다결정 층 두께가 60∼120nm인 경우 본 발명의 YMnO₃박막에서 우수한 메모리 창 효과와 낮은 누설전류를 나타내어 본 발명의 목적에 적합하다.

한편 본 발명의 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막 형성방법은 공지의 Si 기판 위에 비정질 YMnO₃박막을 형성함에 있어서, 급속열처리를 하는 단계를 포함하여 2층 구조의 YMnO₃박막을 형성함을 특징으로 한다.

급속열처리는 700∼900℃, 3분 이내로 실시하는데 보다 바람직하기로는 진공 분위기 또는 질소분위기에서 실시하거나 아르곤과 같이 화학주기율표상의 0족 기체 분위기에서 실시하는 것이 YMnO₃박막의 안정성 측면에서 좋다.

만일 급속열처리시 온도가 700℃ 미만에서 실시하면 비정질 YMnO₃박막이 결정화가 되지 않는 문제가 있고, 900℃ 초과하여 실시하면 YMnO₃박막과 Si층의 계면 특성이 저하되는 문제가 있고, 열처리 시간을 3분 이상 실시하면 박막표면에 Y₂O₃등의 2차상이 생성되는 문제가 있어 본원 발명의 YMnO₃박막을 형성함에 있어서 급속열처리는 700∼900℃, 3분 이내로 실시하는 것이 좋다.

급속열처리를 실시한 후 YMnO₃박막의 c-축 배향층이 다결정 층의 상부에 보다 얇은 두께로 형성되는데 YMnO₃박막두께가 100nm인 경우 c-축 배향층 두께는 40nm 내외, 다결정 층 두께는 60nm 내외로 형성된다.

한편 본원 발명은 Si 기판 위에 형성된 강유전 YMnO₃박막을 급속열처리시c-축 배향층이 다결정 층 상부에 있는데 본원 발명의 YMnO₃박막은 항상c-축 배향층이 다결정 층 상부에 우선 형성되고 하부에 다결정 층이 형성되는데 하부에 다결정층이 있기 때문에 c-축 배향층의 강한 스트레스(stress)를 완화시켜주게 되어 누설전류가 감소하게 된다.

이하 본 발명을 다음의 실시예 및 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일예에 불과한 것으로 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

도 1은 Si(5) 기판 위에 100nm 두께의 비정질 YMnO₃박막(3)이 형성된 YMnO₃/Si 구조를 나타내고 있다.

도 1과 같은 YMnO₃/Si 구조를 질소분위기 하에서 850℃, 3분 동안 급속열처리를 실시하여 c-축 배향층(1)과 다결정 층(2)의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막과 Si(5)의 YMnO₃/Si 구조를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 도면부호 4는 YMnO₃/Si 구조에 있어서 YMnO₃박막과 Si의 경계면을 나타낸다.

<시험예 1>

상기 실시예에서 급속열처리를 실시하여 c-축 배향층(1)과 다결정 층(2)의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막과 Si(5)의 YMnO₃/Si 구조를 투과전자현미경(Transmission electron microscopy: TEM)으로 관찰하고 그 사진을 도 3에 나타내었다.

도 3에서처럼 100 nm 두께의 전체 YMnO₃박막에서 40 nm 두께의 밝은 층인c-축 배향층(1)과 60 nm 정도의 어두운 층인 다결정층(2)의 2층 구조가 형성되었음을 확인할 수 있었다.

<시험예 2>

상기 실시예에서 급속열처리를 실시하여 c-축 배향층(1)과 다결정 층(2)의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막과 Si(5)의 YMnO₃/Si 구조를 고분해능 투과전자현미경(Transmission electron microscopy: TEM)으로 관찰하고 그 중 YMnO₃박막의 c-축 배향층(1)과 다결정 층(2)을 도 4에 나타내었다.

도 4에서처럼 YMnO₃박막에 {002} 격자무늬(lattice image)가 잘 나타나는c-축 배향층(1)과 {002} 격자무늬(lattice image)가 나타나지 않는 다결정층(2)의 2층 구조가 형성되었음을 직접 육안으로 확인할 수 있었다.

<시험예 3>

종래의 YMnO₃/Si 구조에 있어서,c-축 배향된 YMnO₃박막, 다결정 YMnO₃박막과 실시예 1에 의해 c-축 배향층(1)과 다결정 층(2)의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막에 있어서 공지의 방법으로 전기장에 따른 누설전류 특성을 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5에 있어서, (a)그래프는 종래의 YMnO₃/Si 구조 중c-축 배향 구조를 갖는 YMnO₃박막의 전기장에 따른 누설전류 특성을 나타내고, (b)그래프는 실시예 1에 의해 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막의 전기장에 따른 누설전류 특성을 나타내고, (c)그래프는 종래의 YMnO₃/Si 구조 중 다결정 구조를 갖는 YMnO₃박막의 전기장에 따른 누설전류 특성을 나타낸 것이다.

도 5에서처럼 본 발명에 의해 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막의 전기장에 따른 누설전류 특성은 종래의 YMnO₃/Si 구조 중 다결정 구조를 갖는 YMnO₃박막의 전기장에 따른 누설전류 특성보다는 증가하고 있지만 종래의 YMnO₃/Si 구조 중c-축 배향 구조를 갖는 YMnO₃박막 보다 현저하게 누설전류가 감소되었음을 알 수 있다.

<시험예 4>

종래의 YMnO₃/Si 구조에 있어서, 다결정 구조의 YMnO₃박막과 실시예 1에 의해 c-축 배향층(1)과 다결정 층(2)의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막을 공지의 방법으로 메모리 창 특성을 보여주는 전압에 따른 캐패시턴스 변화를 측정하여 그 결과를 도 6(a)(b)에 나타내었다.

도 6(a)는 실시예1에 의해 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막의 전압에 따른 캐패시턴스 변화를 나타낸 것이고, 도 6(b)는 종래의 YMnO₃/Si 구조 중 다결정 구조를 갖는 YMnO₃박막의 전압에 따른 캐패시턴스 변화를나타낸 것이다.

도 6(a)(b)에서처럼 본 발명에 의해 c-축 배향층과 다결정 층의 2층 구조가 형성된 YMnO₃박막은 종래의 YMnO₃/Si 구조 중 다결정 구조를 갖는 YMnO₃박막의 전압에 따른 캐패시턴스 특성 보다 우수하여 결과적으로 메모리 창 특성이 향상됨을 알 수 있었다.

상기 시험예의 결과로부터 본 발명의 강유전 YMnO₃박막을 급속 열처리 수행하여c-축 배향층과 다결정층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막은 누설전류나 메모리 창 특성이 우수하게 나타났다. 따라서 본 발명의 2층 구조의 YMnO₃박막은 종래 YMnO₃박막과 Si 기판 사이에 층간 절연막을 사용할 필요가 없어 공정이 간소화되며, 박막 자체의 구조를 변화시킴으로써 누설전류 특성과 메모리창 효과를 향상시킬 수 있으므로 YMnO₃박막과 비슷한 물성의 다른 박막의 제작에도 적용시킬 수 있다.

Claims

c-축 배향층 및 다결정 층의 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막
제 1항에 있어서, YMnO₃박막의 두께는 100∼200nm 임을 특징으로 하는 2층 구조를 갖는 YMnO₃박막
공지의 비정질 YMnO₃박막을 형성함에 있어서, 급속열처리를 하는 단계를 포함하여 2층 구조의 YMnO₃박막을 형성함을 특징으로 하는 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법
제 3항에 있어서, 급속열처리는 진공 또는 비활성기체 분위기에서 700∼900℃, 3분 이내로 실시함을 특징으로 하는 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법
제 3항에 있어서, YMnO₃박막의 두께는 100∼200nm 임을 특징으로 하는 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법
제 3항에 있어서, YMnO₃박막의 2층은 c-축 배향층 및 다결정 층 임을 특징으로 하는 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법
제 4항에 있어서, 비활성기체는 질소 또는 아르곤 임을 특징으로 하는 2층 구조의 YMnO₃박막 형성방법