KR20040087414A - Pyrochlore conductive oxide, and layer and capacitor by using the same - Google Patents

Pyrochlore conductive oxide, and layer and capacitor by using the same Download PDF

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박영수
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Abstract

PURPOSE: A conductive oxide having a pyrochlore structure and an oxide thin film and a capacitor containing the oxide are provided, to obtain a precursor suitable for MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) or ALD(atomic layer deposition) for making a 3D capacitor. CONSTITUTION: The conductive oxide has a pyrochlore structure and is represented by Bi2(Ru(2-x), Six)O(7-y) or Pb2(Ru(2-x), Six)O(7-y), wherein 0<x<2 and 0<y<1. The capacitor comprises a bottom electrode; a dielectric layer formed on the bottom electrode; and an upper electrode formed on the dielectric layer, wherein at least one of the bottom electrode and the upper electrode is formed by using the conductive oxide. Preferably the dielectric layer has a pyrochlore crystal structure and is formed by using a bismuth titanium silicon oxide represented by Bi2(Ti(2-x), Six)O(7-y), wherein 0.8<x<1.3 and -1<y<1.

Description

파이로클로르 도전성 산화물 및 이를 이용한 박막 및 커패시터{Pyrochlore conductive oxide, and layer and capacitor by using the same}Pyrochlor conductive oxide, and layer and capacitor by using the same

본 발명은 파이로클로르 전도성 산화물 박막 및 이를 이용한 커패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 고집적 메모리 소자의 커패시터와 트랜지스터 형성시 이용가능한 도전성을 신규한 파이로클로르 전도성 산화물 박막 및 이를 이용한 캐패시터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pyrochlor conductive oxide thin film and a capacitor using the same, and more particularly, to a pyrochlor conductive oxide thin film and a capacitor using the same, which can be used to form a capacitor and a transistor of a highly integrated memory device.

메모리의 집적도가 높아지면서 단위 셀의 크기와 커패시터가 차지하는 투영면적(projected area)이 극단적으로 작아지고 있다. 따라서, 한정된 면적에 큰 정전용량을 가지는 커패시터를 실현하기 위하여 유전율이 큰 커패시터 유전체를 사용하려는 연구가 계속 되어 왔으며, 이러한 노력의 결과로 종래에 사용되던 SiO2, Si3N4와 같은 저유전 물질보다 유전율이 큰 탄탈륨 옥사이드(TaO) 나, 미국특허 5,986,301에서와 같이 페로브스카이트(perovskite)상 고유전(paraelectric) 물질을 적용한 커패시터가 제안되었다.As memory density increases, the unit cell size and the projected area occupied by the capacitor become extremely small. Therefore, research into using a capacitor dielectric with a high dielectric constant has been continued to realize a capacitor having a large capacitance in a limited area, and as a result of these efforts, low dielectric materials such as SiO 2 and Si 3 N 4 which have been used in the past A higher dielectric constant tantalum oxide (TaO) or a capacitor using a perovskite phase high-electricity (paraelectric) material has been proposed as in US Pat. No. 5,986,301.

이를 위해 BST(BiSrTi3)와 STO(SrTiO3)와 같은 유전율이 100 이상인 고유전체와 실리콘 전극이 아닌 Pt나 Ru과 같은 귀금속(noble metal) 전극으로 사용한 MIM(metal/ insulator/ metal) 형태의 커패시터를 메모리 셀(memory cell)의 capacitor 채택하려는 노력이 시도되고 있다 [ITRS((International Technology Roadmap for Semiconductors ) capacitor technology roadmap 2003). 그러나, 이러한 노력도 디자인 룰(design rule)이 0.07 ㎛ 이하가 되면 커패시터의 높이가 메모리 셀 간 간격에 비해 상대적으로 높아져서 실리콘계 유전체를 이용하였을 때 경험하였던 동일한 공정 상의 한계에 부딪히게 된다. 또한 디자인 룰에서 요구되는 유전체 박막 두께에서는 벌크 상태에서 보여 주던 것 만큼의 유전율을 확보할 수 없다.(JAP vol.85(1999) C.S. Hwang et al.) 그러므로, 문제를 해결하기 위해서는 고유전체를 박막화하더라도 유전율이 줄어들지 않게 하고, 동일 물질에 대해서 최대한 높은 유전율을 구현할 수 있는 기술이 필요하다.BST (BiSrTi 3) and STO (SrTiO 3) and MIM (metal / insulator / metal) in the form of a capacitor used as a noble metal (noble metal) electrode, such as Pt or Ru as a dielectric constant of 100 or more specific non-full as a silicon electrode for this purpose Efforts have been made to adopt capacitors in memory cells (International Technology Roadmap for Semiconductors (ICRS capacitor technology roadmap 2003)). However, even when such a design rule is less than 0.07 μm, the height of the capacitor is relatively high compared to the gap between memory cells, thereby encountering the same process limitations experienced when using a silicon-based dielectric. In addition, the dielectric film thickness required by the design rule cannot achieve the dielectric constant as shown in the bulk state (JAP vol. 85 (1999) CS Hwang et al.) Therefore, in order to solve the problem, the high-k dielectric is thinned. Even if the permittivity does not decrease, there is a need for a technology capable of achieving the highest permittivity for the same material.

한편, STO(SrTiO3), BTO((BaTiO3) 와 같은 고유전 물질을 이용하면서도 투영면적의 감소를 보상하기 위해 HSG(HemiSpherical Grain)과 같은 복잡한 3차원 구조의 커패시터가 적용되고 있다. 3 차원 구조의 커패시터를 제작하기 위해서는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)이나 ALD(atomic layer deposition) 등의 방법이 이용된다. 그런데, 이들 방법에 의하여 일반적인 상유전체가 아닌 고유전체 박막을 형성하는 것은 다음과 같은 이유에 의해 사실상 어렵다.Meanwhile, in order to compensate for the reduction of the projection area while using high dielectric materials such as STO (SrTiO 3 ) and BTO ((BaTiO 3 ), a complex three-dimensional capacitor such as HSG (HemiSpherical Grain) has been applied. In order to fabricate a capacitor having a structure, methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), atomic layer deposition (ALD), etc. are used. It is virtually difficult for a reason.

상술한 고유전율 물질 즉, 바륨 티타늄 옥사이드(BaTiO3), 스트론튬 티타늄 옥사이드(SrTiO3)은 충분한 증기압을 갖는 프리커서를 제조하기가 힘들뿐만 아니라, 실제적으로 이들의 열적, 화학적 안정성이 불량하여 성막시 재현성이 있는 박막을 형성하는데 많은 어려움이 따른다. 즉, 3차원 구조의 커패시터를 형성하기 위한 MOCVD 나 ALD에 사용될 수 있는 적절한 프리커서가 현재로서는 없다는 것이다.The above-mentioned high dielectric constant materials, that is, barium titanium oxide (BaTiO 3 ) and strontium titanium oxide (SrTiO 3 ) are not only difficult to prepare a precursor having a sufficient vapor pressure, but also have a poor thermal and chemical stability in actual film formation. There are many difficulties in forming a reproducible thin film. In other words, there are currently no suitable precursors that can be used in MOCVD or ALD to form three-dimensional capacitors.

또한, 상기 프리커서를 이용하여 요구되는 증기압을 얻기 위해서는 고온에서기화, 공급되어야 한다. 이로 인하여 성막 시스템 및 장비가 고온에서 사용되어 각 부품의 수명이 단축된다. 그리고 상기 고유전율 물질을 이용하여 다성분계막을 성막하고자 하는 경우, 박막 형성용 프리커서 혼합물로서 단일 칵테일 용액(single cocktail solution)을 제조하는 경우, 이들 프리커서들 간의 반응으로 보관 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 3 차원적인 구조의 커패시터를 형성할 수 있는 프리커서가 필요하다.In addition, in order to obtain the required vapor pressure by using the precursor, it must be vaporized and supplied at a high temperature. This results in the deposition system and equipment being used at high temperatures, shortening the life of each component. In the case of forming a multi-component film using the high dielectric constant material, when preparing a single cocktail solution as a precursor mixture for forming a thin film, there is a problem in that storage stability decreases due to a reaction between these precursors. have. Therefore, there is a need for a precursor capable of forming a three-dimensional capacitor.

한편, ITRS의 로드 맵(road map)은 유전률을 극대화하기 위하여 고유전 물질과 유사하거나 동일한 결정구조의 물질로 된 스토리지 노드를 권고한다. 예를 들어 BSTO(Bi0.44Sr0.56TiO3)를 유전체층으로 적용할 것으로 그 하부의 스토리지 노드로 SrRuO3를 이용하는 것이 유전률을 극대화하는 방법이다. 따라서, 3 차원적인 구조의 커패시터를 형성하기 위해서는 적절한 프리커서가 필요하고, 이러한 프리커서에 의한 유전체의 유전률을 극대화하기 위해서는 이에 대응하는 적절한 도전물질이 필요하다.ITRS's road map, on the other hand, recommends storage nodes made of materials of the same or the same crystal structure as the high dielectric materials in order to maximize the dielectric constant. For example, BSTO (Bi 0.44 Sr 0.56 TiO 3 ) will be used as the dielectric layer, and the use of SrRuO 3 as the storage node underneath is the method of maximizing the dielectric constant. Therefore, an appropriate precursor is required to form a three-dimensional capacitor, and an appropriate conductive material is required to maximize the dielectric constant of the dielectric by the precursor.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 신규한 도전성 물질로서 파이로클로르 산화물을 제공하는 것이다.The first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a pyrochlor oxide as a novel conductive material to solve the above problems.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 파이로클로르 산화물 박막을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide the pyrochlor oxide thin film.

본 발명이 이루고자 하는 세 번쩨 기술적 과제는 상기 파이로크로드 산화물을 이용한 커패시터 및 전자소자를 제공하는 것이다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a capacitor and an electronic device using the pyrokrod oxide.

도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 파이로클로르 전도성 박막 형성용 프리커서 혼합물을 증착한 경우(a)와, 공기분위기에서 600℃로 열처리한 후(b)의 Bi-Ru-Si-O 박막의 결정상을 관찰한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다.Figure 1 (a) and (b) is a Bi-Ru after the deposition of a precursor mixture for forming a pyrochlor conductive thin film according to the present invention (a), and after heat treatment at 600 ℃ in the air atmosphere (b) X-ray diffraction (XRD) analysis of the crystal phase of the -Si-O thin film is shown.

도 2의 (a)와 (b)는 본 발명에 따른 파이로클로드 도전성 박막의 열처리 전의 박막표면을 보이는 SEM 사진이다.2 (a) and 2 (b) are SEM photographs showing the thin film surface before heat treatment of the pyroclaw rod conductive thin film according to the present invention.

도 3의 (a)와 (b)는 본 발명에 따른 파이로클로드 도전성 박막의 열처리 전의 박막표면을 보이는 SEM 사진이다.3 (a) and 3 (b) are SEM photographs showing the thin film surface before heat treatment of the pyroclaw rod conductive thin film according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 파이로클로드 도전성 박막의 열처리 전(as-dep) 및 그 후(PDA)의 표면 거칠기(RMS roughness)와 박막의 비저항(resistivity)을 도시하는 그래프이다.4 is a graph showing the surface roughness (RMS roughness) and the resistivity of the thin film before (as-dep) and after (PDA) heat treatment of the pyroclaw rod conductive thin film according to the present invention.

도 5a는 본 발명에 따른 커패시터의 제1실시예의 개략적 단면도이다.5A is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of a capacitor according to the present invention.

도 5b는 본 발명에 따른 커패시터의 제2실시예의 개략적 단면도이다.5b is a schematic cross-sectional view of a second embodiment of a capacitor according to the invention.

도 6은 본 발명에 따른 커패시터에 적용되는 Bi-Ti-Si-O 박막의 XRD 패턴을 보인다.6 shows an XRD pattern of a Bi-Ti-Si-O thin film applied to a capacitor according to the present invention.

상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 한 유형에 따르면 화학식 1 표시되며 파이로클로르 산화물(pyrochlore oxide)이 제공된다.According to one type of the present invention to achieve the first technical problem is represented by the formula (1) is provided with pyrochlore oxide (pyrochlore oxide).

<화학식 1><Formula 1>

Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1)

상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 유형에 따르면 화학식 1 표시되며 파이로클로르 산화물이 제공된다.According to another type of the present invention to achieve the first technical problem is represented by the formula (1) is provided with pyrochlor oxide.

<화학식 2><Formula 2>

Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1)

본 발명의 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 아래의 화학식 3 으로 표시되며 파이로클로르 산화물로 형성된 박막이 각각 제공된다.In order to achieve the second technical problem of the present invention, represented by Chemical Formula 3 below, a thin film formed of pyrochlor oxide is provided.

<화학식 3><Formula 3>

Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1)

본 발명의 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 아래의 화학식 4로 표시되며 파이로클로르 박막이 각각 제공된다.In order to achieve the second technical problem of the present invention represented by the following formula (4) and pyrochlore thin films are provided respectively.

<화학식 4><Formula 4>

Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1)

본 발명의 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 커패시터의 한 유형은;One type of capacitor according to the present invention to achieve the third technical problem of the present invention;

하부 전극;Lower electrode;

상기 하부 전극 상에 형성된 유전물질로 형성된 유전체층과; 유전체층 상에 형성되는 상부 전극을 구비하며, 상기 상부 전극 및 하부 전극 중의 적어도 어느 하나가 아래의 화학식 5로 표시되는 파이로클로르 산화물로 형성되는 것;을 특징으로 하는 커패시터가 제공된다.A dielectric layer formed of a dielectric material formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the dielectric layer, wherein at least one of the upper electrode and the lower electrode is formed of pyrochlor oxide represented by Formula 5 below.

<화학식 5><Formula 5>

Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1)

본 발명의 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 커패시터의 다른 유형은;Another type of capacitor according to the present invention to achieve the third technical problem of the present invention;

하부 전극;Lower electrode;

상기 하부 전극 상에 형성된 유전물질로 형성된 유전체층과; 유전체층 상에 형성되는 상부 전극을 구비하며, 상기 상부 전극 및 하부 전극 중의 적어도 어느 하나가 아래의 화학식 6 로 표시되는 파이로클로르 산화물로 형성되는 것;을 특징으로 하는 커패시터가 제공된다.A dielectric layer formed of a dielectric material formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the dielectric layer, wherein at least one of the upper electrode and the lower electrode is formed of pyrochlor oxide represented by Chemical Formula 6 below.

<화학식 6><Formula 6>

Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1)

상기 본 발명의 두 유형에 따른 커패시터의 한 실시예들에 따르면 상기 유전체층은 파이로크로드상을 가지며 아래의 화학식 7로 표현되는 비스무트 티타늄 실리콘 산화물(이하 Bi-Ti-Si-O) 박막으로 형성되는 것이 바람직하다.According to one embodiment of the capacitor according to the two types of the present invention, the dielectric layer is formed of a bismuth titanium silicon oxide (Bi-Ti-Si-O) thin film represented by the following formula (7) having a pyrorod phase It is preferable.

<화학식 7><Formula 7>

Bi2(Ti2-xSix) O7-Y( 0.8 < x < 1.3, -1 < y < 1 )Bi 2 (Ti 2-x Si x ) O 7-Y (0.8 <x <1.3, -1 <y <1)

상기 본 발명의 두 유형에 따른 커패시터의 다른 실시예들에 따르면, 상기 유전체층은 파이로클로르 구조를 가지는 Bi2Ti2O7(이하 Bi-Ti-O) 박막으로 형성되는 것이 바람직하다.According to other embodiments of the capacitor according to the two types of the present invention, the dielectric layer is preferably formed of a Bi 2 Ti 2 O 7 (hereinafter referred to as Bi-Ti-O) thin film having a pyrochlore structure.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 산화물, 이를 이용한 박막, 커패시터 및 트랜지스트 등의 바람직한 실시예를 상세히 설명하다.Hereinafter, exemplary embodiments of an oxide, a thin film, a capacitor, and a transistor using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 의해 제공되는 화학식 1 및 2 에 의해 표현되는 파이로클로드 산화물 즉, Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(이하 Bi-Ru-Si-O), Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(이하 Pb-Ru-Si-O)은 전기적 전도성을 가지는 새로운 물질이다.Pycloclode oxides represented by formulas (1) and (2) provided by the present invention, namely Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (hereinafter Bi-Ru-Si-O), Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (hereinafter Pb-Ru-Si-O) is a new material with electrical conductivity.

Bi-Ru-Si-O 전도성 산화물 박막을 얻기 위하여 사이클릭(cyclic) CVD법으로 400℃에서 SiO2/Si 기판 상에 증착하였다. 이 때 소스의 용매로 ECH(ethyl cyclo-hexan; C8H16)를 사용하고, 프리커서로서 Bi(mmp)3, Ru(OD)3, TEOS를 사용하였다. 용매에 프리커서가 희석 용해되어 있는 소스는 DLI(Direct Liquid Injection) 법으로 기화기로 공급하여 플래쉬 증발(flash evaporation)을 시킨 후, 반응기로 이송하여 상기 기판 상에 대한 파이로클로르 산화물의 성막을 행한다.In order to obtain a Bi-Ru-Si-O conductive oxide thin film, it was deposited on a SiO 2 / Si substrate at 400 ° C. by a cyclic CVD method. At this time, ECH (ethyl cyclo-hexan; C 8 H 16 ) was used as a solvent of the source, and Bi (mmp) 3 , Ru (OD) 3 , and TEOS were used as precursors. The source in which the precursor is diluted and dissolved in the solvent is supplied to a vaporizer by a direct liquid injection (DLI) method for flash evaporation, and then transferred to a reactor to form pyrochlore oxide on the substrate. .

박막증착 시, 아래의 4개의 스텝이 1 사이클을 구성하도록 하고, 원하는 두께의 박막을 증착하기 위해서 그에 해당하는 사이클 수 만큼 박막 증착 공정을 진행하다. 본 실시예에서는 300 사이클을 진행하였다.In the thin film deposition, the four steps below constitute one cycle, and in order to deposit a thin film having a desired thickness, the thin film deposition process is performed by the corresponding number of cycles. In this example, 300 cycles were performed.

제 1 스텝 : 아르곤 퍼지 가스로 챔버를 약 3초 동안 퍼징한다. 이때에 유량은 100 sccm으로 조절한다.First step: Purge the chamber with argon purge gas for about 3 seconds. At this time, the flow rate is adjusted to 100 sccm.

제 2 스텝 : 프리커서 혼합물을 일정한 온도(예를 들어 230℃ )로 가열되고 있는 기화기에 DLI 방식으로 공급하여 액체 상태의 전구체 혼합물을 순간 기화시켜 반응기로 약 0.5 초동안 공급한다.Second step: The precursor mixture is fed in a DLI manner to a vaporizer which is heated to a constant temperature (eg 230 ° C.) to instantaneously vaporize the liquid precursor mixture and to the reactor for about 0.5 seconds.

제 3 스텝 : 아르곤 퍼지 가스로 챔버를 약 3초 동안 퍼징한다. 이때에 유량은 역시 100 sccm으로 조절한다.Third Step: Purge the chamber with argon purge gas for about 3 seconds. At this time, the flow rate is also adjusted to 100 sccm.

제 4 스텝 : 반응성 기체로서 산소를 반응기 내로 공급한다. 이때에 유량은 100 sccm으로 조절한다.Fourth Step: Oxygen is supplied into the reactor as a reactive gas. At this time, the flow rate is adjusted to 100 sccm.

도 1은 이러한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Bi-Ru-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물을 증착한 경우(a)와, 공기분위기에서 600℃로 열처리한 후(b)의 Bi-Ru-Si-O 박막의 결정상을 관찰한 X-선 회절(XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)에 나타난 바와 같이 열처리 전에도 Si(400) 외에 박막에서 관찰되는 결정 피이크가 존재하고, 열처리 후 결정화도가 증가됨에 따른 박막과 관련된 다수의 결정 피이크가 관찰된다.Figure 1 shows the deposition of a precursor mixture for forming a Bi-Ru-Si-O thin film prepared according to the embodiment of the present invention (a), and after the heat treatment at 600 ℃ in the air atmosphere (b) Bi- X-ray diffraction (XRD) analysis of the crystalline phase of the Ru-Si-O thin film is shown. As shown in (a) of FIG. 1, crystal peaks observed in the thin film are present in addition to Si (400) even before the heat treatment, and a plurality of crystal peaks associated with the thin film are observed as the degree of crystallinity increases after the heat treatment.

도 2의 (a)와 (b)는 상기 박막의 열처리 전의 박막표면을 보이는 SEM 사진이며, 도 3의 (a)와 (b)는 상기 박막의 열처리 전의 박막표면을 보이는 SEM 사진이다. 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 증착된 파이로클로르 산화막은 비교적 평활한 표면을 가지고 있음을 알 수 있다.2A and 2B are SEM photographs showing the thin film surface before heat treatment of the thin film, and FIGS. 3A and 3B are SEM photographs showing the thin film surface before heat treatment of the thin film. It can be seen that the pyrochlor oxide film deposited as shown in FIGS. 2 and 3 has a relatively smooth surface.

도 4의 그래프는 상기 박막의 열처리 전(as-dep) 및 그 후(PDA)의 표면 거칠기(RMS roughness)와 박막의 비저항(resistivity)을 도시한 것이다. 박막의 표면 거칠기는 AFM을 이용하여 관찰하였는데, 열처리 후 결정 성장의 결과로 표면의 거칠기(roughness)는 증가하였고, 결정화도가 증가함에 따라 비저항이 10배 이상 감소하는 것을 관찰하였다.The graph of FIG. 4 shows the surface roughness (RMS roughness) and the resistivity of the thin film before (as-dep) and after (PDA) heat treatment of the thin film. The surface roughness of the thin film was observed using AFM. As a result of the crystal growth after the heat treatment, the surface roughness increased, and as the crystallinity increased, the resistivity decreased by more than 10 times.

이러한 전기적 특성을 보인 본 발명에 따른 파이로클로르 산화물 박막의 조성을 관찰하기 위해 동일한 성막 조건에서 기판을 MgO 단결정상에 Bi-Ru-Si-O를 증착한 후 산처리를 통해 시료를 채취하였고, ICP-AES(Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometer)를 이용하여 채취된 시료로 부터 표 1에 나타내 보인 바와 같은 박막 조성의 결과를 얻었다.In order to observe the composition of the Pyrochlor oxide thin film according to the present invention exhibiting such electrical properties, the substrate was sampled by acid treatment after depositing Bi-Ru-Si-O on MgO single crystal under the same film forming conditions, and ICP The results of the thin film composition as shown in Table 1 were obtained from the samples collected by using -AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer).

elementelement mole ratio (atomic percent)mole ratio (atomic percent) Ru/(Ru+Bi+Si)Ru / (Ru + Bi + Si) 0.520.52 Bi/(Ru+Bi+Si)Bi / (Ru + Bi + Si) 0.360.36 Si/(Ru+Bi+Si)Si / (Ru + Bi + Si) 0.120.12

한편, 상기 화학식 2로 표현되는 파이로클로르 산화물의 경우도 유사한 결과로서 도전체로서 사용될 수 있다.On the other hand, the pyrochlor oxide represented by the formula (2) can be used as a conductor as a similar result.

도 5a 및 도 5b는 DRAM 등에 적용될 수 있는 본 발명에 따른 커패시터의 실시예를 보인다.5A and 5B show an embodiment of a capacitor according to the present invention that can be applied to a DRAM or the like.

도 5a는 단순 적층형이며, 도 5b는 3차원적 적층구조의 커패시터를 도시한다.FIG. 5A shows a simple stacked structure, and FIG. 5B shows a three dimensional stacked capacitor.

도 5a를 참조하면, 하부 전극(11)과 상부 전극(13)이 전술한 본 발명에 따른파이로클로르 도전성 산화막으로 형성되고, 이 들 사이에는 전하축적을 위한 역시 파이로클로르 유전성 박막(12)이 개재되어 있다.Referring to FIG. 5A, the lower electrode 11 and the upper electrode 13 are formed of the pyrochlor conductive oxide film according to the present invention as described above, and between them also the pyrochlor dielectric thin film 12 for charge accumulation. Is interposed.

도 5b를 참조하면, 좁은 투영면적에서 넓은 면적의 커패시터를 구성하기 위하여 기둥상의 하부 전극으로서의 스토리지 노드(21)의 표면에 파이로클로르 유전성 박막(22)이 형성되고 유전성 박막(22) 위에 상부 전극(23)이 형성되어 있다. 상기 하부전극(21)과 상부전극(23)은 파이로클로르 도전성 산화물에 의해 형성된다.Referring to FIG. 5B, a pyrochlor dielectric thin film 22 is formed on the surface of the storage node 21 as a columnar lower electrode to form a capacitor having a large area at a narrow projection area, and the upper electrode is formed on the dielectric thin film 22. 23 is formed. The lower electrode 21 and the upper electrode 23 are formed of pyrochlor conductive oxide.

여기에서 상기 하부전극(11, 21) 및 상부 전극(13, 23)은 전술한 화학식 1 또는 2에 표현된 Bi-Ru-Si-O 또는 Pb-Ru-Si-O 로 형성될 수 있다. 이때에 이들 상기 하부전극(11, 21) 및 상부 전극(13, 23)은 동일한 물질 또는 서로 다른 물질에 의해 형성될 수 있으나, 바람직하게는 동일한 물질로 형성된다.The lower electrodes 11 and 21 and the upper electrodes 13 and 23 may be formed of Bi-Ru-Si-O or Pb-Ru-Si-O represented by Chemical Formulas 1 or 2 described above. In this case, the lower electrodes 11 and 21 and the upper electrodes 13 and 23 may be formed of the same material or different materials, but are preferably formed of the same material.

이러한 본 발명의 커패시터의 특징은 상하부 전극 중의 적어도 어느 하나 및 이들 사이의 유전체 박막이 파이로클로르 결정 구조를 가지는 물질에 의해 형성된다는 점에 있다. 바람직하게는 하부 전극이 파이로클로르 전도성 산화물로 형성되며, 상부 전극은 파이로클로르 전도성 산화물 외에 기존에 사용되는 TiN, Ru 등으로 형성될 수 도 있다.The feature of the capacitor of the present invention is that at least one of the upper and lower electrodes and a dielectric thin film therebetween are formed by a material having a pyrochlore crystal structure. Preferably, the lower electrode is formed of pyrochlor conductive oxide, and the upper electrode may be formed of TiN, Ru, or the like, which is used in addition to the pyrochlor conductive oxide.

이와 같이 동일하거나 유사한 결정 구조를 가지는 전극 및 유전물질에 의하면 전술한 바와 같이 유전률의 극대화가 가능하다.As described above, the electrode and the dielectric material having the same or similar crystal structure can maximize the dielectric constant.

위의 두가지 실시예의 커패시터에 적용되는 파이로클로르 유전물질은 전술한 Bi-Ti-Si-O 또는 Bi-Ti-O이다.The pyrochlor dielectric material applied to the capacitors of the above two embodiments is Bi-Ti-Si-O or Bi-Ti-O described above.

비스무트 티타늄 실리콘 산화물인 Bi-Ti-Si-O가 파이로클로르 구조를 갖는다는 것은 다음과 같은 사실에 의하여 확인된다.It is confirmed by the following fact that Bi-Ti-Si-O, a bismuth titanium silicon oxide, has a pyrochlore structure.

도 6의 XRD 패턴이 Bi2Ti2O7의 XRD 패턴과 유사하고(JCPDS card 32-0118, Jour. Cryst. Growth, 41, 317(1997)), HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscope)으로 관찰한 결과 결정 격자 구성이 균일하게 구성되어 있을 뿐만 아니라, 하나의 입자에 대해 박막의 두께 방향으로 수행한 STEM-EDX(Scanning Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive Spectrometer)의 조성 분석 결과에 의하면 박막의 깊이 방향으로 Bi,Ti,Si의 조성 분포가 균일한 것을 통하여 파이로클로르 구조를 갖는다는 것을 확인된 것이다.The XRD pattern of FIG. 6 is similar to the XRD pattern of Bi 2 Ti 2 O 7 (JCPDS card 32-0118, Jour. Cryst. Growth, 41, 317 (1997)) and observed with a High Resolution Transmission Electron Microscope (HRTEM). Result Not only is the crystal lattice structure uniform, but the composition analysis of the Scanning Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive Spectrometer (STEM-EDX) performed in the thickness direction of the thin film for one particle showed that Bi was in the depth direction of the thin film. It was confirmed that the composition distribution of, Ti, Si had a uniform pyrochlore structure.

파이로클로르 구조(A2B2X7or A2B2X6Z,이때 A와 B는 양이온에 해당하고, X와 Z는 음이온에 해당함)는 등축 결정계로서, (BX6)n- 다면체가 꼭지점만으로 연결되어 있고, A 양이온은 격자 간극(interstices)에 존재하는 형태로 구성되어 있다. (Jour. Appl. Phys. ,vol.51 ,No.1(1980))Pyrochlor structure (A 2 B 2 X 7 or A 2 B 2 X 6 Z, where A and B correspond to cations and X and Z correspond to anions) is an equiaxed crystal system, (BX 6 ) n-polyhedra Is connected only at the vertices, and the A cation is formed in the lattice interstices. (Jour. Appl. Phys., Vol. 51, No. 1 (1980))

비스무트-티탄-실리콘 산화물은 통상적인 성막 방법을 통하여 박막을 형성할 수 있다. 예를 들어, MOCVD(metal organic chemical vapor depostition), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD), 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition: PLD), 분자 빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 등의 방법을 통하여 성막시킬 수 있다. 이들 각각의 제조방법에 따라 후술하기로 한다.Bismuth-titanium-silicon oxide can form a thin film through a conventional film forming method. For example, metal organic chemical vapor depostition (MOCVD), atomic layer deposition (ALD), pulsed laser deposition (PLD), molecular beam epitaxy (MBE), and the like. It can be formed through. According to each of these manufacturing methods will be described later.

먼저, ALD법에 의하여 Bi-Ti-Si-O 박막을 형성하는 방법을 살펴보면, 다음과 같다.First, a method of forming a Bi-Ti-Si-O thin film by the ALD method is as follows.

상기한 파이로클로르 전도성 산화막이 형성된 실리콘 기판을 가열한 다음, 이 기판을 히터로 이송하여 기판 온도를 소정범위내로 안정화시킨다. 여기에서 기판 온도는 150 내지 700℃, 특히 250 내지 500℃인 것이 바람직하다. 만약 기판 온도가 150℃ 미만인 경우에는 밀도가 높은 박막을 얻지 못하고, 막내 미반응 전구체나 카본(carbon), 염소(chlorine) 등과 같은 불순물이 제거되지 않고 박막 내에 남게 되어 결정성 등의 막질 저하를 초래하고, 700℃를 초과하는 경우에는 전구체의 열변형이 심하게 일어나 표면 흡착후 퍼지 단계에서 퍼지될 만큼의 충분한 증기압을 나타내지 못하게 되어 막의 표면 조도(평활도) 악화와 충분한 증기압을 가지지 못한 변형된 ligand에 의해 막내 carbon등의 불순물에 의해 막질 저하를 초래하여 바람직하지 못하다.After heating the silicon substrate on which the pyrochlor conductive oxide film is formed, the substrate is transferred to a heater to stabilize the substrate temperature within a predetermined range. The substrate temperature here is preferably 150 to 700 ° C, particularly 250 to 500 ° C. If the substrate temperature is lower than 150 ° C, a thin film with high density cannot be obtained, and impurities such as unreacted precursors, carbon, and chlorine in the film are not removed but remain in the film, resulting in deterioration of film quality such as crystallinity. When the temperature exceeds 700 ° C, the precursor is severely deformed, and thus the surface is not sufficiently vaporized to be purged in the purge step after surface adsorption. Impurities such as carbon in the film cause film degradation, which is undesirable.

이어서, 불활성 가스를 이용하여 비산화성 분위기로 만든다. 이 때 불활성 가스로는 아르곤 가스, 질소 가스 등을 이용하며, 이들 불활성 가스의 유량은 100 내지 300sccm인 것이 적절하다. 만약 불활성가스의 유량이 상기 범위를 벗어나면 산화가스 혹은 기상에 존재하는 프리커서를 퍼지하여 내기에는 긴 시간이 필요하게 되고, 너무 많은 량을 불어 넣어 줄 경우 산화 단계나 프리커서 흡착 단계와의 압력차가 커지게 되어 반응기(reactor)의 압력 상태의 변동이 심하게 되어 안정적인 박막을 얻기가 힘들어져 바람직하지 못하다.Subsequently, it is made into non-oxidizing atmosphere using inert gas. At this time, argon gas, nitrogen gas, or the like is used as the inert gas, and the flow rate of these inert gases is suitably 100 to 300 sccm. If the flow rate of the inert gas is out of the above range, it takes a long time to purge the precursor present in the oxidizing gas or the gas phase, and if the amount is blown too much, the pressure with the oxidizing step or the precursor adsorption step The difference is large, the fluctuation of the pressure state of the reactor (reactor) is severe, it is difficult to obtain a stable thin film is undesirable.

그 후, Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물을 기화기(vaporizer)내로 공급한 다음, 이를 증발시켜서 기판 표면에 흡착시킨다. 여기에서 기화기의 온도는 170 내지 300℃, 특히 200 내지 250℃로 조절되는 것이 프리커서 혼합물의 열변형없이 충분히 기화시킬 수 있어서 바람직하며, Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물의 공급량은 0.01 내지 0.3 cc/min인 것이 바람직하다. 상기 기화기의 온도가 170℃ 미만이면, 충분한 증기압을 확보하지 못하게 되어 원하는 량 만큼 프리커서를 기체상태로 만들 수가 없고, 300℃를 초과하면 프리커서 혼합물의 열변형의 우려가 있고 그렇게 될 경우 변형된 프리커서의 기화 특성 악화로 충분한 량의 전구체를 반응기로 공급할 수 없게 되어 바람직하지 못하다.The precursor mixture for Bi-Ti-Si-O thin film formation is then fed into a vaporizer, which is then evaporated and adsorbed onto the substrate surface. Here, the temperature of the vaporizer is preferably controlled to 170 to 300 ° C., particularly 200 to 250 ° C., since it is possible to sufficiently vaporize without thermal deformation of the precursor mixture, and the supply amount of the precursor mixture for Bi-Ti-Si-O thin film formation Is preferably 0.01 to 0.3 cc / min. If the temperature of the vaporizer is less than 170 ℃, it is not possible to ensure a sufficient vapor pressure to make the precursor gaseous as much as the desired amount, if it exceeds 300 ℃ there is a fear of thermal deformation of the precursor mixture and if so modified Deterioration of the vaporization properties of the precursors makes it impossible to supply a sufficient amount of precursor to the reactor, which is undesirable.

상기 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물의 공급 방식은 특별하게 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예로서, 버블러(bubbler)를 사용하여 공급하는 방법, DLI(Direct Liquid Injection)법을 이용하는 방법이 있다. 여기에서 DLI 방법은 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서를 용매에 적정 농도로 용해한 다음, 이들을 상온에서 공급되는 source를 충분히 기화시키기 위해 각각의 프리커서나 유기용매의 기화온도 근방의 온도하에 놓여진 기화기로 직접 공급하여 기화된 프리커서와 유기용매를 반응기(reactor)로 공급하는 방식이다.The feeding method of the precursor mixture for forming the Bi-Ti-Si-O thin film is not particularly limited. As a specific example, there is a method using a bubbler (bubbler), a method using a direct liquid injection (DLI) method. Here, the DLI method dissolves a precursor for forming a Bi-Ti-Si-O thin film in an appropriate concentration in a solvent, and then closes the vaporization temperature of each precursor or organic solvent to vaporize the source supplied at room temperature. The vaporization precursor and the organic solvent are supplied to the reactor by directly supplying to the vaporizer placed below.

상술한 두가지 방법중 DLI 방법을 이용하는 것이 보다 바람직한데, 그 이유에 대하여 설명하면, 버블러를 이용하는 방법에 따르면 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물이 열에 장기간 노출되는 반면 DLI 방법을 이용하면, 프리커서 소스 혼합물의 경시 변화를 효과적으로 억제할 수 있다는 잇점이 있다.Of the two methods described above, it is more preferable to use the DLI method. For this reason, according to the method using the bubbler, the precursor mixture for forming the Bi-Ti-Si-O thin film is exposed to heat for a long time, while the DLI method is used. The advantage is that it can effectively suppress the change over time of the precursor source mixture.

상기 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물은 아래에 열거된 Bi 프리커서, Ti 프리커서 및 Si 프리커서를 용매에 혼합하여 제조된다. 여기에서 Ti의 프리커서의 함량은 Bi 프리커서 1몰을 기준으로 하여 1 내지 3몰을 사용하고, Si 프리커서의 함량은 Bi 프리커서 1몰을 기준으로 하여 0.5 내지 3몰을 사용하는 것이 바람직하다. 만약 Ti 프리커서의 함량이 상기 범위 미만이면 Bi가 상대적을 많이 포함된 박막의 형성 되며 박막의 표면 상태가 나빠지고, 상기 범위를 초과하면 표면 상태는 양호하나 증착 속도가 떨어지고, 전기적으로 특성이 저하되어 바람직하지 못하다. 만약 Si 프리커서의 함량이 상기 범위 미만이면 박막의 표면 상태가 나빠지고, 상기 범위를 초과하면 표면 상태는 양호하나 증착 속도가 떨어지고, 전기적으로 특성이 저하되어 바람직하지 못하다.The precursor mixture for Bi-Ti-Si-O thin film formation is prepared by mixing the Bi precursor, Ti precursor and Si precursor as listed below in a solvent. Herein, the content of Ti precursor is 1 to 3 mol based on 1 mol of Bi precursor, and the content of Si precursor is preferably 0.5 to 3 mol based on 1 mol of Bi precursor. Do. If the content of the Ti precursor is less than the above range, a thin film containing Bi is relatively formed, and the surface state of the thin film is deteriorated. When the Ti precursor is exceeded, the surface state is good. Not preferred. If the content of the Si precursor is less than the above range, the surface state of the thin film is deteriorated, and if it exceeds the above range, the surface state is good, but the deposition rate decreases, and the electrical properties are deteriorated, which is not preferable.

<<프리커서>><< precursor >>

Bi 프리커서 : Bi precursor :

1) Bi(MMP)3{Tris(1-methoxy-2-methyl-2-propxy)bismuth}1) Bi (MMP) 3 {Tris (1-methoxy-2-methyl-2-propxy) bismuth}

2) Bi(phen)3또는2) Bi (phen) 3 or

3) BiCl3 3) BiCl 3

Ti 프리커서 : Ti precursor :

1) Ti(MMP)4{Tetrakis(1-methoxy-2-methyl-2-propoxy)titanium},1) Ti (MMP) 4 {Tetrakis (1-methoxy-2-methyl-2-propoxy) titanium},

2) TiO(tmhd)2 2) TiO (tmhd) 2

3) Ti(i-OPr)2(tmhd)2,3) Ti (i-OPr) 2 (tmhd) 2 ,

4) Ti(dmpd)(tmhd)2 4) Ti (dmpd) (tmhd) 2

5) Ti(depd)(tmhd)2또는5) Ti (depd) (tmhd) 2 or

6) TiCl4 6) TiCl 4

Si 프리커서Si precursor ::

1) 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 또는1) tetraethylorthosilicate (TEOS) or

2) SiCl4 2) SiCl 4

위의 프리커서들의 조성식에 있어서, tmhd는 2,2,6,6-테트라메틸헵탄-3,5-디오네이트(2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dionate)을 나타내며, i-OPr는 이소프로필기를 나타낸다. 또한 dmpd는 디메틸펜탄디올(dimethyl pentanediol)을 나타내며, depd는 디에틸 펜탄디올(diethyl pentanediol)을 나타내며, 그리고 phen은 페닐기를 나타낸다.In the composition of the precursors above, tmhd represents 2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dionate (2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dionate), i -OPr represents an isopropyl group. In addition, dmpd represents dimethyl pentanediol, depd represents diethyl pentanediol, and phen represents a phenyl group.

상기 용매는 Bi 프리커서, Ti 프리커서, Si 프리커서를 희석하거나 용해할 수 있는 것이라면 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 에틸사이클로헥산(C8H16: 이하, "ECH"로 약칭함), 테트라하이드로퓨란, n-부틸 아세테이트, 부티로니트릴 등을 이용한다. 이러한 용매의 함량은 Bi 프리커서, Ti 프리커서, Si 프리커서를 함유한 프리커서 혼합물 내에서 각각의 농도가 0.04 내지 0.2M이 되도록 하는 정도로 사용되는 것이 바람직하다.The solvent is not particularly limited as long as it can dilute or dissolve Bi precursor, Ti precursor, Si precursor, ethylcyclohexane (C 8 H 16 : hereinafter abbreviated as "ECH"), tetrahydro Furan, n-butyl acetate, butyronitrile and the like. The content of such a solvent is preferably used to such an extent that each concentration is 0.04 to 0.2 M in the precursor mixture containing Bi precursor, Ti precursor, and Si precursor.

상술한 바와 같이, Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물을 기판 표면에 흡착시킨 후, 기판 표면에 1층 내지 3층 정도만을 남기고, 그 외의 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물은 불활성 가스를 이용하여 퍼지하여 제거한다. 여기에서 불활성 가스의 유량은 원자층 증착 설비 등에 따라 가변적이나, 100 내지300sccm인 것이 바람직하고, 반응기내 작업 압력(working pressure)은 0.5 내지 10 torr인 것이 바람직하다. 이러한 불활성 가스를 이용한 퍼지 공정은 경우에 따라서는 생략할 수도 있다.As described above, after adsorbing the precursor mixture for Bi-Ti-Si-O thin film formation to the substrate surface, only one to three layers are left on the substrate surface, and other Bi-Ti-Si-O thin film formation The precursor mixture is purged and removed using an inert gas. Here, the flow rate of the inert gas is variable depending on the atomic layer deposition equipment and the like, but is preferably 100 to 300 sccm, and the working pressure in the reactor is preferably 0.5 to 10 torr. The purge process using such an inert gas may be omitted in some cases.

그 후, 기판 표면에 흡착된 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물은 산화 가스를 불어 넣어 산화시켜 원자층4을 증착시켜 Bi-Ti-Si-O 박막을 형성한다. 여기에서 산화 가스로는 산소(O2), 오존(O3) 또는 수증기(H20)를 이용하며, 이들의 유량은 100 내지 300sccm인 것이 바람직하다.Thereafter, the precursor mixture for bi-Ti-Si-O thin film formation adsorbed on the substrate surface is oxidized by blowing oxidizing gas to deposit atomic layer 4 to form a Bi-Ti-Si-O thin film. Here, as the oxidizing gas, oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ) or water vapor (H 2 O) is used, and their flow rates are preferably 100 to 300 sccm.

상술한 불활성 가스 퍼지, Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물 흡착 및 불활성 가스 퍼지 및 산화 단계를 반복적으로 실시하여 목적하는 두께의 Bi-Ti-Si-O 박막을 얻는다. 이와 같이 형성된 Bi-Ti-Si-O 박막의 두께는 50 내지 300Å인 것이 바람직하며, 유전율은 100 내지 200 정도이다.The above-mentioned inert gas purge, precursor mixture adsorption for forming a Bi-Ti-Si-O thin film, and inert gas purge and oxidation steps are repeatedly performed to obtain a Bi-Ti-Si-O thin film having a desired thickness. The Bi-Ti-Si-O thin film thus formed has a thickness of 50 to 300 GPa, and a dielectric constant of about 100 to 200.

상기 Bi-Ti-Si-O 박막 형성후, Bi-Ti-Si-O의 결정화를 증진시켜 보다 더 높은 유전율 특성을 갖는 박막을 얻기 위하여 고온 열처리 과정을 더 거칠 수도 있다. 이 때 열처리 온도는 500 내지 800℃이고, 열처리시간은 1-30분이고, 열처리 분위기는 산화분위기 또는 진공 분위기로 조성하는 것이 바람직하다. 이 때 산화분위기는 산소(O2), 오존(O3) 또는 수증기(H20)를 이용하여 조성하며, 진공 조건은 약 0.01 내지 100 mtorr, 특히 약 35mtorr인 것이 바람직하다.After the formation of the Bi-Ti-Si-O thin film, a high temperature heat treatment process may be performed to enhance the crystallization of Bi-Ti-Si-O to obtain a thin film having a higher dielectric constant. At this time, the heat treatment temperature is 500 to 800 ℃, the heat treatment time is 1-30 minutes, and the heat treatment atmosphere is preferably composed of an oxidizing atmosphere or a vacuum atmosphere. At this time, the oxidation atmosphere is formed using oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ) or water vapor (H 2 0), and the vacuum conditions are preferably about 0.01 to 100 mtorr, particularly about 35 mtorr.

다음으로, MOCVD법에 의하여 Bi-Ti-Si-O 박막을 형성하는 방법을 살펴보면, 다음과 같다.Next, a method of forming a Bi-Ti-Si-O thin film by MOCVD is as follows.

먼저, 반응기(reactor)내부를 산화 분위기로 조성한다. 이 때 산화 분위기는 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H20)와 같은 산화 가스를 이용하여 조성하며, 상기 산화가스의 유량은 증착 설비 등에 따라 가변적이나, 100-300 sccm인 것이 바람직하다.First, the inside of the reactor is formed in an oxidizing atmosphere. At this time, the oxidizing atmosphere is formed using an oxidizing gas such as oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), water vapor (H 2 0), and the flow rate of the oxidizing gas is variable depending on the deposition equipment, but is 100-300 sccm Is preferably.

이어서, 파이로클로르 전도성 산화막이 형성되는 실리콘 기판의 온도를 소정 범위 내로 안정화시킨다. 이 때 기판의 온도(반응기의 온도를 의미함)는 300 내지 500℃인 것이 바람직하다. 기판의 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우의 문제점은 ALD법에서 설명된 경우와 같다. 그리고 기판의 종류도 ALD법에서 설명된 경우와 같다.Subsequently, the temperature of the silicon substrate on which the pyrochlor conductive oxide film is formed is stabilized within a predetermined range. At this time, the temperature of the substrate (meaning the temperature of the reactor) is preferably 300 to 500 ℃. The problem when the temperature of the substrate is out of the above range is the same as that described in the ALD method. The type of substrate is also the same as that described in the ALD method.

산화 분위기로 조성된 반응기내에 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물을 공급하여 기판 상에 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물을 증착하여 Bi-Ti-Si-O 박막을 형성한다. 여기에서 Bi-Ti-Si-O 박막 형성용 프리커서 혼합물의 조성, 공급 방식 등의 조건은 ALD법에서 설명한 경우와 동일하거나 유사하다.The precursor mixture for Bi-Ti-Si-O thin film formation was supplied into a reactor composed of an oxidizing atmosphere, and the precursor mixture for forming a Bi-Ti-Si-O thin film was deposited on a substrate to produce a Bi-Ti-Si-O thin film. To form. Here, the conditions of the composition, the feeding method, and the like of the precursor mixture for forming the Bi-Ti-Si-O thin film are the same as or similar to those described in the ALD method.

또한, ALD법과 마찬가지로 Bi-Ti-Si-O 박막 형성후, Bi-Ti-Si-O의 결정화 촉진을 위한 고온 열처리 과정을 더 실시하는 것도 가능하며, 고온 열처리 조건은 거의 동일하다.In addition, like the ALD method, after forming the Bi-Ti-Si-O thin film, it is also possible to perform a high temperature heat treatment process for promoting the crystallization of Bi-Ti-Si-O, and the high temperature heat treatment conditions are almost the same.

이밖에, 상기 Bi-Ti-Si-O 박막은 PLD법에 의하여 형성가능하다. PLD 법은, 외부에서 입사한 강한 펄스 레이저광이 타겟 상에 조사되면, 타겟으로부터 튀어나온 입자들은 추후에 입사한 광에너지에 의하여 플라즈마를 형성하게 된다. 이러한 입자들을 기판 위에 쌓여서 양질의 Bi-Ti-Si-O 박막을 얻을 수 있는 방법이다. 특히 이 방법에 의하면 타겟, 기판, 히터 등의 단순한 부품만이 반응 챔버 내부에 구비되기만 하면 Bi-Ti-Si-O 박막을 형성할 수 있으므로, 높은 산소 분압에서도 증착이 가능하다. 또한, 기판에 도달하는 입자의 운동에너지가 수백 eV이므로, 이미 증착된 박막에는 큰 손상을 주지 않으면서도 비교적 낮은 온도에서 산화물 상을 형성하는 데에 필요한 에너지를 얻을 수 있으므로 우수한 양질의 Bi-Ti-Si-O 박막을 얻을 수 있다. 이 PLD법을 이용한 일 실시예에 따른 Bi-Ti-Si-O 박막 제조공정 조건을 살펴보면, 박막이 형성될 기판의 온도는 250 내지 600℃이고, 레이저로는 ArF 레이저(파장: 193nm)를 사용하고, 레이저 빔 크기는 약 0.3㎠이고, O2의 가스 압력은 0.1 내지 0.5 torr이고, 반복률은 약 5Hz이다.In addition, the Bi-Ti-Si-O thin film can be formed by the PLD method. In the PLD method, when a strong pulse laser light incident from the outside is irradiated onto a target, particles protruding from the target form a plasma by light energy incident later. These particles are stacked on a substrate to obtain a high quality Bi-Ti-Si-O thin film. In particular, this method can form a Bi-Ti-Si-O thin film as long as only a simple component such as a target, a substrate, a heater, and the like is provided inside the reaction chamber, so that deposition can be performed even at high oxygen partial pressure. In addition, since the kinetic energy of the particles reaching the substrate is hundreds of eV, the energy required to form the oxide phase at a relatively low temperature can be obtained without causing much damage to the already deposited thin film. Si-O thin films can be obtained. Looking at the Bi-Ti-Si-O thin film manufacturing process conditions according to an embodiment using the PLD method, the temperature of the substrate on which the thin film is to be formed is 250 to 600 ℃, ArF laser (wavelength: 193nm) is used as a laser The laser beam size is about 0.3 cm 2, the gas pressure of O 2 is 0.1 to 0.5 torr, and the repetition rate is about 5 Hz.

MBE (Molecular Beam Epitaxy)법은 산화물 성장을 원자 단위로 제어할 수 있는 방법으로서, 이의 공정 조건을 살펴보면, Bi-TI-Si-O 박막 형성용 프리커서로는 각각 Bi, Ti, Si2H6을 사용하고, 산화 가스로는 산소 또는 오존을 사용한다.Molecular Beam Epitaxy (MBE) is a method that can control oxide growth in atomic units. Looking at the process conditions, Bi, Ti and Si 2 H 6 are used as precursors for forming Bi-TI-Si-O thin films, respectively. Oxygen or ozone is used as the oxidizing gas.

위와 같은 과정을 통해 파이로클로르 도전성 산화막에 의한 하부 전극 위에 Bi-Ti-Si-O 박막을 형성한 후 이 위에 전술한 동일한 방법에 의해 파이로클로르 도전성 산화막으로서 상부 전극을 형성한다.The Bi-Ti-Si-O thin film is formed on the lower electrode by the pyrochlor conductive oxide film through the above process, and then the upper electrode is formed as the pyrochlor conductive oxide film by the same method described above.

상부 전극이 형성된 후 그 결과물을 고온 열처리한다. 이 열처리 과정은 결정화를 증진시켜 고유전율 특성을 얻기 위함이다. 경우에 따라서는 이러한 고온 열처리과정은 상부 전극을 형성하기 이전에 실시할 수도 있다. 여기에서 고온 열처리 과정의 공정 조건을 살펴보면, 열처리 온도는 500-800℃이고, 열처리시간은 1 내지 30분이고, 열처리분위기는 산화분위기(O2, O3가스), 불활성 분위기(N2) 또는 진공분위기하에서 이루어진다. 여기에서 만약 열처리 분위기를 진공 분위기로 조성하는 경우, 진공 압력은 0.01 내지 100 mtorr, 특히 약 35 mtorr인 것이 바람직하다.After the upper electrode is formed, the resultant is subjected to high temperature heat treatment. This heat treatment process is to improve the crystallization and obtain high dielectric constant characteristics. In some cases, the high temperature heat treatment may be performed before forming the upper electrode. Here, the process conditions of the high temperature heat treatment process, the heat treatment temperature is 500-800 ℃, the heat treatment time is 1 to 30 minutes, the heat treatment atmosphere is oxidizing atmosphere (O 2 , O 3 gas), inert atmosphere (N 2 ) or vacuum In the atmosphere. Here, if the heat treatment atmosphere is formed in a vacuum atmosphere, the vacuum pressure is preferably 0.01 to 100 mtorr, in particular about 35 mtorr.

상기 열처리 과정을 끝난 후에는, 보상 열처리 과정을 실시한다. 이 보상 열처리 과정은 커패시터 구조물이 산화에 취약한 경우, 열처리를 실시하여 전극과 Bi-Ti-Si-O 박막 사이의 계면에서의 산소 결핍을 보상해주기 위한 것이다. 이 보상 열처리 과정 조건을 살펴보면, 열처리 온도는 500℃ 이하, 바람직하게는 200-450℃이고, 열처리시간은 10-60분이고, 열처리 분위기는 진공 분위기, 공기 분위기 또는 불활성 분위기 하에서 실시한다.After the heat treatment process is completed, a compensation heat treatment process is performed. This compensation heat treatment process is to compensate for the oxygen deficiency at the interface between the electrode and the Bi-Ti-Si-O thin film by performing heat treatment when the capacitor structure is susceptible to oxidation. Looking at the conditions of the compensation heat treatment process, the heat treatment temperature is 500 ℃ or less, preferably 200-450 ℃, heat treatment time is 10-60 minutes, heat treatment atmosphere is carried out under vacuum atmosphere, air atmosphere or inert atmosphere.

본 발명에 따른 파이로클로르 도전성 산화물을 새로운 물질로서 특히 고유전율을 가지는 파이로클로르 유전물질과 함께 다양한 용도로 사용되는 커패시터의 재료로 사용될 수 있다. 동일한 결정 구조의 유전물질 및 도전성 물질에 의해 커패시터의 유전율이 극대화되고 따라서 초고집적 DRAM 등에 적합하다. 특히 본 발명에 따른 파이로클로르 도전성 산화물은 프리커서의 조제가 용이하고 따라서 입체적 구조물을 얻기 위한 MOCVD 또는 ALD에 의한 성막이 가능하게 된다.The pyrochlor conductive oxide according to the present invention can be used as a new material, especially as a material of a capacitor used in various applications with a pyrochlor dielectric material having a high dielectric constant. Dielectric and conductive materials of the same crystal structure maximize the permittivity of the capacitor, and thus are suitable for ultra high density DRAM and the like. In particular, the pyrochlor conductive oxide according to the present invention is easy to prepare a precursor, and thus it is possible to form a film by MOCVD or ALD to obtain a three-dimensional structure.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined only in the appended claims.

Claims (10)

화학식 1 표시되며 파이로클로르 구조를 갖는 도전성 산화물.A conductive oxide represented by Formula 1 and having a pyrochlore structure. <화학식 1><Formula 1> Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1) 화학식 1 표시되며 파이로클로르 구조를 갖는 도전성 산화물.A conductive oxide represented by Formula 1 and having a pyrochlore structure. <화학식 1><Formula 1> Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1) 화학식 1로 표시되며 파이로클로르 구조를 갖는 비스무트 루테늄 실리콘 산화물을 포함하는 산화물 박막.An oxide thin film represented by Chemical Formula 1 and containing bismuth ruthenium silicon oxide having a pyrochlore structure. <화학식 1><Formula 1> Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1) 화학식 1로 표시되며 파이로클로르 구조를 갖는 비스무트 루테늄 실리콘 산화물을 포함하는 산화물 박막.An oxide thin film represented by Chemical Formula 1 and containing bismuth ruthenium silicon oxide having a pyrochlore structure. <화학식 1><Formula 1> Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1) 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 유전물질로 형성된 유전체층과; 상기 유전체층 상에 형성되는 상부 전극을 구비하는 커패시터에 있어서,Lower electrode; A dielectric layer formed of a dielectric material formed on the lower electrode; In the capacitor having an upper electrode formed on the dielectric layer, 상기 상부 전극 및 하부 전극 중의 적어도 어느 하나가 아래의 화학식 1로 표시되며 파이로클로르 구조를 가지는 산화물로 형성되는 것;을 특징으로 하는 커패시터.At least one of the upper electrode and the lower electrode is represented by the following Chemical Formula 1 and is formed of an oxide having a pyrochlore structure. <화학식 1><Formula 1> Bi2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Bi 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1) 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 유전체층은 파이로클로드 결정 구조를 가지며 아래의 화학식 1로 표시되는 비스무트 티타늄 실리콘 산화물(Bi-Ti-Si-O)로 형성되는 것을 특징으로 하는 커패시터.The dielectric layer has a pyroclorod crystal structure and is formed of bismuth titanium silicon oxide (Bi-Ti-Si-O) represented by the formula (1) below. <화학식 1><Formula 1> Bi2(Ti2-xSix) O7-Y( 0.8 < x < 1.3, -1 < y < 1 )Bi 2 (Ti 2-x Si x ) O 7-Y (0.8 <x <1.3, -1 <y <1) 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 유전체층은 파이로클로르 구조를 가지는 Bi2Ti2O7으로 형성되는 것을 특징으로 하는 커패시터.The dielectric layer is a capacitor, characterized in that formed of Bi 2 Ti 2 O 7 having a pyrochlore structure. 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 유전물질로 형성된 유전체층과; 상기 유전체층 상에 형성되는 상부 전극을 구비하는 커패시터에 있어서,Lower electrode; A dielectric layer formed of a dielectric material formed on the lower electrode; In the capacitor having an upper electrode formed on the dielectric layer, 상기 상부 전극 및 하부 전극 중의 적어도 어느 하나가 아래의 화학식 1로 표시되며 파이로클로르 구조를 가지는 산화물로 형성되는 것;을 특징으로 하는 커패시터.At least one of the upper electrode and the lower electrode is represented by the following Chemical Formula 1 and is formed of an oxide having a pyrochlore structure. <화학식 1><Formula 1> Pb2(Ru2-x, Six)O7-y(0 < x < 2, 0 < y < 1 )Pb 2 (Ru 2-x , Si x ) O 7-y (0 <x <2, 0 <y <1) 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 유전체층은 파이로클로드 결정 구조를 가지며 아래의 화학식 1로 표시되는 비스무트 티타늄 실리콘 산화물(Bi-Ti-Si-O)로 형성되는 것을 특징으로 하는 커패시터.The dielectric layer has a pyroclorod crystal structure and is formed of bismuth titanium silicon oxide (Bi-Ti-Si-O) represented by the formula (1) below. <화학식 1><Formula 1> Bi2(Ti2-xSix) O7-Y( 0.8 < x < 1.3, -1 < y < 1 )Bi 2 (Ti 2-x Si x ) O 7-Y (0.8 <x <1.3, -1 <y <1) 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 유전체층은 파이로클로르 구조를 가지는 Bi2Ti2O7으로 형성되는 것을 특징으로 하는 커패시터.The dielectric layer is a capacitor, characterized in that formed of Bi 2 Ti 2 O 7 having a pyrochlore structure.
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