KR20060055705A - Apparatus and fabrication method of ferroelectric capacitor using variation of sputtering power - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에프램(FRAM; (Ferroelectric Random Access Memory) 제작에 관한 것으로, 특히 이리듐(Ir)/이리듐옥사이드(IrO2)/강유전체(PZT)/이리듐(Ir) 구조의 강유전체 커패시터 (Ferroelectric capacitor)에서 보유 특성(retention) 및 피로 (Fatigue) 현상을 개선하기 위해 커패시터의 상부 전극을 스퍼터링 파워 (sputtering power)를 변화시켜 IrOx/Ir(O)x 구조로 제조하는 공정 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 초기 낮은 파워에서 산소가 많은 이리듐옥사이드 (IrOx: Oxygen rich)을 형성한 후 인시튜(in-situ)로 파워를 증가시켜 이리듐이 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x: Iridium rich) 막을 형성한다. 이러한 방법으로 형성된 IrOx/Ir(O)x 의 상부전극을 강유전체(PZT)에 적용한 결과, 피로현상이 없었고 보유 특성(Retention)이 향상되는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to fabrication of ferroelectric random access memory (FRAM), particularly in ferroelectric capacitors having an iridium (Ir) / iridium oxide (IrO 2) / ferroelectric (PZT) / iridium (Ir) structure. The present invention relates to a process and apparatus for manufacturing an IrOx / Ir (O) x structure by varying the sputtering power of an upper electrode of a capacitor to improve retention and fatigue. Oxygen-rich (IrOx) -rich oxides are formed at low power, and then the power is increased in-situ to form an iridium-rich (Ir (O) x: Iridium rich) film. As a result of applying the upper electrode of IrOx / Ir (O) x formed to the ferroelectric PZT, there is no fatigue phenomenon and the retention property is improved.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 강유전체 커패시터의 형성방법을 도시한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of forming a ferroelectric capacitor according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 따른 급속 열처리에 따른 스트레스 변화 곡선을 나타나는 그래프이다.2 is a graph showing a stress change curve according to the rapid heat treatment according to the prior art.
도 3a 내지 3c는 종래 기술에 따른 강유전체 메모리 소자의 히스테리시스 루프 (Hysteresis loop) 및 피로현상 (fatigue) 그리고 보유특성 (retention)을 나타낸 그래프이다.3A to 3C are graphs showing a hysteresis loop, a fatigue phenomenon, and a retention of a ferroelectric memory device according to the related art.
도 4a는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 형성방법을 도시한 순서도이다.4A is a flowchart illustrating a method of forming a ferroelectric capacitor according to the present invention.
도 4b는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터를 도시한 단면도이다.4B is a cross-sectional view showing a ferroelectric capacitor according to the present invention.
도 5a 내지 5c는 이리듐-산소(Ir-O) 반응성 스퍼터링 공정(Reactive sputtering process)에서 스퍼터링 파워(sputtering power)의 변화에 따른 이리듐-산소(Ir-O) 막내의 산소비율 변화에 대한 커브(Generic curve)를 나타낸다.5A to 5C are curves of the oxygen ratio change in the iridium-oxygen (Ir-O) film according to the change of the sputtering power in the iridium-oxygen (Ir-O) reactive sputtering process. curve).
도 6은 본 발명의 상부전극이 적용된 커패시터와 기존 방법이 적용된 커패시 터 사이의 열적 부담(thermal stress) 히스테리시스(hysteresis)를 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing the thermal stress hysteresis between the capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied and the capacitor to which the conventional method is applied.
도 7a 및 7b는 본 발명의 상부전극이 적용된 커패시터와 기존 방업이 적용된 커패시터 사이의 피로 현상(fatigue)을 보여주는 그래프이다.7A and 7B are graphs showing a fatigue phenomenon between the capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied and the capacitor to which the conventional industry is applied.
도 8a 및 8b는 본 발명의 상부전극이 적용된 커패시터와 기존 방법이 적용된 커패시터 사이의 보유 특성(retention)을 보여주는 그래프이다.8A and 8B are graphs showing retention between the capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied and the capacitor to which the conventional method is applied.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
200; Ti 200; TiAlN200; Ti 200; TiAlN
202; Ir 204; 하부전극202; Ir 204; Bottom electrode
206; 강유전체 (PZT) 208; Ir02206; Ferroelectric (PZT) 208; Ir02
210; 급속열처리 212; Ir210; Rapid heat treatment 212; Ir
214; 상부전극 300; Ti214;
300; TiAlN 302; IrO2300; TiAlN 302; IrO2
302; Ir(O) 306; 강유전체 (PZT)302; Ir (O) 306; Ferroelectric (PZT)
308; IrO2 308'; Ir(O)308; IrO 2 308 '; Ir (O)
310; 급속 열처리 312; 상부전극310;
본 발명은 일반적으로 반도체 장치에 관련된 것으로, 강유전체 커패시터 및 강유전체 커패시터의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 파워와 높은 파워를 이용하여 상부전극을 형성하는 방법으로 강유전체 캐패시터의 신뢰성을 개선시킬 수 있는 강유전체 커패시터 및 그 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
강유전체 커패시터에서는 강유전체 막을 졸갤 또는 스퍼터 법에의해 비정질 (amorphous)상태로 적층한 후 고온에서 단시간의 열처리에 의해 결정화시키고 있다. 결정화가 되지 않으면 원하는 분극특성은 얻을 수 없다. 한편, 이와 같은 결정화를 위한 열처리시 피지티(PZT) 또는 피엘지티(PLZT) 등의 강유전체막 내에서 산소 결핍현상이 발생하기 쉬우므로 결정화 열처리를 산화분위기에서 진행된다. 또 하부전극의 산화를 방지하기 위해 최초로 결정화 열처리를 불활성 분위기에서 진행하고 산화분위기에서 열처리를 진행함에 의하여 산소결핍을 보상하는 공정이 제안되고 있다.In a ferroelectric capacitor, a ferroelectric film is laminated in an amorphous state by a sol gal or sputtering method and then crystallized by heat treatment for a short time at high temperature. If it is not crystallized, the desired polarization characteristic cannot be obtained. On the other hand, since the oxygen deficiency is likely to occur in the ferroelectric film such as PZT or PLZT during the heat treatment for crystallization, the crystallization heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere. In order to prevent oxidation of the lower electrode, a process of compensating for oxygen deficiency by first performing a crystallization heat treatment in an inert atmosphere and heat treatment in an oxidizing atmosphere has been proposed.
한편, 이와 같이 진행하여 결정화 열처리를 진행하고 더욱이 산소결핍을 보상한 강유전체막 상에 상부전극을 형성하지만 종래의 스퍼터링 방법에 의해 비산화 분위기에서 백금(Pt) 또는 이리듐(Ir) 등과 같은 내열성 금속으로 상부전극을 형성한다. 그러나 상기 스퍼터링 방법은 비산화 분위기에서 진행되므로 상부전극 형성시 강유전체 막내에서 산소 결핍 현상이 발생하게 된다.On the other hand, the crystallization heat treatment proceeds and the upper electrode is further formed on the ferroelectric film that compensates for the oxygen deficiency, but by heat-resistant metal such as platinum (Pt) or iridium (Ir) in a non-oxidizing atmosphere by a conventional sputtering method. The upper electrode is formed. However, since the sputtering method is performed in a non-oxidizing atmosphere, oxygen deficiency occurs in the ferroelectric film when forming the upper electrode.
그래서, 하부전극으로서 이리듐옥사이드(IrO2) 등의 전도성 산화물 사용이 제안되고 있다. 상기 전도성 산화물을 사용하는 것에 의해 강유전체 막내의 산소 결핍의 보상을 위해 산화분위기에서 진행해도 하부전극의 산화가 방지되므로 저항 증가 문제를 해결할 수 있다. 그런데 이와 같이 이리듐옥사이드(IrO2) 전극을 형성 한 경우 전극표면에 이상적으로 성장한 이리듐옥사이드(IrO2)로 구성되는 큰 결정이 발생하기 쉽다. 큰 결정은 결함을 형성하고 반도체 장치의 수율을 저하시킴과 동시에 강유전체 커패시터의 전기적인 특성을 열화 시킨다.Therefore, use of conductive oxides such as iridium oxide (IrO 2) as a lower electrode has been proposed. By using the conductive oxide, even if the oxide electrode is prevented from being oxidized to compensate for the oxygen deficiency in the ferroelectric film, the resistance of the lower electrode can be solved. However, when the iridium oxide (IrO 2) electrode is formed in this way, large crystals composed of iridium oxide (IrO 2) ideally grown on the electrode surface are likely to occur. Larger crystals form defects and degrade the yield of semiconductor devices while at the same time deteriorating the electrical characteristics of the ferroelectric capacitor.
종래의 공정 순서를 도 1을 통하여 살펴 보면, 반도체 기판상에 하부전극(204)을 형성한다. 하부전극(204)은 접착력을 향상시키기 위하여 타이타늄(Ti)와과 산화방지막인 타이타늄-알루미늄-질소(TiAlN;200, 전극인 이리듐(Ir;202)을 순차적으로 형성한다. 상기 하부전극(204) 상에 강유전체인 피지티(PZT;206)를 형성한다. 상기 피지티(PZT;206상에 상부전극(214)인 이리듐옥사이드(IrO2;208)를 형성한다. 상기 상부전극(214)의 결정성을 향상시키기 위하여 산소 분위기에서 약 600℃에서 약 1분 동안 급속열처리(210)를 실시한다. 그리고 이리듐(Ir;212)을 형성한다.Referring to FIG. 1, a conventional process sequence is formed on the semiconductor substrate. In order to improve adhesion, the lower electrode 204 sequentially forms titanium (Ti) and an anti-oxidation layer titanium-aluminum-nitrogen (TiAlN; 200) and an iridium (Ir; 202) electrode. A ferrite is formed on a ferrite (PZT) 206. An iridium oxide (IrO2; 208), which is an upper electrode 214, is formed on the phosphide (PZT; 206). In order to improve, rapid heat treatment 210 is performed for about 1 minute at about 600 ° C. in an oxygen atmosphere, and iridium (Ir) 212 is formed.
이와 같은 공정순서로 형성된 강유전체 커패시터의 상부전극(214)의 이리듐옥사이드(IrO2;208) 형성후 급속 열처리(210)에 따른 스트레스 변화곡선을 도 2에 나타냈었다.The stress variation curve of the rapid heat treatment 210 after the formation of the iridium oxide (
이리듐옥사이드(IrO2;208)는 강한 압축응력 (compressive stress; ~?8E10 dyne/cm2)을 받으므로 강유전체인 피지티(PZT) 표면은 강한 인장응력 (tensile stress)을 받는다. 강한 인장응력(tensile stress)하에서는 강유전체인 피지티(PZT) 표면에 산소 결핍(Oxygen vacancy) 등과 같은 결함이 활성화되어 강유전체와 상부전극과의 계면에 강유전체 특성이 없는 계면막(interfacial layer)이 두껍게 형성된다. 이것은 도 3a에서 설명하고 있는 바와 같이, 분극-전압 루프(P-V loop) 상에서 탈분극(depolarization)의 크기가 큰 것으로 알 수 있다.Since iridium oxide (IrO 2; 208) is subjected to strong compressive stress (˜8E10 dyne / cm 2 ), the surface of the ferroelectric PZT is subjected to strong tensile stress. Under strong tensile stress, defects such as oxygen vacancy are activated on the surface of the ferroelectric PZT, forming a thick interfacial layer having no ferroelectric characteristics at the interface between the ferroelectric and the upper electrode. do. This can be seen that the size of the depolarization (depolarization) on the polarization-voltage loop (PV loop), as described in Figure 3a.
그리고 일반적으로 강유전막을 실제 응용하려면 피로 현상(fatigue)은 1010 싸이클(cycle)에서 초기 2Pr 대비 약 5% 내외의 열화(degradation)이 허용되며 보유 특성 (retention) 열화는 적을수록 좋다. 그러나 상기 기술에 의한 방법은, 도 3b 및 3c에서 보는 바와 같이, 피로 현상 (fatigue)은 1010 싸이클에서 2Pr 19% 열화 및 보유특성 (retention)은 초기 2Pr 대비 100% 열화를 나타내어 강유전체 커패시터의 신뢰성(reliability)이 떨어지는 문제점이 있다.In general, in order to actually apply the ferroelectric film, fatigue is allowed in about 10% of degradation compared to the initial 2Pr in 10 10 cycles, and the retention degradation is better. However, the method of the above technique, as shown in Figs. 3b and 3c, the fatigue is 10 10 cycles 2Pr 19% degradation and retention is 100% degradation compared to the initial 2Pr reliability of the ferroelectric capacitor There is a problem of poor reliability.
이에, 본 발명은 상기한 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 피로 현상과 보유 특성이 향상된 강유전체 커패시터 및 이를 형성하는 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, an object of the present invention is to provide a ferroelectric capacitor and a method for forming the improved fatigue phenomenon and retention characteristics.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강유전체 커패시터 및 그의 형성방법은 커패시터의 상부전극 형성시 스퍼터링 파워를 변화시키는 것을 특징으로 한다.The ferroelectric capacitor and the method of forming the same according to the present invention for achieving the above object is characterized in that for changing the sputtering power when forming the upper electrode of the capacitor.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 강유전체 커패시터의 형성방법은, 제1 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 제1 하부전극 상에 제2 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 제2 하부전극 상에 제3 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 제3 하부전극 상에 강유전체를 형성하는 공정과, 상기 강유전체막 상에 제1 상부전극을 형성하는 공정과, 상기 제1 상부전극 상에 제2 상부전극을 형성하는 공정과, 상기 제2 상부전극 형성 후 급속 열처리를 진행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of forming a ferroelectric capacitor according to an embodiment of the present invention capable of realizing the above characteristics may include forming a first lower electrode, forming a second lower electrode on the first lower electrode, and forming the second lower electrode. Forming a third lower electrode on the lower electrode, forming a ferroelectric on the third lower electrode, forming a first upper electrode on the ferroelectric film, and forming on the first upper electrode And forming a second upper electrode and performing a rapid heat treatment after forming the second upper electrode.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 하부전극은 타이타늄(Ti)과 탄탈륨(Ta) 중에서 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2 하부전극은 타이타늄-알루미늄-질소(TiAlN)으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기 제3 하부전극은 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru) 중에서 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the first lower electrode may be formed of any one selected from titanium (Ti) and tantalum (Ta). The second lower electrode is made of titanium-aluminum-nitrogen (TiAlN). The third lower electrode may be formed of any one selected from iridium (Ir), platinum (Pt), and ruthenium (Ru).
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 강유전체는 피지티(PZT), 에스비티(SBT), 비엘티(BLT), 비에스티(BST), 불순물로 도핑된 피지티(PZT) 및 금속옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 결합으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 상부전극 및 제2 상부전극 중에서 적어도 어느 하나는 귀금속 및 귀금속 옥사이드 중에서로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 상부전극 및 제2 상부전극은 인시튜(in-situ)로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 귀금속 옥사이드는 이리듐옥사이드(IrOx), 백금옥사이드(PtOx), 및 루테늄옥사이드(RuOx) 등과 같은 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the ferroelectric is a group consisting of PZT, SBT, SBT, BLT, BST, PZT doped with impurities, and metal oxide It is characterized in that formed from any one or a combination thereof. At least one of the first upper electrode and the second upper electrode may be formed of any one selected from the group consisting of a noble metal and a noble metal oxide. The first upper electrode and the second upper electrode may be formed in-situ. The noble metal oxide is characterized in that any one selected from the group such as iridium oxide (IrOx), platinum oxide (PtOx), ruthenium oxide (RuOx) and the like.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 상부전극은 산소 함량이 이리듐 함량에 비해 상대적으로 많은 이리듐옥사이드(IrOx)로 형성하고, 상기 제2 상부전극은 이리듐 함량이 산소 함량에 비해 상대적으로 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x)로 형성 하는 것을 특징으로 한다. In an embodiment of the present invention, the first upper electrode is formed of iridium oxide (IrOx) having a relatively higher oxygen content than the iridium content, and the second upper electrode has a relatively higher iridium content than the oxygen content. It is characterized in that the oxide (Ir (O) x) formed.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 상부전극 및 상기 제2 상부전극 중에서 적어도 어느 하나는 스퍼터링(sputtering) 방법으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 스퍼터링(sputtering) 방법은 상대적으로 낮은 파워에서 상대적으로 높은 파워로 변화시켜 진행시키는 것을 특징으로 한다. 상기 스퍼터링 방법의 상대적으로 낮은 파워는 약 400~700 와트(W)이고, 상기 스퍼티링 방법의 상대적으로 높은 파워는 약 800~1200 와트(W)인 것을 특징으로 한다. 상기 스퍼티링 방법의 상대적으로 낮은 파워는 약 25~30초 동안 가하여 진행하고, 상기 스퍼티링 방법의 상대적으로 높은 파워는 약 20~25초 동안 가하여 진행하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, at least one of the first upper electrode and the second upper electrode may be formed by a sputtering method. The sputtering method is characterized in that to proceed by changing from a relatively low power to a relatively high power. The relatively low power of the sputtering method is about 400-700 watts (W), and the relatively high power of the sputtering method is about 800-1200 watts (W). The relatively low power of the sputtering method is applied for about 25-30 seconds, and the relatively high power of the sputtering method is characterized in that it is applied for about 20-25 seconds.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 급속 열처리는 500~700℃ 온도에서 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리는 600~700℃ 온도에서 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리는 30초 내지 10분 동안 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리는 산소 가스 분위기에서 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리는 질소 가스나 불활성 가스 분위기에서 진행하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the rapid heat treatment is characterized in that proceeding at a temperature of 500 ~ 700 ℃. The rapid heat treatment is characterized in that proceeding at a temperature of 600 ~ 700 ℃. The rapid heat treatment is characterized in that for 30 seconds to 10 minutes. The rapid heat treatment may be performed in an oxygen gas atmosphere. The rapid heat treatment may be performed in a nitrogen gas or an inert gas atmosphere.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명에 변형 실시예에 따른 강유전체 커패시터의 형성방법은, 소정의 막 상에 커패시터 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상에 강유전체를 형성하는 단계; 상기 강유전체 상에 산소 함량이 이리듐 함량에 비해 상대적으로 많은 이리듐옥사이드(IrOx)로 이루어진 제1 상부전극을 형성하고, 상기 제1 상부전극 상에 이리듐 함량이 산소 함량에 비해 상대적으로 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x)로 이루어진 제2 상부전극을 형성하여, 상기 제1 및 제2 상 부전극으로 이루어진 커패시터 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a ferroelectric capacitor, including: forming a capacitor lower electrode on a predetermined film; Forming a ferroelectric on the lower electrode; Forming a first upper electrode made of iridium oxide (IrOx) having a relatively high oxygen content on the ferroelectric relative to the iridium content, the iridium content of the iridium content is relatively higher than the oxygen content on the first upper electrode (Ir And forming a second upper electrode formed of (O) x), thereby forming a capacitor upper electrode formed of the first and second upper electrodes.
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 상기 제1 상부전극 및 상기 제2 상부전극으로 이루어진 커패시터 상부전극을 형성하는 단계는 인시튜로 스퍼터링 방법을 사용하고, 상기 스퍼터링 방법은 상대적으로 낮은 파워와 상대적으로 높은 파워로 변화시키면서 진행하는 것을 특징으로 한다.In a modified embodiment of the present invention, the step of forming the capacitor upper electrode consisting of the first upper electrode and the second upper electrode uses an in-situ sputtering method, the sputtering method is relatively low power and relatively It is characterized by progressing while changing at high power.
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 상기 제1 상부전극은 상기 상대적으로 낮은 파워의 스퍼터링 방법으로 형성하고, 상기 제2 상부전극은 상기 상대적으로 높은 파워의 스퍼터링 방법으로 형성하는 것을 특징으로 한다.In a modified embodiment of the present invention, the first upper electrode is formed by the relatively low power sputtering method, and the second upper electrode is formed by the relatively high power sputtering method.
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 상기 상대적으로 낮은 파워의 스퍼터링 방법은 400 내지 700 와트(W) 로 진행하고, 상기 상대적으로 높은 파워의 스퍼터링 방법은 800 내지 1200 와트(W)로 진행하는 것을 특징으로 한다.In a modified embodiment of the present invention, the relatively low power sputtering method proceeds from 400 to 700 watts (W), and the relatively high power sputtering method proceeds from 800 to 1200 watts (W) It is done.
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 급속 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리하는 단계는 상기 상부전극을 형성하는 단계 이후에 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리하는 단계는 500 내지 700℃, 또는 600 내지 700℃에서 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 급속 열처리하는 단계는 산소 가스 분위기, 질소 가스 분위기, 또는 불활성 가스 분위기에서 30초 내지 10분 동안 진행하는 것을 특징으로 한다.In a modified embodiment of the present invention, it characterized in that it further comprises the step of rapid heat treatment. The rapid heat treatment may be performed after the forming of the upper electrode. The rapid heat treatment may be performed at 500 to 700 ° C., or at 600 to 700 ° C. The rapid heat treatment may be performed for 30 seconds to 10 minutes in an oxygen gas atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, or an inert gas atmosphere.
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 상기 커패시터 하부전극을 형성하는 단계는, 타이타늄(Ti)과 탄탈륨(Ta) 중에서 어느 하나로 이루어진 제1 하부전극을 형성 하는 단계; 상기 제1 하부전극 상에 타이타늄?알루미늄?질소(TiAlN)로 이루어진 제2 하부전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 하부전극 상에 이리듐(Ir), 백금(Pt), 및 루테늄(Ru)을 포함하는 귀금속(noble metal)으로 이루어진 제3 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a modified embodiment of the present invention, the forming of the capacitor lower electrode may include forming a first lower electrode formed of any one of titanium (Ti) and tantalum (Ta); Forming a second lower electrode formed of titanium, aluminum, nitrogen (TiAlN) on the first lower electrode; And forming a third lower electrode formed of a noble metal including iridium (Ir), platinum (Pt), and ruthenium (Ru) on the second lower electrode.
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 상기 커패시터 하부전극을 형성하는 단계는 타이타늄(Ti)과, 타이타늄-알루미늄-질소(TiAlN)와, 이리듐(Ir)을 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 한다.In the modified embodiment of the present invention, the forming of the capacitor lower electrode may be performed by sequentially stacking titanium (Ti), titanium-aluminum-nitrogen (TiAlN), and iridium (Ir).
본 발명의 변형 실시예에 있어서, 상기 강유전체를 형성하는 단계는, 피지티(PZT), 에스비티(SBT), 비엘티(BLT), 비에스티(BST), 불순물로 도핑된 피지티(PZT) 및 금속옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 결합을 증착하는 것을 특징으로 한다.In a modified embodiment of the present invention, the step of forming the ferroelectric, Fiji (PZT), SBT (SBT), BLT (BLT), BST (BST), doped with impurities (PZT) And it is characterized by depositing any one or a combination thereof selected from the group consisting of metal oxides.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명에 실시예에 따른 강유전체 커패시터는, 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 강유전체; 상기 강유전체 상에 산소 함량이 이리듐 함량에 비해 상대적으로 많은 이리듐옥사이드(IrOx)으로 이루어진 제1 상부전극과, 상기 제1 상부전극 상에 이리듐 함량이 산소 함량에 비해 상대적으로 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x)로 이루어진 제2 상부전극이 적층된 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.A ferroelectric capacitor according to an embodiment of the present invention capable of implementing the above characteristics may include a lower electrode; A ferroelectric formed on the lower electrode; A first upper electrode made of iridium oxide (IrOx) having a higher oxygen content than the iridium content on the ferroelectric material, and an iridium oxide (Ir (O) having a relatively higher iridium content than the oxygen content on the first upper electrode. A second upper electrode consisting of x) includes a stacked upper electrode.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 하부전극은 타이타늄(Ti)과, 타이타늄-알루미늄-질소(TiAlN)와, 이리듐(Ir)이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 한다. 상기 강유전체는 피지티(PZT), 에스비티(SBT), 비엘티(BLT), 비에스티(BST), 불순물로 도핑된 피지티(PZT) 및 금속옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 결합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the lower electrode is characterized in that the titanium (Ti), titanium-aluminum-nitrogen (TiAlN) and iridium (Ir) are sequentially stacked. The ferroelectric is any one selected from the group consisting of PZT, SBT, SBT, BLT, BST, BZ doped with impurities, and metal oxide (PZT) and metal oxides Characterized in that consisting of.
본 발명에 의하면, 커패시터 상부전극을 초기 낮은 파워에서 산소가 많은 이리듐옥사이드(IrOx:Oxygen rich)를 형성한 후 인시튜(in-situ)로 파워를 증가시켜 이리듐이 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x:Iridium rich)을 형성한다. 이렇게 형성된 IrOx/Ir(O)x 상부전극을 피지티(PZT)에 적용한 결과 피로 현상(fatigue)과 보유 특성(Retention)이 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, a capacitor upper electrode is formed at an initial low power to form oxygen-rich iridium oxide (IrOx: Oxygen rich), and then the power is increased in-situ to increase the iridium-rich iridium oxide (Ir (O)). x: Iridium rich). As a result of applying the IrOx / Ir (O) x upper electrode thus formed to PZT, fatigue and retention are improved.
이하, 본 발명에 따른 강유전체 커패시터 및 그의 형성방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a ferroelectric capacitor and a method of forming the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.Advantages over the present invention and prior art will become apparent through the description and claims with reference to the accompanying drawings. In particular, the present invention is well pointed out and claimed in the claims. However, the present invention may be best understood by reference to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements throughout the various drawings.
(실시예)(Example)
도 4a는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 형성방법을 도시한 순서도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터를 도시한 단면도이다.4A is a flowchart illustrating a method of forming a ferroelectric capacitor according to the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the ferroelectric capacitor according to the present invention.
도 4a 및 4b를 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하도록 한다. 하부전극(304)을 형성하는 단계는, 먼저 소정의 막(290) 상에 산소장벽(Oxygen barrier)의 역할을 하는 제1 하부전극으로서 타이타늄(Ti)을 형성하고, 강유전체 피지티(PZT) 결정성을 향상시키기 위하여 제2 하부전극으로서 타이타늄-알루미늄-질소(TiAlN)를 형성한다. 이에 따라, 타이타늄(Ti)/타이타늄-알루미늄-질소(TiAlN) 합금으로 이루어진 제1 및 제2 하부전극(300)이 형성된다.A specific embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. In the forming of the
상기 하부전극(304)을 형성한 후, 제3 하부전극(302)으로서 이리듐(Ir;302)을 형성하여 제1 내지 제3 하부전극으로 이루어진 하부전극(304)을 형성한다. 여기서, 제1 하부전극(300)으로서 타이타늄(Ti)을 대신하여 탄탈륨(Ta)으로 대체할 수 있다. 그리고, 제3 하부전극(302)으로서 이리듐(Ir)을 대신하여 백금(Pt)이나 루테늄(Ru)과 같은 귀금속(noble metal)으로 형성할 수 있다.After the
상기 하부전극(304)을 형성한 후 강유전체로서 피지티(PZT;306)를 형성한다. 강유전체(306)로서 상기 피지티(PZT) 이외에 에스비티(SBT), 비엘티(BLT), 비에스티(BST), 불순물로 도핑된 피지티(PZT) 및 금속옥사이드 중에서 어느 하나 또는 이들의 결합으로 대체할 수 있다.After the
상부전극(312)을 스퍼터링(Sputtering) 방법으로 형성하는 구체적인 단계는 산소의 유량이 10~30 sccm (Standard Cubic Centi?Meter )의 범위로 공급하고 아르곤의 유량은 30 sccm으로 고정하여 공급한다. 초기에 스퍼터링 증착 파워 (sputtering deposition power)를 약 400~700W의 낮은 파워에서 약 25~30 초 동안 가해주면서 제1 상부전극(308)으로서 산소가 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x : Oxygen rich)를 형성하고, 진공 브레이크 없이 인시튜(in-situ)로 파워만을 약 800~1200W 정도로 증가시켜 약 20~25 초 동안 가하여 제2 상부전극(308')으로서 이리듐이 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x:Iridium rich)를 형성하여 IrOx/Ir(O)x으로 이루어진 상 부전극(312)을 형성한다.In the specific step of forming the
상기 상부전극인 IrOx/Ir(O)x(312)을 형성한 후 스퍼터(sputter) 방법에 의한 손상(damage)을 치유(curing)하기 위해 약 500~700℃에서, 바람직하게는 약 600~650℃에서 진행하고 열처리 시간은 약 30초에서 10분 정도로 급속 열처리 (310)를 진행한다. 한편, 급속 열처리 분위기는 산소나 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 진행한다.After forming IrOx / Ir (O) x 312, which is the upper electrode, at about 500-700 ° C., preferably about 600-650 ° C., in order to cure damage caused by a sputtering method. It proceeds at ℃ and the heat treatment time proceeds rapid heat treatment 310 about 30 seconds to about 10 minutes. On the other hand, the rapid heat treatment atmosphere proceeds in an inert atmosphere such as oxygen, nitrogen or argon.
한편, 상부전극(312)으로서 상기 이리듐옥사이드(IrOx) 이외에 백금옥사이드(PtOx) 또는 루테늄옥사이드(RuOx)와 같은 귀금속옥사이드를 적용할 수 있다.Meanwhile, as the
도 5a 내지 5c는 이리듐-산소(Ir-O)의 반응성 스퍼터링 공정 (reactive sputtering process)에서 스퍼터링 파워 (sputtering power)의 변화에 따른 이리듐-산소(Ir-O) 내의 산소 비율 변화에 대한 커브(Generic curve)를 나타낸다. 도 5a 내지 5c에서 설명하고 있듯이, 초기 낮은 파워에서 산소 함량이 많은 이리듐옥사이드(IrOx; oxygen rich)를 형성하고 인시튜(in-situ)로 파워를 증가시켜 이리듐 함량이 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x;Ir rich)를 형성한다. 이러한 방법으로 제조된 IrOx/Ir(O)x 상부전극(312)을 강유전체(PZT)에 적용시킨 결과 1010 싸이클 (Cycles)에서 피로현상 (fatigue)이 없었으며 또한 약 150 ℃에서 약 110시간 동안 기존 2Pr 100% 열화된 것에 대비하여 약 40%가 열화가 되는 등 탁월한 보유특성 (retention)을 얻었으며 기존 공정을 단순화 할 수 있어 공정시간 약 30분 이상 단축도 가능하였다.
5A to 5C are curves of the oxygen ratio change in the iridium-oxygen (Ir-O) according to the change in the sputtering power in the reactive sputtering process of the iridium-oxygen (Ir-O). curve). As described with reference to FIGS. 5A to 5C, oxygen-rich iridium oxide (IrOx; oxygen rich) is formed at an initial low power, and power is increased in-situ to increase iridium-containing iridium oxide (Ir (O). ) x; Ir rich). IrOx / Ir (O) x
도 6은 본 발명의 상부전극이 적용된 커패시터와 기존 방법이 적용된 커패시터 사이의 열적 부담 (thermal stress) 히스테리시스(hysteresis)를 보여주는 그래프이다. 기존 공정에서는 -1E11dyne/cm2 까지 스트레스가 증가하는 반면 본 발명의 상부 전극 적용시 -2.6E10dyne/cm2 으로서 스트레스가 74% 감소되었음을 보여주고 있다. 또한 계면막(interfacial layer)을 알 수 있는 분극-전압 커브(P-V curve)에서의 탈분극(depolarization)값이 감소되어 있으므로 피지티(PZT)/상부전극 사이의 계면막(interfacial layer)이 감소된 것을 알 수 있다.6 is a graph showing the thermal stress hysteresis between the capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied and the capacitor to which the conventional method is applied. In the existing process, the stress increases to -1E11dyne / cm2, while the upper electrode of the present invention shows that the stress is reduced by 74% as -2.6E10dyne / cm2. In addition, since the depolarization value in the polarization-voltage curve (PV curve) for which the interfacial layer is known is reduced, the interfacial layer between the PZT / upper electrode is reduced. Able to know.
도 7a 및 7b는 본 발명의 상부전극이 적용된 커패시터와 기존 방법이 적용된 커패시터 사이의 피로 현상(fatigue)을 보여주는 그래프이다. 1010 싸이클 (cycles) 이후 기존 방법은 약 19% 열화된 것에 비하여 본 발명이 적용된 방법은 열화가 없음을 보여주고 있다.7A and 7B are graphs showing a fatigue phenomenon between the capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied and the capacitor to which the conventional method is applied. After 10 10 cycles, the process to which the present invention is applied shows no deterioration compared to the existing method about 19%.
도 8a 및 8b는 본 발명의 상부전극이 적용된 커패시터와 기존 방법이 적용된 커패시터 사이의 보유 특성(retention)을 보여주는 그래프이다. 기존 방법이 적용된 경우 약 150℃ 에서 약 100시간 이후 거의 100% 열화가 되었지만 본 발명의 방법을 적용한 경우는 약 40% 정도 밖에 열화가 되지 않았음을 보여주고 있다.8A and 8B are graphs showing retention between the capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied and the capacitor to which the conventional method is applied. Almost 100% deterioration after about 100 hours at about 150 ℃ when the existing method is applied, but shows only about 40% deterioration when the method of the present invention is applied.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상부전극을 적용한 강유전체 커패시터는 피로 현상(fatigue)과 보유 특성(retention)이 크게 향상되었음을 보여주고 있다.As described above, the ferroelectric capacitor to which the upper electrode of the present invention is applied shows that fatigue and retention are greatly improved.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing detailed description illustrates the present invention. In addition, the foregoing description merely shows and describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. And, it is possible to change or modify within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, the scope equivalent to the written description, and / or the skill or knowledge in the art. The above-described embodiments are for explaining the best state in carrying out the present invention, the use of other inventions such as the present invention in other state known in the art, and the specific fields of application and uses of the present invention. Various changes are also possible. Accordingly, the detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Also, the appended claims should be construed to include other embodiments.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 커패시터 상부전극을 초기 낮은 파워에서 산소가 많은 이리듐옥사이드(IrOx:Oxygen rich)를 형성한 후 인시튜(in-situ)로 파워를 증가시켜 이리듐이 많은 이리듐옥사이드(Ir(O)x:Iridium rich)을 형성한다. 이렇게 형성된 IrOx/Ir(O)x 상부전극을 피지티(PZT)에 적용한 결과 피로 현상(fatigue)과 보유 특성(Retention)이 향상되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the iridium-rich iridium is formed by increasing the power in-situ after forming an iridium oxide (IrOx: Oxygen rich) rich in oxygen at an initial low power. Oxide (Ir (O) x: Iridium rich) is formed. As a result of applying the IrOx / Ir (O) x upper electrode thus formed to PZT, fatigue and retention are improved.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020040094708A KR20060055705A (en) | 2004-11-18 | 2004-11-18 | Apparatus and fabrication method of ferroelectric capacitor using variation of sputtering power |
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ID=37151654
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190036077A (en) * | 2017-09-27 | 2019-04-04 | 포항공과대학교 산학협력단 | Vertical AND-weight device and operating method thereof |
-
2004
- 2004-11-18 KR KR1020040094708A patent/KR20060055705A/en not_active Application Discontinuation
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