KR20070049927A - 알루미늄-타이타늄 절연막의 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절연막의 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 원자층 증착법으로 알루미늄과 타이타늄을 포함하는 절연막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 절연막 형성방법은 플라즈마 원자층 증착법으로 알루미늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착하는 제 1 단계, 및 플라즈마 원자층 증착법으로 타이타늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착하는 제 2 단계를 각각 적어도 한번 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
플라즈마, 원자층, ALD, 절연막, 타이타늄, 알루미늄

Description

알루미늄-타이타늄 절연막의 형성방법{Titanium-aluminum dielectric film and preparing method of the same}
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 박막을 형성하는 공정 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 타이타늄 박막을 형성하는 공정 개념도.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도.
도 3c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도.
도 3d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도.
도 4는 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 박막의 누설전류 특징을 보이는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 박막의 비유전상수 변화를 보이는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 박막의 주파수에 따른 유전상수의 변화를 보이는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 박막의 굴절율을 보이는 그래프.
본 발명은 절연막의 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄과 타이타늄을 포함하는 절연막의 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 타이타늄 산화막(TiO2)는 20 내지 50 정도의 매우 높은 비유전상수를 가지고 3 내지 3.5eV의 에너지 밴드갭을 가지고(Journal of Vacuum Science Technology, B14(3), pp 1706(1996)) 있어 절연막으로 유용하게 사용되며, 또한 2.4 정도의 높은 굴절율을 가지는 막으로서 광학적으로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
그러나, 이러한 높은 비유전상수와 굴절율에도 불구하고 절연파괴전계가 낮고, 누설전류가 커서 단일박막으로 소자에 적용하기는 매우 어렵고, 또한 250℃ 이하의 낮은 온도에서도 박막성장시 결정화가 이루어지기도 하는 문제점이 있다.
이에 종래 화학기상증착법(CVD)이나 스퍼터링법으로 형성하던 타이타늄 산화막을 원자층 증착법이나 플라즈마 원자층 증착법(PEALD)를 이용하여 형성하여, 250℃ 이하의 저온에서도 높은 균일도를 갖고, 절연 파괴전계가 향상되도록 하는 박막의 형성방법이 제안되기도 하였다(Electrochemical and Solid State Letters, 7, pp F73(2004)).
또한, 미국 특허등록번호 제6,884,739호에서는 타이타늄 산화막의 계면안정성과 결정화 억제를 위하여 Nd, Tb, Dy 등의 란탄족 원소들이 전자빔기화법(e-beam evaporation)을 이용하여 도핑시켜서 무정형을 유지시키고, 열적으로 안정성을 가지는 박막을 증착시키는 방법이 도입되기도 하였다.
하지만, 이러한 형성방법에 의하더라도 여전히 누설전류가 높고, 인가 주파수에 따라 유전상수의 변화가 커서 여전히 단일박막으로 소자에 적용하는 데에 한계를 보이고 있다.
한편, 타이타늄 산화막과 달리 알루미늄 산화막은 화학적으로 매우 안정한 산화물로서 누설전류가 적고, 절연파괴전계가 높은 막으로 알려져 있다. 특히, 본 발명자가 연구하여 특허등록된 미국 특허등록번호 제6,723,642호에는 원자층 증착방법으로 형성하여 저온에서도 전기적으로 우수한 특성을 가지는 알루미늄 산화막에 관하여 개시되어 있다.
그러나, 이러한 알루미늄 산화막은 비유전상수가 8 내지 10정도에 불과하여 보다 높은 비유전상수가 요구되는 절연막으로 활용하기에는 한계가 있다.
따라서, 높은 비유전상수의 타이타늄 산화막과 낮은 누설전류의 알루미늄 산화막을 다층으로 절연막을 형성하는 연구가 시도되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 알루미늄 산화막과 타이타늄 산화막을 이용하여 낮은 증착온도에서 우수한 전 기절연과 높은 비유전상수를 가지는 알루미늄-타이타늄 절연막의 형성방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법은 플라즈마 원자층 증착법으로 알루미늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착하는 제 1 단계, 및 플라즈마 원자층 증착법으로 타이타늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착하는 제 2 단계를 각각 적어도 한번 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 플라즈마 원자층 증착법은 250℃의 온도 이하의 저온에서 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계의 실시 회수에 따라 절연막에 포함되는 알루미늄 및 타이타늄의 중량비를 제어할 수 있다.
이 때, 상기 알루미늄의 중량과 상기 타이타늄의 중량비의 자유로운 제어에 따라 상기 알루미늄-타이타늄 절연막의 유전상수를 8 내지 60로 제어하고, 상기 알루미늄-타이타늄 절연막의 굴절율을 1.7 내지 2.4로 제어할 수 있다.
산화알루미늄 박막을 형성하는 제 1 단계는 산소 플라즈마를 인가하여 알루미늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착시키는 증착공정, 상기 증착공정 후 상기 반응기체를 퍼지하는 제 1 퍼지공정, 상기 퍼지공정 후 산소 플라즈마를 단독으로 처리하는 제 1 산소플라즈마공정, 및 상기 제 1 산소플라즈마공정 후 산소를 퍼지하는 제 2 퍼지공정을 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 알루미늄 전구체는 트리메틸 알루미늄(Trimethyl Aluminum(TMA))인 것이 바람직하다.
또한, 산화알루미늄 박막을 형성하는 제 2 단계는 산소 플라즈마를 인가하여 타이타늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착시키는 증착공정, 상기 증차공정 후 상기 반응기체를 퍼지하는 제 3 퍼지공정, 상기 퍼지공정 후 산소 플라즈마을 단독으로 처리하는 제 2 산소 플라즈마공정, 및 상기 제 2 산소 플라즈마 공정 후 산소를 퍼지하는 제 4 퍼지공정을 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 알루미늄 전구체는 Ti(OC2H5)4, Ti(OCH(CH3)2)4(TTIP) 또는 테트라디메틸 아미노 타이타늄(TDMATi)인 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법의 일실시예를 도 1 및 도 2를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 알루미늄-타이타늄 절연막의 형성방법은 크게 알루미늄 산화막을 형성하는 제 1 단계와, 타이타늄 산화막을 형성하는 제 2 단계를 포함한다.
제 1 단계는 기판상에 250℃이하의 온도에서 플라즈마 원자층 증착법으로 알루미늄 전구체를 포함하는 반응기체를 초박막으로 형성하는 단계로서 도 1은 제 1 단계의 세부공정을 도시한 공정 설명도이다.
이에 따르면, 제 1 단계는 제 1 증착공정, 제 1 퍼지(purge)공정, 제 1 플라즈마공정, 및 제 2 퍼지공정으로 구성된다.
제 1 증착공정은 챔버내의 알루미늄 전구체를 포함하는 반응가스를 플라즈마 에너지를 인가하여 기판상에 박막으로 증착하는 공정으로, 챔버의 온도는 80 내지 250℃ 가 바람직하고, 플라즈마 일률은 100 내지 500W가 바람직하며, 이 때, 사용되는 알루미늄 전구체로는 트리메틸 알루미늄(Trimethyl Aluminum(TMA)가 바람직하다. 또한, 증착시간은 증착조건에 따라 결정되나 사이클당 1 내지 20 초 실시되는 것이 바람직하다. 특히, 본 증착공정에서 산소를 주입하여 기판과 전극사이에서 직접적으로 플라즈마가 인가되도록 하는 것이 바람직하다.
제 1 퍼지공정은 챔버 내의 반응가스를 외부로 배출하는 단계로서, 퍼지를 사이클당 20 초 이내로 실시한다.
제 1 플라즈마 공정은 증착된 산화막 상의 불순물을 제거하고 막질을 치밀하게 하기 위해 별도의 반응가스 없이 산소 플라즈마를 단독으로 처리하는 단계로서, 챔버의 온도는 80 내지 250℃가 바람직하고, 플라즈마 일률은 100 내지 500 W 가 바람직하며, 제 1 증착공정은 사이클당 1 내지 20 초 실시되는 것이 바람직하다.
제 2 퍼지공정은 챔버 내의 산소를 외부로 배출하는 단계로서, 퍼지를 20초 이내로 실시한다.
제 2 단계는 알루미늄 산화막 상에 250℃이하의 온도에서 플라즈마 원자층 증착법으로 타이타늄 전구체를 포함하는 반응기체를 초박막으로 형성하는 단계로서, 도 2는 제 1 단계의 세부공정을 도시한 공정 설명도이다.
이에 따르면, 제 2 단계는 제 2 증착공정, 제 3 퍼지(purge)공정, 제 2 플라즈마공정, 및 제 4 퍼지공정으로 구성된다.
증착공정은 챔버내의 타이타늄 전구체를 포함하는 반응가스를 플라즈마 에너지를 인가하여 박막으로 증착하는 공정으로, 챔버의 온도는 80 도 내지 250℃가 바 람직하고, 플라즈마 일률은 100 내지 500 W 가 바람직하며, 이 때, 사용되는 타이타늄 전구체로는 Ti(OC2H5)4, Ti(OCH(CH3)2)4(TTIP) 또는 테트라디메틸 아미노 타이타늄(TDMATi)가 바람직하다. 또한, 증착시간은 증착공정에 따라 결정되나 사이클당 1 내지 20 초 실시되는 것이 바람직하다. 특히, 본 증착공정에서 산소를 주입하여 기판과 전극사이에서 직접적으로 플라즈마가 인가되도록 하는 것이 바람직하다.
제 3 퍼지공정은 챔버 내의 반응가스를 외부로 배출하는 단계로서, 퍼지를 사이클당 20 초 이내로 실시한다.
제 2 플라즈마 공정은 별도의 반응가스 없이 산소 플라즈마를 단독으로 처리하는 단계로서, 챔버의 온도는 80℃ 내지 250℃가 바람직하고, 플라즈마 일률은 100 내지 500 W 가 바람직하며, 증착공정은 사이클당 1 내지 20초 실시되는 것이 바람직하다.
제 4 퍼지공정은 챔버 내의 산소를 외부로 배출하는 단계로서, 퍼지를 사이클당 20 초 이내로 실시한다.
전술한 제 1 단계 및 제 2 단계는 절연막을 형성하기 위해 적어도 1회 이상포함된다. 즉, 절연막은 실현하고자하는 화학적, 전기적 및 광학적 특성을 구비하기 위해 알루미늄과 타이타늄의 함량의 조절이 필요한데, 이를 위해 알루미늄 산화막 및 타이타늄 산화막은 증착 횟수 및 두께는 조절될 수 있고, 또한 알루미늄 산화막 및 타이타늄 산화막의 증착순서도 변경가능하다. 이 때, 타이타늄은 전체함량에 대해서, 10 내지 75%로 함유되는 것이 바람직한데, 상기 범위 외에서는 원하는 비유전상수 또는 누설전류등의 모든 절연막 조건을 얻기가 용이하지 않기 때문이다.
하기의 몇몇 실시예들로서 당업자는 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막의 제조에서 알루미늄 산화막 및 타이타늄 산화막의 형성순서 및 횟수는 제한되지 않음을 이해할 것이다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도로서, 기판 상에 산화 알루미늄 박막형성, 산화 타이타늄 박막형성, 산화 타이타늄 박막형성의 3단계로 이루어지는 알루미늄-타이타늄 산화막의 제조공정을 보이고 있다.
또한, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도로서, 기판 상에 산화 타이타늄 박막, 산화 알루미늄 박막, 및 산화 알루미늄 박막형성의 3단계로 이루어지는 알루미늄-타이타늄 산화막의 제조공정을 보이고 있다.
또한, 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도로서, 기판 상에 산화 알루미늄 박막, 및 산화 타이타늄 박막형성의 2단계로 이루어지는 알루미늄-타이타늄 산화막의 제조공정을 보이고 있다.
또한, 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하는 공정도로서, 기판 상에 2회의 산화 알루미늄 박막 및 3 회의 산화 타이타늄 박막형성의 5 단계로 이루어지는 알루미늄-타이타늄 산화막의 제조공정을 보이고 있다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막의 실시예를 달리하면서 알루미늄과 타이타늄의 함량을 조절하여 얻은 누설전류의 특성을 나타내는 그래프이다. 이에 따르면, 타이타늄 산화막만으로 절연막을 구성하였을 경우에는, 전계가 증가함에 따라 매우 급격하게 누설전류가 증가되는 양상을 보여준다. 그러나, 알루미늄-타이타늄 절연막을 구성할 경우 알루미늄의 함량이 증가함에 따라(그래프에서 실시예는 타이타늄의 함량이 전체 함량에 대해서 62%, 18%, 14%인 경우를 각각 도시하고 있다) 누설전류가 완만하게 증가함을 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막의 알루미늄과 타이타늄의 함량을 조절하여 얻은 유전상수의 특성을 나타내는 그래프이다. 이에 따르면, 타이타늄 산화막만으로 절연막을 구성하였을 경우에는 비유전상수가 50정도의 높은 값을 가지고, 타이타늄의 함량이 감소할수록 비유전상수 값이 감소하는 것을 실험결과를 보여준다.
그러나, 타이타늄 산화막으로만 절연막을 구성할 경우 전술한 바와 같이 인가 주파수에 따라서 그 값이 급격히 변화하여 안정된 값을 유지하지 못하므로, 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막을 형성하여, 비교적 높은 비유전상수 값을 유지하면서도 주파수에 관계없이 일정한 값을 유지하는 절연막을 형성할 수 있다. 예컨데, 타이타늄이 약 62%일 때 약 20정도의 높은 비유전상수를 일정하게 유지하였다.
도 6은 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막의 주파수에 따른 유전상수의 변화를 나타낸다. 본 실험에서 알루미늄 산화막과 타이타늄 산화막의 사이클 비 는 1: 1로 유지되었다. 알루미늄-타이타늄 산화막의 경우 주파수의 변화에 대하여 거의 일정한 값을 보여주어 매우 안정적임을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막의 알루미늄과 타이타늄의 함량을 조절하여 얻은 굴절율을 나타내는 그래프이다. 이에 따르면, 알루미늄 산화막의 굴절율은 약 1.7이고, 타이타늄 산화막의 굴절율은 약 2.4이나, 알루미늄 및 타이타늄의 함량을 조절하여 1.7 내지 2.4 내에서 굴절율을 조절할 수 있는 박막의 제조가 가능함을 보여준다.
본 발명은 상기 실시예들을 기준으로 주로 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어나지 않고 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. 예컨데, 각 단계에서의 소요시간의 변경, 각 공정 사이에 현저한 효과를 발생하지 않는 추가공정의 부가, 본 실시예에 명시되지 않은 구조, 예컨데, 5층이상으로 박막층을 구성하는 것등은 당업자에게 용이한 변경사항일 것이다.
본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막 및 그 제조방법은 누설전류를 낮추어 절연특성이 향상되고, 인가 주파수에 관계없이 높은 비유전상수가 유지되며, 굴절율이 임의로 조절가능하게 되는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미늄-타이타늄 절연막은 다양한 용도로 예컨데, 트랜지스터나 커패시터의 절연막으로 유용하게 사용될 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등범위에 속하는 변형과 변경 은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

Claims (11)

  1. 플라즈마 원자층 증착법으로 알루미늄 전구체를 포함하는 반응기체를 이용하여 박막을 형성하는 제 1 단계, 및 플라즈마 원자층 증착법으로 타이타늄 전구체를 포함하는 반응기체를 이용하여 박막을 형성하는 제 2 단계를 포함하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계 중 적어도 하나의 단계를 한 번 이상 반복 수행하는 단계를 더 포함하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 원자층 증착법은 250℃의 온도 이하의 저온에서 이루어지는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계의 실시 회수에 따라 절연막에 포함되는 알루미늄 및 타이타늄의 중량비를 제어하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 타이타늄의 중량이 전체중량(알루미늄+타이타늄)에 대해서 10% 내지 75%가 되도록 제어하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 알루미늄-타이타늄 절연막의 유전상수를 8 내지 60으로 제어하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 알루미늄-타이타늄 절연막의 굴절율을 1.7 내지 2.4로 제어하는 알루미늄-타이타늄 절연막.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단계는,
    산소 플라즈마를 인가하여 알루미늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착시키는 증착공정,
    상기 증착공정 후 상기 반응기체를 퍼지하는 제 1 퍼지공정,
    상기 퍼지공정 후 산소 플라즈마를 단독으로 처리하는 제 1 산소플라즈마공정, 및
    상기 제 1 산소플라즈마공정 후 산소를 퍼지하는 제 2 퍼지공정을 포함하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미늄 전구체는 트리메틸 알루미늄(Trimethyl Aluminum(TMA))인 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는,
    산소 플라즈마를 인가하여 타이타늄 전구체를 포함하는 반응기체를 박막으로 증착시키는 증착공정,
    상기 증차공정 후 상기 반응기체를 퍼지하는 제 3 퍼지공정,
    상기 퍼지공정 후 산소 플라즈마을 단독으로 처리하는 제 2 산소 플라즈마공정, 및
    상기 제 2 산소 플라즈마 공정 후 산소를 퍼지하는 제 4 퍼지공정을 포함하는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 타이타늄 전구체는 Ti(OC2H5)4, Ti(OCH(CH3)2)4(TTIP) 및 테트라디메틸 아미노 타이타늄(TDMATi)로 구성되는 군에서 선택되는 알루미늄-타이타늄 절연막 형성방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180091545A (ko) * 2017-02-07 2018-08-16 연세대학교 산학협력단 버퍼층을 포함하는 금속 산화물막 증착 방법

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