KR20150124901A - Dielectric thin films based Calcium Copper Titanate and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a calcium-copper-titanium oxide-based dielectric thin-film having a high dielectric constant and low dielectric loss properties and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the dielectric thin-film is prepared by mixing a dielectric thin-film with CaxCuyTizO_12 (0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO, and TiO_2. The atomic ratio of Ca, Cu, and Ti in the dielectric thin-film can be represented as: Ca:Cu:Ti=0.6-1.4:2.9-3.8:4.5.

Description

칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막 및 그 제조방법{Dielectric thin films based Calcium Copper Titanate and method for fabricating the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a dielectric thin film based on calcium copper titanium oxide and a method for fabricating the dielectric thin film.

본 발명은 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고유전율과 낮은 유전손실 특성을 갖는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a dielectric thin film based on calcium copper-titanium oxide and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a dielectric thin film based on calcium copper-titanium oxide having a high dielectric constant and a low dielectric loss property.

최근 전자기기의 발전과 함께 기기의 크기를 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 유전체 분야에서는 기존 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)의 게이트산화막이나 캐패시터(capacitor)의 유전체로 사용되는 실리콘산화물(SiO2)은 최근 전자기기 산업에서 요구하는 집적도의 한계에 도달해 이를 대체하기 위한 고유전율 박막에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. Background Art [0002] Recently, researches for reducing the size of electronic devices have been actively conducted along with the development of electronic devices. In the field of dielectrics, silicon oxide (SiO 2 ), which is used as a gate oxide of a conventional metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or as a dielectric of a capacitor, has reached the limit of integration required in the electronic device industry A large number of studies have been conducted on the high-permittivity thin film for the purpose of improving the dielectric constant.

게이트산화막에 고유전율 박막을 사용할 경우, 등가산화막 두께(EOT, equivalent oxide thickness)를 줄이면서 누설전류 또한 감소시킬 수 있으며 저전압에서 구동이 가능하기 때문에 소자의 집적도 및 효율을 높일 수 있다. 캐패시터에 사용되는 유전체는 소형화에 따라 작은 크기에서도 기존에 확보되었던 정전용량과 동등하거나 더 큰 정전용량을 확보하기 위한 연구의 필요성이 점차 대두되고 있다. 이를 위해 유전박막을 적층구조로 쌓은 나노적층(nano-laminate) 구조 등을 통해 정전용량을 확보하거나 새로운 고유전율 재료를 적용하여 정전용량을 확보하려는 연구가 많이 시도되고 있다. When a high-k film is used for the gate oxide film, the leakage current can be reduced while reducing the equivalent oxide thickness (EOT) and the device can be driven at a low voltage, thereby increasing the integration and efficiency of the device. As the dielectric used in the capacitor is miniaturized, research for increasing the electrostatic capacity equal to or larger than the capacitance that has been secured in the past is getting more and more necessary. For this purpose, many attempts have been made to secure a capacitance by securing a capacitance through a nano-laminate structure in which a dielectric thin film is stacked or by applying a new high-permittivity material.

일반적으로, 페롭스카이트(Perovskite) 구조를 갖는 물질들은 자발분극을 갖고 있기 때문에 강유전성이 쉽게 발현되어 높은 유전율을 갖는다고 알려져 있다. 하지만 강유전성을 갖고 있는 BaTiO3, MgSnO3, SrTiO3 및 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3와 같은 물질은 온도의 변화에 따라 상전이가 발생하며 유전특성이 하락하므로 전자산업 분야에서는 좀 더 온도변화에 안정적이고 높은 유전상수를 갖는 유전물질을 필요로 한다. Generally, materials having a perovskite structure are known to have high permittivity due to easy ferroelectricity because they have spontaneous polarization. But material such as BaTiO 3, MgSnO 3, SrTiO 3 and Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 , which has a ferroelectric phase transition has occurred in accordance with the change of temperature and dielectric properties decline, so a bit in the electronics industry Requires a dielectric material having a high dielectric constant and stable to further temperature changes.

CaCu3Ti4O12(이하, CCTO라 함)는 상대적으로 넓은 온도 범위(100∼400K)에서 격자의 뒤틀림 없이 안정적으로 상을 유지하고 100kHz 이하의 넓은 주파수 영역에서도 높은 유전율을 유지하기 때문에 실리콘산화물(SiO2)을 대체하기 위한 물질로써 많은 연구가 진행되고 있다. 최근 CCTO의 높은 유전율을 더욱 향상시키기 위해 새로운 원소의 도핑을 통하여 산화수 변화 및 전기전도도 변화를 유도하여 재료의 특성을 향상시키거나 유전체 박막 형성시 증착조건의 변화를 주어 유전특성을 향상시키는 연구가 보고되고 있다. Since CaCu 3 Ti 4 O 12 (hereinafter referred to as CCTO) stably maintains a phase without distortion of the lattice in a relatively wide temperature range (100-400 K) and maintains a high dielectric constant even in a wide frequency range below 100 kHz, (SiO 2 ) has been studied as a material for substitution. Recently, in order to further improve the high dielectric constant of CCTO, a study has been conducted to improve the characteristics of the material by inducing the change of the oxidation number and the electric conductivity through the doping of a new element, or to improve the dielectric property by changing the deposition condition in the formation of the dielectric thin film .

미국등록특허 제7830644호는 CCTO를 캐패시터의 유전층으로 적용하여 1kHz의 주파수에서 1000∼1500의 유전율을 얻을 수 있음을 개시하고 있다. 다른 연구에 따르면, CCTO의 열처리시 분위기에 따른 유전특성을 평가한 바 있으며, 구체적으로 진공, 산소, 질소 및 대기 분위기 각각에서 유전특성 변화를 평가하였으며, 산소 분위기 하에서 10kHz 주파수에서 410의 유전상수를 얻을 수 있음을 제시하였다(Journal of Electronic Materials, VOL.38, Issue 3, 453-459 (2009)). U.S. Patent No. 7830644 discloses that CCTO can be applied as a dielectric layer of a capacitor to obtain a dielectric constant of 1000 to 1500 at a frequency of 1 kHz. According to another study, the dielectric characteristics of the CCTO were evaluated according to the atmosphere during the heat treatment of the CCTO. Specifically, changes in the dielectric properties were evaluated in each of the vacuum, oxygen, nitrogen and atmospheres, and a dielectric constant of 410 at a frequency of 10 kHz (Journal of Electronic Materials, Vol. 38, Issue 3, 453-459 (2009)).

종래의 CCTO 연구는 CCTO의 유전특성 향상을 위해 새로운 원소를 첨가하거나 열처리시 특정 공정조건을 적용하는데 초점이 맞추어져 있어, 유전특성을 향상시킴에 한계가 있다.
Conventional CCTO studies have focused on adding new elements to improve the dielectric properties of CCTO or applying specific process conditions during heat treatment, which limits the improvement of dielectric properties.

미국등록특허 제7830644호U.S. Patent No. 7830644

Journal of Electronic Materials, VOL.38, Issue 3, 453-459 (2009)Journal of Electronic Materials, Vol. 38, Issue 3, 453-459 (2009)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 고유전율과 낮은 유전손실 특성을 갖는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a dielectric thin film based on calcium copper-titanium oxide having a high dielectric constant and a low dielectric loss property.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막은 유전체 박막이 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO 및 TiO2가 혼합되어 이루어지며, 상기 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5 이다. In order to achieve the above object, the dielectric thin film of calcium copper-titanium oxide according to the present invention has a dielectric thin film of Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z < , CuO, and TiO 2 , and the atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti in the dielectric thin film is Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8: 4.5.

상기 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5 일 수 있다. 또한, 상기 CaxCuyTizO12는 CaCu3Ti4O12 일 수 있다. The atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti may be Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: 4.5. The Ca x Cu y Ti z O 12 may be CaCu 3 Ti 4 O 12 .

본 발명에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막의 제조방법은 CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟을 동시 스퍼터링하여, CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO 및 TiO2가 혼합된 유전체 박막을 제조하며, 상기 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5 인 것을 특징으로 한다. The present invention also provides a method of manufacturing a thin film of calcium-copper-titanium oxide-based dielectric thin film, comprising the steps of simultaneously sputtering a CuTiO 3 target and a CaTiO 3 target to form a thin film of Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <<z<5), CuO and TiO 2 are prepared by mixing the dielectric thin film, and the atom composition ratio of Ca, Cu, Ti in said dielectric thin film Ca: Cu: is 4.5: Ti = 0.6~1.4: 2.9~3.8 .

또한, 하부전극이 구비된 기판을 준비하는 단계와, CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟을 동시 스퍼터링하여, 상기 하부전극 상에 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO 및 TiO2가 혼합된 유전체 박막을 형성하는 단계와, 상기 유전체 박막 상에 복수의 상부전극을 이격, 형성하여 복수의 캐패시터 구조를 완성하는 단계와, 각 캐패시터 구조의 유전특성을 측정하는 단계 및 특정 캐패시터 구조의 유전체 박막에 대한 구성물질 및 원자조성비를 측정하는 단계를 통해 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5 인 유전체 박막을 특정할 수 있다.
The method of claim 1 , further comprising: preparing a substrate having a lower electrode; sputtering a CuTiO 3 target and a CaTiO 3 target simultaneously to form a thin film of Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y < 4, 3 < z < 5), forming a dielectric thin film in which CuO and TiO 2 are mixed, separating a plurality of upper electrodes on the dielectric thin film to complete a plurality of capacitor structures, And a step of measuring a constituent material and an atomic composition ratio of the dielectric thin film of the specific capacitor structure to measure an atomic composition ratio of Ca: Cu: Ti: Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8 : 4.5. &Lt; / RTI &gt;

본 발명에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막은 다음과 같은 효과가 있다. The calcium-copper-titanium oxide-based dielectric thin film according to the present invention has the following effects.

CCTO(CaCu3Ti4O12)에 상응하거나 상회하는 유전특성을 갖고 있어 MIM 캐패시터, 다층세라믹캐패시터(MLCC), MOSFET 및 플렉서블 TFT 등에 효과적으로 적용 가능하다. 또한, 기존의 유전체 박막 제조방법에 대비하여 상대적으로 간단한 공정을 통해 유전체 박막의 제조가 가능하여 제조비용을 절감할 수 있다.
It can be effectively applied to MIM capacitors, multilayer ceramic capacitors (MLCC), MOSFETs, and flexible TFTs because it has a dielectric property corresponding to or higher than that of CCTO (CaCu 3 Ti 4 O 12 ). In addition, it is possible to manufacture a dielectric thin film through a relatively simple process in preparation for a conventional dielectric thin film manufacturing method, thereby reducing manufacturing costs.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 장치의 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막이 포함된 MIM 구조를 도시한 참고도.
도 4는 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 박막 두께를 나타낸 실험 결과.
도 5는 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 유전특성을 나타낸 실험 결과.
도 6은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 X선 광전자 분광법 분석 결과.
도 7은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 투과전자현미경 분석 결과.
도 8은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 임피던스 분석 결과.
도 9는 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 X선 회절분석 결과.
도 10은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 원자조성비를 나타낸 실험 결과.
도 11은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 각 지점에서의 주파수별 유전특성을 나타낸 참고도.
1 is a schematic diagram of a sputtering apparatus for forming a dielectric thin film based on calcium copper-titanium oxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a dielectric thin film based on calcium copper-titanium oxide according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a reference view showing a MIM structure including a dielectric thin film of calcium copper-titanium oxide based on an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the thickness of the dielectric thin film according to the position of the dielectric thin film prepared in Example 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing dielectric characteristics according to the position of a dielectric thin film prepared in Example 1. FIG.
6 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopic analysis according to the position of the dielectric thin film prepared in Example 1. FIG.
7 is a transmission electron microscopic analysis result of the dielectric thin film prepared in Example 1. FIG.
FIG. 8 is a graph showing impedance analysis results according to the position of the dielectric thin film produced in Example 1. FIG.
FIG. 9 shows X-ray diffraction analysis results of the dielectric thin films prepared in Example 1. FIG.
10 is an experimental result showing the atomic composition ratio according to the position of the dielectric thin film prepared in Example 1. FIG.
FIG. 11 is a reference view showing frequency-dependent dielectric properties at respective points of a dielectric thin film produced through Example 1. FIG.

본 발명은 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), 구리 산화물 및 티타늄 산화물이 혼합된 유전체 박막에 관한 기술을 제시한다. 또한, CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), 구리 산화물 및 티타늄 산화물이 혼합된 유전체 박막에 있어서, 칼슘(Ca), 구리(Cu), 티타늄(Ti)의 최적 원자조성비를 제시하여 유전체 박막의 우수한 유전특성을 가능하게 한다. The present invention provides a technique for a dielectric thin film in which Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5), copper oxide and titanium oxide are mixed. In the dielectric thin film in which Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5), copper oxide and titanium oxide are mixed, calcium (Ca) Cu) and titanium (Ti) in order to achieve excellent dielectric properties of the dielectric thin film.

앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 기술한 바와 같이, CCTO(CaCu3Ti4O12)는 넓은 주파수 영역에서 높은 유전율을 유지하는 특성을 갖고 있는데, 본 발명은 CaxCuyTizO12에 구리 산화물 및 티타늄 산화물을 혼합하여 유전체 박막을 구성하고, 해당 유전체 박막 내에서의 칼슘(Ca), 구리(Cu), 티타늄(Ti)의 최적 원자조성비를 통해 CCTO보다 배가된 유전특성을 갖는 유전체 박막을 제공함을 특징으로 한다. As described above in the Background of the Invention, CCTO (CaCu 3 Ti 4 O 12 ) has a property of maintaining a high dielectric constant in a wide frequency region. The present invention is characterized in that Ca x Cu y Ti z O 12 A dielectric thin film is formed by mixing copper oxide and titanium oxide in a dielectric thin film and dielectric material having a dielectric property twice as high as that of CCTO through the optimum atomic composition ratio of calcium (Ca), copper (Cu), and titanium (Ti) Thin film.

본 발명의 유전체 박막을 구성하는 구성요소의 조합(CaxCuyTizO12, 구리 산화물 및 티타늄 산화물)과 유전체 박막의 원자조성비는 실험에 의해 뒷받침된다. 일 실시예로, CuTiO3와 CaTiO3를 타겟으로 이용하는 스퍼터링 방법을 통해 연속적인 조성을 갖는 박막층을 형성하고, 박막층을 복수의 영역을 구획하고 각 영역의 박막층에 대해 유전특성을 측정하여 최적 조합과 최적 조성비를 갖는 유전체 박막을 특정하는 방식을 채택한다. 각 영역의 박막층에 대한 유전특성 측정은, 도전체(하부전극)가 구비된 기판 상에 상기 박막층을 형성하고 각 영역의 박막층 상에 상부전극을 각각 형성하여 MIM(metal-insulator-metal) 구조를 완성한 상태에서 각 MIM 구조의 유전특성을 측정하는 방식으로 진행될 수 있다. The atomic composition ratio of the combination of the constituent elements (Ca x Cu y Ti z O 12 , copper oxide and titanium oxide) constituting the dielectric thin film of the present invention and the dielectric thin film is supported by experiments. In one embodiment, a thin film layer having a continuous composition is formed through a sputtering method using CuTiO 3 and CaTiO 3 as a target. The thin film layer is divided into a plurality of regions and dielectric properties are measured for the thin film layers in each region. A dielectric thin film having a composition ratio is specified. The dielectric properties of the thin film layer in each region can be measured by forming the thin film layer on a substrate provided with a conductor (lower electrode) and forming an upper electrode on the thin film layer in each region to form a metal-insulator-metal And the dielectric property of each MIM structure is measured in a completed state.

최적 조합 및 최적 조성비를 갖는 유전체 박막을 특정하기 위한 구체적인 방법은 다음과 같은 과정으로 진행된다(도 2 참조). A specific method for specifying a dielectric thin film having an optimum combination and an optimal composition ratio proceeds as follows (see FIG. 2).

먼저, 연속적인 조성을 갖는 박막층을 형성한다(S202). 박막층의 증착방법으로는 스퍼터링 방법을 이용할 수 있다. 스퍼터링 방법을 이용하는 경우, CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟을 수평대향 배치하고, CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟 사이에 기판을 구비시킨 상태에서 CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟에 대해 스퍼터링을 진행하여 기판 상에 박막층을 형성한다. First, a thin film layer having a continuous composition is formed (S202). A sputtering method can be used for the deposition of the thin film layer. In the case of using the sputtering method, the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target are horizontally opposed to each other, and the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target are sputtered while the substrate is provided between the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target, To form a thin film layer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 장치의 모식을 나타낸 것으로서, 도 1을 참조하면, 스퍼터링의 진행 공간을 제공하는 챔버의 양측부에 각각 CuTiO3 타겟, CaTiO3 타겟이 구비되며, 챔버의 하부에는 기판이 장착, 구비된다. 또한, CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟은 수평대향 배치되며, 각각의 타겟에는 스퍼터 건(sputter gun)이 구비된다. 이와 같은 상태에서, 챔버 내부로 아르곤(Ar)과 산소(O2)를 공급하고 스퍼터 건에 전원을 인가시켜 플라즈마를 발생시키면 방전된 아르곤 이온이 CuTiO3 타겟 및 CaTiO3 타겟과 충돌하여 타겟물질이 기판 상에 증착되며, 증착된 타겟물질은 박막층을 형성한다. FIG. 1 is a schematic view of a sputtering apparatus for forming a dielectric thin film based on calcium copper-titanium oxide according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, A CuTiO 3 target, and a CaTiO 3 target, and a substrate is mounted on a lower portion of the chamber. In addition, the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target are horizontally opposed to each other, and each target is provided with a sputter gun. In this state, when argon (Ar) and oxygen (O 2 ) are supplied into the chamber and power is applied to the sputter gun to generate plasma, the discharged argon ions collide with the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target, Is deposited on the substrate, and the deposited target material forms a thin film layer.

CuTiO3 타겟 및 CaTiO3 타겟의 타겟물질에 의해 형성 가능한 상(phase)은 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO, CaTiO3, TiO2 이다. 즉, CuTiO3 타겟 및 CaTiO3 타겟의 스퍼터링에 의해 형성되는 박막층은 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO, CaTiO3, TiO2 중 어느 하나 이상의 혼합물로 구성된다. CuTiO3 타겟에 인접한 기판 상에는 CuO와 TiO2의 함량이 많고, CaTiO3에 인접한 기판 상에는 상대적으로 CaTiO3의 함량이 많으며, 기판 중앙부위에는 CaxCuyTizO12의 함량이 상대적으로 높다. 또한, 타겟에 인접한 기판 부위에 형성된 박막층의 두께는 기판 중앙부위에 형성된 박막층의 두께보다 보다 상대적으로 크다. The phases that can be formed by the target material of the CuTiO 3 target and CaTiO 3 target are Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5) 3 , and TiO 2 . That is, the thin film layer formed by the sputtering of the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target is composed of Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5), CuO, CaTiO 3 , TiO is composed of any one or more of the mixture of the two. Many of the content on the substrate adjacent to the target CuTiO 3 CuO and TiO 2, is often relatively content of CaTiO 3 formed on the substrate adjacent the CaTiO 3, the content of Ca x Cu y Ti z O 12 relatively high on the substrate center. Further, the thickness of the thin film layer formed on the substrate portion adjacent to the target is relatively larger than the thickness of the thin film layer formed on the substrate central portion.

박막층 내에서의 CaxCuyTizO12, CuO, CaTiO3, TiO2 각각의 함량은 기판과 타겟과의 거리 이외에, CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟에 인가되는 전압에 의해서도 변동된다. CuTiO3 타겟의 스퍼터 건에 인가되는 전압을 증가시키고 CaTiO3 타겟의 스퍼터 건에 인가되는 전압을 상대적으로 감소시키면 CuO와 TiO2의 함량은 커지고 CaTiO3의 함량은 작아지며, CaxCuyTizO12에서의 Cu 함량은 증가된다. 반대로, CuTiO3 타겟의 스퍼터 건에 인가되는 전압을 감소시키고 CaTiO3 타겟의 스퍼터 건에 인가되는 전압을 상대적으로 증가시키면 CaTiO3의 함량은 커지고 CuO와 TiO2의 함량은 작아지며, CaxCuyTizO12에서의 Ca 함량은 증가된다. The content of each of Ca x Cu y Ti z O 12 , CuO, CaTiO 3 , and TiO 2 in the thin film layer is varied not only by the distance between the substrate and the target but also by the voltage applied to the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target. Increasing the voltage applied to the CuTiO 3 target sputter guns and relatively reduce a voltage applied to the CaTiO 3 target sputter gun in the amount of CuO and TiO 2 is increased content of CaTiO 3 is the smaller, Ca x Cu y Ti z The Cu content at O 12 is increased. Conversely, reducing the voltage applied to the CuTiO 3 target sputter guns and when relatively increases the voltage applied to the CaTiO 3 target sputter gun in the content of CaTiO 3 is increased content of CuO and TiO 2 is the smaller, Ca x Cu y The Ca content in Ti z O 12 is increased.

정리하면, 스퍼터링에 의해 형성되는 박막층은 CaxCuyTizO12, CuO, CaTiO3, TiO2 중 어느 하나 이상의 혼합물로 구성되며, 타겟과 기판 사이의 거리 및 타겟에 인가되는 전압에 따라 박막층의 두께 및 박막층 내의 Ca 함량과 Cu 함량이 변화된다. In summary, the thin film layer formed by sputtering is composed of a mixture of at least one of Ca x Cu y Ti z O 12 , CuO, CaTiO 3 , and TiO 2 , and depending on the distance between the target and the substrate and the voltage applied to the target, And the Ca content and the Cu content in the thin film layer are changed.

한편, 박막층이 증착되는 기판의 표면 상에 도전체가 미리 구비될 수 있으며(S201), 기판 표면의 도전체 상에 박막층이 증착되며, 상기 기판의 도전체는 후술하는 MIM 구조의 유전체에서 하부전극의 역할을 담당한다. 상기 도전체로는 백금(Pt)이 이용될 수 있으며, 상기 기판으로는 백금(Pt)이 코팅된 실리콘 기판을 사용할 수 있다. On the other hand, a conductor may be provided in advance on the surface of the substrate on which the thin film layer is deposited (S201), and a thin film layer is deposited on the conductor on the surface of the substrate. It plays a role. As the conductive material, platinum (Pt) may be used, and as the substrate, a silicon substrate coated with platinum (Pt) may be used.

스퍼터링을 통해 기판 상에 박막층이 형성된 상태에서, 박막층을 박막층의 길이방향을 따라 복수의 영역으로 구분하고, 각각의 영역 상에 도 3에 도시한 바와 같이 상부전극을 형성한다(S203). 여기서, 박막층의 길이방향이라 함은 수평대향되는 CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟 사이의 길이방향을 의미한다. 또한, 상기 박막층의 결정화를 위해 상부전극의 형성 전에 박막층이 형성된 기판을 700∼800℃의 온도에서 급속열처리(rapid thermal annealing)하는 것이 바람직하다. In the state where the thin film layer is formed on the substrate through sputtering, the thin film layer is divided into a plurality of regions along the longitudinal direction of the thin film layer, and an upper electrode is formed on each region as shown in FIG. 3 (S203). Here, the longitudinal direction of the thin film layer means the longitudinal direction between the horizontally opposed CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target. In order to crystallize the thin film layer, it is preferable that the substrate having the thin film layer formed before forming the upper electrode is subjected to rapid thermal annealing at a temperature of 700 to 800 ° C.

박막층의 각 영역 상에 상부전극을 형성하는 이유는, 각 영역의 박막층에 대한 유전특성을 측정하기 위함이며, 수직 적층된 상부전극, 박막층 및 기판의 도전체(하부전극)가 MIM(metal-insulator-metal) 캐패시터 구조를 이루게 된다. 상기 상부전극은, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 상부전극이 형성될 부위의 박막층을 노출시키는 마스크를 형성한 후에, 마스크를 포함한 박막층 상에 금속물질을 적층한 다음, 마스크를 제거하는 공정을 통해 형성할 수 있다. The reason why the upper electrode is formed on each region of the thin film layer is to measure the dielectric characteristics of the thin film layer in each region, and the vertically stacked upper electrode, thin film layer, and conductor (lower electrode) -metal capacitor structure. The upper electrode may be formed by forming a mask exposing a thin film layer at a site where a top electrode is to be formed through a photolithography process, then laminating a metal material on the thin film layer including the mask, .

박막층의 각 영역 상에 상부전극이 구비되어 각 영역이 MIM 캐패시터 구조를 이룬 상태에서, 각 영역의 박막층의 유전율을 측정하는 과정을 진행한다(S204). 구체적으로, MIM 캐패시터의 상부전극과 하부전극에 전원을 인가하여 정전용량(capacitance)을 측정한 다음, 정전용량값, 각 영역의 박막층의 두께, 각 영역의 박막층의 면적을 아래의 식 1에 대입하여 각 영역의 박막층의 유전율을 산출한다. 이 때, 정전용량값은 임피던스 측정기를 통해 측정할 수 있고, 박막층의 두께 및 면적은 주사전자현미경(SEM)을 통해 확인할 수 있다.
The upper electrode is provided on each region of the thin film layer, and the dielectric constant of each region of the thin film layer is measured in a state where each region has an MIM capacitor structure (S204). Specifically, the capacitance is measured by applying power to the upper electrode and the lower electrode of the MIM capacitor, and then the capacitance value, the thickness of the thin film layer in each region, and the area of the thin film layer in each region are substituted into Equation 1 below And the dielectric constant of the thin film layer in each region is calculated. At this time, the capacitance value can be measured by an impedance meter, and the thickness and the area of the thin film layer can be confirmed by a scanning electron microscope (SEM).

(식 1) (Equation 1)

Figure pat00001
Figure pat00001

(C는 각 영역의 박막층의 정전용량, ε0는 진공에서의 유전율, εr은 각 영역의 박막층의 유전율, A는 각 영역의 박막층의 면적, d는 각 영역의 박막층의 두께)
(Where C is the capacitance of the thin film layer in each region,? 0 is the permittivity in vacuum,? R is the permittivity of the thin film layer in each region, A is the area of the thin film layer in each region, and d is the thickness of the thin film layer in each region)

상술한 과정을 통해, 각 영역의 박막층의 유전율을 측정할 수 있으며, 유전율값이 우수한 영역의 박막층을 특정할 수 있다. 이와 같은 상태에서, 유전율값이 우수한 박막층에 대하여 박막층을 구성하는 화합물 종류에 대한 분석 및 박막층의 원자조성 분석을 통해 해당 박막층의 구성물질 및 원자조성비를 확인할 수 있다(S205). 박막층의 구성물질은 X선 회절분석(XRD, X-ray diffraction))을 통해, 박막층의 원자조성비는 러더퍼드 후방산란분광분석(RBS, Rutherford backscattering spectroscopy)을 통해 각각 확인할 수 있다. Through the above-described process, the dielectric constant of the thin film layer in each region can be measured, and the thin film layer in the region having a good dielectric constant value can be specified. In this state, the composition of the thin film layer and the atomic composition ratio of the thin film layer can be confirmed by analyzing the kind of the compound forming the thin film layer and analyzing the atomic composition of the thin film layer with respect to the thin film layer having an excellent dielectric constant value (S205). The composition of the thin film layer can be confirmed by X-ray diffraction (XRD), and the atomic composition ratio of the thin film layer can be confirmed by Rutherford backscattering spectroscopy (RBS).

본 발명은 우수한 유전율을 갖는 유전체 박막으로 아래와 같은 구성물질 조합과 최적 원자조성비를 갖는 유전체 박막을 특정하며, 구성물질의 최적 조합 및 박막층의 최적 원자조성비에 대한 수치한정의 이유는 후술하는 실험결과에 의해 뒷받침된다. The present invention specifies dielectric thin films having a combination of the following constituent materials and an optimum atomic composition ratio as dielectric thin films having excellent dielectric constants and the reason for limiting the numerical values for the optimum combination of the constituent materials and the optimum atomic composition ratio of the thin film layer is as follows: &Lt; / RTI &gt;

본 발명에 따른 유전체 박막은 CaxCuyTizO12, CuO 및 TiO2가 혼합되어 이루어지며, 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5를 이루는 것을 특징으로 한다. CCTO의 유전율 및 유전손실값이 각각 330, 0.52를 나타내는데, 본 발명에 따른 유전체 박막의 유전특성은 CCTO의 유전특성을 상회하며, 특히 본 발명의 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5 인 경우, 약 781의 유전율과 0.56의 유전손실값을 갖는다. The dielectric thin film according to the present invention is a mixture of Ca x Cu y Ti z O 12 , CuO and TiO 2 , and the atomic composition ratio of Ca, Cu and Ti in the dielectric thin film is Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8: 4.5. The dielectric constant and the dielectric loss value of CCTO are 330 and 0.52, respectively. The dielectric characteristics of the dielectric thin film according to the present invention are superior to those of CCTO. In particular, the atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti in the dielectric thin film of the present invention Has a dielectric constant of about 781 and a dielectric loss value of 0.56 when Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: 4.5.

다음으로, 실시예를 통해 본 발명에 따른 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
Next, the calcium-titanium-oxide-based dielectric thin film according to the present invention will be described in more detail with reference to examples.

<실시예 1 : 유전체 박막의 제조>&Lt; Example 1: Production of dielectric thin film >

수평대향 연속조성확산 스퍼터링장치(off-axis continuous compositions-spread sputtering device)의 챔버 내에 백금(Pt)이 코팅된 기판을 구비시키고, 수평대향 배치된 CuTiO3 타겟 및 CaTiO3 타겟을 장착시킨 상태에서 스퍼터링을 진행하여 기판 상에 유전체 박막을 형성하였다. 이 때, 타겟(CuTiO3 타겟 및 CaTiO3 타겟)과 기판 사이의 거리는 9mm로 설정되었고, 챔버 내부의 압력이 2ㅧ10-6Torr에 도달된 시점에 Ar 및 O2를 8:2로 혼합 주입하여 작동압력을 2ㅧ10-2Torr로 조절하였다. 또한, 증착시 기판의 온도를 500℃로 유지하였으며, CuTiO3 타겟 및 CaTiO3 타겟 각각에 70W의 전원을 인가하여 3시간 동안 스퍼터링을 진행하였다. 유전체 박막의 증착 완료 후, 750℃에서 10분간 급속열처리하여 유전체 박막을 결정화시켰다. A substrate coated with platinum (Pt) is provided in a chamber of a horizontally opposed continuous compositions-spread sputtering device, and a sputtering process is performed in a state where a horizontally opposed CuTiO 3 target and a CaTiO 3 target are mounted. And a dielectric thin film was formed on the substrate. At this time, the target (target CuTiO 3 and CaTiO 3 target) and was set to 9mm distance between the substrate and the Ar and O 2, 8 to the inside of the chamber pressure reaches two ㅧ 10 -6 Torr time: mixture injected into the second And the working pressure was adjusted to 2 10 -2 Torr. During the deposition, the temperature of the substrate was maintained at 500 ° C, and a power of 70 W was applied to the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target, respectively, and sputtering was performed for 3 hours. After the deposition of the dielectric thin film was completed, the dielectric thin film was crystallized by rapid thermal treatment at 750 ° C for 10 minutes.

유전체 박막이 형성된 상태에서, 유전체 박막 상에 길이방향을 따라 1.5mm 간격으로 200ㅧ200㎛2 크기의 백금(Pt) 상부전극 500개를 DC 스퍼터링을 통해 100nm 두께로 형성하였다.
In the dielectric thin film formed state, a 200 ㅧ 200㎛ platinum of the second size (Pt) upper electrode 500 with 1.5mm spacing in the longitudinal direction on the dielectric thin film was formed to a thickness of 100nm by a DC sputtering.

<실시예 2 : 위치에 따른 박막의 두께 변화>&Lt; Example 2: Thickness change of thin film according to position >

실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 박막 두께의 변화를 측정하였다. 도 4는 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 박막 두께를 나타낸 그래프이며, 주사전자현미경(SEM)을 통해 측정되었다. 위치에 따른 유전체 박막의 두께를 파악하기 위해 유전체 박막의 길이방향으로 10mm 간격으로 구분하고 각 지점을 P1∼P7로 명명하였다. 또한, 도 4에 있어서, 'CuTiO3'로 표기된 그래프는 스퍼터링시 타겟으로 CuTiO3 타겟만을 사용한 경우이고, 'CaTiO3'로 표기된 그래프는 스퍼터링시 타겟으로 CaTiO3 타겟만을 사용한 경우이고, 'CCS films'로 표기된 그래프는 스퍼터링시 타겟으로 CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟 모두를 사용한 경우를 의미한다. The change in the thickness of the dielectric thin film according to the position of the dielectric thin film prepared in Example 1 was measured. FIG. 4 is a graph showing a thickness of a thin film according to a position of a dielectric thin film prepared in Example 1, and was measured by a scanning electron microscope (SEM). In order to determine the thickness of the dielectric thin film according to the position, the dielectric thin film was divided into 10 mm intervals in the longitudinal direction, and each point was named as P1 to P7. Further, when using FIG. 4, 'CuTiO 3' when labeled graph is used only CuTiO 3 target on the target during sputtering, and the graph denoted by 'CaTiO 3' is only CaTiO 3 target on the target during sputtering, 'CCS films Quot; indicates a case where both a CuTiO 3 target and a CaTiO 3 target are used as a target during sputtering.

도 4를 참조하면, CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟 모두를 사용한 경우( 'CCS films' 참조), 타겟에 인접할수록(P1, P7) 박막의 두께가 커지고 기판의 중앙부위로 갈수록(P2∼P6) 박막의 두께가 작아짐을 알 수 있다. 도 4의 결과에 있어서, 최고 두께는 P1의 350nm이고, 최소 두께는 P6과 P7 사이의 200nm이다.
Referring to FIG. 4, when the CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target are both used (refer to 'CCS films'), the thickness of the thin film (P1 and P7) increases toward the target and increases toward the center of the substrate (P2 to P6) As shown in FIG. 4, the maximum thickness is 350 nm of P1, and the minimum thickness is 200 nm between P6 and P7.

<실시예 3 : 위치에 따른 유전체 박막의 유전특성> &Lt; Example 3: Dielectric properties of dielectric thin films according to their positions >

실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 위치에 따른 유전특성을 측정하였다. 실시예 1에서 기술한 바와 같이, 유전체 박막 상에 1.5mm 간격으로 500개의 상부전극을 형성하였으며, 상부전극이 형성된 500개 지점에 대해 임피던스 분석기를 통해 정전용량값(C)을 측정하였으며, 측정된 정전용량값과 각 지점의 유전체 박막의 두께(d) 및 면적(A)을 이용하여 유전율을 산출하였고, 그 결과는 도 5에 도시된 바와 같다. Dielectric properties of the dielectric thin films prepared in Example 1 were measured according to their positions. As described in Example 1, 500 upper electrodes were formed at intervals of 1.5 mm on the dielectric thin film. The capacitance value (C) was measured through an impedance analyzer for 500 points where the upper electrode was formed, The dielectric constant was calculated using the capacitance value and the thickness (d) and the area (A) of the dielectric thin film at each point, and the results are shown in FIG.

도 5를 참조하면, 유전체 박막의 위치에 따라 유전율이 변화됨을 알 수 있다. 본 발명의 유전체 박막은 위치에 따라 박막의 두께뿐만 아니라 유전체 박막의 구성물질 및 조성이 변화된다. 도 4의 결과에서 기판 중앙부위에서 유전체 박막의 두께 변화가 거의 없음에도 도 5의 결과에서 기판 중앙부위에서의 유전체 박막의 유전율 변화가 크다는 것은, 위치에 따른 유전율 변화는 유전체 박막의 구성물질 및 조성 변화에 더 큰 영향을 받음을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the dielectric constant is changed according to the position of the dielectric thin film. The dielectric thin film of the present invention changes not only the thickness of the thin film but also the composition and composition of the dielectric thin film depending on the position. The result of FIG. 4 shows that although the thickness of the dielectric thin film is almost unchanged on the central portion of the substrate, the change in the dielectric constant of the dielectric thin film on the central portion of the substrate is large in the result of FIG. It can be seen that it is affected more greatly.

도 5의 결과에서, P3 주변에서 유전율이 급격하게 상승되며, 구체적으로 P3 지점에서 약 781의 유전율과 0.56의 유전손실값을 나타냄을 확인하였다. CCTO의 유전율 및 유전손실값이 각각 330과 0.52 인 것에 대비하여, 유전손실값의 감소폭이 적은 상태에서 상대적으로 유전율을 나타냄을 알 수 있다.
From the results of FIG. 5, it was confirmed that the dielectric constant sharply rises around P3, and specifically shows a dielectric constant of about 781 and a dielectric loss of 0.56 at the point P3. The permittivity and dielectric loss values of CCTO are 330 and 0.52, respectively, and the permittivity is relatively low when the decrease in dielectric loss value is small.

<실시예 4 : 위치에 따른 유전체 박막의 화학적, 구조적, 전기적 특성>&Lt; Example 4: Chemical, structural and electrical properties of dielectric thin films according to their positions >

실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 구성물질에 대해 X선 광전자 분광법, 투과전자현미경과 EDS(energy dispersive spectroscopy) 및 임피던스법을 이용하여 분석하였다. 도 6을 참조하면, Cu+ 이온은 CaCu3Ti4O12에 비해 P3에서 더 중요한 의미를 갖음을 알 수 있다. Cu+/Cu2+ 및 Ti3+/Ti4+의 비가 P3에서 증가하는데, 이와 같은 결과를 통해 산소공공(oxygen vacancy)과 같은 결함의 형성과 관련이 있음을 알 수 있으며, 이로 인해 쌍극자들이 쉽게 이동할 수 있는 환경을 만드는 것을 알 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, P3의 입계에서 Cu의 함량이 CaCu3Ti4O12에 비해 더욱 많이 존재하는 것을 알 수 있으며, 이러한 과량의 Cu는 입계를 따라 석출되어 입계 뿐 만 아니라 입자의 성장속도를 화학적, 구조적으로 제어하는 것을 알 수 있다. 도 8을 참조하면, P3와 CaCu3Ti4O12를 제외한 다른 조성들은 cole-cole plot을 나타내지 못하고 P3와 CaCu3Ti4O12 조성만 Cu의 입계에서의 영향을 받는 것을 알 수 있다.
The constituent materials of the dielectric thin films prepared in Example 1 were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy, EDS (energy dispersive spectroscopy) and impedance method. Referring to FIG. 6, it can be seen that the Cu + ion has a more significant meaning at P3 than CaCu 3 Ti 4 O 12 . The ratio of Cu + / Cu 2+ and Ti 3+ / Ti 4+ increases at P3, which is related to the formation of defects such as oxygen vacancy, It can be seen that creating an environment that can be easily moved. Further, FIG. 7, in the P3 grain boundary content of Cu be seen that the more abundant than the CaCu 3 Ti 4 O 12, and an excess of Cu this is precipitated along the grain boundary as well as the grain boundary as the growth of the particles It can be seen that the speed is controlled chemically and structurally. Referring to FIG. 8, it can be seen that other compositions except for P3 and CaCu 3 Ti 4 O 12 do not show a cole-cole plot, and only the composition of P 3 and CaCu 3 Ti 4 O 12 are influenced by Cu grain boundaries.

<실시예 5 : 위치에 따른 유전체 박막의 구성물질>&Lt; Example 5: Constituents of dielectric thin film according to position >

실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 구성물질에 대해 X선 회절분석을 이용하여 분석하였다. 도 9를 참조하면, P1∼P7의 각 지점에서의 유전체 박막은 CaxCuyTizO12, CuO, CaTiO3, TiO2 중 어느 하나 이상의 혼합물로 구성됨을 알 수 있다. 도 6에서 CaxCuyTizO12 중에서 CCTO(CaCu3Ti4O12)만이 도시되었는데, 이는 CCTO를 제외한 CaxCuyTizO12에 대한 X-선 회절데이터가 존재하지 않기 때문이며, 다른 한편으로는 유전체 박막을 구성하는 다양한 조성의 CaxCuyTizO12 중 CCTO의 함유량이 가장 많기 때문이기도 하다. The constituent materials of the dielectric thin films prepared in Example 1 were analyzed by X-ray diffraction analysis. Referring to FIG. 9, it can be seen that the dielectric thin films at the respective points P1 to P7 are composed of a mixture of at least one of Ca x Cu y Ti z O 12 , CuO, CaTiO 3 and TiO 2 . Because also it was only in Ca x Cu y Ti z O 12 eseo 6 CCTO (CaCu 3 Ti 4 O 12) shown, which does not exist in the X- ray diffraction data for the Ca x Cu y Ti z O 12 except CCTO, On the other hand, it is also because the content of CCTO among the various compositions of Ca x Cu y Ti z O 12 constituting the dielectric thin film is the largest.

도 9를 참조하면, 유전율이 가장 높은 P3 지점의 유전체 박막의 경우, CCTO의 결정상과 가장 유사하며, CuO 및 TiO2가 소량 혼합되어 있음을 확인할 수 있다. 따라서, P3 지점의 유전체 박막의 경우, CCTO의 특성이 주요하게 작용함과 함께 소량 혼합되어 있는 CuO 및 TiO2가 결정립(grain boundary) 및 전기전도특성의 변화를 유도하여 유전율 향상에 기여한 것으로 추정된다. 또한, P3 지점에서 멀어질수록 CCTO의 결정상은 감소되고 CuO, TiO2 및 CaTiO3의 결정상이 증가됨을 확인할 수 있으며, 도 5의 결과와 연계하면 2차상들 즉, CuO, TiO2 및 CaTiO3의 결정상이 증가될수록 유전특성이 저하됨을 알 수 있다. CCTO의 회절상은 P7을 제외한 모든 위치에서 관찰되었고, P2∼P5의 지점에서 주요하게 나타났다. 또한, 각 타겟에 근접할수록 박막의 회절상은 타겟의 성분과 유사하게 나타나는 경향성을 보였다. P6, P7은 CaTiO3 회절상이 주요하게 나타났고, P7에 가까이 갈수록 CaTiO3의 유전특성과 비슷한 150∼160의 유전율을 보이는 것을 확인할 수 있다(도 5 참조). P1의 경우 CuTiO3의 회절상이 존재하지 않기 때문에 CuTiO3에서 분리 가능한 CuO와 TiO2의 회절상이 주요하게 나타남을 확인할 수 있다. P3 주변에서 거의 순수한 CCTO에 가까운 회절상이 가장 강하게 나타났으며, 각 지점에서 얻은 회절패턴의 분석 결과, 타겟과 박막의 거리에 따른 조성의 변화에서 오는 CaCu3Ti4O12의 화학양론의 붕괴는 가장 안정적인 형태로 존재하기 위해 CaCu3Ti4O12 결정상 외에도 CuO, TiO2, CaTiO3 와 같은 다양한 2차상을 형성하고, 함께 공존하고 있는 것을 알 수 있다.
9, if the dielectric thin film of a P3 point of the dielectric constant is the highest, and most similar to the CCTO crystal phase, it can be seen that the CuO and TiO 2 is mixed a small amount. Therefore, in the case of the dielectric thin film at the point P3, it is presumed that the characteristic of CCTO plays a major role and that CuO and TiO 2 mixed in a small amount contribute to the improvement of the dielectric constant by inducing the change of grain boundary and electric conduction characteristic . Further, it can be seen that the crystal phase of CCTO is decreased and the crystal phase of CuO, TiO 2 and CaTiO 3 is increased as the distance from the point P3 is increased. In connection with the result of FIG. 5, the secondary phases, that is, CuO, TiO 2 and CaTiO 3 It can be seen that as the crystal phase is increased, the dielectric properties are lowered. The diffraction pattern of CCTO was observed at all positions except P7, and appeared mainly at P2 to P5. In addition, the diffraction pattern of the thin film showed a tendency to appear similar to that of the target as the film was closer to each target. P6 and P7 are mainly CaTiO 3 diffraction patterns, and it can be seen that the closer to P7 the dielectric constant of 150 to 160 is similar to that of CaTiO 3 (see FIG. 5). In the case of P1, the diffraction pattern of CuO and TiO 2 , which can be separated from CuTiO 3 , appears mainly because no diffraction image of CuTiO 3 is present. Near P3, nearly pure CCTO diffraction pattern was strongest. As a result of the diffraction pattern obtained at each point, the collapse of stoichiometry of CaCu 3 Ti 4 O 12 due to the change of composition according to the distance of target and thin film In order to exist in the most stable form, various secondary phases such as CuO, TiO 2 and CaTiO 3 are formed in addition to the CaCu 3 Ti 4 O 12 crystal phase, and they coexist together.

<실시예 6 : 위치에 따른 유전체 박막의 원자조성비>&Lt; Example 6: Atomic composition ratio of dielectric thin film according to position >

도 10은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 원자조성비를 러더퍼드 후방산란분광분석(RBS, Rutherford backscattering spectroscopy)을 이용하여 확인한 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, 러더퍼드 후방산란분광분석(RBS)으로부터 얻은 측정값과 RUMP(Rutherford universal manipulation program)을 이용한 시뮬레이션 결과를 토대로 각 위치(P1∼P7) 상에서의 유전체 박막의 원자조성비를 얻었다. FIG. 10 shows the results of Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) analysis of the atomic composition ratio of the dielectric thin films prepared in Example 1. FIG. Specifically, the atomic composition ratios of the dielectric thin films on the respective positions (P1 to P7) were obtained based on the measurement values obtained from the Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) and the simulation results using the RUMP (Rutherford universal manipulation program).

도 10을 참조하면, CaTiO3 타겟에 근접할수록 Ca 함량이 증가하는 경향성을 확인할 수 있었고, CuTiO3 타겟과 가까운 지점은 Cu의 함량이 점차적으로 증가하였다. 각 지점에서의 원자조성비가 변화 경향성은 타겟과 박막간의 거리에 따라 박막의 두께가 변화하는 도 4의 결과와 비슷한 경향성을 가지고 있었고, 도 6의 X-선 회절 분석에서 얻은 결정상의 변화 형태와 일치했다. Referring to FIG. 10, as the CaTiO 3 target becomes closer to the CaTiO 3 target, the Ca content increases, and the Cu content gradually increases near the CuTiO 3 target. The tendency of the change in the atomic composition ratio at each point was similar to the result shown in Fig. 4 in which the thickness of the thin film varied with the distance between the target and the thin film, and was consistent with the change in the crystal phase obtained in the X- did.

P3 지점의 경우, Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5을 나타내고 있는데, CCTO가 1 : 3 : 4의 원자조성비를 이루는 점과 도 6의 결과에서 P3 지점의 유전체 박막에서 CaxCuyTizO12가 거의 순수한 CCTO를 이룸을 고려하면 CCTO 이외에 P3 지점의 유전체 박막을 구성하는 소량의 CuO 및 TiO2가 유전체 박막의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비에 영향을 끼쳐 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5의 원자조성비를 이루는 것으로 추론할 수 있다. RBS 분석결과를 기반으로, P3 지점은 CCTO의 원자조성비에 대비하여 Cu 및 Ti가 각각 0.55 at%, 0.79 at% 과량 첨가됨을 확인하였다. 한편, P3 지점에서 CaTiO3 타겟 방향으로 약 3mm 다가간 지점에서 CCTO 조성과 정확히 일치하는 지점을 확인하였다.
In the case of the point P3, the atomic composition ratio of Ca, Cu and Ti is Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: 4.5. In the point that the CCTO has an atomic composition ratio of 1: 3: 4, in the dielectric thin film on the atomic composition ratio of Ca x Cu y Ti z O 12 is nearly given the yirum pure CCTO of a small amount of CuO and TiO 2 constituting the dielectric film of the P3 point addition CCTO dielectric thin Ca, Cu, Ti And can be deduced to have an atomic composition ratio of Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: 4.5. Based on the results of the RBS analysis, it was confirmed that Cu and Ti were added in excess of 0.55 at% and 0.79 at%, respectively, in comparison with the atomic composition ratio of CCTO, at the point P3. On the other hand, at a point about 3 mm from the P3 point toward the CaTiO 3 target, a point exactly coinciding with the CCTO composition was confirmed.

<실시예 7 : 위치에 따른 유전체 박막의 주파수별 유전특성><Example 7: Dielectric properties of dielectric thin films according to positions>

도 11은 실시예 1을 통해 제조된 유전체 박막의 각 지점에서의 주파수별 유전특성을 나타낸 것이다. 도 11을 참조하면, P3 및 CCTO를 제외한 나머지 지점에서는 주파수 변화에 무관하게 낮은 유전율이 유지됨을 확인할 수 있다. 반면, P3 및 CCTO 지점의 유전체 박막은 1 kHz의 이하의 저주파 영역에서 상대적으로 높은 유전상수를 가지고 있는 것을 확인할 수 있으며, 이 영역에서 P3는 약 1635, CCTO는 1290의 유전상수를 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 주파수의 증가에 따라 유전상수가 점차적으로 감소하다 100 kHz 이후 급격한 감소를 보이는데 이는 유전완화에 의한 현상이다. FIG. 11 shows frequency-dependent dielectric properties at each point of the dielectric thin film prepared in Example 1. FIG. Referring to FIG. 11, it can be seen that the low dielectric constant is maintained regardless of the frequency change at the remaining points except P3 and CCTO. On the other hand, it can be seen that the dielectric thin films at the P3 and CCTO sites have a relatively high dielectric constant in the low frequency region of 1 kHz or less. In this region, P3 is about 1635 and CCTO is about 1290 have. Also, as the frequency increases, the dielectric constant gradually decreases. After 100 kHz, the dielectric constant decreases sharply, which is due to dielectric relaxation.

상술한 실시예 1∼6의 결과를 참조하면, 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5 인 경우, 가장 우수한 유전특성을 나타냄을 알 수 있으며, P2∼P4 사이의 유전체 박막 즉, Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5를 이루는 유전체 박막의 경우도 CCTO에 상응한 유전특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
Referring to the results of Examples 1 to 6, it can be seen that the best dielectric characteristics are exhibited when the atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti in the dielectric thin film is Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: And the dielectric thin film between P2 and P4, that is, Ca, Cu and Ti, has an atomic composition ratio of Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8: 4.5. can confirm.

Claims (7)

유전체 박막이 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO 및 TiO2가 혼합되어 이루어지며,
상기 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5 인 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막.
The dielectric thin film is made of a mixture of Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5), CuO and TiO 2 ,
Wherein the dielectric thin film has a composition ratio of Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8: 4.5 in terms of an atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti in the dielectric thin film.
제 1 항에 있어서, 상기 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5 인 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막.
The dielectric thin film according to claim 1, wherein the atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti is Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: 4.5.
제 1 항에 있어서, 상기 CaxCuyTizO12는 CaCu3Ti4O12인 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막.
The dielectric thin film according to claim 1, wherein the Ca x Cu y Ti z O 12 is CaCu 3 Ti 4 O 12 .
CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟을 동시 스퍼터링하여,
CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO 및 TiO2가 혼합된 유전체 박막을 제조하며,
상기 유전체 박막 내에서의 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5 인 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막의 제조방법.
The CuTiO 3 target and the CaTiO 3 target were simultaneously sputtered,
CuO and TiO 2 are mixed with Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5)
Wherein the atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti in the dielectric thin film is Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8: 4.5.
제 4 항에 있어서, 상기 Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.9 : 3.2 : 4.5 인 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막의 제조방법.
5. The method according to claim 4, wherein the atomic composition ratio of Ca, Cu and Ti is Ca: Cu: Ti = 0.9: 3.2: 4.5.
제 4 항에 있어서, 상기 CaxCuyTizO12는 CaCu3Ti4O12인 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the Ca x Cu y Ti z O 12 is CaCu 3 Ti 4 O 12 .
제 4 항에 있어서,
하부전극이 구비된 기판을 준비하는 단계와,
CuTiO3 타겟과 CaTiO3 타겟을 동시 스퍼터링하여, 상기 하부전극 상에 CaxCuyTizO12(0<x<2, 2<y<4, 3<z<5), CuO 및 TiO2가 혼합된 유전체 박막을 형성하는 단계와,
상기 유전체 박막 상에 복수의 상부전극을 이격, 형성하여 복수의 캐패시터 구조를 완성하는 단계와,
각 캐패시터 구조의 유전특성을 측정하는 단계 및
특정 캐패시터 구조의 유전체 박막에 대한 구성물질 및 원자조성비를 측정하는 단계를 통해
Ca, Cu, Ti의 원자조성비가 Ca : Cu : Ti = 0.6∼1.4 : 2.9∼3.8 : 4.5 인 유전체 박막을 특정하는 것을 특징으로 하는 칼슘구리티타늄 산화물 기반의 유전체 박막의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Preparing a substrate provided with a lower electrode,
CuTiO 3 target and CaTiO 3 target were co-sputtered to form Ca x Cu y Ti z O 12 (0 <x <2, 2 <y <4, 3 <z <5), CuO and TiO 2 Forming a mixed dielectric thin film,
Forming a plurality of capacitor structures by spacing a plurality of upper electrodes on the dielectric thin film;
Measuring dielectric properties of each capacitor structure; and
By measuring the constituent material and the atomic composition ratio of the dielectric thin film of the specific capacitor structure
Wherein a dielectric thin film having an atomic composition ratio of Ca, Cu, and Ti of Ca: Cu: Ti = 0.6 to 1.4: 2.9 to 3.8: 4.5 is specified.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116063070A (en) * 2023-02-24 2023-05-05 郑州轻工业大学 High-dielectric-constant low-dielectric-loss copper sodium calcium cadmium titanate ceramic and preparation method thereof

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