KR20220071682A - 유전체 박막, 이를 포함하는 커패시터 및 유전체 박막의 제조방법 - Google Patents

유전체 박막, 이를 포함하는 커패시터 및 유전체 박막의 제조방법 Download PDF

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KR20220071682A
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Abstract

일 실시예는, 화학식 RAMBOC (R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유하고 나노 스케일의 3차원 형상을 가지는 유전체 박막의 제조 방법을 제공한다.
상기 유전체 박막의 제조 방법은 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 형성되도록 하는 타겟 물질을 합성하는 단계 및 상기 타겟 물질을 기판에 증착시켜 상기 유전체 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

유전체 박막, 이를 포함하는 커패시터 및 유전체 박막의 제조방법{Dielectric thin film, capacitor comprising dielectric thin film, and preparation method of the dielectric thin film}
본 개시의 기술적 사상은 일반적으로 유전체 박막, 이를 포함하는 커패시터 및 유전체 박막의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자기기의 고기능화, 고효율화, 소형화 및 경량화 추세가 급격하게 진행됨에 따라 전자부품의 소형화 및 고성능화가 빠른 속도로 진행되고 있으며 고신뢰성을 요구하는 전자부품의 채용도 크게 증가하고 있다.
상기 전자부품으로서 커패시터가 있다. 커패시터의 높은 정전용량을 구현하기 위해서는 커패시터용 유전체의 단위 면적당 전하를 저장 할 수 있는 양과 관련된 유전율이 충분히 커야 할 필요가 있다. 전자부품의 집적화에 추세에 따라 재료의 물성 향상뿐만 아니라 공정능력 향상을 통한 구조개선이 함께 이루어져 왔는데, 전자부품의 물리적인 구조 개선이 한계에 다다른 상황에서 기존에 사용하던 소재 이상의 물성 구현을 위한 새로운 소재 개발이 요구되는 상황이다.
커패시터용 유전체로 사용되어 온 산화실리콘, 산화알루미늄 등을 대체하기 위하여 고유전율을 가지는 소재로서 하프늄다이옥사이드(HfO2), 지르코늄옥사이드 (ZrO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 이산화티타늄(TiO2) 등의 이성분계 산화물과 스트론튬 티타네이트(SrTiO3), (Ba,Sr)TiO3 등의 페로브스카이트(perovskite)계 산화물 등에 대한 연구가 진행되고 있다.
특히, 페로브스카이트계 이차원 나노시트가 알려져 있다. 그런데 이러한 페로브스카이트계 이차원 나노시트는 제조과정에서 표면흡착된 유기물로 인하여 유전율이 감소되어 이에 대한 개선이 요구된다. 나아가, 페로브스카이트계 이차원 나노시트를 커패시터용 유전체로 활용하기 위해서는 이를 기판 상에 적층/코팅하는 공정이 필요하고 이를 위한 바텀 업(bottome-up) 공정기술의 개발이 필요하다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따라 개선된 유전상수 특성을 갖는 유전체 박막을 제공한다.
본 개시의 다른 예시적인 실시예에 따라 상기 유전체 박막을 포함하는 커패시터를 제공한다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예에 따라 상기 유전체 박막의 제조방법을 제공한다.
일 실시예는,
화학식 RAMBOC(R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유하고 나노 스케일의 3차원 형상을 가지는 유전체 박막의 제조 방법을 제공한다.
상기 유전체 박막의 제조 방법은 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 형성되도록 하는 타겟 물질을 합성하는 단계 및 상기 타겟 물질을 기판에 증착시켜 상기 유전체 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 A, B 및 C는 상기 유전체 박막이 전기적으로 중성이 되도록 선택될 수 있다.
상기 타겟 물질은 RM2O6와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함할 수 있다.
상기 R은 Sr이고 상기 M은 Nb일 수 있다.
상기 화학식에서 R은 Ca, Sr, Ba 또는 그 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 화학식에서 M은 V, Nb, Ta 또는 그 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판의 상기 유전체 박막에 대한 격자 불일치 정도는 1% 이하일 수 있다.
상기 기판의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속할 수 있다.
상기 기판은 'SrTiO3' 및 'Nb이 도핑된 SrTiO3' 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 타겟 물질은,
펄스 레이저 증착(Pulsed laser deposition; PLD), 스퍼터링(Sputtering) 및 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy; MBE) 중 어느 하나의 공정을 통해 상기 기판에 증착될 수 있다.
상기 타겟 물질은 800℃ 내지 1000℃의 기판 상에 증착될 수 있다.
다른 일 실시예는,
화학식 RAMBOC(R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유하며, 나노 스케일의 3차원 형상을 가지는 유전체 박막을 제공한다.
상기 화학식 RAMBOC는 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하도록 결정될 수 있다.
상기 A, B 및 C는 상기 유전체 박막이 전기적으로 중성이 되도록 선택될 수 있다.
상기 화학식 RAMBOC에서 R은 Na, K, Rb 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 화학식 RAMBOC에서 M은 Nb, V, Ta 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 유전체 박막의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속할 수 있다.
상기 유전체 박막의 두께는 1.5nm 내지 1000nm 범위에 속할 수 있다.
또 다른 일 실시예는,
제1 전극, 상기 제1 전극 하부에 마련된 제2전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 상기 유전체 박막을 포함하는 커패시터를 제공한다.
상기 커패시터는 상기 유전체 박막에 대한 1%이하의 격자 불일치(lattice misfit)를 가지며, 상기 제2 전극과 상기 유전체 박막 사이에 마련되는 씨드층(seed layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 유전체 박막의 씨드층 역할을 하며, 상기 제2 전극의 상기 유전체 박막에 대한 격자 불일치(lattice misfit) 정도는 1%이하일 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예에 따라 개선된 유전상수 특성을 갖는 유전체 박막을 채용함으로써 향상된 유전용량을 가지는 커패시터를 제공할 수 있다.
도 1은 비교예에 따른 유전체 다층 박막을 형성하는 방법을 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 비교예에 따른 유전체 다층 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 다층 박막의 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법의 타겟 물질 및 소스를 형성하는 단계를 간략하게 도시한 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 도 3의 타겟 물질의 X선 회절(X-Ray Diffraction; XRD) 스펙트럼이다.
도 5는 기판이 포함하는 물질의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법의 타겟 물질로부터 생성된 소스가 기판에 성장되는 모습을 간략하게 도시한 것이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 따라 형성된 유전체 박막의 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 7의 유전체 박막의 예시적인 화학 조성비를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 7의 유전체 박막의 표면에 대한 원자힘 현미경(Atomic force microscopy; AFM) 단면도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 7의 유전체 박막과 기판에 대한 투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy; TEM) 단면도이다.
도 11은 도 10의 단면도의 부분 영역들을 확대한 것이다.
도 12는 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면에 대한 원자힘 현미경 단면도이다.
도 13은 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막과 기판에 대한 투과 전자 현미경 단면도이다.
도 14는 도 13의 단면도의 부분 영역들을 확대한 것이다.
도 15는 다른 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면에 대한 원자빔 현미경 단면도이다.
도 16은 또 다른 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면에 대한 원자빔 현미경 단면도이다.
도 17은 공정 온도에 따른 도 7의 유전체 박막의 예시적인 화학 조성비를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 커패시터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 19는 도 18의 커패시터의 유전 상수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 개시의 다른 일 실시예에 따른 커패시터의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 유전체 박막, 이를 포함하는 커패시터 및 유전체 박막의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성과 편의를 위하여 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 유전체 박막, 이를 포함하는 커패시터 및 유전체 박막의 제조 방법은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
"페로브스카이트"란 단위 셀 내에서, 제1 양이온이 (0,0,0)에 위치하고, 제2 양이온이 (1/2,1/2,1/2)에 위치하고, 음이온이 (1/2,1/2,0)에 위치하는 화합물을 총칭한다. 페로브스카이트는 CaTiO3의 이상적인 대칭 구조를 갖는 것뿐만 아니라, 이보다 낮은 대칭성을 갖는 뒤틀린 구조를 갖는 것도 포함하는 것으로 이해된다.
반도체 메모리 소자의 집적도가 향상됨에 따라, 크기는 작아지면서, 높은 커패시턴스를 갖는 커패시터가 요구된다. 특히, 높은 커패시턴스는 커패시터에 포함된 유전체 박막의 유전율에 비례한다. 따라서, 커패시터의 유전체 박막에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
커패시터의 유전체 박막으로 사용되는 유전체 다층 박막은 도 1에 도시된 바와 같이, 이차원 나노시트(10)를 기판(12) 상에 적층하여 층상 구조를 형성함으로써 제조될 수 있다. 이렇게 제조된 유전체 다층 박막은 박막 표면 및 층간에 존재하는 유기물(11)로 인하여 유전율이 저하되어 이에 대한 개선이 요구된다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 복수 개의 이차원 나노시트(10)를 기판(12) 상에 적층한 경우, 이차원 나노시트(10)들 사이에 유기물(11)이 형성될 수 있다. 이는 음극의 특성을 가지는 이차원 나노시트(10)가 양극의 특성을 가지는 유기물(11)과 결합하기 때문일 수 있다. 이 경우, 이차원 나노시트(10)들의 계면에서 누설전류(leakage current)가 발생하여 유전체 다층 박막의 물성 저하가 일어날 수 있다.
이하에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 화학식 RAMBOC(R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유하고 나노 스케일의 3차원 형상을 가지는 유전체 박막의 제조 방법에 대해 상술한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법의 타겟 물질(30) 및 소스(Source R, Source M)를 형성하는 단계를 간략하게 도시한 것이다. 도 4는 일 실시예에 따른 도 3의 타겟 물질(30)의 X선 회절(X-Ray Diffraction; XRD) 스펙트럼이다. 도 5는 기판(40)이 포함하는 물질을 구조를 간략하게 도시한 것이다. 도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법의 타겟 물질(30)로부터 생성된 소스(Source R, Source M)가 기판(40)에 성장되는 모습을 간략하게 도시한 것이다. 도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 따라 형성된 유전체 박막(50)의 구성을 간략하게 도시한 것이다.
유전체 박막은 화학식 RAMBOC(R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유할 수 있다.
도 3을 참조하면, 펄스 레이저 증착(Pulsed laser deposition; PLD) 공정을 통해 기판(40) 상에 유전체 박막을 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 스퍼터링(Sputtering) 및 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy; MBE) 중 어느 하나의 공정을 통해 기판(40) 상에 유전체 박막이 형성될 수도 있다.
예를 들어, 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막의 제조 방법은 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 형성되도록 하는 타겟 물질(30)을 합성하는 단계를 포함할 수 있다. 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건이 만족되는 경우, 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막은 전기적으로 중성일 수 있다. 공정 과정에 따라서, 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건 내에서도, A, B, C 값에 따라 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막의 전기적 특성이 달라질 수 있다. 이 경우, A, B 및 C는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 전기적으로 중성이 되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, A는 2이고, B는 3이고, C는 9.5일 수 있다. 이 경우, R이 2가 양이온이고, M이 5가 양이온인 경우, RAMBOC 의 산화수는 0(=2×2+5×3+(-)2×9.5)일 수 있고, 이에 따라, 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막은 전기적으로 중성일 수 있다.
예를 들어, 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 형성되도록 RM2O7와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함하는 타겟 물질(30)을 합성할 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(30)은 고상합성법(solid phase synthesis)으로 제조할 수 있다. 이 경우, R이 2가 양이온이고, M이 5가 양이온인 경우, RM2O6와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질의 산화수는 0(=2×1+5×2+(-)2×6+2×2+5×2+(-)2×7)일 수 있다. 이에 따라, RM2O6와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함하는 타겟 물질(30)로부터 형성된 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막은 전기적으로 중성일 수 있다. 타겟 물질(30)이 RM2O6와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함하는 경우, 타겟 물질(30)로부터 형성된 유전체 박막은 화학식 R2M3O9.5으로 표시될 수 있다. 이처럼, R과 M의 비가 2:3인 물질을 포함하는 유전체 박막의 유전 상수는 R과 M의 비가 2:3이 아닌 경우에 비하여, 더 클 수 있다.
상기 화학식 RAMBOC에서 R은 예를 들어 Ca, Sr, Ba 또는 그 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, M은 예를 들어 V, Nb, Ta 또는 그 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(30)이 RM2O6와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함하는 경우, R은 Sr이고, M은 Nb일 수 있다. 이 경우, 타겟 물질(30)은 SrNb2O6와 Sr2Nb2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함할 수 있다. 이처럼 SrNb2O6와 Sr2Nb2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함하는 타겟 물질(30)의 X선 회절 스펙트럼은 도 4에 도시된 바와 같은 경향을 보일 수 있다. 이 타겟 물질(30)로부터 형성된 유전체 박막은 Sr2Nb3O9.5를 포함할 수 있다. Sr2Nb3O9.5를 포함하는 유전체 박막의 격자 상수(lattice constant)는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속할 수 있다.
그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 타겟 물질(30)의 혼합 물질 및 혼합 몰비는 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(30)은 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 형성되도록 적절히 선택될 수 있다. 또한, A, B 및 C는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 전기적으로 중성이 되도록 선택될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막의 제조 방법은 타겟 물질(30)을 형성한 후에, 타겟 물질(30)을 기판(40)에 증착시켜 유전체 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(30)을 형성한 후에, 레이저 광원(20)으로부터 방출되는 레이저 빔을 타겟 물질(30)에 조사하여 타겟 물질(30)로부터 유전체 박막 형성을 위한 소스(Source R, Srouce M 등)가 생성되도록 할 수 있다. 소스(Source R, Srouce M 등)는 기판(40)상에 성장될 수 있다. 예를 들어, 소스(Source R, Srouce M 등)는 기판(40) 상에 에피택셜 성장(epitaxial growth)될 수 있다.
기판(40)은 형성하고자 하는 유전체 박막에 대한 격자 불일치(lattice misfit) 정도가 1% 이하인 기판(40)을 선택할 수 있다. 이에 따라, 유전체 박막이 기판(40) 상에 에피택셜 성장하여 형성될 수 있다. 또한, 공정 중에 기판(40)의 온도는 약 800℃내지 1000℃일 수 있다. 예를 들어, 기판(40)의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속할 수 있다. 예를 들어, 기판(40)은 'SrTiO3' 및 'Nb이 도핑된 SrTiO3' 중 어느 하나를 포함할 수 있다. SrTiO3의 구조는 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있으며, 이러한 구조는 페로브스카이트 구조와 1% 이하의 격자 불일치를 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 레이저 광원(20)으로부터 방출되는 레이저 빔이 타겟 물질(30)에 가해지는 동안, 소스(Source R, Srouce M 등)는 기판(40) 상에 성장되고, 이에 따라, 복수 개의 3차원 형상의 결정(crystal) 구조(P1, P2)가 형성될 수 있다. 결정 구조(P1, P2)는, 도 2에 도시된 복수 개의 이차원 나노시트(10)와 복수 개의 이차원 나노시트(10) 사이에 형성된 유기물(11)을 포함하는 층상 구조와 달리, 페로브스카이트 구조를 가지는 단위 격자가 성장하여 형성된 3차원 형상의 구조물일 수 있다. 결정 구조(P1, P2)는 전기적으로 중성일 수 있다.
도 7을 참조하면, 공정이 진행될수록 기판(40) 상에 점점 더 많은 복수 개의 결정 구조(P1, P2)가 형성되고, 이 복수 개의 결정 구조(P1, P2)가 서로 결합함으로써, 기판(40) 상에 나노 스케일의 3차원 형상의 유전체 박막(50)이 형성될 수 있다. 유전체 박막(50)은 도 2의 층상 구조와 달리, 3차원 형상을 가짐으로써 보다 향상된 신뢰성/안정성을 가질 수 있다. 예를 들어, 유전체 박막(50)의 두께는 1.5nm 내지 1000nm 범위에 속할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 7의 유전체 박막(50)의 예시적인 화학 조성비를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 유전체 박막(50)이 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되고, R은 Sr이고, M은 Nb인 경우, Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)는 약 1.5에 가까울 수 있다. 이 경우, 도 3의 타겟 물질(30)과 기판(40) 사이의 거리(D1)에 따라서, 유전체 박막(50)에 포함된 Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)가 달라질 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(30)과 기판(40) 사이의 거리(D1)가 40mm ~ 60mm 인 경우, 유전체 박막(50)에 포함된 Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)는 약 1.5보다 크고 1.6보다 작을 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 7의 유전체 박막(50)의 표면에 대한 원자빔 현미경(AFM) 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 7의 유전체 박막(50)의 표면거칠기 Rq는 약 3.2Å 일 수 있다. 나아가, 유전체 박막(50)은 계단 테라스(step terrace) 구조를 가질 수 있다. 이는, 기판(40) 상에 유전체 박막(50)이 에피택셜 성장되었음을 보여주는 증거일 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막(70)과 기판(60)에 대한 투과 전자 현미경(TEM) 단면도이다. 도 11은 도 10의 단면도의 부분 영역들을 확대한 것이다. 도 10의 유전체 박막(70) 및 기판(60)은 각각 도 7의 유전체 박막(50) 및 기판(40)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10을 참조하면, 기판(60) 상에 유전체 박막(70)이 에피택셜 성장하여 증착될 수 있다. 제1 영역(1)은 기판(60)의 단면을 보여준다. 제2 영역(2)은 기판(60)과 유전체 박막(70) 사이의 단면을 보여준다. 제3 영역(3)은 유전체 박막(70)의 단면을 보여준다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 영역(1)의 기판(60)의 배열 구조와 제3 영역(3)의 유전체 박막(70)의 배열 구조는 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말해, 기판(60)의 격자 상수와 유전체 박막(70)의 격자 상수가 실질적으로 동일할 수 있고, 이에 따라, 유전체 박막(70)이 기판(60) 상에 에피택셜 성장하여 증착될 수 있다.
도 12는 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면에 대한 원자빔 현미경(AFM) 단면도이다. 도 13은 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막과 기판에 대한 투과 전자 현미경(TEM) 단면도이다. 도 14는 도 13의 단면도의 부분 영역들을 확대한 것이다.
도 7 및 도 9의 유전체 박막(50)을 형성하기 위해 약 180초의 선확산 시간(pre-deposition time)을 적용하는 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법과 달리, 도 12의 유전체 박막을 형성하는 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법은 약 10초의 선확산 시간을 적용한 방법일 수 있다.
도 12를 참조하면, 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면거칠기 Rq는 2.5Å로 도 9에 도시된 3.2Å의 유전체 박막(50)의 표면거칠기 Rq보다 작아졌다. 그러나, 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 도 12의 유전체 박막은, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 비정질상(amorphous phase)의 물질을 포함할 수 있다. 다시 말해, 충분한 선확산 시간을 적용하지 않은 경우, 유전체 박막이 기판 상에 에피택셜 성장하기 어려울 수 있다.
예를 들어, 도 13을 참조하면, 제1 영역(1)은 기판의 단면을 보여준다. 제2 영역(2)은 기판과 유전체 박막 사이의 단면을 보여준다. 제3 영역(3)은 유전체 박막의 단면을 보여준다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 영역(1)의 기판의 배열구조와 제3 영역(3)의 유전체 박막의 배열 구조는 상이할 수 있다. 다시 말해, 기판과 유전체 박막 사이에 상당한 격자 불일치가 발생할 수 있다. 이에 따라, 유전체 박막이 기판 상에 에피택셜 성장하기 어려울 수 있다.
도 15는 다른 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면에 대한 원자빔 현미경(AFM) 단면도이다. 도 16은 또 다른 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면에 대한 원자빔 현미경(AFM) 단면도이다.
도 7 및 도 9의 유전체 박막(50)을 형성하기 위해, 타겟 물질(30, 도 3 참조)과 기판(40, 도 3 참조) 사이의 거리(D1, 도 3 참조)가 약 60mm일 때, 약 0.4J/cm2의 에너지 밀도를 가지는 레이저 광원(20, 도 3 참조)을 이용하는 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법과 달리, 도 15의 유전체 박막을 형성하는 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법은 약 0.5J/cm2의 에너지 밀도를 가지는 레이저 광원(20)을 이용할 수 있다. 이 경우, 타겟 물질(30)과 기판(40) 사이의 거리(D1)는 약 60mm로 도 7 및 도 9의 유전체 박막(50)을 형성하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법의 경우와 동일할 수 있다.
나아가, 도 16의 유전체 박막을 형성하는 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법은 약 0.5J/cm2의 에너지 밀도를 가지는 레이저 광원(20)을 이용할 수 있다. 이 경우, 타겟 물질(30)과 기판(40) 사이의 거리(D)는 약 40mm로 도 7 및 도 9의 유전체 박막(50)을 형성하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법의 경우보다 짧을 수 있다.
도 15를 참조하면, 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면거칠기 Rq는 6.9Å로 도 9에 도시된 3.2Å의 유전체 박막(50)의 표면거칠기 Rq보다 커졌다. 다시 말해, 레이저 광원(20)의 에너지 밀도가 필요 이상으로 높은 경우, 유전체 박막의 표면거칠기가 커질 수 있다.
도 16을 참조하면, 비교예에 따른 유전체 박막을 형성하는 방법에 의해 형성된 유전체 박막의 표면거칠기 Rq는 5.1Å로 도 15에 도시된 6.9Å의 유전체 박막의 표면거칠기 Rq보다 작아졌다. 그러나, 도 16의 유전체 박막은 여전히 계단 테라스(step terrace) 구조를 가지지 못할 수 있다. 이는 도 16의 유전체 박막이 기판(40) 상에 에피택셜 성장되지 못했음을 보여주는 증거일 수 있다. 다시 말해, 레이저 광원(20)의 에너지 밀도가 필요 이상으로 높은 경우, 타겟 물질(30)과 기판(40) 사이의 거리(D)가 짧아지더라도, 유전체 박막이 기판(40) 상에 에피택셜 성장하지 못할 수 있다.
도 17은 공정 온도에 따른 도 7의 유전체 박막(50)의 예시적인 화학 조성비를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 17을 참조하면, 유전체 박막(50)이 화학식 RAMBOC으로 표시되고, R은 Sr이고, M은 Nb인 경우, Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)는 공정 온도에 따라 달라질 수 있다. 공정 온도는 유전체 박막(50) 공정 과정에서 가열되는 기판(40, 도 7 참조)의 온도일 수 있다. 예를 들어, 공정 온도가 약 900℃이 경우, Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)는 약 1.5일 수 있다. 이와 달리, 공정 온도가 약 300℃이 경우, Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)는 약 1.8일 수 있다. 예를 들어, 약 1.5의 Sr에 대한 Nb의 조성비(Nb/Sr)를 얻기 위해서는 약 800℃내지 1000℃ 의 공정 온도가 적절할 수 있다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 커패시터(1000)의 구조를 간략하게 도시한 것이다. 도 19는 도 18의 커패시터(1000)의 유전 상수 특성을 나타내는 그래프이다. 도 19의 경우, 백금(Pt)을 포함하는 제1 전극(100), 10nm의 두께를 가지는 유전체 박막(200) 및 Nb이 도핑된 SrTiO3을 포함하는 제2 전극(300)을 포함하는 커패시터(1000)에 대해 유전 상수를 측정한 것이다.
도 18을 참조하면, 커패시터(1000)는 제1 전극(100), 제1 전극(100) 하부에 마련된 유전체 박막(200) 및 유전체 박막(200) 하부에 마련된 제2 전극(300)을 포함할 수 있다. 유전체 박막(200)은 제1 전극(100)과 제2 전극(300) 사이에 배치될 수 있다. 제1 전극(100)과 제2 전극(300)은 각각 상부 전극, 하부 전극으로서 작용할 수 있다. 제1 전극(100)과 제2 전극(300)은 전기적으로 접속되지 않을 수 있다.
제1 전극(100)은 예를 들어 스트론튬-루테늄 산화물(SrRuO3), 이리듐-루테늄 산화물(SrIrO3), 칼슘-루테늄 산화물(CaRuO3), 칼슘-니켈 산화물(CaNiO3), 바륨-루테늄 산화물(BaRuO3), 바륨-스트론튬-루테늄 산화물((Ba,Sr)RuO3), 이리듐(Ir), 이리듐-루테늄 합금(IrRu), 이리듐 산화물(IrO2), 티타늄-알루미늄 질화물(TiAlN), 티타늄 산화물(TiO2), 루테늄(Ru), 플래티늄(Pt), 지르코늄 산화물(ZrO2), 주석 산화물(SnO2), 인듐-주석 산화물(ITO) 등을 포함하나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 전극재료로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용된다. 예를 들어, 제1 전극(100)은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 질산화물, 또는 합금을 전자-빔 증착 공정, 화학 기상 증착 공정, 스퍼터링 공정, 원자층 적층 공정, 펄스 레이저 증착 공정 등으로 유전체 박막(200) 상에 증착하여 형성할 수 있다. 제1 전극(100)은 단층 구조 또는 다층 구조이다. 상기 금속은 백금, 금, 은, 구리, 철, 주석, 아연, 알루미늄, 인듐, 크롬, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 칼슘, 마그네슘, 팔라듐, 몰리브덴 등을 포함할 수 있다.
유전체 박막(200)은 도 7의 유전체 박막(50)과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 유전체 박막(200)은 화학식 RAMBOC (R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유할 수 있다. 상기 화학식 RAMBOC은 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족할 수 있다. 유전체 박막(200)은 나노 스케일의 3차원 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 유전체 박막(200)은 층상 구조를 가지지 않을 수 있다. 이에 따라, 유전체 박막(200)은 향상된 유전율 및 신뢰성/안정성을 가질 수 있다.
제2 전극(300)은 도 7의 기판(40)과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(300)은 유전체 박막(200)이 형성되는 씨드층(seed layer)의 역할을 할 수 있다. 제2 전극(300)과 유전체 박막(200) 사이의 격자 불일치는 1%이하일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(300)의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(300)은 'SrTiO3' 및 'Nb이 도핑된 SrTiO3' 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 19를 참조하면, 커패시터(1000)의 유전 상수는, 커패시터(1000)에 대한 충방전 진동수가 1kHz 내지 1000kHz일 때, 약 80 ~ 120일 수 있다. 예를 들어, 커패시터(1000)의 유전 상수는 커패시터(1000)에 대한 충방전 진동수가 100kHz일 때, 약 105일 수 있다.
도 20은 본 개시의 다른 일 실시예에 따른 커패시터(1001)의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 20을 참조하면, 커패시터(1001)는 제1 전극(101), 제1 전극(101) 하부에 마련된 유전체 박막(201) 및 유전체 박막(201) 하부에 마련된 제2 전극(301)을 포함할 수 있다. 또한, 커패시터(1001)는 제2 전극(301)과 유전체 박막(201) 사이에 마련되는 씨드층(401)을 더 포함할 수 있다. 유전체 박막(201)은 제1 전극(101)과 제2 전극(301) 사이에 배치될 수 있다. 제1 전극(101)과 제2 전극(301)은 각각 상부 전극, 하부 전극으로서 작용할 수 있다. 제1 전극(101)과 제2 전극(301)은 전기적으로 접속되지 않을 수 있다.
제1 전극(101) 및 제2 전극(301)은 예를 들어 스트론튬-루테늄 산화물(SrRuO3), 이리듐-루테늄 산화물(SrIrO3), 칼슘-루테늄 산화물(CaRuO3), 칼슘-니켈 산화물(CaNiO3), 바륨-루테늄 산화물(BaRuO3), 바륨-스트론튬-루테늄 산화물((Ba,Sr)RuO3), 이리듐(Ir), 이리듐-루테늄 합금(IrRu), 이리듐 산화물(IrO2), 티타늄-알루미늄 질화물(TiAlN), 티타늄 산화물(TiO2), 루테늄(Ru), 플래티늄(Pt), 지르코늄 산화물(ZrO2), 주석 산화물(SnO2), 인듐-주석 산화물(ITO) 등을 포함하나 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 전극재료로 사용하는 것이라면 모두 가능하다. 이들은 단독으로 또는 서로 혼합되어 사용된다. 예를 들어, 제1 전극(101) 및 제2 전극(301)은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 질산화물, 또는 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 금속은 백금, 금, 은, 구리, 철, 주석, 아연, 알루미늄, 인듐, 크롬, 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘, 칼슘, 마그네슘, 팔라듐, 몰리브덴 등을 포함할 수 있다.
유전체 박막(201)은 도 7의 유전체 박막(50)과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 유전체 박막(201)은 화학식 RAMBOC (R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유할 수 있다. 유전체 박막(201)은 나노 스케일의 3차원 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 유전체 박막(201)은 층상 구조를 가지지 않을 수 있다.
씨드층(401)은 도 7의 기판(40)과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 씨드층(401)은 유전체 박막(201)이 형성되는 씨드층(seed layer)의 역할을 할 수 있다. 씨드층(401)과 유전체 박막(201) 사이의 격자 불일치는 1%이하일 수 있다. 예를 들어, 씨드층(401)의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속할 수 있다. 예를 들어, 씨드층(401)은 'SrTiO3' 및 'Nb이 도핑된 SrTiO3' 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 18 및 도 20의 커패시터(1000, 1001)가 상술한 유전체 박막(200, 201)을 포함함에 의하여 커패시터(1000, 1001)의 유전 특성, 정전 용량 등이 향상되므로, 결과적인 커패시터(1000, 1001)의 전기적 특성이 향상된다. 커패시터(1000, 1001)는 독립된 디바이스 형태를 가질 수 있으나 반드시 이러한 형태로 한정되지 않으며, 메모리에 일부로서 포함될 수 있다. 커패시터는 예를 들어 메모리 디바이스 내에 실장된 MIM(Metal Insulator Metal) 커패시터일 수 있다.
상기한 다양한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 예시적인 다양한 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
20: 레이저 광원
30: 타겟 물질
40: 기판
50, 200, 201: 유전체 박막
100, 101: 제1 전극
300, 301: 제2 전극
401: 씨드층
1000, 1001: 커패시터

Claims (20)

  1. 화학식 RAMBOC(R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유하고 나노 스케일의 3차원 형상을 가지는 유전체 박막의 제조 방법에 있어서,
    1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하는 상기 화학식 RAMBOC으로 표시되는 유전체 박막이 형성되도록 하는 타겟 물질을 합성하는 단계; 및
    상기 타겟 물질을 기판에 증착시켜 상기 유전체 박막을 형성하는 단계; 를 포함하는, 유전체 박막의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 A, B 및 C는 상기 유전체 박막이 전기적으로 중성이 되도록 선택되는, 유전체 박막의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 RM2O6와 R2M2O7이 2:1의 몰비로 혼합된 물질을 포함하는, 유전체 박막의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 R은 Sr이고 상기 M은 Nb인, 유전체 박막의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식에서 R은 Ca, Sr, Ba 또는 그 조합 중 어느 하나를 포함하는, 유전체 박막의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식에서 M은 V, Nb, Ta 또는 그 조합 중 어느 하나를 포함하는, 유전체 박막의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 유전체 박막에 대한 격자 불일치 정도는 1% 이하인, 유전체 박막의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속하는, 유전체 박막의 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 'SrTiO3' 및 'Nb이 도핑된 SrTiO3' 중 어느 하나를 포함하는, 유전체 박막의 제조 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 타겟 물질은,
    펄스 레이저 증착(Pulsed laser deposition; PLD), 스퍼터링(Sputtering) 및 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy; MBE) 중 어느 하나의 공정을 통해 상기 기판에 증착되는, 유전체 박막의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 800℃ 내지 1000℃의 기판 상에 증착되는, 유전체 박막의 제조 방법.
  12. 화학식 RAMBOC(R은 2가 원소, M은 5가 원소)으로 표시되며 페로브스카이트형 결정 구조(perovskite type crystal structure)를 가지는 산화물을 함유하고,
    상기 화학식 RAMBOC는 1.3 < B/A < 1.7 및 9.0 ≤ C < 10.0의 조건을 만족하도록 결정되며, 나노 스케일의 3차원 형상을 가지는, 유전체 박막
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 A, B 및 C는 상기 유전체 박막이 전기적으로 중성이 되도록 선택되는, 유전체 박막.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 화학식 RAMBOC에서 R은 Na, K, Rb 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함하는, 유전체 박막.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 화학식 RAMBOC에서 M은 Nb, V, Ta 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함하는, 유전체 박막.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 유전체 박막의 격자 상수는 3.85Å 내지 3.95Å 범위에 속하는, 유전체 박막.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 유전체 박막의 두께는 1.5nm 내지 1000nm 범위에 속하는, 유전체 박막.
  18. 제1 전극;
    상기 제1 전극 하부에 마련된 제2전극; 및
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 제12 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 따른 유전체 박막을 포함하는, 커패시터.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 유전체 박막에 대한 1%이하의 격자 불일치(lattice misfit)를 가지며, 상기 제2 전극과 상기 유전체 박막 사이에 마련되는 씨드층(seed layer)을 더 포함하는, 커패시터.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 유전체 박막의 씨드층 역할을 하며, 상기 제2 전극의 상기 유전체 박막에 대한 격자 불일치(lattice misfit) 정도는 1%이하인, 커패시터.
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