KR930003790B1 - 반도체 장치의 캐패시터용 유전체 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 장치의 캐패시터용 유전체
제 1 도는 (Sr0.25Ba0.75)1-3y/2LayNb2O6에서의 La2O3첨가량에 따른 유전상수의 온도 특성을 나타낸 도면.
제 2 도는 투과전자현미경으로 촬영한 (Sr0.25Ba0.75)Nb2O6의 결정면을 나타낸 도면.
제 3 도와 제 4 도는 투과 전자현미경으로 촬영한 (Sr0.25Ba0.75)0.94La0.04Nb2O6의 결정면을 나타낸 도면이다.
본 발명은 반도체 장치용 유전체에 관한 것으로서, 특히 고집적소자인 다이나믹 램이나 스태틱 램의 정전 용량층(capacitor layer)에 사용되는 (Sr,Ba)Nb2O6고용체를 이용한 유전체에 관한 것이다.
종래에 고집적소자인 DRAM(Dynamic RAM)이나 SRAM(Static RAM) 등의 반도체 소자에 있어서, 집적도를 향상시키기 위한 하나의 방법으로 캐패시터를 스택(Stack)이나 트렌치(Trench) 구조로 형성하여 면적을 감소시켰는데, 이러한 방법으로 캐패시터의 면적을 감소시켜 집적도를 향상시키는 데에는 한계가 있다.
또한, 종래에 DRAM이나 SRAM 등의 캐패시터층에 산화막(SiO2) 또는 질화막(Si3N4)등의 유전 물질을 사용하였었다. 그러나, 이러한 물질은 유전상수가 각각 3.8과 7로서 반도체 소자의 집적도 증가에 따라 캐패시터층이 점점 박막화되기 때문에 반도체 소자의 신뢰성 및 집적도 향상에 큰 장애요인이 되었다.
이를 개선하기 위하여 상기한 산화막과 질화막보다는 고유전체나 강유전체의 물질이 요구되고 있는데, 고유전 물질로서 Ta2O5, TiO2및 Nb2O5과 강유전 물질로서 Pb(Zr, Ti)O3계의 (Pb, La) (Zr, Ti)O3등의 제시되고 있다.
그러나 강유전 물질이나 고유전물질은 유전상수가 매우 커서 집적도에는 유리하나, 유전손실계수가 1% 이상으로 매우 크기 때문에 누설전류가 증대하는 문제점이 있으며, 열처리공정시 큐리(Curie) 온도에서 결정구조가 변화하는 상변태(phase transformation) 현상이 발생하여 온도 변화에 의해 박막의 유전체층이 파괴되기 때문에 강유전 물질이나 고유전물질을 사용하여 박막으로 캐패시터의 유전체층을 형성하는 데에는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 강유전체 물질중 Pb(Zr, Ti)O3계의 물질은 PbO의 휘발성분에 의해 스토이키오메트리가 파괴되는(Off-Stoichiometry) 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상온이상의 온도에서는 결정구조가 변하지 않고, 높은 유전상수와 낮은 유전손실계수를 갖는 반도체 장치의 캐패시터층에 사용되는 유전체를 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (Sr, Ba)Nb2O6물질을 2몰% 이상의 La2O3로 치환하여 (SrxBa1-X)1-3y/2LayNb2O6(0.25≤x≤0.5,0.04≤y)의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 캐패시터용 유전체를 제공한다.
이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
강유전체인 (Sr,Ba1-X)Nb2O6(0.25≤x≤0.5) 고용체는 텅스텐 브론즈구조(tungsten-bronze structure)를 가지며, x=0.25일 경우에는 273℃에서 1차 상전이를 하며, x=0.5일때에는 약 100℃에서 상전이를 한다. 1차 상전이를 갖는 경우 결정구조가 변태(transformation)되거나 특정한 원자의 변위(displacement)가 변경되는데, 결정구조가 변태되는 경우에는 격자가 변화되므로 이 물질을 사용하여 박막의 캐패시터용 유전체층을 제작하는 경우에는 박막이 파괴되거나, 열화될 우려가 있다.
따라서, (SrXBa1-X)Nb2O6(0.25≤x≤0.5)에 La2O32몰(mole)% 이상 첨가하여 (SrXBa1-X)위치에 (La2O3)를 전하밸런스(Charge balance)시켜 치환하면, Sr과 Ba 원자가 La 원자와 치환되어 (SrXBa1-X)1-3y/2LayNb2O6(0.25≤x≤0.5, 0.04≤y)의 조성을 갖는 유전체가 얻어진다.
이러한 조성을 갖는 유전체는 (110) 또는 (
Figure kpo00001
)결정면(Plane)에만 빈격자점(Vacancy)이 형성되어 결정구조의 변태양상이 변하게 된다.
즉, 빈격자점이 발생된 상기 (110)의 결정면(defect plane)에 의해 상온에서 유전상수가 증가하며 또한 유전손실계수가 급격히 감소하게 되고 상변태 현상이 완화형(Diffuse phase transition)으로 되어 온도 변화시에 안정된 박막의 유전체층을 얻을 수 있게 된다.
이때 유전상수는 200이상이고, 유전손실계수는 0.015%로서 우수한 강유전물질을 얻을 수 있다.
제 1 도는 (Sr0.25Ba0.75)1-3y/2LayNb2O6에서의 La2O3의 첨가량에 따른 유전상수의 온도 특성을 나타낸 도면이다.
상기 도면에서 2500,2504,2506 및 2508에 대한 표기법을 살펴보면 다음과 같다.
(SrXBa1-X)1-3y/2LayNb2O6에 있어서, 상기 2500,2504 등의 표기는, 앞의 천단위 및 백단위 숫자는 100×x의 수이고, 뒤의 단단위 숫자는 100×y의 수를 의미한다.
예를들어 x=0.25이고, y=0.04인 경우, 즉
(Sr0.25Ba0.75)0.94La0.04Nb2O6의 온도에 따른 유전상수 분포도는 2504로 표기된다.
따라서, 2504는 x=0.25이고 y=0.04일 경우 온도에 따른 유전상수의 분포도를 나타낸 것이고, 2506은 x=0.25이고 y=0.06일 경우 온도에 따른 유전상수의 분포도를 나타낸 것이다.
한편, 2500은 y=0일 경우 즉, (Sr0.25Ba0.75)Nb2O6에 La2O3이 첨가되지 않는 경우의 온도에 따른 유전상수의 분포도이다.
도면에서 보는 바와 같이, (SrXBa1-X)Nb2O6에 La2O3이 첨가되었을 경우에 온도에 따라 유전상수가 200이상이 됨을 알 수 있다.
제 2 도는 (Sr0.25Ba0.75)Nb2O6의 투과전자 현미경으로 촬영한 것으로서, 12.4A은 단위 셀의 크기를 나타낸 것이다.
제 3 도와 제 4 도는 (Sr0.25Ba0.75)0.94La0.04Nb2O6의 투과전자 현미경으로 촬영한 것으로서, 제 4 도는 제 3 도의 역상(image reversal)사진이다.
제 2 도 내지 제 4 도를 참조하면, (SrXBa1-X)Nb2O6에 La2O3를 첨가시키지 않았을 경우에 제 2 도와 같이 빈격자점이 발생되지 않는다. 그러나, 본 발명에 있어서 (SrXBa1-X)Nb2O6에 La2O3를 첨가한 (SrXBa1-X)1-3y/2LayNb2O6의 경우에는 La2O3의 전하 밸런스치환에 의해 (Sr, Ba)의 위치에 빈격자점(Vacancy)가 생김을 알 수 있다. 즉, (110),(
Figure kpo00002
)의 결정면에 결점면(Defect Plane)이 형성됨을 알 수 잇다.
결정면(110)는 결정면(100)과는 45°관계에 있으며 (
Figure kpo00003
)는 90°의 관계에 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 유전상수의 증가로 인하여 안정된 반도체 소자의 캐패시터층을 형성할 수 있어서 반도체 소자의 집적도 향상을 꾀할 수 있다.
2. 트랜치나 스택구조를 갖는 캐패시터를 형성하기 위한 종래의 트렌치공정이나 스택공정없이도 집적도를 향상시킬 수 있는 간단한 구조의 캐패시터를 얻을 수 있다.
3. 결정구조가 온도변화나 제조공정시 변태하지 않으므로 박막의 특성이 악화되지 않는다.
4. 반도체 제조시 본 발명의 유전물질을 사용하므로써 휘발 성분에 의한 오프 스토이키오메트리를 방지할 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. (Sr, Ba)Nb2O6에 La2O3를 2몰% 이상 첨가시켜 Sr과 Ba를 La로 치환시킴으로써 (SrXBa1-X)1-3y/2LayNb2O6(0.25≤x≤0.5, 0.04≤y)의 조성을 갖는 특징으로 하는 반도체 장치의 캐패시터용 유전체.
  2. 제 1 항의 유전체를 사용하여 제조된 박막의 캐패시터층을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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