KR100277939B1 - 강유전체를갖는커패시터의하부전극 - Google Patents
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Abstract
강유전체 커패시터의 하부전극에 관한 것으로, Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, 제 1 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 2 층과, 제 2 층상에 형성되고 IrO2로 이루어진 제 3 층과, 제 3 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 4 층으로 구성함으로써, 접착력을 향상시키고 산화를 방지하며 기타 다른 전기적 특성(피로현상, 누설전류)을 향상시킨다.
Description
본 발명은 커패시터에 관한 것으로, 특히 강유전체 커패시터의 하부전극에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치의 커패시터는 소자의 집적도가 증가함에 따라 그 면적이 작아지면서 이로 인한 커패시터 용량의 감소를 보상하기 위해 점차적으로 유전막의 두께를 줄여 왔다.
그러나, 유전막의 두께가 감소함에 따라, 터널링(Tunneling)에 의한 누설전류가 증가하게 되고, 이러한 누설전류와 유전막의 얇아진 두께 때문에 신뢰성이 저하되는 문제점이 발생하였다.
이러한 문제점을 피하기 위하여 매우 복잡한 표면굴곡을 형성하여 커패시터의 유효면적을 증가시키는 방법을 선택하여 사용하였지만 이 방법 역시 표면에 심한 단차를 주어 포토리소그래피(photolithograph)공정을 어렵게 하고, 공정단가를 높이기 때문에 고집적 소자에서는 사용하기 어려웠다.
그러므로, 커패시터의 용량을 획기적으로 향상시키면서 표면굴곡을 줄이기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.
그 중에서 고유전율 물질을 커패시터의 유전막으로 사용하는 방법이 제시되었다.
이러한 고유전막을 사용한 커패시터는 여러 가지 많은 성과가 있었으나, 실질적인 유전율이 높지않아 앞으로 점차적으로 고집적화 되어 가는 추세를 고려할 때 그 사용범위가 넓지 않을 것으로 보고 있다.
최근 들어, 페로브스카이트(perovskite)형이라 불리는 결정구조를 갖는 강유전체에 대한 관심이 높아지면서 반도체 장치에 사용될 유전체로서 집중적인 연구의 대상이 되고 있다.
강유전체란 퀴리온도 이하에서 자발분극을 나타내는 재료로서, 전계를 가하지 않더라도 자발적으로 분극이 발생하는 재료이다.
강유전체로는 PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3), BST((Ba,Sr)TiO3), BaTiO3, SrTiO3등이 있다.
그러나, 이러한 강유전체는 기판인 실리콘 및 실리사이드 등과 쉽게 반응하며, 박막 형성 과정중 강한 산화성 분위기에서 강유전체의 표면이 노출되어 전극이 산화되는 등 많은 문제점이 발생하였다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 전극의 재료 및 구조에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.
강유전체로 커패시터를 만드는데 있어서는 전극으로 사용될 물질이 강유전체와 반응성이 좋지 않은 물질이 사용되어야만 한다.
그 이유는 강유전체는 산화물이므로 쉽게 산화되지 않는 도전재료를 전극으로 사용하여야 한다.
그러한 전극으로 산화물 전극이 새로이 각광을 받아왔다.
산화물 전극의 대표적인 물질로는 IrO2, Ru02등이 있는데, 이 들 물질은 전극으로의 가능성을 높였지만 누설전류가 증가하기 때문에 이들 물질을 단독으로 사용하지는 못하였고, Ir/IrO2, Ru/Ru02,Pt/IrO2, Pt/Ru02와 같은 복합전극(hybrid electrode)을 사용하여 왔다.
그러나, Ru는 식각시에 매우 유독한 RuO4가 나오기 때문에 연구에 어려움이 있고, Ir은 접착력(adhesion)이 좋지 않아서 공정을 진행하는데 어려움이 있다.
따라서, 접착력을 높이면서 전기적 특성 등이 좋은 전극이 필요하였다.
일반적인 강유전체 커패시터의 전극에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
산화물 전극을 이용한 커패시터를 고집적소자에 사용하는 경우 커패시터에 흐르는 누설전류가 증가하게 되고 고유전율을 얻기가 힘들고, 전극 재료로 Ru 또는 Ir을 사용하면 유독 가스인 RuO4가 생성되며 접착력이 좋지 않아 전기적 특성이 저하된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 새로운 전극의 구조로 기판과의 접착력이 좋고 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 강유전체 커패시터의 하부전극을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극을 보여주는 구조단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 기판 12 : 제 1 층
13 : 제 2 층 14 : 제 3 층
15 : 제 4 층
본 발명에 따른 강유전체 커패시터 하부전극의 특징은 Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, 제 1 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 2 층과, 제 2 층상에 형성되고 IrO2로 이루어진 제 3 층과, 제 3 층상에 형성되고 Ir로 이루어진 제 4 층으로 구성되는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에서는 Ir/IrO2로 이루어진 복합 전극을 이용하는데, 그 이유는 Ir과 IrO2은 모두 전기전도도가 큰 금속이며, 특히 IrO2는 Ir/poly-Si(폴리실리콘) 에서 생길 수 있는 이리듐 실리사이드(Iridium silicide)를 막아주면서 동시에 강유전체 박막에서 빠져나오거나 공정 중에 대기에서 공급되는 산소를 막아주는 역할을 하기 때문이다.
그러나, 이러한 장점을 갖는 Ir/IrO2복합 전극은 하부에 있는 폴리실리콘 플러그(plug)와의 접착력(adhesion)이 좋지 않아 IrO2과 폴리실리콘과의 계면에서 SiO2가 생성되는 문제가 있었다.
그러므로, 본 발명에서는 상기의 문제를 보완하기 위하여 Ir/IrO2로 이루어진 복합 전극 아래에 Ti 금속물질을 두었다.
여기서, Ti 대신에 Cr, TiW, TiN 중 어느 한 물질을 선택적으로 사용할 수 있다.
하부전극과 그 하부의 플러그와 접착력을 위해 상기의 금속물질들을 사용한 이유는 이들은 기존의 반도체 집적회로에서 사용되어왔던 것들로 Ti와 Cr은 비교적 쉽게 증착할 수 있으며 TiW, TiN 등은 내산화성이 강하면서 스텝 커버리지(step coverage)와 같은 성질이 우수하기 때문이다.
그러나, Ti, Cr, TiW, TiN와 같은 물질들도 산소에 매우 약하기 때문에 IrO2과 직접 닿지 않도록 전극을 구성해야 하므로 IrO2과 Ti 사이에 Ir층을 형성함으로써 위의 문제를 해결하였다.
도 1은 본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극을 보여주는 구조단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, Si 또는 poly-Si 기판(11)상에 Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층(12), Ir로 이루어진 제 2 층(13), IrO2로 이루어진 제 3 층(14), Ir로 이루어진 제 4 층(15)을 순차적으로 적층하여 하부전극을 형성한다.
여기서, 하부전극의 제 1 층의 두께는 50∼500Å으로 가능하면 얇게 한다.
그리고, 제 2 층의 두께는 300∼1000Å으로 하는데, 너무 얇으면 산화되므로 주의 한다.
제 3 층의 두께는 100∼500Å으로 하는데, 너무 얇으면 산소의 차단이 되지 않고 너무 두꺼우면 박막이 거칠어진다.
마지막으로, 제 4 층의 두께는 300∼1000Å으로 하는데, 이 층 또한 너무 얇으면 산화되고 제 3 층의 거칠기(roughness)에 영향을 미친다.
이와 같이, 본 발명에서는 Ir/IrO2/Ir/Ti(또는 Cr, TiW, TiN 중 어느 하나)으로 하부전극을 형성함으로써 프러그와의 접착력을 향상시키고, 전기적 특성을 향상시켰다.
본 발명에 따른 강유전체 커패시터의 하부전극에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
하부전극을 Ir/IrO2/Ir/Ti(또는 Cr, TiW, TiN 중 어느 하나)으로 형성하여 접착력을 향상시키고 산화를 방지하며 기타 다른 전기적 특성(피로현상, 누설전류)을 향상시킨다.
Claims (2)
- 기판상에 형성되고 상부전극과 하부전극 사이에 강유전체를 갖는 커패시터에서,Ti, Cr, TiW, TiN 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층;상기 제 1 층상에 형성되고, Ir로 이루어진 제 2 층;상기 제 2 층상에 형성되고, IrO2로 이루어진 제 3 층;상기 제 3 층상에 형성되고, Ir로 이루어진 제 4 층을 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 강유전체를 갖는 커패시터의 하부전극.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부전극의 제 1 층의 두께는 50∼500Å이고, 제 2 층의 두께는 300∼1000Å이며, 제 3 층의 두께는 100∼500Å이고, 제 4 층의 두께는 300∼1000Å임을 특징으로 하는 강유전체를 갖는 커패시터의 하부전극.
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