KR100296156B1 - 증대된유전특성을갖는산화탄탈박막층의제조방법및그층을사용하는커패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명자들은 TiO2도핑을 갖거나 또는 갖지 않고 유전 상수를 증대시키는, 산화 탄탈을 포함하는 박막의 제조 방법을 밝혀냈다. 구체적으로, 본 발명자들은 450℃ 이상의 온도, 바람직하게는 550℃ 보다 높은 온도에서 산소 풍부 분위기중에서 Ta2O5를 스퍼터링하여 증대된 유전 특성을 갖는 신규한 결정상 박막이 생성됨을 밝혀냈다.

Description

증대된 유전 특성을 갖는 산화 탄탈 박막 층의 제조 방법 및 그 층을 사용하는 커패시터{METHOD FOR MAKING THIN FILM TANTALUM OXIDE LAYERS WITH ENHANCED DIELECTRIC PROPERTIES AND CAPACITORS EMPLOYING SUCH LAYERS}
본 발명은 증대된 유전 특성을 갖는 산화 탄탈을 포함하는 박막을 성장시키는 방법 및 이러한 박막을 사용하는 커패시터(capacitors)에 관한 것이다.
초소형 전자 회로가 점점더 집적되고 있기 때문에, 더 작은 소자에 대한 수요가 더 많아지고 있다. 현재 사용되는 재료들은 더 좁은 면적에서 커패시티브 소자로 사용하기에는 부적절한 유전 상수를 갖는다. 이 문제를 치유하기 위해, 바륨 스트론튬 티타네이트(BST)와 같은 외래 고 유전 상수 재료가 현재 많은 실험실에서 연구 단계에 있으며, 특히 DRAM 용도에서 잠재적인 용도가 있다. 그러나, 이러한 재료는 통상의 초소형 전자 부품 제조 과정에 외래 화학적 소자의 사용을 변함없이 필요로 하며 따라서 제조 공정의 변화 및 광범위한 상용성 시험을 필요로 한다.
또다른 시도는 더 높은 유전 상수를 얻고자 현재 사용된 유전체의 조성을 변화시키는 것이다. 예를 들면, TiO2로 도핑된 Ta2O5를 포함하는 신규한 유전체 재료가 1995년 6월 16일 출원된 미국 특허원 제 08/491,436 호(Robert J. Cava)[발명의 명칭: "Dielectric Material Comprising Ta2O5Doped With TiO2and Devices Employing Same"]에 개시되어 있다. 카바등은 0.92Ta2O5: 0.08TiO2의 비율로 도핑된 벌크 물질은 도핑되지 않은 Ta2O5보다 유전상수가 3 정도 증대되었다고 보고하고 있다. Ta 및 Ti는 모두 현재 초소형 전자부품 공정과 양립하기 때문에, 통상의 공정을 약간 변화시키면서 신규한 유전체를 사용하여 감소된 크기의 커패시터를 제조할 수 있다.
본 발명자들은 TiO2를 도핑하거나 하지 않고 유전 상수를 증대시키는 산화 탄탈을 포함하는 박막의 제조 방법을 개발했다. 구체적으로는, 본 발명자들은 450℃ 보다 높은 온도, 보다 바람직하게는 550℃ 보다 높은 온도에서 산소 풍부 분위기중에 Ta2O5를 스퍼터링하여 증대된 유전 특성을 갖는 신규한 결정상 박막을 생성함을 밝혀냈다.
본 발명의 잇점, 특성 및 여러 가지 추가의 특징은 첨부한 도면과 관련하여 상세히 기술할 예시 태양을 고려하여 보다 충분히 알수 있을 것이다.
도면에서, 도 1은 증대된 유전 특성을 갖는 산화 탄탈을 포함하는 막을 성장시키는 단계들을 나타내는 블록 선도이고;
도 2는 도 1의 공정을 실행하는데 유용한 바람직한 장치의 개요도이고;
도 3은 도 1의 공정에 의해 제조된 바람직한 제품의 단면도이고;
도 4는 도 1의 공정에 의해 성장된 다양한 산화 탄탈 막에 있어서 유전 상수 대 조성의 그라프 도이고;
도 5는 도 1의 공정에 의해 성장된 대표적인 막의 유전 손실 대 주파수의 도면이다.
도면은 본 발명의 개념을 예시할 목적으로 나타낸 것이며, 그라프를 제외하고 비례등급은 아니다.
도면에서, 도 1은 증대된 유전 특성을 갖는 산화 탄탈을 포함하는 막을 성장시키는 단계를 나타내는 블록 선도이다. 블록 A에 나타낸 바와 같이, 제 1 단계에서는 막이 성장할 기판 뿐 아니라 산화 탄탈 또는 산화 탄탈 전구체를 포함하는 타겟을 제공한다. 바람직한 타겟은 산화 탄탈을 포함한다. 타겟은 직경 2", 두께 1/8"의 펠릿 형태가 편리하다. 또한, 타겟은 탄탈 금속, 앞서 언급한 카바의 출원에 기술된 바와 같이 산화 티탄으로 도핑된 산화 탄탈이거나 탄탈 금속과 티탄 금속으로 구성된 이중 조성의 타겟일 수 있다.
기판은 전도성 또는 반전도성 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 전도성 전극층이 침착된 절연 또는 반전도성 기판일 수 있다. 전극은 Pt/Ta 이층 또는 TiN 막인 것이 바람직하다.
도 1의 블록 B에 나타낸 다음 단계는 산소 풍부 저압 분위기 속에서 타겟과 기판을 배치하는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 타겟(10)을 스퍼터 건(12)으로 부터의 이온 충돌(bombarding)을 수용할 수 있는 챔버(11)안에 장착한다. 도 2에 도시된 축방향 스퍼터링에서, 타겟 바로 밑의 기판 온도 조절용 가열 수단(15)에 인접한 홀더(14)위에 기판(13)을 배치한다.
장착한 후, 챔버를 먼저 10-7Torr 정도의 낮은 베이스 압력으로 배기시킨 후, 분위기 기체를 챔버로 방출시킨다. 분위기 기체를 예를 들면 아르곤과 같은 불활성 기체와 약 2㎛Hg보다 높은 분압을 갖는 일정 농도의 산소의 혼합물이다. Ar/O2비율은 4:1 또는 그보다 적은 비율이 바람직하다. 총 기체 압력은 전형적으로 15 내지 25 ㎛의 범위내가 전형적이다. 25 ㎛의 총 압력 및 1:1의 비율에서 우수한 막을 얻었다.
제 3 단계(블록 C)는 기판을 450℃보다 높은 온도, 바람직하게는 550℃보다 높은 온도로 가열하는 것이다.
도 1의 블록 D에 나타낸 다음 단계는 이온들을 타겟에 지정하여 타겟으로부터의 물질을 산소 풍부 분위기 기체중에서 가열된 기판위에 스퍼터링하는 것이다. 스퍼터 건으로 유에스, 인코포레이티드(US, Inc.)에서 시판하는 마그네트론 소스를 사용하여 125 와트 수준의 rf 동력에서 작동하는 소스에 의해 시간당 700 Å의 성장 속도를 생성했다. 성장한 후, 챔버를 300 mmHg의 압력하에서 O2에 배기시키고, 피복된 기판을 실온으로 냉각시킬 수 있다.
통상적으로 성장된 산화 탄탈 막과 비교할 때 증대된 유전 상수를 갖는 결정상의 막이 챔버로 부터 나타났다. 결정상의 존재는 x-선 회절에서 23, 27, 33 및 36중 20에서 나타나는 재생가능한 브래그(Bragg) 반사로부터 분명하다. 이 x-선 회절 패턴은 상기에서 언급한 카바 등의 출원에 보고된 Ta2O5-H1상과 구조적 차이를 나타낸다. 이 구조는 육각형 구조를 갖는 Ta2O5-δ1상으로 기술되었다. 육각형 A, C축의 막 격자 변수는 벌크 재료와 비교할 때 각각 1% 및 3%정도 팽창된다.
금속-산화물-금속 커패시터 구조를 완성하기 위해, dc 스퍼터링에 의해서와 같이 상부 전도성 전극을 산화물에 침착시킨다. 상부 전극으로 바람직한 물질은 Al 또는 Pt이다.
증대된 유전 특성을 갖는 산화 탄탈 막을 제조하는 방법은 하기 구체적인 실시예를 고려하여 더 잘 이해될 수 있다.
실시예 1
단일 복합 세라믹 타겟으로부터 산화 탄탈 및 티탄 도핑된 산화 탄탈을 포함하는 막을 rf 스퍼터링 방식으로 제조했다. 타겟을 제조하기 위해 고 순도의 산화 탄탈 및 산화 티탄을 몰 비율로 혼합하고, 기계적으로 분쇄하고, 중간 정도로 분쇄하면서 1350℃ 내지 1400℃의 공기중에서 조밀한 Al2O3도가니에서 여러날 밤 구웠다. 이어서 분말을 펠릿으로 압착하고 1400℃에서 16 내지 24 시간동안 그 자신의 조성을 갖는 분말상태로 공기중에서 구웠다. 노의 전원을 끄기 전에 이들을 시간당 200℃의 속도로 100℃로 냉각시켰다.
도 3에 나타낸 유형의 박막 커패시터를 제조했다. 구체적으로는, 사용된 기판은 500Å의 Ta 완충 층(31) 및 기저 전극용의 4000 Å의 Pt 층(32)으로 피복된 실리콘 웨이퍼(30)(4 인치 직경)이다. 도 1의 방법을 사용하여 Pt 기저 전극(32) 위에 새도우 마스크(도시하지 않음)를 통해 유전층(33)을 침착시켰다. 유전층 위에 놓인 또다른 새도우 마스크를 통해 Pt 또는 Al 상부 전극(34)를 침착시키므로써 박막 커패시터를 완성했다.
이 커패시터는 다양한 기판 온도를 사용하여 제조했다. 통상의 350℃ 미만의 온도에서 침착시킨 막은 약 30 내지 40의 유전 상수 ε을 나타내지만 본 발명에 따라 550℃ 이상의 온도에서 침착시켜 얻은 결정성 유전체 막은 1 MHz에서 75 내지 80으로 증대된 유전 상수 ε을 나타낸다.
실시예 2
O2가 풍부한 분위기중에서 반응성 dc 또는 rf 스퍼터링을 사용하여 탄탈 및 티탄 금속 타겟을 동시스퍼터링하므로써 유전 층을 제조함을 제외하고 실시예 1과 동일한 절차를 이용했다. 상이한 수준의 동력을 적용하여 2개의 타겟을 스퍼터링하므로써, 다양한 Ta2O5/TiO2조성물을 얻었다.
도 4는 350℃, 450℃ 및 550℃의 온도에서 침착시키는 동안 유전 상수ε 대 Ti 조성 (x 몰%)의 도면이다. ε가 증대하는 조성 범위는 이웃에서 벌크 재료의 약 8%의 좁은 범위와 비교할 때 더 넓은 TiO2조성 범위(0% 내지 25%)로 연장됨을 주목한다.
도 5는 유전 손실 대 주파수의 도면이다. 막은 1 MHz에서 약 0.01의 전형적인 손실 탄젠트와 함께 측정된 주파수 범위에서 10 KHg에서 10 KHz로 낮은 손실을 나타낸다. 외삽된 롤-오프 주파수는 직경 0.5 mm 이하의 커패시터에서 약 300 MHz이다.
유전 층은 마이크로커패시터에서 사용할 수 있는 탁월한 특성을 갖는다. 크기가 30 Km 및 50 Hm의 커패시터의 석판인쇄 패턴화를 이용하여 3 GHz 이하에서 우수한 유전체 성능이 입증되었다. 누출 전류 밀도는 1V에서 1 x 10-8A/cm2미만이다. C-V 측정은 약 60 ppm의 비선형 계수에 의존하여 거의 선형 전압을 나타낸다.
전술한 태양은 본 발명의 적용을 나타낼 수 있는 많은 가능한 특정 태양중 일부분 만을 예시하는 것으로 생각되어야 한다. 본 발명의 진의 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 당해 분야의 숙련가들은 다양한 많은 기타 변형을 수행할 수 있다.

Claims (15)

  1. 산화 탄탈(Ta2O5) 또는 탄탈을 포함하는 스퍼터링 타겟, 및 기판을 제공하는 단계;
    상기 타겟 및 기판을 대략 10-7Torr의 베이스 압력(base pressure)의 분위기 속에 배치하는 단계;
    약 2㎛Hg의 산소 분압을 갖는 불활성 기체와 산소의 혼합물을 상기 분위기 속으로 주입하는 단계;
    상기 기판을 450℃ 이상의 온도로 가열하는 단계; 및
    타겟으로부터 기판 위로 물질을 스퍼터링하기 위해 이온을 상기 타겟에 충돌(bombarding)시킴으로써 상기 기판 상에 60 이상의 유전 상수를 갖는 결정상의 산화 탄탈을 포함하는 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    유전 특성이 향상된 산화 탄탈을 포함하는 결정상 유전층의 성장방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판이 전도성 층을 갖는 실리콘 기판을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 기체와 산소의 혼합물 주입 단계가 분위기에서 15 내지 25㎛Hg범위의 총 기체 압력을 생성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    불활성 기체와 산소의 혼합물을 상기 분위기로 4:1 이하의 혼합비로 주입하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 550℃ 보다 높은 온도로 가열하여 유전 물질이 75 이상의 유전 상수를 갖게 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟이 산화 탄탈과 산화 티탄의 혼합물을 포함하는 방법.
  7. 산화 탄탈 또는 탄탈을 포함하는 스퍼터링 타겟, 및 표면에 제 1 전도성 전극을 갖는 실리콘을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    상기 타겟 및 기판을 대략 10-7Torr의 베이스 압력의 분위기 속에 배치하는 단계;
    약 2㎛Hg의 산소 분압을 갖는 불활성 기체와 산소의 혼합물을 상기 분위기 속으로 주입하는 단계;
    상기 기판을 450℃ 이상의 온도로 가열하는 단계;
    타겟으로부터 기판 위의 금속 전극 위에 물질을 스퍼터링하기 위해 이온을 상기 타겟에 충돌시킴으로써 상기 전극 위에 60 이상의 유전 상수를 갖는 결정상의 산화탄탈을 포함하는 층을 형성하는 단계; 및
    상기 유전층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는,
    유전 특성이 향상된 결정상 유전층을 갖는 박막 커패시터의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 불활성 기체와 산소의 혼합물 주입 단계가 분위기에서 15 내지 25㎛Hg범위의 총 기체 압력을 생성하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 불활성 기체와 산소의 혼합물을 상기 분위기로 4:1 이하의 혼합비로 주입하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판을 550℃ 보다 높은 온도로 가열하여 유전 물질이 75 이상의 유전 상수를 갖게 하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 타겟이 산화 탄탈과 산화 티탄의 혼합물을 포함하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전극이 백금, 탄탈 및 TiN으로부터 선택된 하나 이상의 물질의 층을 포함하는 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판이 전도성 층을 갖는 실리콘 기판을 포함하는 방법.
  14. 제 7 항 에 있어서,
    상기 제 전극이 백금 및 알루미늄으로부터 선택된 하나 이상의 물질의 층을 포함하는 방법.
  15. 제 8 항 내지 제 12항 및 제 13 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항의 방법으로 제조한 커패시터.
KR1019970018889A 1996-05-17 1997-05-16 증대된유전특성을갖는산화탄탈박막층의제조방법및그층을사용하는커패시터 KR100296156B1 (ko)

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