KR100416733B1 - 강유전성캐패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 FRAM(Ferroelectric Random Acess Memory)에 메모리 셀로 사용되는 강유전성 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명 캐패시터는 기판과; 상기 기판 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상에 마련되는 Rh 하부 전극; 상기 절연층과 상기 Rh 하부 전극 사이에 개재되는 접착층; 상기 Rh 하부 전극 상에 마련되는 강유전체층; 및 상기 강유전체층의 위에 마련되는 Rh 상부 전극;을 구비한다. 이러한 본 발명 강유전성 캐패시터은, 전극 소재로 사용되는 Rh 가 기존의 전극으로 사용되는 에 비해 조직이 치밀하기 때문에 접착층의 소재로 사용되는 Ti 의 확산에 매우 강하며, 또한 전기 전도도 및 열전달 특성이 우수하여 전기적 특성에 있어서 월등하다.
Description
본 발명은 강유전성(Ferroelectric) 박막을 갖는 캐패시터에 관한 것으로서, 특히 FRAM(Ferroelectric Random Acess Memory)에 메모리 셀로 사용되는 강유전성 캐패시터에 관한 것이다.
강유전성 캐패시터는 전하의 전달을 위해 전도성이 좋은 전극을 요구한다.일반적으로 사용되는 백금전극은 강유전체의 막 피로 현상으로 인한 전기적 특성 저하가 문제시되고 있다.
기존의 전극으로 주로 사용되는 Pt(백금) 또는 Pt/Ti(티타늄) 전극과 PZT (PbZrTiO3)등의 강유전체와의 계면에 산소 공핍(Oxygen vacancy) 들로 인해 전기적 특성이 급격히 저하되게 된다. 즉, 강유전체에서 확산되는 산소 공핍들은 계면에서 계속 축적되어 분극반전시 분극값이 급격히 줄어들어 막 피로(Fatigue)를 초래한다.
이와 같은 피로를 가중시키는 산소 공정이 계면으로 확산되어 공간 전하 (Charge) 영역에 형성되는 것을 억제하기 위해서 RuO2와 같은 전도성 산화물 전극이 제안된 바 있다. 이는 전도성 산화물 전극은 전술한 한바와 같이 막 피로 현상을 지연시킬수는 있으나 누설전류가 커서 메모리 소자로 사용하기가 어렵다는 결점을 가진다. 이러한 원인은, 전도성 산화물 전극과 강유전체 계면에 존재하는 결함 (defect state)들로 인한 전자 장벽값(Barrier Height)이 감소되어 전류 누설을 증가시킨다. 특히 PZT가 사용되는 경우, 하부 전극으로 사용되는 Ru(루테늄) 금속이 확산되어 PZT의 결정 입자(grain) 경계에서 PbO와 반응하여 전도성 물질인 납-루테늄산염(PbRuO3-x)을 형성함으로써 강유전체 박막의 전기저항을 줄인다.
한편, FRAM의 구조 상 Pt 전극은 SiO2절연막 위에 증착되어야 하는데, 이 경우 두 물질간의 접착성이 좋지 않아 접착층(grue layer)로서 Ti 박막을 이들 사이에 개재시켜주어야 한다. 그런데, Ti 는 산소와의 친화력이 매우 크기 때문에PZT 또는 Y1 을 증착할 시 하부전극인 Pt 층을 뚫고 나오는 경향이 강해서 PZT 또는 Y1 의 특성을 저하시키게 된다.
본 발명은 Ti 확산에 의한 강유전체의 특성 저하를 억제할 수 있는 강유전성 캐패시터를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 피로가 적어서 장시간 사용할 수 있는 강유전성 캐패시터를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 강유전성 캐패시터는;
기판과;
상기 기판 상에 형성되는 RhOx 절연층;
상기 절연층 상에 마련되는 Rh 하부 전극;
상기 절연층과 상기 Rh 하부 전극 사이에 개재되는 RhOx 접착층;
상기 Rh 하부 전극 상에 마련되는 강유전체층; 및
상기 강유전체층의 위에 마련되는 Rh 상부 전극;을 구비하는 점에 그 특징이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전성 캐패시터의 다른 유형은; 기판과;
상기 기판 상에 형성되는 절연층;
상기 절연층 상에 마련되는 Rh 하부 전극;
상기 절연층과 상기 Rh 하부 전극 사이에 개재되는 RhOx 제1접착층;
상기 제1접착층 상에 마련되는 강유전체층;
상기 강유전체충의 위에 마련되는 RhOx 제2접착층; 및
상기 제2접착층의 위에 마련되는 Rh 상부 전극;을 구비하는 점에 그 특징이 있다.
상기 본 발명의 캐패시터에 있어서, 상기 강유전체는 PZT, 도핑된 PZT(doped with Nb, La, Zn, Ta, Sc), Yl(SBN(SrBi2Nb2O9), SBT(SrBi2Ta2O9), SBTN (SrBi2TaNb2O9)), BST 중의 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판으로는 실리콘 웨이퍼를 적용하며, 절연막으로서 200 nm의 SiO2가 사용된다.
그리고 접착층은 반응성 스퍼터링법에 의해 제조된 20 내지 5nm 두께의 Ti 또는 RhOx(RhO2, Rh2O3)또는 RhO2와 Rh2O3의 혼합층이다. 상기 접착층 형성을 위한 스퍼터링 장치의 파워와 반응가스 압력은 300 내지 500W, 바람직하게는 500W 및 5 내지 10mTorr, 바람직하게는 5mTorr이며, 반응가스는 7:3 내지 8:2, 바람직하게는 4:1 중량비로 혼합된 200 내지 300 ℃ 범위의 Ar/O2혼합가스이다.
Rh 전극은 약 1500nm 정도를 두께를 가지며, 이는 DC 마그네트론 스퍼터링 법에 의해 형성된다. Rh 전극을 형성하기 위한 스퍼터링 장치의 파워는 10 내지 500W, 바람직하게는 300 내지 500w이며, 반응가스로 사용되는 Ar 1-20mTorr, 바람직하게는 5내지 9mTorr, 온도는 200도 정도이다. 그리고 강유전체층은 졸-겔법에 의해 형성될 수 있는데, 강유전체 용액을 250nm의 두께로 스핀 코팅된 후 650도의온도 하에서 약 30분동안 열처리된다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 캐패시터의 제1실시예의 적층구조를 보인다.
실리콘 웨이퍼인 기판(10) 상에 SiO2또는 RhOx 절연층(20)이 약 500nm 정도의 두께로 마련된다. 이 절연층(20)은 FRAM에 있어서, 그 하부의 트랜지스터(미도시)와 후술되는 캐패시터를 전기적으로 절연하기 위한 것이다.
상기 절연층(20)의 위에는 20nm 정도의 두께를 가지는 접착층(30)으로서의 RhOx 또는 Ti로 된 박막이 형성된다. 이 접착층은 그 하부의 절연층과 후술되는 Rh 하부 전극(40)과의 접착성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 접착층(30)의 상부에는 Rh(로듐) 하부 전극(40)이 형성되는데, 이의 두께는 약 150 nm 이하이다. 그리고 하부 전극(40) 상에는 PZT 또는 Yl 또는 BST 강유전체층(50)가 250nm 이하의 두께로 형성되어 있다. 그리고 최종적으로 상기 강유전체층(50)의 위에는 Rh 상부 전극(60)이 형성되어 있다.
제2도는 본 발명에 따른 캐패시터의 제2실시예의 적층구조를 보인다.
실리콘 웨이퍼인 기판(10) 상에 SiO2절연층(20)이 200 내지 250nm 정도의 두께로 마련된다. 이 절연층(20)은 FRAM에 있어서, 그 하부의 트랜지스터(미도시)와 후술되는 캐패시터를 전기적으로 절연하기 위한 것이다.
상기 절연층(20)의 위에는 20 내지 50nm 정도의 두께를 가지는 제1접착층으로서의 RhOx 또는 Ti 박막(30a)이 형성된다. 이 제1접착충은 그 하부의 절연층과 후술되는 Rh 하부 전극(40)과의 접착성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 제1접착층(30a)의 상부에는 Rh(로듐) 하부 전극(40)이 형성되는데, 이의 두께는 약 150 nm 이하이다. 그리고 하부 전극(40)상에는 PZT 또는 Yl 또는 BST 강유전체층(50)가 250nm 이하의 두께로 형성되어 있다. 상기 강유전층(50)의 위에는 Ti 또는 RhO2로된 제2접착층(30b)이 형성된다. 그리고 최종적으로 상기 제2접착층(30b)의 위에는 Rh 상부 전극(60)이 형성되어 있다.
이상과 같은 구조의 본 발명의 제2실시예에 따른 캐패시터는 전극소재로서 Rh 을 사용하고 있다는 점에 그 특징이 있는데, 그 제조 방법은 다음과 같다.
먼저 제3도에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 상에 SiO2절연층(20)을 형성한다. 이러한 산화물층은 일반적인 증착법과 산화법이 사용된다.
이상과 같은 공정을 통해 절연층(20)이 형성되면, 제4도에 도시된 바와 같이, Ti 또는 RhOx 제1접착층(30)을 형성하고 그 위에 하부 전극(40)을 Rh 소재로서 증착하여 형성한다. Rh를 증착함에 있어서는 DC 마그네트론 스퍼터링법을 사용하는 것이 적절하며, 이때의 조건은 온도 200도, Ar 압력 9.0 mTorr, 파워는 500W 가 바람직하다.
그리고, 제5도에 도시된 바와 같이, 상기 하부 전극(40)의 상부에 강유전체층을 형성한다. 여기에서 강유전체층은 PZT, Yl, BST 중의 어느 하나의 소재를 사용한다. 강유전체층은 졸-겔법을 사용하는 것이 바람직하다. 졸-겔법에 있어서는강유전체 용액을 스핀 코터 등으로 도포한 후 베이킹하는 과정을 수회 반복하고, 최종적으로는 어닐링하는 과정을 거침으로써 강유전체 내에 패르브스카이드 구조가 생성되게 한다.
강유전체층이 형성된 이후에는, 제6도에 도시된 바와 같이, 제2접착층(30b)과 Rh 상부 전극(60)을 형성하는데 이들은 상기 제1접착층과 하부 전극과 같은 방법으로 형성된다.
이상과 같은 방법에 의해 제조된 본 발명 강유전성 캐패시터에 있어서, 전극의 소재로 사용되는 Rh는 기존의 전극의 소재로 사용되는 Pt와는 달리 산소와 반응하여 계면에 물리적으로 안정된 도전성 RhOx(RhO2또는 Rh2O3) 또는 이들의 RhO2와 Rh2O3혼합층을 형성한다. 이 RhOx는 본 발명에 있어서 접착층으로 사용되는데 이 접착층은 SiO2절연층과 Rh 전극을 강하게 접착시켜 주며, 특히 PZT 강유전체의 성분인 Pb의 확산을 방지한다. 이 RhOx 접착막은 실질적으로 RhO2와 Rh2O3의 고용체 (Solid Solution)이다. 화학적으로 Rh2O3가 많은 상(Phase)일수록 신뢰성면에 유리하다. 한편 Ti를 접착층으로 사용하는 경우에 있어서는, 전극 소재로 사용되는 Rh이 기존의 전극으로 사용되는 Pt 에 비해 조직이 치밀하기 때문에 Ti 의 확산에 매우 강하며, 또한 전기 전도도 및 열전달 특성이 우수하여 전기적 특성에 있어서 월등하다. 이러한 본 발명 캐패시터과 Pt 전극을 사용하는 종래 캐패시터의 특성을 비교검토한 결과 다음과 같은 차이점을 발견하였다.
제7도에 나타낸 본 발명의 제2실시예에 따른 캐패시터의 XRD 분석표는 Rh를 전극으로 사용한 경우 Pt를 전극으로 사용한 경우와는 달리 PZT는 (001) 방향으로 에피텍셜하게 성장되며, 따라서 이와같이 에피텍셜하게 성장된 PZT에 의하여 항(코어시브) 전압이 낮아질수 있음을 보여준다.
제8도와 제9도는 본 발명에 따른 캐패시터들의 피로특성을 각각 보이며, 제10도는 종래 캐패시터의 피로 특성을 보인다. 여기에서 검토된 본 발명 캐패시터는 강유전체로서 PZT를 적용하고 접착층으로서는 Ti 또는 RhOx를 적용한 것이다. 제8도와 제9도에 도시된 바와 같이 본 발명 캐패시터가 제10도에 도시된 종래 캐패시터에 비해 피로 특성이 우수하다. 이와 같은 피로 특성의 우수성은 결국 수명이 보다 길다는 것을 의미하다. 도면에서 X 좌표는 시간의 로그 스케일로서 본 발명 캐패시터의 분극값(Y좌표: 단위 μC/cm2)이 일정하게 유지하다가 107싸이클(제8도)과 109싸이클에서 완만하게 하강하는 반면에, 종래 캐패시터의 분극값은 지속적으로 강하하다가 106사이클이 지난 후에 급격히 강하하는 특성을 보인다.
한편, 제11도와 제12도는 위에서 언급된 본 발명 제1실시예에 따른 캐패시터와 종래 캐패시터의 히스테리시스 루우프이다. 먼저 제11도를 살펴보면, 본 발명 제1실시예에 따른 캐패시터의 음의 코어시브 전압(coercive voltage, Vc)이 -0.999 볼트, 그리고 양의 코어시브 전압(+Vc)이 1.403 볼트(+Vc)로서 전체 코어시브 전압 ((-Vc)+(+Vc))가 약 2.5 볼트이다. 그리고, 양의 잔류 분극(+Pr)은 21.572(μC/cm2)이며, 음의 잔류분극(-Pr)은 27.080(μC/cm2)이다. 그런데, 제12도를 살펴보면, 종래 캐패시터의 음의 코어시브 전압(coercive voltage, Vc)이 -1.009 볼트, 그리고 양의 코어시브 전압(+Vc)이 1.986 볼트 (+Vc)로서 전체 코어시브 전압((-Vc)+(+Vc))가 약 3 볼트이다. 그리고, 양의 잔류 분극(+Pr)은 27.826(μC/cm2)이며, 음의 잔류분극(-Pr)은 -38.036(μC/cm2)이다. 또한 제12도에 도시된 바와 같이, 피로특성이 장시간 동안 변하지 않는다.
이상과 같은 같은 결과를 종합하여 보면, 전극으로서 Pt 대신에 Rh를 사용하고 그리고 접착층의 소재로서 RhOx 또는 Ti를 사용하면, 피로 특성 및 코어시브 전압 특성이 향상되는 것을 알수 있다.
제1도는 본 발명에 따른 강유전성 캐패시터의 제1실시예의 개략적 단면도,
제2도는 본 발명에 따른 강유전성 캐패시터의 제2실시예의 개략적 단면도,
제3도 내지 제6도는 본 발명의 제2실시예의 제조 방법의 공정 흐름도,
제7도는 본 발명 제2실시예에 따른 캐패시터의 XRD 분석표,
제8도와 제9도는 본 발명에 따른 캐패시터 들의 피로특성을 보이는 피로특성 선도이며,
제10도는 종래 캐패시터의 피로 특성 선도, 그리고
제11도와 제12도는 본 발명에 따른 캐패시터와 종래 캐패시터의 히스테리시스 루우프를 보이는 선도이다.
Claims (11)
- 기판과;상기 기판 상에 형성되는 RhOx 절연층;상기 절연층 상에 마련되는 Rh 하부 전극;상기 절연층과 상기 Rh 하부 전극 사이에 개재되는 RhOx 접착층;상기 Rh 하부 전극 상에 마련되는 강유전체층; 및상기 강유전체층의 위에 마련되는 Rh 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 RhOx 는 RhO2인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 RhOx 접착층은 RhO2와 Rh2O3와의 혼합상인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강유전체층은 PZT, Yl(SBN, SBT 또는 SBTN) 및 BST 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제3항에 있어서, 상기 강유전체층은 PZT, Yl(SBN, SBT 또는 SBTN) 및 BST 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐피시터.
- 기판과;상기 기판 상에 형성되는 절연층;상기 절연층 상에 형성되는 Rh 하부 전극;상기 절연층과 상기 Rh 하부 전극 사이에 개재되는 RhOx 제1접착층;상기 제1접착층 상에 마련되는 강유전체층;상기 강유전체층의 위에 마련되는 RhOx 제2접착층; 및상기 제2접착층의 위에 마련되는 Rh 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 절연층은 SiO2로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 강유전체층은 PZT, Yl(SBN, SBT 또는 SBTN) 및 BST 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 RhOx 접착층은 RhO2인 것을 특징으로 하는 강유전성캐패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 RhOx 는 RhO2와 Rh2O3와의 혼합상인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
- 제6항에 있어서, 상기 강유전체는 Nb, La, Zn, Ta 및 Sc 로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 도핑된 PZT 인 것을 특징으로 하는 강유전성 캐패시터.
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