KR100434615B1 - 복합 산화물 박막의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

복합 산화물 박막의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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Abstract

분무 상태의 금속 화합물 용액을 2-유체 노즐을 사용하여 압력이 약 100Torr 이하로 유지된 성막 체임버에 주입하여 복합 산화물 박막을 형성한다. 상기 2-유체 노즐에서, 산화성 기체를 포함한 기체가 사용된다. 금속 화합물을 용해하기 위하여, 상압에서 약 100℃ 이상의 끓는점을 갖는 용매가 사용된다.

Description

복합 산화물 박막의 제조 방법 및 제조 장치{Method of Producing Complex Oxide Thin-Film and Production Apparatus}
본 발명은 복합 산화물 박막의 제조 방법 및 상기 복합 산화물 박막의 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 커패시터의 면적이 작더라도 큰 정전 용량을 나타낼 수 있는 박막 커패시터 등의 전자 장치에 사용되는 복합 산화물 박막의 제조 방법 및 상기 복합 산화물 박막의 제조 장치에 관한 것이다.
최근에, 전자 부품에 있어서 고밀도 회로가 개발되고 있다. 모놀리식 세라믹 커패시터 등의 전자 장치에서, 그 크기의 감소와 성능 향상에 대한 요구가 증가하고 있다.
통상, 모놀리식 세라믹 커패시터는 다음과 같은 방법으로 제조된다.
(1) 먼저, 전극 페이스트가 소정의 크기로 절단된 세라믹 그린 시트에 인쇄되어 건조된다.
(2) 다음으로, 인쇄되어 건조된 상기 전극 페이스트를 각각 포함하는 상기 그린 시트를 적층하고 압착시켜서, 적층되어 압착된 블록을 형성한다.
(3) 상기 적층되어 압착된 블록은 소정의 위치로 절단되어, 개개의 소자로 분할된다.
(4) 분할된 개개의 소자들이 소정의 조건에서 소성된다.
(5) 소성된 소자의 소정의 위치에 외부 전극 페이스트를 도포하고, 외부 전극을 형성하도록 태워서, 제품으로서의 모놀리식 세라믹 커패시터를 얻는다.
상술한 종래의 방법으로 모놀리식 세라믹 커패시터를 제조하는 경우, 유전체 층의 두께를 세라믹 원료 분말의 결정립의 크기보다 작게하는 것이 불가능하다. 세라믹 원료 분말의 결정립의 크기보다 두께가 큰 경우라도, 유전체 층의 두께를 지나치게 얇게하면, 유전체 층의 결함에 기인하여 단락 회로 및 전극의 교차가 쉽게 야기된다는 문제가 발생한다. 현재, 두께가 약 1㎛ 이하인 유전체 층을 가진 모놀리식 세라믹 커패시터를 제조하는 것은 어렵다. 이와 같이, 소형이고 용량이 증가된 커패시터의 개발이 제한된다.
상기 문제들을 해결하고 두께가 1㎛ 이하인 모놀리식 세라믹 커패시터를 제조하기 위하여, CVD법, 솔젤(sol-gel)법, PVD법 등의 박막 제조 공정이 유전체 제조의 방법으로 연구되었다.
이들 방법들 중에서, 원료 가스를 성막 체임버에 주입하여 가열된 기판 위에 막을 형성하는 CVD법은 결정성이 우수하고 높은 유전율을 얻을 수 있다는 것을 특징으로 한다. 그러나, 구성 원소가 많아지면, 장치가 매우 복잡하게 되어, 비용이 증가하게 된다.
높은 유전율을 보이는 BaTiO3, SrTiO3, (Ba, Sr)TiO3, PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, (Pb, La)TiO3, (Pb, La)(Zr, Ti)O3, Pb(Mg, Nb)O3등의 유전체 재료를 사용하면, 원료들이 상온 및 상압에서 고체 또는 액체이기 때문에, 상기 재료들을 감압하에서 기화 또는 승화되도록 가열하는 것이 요구된다.
또한, 재료들의 기화(vaporization) 또는 승화를 위하여 재료들이 충분한 증기압(vapor pressure)을 가질 것이 요구된다. 나아가, 복합 산화물 박막의 제조에 있어서, 기화 온도(gasification temperature)가 가장 높은 재료의 기화 온도는 분해 온도가 가장 낮은 재료의 분해 온도보다 낮을 것이 요구된다. 따라서, 재료의 선택폭이 매우 좁아지게 된다. 이와 같이, 통상은 고가의 재료를 사용해야 하는 문제점이 발생한다.
일반적으로, 원료를 기화(gasification)시키기 위하여 가열하는 것이 요구된다. 따라서, 원료 자체의 중합(polymerization) 등의 화학 반응이 발생하여 원료가 변질되는 문제가 발생하여, 기화량이 안정되게 얻어질 수 없게 되고, 조성의 제어가 어렵게 된다.
이러한 문제들을 해결하기 위하여, THF(tetrahydrofuran: C4H8O)에서 용해된CVD 원료를 가열된 기화기에 공급하여 분무화시키고 기화시켜, 기화 상태의 원료를 성막 체임버에 운송하여 성막하는 방법이 제안되었다(일본 미심사 특허출원 공개공보 No. 9-219497).
상기 방법에서는, 원료를 기화시키기 전에 가열하는 공정이 요구되지 않는다. 따라서, 원료의 변질을 방지할 수 있다. 한편, 기화된 원료를 성막 체임버로 운송하는 것이 필요하다. 따라서, 운송 과정에서 응축, 고화, 분해 등이 일어나지 않는 원료를 선택할 필요가 있다. 즉, 상기 방법은 원료의 선택 범위가 제한된다는 점에서 통상의 CVD법과 유사하다.
또한, 일본 미심사 특허출원 공개공보(No. 9-213643)에는, 원료 용액을 초음파 분무기로 분무화시키고, 형성된 액체 방울을 200 내지 700 Torr의 압력으로 유지된 체임버로 운송하고, 체임버 내에 고정된 기판에 증착한 후, 상기 증착막을 550 내지 850℃의 온도로 열처리함으로써, 유전체 박막을 얻는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서, MOD법 또는 솔젤법에 의한 성막 공정은 분무된 액체 방울을 사용하여 수행된다. 상술한 CVD 원료 이외의 원료를 사용할 수 있고, 게다가 상온 근처에서 증착을 할 수 있다는 것이 특징이다.
그러나, 이 방법은 상온 근처에서 그리고 비교적 높은 압력하에서 성막하게 된다. 따라서, 막(film) 내에 액체 방울로서 존재하고 있는 유기 성분들이 막 내에 잔존하게 된다. 즉, 성막 후 감압과 건조, 그 후의 열처리가 필수적이다. 따라서, 건조 및 열처리 공정 중에 균열(cracking) 등이 쉽게 야기되는 문제가 생긴다. 이러한 문제는 솔젤법에서와 유사하다. 따라서, 상기 방법으로 균열이 없는 유전체막을 형성하려면, 성막 후에 감압, 건조 및 열처리를 충분히 행할 수 없다. 따라서, 막 내에 유기 성분이 잔존하게 되어, 충분한 결정성을 실현할 수 없고, 높은 유전율을 얻는 것이 어렵게 되는 문제가 생긴다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 산화물 박막의 제조 장치의 기본 구조를 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막의 제조 장치에서 사용되는 2-유체 노즐의 구성을 보여주는 도면이다.
상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명이 고안되었다. 본 발명의 목적은 복잡한 공정이 필요없이 저가의 원료를 사용하여 유전율이 높고 신뢰도가 우수한 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있는 복합 산화물 박막의 제조 방법을 제공하고, 또한 상기 복합 산화물 박막의 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 복합 산화물 박막의 제조 방법은, (a) 용매 내에 적어도 두 종류 이상의 금속 화합물을 용해시켜서 금속 화합물 용액을 준비하는 공정, (b) 상기 금속 화합물 용액을 2-유체 노즐을 사용하여 분무 상태로 만들어서, 상기 분무화된 용액을 압력이 약 100Torr 이하로 유지된 성막 체임버(film-forming chamber)에 직접 주입하는 공정 및 (c) 상기 성막 체임버 내에 배치되고 상기 용매의 끓는점 이상의 온도로 가열된 기판 위에 복합 산화물 박막을 형성하는 공정으로 이루어진다.
금속 화합물 용액을 2-유체 노즐(two-fluid nozzle)을 통해 분무 상태로 만들고, 분무화된 용액을 압력이 약 100Torr 이하로 유지된 성막 체임버에 직접 주입하기 때문에, 금속 화합물 용액을 기화시키거나 분무화하여 배관 내에서 운송시킬 필요가 없다. 따라서, 기화 온도 및 분해 온도 사이의 관계가 문제되지 않으므로, 원료의 선택의 자유도가 커진다. 높은 유전율 및 우수한 신뢰도의 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.
분무 장치로서는, 2-유체 노즐을 사용하였다. 이를 통해, 형성된 액체 방울에 충분한 속도를 줄 수 있고, 가열된 기판에 효율적으로 막을 형성할 수 있다.
상기 2-유체 노즐은, 액체 및 기체를 혼합할 수 있고 상기 혼합물을 분사하여 액체를 분무화하는 노즐을 의미한다. 상기 노즐의 구체적인 구성 및 구조는 특별히 제한되지 않는다.
2-유체 노즐 내에 사용되는 기체는 산화성 기체가 바람직하다. 2-유체 노즐에 산화성 기체가 포함된 기체를 사용함으로써, 성막 체임버 내에서, 산화 분위기에서 성막을 행할 수 있다. 따라서, 특성이 안정한 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 적어도 두 종류 이상의 금속 화합물을 용해시키는 용매는 상압에서 적어도 약 100℃의 끓는점을 가지는 것이 바람직하다. 상압에서 적어도 약 100℃의 끓는점을 갖는 용매를 사용하는 경우, 분무 상태의 원료 내에 함유된 용매 성분이 원료가 기판에 접근하기 전에 증발된다. 따라서, 원료가 분말을 형성하는 것을 방지 또는 억제하면서, 효율적으로 성막하는 것이 가능하다.
용매로서 높은 끓는점(상압에서의 끓는점이 약 100℃ 이상)을 가지는 용매를 사용하더라도, 성막 체임버 내의 압력을 약 100Torr 이하로 설정하고, 또한 기판을 가열한 상태에서 성막을 행하기 때문에, 성막시 막 내에 유기 성분이 잔존하는 것이 방지되어, 결정성이 좋고 유전율이 높은 복합 산화물 박막을 제조할 수 있다.
적어도 두 종류 이상의 금속 화합물 중 적어도 하나는 디피발로일메타나토(dipivaloylmethanato) 금속 화합물인 것이 보다 바람직하다. 이는 운송 과정 중에 원료가 분해되는 것을 효율적으로 방지하여, 원료를 효율적으로 사용하고 원료의 조성을 안정화시키는 것이 가능하게 한다. 따라서, 박막의 특성이 안정화될 수 있다.
또한, 적어도 두 종류 이상의 금속 화합물 중 적어도 하나는 아세틸아세토나토(acetylacetonato) 착체인 것이 바람직하다. 그 결과, 운송 과정 중의 원료의 분해가 효율적으로 방지될 수 있어서, 원료를 효율적으로 사용할 수 있고 원료의 조성을 안정화시킬 수 있다. 따라서, 박막의 특성이 안정될 수 있다.
또한, 적어도 두 종류 이상의 금속 화합물 중 적어도 하나는 금속 알콕사이드인 것이 바람직하다. 이는 운송 과정 중의 원료의 분해를 효율적으로 방지하여, 원료를 효율적으로 사용할 수 있고 원료의 조성을 안정화시킬 수 있다. 따라서, 박막의 특성이 안정화될 수 있다.
복합 산화물 박막은 적어도 두차례 성막을 행하여 형성하고, 각각의 성막 후에는, 성막하는 동안의 압력보다 낮은 압력에서 막을 열처리하는 것이 보다 바람직하다. 결과적으로, 막 내에 유기 성분이 잔존하는 것이 방지되어, 제조된 유전체 박막의 유전율을 향상시키고 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
적어도 최종 성막 공정 후에 얻어진 막을 성막시의 산소 기체의 분압보다 높은 산소 기체 분압에서 열처리하는 것이 바람직하다. 그 결과, 결정성이 좋고 산소 결손이 적은 복합 산화물 박막을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 복합 산화물 박막의 제조 방법을 행할 때 사용하기 위한 본발명의 복합 산화물 박막의 제조 장치는, 금속 화합물 용액을 공급하기 위한 용액 공급 기구, 상기 금속 화합물 용액을 분무 상태가 되게 하는 2-유체 노즐, 분무 상태의 금속 화합물 용액이 주입되어 복합 산화물 박막으로 성막되는 성막 체임버, 상기 성막 체임버에 배치된 기판을 용매의 끓는점보다 높은 온도로 가열하는 기판 가열기, 그리고 상기 성막 체임버 내의 압력을 100Torr 이하로 감압하는 감압 펌프를 포함한다.
상술한 바와 같이 구성된 복합 산화물 박막의 상기 제조 장치를 사용하여, 본 발명에 따른 복합 산화물 박막의 제조 방법이 확실하게 수행될 수 있고, 높은 유전율과 우수한 신뢰성를 가지는 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 특징에 대한 설명을 위하여 본 발명의 실시예들을 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 산화물 박막을 제조하는 장치의 기본 구성을 도시한 개요도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막의 제조 장치에 사용되는 2-유체 노즐(two-fluid nozzle)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에서 보듯이, 상기 박막 제조 장치는, 금속 화합물(원료 용액; 10)을 공급하기 위한 용액-공급 기구(본 실시예에서는, 다이어프램 타입의 액송 펌프; 1), 상기 금속 화합물 용액(10)을 분무 상태로 만드는 2-유체 노즐(2), 분무 상태의 금속 화합물 용액(10)이 주입되는 성막 체임버(film-forming chamber; 3), 상기 성막 체임버에 배치된 기판(4)을 가열하는 기판 가열기(5), 그리고 상기 성막 체임버에서의 압력을 약 3∼100Torr 이하로 감압하는 감압 펌프(본 실시예에서는, 로터리펌프; 6)를 포함한다.
또한, 도 2에서 보듯이, 상기 2-유체 노즐(2)은, 금속 화합물 용액(원료 용액; 10)이 통과하는 중심관(2a) 및 상기 중심관(2a)의 외측에 배치된 외측관(2b)으로 구성된다. 이러한 구성에서, 기체는 외측관(2b)에 설치된 기체 도입구(2c)를 통해 주입되어, 중심관(2a) 및 외측관(2b) 사이의 공간을 통과한다. 중심관(2a)을 통과한 원료 용액(10)은 기체와 혼합되어 분무됨으로써, 성막 체임버(3)에 안개 상태로 주입된다.
즉, 복합 산화물용 원료는 성막 체임버(3)의 도입구 근처까지 안정한 용액 상태로 운반된 후에, 안개 상태로 성막 체임버(3)에 주입되어, 성막 체임버(3) 내에서 기화된다. 이러한 방법으로, 본 발명은 종래 기술에서의 문제점을 성공적으로 해결할 수 있다.
상기 중심관(2a)은 내경이 0.25mm인 속이 비어있는 원형관이다. 기체가 통과하는, 중심관(2a)과 외측관(2b) 사이에 형성된 공간은 평단면이 내경 1.59mm, 외경 2.3mm인 도너츠 형상(링 형상)으로 되어 있다.
복합 산화물 박막은 상술한 구성의 박막 제조 장치를 사용하여 다음의 실시예 1 내지 3에 기술된 방법으로 제조된다.
실시예 1
먼저, 금속 화합물(Ba 원료, Sr 원료 및 Ti 원료)로서, Ba(C11H19O2)2, Sr(C11H19O2)2및 Ti(i-OC3H7)2(C11H19O2)2을 준비한다. 용매(solvent)로서는, 부톡시에탄올(butoxyethanol; 끓는점 173℃)을 준비한다. C11H19O2는 디피발로일메타나토 리간드(dipivaloylmetanato ligand)를 의미하고, "DPM"이라고도 한다. 또한, i-OC3H7는 이소프로폭사이드 리간드(isopropoxide ligand)를 나타낸다.
배합 원료에 총 몰농도(molarity)가 0.03mol/l가 되도록 용매를 첨가하고, 자기 교반기(magnetic stirrer)를 사용하여 60분 동안 섞어서, 금속 화합물 용액(원료 용액)을 얻는다.
이렇게 한 후, 상기 원료 용액을 사용하여 표 1에 나타낸 조건으로 기판(4)에 복합 산화물 박막을 형성한다.
Ba 원료 Ba(DPM)2
Sr 원료 Sr(DPM)2
Ti 원료 Ti(O-i-C3H7)2(DPM)2
용매 butoxyethanol
Ba : Sr : Ti의 원료 몰비 70 : 30 : 100
용액 농도 0.03 mol/l
O2가스 유량 5LM
성막 온도 550℃
성막 체임버 압력 12 Torr
성막 시간 20분
복합 산화물 박막을 성막(film-forming)하기 위하여, 기판(4)으로는 백금 (Pt)으로 스퍼터링(sputtering)한 사파이어 R-면 기판(20 ×20 ×0.35mm)을 사용하였다. 성막 체임버(3)에는 기판 가열기(5)에 두 개의 기판을 셋팅한다. 다음으로, 하부 전극의 형성에 사용하기 위한 18 ×16mm의 개구를 가진 금속 마스크(도시되지 않음)를 기판(4)에 배치한다.
다음으로, O2가스를 400CCM의 비율로 2-유체 노즐(2)에 유입하고, 로터리펌프(6)에 의해 성막 체임버(3) 내의 압력을 줄이고, 기판(4)을 가열하기 시작한다. 이 때, 성막 체임버(3) 내의 압력은 1Torr로 한다.
기판(4)이 성막 온도에 이른 후에, 일정 시간 동안 그대로 유지한다. O2가스의 유량은 5LM으로 조정하고, 이러한 상태로 5분 동안 유지한다. 그 후에, 원료 용액을 액송 펌프(1)로부터 2-유체 노즐(2)로 주입하기 시작한다. 원료 용액(10)을 주입하는 동안, 다이어프램(diaphragm) 타입의 액송 펌프(1)를 1펄스/2초로 동작시킨다. 다이어프램의 이동 거리는 액송 속도가 0.8CCM이 되도록 설정된다. 성막 체임버(3) 내의 압력은 12Torr로 설정된다.
성막을 30분 동안 행한 후, 원료 용액(10)을 2-유체 노즐(2)에 공급하는 것을 중단한다. 중단한 지 5분 후에, O2의 유량을 400CCM으로 조정하고, 다시 성막 체임버(3) 내의 압력을 1Torr로 30분 동안 유지한다(온도는 550℃). 그 후에, 성막 체임버(3) 내의 압력을 대기압으로 회복시키고, 기판(4)을 냉각시킨다.
성막 후, 금속 마스크를 사용하여 50개의 Pt 상부 전극을 Ba, Sr 및 Ti의 복합 산화물 박막(이하, BST 복합 산화물 박막이라고 함) 위에 형성한다. BST 복합 산화물 박막의 정전 용량, tanδ및 DC 전압을 인가하는 경우에 야기되는 누설 전류(leak current)를 LCR 미터를 사용하여 1kHz 및 100mV의 조건하에 측정하였다. 상기 측정 결과의 평균치를 표 2에 나타내었다.
정전 용량 tanδ 1V에서의 누설 전류 파괴 전압
3490 pF 1.9 % 350 pA 9.2 V
표 2에서 보듯이, 취득된 BST 복합 산화물 박막은, O2기류에서 열처리되지 않더라도, 고용량을 나타내고 tanδ(손실) 및 누설 전류에 대하여 박막 커패시터로서 충분한 특성을 나타냄을 확인하였다.
상술한 바와 같이 특성을 측정한 후에, BST 복합 산화물 박막의 단면을 관찰하여, 막 두께를 측정하였다. 상기 BST 복합 산화물 박막의 막 두께는 100nm였다.
또한, 상기 박막의 조성비는 ICP법에 의해 분석하였고, 박막 조성비는 Ba:Sr:Ti=33:15:52였다. 즉, 원료 용액의 조성비와 거의 동일한 조성이다.
다음으로, 취득된 BST 복합 산화물 박막을 O2기류에서 600℃로 3시간 동안 열처리하였다(760Torr에서). 정전 용량, tanδ및 DC 전압을 인가하는 경우에 야기되는 누설 전류(leak current)를 측정하였다. 상기 측정 결과의 평균치를 표 3에 나타내었다.
정전 용량 tanδ 1V에서의 누설 전류 파괴 전압
4220 pF 2.3 % 5.0 pA 11.7 V
표 3에서 보듯이, O2기류에서 열처리한 경우에, 정전 용량이 향상되고(약 20%), 누설 전류가 감소된다. 따라서, O2기류에서 열처리를 한다면, 박막 커패시터에 요구되는 특성이 훨씬 향상될 수 있다.
또한, 상기 BST 복합 산화물 박막의 단면을 관찰하여, 막 두께를 측정하였다. 상기 BST 복합 산화물 박막의 막 두께는 100nm였다.
또한, 상기 박막의 조성비를 ICP법에 의해 분석하였고, 박막의 조성비는Ba:Sr:Ti=33:15:52였다. 즉, 원료 용액의 조성비와 거의 동일한 조성이다.
실시예 2
먼저, 금속 화합물(Ba 원료, Sr 원료 및 Ti 원료)로서, Ba(C5H7O2)2ㆍ2H2O, Sr(C5H7O2)2ㆍ2H2O 및 TiO(C5H7O2)2을 준비하였다. 용매(solvent)로서는, 메톡시에탄올 (methoxyethanol; 끓는점 125℃)을 준비하였다. C5H7O2는 아세틸아세토나토 리간드 (acetylacetonato ligand)를 의미하고, "acac"라고도 한다.
Ba 원료, Sr 원료 및 Ti 원료는 몰비가 85:30:100이 되도록 배합되었다.
다음으로, 총 몰농도가 0.005mol/l가 되도록 용매를 상기 배합 원료에 첨가하고, 자기 교반기를 사용하여 60분 동안 섞어서, 금속 화합물 용액(원료 용액)을 얻었다.
이렇게 한 후, 상기 원료 용액을 사용하여 표 4에 나타낸 조건으로 복합 산화물 박막을 성막하였다.
Ba 원료 Ba(acac)2ㆍ2H2O
Sr 원료 Sr(acac)2ㆍ2H2O
Ti 원료 TiO(acac)2
용매 methoxyethanol
Ba : Sr : Ti의 원료 몰비 85 : 30 : 100
용액 농도 0.005 mol/l
O2가스 유량 10 LM
성막 온도 550℃
성막 체임버 압력 22 Torr
성막 시간 3분 ×6
여기서 사용된 기판 및 마스크는 실시예 1에서 사용된 것과 동일하다.
2-유체 노즐(2)에 O2가스를 400CCM의 비율로 유입하고, 로터리 펌프(6)를사용하여 성막 체임버(3) 내의 압력을 줄이고, 기판(4)을 가열하기 시작하였다(공정(a)). 이 때, 성막 체임버(3) 내의 압력은 1Torr로 하였다.
기판(4)이 성막 온도에 이른 후, 일정 시간 동안 그대로 유지하였다. 그 후에, O2가스의 유량을 10LM으로 조정하고, 이러한 상태로 1분 동안 유지하였다. 그 후에, 원료 용액(10)을 2-유체 노즐(2)로 주입하기 시작하였다(공정(b)). 원료 용액(10)을 주입하는 동안, 액송 펌프(1)를 1펄스/2초로 동작시켰다. 다이어프램의 이동 거리는 액송 속도가 0.8CCM이 되도록 설정되었다. 이때, 성막 체임버(3) 내의 압력은 22Torr로 설정되었다.
성막을 3분 동안 행한 후, 원료 용액(10)을 2-유체 노즐(2)에 공급하는 것을 중단하였다. 중단한 지 1분 후에, O2의 유량을 400CCM으로 조정하고, 다시 성막 체임버(3) 내의 압력을 1Torr로 10분 동안 유지하였다(온도는 550℃)(공정(c)).
그 후에, O2가스의 유량을 10LM으로 조정하고, 이러한 상태로 1분 동안 유지하였다. 다음으로, 원료 용액(10)을 2-유체 노즐(2)에 주입하기 시작하여, 3분 동안 성막을 행하였다. 성막 후, 2-유체 노즐(2)에 원료 용액(10)의 공급을 중단하였다. 중단한 지 1분 후에, O2의 유량을 400CCM으로 조정하고, 다시 성막 체임버(3) 내의 압력을 1Torr로 조정하고, 이러한 상태로 10분 동안 유지하였다(550℃에서; 공정(d)).
상술한 공정(d)을 여섯번 반복하였다. 그 후에, 성막 체임버(3) 내의 압력을 다시 1Torr로 10분 동안 유지하였다(550℃에서). 다음에, 성막 체임버(3) 내의 압력을 대기압으로 회복시키고, 기판(4)을 냉각시켰다.
금속 마스크를 사용하여 직경이 0.5mm인 Pt 상부 전극 50개를 BST 복합 산화물 박막에 형성하고, O2기류에서 600℃로 3시간 동안 열처리하였다(760Torr에서). 정전 용량, tanδ및 DC 전압을 인가하는 경우에 야기되는 누설 전류를 측정하였다. 상기 측정 결과의 평균치를 표 5에 나타내었다.
정전 용량 tanδ 1V에서의 누설 전류 파괴 전압
6600 pF 2.0 % 11 pA 9.9 V
표 5에서 보듯이, 큰 정전 용량을 얻을 수 있고, tanδ(손실) 및 누설 전류에 대하여 박막 커패시터로서 충분한 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다. 사용된 아세틸아세토나토 착체는 비싸지 않으며, 즉 실시예 1에서 사용된 CVD 원료보다 20분의 1 이하의 가격이다.
특성을 측정한 후에, 상기 BST 복합 산화물 박막의 단면을 관찰하여, 막 두께를 측정하였다. 상기 BST 복합 산화물 박막의 막 두께는 100nm였다.
또한, 상기 박막의 조성비는 ICP법에 의해 분석하였고, 박막 조성비는 Ba:Sr:Ti=31:16:53 이었다.
실시예 3
먼저, 금속 화합물(Ba 원료, Sr 원료 및 Ti 원료)로서, Ba(i-OC3H7)2, Sr(i-OC3H7)2및 Ti(i-OC3H7)4을 준비하였다. 용매(solvent)로서는, 0.01mol%의 아세틸아세톤(acetylacetone)을 함유한 메톡시에탄올(methoxyethanol; 끓는점 120℃)을 준비하였다.
다음으로, Ba 원료, Sr 원료 및 Ti 원료를 몰비가 80:30:100이 되도록 배합하였다.
배합 원료에는, 총 몰농도가 0.005mol/l가 되도록 용매를 첨가하고, 자기 교반기를 사용하여 60분 동안 섞어서, 금속 화합물 용액(원료 용액)을 얻었다.
이렇게 한 후, 상기 원료 용액을 사용하여 표 6에 나타낸 조건으로 복합 산화물 박막을 성막하였다. 성막 방법은 실시예 2에서와 유사하다.
Ba 원료 Ba(i-OC3H7)2
Sr 원료 Sr(i-OC3H7)2
Ti 원료 Ti(i-OC3H7)4
용매 methoxyethanol＋ 0.01mol% acetylacetone
Ba : Sr : Ti의 원료 몰비 80 : 30 : 100
용액 농도 0.005 mol/l
O2가스 유량 10 LM
성막 온도 550℃
성막 체임버 압력 22 Torr
성막 시간 3분 ×5
다음으로, 취득된 복합 산화물 박막에, 금속 마스크를 사용하여 직경이 0.5mm인 Pt 상부 전극 50개를 형성하고, O2기류에서 600℃로 3시간 동안 열처리하였다. 정전 용량, tanδ및 DC 전압을 인가하는 경우에 야기되는 누설 전류를 LCR 미터를 사용하여 1kHz 및 100mV의 조건하에 측정하였다. 상기 측정 결과의 평균치를 표 7에 나타내었다.
정전 용량 tanδ 1V에서의 누설 전류 파괴 전압
6120 pF 1.5 % 8.5 pA 11.3 V
Ba 원료 및 Sr 원료로 사용된 알콕사이드(alkoxide)의 가격은 실시예 1에서 원료로 사용된 CVD 원료의 가격에 비하여 약 10분의 1이고, Ti 원료의 가격은 400분의 1이하로 저가일지라도, 취득된 복합 산화물 박막이 큰 정전 용량을 나타내고, tanδ(손실) 및 누설 전류에 대하여 박막 커패시터로서 충분한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 특성을 측정한 후에, 상기 BST 복합 산화물 박막의 단면을 관찰하여, 막 두께를 측정하였다. 상기 BST 복합 산화물 박막의 막 두께는 100nm였다.
또한, 상기 박막의 조성비는 ICP법에 의해 분석하였고, 박막 조성비는 Ba:Sr:Ti=31:17:52 이었다.
상술한 실시예 1 내지 3의 방법으로 제조된 모든 BST 복합 산화물 박막은 17nF/㎟ 이상의 높은 용량 밀도를 가진다. 파괴 전계 강도도 90kV/㎜이다. 즉, 신뢰성이 높다. 또한, 취득된 정전 용량으로부터 계산된 BST 복합 산화물 박막의 비유전율(relative dielectric constant)은 200 내지 380의 범위에 있다. 이와 같이, 간단한 장치와 저가의 원료를 사용하더라도, 기화기(carburetor)에 의하여 상기 원료 용액을 분무하여 얻어진 BST 복합 산화물 박막에 비하여, 그에 동등하거나 그보다 나은 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
상술한 실시예 1 내지 3에서, 금속 화합물(원료)로서, 디피발로일메타나토 착체, 아세틸아세토나토 착체 및 메탈 알콕사이드가 사용되었지만, 본 발명에서 사용할 수 있는 금속 화합물은 이들 금속 화합물에 제한되지 않는다. 예를 들면, 두가지 이상의 화합물이 사용될 수도 있는데, 즉, 원료들이 단일 용액에 용해될 때침전이 생기지 않는다면, Ba 원료와 Sr 원료로서 알콕사이드가 사용되고 Ti 원료로서 아세틸아세토나토 착체가 사용될 수도 있다. 또한, Ba와 Sr의 복합 알콕사이드 원료가 사용될 수도 있다.
상술한 실시예 1 내지 3에서, 두가지의 용매, 즉, 부톡시에탄올과 메톡시에탄올이 사용되었지만, 원료의 용해도가 적당하다면 다양한 다른 용매들이 사용될 수 있다. 용매로서는, 상압에서 적어도 약 100℃의 끓는점을 가지는 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 복합 산화물 박막에 전극을 형성하여 고용량 박막 커패시터를 얻을 수 있다.
또한, 다른 면에서는, 본 발명은 상기 실시예들에 제한되지 않는다. 본 발명의 요지 및 범위 내에서 다양한 응용과 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이, 금속 화합물 용액이 2-유체 노즐을 통해 분무 상태가 되고, 분무 용액은 압력이 약 100Torr 이하로 유지되어 있는 성막 체임버에 직접 주입된다. 따라서, 금속 화합물 용액이 기화되거나 분무되어 배관 내에서 운송될 필요가 없다. 그 결과, 기화 온도 및 분해 온도 사이의 관계가 문제되지 않으므로, 원료를 선택할 수 있는 유연성이 향상된다. 즉, 높은 유전율을 가지고 신뢰도가 좋은 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 분무 장치로서 2-유체 노즐을 사용하였다. 이를 통해, 형성된 액체 방울에 충분한 속도를 줄 수 있고, 가열된 기판에 효율적으로 막을 형성할 수 있다.
2-유체 노즐 내에 사용된 기체는 산화성 기체가 바람직하다. 이를 통해, 성막 체임버 내에서 산화 분위기에서 성막을 행할 수 있다. 그 결과, 특성이 안정한 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 상압에서 적어도 약 100℃의 끓는점을 갖는 용매를 사용하는 경우, 분무 상태의 원료 내에 함유된 용매 성분이 원료가 기판에 접근하기 전에 증발된다. 따라서, 원료가 분말을 형성하는 것을 방지 또는 억제하면서, 효율적으로 성막하는 것이 가능하다. 나아가, 용매로서 높은 끓는점을 가지는 용매를 사용하더라도, 성막 체임버 내의 압력을 약 100Torr 이하로 조정하고, 또한 기판을 가열한 상태에서 성막을 행하기 때문에, 성막시 막 내에 유기 성분이 잔존하는 것이 방지되어, 결정성(crystallinity)이 좋고 유전율이 높은 복합 산화물 박막을 제조할 수 있다.
금속 화합물 중 적어도 하나는 디피발로일메타나토 금속 화합물인 것이 보다 바람직하다. 이러한 경우, 운송 과정 중에 원료가 분해되는 것을 효율적으로 방지하여, 원료를 효율적으로 사용하고 원료의 조성을 안정화시키는 것이 가능하다. 따라서, 박막의 특성이 안정화될 수 있다.
또한, 금속 화합물 중 적어도 하나는 아세틸아세토나토 착체인 것이 바람직하다. 이러한 경우, 운송 과정 중의 원료의 분해를 효율적으로 방지하여, 원료를 효율적으로 사용할 수 있고 원료의 조성을 안정화시킬 수 있다.
또한, 금속 화합물 중 적어도 하나는 금속 알콕사이드인 것이 바람직하다. 이러한 경우, 운송 과정 중의 원료의 분해를 효율적으로 방지하여, 원료를 효율적으로 사용할 수 있고 원료의 조성을 안정화시킬 수 있다. 따라서, 박막의 특성이안정화될 수 있다.
복합 산화물 박막은 적어도 두차례 성막을 행함으로써 형성되고, 각각의 성막 후에는, 성막하는 동안의 압력보다 낮은 압력에서 막을 열처리하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 경우, 막 내에 유기 성분이 잔존하는 것이 방지되어, 제조된 유전체 박막의 유전율을 향상시키고 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
적어도 최종 성막 후에 얻어진 막을 성막시 산소 기체의 분압보다 높은 산소 기체 분압에서 열처리하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 결정성이 좋고 산소 결손이 적은 복합 산화물 박막을 얻을 수 있다.
본 발명의 복합 산화물 박막의 제조 장치는, 금속 화합물 용액을 공급하기 위한 용액 공급 기구, 상기 금속 화합물 용액을 분무 상태가 되게 하는 2-유체 노즐, 분무 상태의 금속 화합물 용액이 주입되어 복합 산화물 박막으로 성막되는 성막 체임버, 상기 성막 체임버에 배치된 기판을 용매의 끓는점보다 높은 온도로 가열하는 기판 가열기, 그리고 상기 성막 체임버 내의 압력을 100 Torr 이하로 감압하는 감압 펌프 등으로 구성된다. 복합 산화물 박막의 상기 제조 장치를 사용하여, 본 발명의 복합 산화물 박막의 제조 방법이 확실하게 수행될 수 있고, 유전율이 높고 신뢰성이 우수한 복합 산화물 박막을 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (21)

  1. 복합 산화물 박막의 제조 방법에 있어서,
    (a) 적어도 두가지의 금속 화합물을 용매에 용해하여 금속 화합물 용액을 준비하는 단계;
    (b) 압력이 100Torr 이하인 성막 체임버의 내부에 배치된 기판을 성막 온도까지 가열하는 단계; 및
    (c) 상기 기판을 가열한 다음, 상기 금속 화합물 용액을 상기 성막 체임버 안에 분무하는 단계를 포함하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용액은 산화성 기체와 함께 2-유체 노즐에서 분무화되는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 용매는 상압에서 적어도 약 100℃ 이상의 끓는점을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 화합물 중 적어도 하나는 디피발로일메타나토 착체인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 화합물 중 적어도 하나는 아세틸아세토나토 착체인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 용액은 세가지의 금속 화합물을 포함하고, 상기 금속 화합물 중 적어도 하나는 금속 알콕사이드인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 성막(c)은 적어도 두차례 행해지고, 각각의 성막 후에, 성막에 사용한 압력보다 낮은 압력하에서 상기 막을 열처리하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 적어도 최종 성막 후에, 얻어진 상기 막을 성막시의 산소 기체의 분압보다 높은 산소 기체 분압에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 용매는 상압에서 적어도 약 100℃ 이상의 끓는점을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 화합물 중 적어도 하나는 디피발로일메타나토 착체인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 금속 화합물 중 적어도 하나는 아세틸아세토나토 착체인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 금속 화합물 중 적어도 하나는 금속 알콕사이드인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 성막이 적어도 두차례 행해지고, 각각의 성막 후에, 성막에 사용한 압력보다 낮은 압력하에서 상기 막을 열처리하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 최종 성막 후에, 얻어진 상기 막을 성막시의 산소 기체의 분압보다 높은 산소 기체 분압에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  15. 제1항의 복합 산화물 박막의 제조 방법의 실시에 사용하는 박막 제조 장치에 있어서,
    금속 화합물 용액 공급 기구;
    상기 용액 공급 기구와 연결되고 상기 금속 화합물 용액을 분무 상태로 만들기 위해 사용되는 2-유체 노즐;
    상기 노즐과 연결된 성막 체임버;
    상기 체임버에 연결된 기판 가열기; 및
    상기 체임버에 연결되고, 상기 성막 체임버 내의 압력을 100 Torr 이하로 감압하기 위해 사용되는 감압 펌프
    를 포함하는 복합 산화물 박막의 제조 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 2-유체 노즐은 중심이 일치되게 배치된 한 쌍의 관(tube)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 2-유체 노즐에 연결된 가스 공급 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 2-유체 노즐에 연결된 가스 공급 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 장치.
  19. 삭제
  20. 제1항에 있어서, 2-유체 노즐로 상기 금속 화합물 용액을 분무하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 박막의 제조 방법.
  21. 삭제
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