[논문]<tex>$Ta_2O_{5}$</tex> 커패시터 박막의 유전 특성과 열 안정성에 관한 연구

김인성; 이동윤; 송재성; 윤무수; 박정후

[국내논문] $Ta_2O_{5}$ 커패시터 박막의 유전 특성과 열 안정성에 관한 연구
The Study on Dielectric Property and Thermal Stability of $Ta_2O_{5}$ Thin-films 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.51 no.5, 2002년, pp.185 - 190

김인성 (한국전기연구원 전자기소자그룹) , 이동윤 (한국전기연구원 전자기소자그룹) , 송재성 (한국전기연구원 전자기소자그룹) , 윤무수 (한국전기연구원 전자기소자그룹) , 박정후 (부산대 공대 전자전기통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Capacitor material utilized in the downsizing passive devices and dynamic random access memory(DRAM) requires the physical and electrical properties at given area such as capacitor thickness reduction, relative dielectric constant increase, low leakage current and thermal stability. Common capacitor materials, $SiO_2$, $Si_3N_4$, $SiO_2$/$Si_3N_4$,TaN and et al., used until recently have reached their physical limits in their application to several hundred angstrom scale capacitor. $Ta_2O_{5}$ is known to be a good alternative to the existing materials for the capacitor application because of its high dielectric constant (25 ~35), low leakage current and high breakdown strength. Despite the numerous investigations of $Ta_2O_{5}$ material, there have little been established the clear understanding of the annealing effect on capacitance characteristic and conduction mechanism, design and fabrication for $Ta_2O_{5}$ film capacitor. This study presents the structure-property relationship of reactive-sputtered $Ta_2O_{5}$ MIM capacitor structure processed by annealing in a vacuum. X-ray diffraction patterns skewed the existence of amorphous phase in as-deposited condition and the formation of preferentially oriented-$Ta_2O_{5}$ in 670, $700^{\circ}C$ annealing. On 670, $700^{\circ}C$ annealing under the vacuum, the leakage current decrease and the enhanced temperature-capacitance characteristic stability. and the leakage current behavior is stable irrespective of applied electric field. The results states that keeping $Ta_2O_{5}$ annealed at vacuum gives rise to improvement of electrical characteristics in the capacitor by reducing oxygen-vacancy and the broken bond between Ta and O.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 RF 스퍼터링 방법으로 탄탈륨을 산소 반응성 가스와 함께 박막 형태로 산화물 유전체 증착시킨 후 결정화 온도 영역으로 알려진 600, 650, 700°C의 진공 분위기에서 어 닐 링 (annealing) 함으로 Ta-0 dangle bond와 비정질상의 TaxOx가 감소하고 결정화에 근접한 분자 구조의 Ta2O5 유전 체 박막을 제조하여 이들의 물성 변화가 미치는 전기적 특성 을 조사하고자 하였다. 어닐링에 따른 미세구조를 관찰하였으 며, Ta2O3 유전체 박막은 MIM 커패시터 형태로 제조하여 정 전용량과 누설전류 밀도를 상온~200°C 범위에서 측정함으로 써 Ta2Os 유전체를 진공에서 어닐링할 경우 결정화가 유전체 에 미치는 전기적 특성과 열 안정성에 관하여 고찰하였다.

제안 방법

MIM 커패시터 Ta2O₅ 유전체의 열 안정성을 조사하기 위하여 가변 온도챔버 내부에 시료를 설치한 후 상온에서 200 °C까지 온도를 가변하면서 J-E, C-F를 측정하여 1 kHz 부근에서 TCC와 비유전율을 구하였으며, Ta2O₅ 유전체 박막의 어닐링에 의한 결정화와 전기적 특성의 관계에 대하여 조사하였다.
Ta2O₅ 유전체 박막을 어닐링에 따른 특성 변화를 고찰하기 위하여 lOP/min의 승온 속도로 600, 650, 750°C 의 진공 분위기에서 30분 동안 유지하였고, 어닐링 전 .후 Ta2O₅ 박막의 결정학적 분석은 X-선 회절분석기를 이용하여 2# 20 ~60° 까지 분석하였으며, 표면과 단면의 형상은 AFM(ato- mic force microscopy)과 FE(field emission) SEM을 사용하여 관찰하였다.
Ta2O₅ 유전체 시료 제조 조건을 선청하기 위하여 방전 전력과 산소 분압비를 고정하고 p-type(lOO) Si 웨이퍼 위에 박막을 성장 시켰으며, 결과를 그림 3에 FE-SEM 이미지로 나타내었다. 두께는 3200A 이였으며, a-step으로 측정한 값과 일치하였다.
본 연구에서는 전자기 수동소자에 사용하는 커패시터용 Ta2O₅(tantalum pentoxide) 유전체를 RF 스퍼터링 방법으로 p-type(lOO) Si 위에 제조하여 어닐링한 후 물성 분석과 온도온도 의존에 따른 전기적 물성을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 RF 스퍼터링 방법으로 탄탈륨을 산소 반응성 가스와 함께 박막 형태로 산화물 유전체 증착시킨 후 결정화 온도 영역으로 알려진 600, 650, 700°C의 진공 분위기에서 어 닐 링 (annealing) 함으로 Ta-0 dangle bond와 비정질상의 TaxOx가 감소하고 결정화에 근접한 분자 구조의 Ta2O5 유전 체 박막을 제조하여 이들의 물성 변화가 미치는 전기적 특성 을 조사하고자 하였다. 어닐링에 따른 미세구조를 관찰하였으 며, Ta2O3 유전체 박막은 MIM 커패시터 형태로 제조하여 정 전용량과 누설전류 밀도를 상온~200°C 범위에서 측정함으로 써 Ta2Os 유전체를 진공에서 어닐링할 경우 결정화가 유전체 에 미치는 전기적 특성과 열 안정성에 관하여 고찰하였다.
스퍼터링 전 반응기의 초기진공도는 L0X10-6 torr 이하이며, 증착시 기판 온도는 자연 상태를 유지하였다. 증착중의 반응기내 진공도는 5X10 3 torr 로 일정하게 유지하였고 방전전력은 모두 200 W로 고정시켰으며, 반응성 가스의 비율은 Ar, O₂ 각각 80:20%로 14.5 seem으로 하였다. 그림 1은 박막 제조 및 실험의 전체적인 공정을 나타낸 것이다.
30분 동안 유지하였고, 어닐링 전 .후 Ta2O₅ 박막의 결정학적 분석은 X-선 회절분석기를 이용하여 2# 20 ~60° 까지 분석하였으며, 표면과 단면의 형상은 AFM(ato- mic force microscopy)과 FE(field emission) SEM을 사용하여 관찰하였다. 이렇게 여러 가지 조건에서 증착된 Ta2O₅ 박막의 유전 특성을 측정하기 위하여 MIM 구조의 커패시터를 실리콘웨이퍼 위에 증착하였다.

대상 데이터

Ta2O₅ 커패시터용 유전체 박막의 제조는 직경 4"의 탄탈늄(순도 99.99%) 타겟을 RF 마그네트론 산소 반응성 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 기판은 p-type(lOO) Si 웨이퍼를 21 x21mm로 절단한 후 아세톤과 메탄올 초음파로 오염물질을 세척하였으며, 표면의 자연 산화층은 10% 의 HF(hydrof- luoric acid)용액으로 제거하였다.
99%) 타겟을 RF 마그네트론 산소 반응성 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 기판은 p-type(lOO) Si 웨이퍼를 21 x21mm로 절단한 후 아세톤과 메탄올 초음파로 오염물질을 세척하였으며, 표면의 자연 산화층은 10% 의 HF(hydrof- luoric acid)용액으로 제거하였다. 스퍼터링 전 반응기의 초기진공도는 L0X10-6 torr 이하이며, 증착시 기판 온도는 자연 상태를 유지하였다.

성능/효과

1. p-type(100) Si 위에 RF 스퍼터링 방법으로 제조한 Ta2O₅ 는 비정질상이였으나 650°C에서 어닐링 함으로 결정화되기 시작하였으며, (200) β-Ta2O5의 우선 배향(preferred orientation)성이 강하게 나타났다.
2. AFM 분석 결과 제곱평균 거칠기(RMS)는 10~60 A이 였으며, 어닐링 온도가 증가할수록 거칠기는 비례하여 증가하였고 표면 형상은 침상구조를 갖고 성장하였다.
3. 어닐링하여 결정화된 -Ta2O₅ 박막은 as-deposited 박막 보다 온도 의존성과 정전용량 주파수 의존성이 작아지면서 비교적 안정한 유전 특성을 나타내는 것으로 조사되었다.
4. As-deposited 박막의 누설전류 밀도는 고전계 영역으로 갈수록 급격히 증가하였으나 어닐링하여 결정화된 이후는 다소 감소하는 경향을 나타내었으며, 결정화의 영향은 전기적, 열적 안정성을 향상시키는 것으로 조사되었다.
표시한 것이다. 어닐링 온도가 증가할수록 거칠기는 비례하여 증가하였으며, 특히 As-deposited 상태에서 600 °C로 어닐링할 때 거칠기는 급격히 증가하였다. 표면은 전체적으로 침상구조를 갖고 성장하였으며 as-deposited TazCfe가 고온의 어닐링에 노출되면서 Ta-0 dangle-bond와 같은 비정 질 형 태의 구조가 stoichiometry에 가까운 8-TazCfe 상의 침상 결정 구조로 성장하는 것으로 사료된다.
어닐링 한 Ta2O₅ 박막은 3.5xlO₂(kV/cm) 이하의 전계강도 영역에서 비교적 안정한 누설전류 특성을 나타내었으나 as-deposited 박막은 3.5xlO₂(kV/cm) 이후 고전계 영역으로 갈수록 급격히 증가하였다. 어닐링한 Ta2O₅ 박막은 as-deposited 박막 보다누설전류가 다소 감소한 경향을 나타내었으며, 어닐링 온도가 증가함에도 누설전류는 다소 적게 흐르는 경향성을 보였다.
5xlO₂(kV/cm) 이후 고전계 영역으로 갈수록 급격히 증가하였다. 어닐링한 Ta2O₅ 박막은 as-deposited 박막 보다누설전류가 다소 감소한 경향을 나타내었으며, 어닐링 온도가 증가함에도 누설전류는 다소 적게 흐르는 경향성을 보였다. 이것은 앞의 AFM, XRD 분석 고찰에서와 같이 박막의 결정화는 내부적으로 박막을 치밀화 시켜 누설전류를 줄이는 효과가 있고 아울러 열적으로도 안정한 것으로 사료되며, as-deported 박막은 비정질상 short range order의 Ta-0 bond가 Ta 박막 내부에 존재하여 결함으로 작용하고 누설전류밀도가 어닐링한박막 보다 증가한 것으로 사료된다[13].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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