[논문]Metal-Insulator-Metal 캐패시터의 응용을 위한 비정질 BaTi4O9 박막의 전기적 특성

홍경표; 정영훈; 남산; 이확주

doi:10.3740/mrsk.2007.17.11.574

[국내논문] Metal-Insulator-Metal 캐패시터의 응용을 위한 비정질 BaTi4O9 박막의 전기적 특성
Electrical Properties of the Amorphous BaTi4O9 Thin Films for Metal-Insulator-Metal Capacitors 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.17 no.11, 2007년, pp.574 - 579

홍경표 (고려대학교 신소재공학과) , 정영훈 (고려대학교 신소재공학과) , 남산 (고려대학교 신소재공학과) , 이확주 (한국표준과학연구원 전략기술연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

Amorphous $BaTi_4O_9$ ($BT_4$) film was deposited on Pt/Si substrate by RF magnetron sputter and their dielectric properties and electrical properties are investigated. A cross sectional SEM image and AFM image of the surface of the amorphous $BT_4$ film deposited at room temperature showed the film was grown well on the substrate. The amorphous $BT_4$ film had a large dielectric constant of 32, which is similar to that of the crystalline $BT_4$ film. The leakage current density of the $BT_4$ film was low and a Poole-Frenkel emission was suggested as the leakage current mechanism. A positive quadratic voltage coefficient of capacitance (VCC) was obtained for the $BT_4$ film with a thickness of <70 nm and it could be due to the free carrier relaxation. However, a negative quadratic VCC was obtained for the films with a thickness ${\geq}96nm$, possibly due to the dipolar relaxation. The 55 nm-thick $BT_4$ film had a high capacitance density of $5.1fF/{\mu}m^2$ with a low leakage current density of $11.6nA/cm^2$ at 2 V. Its quadratic and linear VCCs were $244ppm/V^2$ and -52 ppm/V, respectively, with a low temperature coefficient of capacitance of $961ppm/^{\circ}C$ at 100 kHz. These results confirmed the potential suitability of the amorphous $BT_4$ film for use as a high performance metal-insulator-metal (MIM) capacitor.

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문제 정의

17) 그러나 반도체 back-end 라인 공정을 위해서는 공정온도가 너무 높다는 단점이 있다 그러므로 BT4 박막을 MIM 캐패시터로 이용하기 위해서는 증착온도를 낮주는 것이 필수이다. 본 연구에서는 BT4 박막의 MIM 캐패시터 적용에 대한 적합성을 알아보기 위해 상온에서 증착하여 전기적 특성을 조사하였다.
비정질 BT4 박막의 누설전류기구(leakage current mechanism) 또한 연구하였다. 일반적으로 high field에서의 유전 박막 누설전류기구는 Schottky emission과 Poole- Frenkel emission으로 나뉜다.
비록 박막의 a값은 요구 조건 (a< 100 ppm/V2) 보다 크지만 이는 공정조건변화를 통한 누설전류밀도 개선으로 감소시킬 수 있다. 그러므로 이와 같은 결과들은 비정질 BT₄박막이 고성능 MIM 캐패시터로의 응용에 적합하다는 것을 확신케 한다.

가설 설정

또한 이 직선의 기울기로부터 optical range 주파수에서의 유전상수(Ko)를 계산할 수 있다.20, 21) 만약 계산된 Ko가 굴절률 n의 제곱이면 누설전류기구는 Schottky emission이 되는 것이다.20, 21) 반면 E1/2값에 따른 ln(JE)를 그렸을 때 나온 직선의 기울기로부터 계산된 Ko가 n2과 같다면 누설전류기구는 Poole-Frenkel emission이 된다.

제안 방법

알려져 있다.12-14) 따라서 MIM 캐패시터의 우수한 후보인 BT4 결정화 박막을 성장시켜 구조와 유전 특성을 조사하였다.15-17₎550oC 에서 증착하고 900oC 에서 후열처리한 BT4 결정화 박막은 MIM 캐패시터에 적합한 우수한 유전특성을 나타내었다.
RF-magnetron sputtering과 통상적인 고상합성법으로 제작한 지름 3인치의 BT4 target으로 Pt/Ti/SiO₂/Si(100) 기판 위에 비정질 BT4 박막을 성장시켰다. 증착은 아르곤과 산소를 혼합하여(Ar:O₂ = 4 : 1) 8.
5mTorr의 공정압력으로 상온에서 100 W의 파워로 10~50분간 행하였다. 박막의 구조특성은 주사전자현미경 (SEM:JSM-7401F, JEOL LTD., Japan)과 원자간력현미경(AFM : JSPM-5200, JEOL LTD., Japan)으로 관찰하였다. 저주파 (100-1000 kHz)에서의 유전특성을 측정 하기 위해 DC sputtering으로 Pt 상부 전극을 BT4 박막 위에 증착하였다.
5 에 나타내었다. MIM 캐패시터를 120oC로 가열한 플레이트에 놓고 120oC에서 30oC까지 온도를 낮춰가며 100 kHz 에서의 정전용량밀도를 측정하였다. 다양한 주파수와 두께에서 측정된 TCC값을 Table 2에 정리하였다.

대상 데이터

상부전극은 shadow 마스크를 사용하여 지름 360 um의 원통 모양으로 형성하였다. 정전용량과 유전손실은 LCR meter(Agilent 4285A, USA)로 측정하였고, 누설전류는 Source meter(Keithley 2400, USA)를 사용하였다

성능/효과

2안의 그래프는 측정주파수에 따른 정 전용량변화를 나타낸다. 모든 박막들은 1.0%미만의 매우 작은 변화들을 보여주고 있으며 유전손실 또한 100kHz에서 1.0%미만의 매우 적은 손실을 나타내고 있다. 국제반도체기술지표(ITRS)에 따르면 RF MIM 캐패시터로 사용하기 위해 2012년까지 5.

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