LPCVD로 성장된 Ta2O5 박막 및 커패시터 특성

최 영석, 조 성민

성균관대학교 화학공학과

Thin film capacitors of Ta2O5 grown by LPCVD

Young-Suk Choi, Sung Min Cho

Dept. of Chem. Eng., Sung Kyun Kwan University

1. 서론

극히 얇은 유전체 박막으로 형성된 3차원의 stacked 혹은 trenched capacitor는 256 Mbit DRAM(dynamic random access memory)과 같은 고집적 기억 소자의 soft error를 방지하기 위하여 그 내부에 전하를 충분히 축적할 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 유전체 막을 보다 얇게 하거나 더욱더 복잡한 구조로 만들어야만 하는데 현재의 SiO2나 Si3N4로서는 이미 그 한계를 드러내기 시작하였다. 따라서 커패시터의 구조를 좀더 단순화하고 작업 공정의 수를 줄이기 위하여 Ta2O5, SrTiO3, BaxSr1-xTiO3와 같은 높은 유전 상수를 갖는 물질들이 폭넓게 연구되어지고 있다. Ta2O5 박막은 thermal oxidation[1], anodic oxidation[2], reactive sputtering[3], CVD[4,5]등과 같은 다양한 방법에 의해 성장이 가능하다. 특히 tantalum pentoxide[Ta(OC2H5)5]와 O2를 반응물로 한 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)에 의하여 제조된 Ta2O5 박막은 SiO2(□s=3.9)에 비하여 비교적 높은 유전 상수(□s=20-25)와 우수한 step coverage 특성 때문에 커패시터 유전체 박막으로의 적용 가능성을 더욱 밝게 하고있다. 그러나 Ta2O5 커패시터의 누설 전류 특성은 종래의 Si3N4 커패시터만큼 좋지는 못하다. 따라서 누설 전류의 주된 요인으로 작용하는 Ta2O5와 Si의 접촉 영역에서의 SiO2층 성장을 억제하고 broken bond나 oxygen vacancy와 같은 박막의 결함을 감소시키기 위하여 RTA(rapid thermal annealing)나 O2 - ozone annealing [7]등이 행해지고 있다.

본 연구에서는 이러한 취지에서 deposition 이후 O2 annealing을 하였으며 annealing 온도에 따른 누설 전류의 특성 변화와 박막의 구조적 성질등을 분석하였다. 그리고 deposition 온도에 따른 박막의 성장 속도와 굴절률을 비교 검토하였다.

2. 실험

Ta2O5 박막은 tantalum pentoxide[Ta(OC2H5)5]와 O2를 반응물로 하여 hot wall-type LPCVD 반응기에서 p-type(100) Si wafer 위에 deposition되었다. Ta(OC2H5)5 원료 bubbler는 oil bath에 의해 200oC로 유지되었으며 캐리어 가스는 N2를 사용하였다. Bubbler로 부터 반응기까지의 feed line은 source의 응축을 방지하기 위하여 heating tape로 220oC로 유지하였다. N2가스에 의해 유입된 Ta(OC2H5)5는 quartz 반응기내에서 O2가스와 혼합되도록 하였다. Si wafer는 SiC-coated graphite susceptor 위에 놓여졌으며 반응기 외부의 열원에 의해 가열되었다. 실험 조건은 Table 1에 나타내었다. Deposition 이후에 Ta2O5 박막은 O2 분위기에서 600-900oC의 온도로 annealing을 하였으며 전기적 특성을 측정하기 위하여 알루미늄 게이트 전극(500, 600, 800□m diam.)을 형성한 MIS(metal-insulator-semiconductor) 커패시터를 제작하였다. I-V 특성 측정은 keithley digital electrometer를 이용하였으며 박막의 두께와 굴절률 측정은 ellipsometer(□=6328)를 사용하였다. 그리고 박막의 구조적 성질은 FTIR과 X-ray 회절 시험기(CuK□, □=1.5405)를 사용하여 분석하였다.

Table 1. Deposition and annealing conditions

deposition conditions		annealing conditions
N2 flow rate	80 cm3/min	O2 flow rate	300 cm3/min
O2 flow rate	80 cm3/min	temperature	600 - 900 ℃
temperature	320 - 520 ℃	pressure	1 atm
pressure	1.6 torr	time	30 min
time	10 - 30 min

3. 결과 및 토론

3.1 박막의 구조적 성질

320~520oC의 온도에서 deposition된 Ta2O5 박막의 FTIR spectra를 Fig.1에 나타내었다. 모든 spectra는 Ta-O 결합에 해당하는 630 cm-1에서의 크고 넓은 하나의 peak 그리고 900과 500 cm-1에서의 두개의 작은 어깨 모양의 peak을 나타내었는데 이는 C. H. An등의 연구 결과[6]와 동일하다. 또한 deposition 온도가 증가함에 따라 Ta-O결합의 양과 결합력이 증가하여 점차적으로 peak intensity가 증가하는 경향을 보였다. Fig.2는 410oC에서 deposition된 Ta2O5 박막을 O2 분위기에서 600~900oC로 30분간 annealing하였을때의 FTIR spectra를 나타내고 있다. 410oC에서 deposition된 박막과 600oC에서 annealing된 박막은 Fig.1과 유사한 결과를 나타내었으나 700oC 이상의 박막들은 annealing 온도가 증가함에 따라 크고 예리한 peak이 520 cm-1에서 관찰되었다. 이는 Ta2O5 박막이 700oC 이상에서 결정화되기 때문으로 예상된다. 그런데 800oC 이상에서는 1100 cm-1에서 Si-O 결합의 stretching vibration peak이 관찰되었는데 이는 800oC 이상의 열처리 과정에서는 Ta2O5와 Si의 접촉 영역에 SiO2층이 성장된다는 것을 의미한다. Fig.3은 O2 분위기에서 annealing한 Ta2O5 박막의 X-ray 회절 분석 결과이다. XRD pattern에 나타난 바와 같이 450oC에서 deposition된 박막과 600oC에서 annealing된 박막은 비정질 구조를 보였고 700oC 이상에서 annealing된 박막들은 앞서 FTIR 분석을 통해 예상하였던 바와 같이 결정화된 hexogonal(□-Ta2O5) 구조를 나타내었다.

3.2 박막의 성장 속도와 굴절률

박막의 성장 속도와 deposition 온도는 Fig.4에서 보여지는 바와 같이 거의 선형적인 관계를 나타내었다. 관련 data는 제시되지 않았지만 deposition 온도가 증가함에 따라 더욱 치밀한 구조의 박막이 성장되고 by-product가 보다 쉽게 탈착하기 때문에 굴절률은 점차적으로 이론적인 값인 2.2에 근접하였다. annealing 온도와 굴절률 변화의 관계를 Fig.5에 나타내었다. 굴절률은 600oC까지는 서서히 감소하였으나 700oC에서는 박막의 결정화로 인하여 급격히 증가 하였다. 그러나 800oC 이상에서는 앞서 언급한 바와 같이 SiO2의 성장으로 인하여 굴절률이 다소 감소하는 경향을 보였다.

3.3 박막의 전기적 특성

Al-gate 전극(600□m diam.)이 형성된 Ta2O5 커패시터의 annealing 온도 변화에 따른 누설 전류 특성은 Fig.6에 나타나 있다. 전체적으로 누설 전류는 positive bias 보다는 negative bias에서 더 낮게 나타났으며 annealing 온도가 증가함에 따라 더욱 낮아지는 경향을 나타내었다. Fig.7은 0.1MV/cm의 electric field에서의 annealing 온도와 누설 전류와의 관계로서 위의 내용을 뒷받침하고 있다.

4. 결론

Hot-wall type LPCVD 방법에 의하여 성장시킨 Ta2O5 박막은 deposition 온도와 annealing 온도가 증가함에 따라 Ta-O 결합의 양과 결합력이 증가하였으며 박막의 defect 감소로 인하여 누설 전류 특성이 크게 향상되었다. 그러나 800oC 이상의 annealing 과정에서는 Ta2O5 박막과 Si의 접촉 영역에 SiO2층이 성장되어 굴절률이 감소하는 경향을 나타내었다. 박막 성장 속도는 deposition 온도와 거의 선형적인 관계를 나타내었고 모든 Ta2O5 박막은 600oC 이하 annealing 공정에서 비정질 구조를 보였으며 700oC이상에서는 결정화된 hexogonal(□-Ta2O5) 구조를 나타내었다.

5. 참고 문헌

1) G. S. Oehrlein, J. Appl. Phys., 59, 1587 (1986)

2) L. Young and D.J. Smith, J. Electrochem. Soc., 126, 765 (1979)

3) Y. Nishioka, H. Shinriki and K. Mukai, ibid., 136, 872 (1989)

4) S. Zaima, T. Furuta, and Y. Yasuda, J. Electrochem. Soc., 137, 1297 (1990)

5) W.C. Krusell, and D. M. Dobkin, J. Electrochem. Soc., 140, 2615 (1993)

6) C. H. An and K. Sugimato, J. Electrochem. Soc., 139, 1956 (1992)

7) S. W. PARK and Y. K. BAEK, Journal of Electronic Materials, 21, 635 (1992)

Fig. 1. FTIR spectra for Ta2O5 films deposited         Fig. 2. FTIR spectra of Ta2O5 as-deposited and

on p-type(100) Si wafer at various temperatures.      annealed at various temperatures in O2 ambient

for 30 min.

Fig. 3. XRD spectra of Ta2O5 films as-deposited          Fig. 4. Arrhenius plot for Ta2O5 growth

and thermally treated in 1 atm O2 ambient  for 30min.    reaction.

Fig. 5. Refractive index of Ta2O5 vs. annealing temperature.

Fig.6. Current density vs. voltage for                  Fig. 7. Current density vs. electric field

annealed Ta2O5 on p-type(100) Si.                   for Ta2O5 on p-type(100) Si.