Dielectric Properties of $Ta_2O_5-SiO_2$ Thin Films Deposited at Room Temperature by Continuous Composition Spread

상온에서 연속 조성 확산법에 의해 증착된 Ta

2

O

5

-SiO

2

유전특성

김윤회^1,3·정근¹·윤석진¹·송종한²·박경봉³·최지원^1,†

1

한국과학기술연구원 전자재료센터 ,

²

한국과학기술연구원 나노재료분석센터 ,

³

안동대학교 청정소재기술연구센터

Dielectric Properties of Ta 2 O 5 -SiO 2 Thin Films Deposited at Room Temperature by Continuous Composition Spread

Yun-Hoe Kim^1,3, Keun Jung¹, Seok-Jin Yoon¹, Jong-Han Song², Kyung-Bong Park³ and Ji-Won Choi^1,†

1

Electronic Materials Center, Korea Institute of Science and Technology, 39-1 Hawolgok-dong, Seongbuk-gu, Seoul 136-791, Korea

2

Nano Materials Analysis Center, Korea Institute of Science and Technology, 39-1 Hawolgok-dong, Seongbuk-gu, Seoul 136-791, Korea

3

The Center for Green Materials Technology, Andong University, 388, Songcheon-Dong, Andong, Gyeongsangbuk-Do 760-749, Korea (2010 년 3 월 12 일 접수 : 2010 년 6 월 15 일 게재 확정 )

초 록: CCS 방법이 적용된 off-axis RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 증착된 Ta

2

O

5

-SiO

2

의 유전체 박막에 관하여 연 구를 하였다 . 1500 µ m 의 간격으로 비유전율 및 유전손실을 측정하여 Ta

2

O

5

-SiO

2

에 조성의 변화에 따른 유전특성의 변 화를 나타내었다 . 1 MHz 에서 높은 유전상수 ( k ~19.5) 와 낮은 유전손실 (tan δ <0.05) 을 보이는 영역들을 찾았는데 , 이는 증착된 기판 (75 × 25 mm

²

sized Pt/Ti/SiO

2

/Si(100)) 에서 SiO

2

타겟 영역으로부터 각각 16 mm, 22 mm 떨어진 영역에서 찾 을 수 있었다 .

Abstract: The variations of dielectric properties of Ta

2

O

5

-SiO

2

continuous composition spread thin films prepared by off-axis radio-frequency magnetron sputtering were investigated. The dielectric maps of dielectric constant and loss were plotted via 1500 micron-step measuring. The specific points showing superior dielectric properties of high dielectric constant ( k ~19.5) and loss (tan δ <0.05) at 1 MHz were found in area of the distance of 16 mm and 22 mm apart from SiO

2

side in 75 × 25 mm

²

sized Pt/Ti/SiO

2

/Si(100) substrates.

Keywords: Dielectric, High- K , Continuous Composition Spread(CCS), Low processing temperature

1. 서 론

오늘날유비쿼터스

(ubiquitous)

^{시대가열림에따라모}

든정보와멀티미디어가언제

,

^어디서나

24

^{시간끊김없}

이서비스가가능하여야하며이를위해서는다양한정 보및서비스의송신과수신이동시에가능한휴대단말 기가필요하게되었다

.

^{이러한차세대휴대단말기는현}

재휴대폰의전화기능

,

^카메라

, DMB,

^이외에도

mobile

internet, health care

^서비스

, home network

^{등더욱다양한}

서비스가가능해야할것이다

.

^{그러기위해서는단말기}

의일정한부피내에현재보다훨씬많은유전체박막의 탑재가필수적이며

,

^{이에단말기내의부품실장밀도의급}

격한증가가요구되고있다

.

^{이러한소형화및고집적화}

를위한유전체박막의면적감소는소자의정전용량부 족을유발하고

,

^{이에따라소자에저장된정보가변화하}

는소프트에러

(soft error)

^{가발생하게된다}

.

^{이러한소프}

트에러를예방하여소자가안정된동작을하기에필요

한최소한의충전용량을유지하기위해서는유전층의두 께감소가필요한데

,

^{종례에사용되던}

SiO

2

, Si

3

N

4또는

SiO

2

/SiN

4층은두께의물리적한계에도달하게되어유

전층에서직접적인터널링전류

(tunneling current)

^가흘러

서이를제대로관리하지못할경우고속연산에있어소 자의신뢰성에심각한문제가생기게된다

.

^{따라서이러}

한문제를해결하기위해서유전층의두께감소대신새 로운고유전율유전박막을사용하려는연구가이루어 지고있다

.

또한대부분의세라믹소재를이용한유전체박막의부 품제조에는수백^o

C

^에서천o

C

^{이상에이르는고온에서열}

처리함으로써밀도를높이고소재로서의특성을얻으며 형태를유지하는소결공정이필수적이다

.

^{이러한소결공}

정을거치면세라믹물질은약

13%

^{이상의수축이발생}

하게되어서

3

^{차원구조상의복잡한패턴및}

via-hole

^등

의

alignment

^{에치명적인문제가야기되고있다}

.

^또한고

온에서행해지기때문에폴리머를비롯한다양한다른소

†

Corresponding author

E-mail: [email protected]

재간의접합이매우어려워진다

.

^폴리머는

350

^o

C

^이상

에서는분해되어특성을유지하지못하며

,

^{다른종류의}

세라믹소재간의접합에서도통상의소결온도에서는분 자간의확산에의해접합부의화학조성이변화하는결정 적인문제가있다

.

^{그리하여저온공정에서의유전체박막}

의제조기술이중요하게대두되고있다

.

^1-4)

실제저온공정의응용분야의예로는크게반도체

very large scale integration back-end of line (VLSI-BEOL)

^공정

의

metal insulator metal (MIM)

^{캐패시터와 플렉시블}

(flexible)

^{박막 트랜지스터의 게이트 인슐레이터}

(gate

insulator)

^{를예로들수있다}

.

⁵⁾

MIM

^{캐패시터는반도체}

RF, analog/mixed signal

^{회로에사용되는중요한수동소자로}

서

international technology roadmap for semiconductors(ITRS)

^에

서는그기술적요구사항으로

2022

^년까지

12Ff/um

^2의높은

정전용량밀도를요구하고있으며

,

^6)반도체

VLSI-BEOL

^공

정의최대공정온도가

400

^o

C

^{정도로제한되어있다}

.

또한최근에차세대디스플레이어로플렉시블디스플 레이에관하여기업과연구소에서많은연구가이루어지 고있다

.

^{플렉시블디스플레이는기계적으로반복굽힘}

에따른변형이없어야하며굽힘에따른전기적변화가 없을뿐만아니라

,

^{게이트절연막으로서특성이좋아야}

한다

.

^{이러한플렉시블디스플레이를구현하기위해서는}

유연한기판이필요하고기존의박막트랜지스터는단결 정실리콘기판위에

metal oxide semiconductor(MOS)

^구조

로제작을하였지만기판의고유한기계적특성상유연 성이없어

,

^{이에플라스틱기판을이용한연구가주로이}

루어지고있다

.

플라스틱은유리기판에비해가볍고유연성이뛰어나 잘깨어지지않고매우얇게만들수있는장점이있다

.

^그

러나기존의단결정실리콘기판을사용한박막트랜지스 터의제조공정은고온의온도에서이루어지는데반해

,

플라스틱기판을고온공정을적용하게되면플라스틱의 변형을가져오게되므로

,

^{저온에서도우수한성질을갖는}

막을형성하는것이가장큰문제점으로남아있다

.

⁷⁾

위에서언급한소형화및고집적화를위한고유전율재 료인

Ta

2

O

58)

, Al

2

O

3

-Ta

2

O

59)

, Y

2

O

310)

, (Ba

x

Sr

1-x

)TiO

311)

, ferroelectrics

^{12-13)등은매우높은정전용량밀도를나타내}

어정전용량요구조건은충분히만족시킨다

.

^그러나공

정온도가

400

^o

C

^{이상으로너무높고}

,

^{무엇보다도캐패시}

터특성에있어서가장중요한누설전류및유전손실이 매우높아 실질적인

MIM

^{캐패시터의실현을위해서는}

400

^o

C

^{미만의온도에서형성가능하고우수한누설전류}

및유전손실특성을나타내는새로운고유전율박막소 재의개발이필수적이라할수있다

.

그리하여

VLSI-BEOL

^공정의

MIM

^{캐패시터및플렉시}

블박막트랜지스터의게이트인슐레이터에적합하게적 용할수있게저온공정에서도높은비유전율을나타내는 물질을찾아야하지만단일조성의물질에서는찾기가어 렵다

.

^{이런이유때문에}

,

^{새로운물질들에대한탐색방}

법들을찾게된동기가되었다

.

^{예를들어염분의인쇄및}

지속적인확산을위한성분젤의보급과같은결합기술 들은물질을탐색하고발견하는데적용되고있다

.

^{14-15) 이}

러한결합기술중에서박막을만들기위해

R.B van Dover

에의해최적화된

off-axis

^{스퍼터의경우다른기술들에}

비해박막물질의조성을탐색하는데있어서유리한장 점들을갖고있다

.

^{16)본연구에서는비정질박막의유전}

상수가

25

^로서

SiO

2에비해

6

^{배정도의높고}

,

^비교적높

은항복강도와낮은누설전류를가지고있는

Ta

2

O

5의비 정질박막과큰항복강도와낮은누설전류를가지고있 는

SiO

^{2의비정질박막을}

off-axis

^{동시스퍼터}

(co-sputter)

를이용하여하나의기판위에여러조성을

CCS

^방법에의

해증착한후

,

^{측정하여분석하였다}

.

Fig. 1. Schematic presentation of cosputtering configuration for deposition of continuous composition spreads. Ar and O

2

gase are

introduced at 27 and 3 sccm, respectively, to obtain a working pressure of 20 mTorr. RF power at Ta

2

O

5

and SiO

2

targets, which

diameter is 50.8 mm, are 100 and 100 W, respectively.

2. 실 험

2.1. 박막증착방법

본실험은

Fig. 1

^{에나타낸것과같이}

2

^인치

(dia. 50.8 mm)

의

Ta

2

O

5와

SiO

2타겟각각에독립된건

(gun)

^과

RF

^컨트롤

러가장착된

RF

^{마그네트론스퍼터을이용하여실리콘웨}

이퍼기판

(Pt/Ti/SiO

2

/Si(100)

^기판

(75

^×

25 mm

²

) : DOOSON INC, Korea)

^에

off-axis

^{방법으로조성이연속적으로확산된}

박막을증착하였다

.

^{실리콘웨이퍼의표면에있는유기}

물및불순물을제거하기위하여마이크로용액

,

^트리클

로로에틸렌

,

^아세톤

,

^메탄올

,

^{에탄올의순서로각각}

20

^분

씩초음파세척기를이용하여세척한후질소가스를이 용하여건조시켰다

.

스퍼터챔버내에

SiO

2

, Ta

2

O

5타겟과웨이퍼기판을고 정시킨후

base

^압력을

2.0

^×

10

^-6

Torr

^{이하로유지하기위}

하여충분히진공을뽑았다

. working

^압력을

0.02Torr

^로

유지하였으며

,

^{반응가스로아르곤과산소가스를사용하}

여 아르곤 가스의 유량을

27sccm,

^{산소가스의유량을}

3sccm

^{으로일정하게하였다}

.

^이는순수

Ar

^{분위기에서증}

착할경우

Ta

²

O

^5및

SiO

^{2의산소공공이발생하게되고}

,

이로인해누설전류가증가하고

,

^{유전특성이저하되는}

현상을줄이기위해서이다

.

^또한

O

2의함량이너무높아 질경우증착율이크게감소를하게되며

,

^{상온에서의조}

성에따른유전특성변화에초점을맞추기위해공정변 수인

O

2의분압을

(Ar:O

2

= 9:1) 20 mTorr

^{로고정하였다}

.

기판의높이는타겟의가장아랫쪽의높이와일치시켰

고

,

^{타겟과기판의수평적거리는각각}

9 mm

^{로유지하였}

는데

,

^{이는타겟과기판의거리가}

0 mm

^{로유지하고스퍼}

터를이용해증착할경우

,

^{기판내에증착되는위치가타}

겟에서멀어질수록

,

^{박막의두께가처음에는증가하다가}

차츰감소라는것을확인할수있었는데본실험에서는 타겟과의거리의증가에다라계속박막의두께가감소

하게하기위하여거리를

9 mm

^{로유지하였다}

.

RF Power

^는

Ta

2

O

5과

SiO

2타겟모두

100 W

^를가하였

고

,

^{증착하기전에증착하고자하는타겟의표면에이물}

질을제거하기위하여사전스퍼터링을

10

^{분간실시하고}

30

^{분간증착을실시하였다}

.

스퍼터링을통하여박막이증착된기판에상부전극을 증착하기위하여노광공정을거친후전자빔증발기를 이용하여알루미늄

source (99.999%, Kurt J. Lesker)

^를사용

하여상부전극을

200

^×

200

^µ

m

^{2의크기로}

x

^축과

y

^축의간격

을

300

^µ

m

^{로증착하였다}

.

2.2. 측정방법

증착된박막의두께를구하기위해증착된웨이퍼를절 단하여단면을

Environmental-Scanning Electron Microscopy (E-SEM : XL-30 FEG, FEI)

^{을통하여측정하였다}

.

^또한증

착된박막기판을

auto probe station(Model 19S, TNP, Korea)

과

precision impedance analyzer(4294A, Agilent, USA)

^를사

용하여비유전률과유전손실을측정하였다

.

^{또한측정결}

과유전손실이낮은영역을

TS1, TS4

^{라명하고그영역을}

선택하여

RBS, XRD

^{를추가적으로분석하였다}

.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2

^는

Ta

2

O

5와

SiO

2각각의박막들의두께프로파일 과

Ta

2

O

5

-SiO

2의

2

^{성분계박막의두께프로파일을거리}

에따라그래프로나타내는데증착된웨이퍼를

18 mm (2 mm, 20 mm, 38 mm, 56 mm, 74 mm)

^{의간격으로}

5

^영역

을각각절단하여

SEM

^{을통하여각각의단면을측정하}

여구하였다

. Ta

2

O

5의두께프로파일은타겟과의거리가

0 mm-75 mm

^{로증가 함에 따라증착된 박막의 두께는}

204 nm-75 nm

^{로감소하였고}

, SiO

2의두께프로파일은타

겟과의거리가

0 mm-75 mm

^{로증가함에따라증착된박}

막의두께는

247 nm-75 nm

^{로감소하였다}

.

^이는

Ta

2

O

5와

SiO

2각각의타겟과의거리가증가할수록증착된박막의 조성비가감소함을알수있다

.

^또한

Ta

2

O

5

-SiO

2의

2

^성분

계박막의두께프로파일은전영역에서

244 nm-313 nm

사이의두께를보였다

.

Fig. 3(a)

^{는상온에서}

off-axis RF

^{마그네트론스퍼터로}

증착된

Ta

2

O

5

-SiO

2박막의비유전율을

, Fig. 3(c)

^는

Ta

2

O

5

-

SiO

2박막의유전손실값을각각나타낸다

.

^{각각의이미}

지에아래위의간격이일정한

,

^{가운데지점에수평선}

(

^빨

간점선

)

^{을나타내었고}

,

^{수평선아래와위의비유전율및}

유전손실을측정한결과근소한오차를확인할수있었 다

.

^{이는쳄버안의메인벨브의위치에따른공기의흐름}

의영향과수평선에서멀어짐에따른타겟과의거리가멀 어짐에기인한것으로예상된다

.

^{비유전율및유전손실}

측정결과영역에수평적이동에따라비유전율및유전손 실의특성이변화되었는데이는각영역에따른

Ta

2

O

5

:

SiO

2의조성비가변화하기때문이다

. Ta

2

O

5타겟에근접

한영역에서높은비유전율을보이는데이는

Ta

2

O

5의높

Fig. 2. Thickness profiles of Ta

2

O

5

, SiO

2

and Ta

2

O

5

- SiO

2

thin films deposited at RF power of 100 and 100 W for Ta

2

O

5

and SiO

2

targets, respectively, along the distance from Ta

2

O

5

side.

은비유전율에기인한것이다

.

^{본연구는상온에서도낮}

은유전손실을가지면서높은비유전율을가지고있는영 역을찾는데목적이있다

.

^{이는상대적으로비유전율이}

높아도유전손실이높게나타나면회로에치명적인결함

을유발하기때문에우선적으로낮은유전손실을갖는영 역을조사하였다

.

^{유전손실이}

0.058

^{로가장낮은}

2

^영역

을확인하여

Ta

2

O

5타겟에서

16 mm

^{떨어진영역을}

TS1(

수평선에서아래로

3 mm

^{떨어진영역}

)

^{이라명칭하였고}

,

Fig. 3. Dielectric maps of the Ta

2

O

5

- SiO

2

binary thin films and dielectric profiles along core horizontal-line: (a, b) dielectric constant

( k ) and (b, d) dielectric loss (tand).

Ta

2

O

5타겟에서

22 mm

^{떨어진영역을}

TS4(

^{수평선에서}

위로

3 mm

^{떨어진영역}

)

^{이라명칭하였다}

. Fig. 3 (b)

^에서

는

Fig. 3(a)

^{에나타나있는수평선을따라}

Ta

2

O

5타겟에서

SiO

^{2타겟으로 이동함에따른 비유전율을표시하였고}

, Fig. 3 (d)

^에서는

Fig. 3(c)

^{에나타나있는수평선을따라}

Ta

2

O

5타겟에서

SiO

2타겟으로이동함에따른유전손실

을나타내었다

.

^{유전손실을측정한결과전영역에거쳐}

0.280-0.058

^{까지의변화를}

Fig. 3 (d)

^{에서확인할수있다}

.

그중

Ta

2

O

5타겟에서

15 mm-22 mm

^{의영역에서의유전}

손실이가장낮게측정되었으며특히

0.058

^{로가장낮은}

유전손실을보인

TS1, TS4

^를수직선

(

^빨간점선

)

^으로표

시하였다

.

비유전율은

Ta

²

O

^{5타겟에서}

4 mm

^{떨어진영역에서가}

장높은

34

^{의비유전율을확인하였고}

, Ta

2

O

5타겟에서

12 mm

^{떨어진영역에서}

19

^{로급격하게감소하는경향을}

확인하였다

. Ta

2

O

5타겟에서

12 mm

^{떨어진 영역부터}

SiO

2타겟으로이동함에따른비유전율변화는서서히감

소하는경향을확인하였다

.

^{또한가장유전손실이낮게}

측정된

TS1, TS4

^{에서의비유전율은각각}

19.5, 17.9

^이었

고

,

^수직의선

(

^빨간점선

)

^{을사용하여각각표시하였다}

.

이두영역에관하여

1 mm

^×

1 mm

^{의크기로절단하였고}

,

그영역에관하여

XRD, RBS

^{의특성을분석하였다}

.

상온에서

off-axis RF

^{마그네트론스퍼터로증착된}

TS1

영역과

TS4

^{영역의 박막들을}

2

^θ

scan mode X-ray

diffractometry (XRD)

^{을통하여상을분석한결과를}

Fig.

4

^{에표시하였다}

.

^{측정결과뚜렷한결정성을확인할수}

없었고

,

^{비정질상태로증착되어있음을알수있다}

.

^이

는비유전율및유전손실의특성이결정화에기인한것

이아니라

Ta

2

O

5

, SiO

2각각의박막에특성이혼재되어있 음을알수있다

.

^{만약낮은공정온도의제한이없고}

,

^높

은비유전율을얻고자하면결정화를위해서는증착시기 판에온도를가해주거나

,

^{후열처리공정을거쳐결정화}

를하여높은비유전율을얻을수있을것이다

.

^하지만저

온공정을요하는반도체

VLSI-BEOL

^공정의

MIM

^캐패

시터와

flexible

^{박막트랜지스터의게이트인슐레이터의}

적용을위하여열처리를실시하지않았다

.

Table 1

^에나타낸

TS1, TS4

^{각각의 영역에관한}

bulk

density

^{와박막조성}

(at%)

^의값은

RBS

^{스펙트럼을통해}

데이터을얻어

rutherford universal manipulation program

(RUMP)

^{을이용하여구하였고}

,

^{시뮬레이션된스펙트럼을}

Fig. 5

^{에표시하였다}

. TS1

^{의영역에대해서}

bulk density

는

7.28

^×

10

²²

(atoms/cm

³

)

^{로측정되었으며}

, TS4

^의영역에

대해서

bulk density

^는

7.29

^×

10

²²

(atoms/cm

³

)

^{로 측정되어}

TS1

^과

TS4

^에서의

bulk density

^{는거의동일한밀도를보}

Fig. 4. XRD patterns of the Ta

2

O

5

- SiO

2

binary thin films at specific points (TS1 and TS4).

Table 1. Compositional, physical, and dielectric properties of the Ta

2

O

5

-SiO

2

thin films at specific points

Point Ta Film composition (at%) Si O Bulk density (atoms/cm

³

) Dielectric constant ( k ) Dielectric loss (tan δ )

TS1 21.0 5.3 73.7 7.28 × 10

²²

19.5 0.058

TS4 19.1 7.6 73.3 7.29 × 10

²²

17.9 0.058

Fig. 5. The as-received RBS spectrum and simulation spectrum by

RUMP for Ta

2

O

5

- SiO

2

binary thin films: (a) TS1 and (b)

TS4. The film composition and mass thickness were

calculated from the simulation.

였고

,

^차후에

TS1

^과

TS4

^{의조성비에관한 독립타겟을}

제작하여증착할경우더밀도가높은박막을얻을수있 을것으로예상되며비유전율및유전손실과같은유전

체특성의개선을예상할수있다

. TS1

^에서

Ta/Si

^의조성

비율은

3.96

^로

Ta

^의조성이

Si

^{의조성에비해약}

4

^배정

도많이포함되어있었고

, TS4

^에서는

Ta/Si

^{의조성의비}

율이

2.51

^로

Ta

^의조성이

Si

^{의조성에비해약}

2.5

^배정도

많이포함되어있었다

. TS4

^{의유전상수가}

TS1

^보다작게

나타나는이유도유전상수가작은

SiO

2에기인한것으로 상대적으로

Si

^{의조성을많이포함하는}

TS4

^{가적게포함}

하는

TS1

^{보다작은유전상수를갖는것이다}

.

4. 결 론

본실험은상온에서

CCS

^{방법이적용된}

RF

^마그네트

론스퍼터를이용하여

3

^{인치기판에}

Ta

2

O

5

/SiO

2박막을 증착시켰으며

,

^{박막영역의 변화에 따른 두께변화를}

SEM

^{을통하여측정하였고}

, 1 MHz

^{에서유전특성을조}

사한결과다음과같은결론을얻었다

. Ta

2

O

5

-SiO

2의

2

^성

분계박막에서유전손실이

0.058

^{로가장낮은영역}

(TS1, TS4)

^{을확인할수있었고그영역에서의유전상수가각각}

19.5, 17.9

^{임을알수있었다}

. TS1, TS4

^에서의

Ta : Si : O

^의

at%

^는

TS1 = 21.0 : 5.3 : 73.7 at%, TS4 = 19.1 : 7.6 : 73.3 at%

이었다

. XRD

^{측정결과비정질상태임을알수있었고}

,

^차

후에실험에서는공정온도이하의저온에서열처리를가 해주면더좋은비유전율을기대할수있다

.

감사의 글

본연구는차세대패키징공정장비실용화과제연구 비에의하여수행되었음

.

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