Low-temperature crystallization of high-dielectric (Ba,Sr)TiO3 thin films for embedded capacitors

Abstract

페로브스카이트 구조를 가지는 (Ba,Sr)TiO3 (BST) 박막은 비휘발성 메모리 소자, 콘덴서, 박막형 트랜지스터의 게이트 절연막, 디스플레이 용 광전자소자 등으로의 높은 응용성을 가지고 있다. 일반적으로 졸-겔 법 또는 스퍼터링법으로 증착 된 BST박막의 경우 600도 이하에서의 열처리 시 비정질이나 국부적인 결정성을 가지게 된다. 하지만, BST박막을 직접적으로 집적회로에 통합시키기 위해서는 모든 공정이 400 ~ 450도 이하에서 이루어져야 한다. 본 연구에서는 BST박막을 저온에서 결정화시키는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 첫째, 자외선 동시조사 급속 열처리 방법을 통하여 BST박막을 제작하였는데, 이 박막의 경우 단일 페로브스카이트 상을 가지며, 높은 유전상수, 낮은 유전손실, 낮은 누설전류 그리고 높은 파괴전압과 같은 전기적 특성을 보였다. 이는 졸-겔 방법으로 제작된 BST겔에 존재하고 있는 유기물들을 자외선을 조사하여 제거함으로써 낮은 온도에서 결정화를 이루게 되었다. 둘째, 고압의 산소를 이용한 열처리를 통하여 비정질의 BST박막을 높은 a축 배향성을 가진 페로브스카이트 구조로 350도에서 결정화 하였다. 이러한 BST 박막의 경우 600도 이상에서 후열처리 혹은 스퍼터링 방법으로 증착한 BST 박막의 전기적인 특성과 유사하다. 수축율이 높은 BST계의 경우, 열처리 시 외부의 압력으로 인하여 핵 형성에너지가 감소하게 되고, 이로 인해 결정화 온도가 낮아지게 된다. 자외선 동시 조사 급속 열처리 방법과 고압의 산소를 이용한 열처리 방법은 400도 이하에서 BST박막을 라디오 파 및 혼합 신호 집적회로에 집적화를 가능케 하는 방법으로 유망하다.; (Ba,Sr)TiO3 (BST) thin film with a perovskite structure has potential for the practical application in various functional devices such as nonvolatile-memory components, capacitor, gate insulator of thin-film transistors, and electro-optic devices for display. Normally, the BST thin films derived from sol-gel and sputtering are amorphous or partially crystalline when processed below 600°C. For the purpose of integrating BST thin film directly into a Si-based read-out integrated circuit (ROIC), it is necessary to process the BST film below 400°C. The microstructural and electrical properties of low-temperature crystallized BST film were studied. The BST thin films have been fabricated at 350°C by UV-assisted rapidly thermal annealing (RTA). The BST films are in a single perovskite phase and have well-defined electrical properties such as high dielectric constant, low dielectric loss, low leakage current density, and high breakdown voltage. Photoexcitation of the organics contained in the sol-gel-derived films by high-intensity UV irradiation facilitates elimination of the organics and formation of the single-crystalline phase films at low temperatures. The amorphous BST thin film was transformed to a highly (h00)-oriented perovskite structure by high oxygen pressure processing (HOPP) at as low as 350oC. The dielectric properties of BST film were comparable to (or even better than) those of the conventionally processed BST films prepared by sputtering or post-annealing at temperature above 600oC. When external pressure was applied to the well-known contractive BST system during annealing, the nucleation energy barrier was reduced; correspondingly, the crystallization temperature decreased.