Abstract
Our investigation aimed to reduce the leakage current of $Ta_2O_5$ thin film capacitor by layering SnOz thin film layer under Ta thin film, thereby supplying extra oxygen ions from the $SnO_{2}$ underlayer to enhance the stoichiometry of $Ta_2O_5$ during the oxidation of Ta thin film. Tantalum was evaporated by e-beam or sputtered on p-Si wafers with various deposition temperatures and was oxidized by dry--oxygen at the temperatures between $500^{\circ}C$ and $900^{\circ}C$. Aluminum top and bottom electrodes were formed to make Al/$Ta_2O_5$/p-Si/Al or $Al/Ta_2O_5/SnO_2$p-Si/AI MIS type capacitors. LCR meter and pico-ammeter were used to measure the dielectric constants and leakage currents of the prepared thm film capacitors. XRD, AES and ESCA were employed to confirm the crystallization of the thin f~lm and the compositions of the films. Dielectric constant of $Ta_2O_5$ thin film capacitor with $SnO_{2}$ underlayer was found to be about 200, which is about 10 times higher than that of $Ta_2O_5$ thin film capacitor without $SnO_{2}$ underlayer. In addition, higher oxidation temperatures increased the dielectric constants and reduced the leakage current. Higher deposition temperature generally gave lower leakage current. $Ta_2O_5/SnO_2$ capacitor deposited at $200^{\circ}C$ and oxidized at $800^{\circ}C$ showed significantly lower leakage current, $10^{-7}A/\textrm{cm}^2$ at $4 \times 10^{5}$V/cm, compared to the one without $SnO_{2}$ underlayer. XRD showed that $Ta_2O_5$ thin film was crystallized above $700^{\circ}C$. AES and ESCA showed that initially the $SnO_{2}$, underlayer supplied oxygen ions to oxidize the Ta layer, however, Sn also diffused into the Ta thin film layer to form a new $Ta_xSn_YO_Z$ , ternary oxide layer after all.
본 연구에서는 Ta 박막 밑에 $SnO_{2}$박막층을 입혀서 $Ta/SnO_2$이중박막이 산화될 때 산소의 공급원을 2원화 함으로써 $Ta_2O_5$의 stoichiomitry를 향상시켜 $Ta_2O_5$박막 커패시터의 주설전류를 줄이고자 하였다. Tantalum을 실리콘 웨이퍼 위에 기판온도를 변화시켜 가면서 전자빔증착이나 스퍼터링 방밥으로 입히고 $500^{\circ}C$~$900^{\circ}C$에서 산화시켜 Al/$Ta_2O_5$p-Si/Al또는Al/$Ta_2O_5$/p-Si/Al과 같은 MIS형 커패시터를 만들어 유전상수 및 누설전류를 측정하였으며 XRD, AES, ESCA등을 이용하여 박막의 결정성 및 특성을 분석하였다. $SnO_{2}$박막층을 입힌 커패시터는$SnO_{2}$층을 입히지 않은 커패시터보다 10배 이상 큰 200정도의 유전상수 값을 나타내었다. 그리고 산화온도가 높으면 박막의 결정화로 인하여 유전상수는 증가하지아는 누설전류도 약간 증가하는 것이 확인되었다. 또한 높은 증착온도는 일반적으로 누설전류를 낮추는 것으로 나타났다. 특히 $SnO_{2}$층을 입힌 경우에 기판온도를 $200^{\circ}C$로 하고 $800^{\circ}C$에서 산화시켜 만든 커패스터의 경우에 $4 \times 10^{5}$V/cm의 전장강도에서 $10^{-7}A/\textrm{cm}^2$의 낮은 누설전류 값을 나타내었다. $Ta_2O_5$박막은 $700^{\circ}C$ 이상에서 박막이 결정되고, Ta /$SnO_{2}$ 이중박막을 산화시키면 처음에는 Ta박막과 $SnO_{2}$박막 계면에서 $SnO_{2}$로부터 Ta박막에 산소가 공급되지마는 점차 Sn이 Ta박막쪽으로 확산되어 결국에는 Ta-Sn-O계의 새로운 ternary oxide가 생성되는 것으로 나타났다.