JPH0334580A

JPH0334580A - 電子部品

Info

Publication number: JPH0334580A
Application number: JP1169589A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Toyoda; 啓豊田; Koji Yamakawa; 晃司山川; Kazuhide Abe; 和秀阿部; Motomasa Imai; 今井　基真; Mitsuo Harada; 光雄原田; Yoshiko Kobanawa; 小塙　佳子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-02-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】Ｃ発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、強誘電体薄膜を備えた電子部品に関する。

（従来の技術）強誘電体薄膜は、電子部品の高機能化、小社化、高集積
化に伴い、近年、焦電型赤外線センカ光スイッチ、デイ
スプレィデバイス、ＦＥＴ、強誘電体メモリ等に用いら
れている。前記強誘電体薄膜は、通常、ペロブスカイト
型酸化物を用いる場合が多く　　ＰｂＴｉ０ｉ　　ｐｚ
Ｔ（ＰｂＴ１０．とＰｂＺｒ０ｉの固溶体）ＰＬＺＴ　
（ＰＺＴＩ、：Ｌａを添加したもの）が代表的なものと
して用いられているが、その他ＬＩ　Ｔａ　Ｏ，Ｌｉ　
Ｎｂ　Ｏｑ　　ＫＴａ　Ｏｓ、ＫＮｂＯｉ又はＢ１４　
Ｔｌ　２０１２などのチタン酸ビスマス系、ＢａＴｉ０
ｉ系、５ｒＴｉ０３系なども使用されている。ＰｂＴｌ
０ｉが焦電センサに使用されたり、ＰＬＺＴが光スィッ
チとして用いられたりする例がある。

ところで、強誘電体薄膜を備えた電子部品（例えば強誘
電体メモリ）としては従来より次のような構造のものが
知られている。即ち、半導体素子や配線等が既に形成さ
れているシリコン基板上にＳｌ　ｓ　Ｎ４　、Ｓｊ　０
２　、Ｓｉ　０２ガラス、ＰＳＧ（リンシリケートガラ
ス）などからなる第１の絶縁層を被覆し、この絶縁層上
にＰｔ等の電極材料層の蒸着、バターニングにより形成
された下部電極を設け、かつこの下部電極上に強誘電体
薄膜が形成され、更にこの強誘電体薄膜上にＰｔ等の電
極材料層の蒸着、パターニングにより形成された上部電
極が設けられている。かかる構造の強誘電体メモリにお
ける強誘電体薄膜は、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着
法により成膜される。この際、強誘電体薄膜を結晶化す
るために成膜工程中は基板を５００〜８００℃に高温加
熱したり、成膜後に同温度でアニーリングを行なう。

しかしながら、上記構造の電子部品にあってはＰｂ　Ｔ
ｉ　Ｏ３、ＰＺＴからなる強誘電体薄膜と該薄膜が形成
される５ｉｎ２等からなる絶縁層との熱膨張係数が異な
ることから、強誘電体薄膜の成膜時において該薄膜部分
にクラックが生じる。その結果、前記強誘電体薄膜を上
下に挟む下部電極、上部電極７の間でのリークを引き起
こし、電子部品の信頼性を著しく低下させる問題があっ
た。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記従来の課題をＭ決するためになされたも
ので、電極で挟まれた強誘電体薄膜のクラック発生を防
止した信頼性の高い電子部品を提供しようとするもので
ある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の電子部品は、シリコン基板上に絶縁層を介して
第１の強誘電体薄膜を形成し、該強誘電体薄膜上に第２
の強誘電体薄膜を電極で挟んだ状態にて少なくとも１層
以上設けたことを特徴とするものである。

上記第１、第２の薄膜を構成する強誘電体は同一でも異
なってもよいが、熱膨張係数を近似させることや、生産
性の観点から同一の強誘電体で第１、第２の薄膜を形成
することが望ましい。かかる強誘電体としては、例えば
Ｐｂ　ＴＩ　Ｏ，、又はＰｂＴ１０ｉとＰｂＺｒＯ３の
固溶体（ＰＺＴ）、ＰＺＴにＬａを添加したＰＬＺＴな
どのＰＺＴを主成分とするペロブスカイト型酸化物等を
挙げることができる。前記第１の強誘電体薄膜の厚さは
、１０００〜ａｏｏｏ入の範囲とすることが望ましい。

上記絶縁層は、例えばＳｌ　３　Ｎ４　、Ｓｉ　０２、
ＳｉＯ２ガラス、ＰＳＧ等により形成される。

上記電極は、例えばＰＬ等から形成される。

また、本発明の別の電子部品は荊記第１の強誘電体層の
下地層としてＭｇ及びＺｒの少なくとも１種を主成分と
する酸化物層を設けた構造を有する。

上記Ｍｇを主成分とする酸化物としては、例えばＭｇ　
Ｏを挙げることができ、Ｚｒを主成分とする酸化物とし
ては例えばＺｒ　Ｏ，を挙げることができる。かかる酸
化物の絶縁層の厚さは、５００Å以上とすることが望ま
しい。この理由は、その厚さを５００Å未満にすると強
誘電体薄膜を結晶＾化するための基板の高温加熱等にお
いて強誘電体の構成成分であるｐｂなどが基板側へ拡散
するのを阻止するバリア層として作用させることが困難
となるからである。

（作用）本発明によれば、シリコン基板上に絶縁層を介して第１
の強誘電体薄膜を形成し、該強誘電体薄膜上に第２の強
誘電体薄膜を電極で挟んだ状態にて少なくとも１層以上
設けた構造とすることによって、熱影響による前記第２
の強誘電体薄膜の前記絶縁層に対する熱膨張率の差を該
絶縁層上に形成した第１の強誘電体薄膜により抑制して
近似できるため、電極間に挟まれた前記第２の強誘電体
薄膜のクラブ、り発生を防止した信頼性の高い電子部品
を得ることができる。

また、第１の強誘電体薄膜の下地層としてＭｇ及びＺｒ
の少なくとも１種を主成分とする酸化物ＷＡ（例えばＭ
ｇ　０１ＺｒＯ□等）を設けることによって、第１、第
２の強誘電体薄膜の組成変動を抑制して該薄膜の強誘電
特性を良好な状態に維持でき、しかも第２の強誘電体薄
膜のｍ或に適した配向（分極の軸方向への配向）が可能
となる。

即ち、電極で強誘電体薄膜を挾み、これをシリコン基板
の絶縁膜上に設けた構造の電子部品にあっては前記強誘
電体薄膜を結晶させるための基板の高温加熱、アニーリ
ングの時に強誘電体を構成するｐｂなどの成分がｐｔか
らなる下部電極を通して前記５ｈ０２ガラス、ＰＳＧな
どからなる絶縁膜に拡散する。その結果、前記絶縁膜の
抵抗率が下がるばかりか、強誘電体薄膜の組成が変化し
て電極との界面の格子整合性が乱れ、強誘電体薄膜の特
性劣化を招く問題があった。このようなことから第１の
強誘電体薄膜の下地層、つまりＳＩＯ□などの絶縁膜の
上にＭｇ　Ｏ又はＺｒ　０２等の酸化物層を設けること
によって、前記電極上に設けられる第２の強誘電体薄膜
の結晶化のための高温熱処理において、第１の強誘電体
の構成成分であるＰｂ等が前記絶縁膜に拡散するのを前
記酸化物層によるバリア作用により阻止できる。史に、
第１の強誘電体薄膜の組成が変化しないことにより、第
２の強誘電体薄膜の構成成分であるｐｂ等がその下の電
極を通して拡散するのも防止できる。その結果、５ＩＯ
２等の絶縁膜の抵抗率が下げられたり、電極で挟まれた
第２の強誘電体薄膜の組成変動を抑制して該薄膜の強誘
電特性を良好な状態に維持できる。

また、強誘電体薄膜は強誘電特性を向上するために分極
する軸方向を配向させることが望ましい。

強誘電体薄膜を配向させる際には、その下地層の影響を
大きく受ける。前記下地層の配向性は、その下の層の影
響を大きく受ける。上述した第２の強誘電体薄膜の下地
となるＰｔからなる電極は、スパッタリング法等により
容易に＜１１１＞に配向するが、その下地となる第１の
強誘電体薄膜の下地である絶縁膜はＳｌ　０２等からな
るため、第１の強誘電体薄膜を＜１００＞に配向できず
、ｐｔの下部電極を＜１００＞に配向させることが難し
い。その結集、Ｐｔの下部電極を下地層とする強誘電体
薄膜も＜　１００＞に配向させることが困難となり、強
誘電体薄膜をその組成等に応じて＜　１００＞等の最適
な方向に配向させることができないという問題があった
。これに対し、前記Ｍｇ　ＯやＺｒ　０２の酸化物層は
、それを堆積するためのスパッタリングの条件等を換え
ることにより＜１００＞、＜１００＞等の方向に配向で
きるため、該酸化物層上に形成される第１の強誘電体薄
膜、電極も同方向に配向できる。その結果、該電極を下
地とする第２の強誘電体薄膜もこれらの方向に配向でき
るため、その薄膜の組成に適した配向（分極の軸方向へ
の配向）が可能となり、優れた強誘電特性を有する電子
部品を得ることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に示す製造方法を併記して
詳細に説明する。

実施例１まず、半導体素子や配線が既に形成されたシリコンウェ
ハ１上にＳｌ　０２ガラスからなる絶縁膜２を堆積した
後、全面に下記条件のＲＦマグネトロンスパッタリング
により厚さ５０００λのＭｇ　Ｏからなる酸化物層３を
成膜した（第１図（ａ）図示）。こうして成膜されたＭ
ｇ　Ｏからなる酸化物層３は、結晶化しており、＜１０
０＞方向に配向されていた。

（Ｍｇ　Ｏの成膜条件〕ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
５インチφのＭｇ　Ｏセラミックスウェハ温度；５００℃ ガ　　ス　；Ａｒ１０□ ガス圧；　　０．５Ｐａウェハとターゲット間の距Ｍ：　　１ｏＯａ＋１１電力
／ターゲット；　　２００Ｗ次いで、前記酸化物層３の全面に下記条件のＲＦマグネ
トロンスパッタリングにより厚さ２０００大の下地用の
第１のＰｂ　Ｔｌ　０３薄膜４を成膜した（第１図（ｂ
）図示）。こうして成膜された薄膜４は、単一相であり
、＜００１＞に強い配向性を示した。

（ＰｂＴｌＯｉの成膜条件〕ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
　５インチφのＰｂ　Ｔｌ　０３セラミツクスウェハ温度；６００℃ ガ　　ス　；　　Ａ　ｒ　　／　０２ガス圧；　　０．８Ｐａウェハとターゲット間の距離：１００■麿電力／ターゲ
ット；　　２００Ｗ次いで、前記ＰｂＴ１０ｉ薄膜４の全面に下記条件のＲ
Ｆマグネトロンスパッタリングにより厚さ２０００　入
のＰｔ膜を成膜した。この場合、ウェハｌの温度を６０
０℃に上げることによりｐｔ膜を下地と同じ＜　１００
＞方向に配向させることができる。ウェハ温度を低く、
例えば室温程度にしておいた場合には下地の影響を受け
ず、＜１１１＞方向に配向する。この後、Ｐｔ膜をイオ
ンミリングによりパターニングして第１電極５を形成し
た（第１図（ｃ）図示）。

（Ｐｔの成膜条件〕ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
５インチφのｐｔ板ウェハ温度；６００℃ ガ　　ス　；　Ａ「ガス圧；　　０．５Ｐａウェハとターゲット間の距離；　　１１０Ｇ５電力／タ
ーゲット；　　５００Ｗ次いで、前記第１電極５を含むＰｂ　Ｔｌ　０３薄膜４
上に該薄膜と同条件のＲＦマグネトロンスパッタリング
により厚さ５０００Åの第２のＰｂ　Ｔ１０．薄膜を成
膜した。こうして成膜されたＰｂＴｌＯ３薄膜は、前記
第１の薄膜４と同様、単一相であり、＜００１＞方向に
強い配向性を示した。つづいて、前記ｐｂ　’ｒｔ　ｏ
、薄膜上に写真蝕刻法によりレジストパターン（図示せ
ず）を形成した後、該レジストパターンをマスクとして
薄膜を）ＩＦ系エツチング液で選択的にエツチングして
前記電極５上にＰｂＴ１０ｓ薄膜パターン６を形成した
。この後、レジストパターンを除去した。

ひきつづき、写真蝕刻法によりレジストパターン（図示
せず）を形成した後、該レジストパターンを含む全面に
厚さ２０００ÅのＰｔ膜を前述したのと同様な条件（但
しウェハ温度は室温）で成膜し、更に前記レジストパタ
ーン及びその上のＰｔ膜を除去する、リフトオフ法によ
りパターニングして第２電極７をＰｂＴｉＯ３薄膜パタ
ーン６上に形成して強誘電体薄膜素子を製造した（第１
図（ｄ）図示）。

本実施例１の強誘電体薄膜素子について、強誘電体特性
として残留分極を測定したところ、Ｐｂ　Ｔｉ　Ｏ，薄
膜パターン８が＜００１＞方向に強い配向を有するため
、大きな残留分極が得られ、優れた強誘電体特性を持つ
ことが確認された。また、第２電極７を形成する前にＰ
ｂＴ１０ｇ薄膜パターン６を電子顕微鏡で観察したとこ
ろ、クラックのない良好な膜構造を有することが確認さ
れた。

実施例２前記実施例１と同様な方法により第２ａ極７をＰｂＴ１
０ｉ薄膜パターンＢ上に形成した。続いて、実施例１と
同条件のＲＦマグネトロンスパッタリングにより厚さ５
０００ÅのＰｂＴ１０３薄膜を成膜し、選択的にエツチ
ングして前記第２電極７上に第２のＰｂＴ１０．薄膜パ
ターン８を形成し、た後、この薄膜パターン８上に更に
ｐｔからなる第３電極９を形成して強誘電体薄膜素子を
製造した（第２図図示）。

本実施例２の強誘電体薄膜素子について、強誘電体特性
として残留分極を測定したところ、Ｐｂ　ＴＩ　Ｏ，薄
膜パターン　６．８がそれぞれ＜００１＞方向に強い配
向を有するため、大きな残留分極が得られ、優れた強誘
電体特性を持つことが確認された。また、第１、第２の
電極５．７で挟まれたＰｂＴｊＯｉ薄膜パターン６、及
び第２、第３の電極　７．９で挾まれた第２のＰｂＴ１
０ｉ薄膜パターン８をそれぞれ独立した強誘電体層とし
て利用できる。

実施例３まず、半導体素子や配線が既に形成されたシリコンウェ
ハ上にＳｉＯ２ガラスからなる絶縁膜を堆積した後、全
面に下記条件のＲＦマグネトロンスパッタリングにより
厚さ５０００λのＺｒ　０２からなる酸化物層を成膜し
た。こうして成膜されたＺｒ　Ｏ２からなる酸化物層は
、結晶化しており、＜１００＞に配向されていた。

（ＺｒＯの成膜条件〕ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
５インチφのＺｒ　Ｏ２セラミックスウェハ温度；５００℃ ガ　　ス　；Ａｒ１０□ ガス圧；０．５Ｐａウェハとターゲット間の距離；　　１００＋ａ厘電力／
ターゲット；　　２００Ｗ次いで、実施例１と同様な方法により第１のＰｂＴｌ０
ｉ薄膜、ｐｔからなる第１電極、Ｐｂ　ＴＩ　Ｏ＊　Ｆ
ｌＦ膜パターン及びＰｔからなる第２電極の形成を行な
って前述した第１図（ｄ）と同構造の強誘電体薄膜素子
を製造した。

本実施例３の強誘電体薄膜素子についても、ＰｂＴ１０
ｉ薄膜パターンが＜００１＞方向に強い配向を有するた
め、大きな残留分極が得られ、優れた強誘電体特性を持
つことが確認された。また、ＰｂＴｉ０ｉ薄膜パターン
を電子顕微鏡で観察したところ、クラックのない良好な
膜構造を有することが確認された。

［発明の効果］以上詳述した如く、本発明によれば電極で挟まれた強誘
電体薄膜のクラック発生を防止でき、しかも強誘電体薄
膜を結晶化するための基板の高温加熱等での強誘電体の
構成成分の絶縁膜等への拡散を防止でき、更に強誘電体
薄膜の組成等に応じた方向に配向させることができ、ひ
いては優れた強誘電体特性、高い信頼性を有する強誘電
体薄膜素子、焦電センサ等の電子部品を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例１における強誘
電体薄膜素子の製造工程を示す断面図、第２図は本発明
の実施例２により得られた強誘電体薄膜素子を示す断面
図である。ｌ・・・シリコンウェハ、２・・・絶縁Ｍ、３・・・Ｍ
ｇ　Ｏからなる酸化物層、４・・・ＰｂＴｉ０ｉ薄膜、
５．７．９・・・電極、６．８・・・Ｐｂ　Ｔｌ　０３
薄膜パターン。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリコン基板上に絶縁層を介して第１の強誘電体
薄膜を形成し、該強誘電体薄膜上に第２の強誘電体薄膜
を電極で挟んだ状態にて少なくとも１層以上設けたこと
を特徴とする電子部品。
（２）第１の強誘電体薄膜の下地層としてＭｇ及びＺｒ
の少なくとも１種を主成分とする酸化物層を設けたこと
を特徴とする請求項１記載の電子部品。