JPH1012833A - 強誘電体膜被覆基体及びその用途 - Google Patents
強誘電体膜被覆基体及びその用途Info
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- JPH1012833A JPH1012833A JP8185548A JP18554896A JPH1012833A JP H1012833 A JPH1012833 A JP H1012833A JP 8185548 A JP8185548 A JP 8185548A JP 18554896 A JP18554896 A JP 18554896A JP H1012833 A JPH1012833 A JP H1012833A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ヒステリシスループが非対称になることを防
ぐことを課題とする。 【解決手段】 第1強誘電体膜、中間緩衝層及び前記第
1強誘電体膜と同種の第2強誘電体膜をこの順で基体上
に備えてなることを特徴とする強誘電体膜被覆基体及
び、第1強誘電体膜下に下部電極及び第2誘電体膜上に
前記下部電極と同種の上部電極を備えたキャパシタによ
り上記課題を解決する。
ぐことを課題とする。 【解決手段】 第1強誘電体膜、中間緩衝層及び前記第
1強誘電体膜と同種の第2強誘電体膜をこの順で基体上
に備えてなることを特徴とする強誘電体膜被覆基体及
び、第1強誘電体膜下に下部電極及び第2誘電体膜上に
前記下部電極と同種の上部電極を備えたキャパシタによ
り上記課題を解決する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体膜被覆基
体及びその用途に関する。更に詳しくは、本発明は、強
誘電体メモリ素子、焦電センサ素子、圧電素子等に使用
できる強誘電体膜被覆基体に関する。
体及びその用途に関する。更に詳しくは、本発明は、強
誘電体メモリ素子、焦電センサ素子、圧電素子等に使用
できる強誘電体膜被覆基体に関する。
【0002】
【従来の技術】強誘電体は自発分極、高誘電率、電気光
学効果、圧電効果及び焦電効果等の多くの機能をもつこ
とから、コンデンサ、発振器、光変調器又は赤外線セン
サー等の広範なデバイス開発に応用されている。しか
し、従来これらの用途には、単結晶かセラミックスのも
のが使用されてきた。
学効果、圧電効果及び焦電効果等の多くの機能をもつこ
とから、コンデンサ、発振器、光変調器又は赤外線セン
サー等の広範なデバイス開発に応用されている。しか
し、従来これらの用途には、単結晶かセラミックスのも
のが使用されてきた。
【0003】一方、薄膜形成技術の進展に伴って、高品
質の強誘電体膜が得られるようになり、従来なかった応
用が期待されている。特に、最近DRAM等の半導体メ
モリと組み合わせることで、高密度でかつ高速に動作に
する強誘電体メモリ(FRAM)の開発が行われてい
る。強誘電体メモリは、強誘電体の強誘電特性(自発分
極効果)を利用したバックアップ電源不要な不揮発性メ
モリである。このようなメモリの開発には残留分極(P
r)が大きく、かつ抗電界(Ec)が小さく、低リーク
電流であり、分極反転の繰り返し耐性に優れる等の特性
を持つ強誘電体材料が必要である。更には動作電圧の低
減と半導体微細加工プロセスに適合させるため、膜厚2
00nm以下の薄膜で上記の特性を実現することが望ま
れている。
質の強誘電体膜が得られるようになり、従来なかった応
用が期待されている。特に、最近DRAM等の半導体メ
モリと組み合わせることで、高密度でかつ高速に動作に
する強誘電体メモリ(FRAM)の開発が行われてい
る。強誘電体メモリは、強誘電体の強誘電特性(自発分
極効果)を利用したバックアップ電源不要な不揮発性メ
モリである。このようなメモリの開発には残留分極(P
r)が大きく、かつ抗電界(Ec)が小さく、低リーク
電流であり、分極反転の繰り返し耐性に優れる等の特性
を持つ強誘電体材料が必要である。更には動作電圧の低
減と半導体微細加工プロセスに適合させるため、膜厚2
00nm以下の薄膜で上記の特性を実現することが望ま
れている。
【0004】現在FRAM等への応用を目的としてPb
TiO3 、PZT、PLZT等のペロブスカイト構造を
有する酸化物強誘電体の薄膜化が、スパッタリング法、
蒸着法、ゾル−ゲル法、有機金属分解(MOD)法、有
機金属化学気相成長(MOCVD)法等の薄膜形成方法
により試みられている。上記の強誘電体材料のうち、P
ZTは現在もっとも集中的に研究されているのであり、
例えば残留分極Prが10μC/cm2 から26μC/
cm2 と大きな値を持つものも得られている。しかしな
がら、蒸気圧の高いPbを含むため成膜時や熱処理等で
の膜組成変化が起こりやすいことや、ピンホールの発
生、耐酸化性の下地電極PtとPbの反応による低誘電
率層の発生等の結果、膜厚の低減に伴いリーク電流や分
極反転繰り返し耐性の劣化が起こるという問題点があ
る。このため、強誘電特性、分極反転耐性に優れた材料
の開発が望まれている。また、集積デバイスへの応用を
考えた場合、微細加工に対応できるような薄膜の緻密
性、平面平滑性も必要となる。
TiO3 、PZT、PLZT等のペロブスカイト構造を
有する酸化物強誘電体の薄膜化が、スパッタリング法、
蒸着法、ゾル−ゲル法、有機金属分解(MOD)法、有
機金属化学気相成長(MOCVD)法等の薄膜形成方法
により試みられている。上記の強誘電体材料のうち、P
ZTは現在もっとも集中的に研究されているのであり、
例えば残留分極Prが10μC/cm2 から26μC/
cm2 と大きな値を持つものも得られている。しかしな
がら、蒸気圧の高いPbを含むため成膜時や熱処理等で
の膜組成変化が起こりやすいことや、ピンホールの発
生、耐酸化性の下地電極PtとPbの反応による低誘電
率層の発生等の結果、膜厚の低減に伴いリーク電流や分
極反転繰り返し耐性の劣化が起こるという問題点があ
る。このため、強誘電特性、分極反転耐性に優れた材料
の開発が望まれている。また、集積デバイスへの応用を
考えた場合、微細加工に対応できるような薄膜の緻密
性、平面平滑性も必要となる。
【0005】他方、リーク電流や分極反転耐性に悪影響
を及ぼすPbを含まない酸化物強誘電体として、層状ペ
ロブスカイト構造を有するチタン酸ビスマスBi4 Ti
3 O12がある。その強誘電性は、a軸方向に残留自発分
極Pr=50μC/cm2 、抗電界Ec=50kV/c
m、c軸方向に残留自発分極Pr=4μC/cm2 、抗
電界Ec=4kV/cmと、優れた特性を示すものであ
る。
を及ぼすPbを含まない酸化物強誘電体として、層状ペ
ロブスカイト構造を有するチタン酸ビスマスBi4 Ti
3 O12がある。その強誘電性は、a軸方向に残留自発分
極Pr=50μC/cm2 、抗電界Ec=50kV/c
m、c軸方向に残留自発分極Pr=4μC/cm2 、抗
電界Ec=4kV/cmと、優れた特性を示すものであ
る。
【0006】従って、このBi4 Ti3 O12のもつ大き
な自発分極を強誘電体不揮発性メモリ等に応用するため
には、基体に垂直方向に結晶のa軸成分を多く持つよう
にすることが望ましい。Bi4 Ti3 O12の薄膜化は、
これまでもMOCVD法やゾル−ゲル法により試みられ
ているが、それらのほとんどが自発分極が小さいc軸配
向膜であり、a軸配向膜は、ほとんど得られていないの
が現状である また、従来のゾル−ゲル法では、良好な強誘電特性を得
るために650℃以上の熱処理が必要であり、更に膜表
面モフォロジーは0.5μm程度の結晶粒からなるので
微細加工を必要とする高集積デバイスに適用するのは困
難である。一方、MOCVD法によりc軸配向のBi4
Ti3 O12薄膜が基板温度600℃以上でPt/SiO
2 /Si基体上に作製されているが、これらの基体は、
そのまま実際のデバイス構造に適用できるものではな
い。すなわち、Pt/Ti/SiO2 /Si基体のよう
に、Pt電極層とその下のSiO2 との接着強度を確保
するためのTi膜等の接着層が必要である。ところが、
このような接着層を設けた基体上にBi4 Ti3 O12薄
膜をMOCVD法により作製した場合、その表面モフォ
ロジーは0.5μm程度の粗大結晶粒からなるととも
に、常誘電性のパイロクロア相(Bi2 Ti2 O7 )が
発生しやすくなることが報告されている(Jpn.J.
Appl.Phys.,32,1993,pp.408
6及びJ.Ceramic Soc.Japan,10
2,1994,pp.512参照)。膜表面モフォロジ
ーが、粗大結晶粒からなると、微細加工を必要とする高
集積デバイスには応用できないばかりか薄い膜厚ではピ
ンホールの原因となり、リーク電流の発生をもたらすこ
とになる。そこで、薄い膜厚で良好な強誘電特性を有す
る強誘電体膜を実現するため、基体と強誘電体膜の間に
バッファ層を挿入することにより、強誘電体膜の緻密化
と表面平滑化が可能となることが報告されている(Jp
n.J.Appl.Phys.,32,1993,p
p.4086)。
な自発分極を強誘電体不揮発性メモリ等に応用するため
には、基体に垂直方向に結晶のa軸成分を多く持つよう
にすることが望ましい。Bi4 Ti3 O12の薄膜化は、
これまでもMOCVD法やゾル−ゲル法により試みられ
ているが、それらのほとんどが自発分極が小さいc軸配
向膜であり、a軸配向膜は、ほとんど得られていないの
が現状である また、従来のゾル−ゲル法では、良好な強誘電特性を得
るために650℃以上の熱処理が必要であり、更に膜表
面モフォロジーは0.5μm程度の結晶粒からなるので
微細加工を必要とする高集積デバイスに適用するのは困
難である。一方、MOCVD法によりc軸配向のBi4
Ti3 O12薄膜が基板温度600℃以上でPt/SiO
2 /Si基体上に作製されているが、これらの基体は、
そのまま実際のデバイス構造に適用できるものではな
い。すなわち、Pt/Ti/SiO2 /Si基体のよう
に、Pt電極層とその下のSiO2 との接着強度を確保
するためのTi膜等の接着層が必要である。ところが、
このような接着層を設けた基体上にBi4 Ti3 O12薄
膜をMOCVD法により作製した場合、その表面モフォ
ロジーは0.5μm程度の粗大結晶粒からなるととも
に、常誘電性のパイロクロア相(Bi2 Ti2 O7 )が
発生しやすくなることが報告されている(Jpn.J.
Appl.Phys.,32,1993,pp.408
6及びJ.Ceramic Soc.Japan,10
2,1994,pp.512参照)。膜表面モフォロジ
ーが、粗大結晶粒からなると、微細加工を必要とする高
集積デバイスには応用できないばかりか薄い膜厚ではピ
ンホールの原因となり、リーク電流の発生をもたらすこ
とになる。そこで、薄い膜厚で良好な強誘電特性を有す
る強誘電体膜を実現するため、基体と強誘電体膜の間に
バッファ層を挿入することにより、強誘電体膜の緻密化
と表面平滑化が可能となることが報告されている(Jp
n.J.Appl.Phys.,32,1993,p
p.4086)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の強誘電
体薄膜の上下を同種の電極で挟んだキャパシタにおい
て、下部電極と強誘電体薄膜層との間にバッファ層を挿
入することにより、上下の電極と接する材料が異なるこ
とに起因するヒステリシスループの非対称性が発生しや
すくなる。このような現象はバッファ層を用いない場合
にも上下の電極材料が異なると発生する。
体薄膜の上下を同種の電極で挟んだキャパシタにおい
て、下部電極と強誘電体薄膜層との間にバッファ層を挿
入することにより、上下の電極と接する材料が異なるこ
とに起因するヒステリシスループの非対称性が発生しや
すくなる。このような現象はバッファ層を用いない場合
にも上下の電極材料が異なると発生する。
【0008】以上のように、従来のバッファ層を用いた
技術では強誘電体薄膜の緻密化、表面平滑化は可能であ
るが、膜の多層構造に起因する強誘電性ヒステリシスル
ープの非対称性の問題を有している。
技術では強誘電体薄膜の緻密化、表面平滑化は可能であ
るが、膜の多層構造に起因する強誘電性ヒステリシスル
ープの非対称性の問題を有している。
【0009】
【課題を解決するための手段】かくして本発明によれ
ば、第1強誘電体膜、中間緩衝層及び前記第1強誘電体
膜と同種の第2強誘電体膜をこの順で基体上に備えてな
ることを特徴とする強誘電体膜被覆基体が提供される。
また、本発明によれば、下部電極、第1強誘電体膜、中
間緩衝層、前記第1強誘電体膜と同種の第2強誘電体膜
及び前記同種の上部電極をこの順で基体上に備えてなる
ことを特徴とするキャパシタが提供される。
ば、第1強誘電体膜、中間緩衝層及び前記第1強誘電体
膜と同種の第2強誘電体膜をこの順で基体上に備えてな
ることを特徴とする強誘電体膜被覆基体が提供される。
また、本発明によれば、下部電極、第1強誘電体膜、中
間緩衝層、前記第1強誘電体膜と同種の第2強誘電体膜
及び前記同種の上部電極をこの順で基体上に備えてなる
ことを特徴とするキャパシタが提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】まず、本発明に使用できる基体に
は、シリコン基板、GaAs基板等や、それら基板上に
トランジスタ、層間絶縁膜等のように何らかの下地層が
形成されたものも含まれる。次に、基体上には、第1強
誘電体膜が形成される。第1強誘電体膜に使用できる材
料としては、Pbを含まないものであればいずれでもよ
い。具体的には、Bi4 Ti3 O12、SrBi2 Ta2
O9 、SrBi2 Nb2 O9 、SrBi4 Ti4 O15、
BaBi2 Ta2 O9 、BaBi2 Nb2 O9 、BaB
i4 Ti4 O15、Na0.5 Bi4.5 Ti4 O15、K0.5
Bi4.5 Ti4 O15、Sr2 Bi4 Ti5 O18、Ba2
Bi4 Ti5 O18等のBi系の層状化合物、硫酸グリシ
ン(TGS)、LiNbO3 、LiTaO3 、BaTi
O3 、SrTiO3 等が挙げられる。この内、Bi4 T
i3 O12が好ましい。また、膜厚は10〜200nmで
あることが好ましい。この第1強誘電体膜の形成方法
は、特に限定されず公知の方法をいずれも使用すること
ができる。例えばスパッタリング、蒸着、CVD、MO
CVD、ゾル−ゲル法等が挙げられる。この内、MOC
VD法が好ましい。
は、シリコン基板、GaAs基板等や、それら基板上に
トランジスタ、層間絶縁膜等のように何らかの下地層が
形成されたものも含まれる。次に、基体上には、第1強
誘電体膜が形成される。第1強誘電体膜に使用できる材
料としては、Pbを含まないものであればいずれでもよ
い。具体的には、Bi4 Ti3 O12、SrBi2 Ta2
O9 、SrBi2 Nb2 O9 、SrBi4 Ti4 O15、
BaBi2 Ta2 O9 、BaBi2 Nb2 O9 、BaB
i4 Ti4 O15、Na0.5 Bi4.5 Ti4 O15、K0.5
Bi4.5 Ti4 O15、Sr2 Bi4 Ti5 O18、Ba2
Bi4 Ti5 O18等のBi系の層状化合物、硫酸グリシ
ン(TGS)、LiNbO3 、LiTaO3 、BaTi
O3 、SrTiO3 等が挙げられる。この内、Bi4 T
i3 O12が好ましい。また、膜厚は10〜200nmで
あることが好ましい。この第1強誘電体膜の形成方法
は、特に限定されず公知の方法をいずれも使用すること
ができる。例えばスパッタリング、蒸着、CVD、MO
CVD、ゾル−ゲル法等が挙げられる。この内、MOC
VD法が好ましい。
【0011】MOCVD法により成膜する場合、基板温
度は450〜650℃であることが好ましい。450℃
より低くすると、強誘電体膜が十分な結晶性を得られな
いので好ましくなく、650℃より高くすると強誘電体
膜を構成する結晶が粗大化するので好ましくない。例え
ば、Bi4 Ti3 O12を形成する場合のMOCVD法に
使用できるビスマス原料としては、トリオルトトリルビ
スマス、トリフェニルビスマス等が挙げられ、一方、チ
タン原料としては、チタンイソプロポキサイド、チタン
テトラブトキシド等が挙げられる。実際には、ビスマス
原料、チタン原料及び酸素ガスを、不活性ガス(例え
ば、アルゴン、窒素等)をキャリアガスとして成膜装置
内に供給することにより成膜が行われる。なお、成膜装
置内の圧力は、2〜10Torrであることが好まし
い。10Torrより高い場合、気相反応が起こりやす
くなるので好ましくなく、2Torrより低い場合、成
膜速度が遅くなるので好ましくない。
度は450〜650℃であることが好ましい。450℃
より低くすると、強誘電体膜が十分な結晶性を得られな
いので好ましくなく、650℃より高くすると強誘電体
膜を構成する結晶が粗大化するので好ましくない。例え
ば、Bi4 Ti3 O12を形成する場合のMOCVD法に
使用できるビスマス原料としては、トリオルトトリルビ
スマス、トリフェニルビスマス等が挙げられ、一方、チ
タン原料としては、チタンイソプロポキサイド、チタン
テトラブトキシド等が挙げられる。実際には、ビスマス
原料、チタン原料及び酸素ガスを、不活性ガス(例え
ば、アルゴン、窒素等)をキャリアガスとして成膜装置
内に供給することにより成膜が行われる。なお、成膜装
置内の圧力は、2〜10Torrであることが好まし
い。10Torrより高い場合、気相反応が起こりやす
くなるので好ましくなく、2Torrより低い場合、成
膜速度が遅くなるので好ましくない。
【0012】次いで、第1強誘電体膜上には、中間緩衝
層が形成される。中間緩衝層に使用できる材料として
は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、チタン酸
ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化ジルコン、酸
化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化イットリウム、酸
化ハフニウム等の金属酸化物が挙げられる。この内、酸
化チタンが好ましい。また、膜厚は2〜7nmの範囲が
好ましい。膜厚が2nmより薄いと第1強誘電体膜の全
面を覆うことができないので好ましくなく、7nmより
厚いと印加された電圧が第1強誘電体膜にかかりにくい
ので好ましくない。中間緩衝層の形成方法は、特に限定
されず公知の方法をいずれも使用することができる。例
えばスパッタリング、蒸着、CVD、MOCVD法等が
挙げられる。この内、MOCVD法が好ましく、例えば
上記第1強誘電体膜の製法と同様の条件下で、ビスマス
原料を供給しないことを除いて同じように操作すること
により形成することができる。
層が形成される。中間緩衝層に使用できる材料として
は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、チタン酸
ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化ジルコン、酸
化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化イットリウム、酸
化ハフニウム等の金属酸化物が挙げられる。この内、酸
化チタンが好ましい。また、膜厚は2〜7nmの範囲が
好ましい。膜厚が2nmより薄いと第1強誘電体膜の全
面を覆うことができないので好ましくなく、7nmより
厚いと印加された電圧が第1強誘電体膜にかかりにくい
ので好ましくない。中間緩衝層の形成方法は、特に限定
されず公知の方法をいずれも使用することができる。例
えばスパッタリング、蒸着、CVD、MOCVD法等が
挙げられる。この内、MOCVD法が好ましく、例えば
上記第1強誘電体膜の製法と同様の条件下で、ビスマス
原料を供給しないことを除いて同じように操作すること
により形成することができる。
【0013】上記中間緩衝層上に更に第2強誘電体膜を
形成することにより本発明の強誘電体膜被覆基体を形成
することができる。ここで第2強誘電体膜は、第1強誘
電体膜と同種の材料からなる。また、膜厚は50〜30
0nmであることが好ましい。また、基体と第1強誘電
体膜との間に以下で説明する下部電極、基体と下部電極
との間に絶縁膜、絶縁膜と下部電極との間に密着層を設
けてもよい。絶縁膜は、膜厚50〜300nmの酸化シ
リコン、窒化シリコン又はそれらの積層膜からなり、熱
酸化法、CVD法、スパッタリング法等で形成すること
ができる。密着層としては、Ti、Ta等が挙げられ
る。
形成することにより本発明の強誘電体膜被覆基体を形成
することができる。ここで第2強誘電体膜は、第1強誘
電体膜と同種の材料からなる。また、膜厚は50〜30
0nmであることが好ましい。また、基体と第1強誘電
体膜との間に以下で説明する下部電極、基体と下部電極
との間に絶縁膜、絶縁膜と下部電極との間に密着層を設
けてもよい。絶縁膜は、膜厚50〜300nmの酸化シ
リコン、窒化シリコン又はそれらの積層膜からなり、熱
酸化法、CVD法、スパッタリング法等で形成すること
ができる。密着層としては、Ti、Ta等が挙げられ
る。
【0014】本発明の強誘電体膜被覆基体は、強誘電効
果、圧電効果、焦電効果、電気光学効果等を利用するも
のであればどのような装置にも利用することができる。
そのような装置として、半導体装置、光変調器、超音波
センサー、赤外線リニアアレイセンサー等が挙げられ
る。更に本発明によれば、下部電極、第1強誘電体膜、
中間緩衝層、前記第1強誘電体膜と同種の第2強誘電体
膜及び前記同種の上部電極をこの順で基体上に備えてな
ることを特徴とするキャパシタが提供される。
果、圧電効果、焦電効果、電気光学効果等を利用するも
のであればどのような装置にも利用することができる。
そのような装置として、半導体装置、光変調器、超音波
センサー、赤外線リニアアレイセンサー等が挙げられ
る。更に本発明によれば、下部電極、第1強誘電体膜、
中間緩衝層、前記第1強誘電体膜と同種の第2強誘電体
膜及び前記同種の上部電極をこの順で基体上に備えてな
ることを特徴とするキャパシタが提供される。
【0015】基体には、上記強誘電体膜被覆基体と同じ
基体が使用できる。下部電極に使用できる材料として
は、Pt、Al、Cu、RuO2 、Ir、IrO2 等が
挙げられる。この内、Ptが好ましい。また、膜厚は5
0〜300nmであることが好ましい。この下部電極の
形成方法は、特に限定されず公知の方法をいずれも使用
することができる。例えばスパッタリング、蒸着、MO
CVD法等が挙げられる。
基体が使用できる。下部電極に使用できる材料として
は、Pt、Al、Cu、RuO2 、Ir、IrO2 等が
挙げられる。この内、Ptが好ましい。また、膜厚は5
0〜300nmであることが好ましい。この下部電極の
形成方法は、特に限定されず公知の方法をいずれも使用
することができる。例えばスパッタリング、蒸着、MO
CVD法等が挙げられる。
【0016】次に、第1強誘電体膜、中間緩衝層及び第
2強誘電体膜が下部電極上にこの順で形成される。使用
しうる原料、膜厚及び形成方法等は上記強誘電体膜被覆
基体で説明した内容と同様である。更に、第2強誘電体
膜上に上部電極を形成することにより本発明のキャパシ
タを形成することができる。ここで上部電極は、下部電
極と同種の材料からなる。また、膜厚は50〜300n
mであることが好ましい。なお、形成方法は、下部電極
と同様の方法を使用できる。
2強誘電体膜が下部電極上にこの順で形成される。使用
しうる原料、膜厚及び形成方法等は上記強誘電体膜被覆
基体で説明した内容と同様である。更に、第2強誘電体
膜上に上部電極を形成することにより本発明のキャパシ
タを形成することができる。ここで上部電極は、下部電
極と同種の材料からなる。また、膜厚は50〜300n
mであることが好ましい。なお、形成方法は、下部電極
と同様の方法を使用できる。
【0017】なお、基体と下部電極の間に、それらの密
着性を向上させるためのTi、Ta等からなる密着層を
設けてもよい。上記キャパシタの使用例としては、例え
ば図1の如き不揮発性メモリが挙げられる。このメモリ
は、基板の表面層に設けられたビットライン1間の基板
上にワードライン2からなるトランジスタ3が設けら
れ、ワードライン2上に絶縁膜4を介して下部電極5、
強誘電体膜6及び上部電極7からなるキャパシタ8が配
置されている(この図では中間緩衝層は省略されてい
る)。キャパシタは、配線層9によって一方のビットラ
イン1と接続されてなる構造を有している。なお、この
図において、基体とは下部電極5より下に位置する絶縁
膜4、トランジスタ3及び基板1から構成されることと
なる。
着性を向上させるためのTi、Ta等からなる密着層を
設けてもよい。上記キャパシタの使用例としては、例え
ば図1の如き不揮発性メモリが挙げられる。このメモリ
は、基板の表面層に設けられたビットライン1間の基板
上にワードライン2からなるトランジスタ3が設けら
れ、ワードライン2上に絶縁膜4を介して下部電極5、
強誘電体膜6及び上部電極7からなるキャパシタ8が配
置されている(この図では中間緩衝層は省略されてい
る)。キャパシタは、配線層9によって一方のビットラ
イン1と接続されてなる構造を有している。なお、この
図において、基体とは下部電極5より下に位置する絶縁
膜4、トランジスタ3及び基板1から構成されることと
なる。
【0018】上記のように、強誘電体膜の間に中間緩衝
層を配置することにより、従来の基体と強誘電体膜の間
にバッファ層を配置した場合の構造の非対称性に起因す
るヒステリシスループの非対称性を防ぐことができる。
更に、強誘電体膜の表面を緻密化、平坦化でき、強誘電
体膜のモフォロジーに起因するリーク電流の発生を防ぐ
ことができる。
層を配置することにより、従来の基体と強誘電体膜の間
にバッファ層を配置した場合の構造の非対称性に起因す
るヒステリシスループの非対称性を防ぐことができる。
更に、強誘電体膜の表面を緻密化、平坦化でき、強誘電
体膜のモフォロジーに起因するリーク電流の発生を防ぐ
ことができる。
【0019】
実施例1 以下の工程により図2に示す如きキャパシタを製造し
た。まず、シリコン単結晶ウエハ(基板)11の表面に
膜厚200nmの熱酸化膜(酸化シリコン層)12を形
成し、その上に膜厚30nmのTa層(接着層)13と
200nmのPt電極(下部電極)14をこの順でスパ
ッタリング法により形成し、Pt/Ta/SiO2 /S
iからなる基体を作製した。
た。まず、シリコン単結晶ウエハ(基板)11の表面に
膜厚200nmの熱酸化膜(酸化シリコン層)12を形
成し、その上に膜厚30nmのTa層(接着層)13と
200nmのPt電極(下部電極)14をこの順でスパ
ッタリング法により形成し、Pt/Ta/SiO2 /S
iからなる基体を作製した。
【0020】次に、Pt電極14上に、20nmのBi
4 Ti3 O12膜(第1強誘電体膜)15をMOCVD法
により成膜した。成膜条件は、基板温度600℃、成膜
時間10分とした。続いて、上記Bi4 Ti3 O12膜1
5上に、基板温度400℃、成膜時間2分で5nmの酸
化チタン(中間緩衝層)16を成膜した。
4 Ti3 O12膜(第1強誘電体膜)15をMOCVD法
により成膜した。成膜条件は、基板温度600℃、成膜
時間10分とした。続いて、上記Bi4 Ti3 O12膜1
5上に、基板温度400℃、成膜時間2分で5nmの酸
化チタン(中間緩衝層)16を成膜した。
【0021】更に、上記酸化チタン16上に、基板温度
600℃、成膜時間40分で、80nmのBi4 Ti3
O12膜(第2強誘電体膜)17を形成することにより、
全厚105nmの3層膜からなる強誘電体膜被覆基体を
形成した。なお、Bi4 Ti3 O12膜及び酸化チタンの
他の成膜条件は、表1に示した。
600℃、成膜時間40分で、80nmのBi4 Ti3
O12膜(第2強誘電体膜)17を形成することにより、
全厚105nmの3層膜からなる強誘電体膜被覆基体を
形成した。なお、Bi4 Ti3 O12膜及び酸化チタンの
他の成膜条件は、表1に示した。
【0022】
【表1】 Bi4 Ti3 O12膜の成膜は、上記表1に示すように、
ビスマス原料としてトリオルトトリルビスマス(Bi
(o−C7 H7 )3 )を、チタン原料としてチタンイソ
プロポキサイド(Ti(i−OC3 H7 )4 )をそれぞ
れ用いた。更に、これら原料を表1に示す温度でそれぞ
れ加熱気化し(ビスマス原料160℃、チタン原料50
℃)、キャリアガスとしてアルゴン(Ar)ガスと反応
ガスである酸素(O2 )ガスと共に加熱保持した基板上
に供給した。ここで、アルゴンガス流量は、ビスマス原
料に対して200sccm、チタン原料に対して50s
ccmとし、酸素ガス流量は1000sccmとした。
なお、上記成膜工程において成膜室内圧力は、10To
rr以上であると気相反応が起こりやすくなるので5T
orrとした。
ビスマス原料としてトリオルトトリルビスマス(Bi
(o−C7 H7 )3 )を、チタン原料としてチタンイソ
プロポキサイド(Ti(i−OC3 H7 )4 )をそれぞ
れ用いた。更に、これら原料を表1に示す温度でそれぞ
れ加熱気化し(ビスマス原料160℃、チタン原料50
℃)、キャリアガスとしてアルゴン(Ar)ガスと反応
ガスである酸素(O2 )ガスと共に加熱保持した基板上
に供給した。ここで、アルゴンガス流量は、ビスマス原
料に対して200sccm、チタン原料に対して50s
ccmとし、酸素ガス流量は1000sccmとした。
なお、上記成膜工程において成膜室内圧力は、10To
rr以上であると気相反応が起こりやすくなるので5T
orrとした。
【0023】なお、酸化チタンについては、チタン原料
と酸素ガスのみを供給した。上記のように形成したBi
4 Ti3 O12膜(第2強誘電体膜)の表面モフォロジー
について、SEM(走査型電子顕微鏡)により観察した
結果を図3に示した。図3から判るように、本実施例の
膜は、粒径約0.15μmのグレインからなり、緻密で
表面が平滑であることが判った。これは、Bi4 Ti3
O12膜(第1強誘電体膜)は、下部電極との間にバッフ
ァ層がないため粒径が大きくなるが、酸化チタン(中間
緩衝層)を形成することにより、Bi4 Ti3 O12膜
(第2強誘電体膜)の粒径が小さくなり、その結果とし
て、Bi4 Ti3 O12膜(第2強誘電体膜)の表面の緻
密化及び平坦化が実現できたものと考えられる。
と酸素ガスのみを供給した。上記のように形成したBi
4 Ti3 O12膜(第2強誘電体膜)の表面モフォロジー
について、SEM(走査型電子顕微鏡)により観察した
結果を図3に示した。図3から判るように、本実施例の
膜は、粒径約0.15μmのグレインからなり、緻密で
表面が平滑であることが判った。これは、Bi4 Ti3
O12膜(第1強誘電体膜)は、下部電極との間にバッフ
ァ層がないため粒径が大きくなるが、酸化チタン(中間
緩衝層)を形成することにより、Bi4 Ti3 O12膜
(第2強誘電体膜)の粒径が小さくなり、その結果とし
て、Bi4 Ti3 O12膜(第2強誘電体膜)の表面の緻
密化及び平坦化が実現できたものと考えられる。
【0024】また、このBi4 Ti3 O12膜(第2強誘
電体膜)の結晶性をX線回折法により評価した結果を図
4に示した。得られた膜は、ランダム配向のBi4 Ti
3 O12であることが示されている。次に、上記Bi4 T
i3 O12膜(第2強誘電体膜)17上に上部電極として
Pt電極(100μmφ)18を真空蒸着により積層し
キャパシタを形成した。図5に、このキャパシタの電流
電圧特性を示す。図5では、印加電圧5Vのとき、Il
(リーク電流密度)=1×10-8A/cm2 の値を得る
ことができた。更に、図6に、このキャパシタのヒステ
リシスループを示した。上下対称性の良好なヒステリシ
スループを得ることができ、かつ従来のc軸配向膜と比
較してa軸成分を多く含むため、印加電圧5Vのとき、
残留分極Pr=14μC/cm2 、抗電界Ec=130
kV/cmとc軸配向の強誘電体膜より大きい値を得る
ことができた。
電体膜)の結晶性をX線回折法により評価した結果を図
4に示した。得られた膜は、ランダム配向のBi4 Ti
3 O12であることが示されている。次に、上記Bi4 T
i3 O12膜(第2強誘電体膜)17上に上部電極として
Pt電極(100μmφ)18を真空蒸着により積層し
キャパシタを形成した。図5に、このキャパシタの電流
電圧特性を示す。図5では、印加電圧5Vのとき、Il
(リーク電流密度)=1×10-8A/cm2 の値を得る
ことができた。更に、図6に、このキャパシタのヒステ
リシスループを示した。上下対称性の良好なヒステリシ
スループを得ることができ、かつ従来のc軸配向膜と比
較してa軸成分を多く含むため、印加電圧5Vのとき、
残留分極Pr=14μC/cm2 、抗電界Ec=130
kV/cmとc軸配向の強誘電体膜より大きい値を得る
ことができた。
【0025】比較例1 中間緩衝層を形成せず、強誘電体膜を2層に分けること
なく105nmの強誘電体膜を600℃、60分間かけ
て形成すること以外は、実施例1と同様にしてキャパシ
タを形成した。このキャパシタはリーク電流値が大きす
ぎて、ヒステリシスループを測定することができなかっ
た。また、上部電極形成前の強誘電体膜の表面をSEM
により観察した結果を図7に示した。図7からわかるよ
うに、この比較例の膜は粗大粒子からなる表面凹凸の激
しい膜であり、リーク電流の増加は、この表面のモフォ
ロジーに起因していることが判った。
なく105nmの強誘電体膜を600℃、60分間かけ
て形成すること以外は、実施例1と同様にしてキャパシ
タを形成した。このキャパシタはリーク電流値が大きす
ぎて、ヒステリシスループを測定することができなかっ
た。また、上部電極形成前の強誘電体膜の表面をSEM
により観察した結果を図7に示した。図7からわかるよ
うに、この比較例の膜は粗大粒子からなる表面凹凸の激
しい膜であり、リーク電流の増加は、この表面のモフォ
ロジーに起因していることが判った。
【0026】比較例2 強誘電体膜と下部電極間にバッファ層を設けること以外
は、比較例1と同様にしてキャパシタを形成した。但
し、強誘電体膜の厚さは100nmとした。また、バッ
ファ層は、膜厚5nmの酸化チタンとし、400℃、2
分間MOCVD法により形成した。
は、比較例1と同様にしてキャパシタを形成した。但
し、強誘電体膜の厚さは100nmとした。また、バッ
ファ層は、膜厚5nmの酸化チタンとし、400℃、2
分間MOCVD法により形成した。
【0027】また、上部電極形成前の強誘電体膜の表面
をSEMにより観察した結果を図8に示した。図8から
わかるように、この比較例の膜は粒径約0.1μmのグ
レインからなり、表面が緻密で平滑なものであることが
判った。更に、この強誘電体膜の結晶性をX線回折法に
より評価した結果を図9に示した。得られた膜は、ラン
ダム配向のBi4 Ti3 O12であることが示されてい
る。
をSEMにより観察した結果を図8に示した。図8から
わかるように、この比較例の膜は粒径約0.1μmのグ
レインからなり、表面が緻密で平滑なものであることが
判った。更に、この強誘電体膜の結晶性をX線回折法に
より評価した結果を図9に示した。得られた膜は、ラン
ダム配向のBi4 Ti3 O12であることが示されてい
る。
【0028】図10に、このキャパシタの電流電圧特性
を示す。図10では、印加電圧5Vのとき、Il=1×
10-7A/cm2 の値を得ることができた。更に、図1
1に、このキャパシタのヒステリシスループを示した。
上下に非対称なヒステリシスループが得られた。これら
の結果より、この比較例の強誘電体膜被覆基体は表面モ
フォロジーが緻密及び平滑であるため、表面モフォロジ
ーに起因するリーク電流は小さい。しかしながら、上部
及び下部電極を接する材料が異なることに起因するヒス
テリシスループの非対称性が発生していることがわか
る。
を示す。図10では、印加電圧5Vのとき、Il=1×
10-7A/cm2 の値を得ることができた。更に、図1
1に、このキャパシタのヒステリシスループを示した。
上下に非対称なヒステリシスループが得られた。これら
の結果より、この比較例の強誘電体膜被覆基体は表面モ
フォロジーが緻密及び平滑であるため、表面モフォロジ
ーに起因するリーク電流は小さい。しかしながら、上部
及び下部電極を接する材料が異なることに起因するヒス
テリシスループの非対称性が発生していることがわか
る。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、強誘電体膜の間に中間
緩衝層を配置することにより、従来の基体と強誘電体膜
の間にバッファ層を配置した場合の構造の非対称性に起
因するヒステリシスループの非対称性を防ぐことができ
る。更に、強誘電体膜を緻密化、表面平坦化でき、強誘
電体膜のモフォロジーに起因するリーク電流の発生を防
ぐことができる。
緩衝層を配置することにより、従来の基体と強誘電体膜
の間にバッファ層を配置した場合の構造の非対称性に起
因するヒステリシスループの非対称性を防ぐことができ
る。更に、強誘電体膜を緻密化、表面平坦化でき、強誘
電体膜のモフォロジーに起因するリーク電流の発生を防
ぐことができる。
【図1】本発明のキャパシタの適用例の概略断面図であ
る。
る。
【図2】実施例1のキャパシタの概略断面図である。
【図3】実施例1の第2強誘電体膜の表面のSEM写真
である。
である。
【図4】実施例1の第2強誘電体膜のX線回折パターン
である。
である。
【図5】実施例1のキャパシタのリーク電流密度の印加
電圧依存性を示す図である。
電圧依存性を示す図である。
【図6】実施例1のキャパシタのヒステリシス曲線を示
す図である。
す図である。
【図7】比較例1の第2強誘電体膜の表面のSEM写真
である。
である。
【図8】比較例2の第2強誘電体膜の表面のSEM写真
である。
である。
【図9】比較例2の第2強誘電体膜のX線回折パターン
である。
である。
【図10】比較例2のキャパシタのリーク電流密度の印
加電圧依存性を示す図である。
加電圧依存性を示す図である。
【図11】比較例2のキャパシタのヒステリシス曲線を
示す図である。
示す図である。
1 ビットライン 2 ワードライン 3 トランジスタ 4 絶縁膜 5 下部電極 6 強誘電体膜 7 上部電極 8 キャパシタ 9 配線層 11 シリコン基板 12 酸化シリコン層 13 接着層 14 下部電極 15 第1強誘電体膜 16 中間緩衝層 17 第2強誘電体膜 18 上部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/8247 29/788 29/792
Claims (4)
- 【請求項1】 第1強誘電体膜、中間緩衝層及び前記第
1強誘電体膜と同種の第2強誘電体膜をこの順で基体上
に備えてなることを特徴とする強誘電体膜被覆基体。 - 【請求項2】 中間緩衝層が、金属酸化物である請求項
1の基体。 - 【請求項3】 中間緩衝層が酸化チタンであり、第1及
び第2強誘電体膜がBi4 Ti3 O12である請求項1又
は2の基体。 - 【請求項4】 下部電極、第1強誘電体膜、中間緩衝
層、前記第1強誘電体膜と同種の第2強誘電体膜及び前
記同種の上部電極をこの順で基体上に備えてなることを
特徴とするキャパシタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8185548A JPH1012833A (ja) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | 強誘電体膜被覆基体及びその用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8185548A JPH1012833A (ja) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | 強誘電体膜被覆基体及びその用途 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1012833A true JPH1012833A (ja) | 1998-01-16 |
Family
ID=16172742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8185548A Pending JPH1012833A (ja) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | 強誘電体膜被覆基体及びその用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1012833A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000008680A1 (en) * | 1998-08-03 | 2000-02-17 | Nec Corporation | Vapor growth method for metal oxide dielectric film and vapor growth device for metal oxide dielectric material |
| KR20000042450A (ko) * | 1998-12-24 | 2000-07-15 | 김영환 | 하부전극의 특성 저하를 방지할 수 있는 캐패시터 제조 방법 |
| JP2005340428A (ja) * | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Seiko Epson Corp | 圧電体素子及びその製造方法 |
| US7825569B2 (en) | 2001-06-13 | 2010-11-02 | Seiko Epson Corporation | Ceramic and method of manufacturing the same, dielectric capacitor, semiconductor device, and element |
-
1996
- 1996-06-25 JP JP8185548A patent/JPH1012833A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000008680A1 (en) * | 1998-08-03 | 2000-02-17 | Nec Corporation | Vapor growth method for metal oxide dielectric film and vapor growth device for metal oxide dielectric material |
| KR20000042450A (ko) * | 1998-12-24 | 2000-07-15 | 김영환 | 하부전극의 특성 저하를 방지할 수 있는 캐패시터 제조 방법 |
| US7825569B2 (en) | 2001-06-13 | 2010-11-02 | Seiko Epson Corporation | Ceramic and method of manufacturing the same, dielectric capacitor, semiconductor device, and element |
| US7956519B2 (en) | 2001-06-13 | 2011-06-07 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric device having a ferroelectric film including a solid solution |
| US7960901B2 (en) | 2001-06-13 | 2011-06-14 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric device having a ferroelectric film including a ferroelectric material |
| JP2005340428A (ja) * | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Seiko Epson Corp | 圧電体素子及びその製造方法 |
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