JPH10189887A - 強誘電体用電極及びそれを使用した強誘電体デバイス - Google Patents
強誘電体用電極及びそれを使用した強誘電体デバイスInfo
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- JPH10189887A JPH10189887A JP8349666A JP34966696A JPH10189887A JP H10189887 A JPH10189887 A JP H10189887A JP 8349666 A JP8349666 A JP 8349666A JP 34966696 A JP34966696 A JP 34966696A JP H10189887 A JPH10189887 A JP H10189887A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 強誘電体の分極反転の繰り返しで発生する膜
疲労が減少でき、強誘電体の残留分極の減少が防止でき
る強誘電体用電極の提供。不揮発性記憶素子の情報書込
み特性が向上でき、低消費電力化が実現できる不揮発性
記憶装置の提供。 【解決手段】 強誘電体９と積層構造をなす強誘電体用
電極（下層電極８又は上層電極１０）が、強誘電体９の
結晶構造と実質的に同一結晶構造を有し、かつ導電性を
有する酸化物で形成される。具体的にはＲｅＯ3 が使用
される。ＲｅＯ3はＡサイトに空孔が存在する結晶構造
で、ＲｅＯ3 の空孔に強誘電体の金属イオンが入り込
む。
疲労が減少でき、強誘電体の残留分極の減少が防止でき
る強誘電体用電極の提供。不揮発性記憶素子の情報書込
み特性が向上でき、低消費電力化が実現できる不揮発性
記憶装置の提供。 【解決手段】 強誘電体９と積層構造をなす強誘電体用
電極（下層電極８又は上層電極１０）が、強誘電体９の
結晶構造と実質的に同一結晶構造を有し、かつ導電性を
有する酸化物で形成される。具体的にはＲｅＯ3 が使用
される。ＲｅＯ3はＡサイトに空孔が存在する結晶構造
で、ＲｅＯ3 の空孔に強誘電体の金属イオンが入り込
む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体用電極及び
それを使用した強誘電体デバイスに関する。特に本発明
は、不揮発性記憶素子の情報記憶部に使用される強誘電
体と積層構造を形成する強誘電体用電極、及びこの強誘
電体と強誘電体用電極とを積層して形成した不揮発性記
憶素子を搭載する強誘電体デバイスに関する。
それを使用した強誘電体デバイスに関する。特に本発明
は、不揮発性記憶素子の情報記憶部に使用される強誘電
体と積層構造を形成する強誘電体用電極、及びこの強誘
電体と強誘電体用電極とを積層して形成した不揮発性記
憶素子を搭載する強誘電体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】不揮発性記憶素子の情報記憶部に強誘電
体を利用した不揮発性記憶装置の開発が行われている。
代表的な不揮発性記憶素子としては、例えばＦｅＲＡＭ
（Ferroelectric Random Access Memory）構造を採用す
る不揮発性記憶素子が知られている。
体を利用した不揮発性記憶装置の開発が行われている。
代表的な不揮発性記憶素子としては、例えばＦｅＲＡＭ
（Ferroelectric Random Access Memory）構造を採用す
る不揮発性記憶素子が知られている。
【０００３】ＦｅＲＡＭ構造を採用する不揮発性記憶素
子はスイッチング素子と情報記憶部を構成する容量素子
との直列回路で形成した１トランジスタ／１キャパシタ
構造で形成される。前記スイッチング素子はチャネル形
成領域、絶縁体（ゲート絶縁体）、制御電極（ゲート電
極）、ソース領域及びドレイン領域として使用する一対
の半導体領域を備える。容量素子は下層電極、強誘電
体、上層電極のそれぞれを備え、この下層電極、強誘電
体、上層電極のそれぞれは順次積層される。
子はスイッチング素子と情報記憶部を構成する容量素子
との直列回路で形成した１トランジスタ／１キャパシタ
構造で形成される。前記スイッチング素子はチャネル形
成領域、絶縁体（ゲート絶縁体）、制御電極（ゲート電
極）、ソース領域及びドレイン領域として使用する一対
の半導体領域を備える。容量素子は下層電極、強誘電
体、上層電極のそれぞれを備え、この下層電極、強誘電
体、上層電極のそれぞれは順次積層される。
【０００４】前記容量素子の強誘電体は、残留分極を有
し、電源を切っても記憶内容が失われない特徴を備え
る。さらに、強誘電体の採用により低電圧動作が実現で
きるので、不揮発性記憶素子の低消費電力化が促進でき
る。強誘電体には一般にＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛：
ＰｂＺｒx Ｔｉ1-x Ｏ3 ）が使用される。
し、電源を切っても記憶内容が失われない特徴を備え
る。さらに、強誘電体の採用により低電圧動作が実現で
きるので、不揮発性記憶素子の低消費電力化が促進でき
る。強誘電体には一般にＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛：
ＰｂＺｒx Ｔｉ1-x Ｏ3 ）が使用される。
【０００５】前記容量素子の特に強誘電体の下地膜とな
る下層電極にはＰｔの単層薄膜、又はＰｔとＴｉとを積
層した複合薄膜が使用される。この電極材料のＰｔはＳ
ｉ基板（半導体基板）又は層間絶縁膜として使用される
ＳｉＯ2 薄膜の表面上に堆積される。製造プロセスにお
いてスパッタ法でＰｔを堆積した場合、Ｐｔは（１１
１）配向しやすい。（１１１）配向を有するＰｔ上に形
成される強誘電体は配向しやすくなり、配向を有する強
誘電体は大きな残留分極を持つので、情報書込み特性が
向上できる。さらに、Ｐｔは貴金属であり基本的に酸化
しないので、強誘電体と下層電極との間にＰｔの酸化物
からなる常誘電体が形成されない。つまり、Ｐｔは、強
誘電体と下層電極との間の界面付近に容量素子全体の実
質的なキャパシタンスを減少させる常誘電体が形成され
ない特徴を備える。
る下層電極にはＰｔの単層薄膜、又はＰｔとＴｉとを積
層した複合薄膜が使用される。この電極材料のＰｔはＳ
ｉ基板（半導体基板）又は層間絶縁膜として使用される
ＳｉＯ2 薄膜の表面上に堆積される。製造プロセスにお
いてスパッタ法でＰｔを堆積した場合、Ｐｔは（１１
１）配向しやすい。（１１１）配向を有するＰｔ上に形
成される強誘電体は配向しやすくなり、配向を有する強
誘電体は大きな残留分極を持つので、情報書込み特性が
向上できる。さらに、Ｐｔは貴金属であり基本的に酸化
しないので、強誘電体と下層電極との間にＰｔの酸化物
からなる常誘電体が形成されない。つまり、Ｐｔは、強
誘電体と下層電極との間の界面付近に容量素子全体の実
質的なキャパシタンスを減少させる常誘電体が形成され
ない特徴を備える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】不揮発性記憶装置に搭
載された不揮発性記憶素子において、容量素子の下層電
極にＰｔの単層薄膜又はＰｔを含む複合薄膜が使用され
る場合には前述のように優れた特徴がある。しかしなが
ら、情報書き換え動作を繰り返し行い、強誘電体の分極
反転を繰り返し行うことにより強誘電体の残留分極の大
きさが減少する膜疲労が発生する。強誘電体の膜疲労は
容量素子の電極間に繰り返し印加される電界に起因し強
誘電体と下層電極との間の界面であってＰｔ表面に不要
物質が析出する、ことが原因であると本願発明者は考察
している。Ｐｔ表面に析出する不要物質としては、強誘
電体の組成物質であるＰｂイオン、Ｓｉ基板やＳｉＯ2
薄膜の組成物質であるＳｉイオン、ＳｉＯ2 薄膜のＯイ
オン、及びこれらのイオンで構成される化合物が考えら
れる。すなわち、時間の経過とともに容量素子の情報書
込み特性が劣化する。
載された不揮発性記憶素子において、容量素子の下層電
極にＰｔの単層薄膜又はＰｔを含む複合薄膜が使用され
る場合には前述のように優れた特徴がある。しかしなが
ら、情報書き換え動作を繰り返し行い、強誘電体の分極
反転を繰り返し行うことにより強誘電体の残留分極の大
きさが減少する膜疲労が発生する。強誘電体の膜疲労は
容量素子の電極間に繰り返し印加される電界に起因し強
誘電体と下層電極との間の界面であってＰｔ表面に不要
物質が析出する、ことが原因であると本願発明者は考察
している。Ｐｔ表面に析出する不要物質としては、強誘
電体の組成物質であるＰｂイオン、Ｓｉ基板やＳｉＯ2
薄膜の組成物質であるＳｉイオン、ＳｉＯ2 薄膜のＯイ
オン、及びこれらのイオンで構成される化合物が考えら
れる。すなわち、時間の経過とともに容量素子の情報書
込み特性が劣化する。
【０００７】本発明は前述の課題を解決するためになさ
れたものである。
れたものである。
【０００８】従って、本発明の目的は、強誘電体の分極
反転の繰り返しで発生する膜疲労を減少し、強誘電体の
残留分極の減少が防止できる強誘電体用電極を提供する
ことにある。
反転の繰り返しで発生する膜疲労を減少し、強誘電体の
残留分極の減少が防止できる強誘電体用電極を提供する
ことにある。
【０００９】さらに、本発明の目的は、不揮発性記憶素
子の容量素子に強誘電体用電極を使用し、情報書込み特
性を向上しつつ、低消費電力化が実現できる不揮発性記
憶装置を提供することにある。
子の容量素子に強誘電体用電極を使用し、情報書込み特
性を向上しつつ、低消費電力化が実現できる不揮発性記
憶装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載された発明は、ペロブスカイト結晶
構造を有する強誘電体と積層構造を形成する強誘電体用
電極が、前記強誘電体のペロブスカイト結晶構造と実質
的に同一結晶構造を有し、かつ導電性を有する酸化物で
形成されたことを特徴とする。
に、請求項１に記載された発明は、ペロブスカイト結晶
構造を有する強誘電体と積層構造を形成する強誘電体用
電極が、前記強誘電体のペロブスカイト結晶構造と実質
的に同一結晶構造を有し、かつ導電性を有する酸化物で
形成されたことを特徴とする。
【００１１】請求項１に記載された発明においては、前
記強誘電体用電極は酸化物で形成され、酸化物中には安
定な状態で酸素が存在するので、強誘電体との間の界面
付近であって強誘電体用電極の表面には酸素の析出がな
くなる。この結果、前記酸素の析出に起因して前記界面
に常誘電体（不要物質）が生成されなくなるので、強誘
電体の分極反転の繰り返しで発生する膜疲労が減少し、
強誘電体の残留分極の実効的な減少が防止できる。さら
に、前記強誘電体用電極は強誘電体のペロブスカイト結
晶構造と実質的に同一結晶構造で形成されるので、強誘
電体用電極上に強誘電体を結晶成長する場合、強誘電体
上に強誘電体用電極を結晶成長する場合のいずれにおい
ても下地の結晶性を維持した状態で結晶成長が行える。
記強誘電体用電極は酸化物で形成され、酸化物中には安
定な状態で酸素が存在するので、強誘電体との間の界面
付近であって強誘電体用電極の表面には酸素の析出がな
くなる。この結果、前記酸素の析出に起因して前記界面
に常誘電体（不要物質）が生成されなくなるので、強誘
電体の分極反転の繰り返しで発生する膜疲労が減少し、
強誘電体の残留分極の実効的な減少が防止できる。さら
に、前記強誘電体用電極は強誘電体のペロブスカイト結
晶構造と実質的に同一結晶構造で形成されるので、強誘
電体用電極上に強誘電体を結晶成長する場合、強誘電体
上に強誘電体用電極を結晶成長する場合のいずれにおい
ても下地の結晶性を維持した状態で結晶成長が行える。
【００１２】請求項２に記載された発明は、前記請求項
１に記載された強誘電体用電極が、ＡＢＯ3 結晶構造の
Ａサイトの位置に空孔がある結晶構造を有することを特
徴とする。
１に記載された強誘電体用電極が、ＡＢＯ3 結晶構造の
Ａサイトの位置に空孔がある結晶構造を有することを特
徴とする。
【００１３】請求項２に記載された発明においては、前
記強誘電体用電極の結晶構造が完全なペロブスカイト結
晶構造ではなくＡＢＯ3 結晶構造のＡサイトの位置に空
孔がある結晶構造で形成されるので、強誘電体用電極の
強誘電体側の最端表面に位置する結晶ユニットの空孔に
強誘電体の強誘電体用電極側の最端表面に位置する結晶
ユニットの金属原子が入り込む。強誘電体にＰＺＴが使
用される場合には、結晶ユニットの空孔にＰＺＴのＰｂ
原子が入り込む。つまり、強誘電体用電極と強誘電体と
の間が原子的に結合をなすので、強誘電体用電極と強誘
電体との間の接合強度が向上できる。さらに、強誘電体
用電極と強誘電体との間が原子的に結合され、強誘電体
用電極から強誘電体へ、又は逆に強誘電体から強誘電体
用電極への結晶性の情報が伝達されるので、相互にペロ
ブスカイト結晶構造、ペロブスカイト結晶構造と実質的
に同一結晶構造のそれぞれの結晶成長が容易に行える。
記強誘電体用電極の結晶構造が完全なペロブスカイト結
晶構造ではなくＡＢＯ3 結晶構造のＡサイトの位置に空
孔がある結晶構造で形成されるので、強誘電体用電極の
強誘電体側の最端表面に位置する結晶ユニットの空孔に
強誘電体の強誘電体用電極側の最端表面に位置する結晶
ユニットの金属原子が入り込む。強誘電体にＰＺＴが使
用される場合には、結晶ユニットの空孔にＰＺＴのＰｂ
原子が入り込む。つまり、強誘電体用電極と強誘電体と
の間が原子的に結合をなすので、強誘電体用電極と強誘
電体との間の接合強度が向上できる。さらに、強誘電体
用電極と強誘電体との間が原子的に結合され、強誘電体
用電極から強誘電体へ、又は逆に強誘電体から強誘電体
用電極への結晶性の情報が伝達されるので、相互にペロ
ブスカイト結晶構造、ペロブスカイト結晶構造と実質的
に同一結晶構造のそれぞれの結晶成長が容易に行える。
【００１４】請求項３に記載された発明は、前記請求項
１に記載された強誘電体用電極が、多結晶状態又は単結
晶状態のＲｅＯ3 で形成されることを特徴とする。
１に記載された強誘電体用電極が、多結晶状態又は単結
晶状態のＲｅＯ3 で形成されることを特徴とする。
【００１５】前記請求項３に記載された発明において
は、強誘電体用電極がＲｅＯ3 で形成され、ＲｅＯ3 は
室温において１０-5Ωｃｍ程度の低抵抗値を有するの
で、信号伝達速度の高速化が図れる。
は、強誘電体用電極がＲｅＯ3 で形成され、ＲｅＯ3 は
室温において１０-5Ωｃｍ程度の低抵抗値を有するの
で、信号伝達速度の高速化が図れる。
【００１６】請求項４に記載された発明は、強誘電体デ
バイスにおいて、ペロブスカイト結晶構造を有する強誘
電体と、前記強誘電体のペロブスカイト結晶構造と実質
的に同一結晶構造を有し、導電性を有する酸化物で形成
された強誘電体用電極と、を備え、前記強誘電体用電
極、この強誘電体用電極上に積層される強誘電体及びこ
の強誘電体上に積層される電極で形成される素子を搭載
したことを特徴とする。
バイスにおいて、ペロブスカイト結晶構造を有する強誘
電体と、前記強誘電体のペロブスカイト結晶構造と実質
的に同一結晶構造を有し、導電性を有する酸化物で形成
された強誘電体用電極と、を備え、前記強誘電体用電
極、この強誘電体用電極上に積層される強誘電体及びこ
の強誘電体上に積層される電極で形成される素子を搭載
したことを特徴とする。
【００１７】請求項４に記載された発明においては、前
記請求項１に記載された発明に係る強誘電体用電極で得
られる作用効果に加え、前記素子において強誘電体の膜
疲労が減少し残留分極が大きくできる。特に素子として
強誘電体用電極と電極との間に強誘電体を介在した容量
素子においては、残留分極が大きくできるので、情報書
込み特性が向上でき、かつ低電圧の情報書込み電圧で充
分な情報が書込めるので、低消費電力化が実現できる。
記請求項１に記載された発明に係る強誘電体用電極で得
られる作用効果に加え、前記素子において強誘電体の膜
疲労が減少し残留分極が大きくできる。特に素子として
強誘電体用電極と電極との間に強誘電体を介在した容量
素子においては、残留分極が大きくできるので、情報書
込み特性が向上でき、かつ低電圧の情報書込み電圧で充
分な情報が書込めるので、低消費電力化が実現できる。
【００１８】請求項５に記載された発明は、前記請求項
４に記載された強誘電体デバイスにおいて、前記強誘電
体用電極、強誘電体、強誘電体用電極を順次積層した素
子を搭載したことを特徴とする。
４に記載された強誘電体デバイスにおいて、前記強誘電
体用電極、強誘電体、強誘電体用電極を順次積層した素
子を搭載したことを特徴とする。
【００１９】請求項６に記載された発明は、前記請求項
４又は請求項５に記載された強誘電体デバイスにおい
て、前記強誘電体には、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ3 、ＢａＴ
ｉＯ3のいずれかの強誘電体、又はＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ
9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12のいずれかの層状誘電体が使用さ
れ、前記強誘電体用電極には、多結晶状態又は単結晶状
態のＲｅＯ3 が使用されることを特徴とする。
４又は請求項５に記載された強誘電体デバイスにおい
て、前記強誘電体には、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ3 、ＢａＴ
ｉＯ3のいずれかの強誘電体、又はＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ
9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12のいずれかの層状誘電体が使用さ
れ、前記強誘電体用電極には、多結晶状態又は単結晶状
態のＲｅＯ3 が使用されることを特徴とする。
【００２０】請求項７に記載された発明は、前記請求項
６に記載された強誘電体デバイスにおいて、前記素子は
情報記憶部として使用される容量素子であることを特徴
とする。
６に記載された強誘電体デバイスにおいて、前記素子は
情報記憶部として使用される容量素子であることを特徴
とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の実施形態に係るＦｅＲＡＭ
構造を採用する不揮発性記憶素子（メモリセル）を搭載
した不揮発性記憶装置の断面構造図である。不揮発性記
憶装置は基板１で形成され、不揮発性記憶素子Ｍは基板
１の主面に形成される。基板１は本実施形態において単
結晶Ｓｉ基板が使用され、このＳｉ基板はｐ型不純物が
導入されたｐ型に設定される。不揮発性記憶素子Ｍはス
イッチング素子（スイッチングトランジスタ）と容量素
子との直列回路で形成した１トランジスタ／１キャパシ
タ構造で形成される。容量素子は情報記憶部として機能
する。
て説明する。図１は本発明の実施形態に係るＦｅＲＡＭ
構造を採用する不揮発性記憶素子（メモリセル）を搭載
した不揮発性記憶装置の断面構造図である。不揮発性記
憶装置は基板１で形成され、不揮発性記憶素子Ｍは基板
１の主面に形成される。基板１は本実施形態において単
結晶Ｓｉ基板が使用され、このＳｉ基板はｐ型不純物が
導入されたｐ型に設定される。不揮発性記憶素子Ｍはス
イッチング素子（スイッチングトランジスタ）と容量素
子との直列回路で形成した１トランジスタ／１キャパシ
タ構造で形成される。容量素子は情報記憶部として機能
する。
【００２２】前記不揮発性記憶素子Ｍのスイッチング素
子はチャネル形成領域１Ａ、ゲート絶縁体２、制御電極
（ゲート電極）３、ソース領域及びドレイン領域として
使用される一対の半導体領域４を備える。
子はチャネル形成領域１Ａ、ゲート絶縁体２、制御電極
（ゲート電極）３、ソース領域及びドレイン領域として
使用される一対の半導体領域４を備える。
【００２３】チャネル形成領域１Ａは基板１の主面近傍
部分に形成される。ゲート絶縁体２は少なくともチャネ
ル形成領域１Ａの表面上に形成される。ゲート絶縁体２
は例えばＳｉＯ2 薄膜で形成される。
部分に形成される。ゲート絶縁体２は少なくともチャネ
ル形成領域１Ａの表面上に形成される。ゲート絶縁体２
は例えばＳｉＯ2 薄膜で形成される。
【００２４】制御電極３はゲート絶縁体２の表面上に形
成される。制御電極３は例えば多結晶Ｓｉ薄膜、シリサ
イド薄膜、高融点金属薄膜のいずれかの単層膜、又は多
結晶Ｓｉ薄膜上にシリサイド薄膜若しくは高融点金属薄
膜を積層した複合膜で形成される。すなわち、制御電極
３はいわゆるゲート材料で形成される。図示しないが、
制御電極３は、チャネル幅方向と同一方向に延在するワ
ード線と同一ゲート材料で形成されるとともに、このワ
ード線と電気的に接続される。
成される。制御電極３は例えば多結晶Ｓｉ薄膜、シリサ
イド薄膜、高融点金属薄膜のいずれかの単層膜、又は多
結晶Ｓｉ薄膜上にシリサイド薄膜若しくは高融点金属薄
膜を積層した複合膜で形成される。すなわち、制御電極
３はいわゆるゲート材料で形成される。図示しないが、
制御電極３は、チャネル幅方向と同一方向に延在するワ
ード線と同一ゲート材料で形成されるとともに、このワ
ード線と電気的に接続される。
【００２５】ソース領域及びドレイン領域として使用す
る一対の半導体領域４は、制御電極３のチャネル長方向
の両側であって、基板１の主面部に形成される。それぞ
れの半導体領域４はｎ型不純物が導入されたｎ型に設定
される。すなわち、スイッチング素子はｎチャネル導電
型トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ：Metal Insulator Fiel
d Effect Transistor）で形成される。
る一対の半導体領域４は、制御電極３のチャネル長方向
の両側であって、基板１の主面部に形成される。それぞ
れの半導体領域４はｎ型不純物が導入されたｎ型に設定
される。すなわち、スイッチング素子はｎチャネル導電
型トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ：Metal Insulator Fiel
d Effect Transistor）で形成される。
【００２６】前記スイッチング素子上にはこのスイッチ
ング素子と容量素子との間を電気的に分離する層間絶縁
膜５が形成される。層間絶縁膜５は本実施形態において
ＳｉＯ2 膜、Ｓｉ3 Ｎ4 膜のいずれかの単層膜、又はＳ
ｉＯ2 膜、Ｓｉ3 Ｎ4 膜のそれぞれを組み合わせた複合
膜で形成される。前記スイッチング素子の一方の半導体
領域４上において、前記層間絶縁膜５には接続孔６が形
成される。接続孔６内には一方の半導体領域４と容量素
子の下層電極８との間を電気的に接続する接続孔配線７
が形成される。接続孔配線７は例えばＷ、ＴｉＷ、ＷＳ
ｉ2 、ＴｉＮ等の低抵抗値を有し高融点金属若しくは高
融点金属を主成分とする材料で形成される。また、接続
孔配線７にはＰがドープされ低抵抗化された多結晶Ｓｉ
膜が使用できる。
ング素子と容量素子との間を電気的に分離する層間絶縁
膜５が形成される。層間絶縁膜５は本実施形態において
ＳｉＯ2 膜、Ｓｉ3 Ｎ4 膜のいずれかの単層膜、又はＳ
ｉＯ2 膜、Ｓｉ3 Ｎ4 膜のそれぞれを組み合わせた複合
膜で形成される。前記スイッチング素子の一方の半導体
領域４上において、前記層間絶縁膜５には接続孔６が形
成される。接続孔６内には一方の半導体領域４と容量素
子の下層電極８との間を電気的に接続する接続孔配線７
が形成される。接続孔配線７は例えばＷ、ＴｉＷ、ＷＳ
ｉ2 、ＴｉＮ等の低抵抗値を有し高融点金属若しくは高
融点金属を主成分とする材料で形成される。また、接続
孔配線７にはＰがドープされ低抵抗化された多結晶Ｓｉ
膜が使用できる。
【００２７】また、図示しないが、スイッチング素子の
他方の半導体領域４には、データ線（ビット線）が電気
的に接続される。
他方の半導体領域４には、データ線（ビット線）が電気
的に接続される。
【００２８】前記容量素子は下層電極８、強誘電体９、
上層電極１０のそれぞれを順次積層した積層構造で構成
される。
上層電極１０のそれぞれを順次積層した積層構造で構成
される。
【００２９】容量素子の下層電極８は層間絶縁膜５の表
面上に形成され、この下層電極８は接続孔配線７を通し
てスイッチング素子の一方の半導体領域４に電気的に接
続される。本実施形態において下層電極８は強誘電体用
電極として形成され、この強誘電体用電極にはＲｅＯ3
薄膜が使用される。このＲｅＯ3 は、導電性を有し、酸
素原子が安定な状態で入っている酸化物である。
面上に形成され、この下層電極８は接続孔配線７を通し
てスイッチング素子の一方の半導体領域４に電気的に接
続される。本実施形態において下層電極８は強誘電体用
電極として形成され、この強誘電体用電極にはＲｅＯ3
薄膜が使用される。このＲｅＯ3 は、導電性を有し、酸
素原子が安定な状態で入っている酸化物である。
【００３０】ＲｅＯ3 に類似する酸化物にはＲｅ
2 Ｏ7 、ＲｅＯ2 のそれぞれが知られている。Ｒｅ2 Ｏ
7 は酸素原子が最も多い結晶構造であるが、Ｒｅ2 Ｏ7
は絶縁体であり電極材料には使用できない。ＲｅＯ2 は
導電性を有するが、ＲｅＯ2 の抵抗値はＲｅＯ3 に比べ
て大きく信号伝達速度の高速化には適していない。Ｒｅ
Ｏ3は半導体デバイスで配線材料として使用されるＡｌ
−Ｃｕ配線の抵抗値１０-6Ωｃｍに匹敵する１０-5Ωｃ
ｍの低抵抗値を有する。また、後述するが、ＲｅＯ3の
結晶構造はペロブスカイト結晶構造に類似した結晶構造
であり、ＲｅＯ2 の結晶構造はルチル結晶構造であるの
で、ＲｅＯ2 、ＲｅＯ3 のそれぞれの結晶構造は基本的
に異なる。
2 Ｏ7 、ＲｅＯ2 のそれぞれが知られている。Ｒｅ2 Ｏ
7 は酸素原子が最も多い結晶構造であるが、Ｒｅ2 Ｏ7
は絶縁体であり電極材料には使用できない。ＲｅＯ2 は
導電性を有するが、ＲｅＯ2 の抵抗値はＲｅＯ3 に比べ
て大きく信号伝達速度の高速化には適していない。Ｒｅ
Ｏ3は半導体デバイスで配線材料として使用されるＡｌ
−Ｃｕ配線の抵抗値１０-6Ωｃｍに匹敵する１０-5Ωｃ
ｍの低抵抗値を有する。また、後述するが、ＲｅＯ3の
結晶構造はペロブスカイト結晶構造に類似した結晶構造
であり、ＲｅＯ2 の結晶構造はルチル結晶構造であるの
で、ＲｅＯ2 、ＲｅＯ3 のそれぞれの結晶構造は基本的
に異なる。
【００３１】図２は前記下層電極８であり強誘電体用電
極として使用されるＲｅＯ3 の１結晶ユニットを示す結
晶構造図である。ＲｅＯ3 は、Ａサイトの位置が空孔
で、Ｂサイトの位置に６価のプラスＲｅイオンが存在す
るＡＢＯ3 結晶構造を有する。このＲｅＯ3 の最大の特
徴は、Ａサイトの位置が空孔であることと、Ｒｅイオン
を取り囲む６個の酸素原子により形成される酸素８面体
を有し、後述する強誘電体９の結晶構造であるペロブス
カイト結晶構造と実質的に同一結晶構造を有することで
ある。なお、下層電極８は基本的には単結晶状態で形成
されるが、多結晶状態で形成することもできる。
極として使用されるＲｅＯ3 の１結晶ユニットを示す結
晶構造図である。ＲｅＯ3 は、Ａサイトの位置が空孔
で、Ｂサイトの位置に６価のプラスＲｅイオンが存在す
るＡＢＯ3 結晶構造を有する。このＲｅＯ3 の最大の特
徴は、Ａサイトの位置が空孔であることと、Ｒｅイオン
を取り囲む６個の酸素原子により形成される酸素８面体
を有し、後述する強誘電体９の結晶構造であるペロブス
カイト結晶構造と実質的に同一結晶構造を有することで
ある。なお、下層電極８は基本的には単結晶状態で形成
されるが、多結晶状態で形成することもできる。
【００３２】前記容量素子の強誘電体９は下層電極（強
誘電体用電極）８の表面上に形成される。本実施形態に
おいて、強誘電体９にはＰＺＴ薄膜、或いはＰｂＴｉＯ
3 薄膜が使用される。
誘電体用電極）８の表面上に形成される。本実施形態に
おいて、強誘電体９にはＰＺＴ薄膜、或いはＰｂＴｉＯ
3 薄膜が使用される。
【００３３】図３は強誘電体９であるＰｂＴｉＯ3 の１
結晶ユニットを示す結晶構造図である。ＰｂＴｉＯ
3 は、イオン結晶体であり、Ａサイトに２価のプラスＰ
ｂイオンが存在し、Ｂサイトに４価のプラスＴｉイオン
が存在する。このＰｂＴｉＯ3 の最大の特徴はＴｉイオ
ンを取り囲む酸素８面体を有するペロブスカイト結晶構
造を有することである。Ａサイト又はＢサイトが格子点
からシフトすることにより残留分極（自発分極）が生
じ、残留分極の大きさはイオンの種類により異なる。前
記強誘電体９は、ＰｂＴｉＯ3 の場合において常温で約
５０μＣ／cm2 程度の高い残留分極を有する。本実施形
態において、強誘電体９は基本的には単結晶状態で形成
される。なお、強誘電体９は多結晶状態で形成してもよ
い。
結晶ユニットを示す結晶構造図である。ＰｂＴｉＯ
3 は、イオン結晶体であり、Ａサイトに２価のプラスＰ
ｂイオンが存在し、Ｂサイトに４価のプラスＴｉイオン
が存在する。このＰｂＴｉＯ3 の最大の特徴はＴｉイオ
ンを取り囲む酸素８面体を有するペロブスカイト結晶構
造を有することである。Ａサイト又はＢサイトが格子点
からシフトすることにより残留分極（自発分極）が生
じ、残留分極の大きさはイオンの種類により異なる。前
記強誘電体９は、ＰｂＴｉＯ3 の場合において常温で約
５０μＣ／cm2 程度の高い残留分極を有する。本実施形
態において、強誘電体９は基本的には単結晶状態で形成
される。なお、強誘電体９は多結晶状態で形成してもよ
い。
【００３４】図４は前記下層電極８と強誘電体９との間
の積層状態を原子レベルで示す結晶構造図である。下層
電極８の強誘電体９側の最端に位置するＲｅＯ3 の結晶
ユニットにおいて、Ａサイトの位置に存在する空孔に
は、強誘電体９の下層電極８側の最端に位置するＰｂＴ
ｉＯ3 の結晶ユニットのＰｂイオンが入り込む。つま
り、ＲｅＯ3 の結晶ユニットとＰｂＴｉＯ3 の結晶ユニ
ットとの間は、ＰｂＴｉＯ3 のＰｂイオンをＡサイトに
おいて互いに共有することにより相互に結合される。従
って、下層電極８と強誘電体９との間の接着力は強固に
なる。
の積層状態を原子レベルで示す結晶構造図である。下層
電極８の強誘電体９側の最端に位置するＲｅＯ3 の結晶
ユニットにおいて、Ａサイトの位置に存在する空孔に
は、強誘電体９の下層電極８側の最端に位置するＰｂＴ
ｉＯ3 の結晶ユニットのＰｂイオンが入り込む。つま
り、ＲｅＯ3 の結晶ユニットとＰｂＴｉＯ3 の結晶ユニ
ットとの間は、ＰｂＴｉＯ3 のＰｂイオンをＡサイトに
おいて互いに共有することにより相互に結合される。従
って、下層電極８と強誘電体９との間の接着力は強固に
なる。
【００３５】さらに、強誘電体９であるＰｂＴｉＯ3 は
ペロブスカイト結晶構造を有し、ＲｅＯ3 はＡサイトの
位置が空孔であるが酸素８面体を有しＰｂＴｉＯ3 と実
質的に同一結晶構造を有するので、ＭＯＣＶＤ（Metalo
rganic CVD）法によりＰｂＴｉＯ3 がＲｅＯ3 の表面上
に連続的に結晶成長できる。
ペロブスカイト結晶構造を有し、ＲｅＯ3 はＡサイトの
位置が空孔であるが酸素８面体を有しＰｂＴｉＯ3 と実
質的に同一結晶構造を有するので、ＭＯＣＶＤ（Metalo
rganic CVD）法によりＰｂＴｉＯ3 がＲｅＯ3 の表面上
に連続的に結晶成長できる。
【００３６】さらに、ＰｂＴｉＯ3 の結晶ユニットにお
いてａ軸方向の格子定数は３．９Åであり、ＲｅＯ3 の
結晶ユニットにおいてａ軸方向の格子定数は３．７Åで
あるので、双方の格子定数が類似しており、ＲｅＯ3 の
結晶性に従ってＰｂＴｉＯ3の結晶成長が行える。しか
も、ａ軸方向の格子定数が互いに類似しているので、Ｒ
ｅＯ3 の表面上に結晶成長させたＰｂＴｉＯ3 の結晶ユ
ニットは下層電極８と上層電極１０との間に印加される
電界Ｅの方向と一致する方向にｃ軸配向しやすくなる。
ＰｂＴｉＯ3 の結晶ユニットが電界Ｅの方向と一致する
方向にｃ軸配向すると、大きな残留分極が得られる。
いてａ軸方向の格子定数は３．９Åであり、ＲｅＯ3 の
結晶ユニットにおいてａ軸方向の格子定数は３．７Åで
あるので、双方の格子定数が類似しており、ＲｅＯ3 の
結晶性に従ってＰｂＴｉＯ3の結晶成長が行える。しか
も、ａ軸方向の格子定数が互いに類似しているので、Ｒ
ｅＯ3 の表面上に結晶成長させたＰｂＴｉＯ3 の結晶ユ
ニットは下層電極８と上層電極１０との間に印加される
電界Ｅの方向と一致する方向にｃ軸配向しやすくなる。
ＰｂＴｉＯ3 の結晶ユニットが電界Ｅの方向と一致する
方向にｃ軸配向すると、大きな残留分極が得られる。
【００３７】さらに、下層電極８と強誘電体９との間の
界面部分においては、ＲｅＯ3 のＡサイトの位置に存在
する空孔に、ＰｂＴｉＯ3 のＡサイトの位置に存在する
Ｐｂイオンが入り込むので、ＲｅＯ3 の結晶構造の情報
がＰｂＴｉＯ3 の結晶構造に伝達され、ＲｅＯ3 の表面
上にＲｅＯ3 の結晶性に従ってＰｂＴｉＯ3 の結晶成長
が行える。
界面部分においては、ＲｅＯ3 のＡサイトの位置に存在
する空孔に、ＰｂＴｉＯ3 のＡサイトの位置に存在する
Ｐｂイオンが入り込むので、ＲｅＯ3 の結晶構造の情報
がＰｂＴｉＯ3 の結晶構造に伝達され、ＲｅＯ3 の表面
上にＲｅＯ3 の結晶性に従ってＰｂＴｉＯ3 の結晶成長
が行える。
【００３８】容量素子の上層電極１０は強誘電体９の表
面上に形成される。上層電極１０は本実施形態において
下層電極８と同様に強誘電体用電極としてのＲｅＯ3 で
形成される。ＲｅＯ3 の表面上にＰｂＴｉＯ3 の結晶成
長を行う場合と同様に、ＰｂＴｉＯ3 の表面上にスパッ
タ法によりＲｅＯ3 の結晶成長が行える。 なお、上層
電極１０は基本的には強誘電体９の結晶成長の下地にな
らないので、必ずしも強誘電体用電極として、つまりＲ
ｅＯ3 で形成する必要はない。
面上に形成される。上層電極１０は本実施形態において
下層電極８と同様に強誘電体用電極としてのＲｅＯ3 で
形成される。ＲｅＯ3 の表面上にＰｂＴｉＯ3 の結晶成
長を行う場合と同様に、ＰｂＴｉＯ3 の表面上にスパッ
タ法によりＲｅＯ3 の結晶成長が行える。 なお、上層
電極１０は基本的には強誘電体９の結晶成長の下地にな
らないので、必ずしも強誘電体用電極として、つまりＲ
ｅＯ3 で形成する必要はない。
【００３９】このように構成される不揮発性記憶素子Ｍ
を搭載した不揮発性記憶装置においては、以下の作用効
果が得られる。
を搭載した不揮発性記憶装置においては、以下の作用効
果が得られる。
【００４０】（１）不揮発性記憶素子Ｍの容量素子にお
いて、少なくとも下層電極８が強誘電体用電極としてペ
ロブスカイト結晶構造と実質的に同一結晶構造を有し、
かつ導電性を有する酸化物で形成されることにより、酸
化物中には安定な状態で酸素が存在するので、強誘電体
９との間の界面付近であって下層電極８の表面には酸素
の析出がなくなる。この結果、前記酸素の析出に起因し
て前記界面に常誘電体（不要物質）が生成されなくなる
ので、強誘電体９の分極反転の繰り返しで発生する膜疲
労が減少し、強誘電体９の残留分極の実効的な減少が防
止できる。さらに、前記下層電極８は強誘電体９のペロ
ブスカイト結晶構造と実質的に同一結晶構造で形成され
るので、下層電極８の表面上に強誘電体９を結晶成長す
る場合には下地の結晶性を維持した状態で結晶成長が行
える。上層電極１０が下層電極８と同様の材料で形成さ
れる場合には、下地の結晶性を維持した状態で強誘電体
９の表面上に上層電極（強誘電体用電極）１０の結晶成
長が行える。
いて、少なくとも下層電極８が強誘電体用電極としてペ
ロブスカイト結晶構造と実質的に同一結晶構造を有し、
かつ導電性を有する酸化物で形成されることにより、酸
化物中には安定な状態で酸素が存在するので、強誘電体
９との間の界面付近であって下層電極８の表面には酸素
の析出がなくなる。この結果、前記酸素の析出に起因し
て前記界面に常誘電体（不要物質）が生成されなくなる
ので、強誘電体９の分極反転の繰り返しで発生する膜疲
労が減少し、強誘電体９の残留分極の実効的な減少が防
止できる。さらに、前記下層電極８は強誘電体９のペロ
ブスカイト結晶構造と実質的に同一結晶構造で形成され
るので、下層電極８の表面上に強誘電体９を結晶成長す
る場合には下地の結晶性を維持した状態で結晶成長が行
える。上層電極１０が下層電極８と同様の材料で形成さ
れる場合には、下地の結晶性を維持した状態で強誘電体
９の表面上に上層電極（強誘電体用電極）１０の結晶成
長が行える。
【００４１】（２）前記容量素子の少なくとも下層電極
８がＡＢＯ3 結晶構造のＡサイトの位置に空孔がある結
晶構造で形成されることにより、下層電極８の強誘電体
９側の最端表面に位置する結晶ユニットの空孔に強誘電
体９の下層電極８側の最端表面に位置する結晶ユニット
の金属原子が入り込む。この結果、下層電極８と強誘電
体９との間が原子的に結合をなすので、下層電極８と強
誘電体９との間の接合強度が向上できる。さらに、下層
電極８と強誘電体９との間が原子的に結合され、下層電
極８から強誘電体９に結晶性の情報が伝達されるので、
ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト結晶構造と実
質的に同一結晶構造のそれぞれの連続的な結晶成長が容
易に行える。
８がＡＢＯ3 結晶構造のＡサイトの位置に空孔がある結
晶構造で形成されることにより、下層電極８の強誘電体
９側の最端表面に位置する結晶ユニットの空孔に強誘電
体９の下層電極８側の最端表面に位置する結晶ユニット
の金属原子が入り込む。この結果、下層電極８と強誘電
体９との間が原子的に結合をなすので、下層電極８と強
誘電体９との間の接合強度が向上できる。さらに、下層
電極８と強誘電体９との間が原子的に結合され、下層電
極８から強誘電体９に結晶性の情報が伝達されるので、
ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト結晶構造と実
質的に同一結晶構造のそれぞれの連続的な結晶成長が容
易に行える。
【００４２】（３）前記容量素子の少なくとも下層電極
８がＲｅＯ3 で形成されることにより、ＲｅＯ3 は室温
において１０-5Ωｃｍ程度の低抵抗値を有するので、信
号伝達速度の高速化が図れる。
８がＲｅＯ3 で形成されることにより、ＲｅＯ3 は室温
において１０-5Ωｃｍ程度の低抵抗値を有するので、信
号伝達速度の高速化が図れる。
【００４３】（４）前記容量素子においては強誘電体９
の膜疲労が減少でき残留分極が大きくできるので、情報
書込み特性が向上でき、かつ低電圧の情報書込み電圧で
充分な情報が書込めるので、低消費電力化が実現でき
る。
の膜疲労が減少でき残留分極が大きくできるので、情報
書込み特性が向上でき、かつ低電圧の情報書込み電圧で
充分な情報が書込めるので、低消費電力化が実現でき
る。
【００４４】応用例 本発明は、前記不揮発性記憶装置の不揮発性記憶素子Ｍ
において、強誘電体９としてＰＺＴの他にＰｂＴｉＯ3
からなる強誘電体を使用できる。さらに、本発明は、強
誘電体９としてＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ
12のいずれかの層状誘電体を使用できる。
において、強誘電体９としてＰＺＴの他にＰｂＴｉＯ3
からなる強誘電体を使用できる。さらに、本発明は、強
誘電体９としてＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ
12のいずれかの層状誘電体を使用できる。
【００４５】さらに、本発明は、強誘電体材料を利用し
焦電効果を利用する焦電型赤外線センサに適用できる。
さらに、本発明は、強誘電体材料を利用し圧電効果を利
用する圧力センサに適用できる。焦電型赤外線センサ、
圧力センサのいずれの場合においても、強誘電体材料と
積層構造をなす強誘電体用電極がＲｅＯ3 で形成され
る。
焦電効果を利用する焦電型赤外線センサに適用できる。
さらに、本発明は、強誘電体材料を利用し圧電効果を利
用する圧力センサに適用できる。焦電型赤外線センサ、
圧力センサのいずれの場合においても、強誘電体材料と
積層構造をなす強誘電体用電極がＲｅＯ3 で形成され
る。
【００４６】
【発明の効果】本発明においては、強誘電体の分極反転
の繰り返しで発生する膜疲労が減少でき、強誘電体の残
留分極の減少が防止できる強誘電体用電極が提供でき
る。
の繰り返しで発生する膜疲労が減少でき、強誘電体の残
留分極の減少が防止できる強誘電体用電極が提供でき
る。
【００４７】さらに、本発明においては、不揮発性記憶
素子の情報書込み特性が向上でき、低消費電力化が実現
できる不揮発性記憶装置が提供できる。
素子の情報書込み特性が向上でき、低消費電力化が実現
できる不揮発性記憶装置が提供できる。
【図１】 本発明の実施形態に係る不揮発性記憶装置の
断面構造図である。
断面構造図である。
【図２】 前記不揮発性記憶装置に搭載された不揮発性
記憶素子における容量素子の電極の結晶構造図である。
記憶素子における容量素子の電極の結晶構造図である。
【図３】 前記容量素子の強誘電体の結晶構造図であ
る。
る。
【図４】 前記容量素子の電極と強誘電体との積層部分
の結晶構造図である。
の結晶構造図である。
１ 基板、１Ａ チャネル形成領域、２ ゲート絶縁
体、３ 制御電極、４半導体領域、８ 下層電極、９
強誘電体、１０ 上層電極、Ｍ 不揮発性記憶素子。
体、３ 制御電極、４半導体領域、８ 下層電極、９
強誘電体、１０ 上層電極、Ｍ 不揮発性記憶素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/8247 29/788 29/792
Claims (7)
- 【請求項１】 ペロブスカイト結晶構造を有する強誘電
体と積層構造を形成する強誘電体用電極において、 前記強誘電体のペロブスカイト結晶構造と実質的に同一
結晶構造を有し、かつ導電性を有する酸化物で形成され
たことを特徴とする強誘電体用電極。 - 【請求項２】 前記請求項１に記載された強誘電体用電
極において、 ＡＢＯ3 結晶構造のＡサイトの位置に空孔がある結晶構
造を有することを特徴とする強誘電体用電極。 - 【請求項３】 前記請求項１に記載された強誘電体用電
極において、 多結晶状態又は単結晶状態のＲｅＯ3 で形成されること
を特徴とする強誘電体用電極。 - 【請求項４】 ペロブスカイト結晶構造を有する強誘電
体と、 前記強誘電体のペロブスカイト結晶構造と実質的に同一
結晶構造を有し、導電性を有する酸化物で形成された強
誘電体用電極と、 を備え、 前記強誘電体用電極、この強誘電体用電極上に積層され
る強誘電体及びこの強誘電体上に積層される電極で形成
される素子を搭載したことを特徴とする強誘電体デバイ
ス。 - 【請求項５】 前記請求項４に記載された強誘電体デバ
イスにおいて、 前記強誘電体用電極、強誘電体、強誘電体用電極を順次
積層した素子を搭載したことを特徴とする強誘電体デバ
イス。 - 【請求項６】 前記請求項４又は請求項５に記載された
強誘電体デバイスにおいて、 前記強誘電体には、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ
3 のいずれかの強誘電体、又はＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ9 、
Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12のいずれかの層状誘電体が使用され、 前記強誘電体用電極には、多結晶状態又は単結晶状態の
ＲｅＯ3 が使用されることを特徴とする強誘電体デバイ
ス。 - 【請求項７】 前記請求項６に記載された強誘電体デバ
イスにおいて、 前記素子は情報記憶部として使用される容量素子である
ことを特徴とする強誘電体デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8349666A JPH10189887A (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 強誘電体用電極及びそれを使用した強誘電体デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8349666A JPH10189887A (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 強誘電体用電極及びそれを使用した強誘電体デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10189887A true JPH10189887A (ja) | 1998-07-21 |
Family
ID=18405286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8349666A Pending JPH10189887A (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 強誘電体用電極及びそれを使用した強誘電体デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10189887A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6744085B2 (en) * | 2001-10-26 | 2004-06-01 | Fujitsu Limited | Electronic device with electrode and its manufacture |
-
1996
- 1996-12-27 JP JP8349666A patent/JPH10189887A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6744085B2 (en) * | 2001-10-26 | 2004-06-01 | Fujitsu Limited | Electronic device with electrode and its manufacture |
| US7153705B2 (en) | 2001-10-26 | 2006-12-26 | Fujitsu Limited | Electronic device with electrode and its manufacture |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
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