DE69801612T2 - Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher und Verfahren zur Herstellung

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Speichereinrichtung, bei welcher ein Paar von Elektroden mit einer ferroelektrischen Schicht verbunden ist.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ferroelektrika weisen in ihrer Charakteristik zwischen elektrischem Jeld und Polarisation eine Hysterese auf. Aufgrund dieser Tatsache wurden in den 60-er Jahren Vorschläge zum Ausbilden nichtflüchtiger Speichereinrichtungen, welche Daten halten können, ohne durch eine Spannungsversorgung gesichert zu sein, unter Verwendung von Ferroelektrika vorgeschlagen. Jedoch fanden Bestrebungen, derartige nichtflüchtige Speichereinrichtüngen zu entwickeln, ihr Ende, weil zu diesem Zeitpunkt die Technologie zum Ausbilden ferroelektrischer Dünnschichten noch nicht bereitgestellt war und verschiedene Probleme auftraten, zum Beispiel die Interferenz zwischen Speicherzellen. Jedoch wurden wegen der nachfolgenden Verbesserungen in der Dünnschichttechnologie in jüngster Zeit die Bestrebungen, nichtflüchtige Speichereinrichtungen unter Verwendung von Ferroelektrika auszubilden, wieder aktiviert. (Zum Beispiel: C. Araujo, J. Scott, r. Goddfrey und L. McMillan, Appl. Phys. Lett., 48 (1986) 1439; und W. Km- ney, W. Shepherd, W. Miller, J. Evans und R. Womack, IEDM Tech. Dig., (1987) 850).
  • Unter den Ferroelektrika, welche nichtflüchtige Speichereinrichtungen bilden können, hat insbesondere Wismutstrontiumtaritalat (Bi&sub2;SrTa&sub2;O&sub9;; nachfolgend "BiSTa") Aufmerksamkeit auf sich gezogen, welches zur sogenannten Aurivilischen kristallographischen Gruppe gehört und welches eine hervorragende Ermüdungscharakteristik aufweist. (Zum Beispiel: C. A-Paz de Araujo, J. I). Cuchiaro, L. D. McMillan, M. C'. Scott und J. F. Scott, Nature, 374 (1995) 627; K. Amanuma, T. Hase und y. Miyasaka, Appl. Phys. Lett., 66 (1995), 221; und S. B. Desu und D. P. Vijay, Master Sci. Und Eng., B32 (1995) 75). Die Aurivillsche kristallographische Gruppe umfasst Kristalle, die durch die Formel der stöchiometrischen Zusammensetzung [Bi&sub2;O&sub2;]²&spplus;[Mem-1RmO3m+1]²&supmin; repräsentiert werden, wobei m eine ganze Zahl größer oder gleich 2 und Me mindestens ein Element aus der Gruppe laedeuten, welche gebildet wird von Natrium (Na), Kalium (K), Kalzium (Ca), Barium (Ba), Strontium (Sr), Blei (Pb) und Wismut (Bi). R ist dabei zumindest ein Element aus der Gruppe, welche gebildet wird von Eisen (Fe) Niob (Nb), Tantal (Ta) und Wolfram (W).
  • Jüngst wurden Erfolge beim Herstellen von BiSTa-Dünnschichten durch MOCVD (metal oxganic chemical vapor deposition: metallorganische chemische Dampfabscheidung) berichtet. (Zum Beispiel: T. Ami, K. Hironaka, C. Isobe, N. Nagel, M. Sugiyama, Y. Ikeda, K. Watariabe, A. Machida, K. Miura und M. Tanaka, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 415 (1996) 195; und T. Li, Y. Zhu, S. B. Desu, C-H. Peng, M. Nagata, Appl. Phys. Lett. 68 (1996)616)
  • Jedoch haben Untersuchungen der Charakteristika tatsächlich hergestellter BiSTa-Einkristalle gezeigt, dass ein und derselben Kristall Bereiche mit einer Anisotropie und Bereiche ohne Anisotropie aufweist, obwohl diese Bereiche ansonsten keine Unterschiede in ihrer Zusammensetzung aufwiesen. Ferner ergaben Beobachtungen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), dass die Bereiche ohne Anisotropie derartige Verformungen oder Belastungen (strain) aufwiesen, dass die Symmetrie der Kristallgitter verloren ging. Ähnliche Gitterverformungen oder -belastungen wurden mittels TEM in BiSTa-Polykriställdünnschichten gefunden. Das heißt, es wurde festgestellt, dass Materialien mit einer komplexen Kristallstruktur wie BiSTa dahingehend problematisch sind, dass sie zu derart großen Verformungen neigen, dass die Symmetrie der Kristallgitter verlören geht und dass sie folglich dazu neigen, Bereiche ohne Anisotropie und Bereiche mit Anisotropie aufzuweisen, äber keine weiteren besonderen Eigenschaften.
  • Wenn eine Speichereinrichtung unter Vetwendung eines Ferroelektrikums mit komplexer Kristallstruktur wie BiSTa ausgebildet wird, werden ihre Charakteristika verschlechtert, und zwar in Abhängigkeit vom Volumenverhältnis der Bereiche ohne Anisotropie und der Bereiche, welche keine hervorragenden Eigenschaften zeigen. Des Weiteren variieren die Charakteristika der Einrichtung in Abhängigkeit vom Verhältnis der Teile ohne Anisotropie und der Teile, welche keine hervorragenden Eigenschaften zeigen.
  • Das Dokument Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996), S. L564 - L567, beschreibt ein geschichtetes Ferroelektrikum Bi&sub2;SrTa&sub2;O&sub4; als ein ermüdungsfreies Material für ferroelektrische nichtflüchtige Speichereinrichtungen.
  • Ferner offenbart das Dokument EP-A-0 766 292 aus dem Stand der Technik ein Verfahren zum Herstellen eines ferroelektrischen Elements mit einer unter Elektrodenschicht, einer ferroelektrischen Schicht und einer oberen Elektrodenschicht, welche in dieser Abfolge auf einem Substrat ausgebildet sind. Dieses Verfahren weist den Schritt des Aufbringens einer metallhaltigen Vorbehandlungslösung auf die Oberfläche der unteren Elektrodenschicht, welche auf dem Substrat aus- gebildet ist, einen Trockenschritt der aufgebrachten Vorbehandlungslösung, um die Lösung allein durch Aufheizen zu entfernen, einen ersten Wärmebehandlungsschritt zum Erwärmen der getrockneten Vorbehandlungslösung, um eine ferroelektrische Schicht auszubilden, sowie einen zweiten Wärmebehandlungsschritt zum Erwärmen des ausgebildeten Schichtelements auf, und zwar in einer mit einem Druck unterhalb von einer Atmosphäre ausgebildeten Gasdruckatmosphäre nach dem Ausbilden einer oberen Elektrodenschicht auf der ferroelektrischen Schicht.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Speichereinrichtung anzugeben, bei welcher ein ferroelektrischer Kristall hervorragende Eigenschaften aufweist.
  • Zur Lösung der Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
  • Bevorzugte Äusführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Eine ferroelektrische Schicht ist derart ausgestaltet, dass 98% oder mehr des gesamten Volumens davon Ferroelektrizität zeigen.
  • In einer Speichereinrichtung ist ein Elektrodenpaar mit einer ferroelektrischen Schicht verbunden, und 98% oder mehr eines Bereichs der ferroelektrischen Schicht, an welche eine Spannung über die Elektroden angelegt wird, sind Ferroelektrikum, vuelches Ferroelektrizität zeigt.
  • Ein Herstellungsverfahren für eine ferroelektrische Schicht weist einen Kristallwachstumsschritt zum Wachsen eines Kristalls, welcher das Ferroelektrikum bildet, und einen Spannungsbeaufschlagungsschritt zum Beaufschlagen mit einer Spannung, nachdem zumindest ein Teil des Kristalls gewachsen ist, an einen Teil des Kristalls auf, um zumindest teilweise Verfoimungen der Kristallgitter, welche im Kristall vorliegen, zu korrigieren.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Speichereinrichtung, bei welcher ein Elektrodenpaar mit einer ferroelektrischen Schicht verbunden sind, weist einen Schritt zum Ausbilden einer ferroelektrischen Schicht und einen Spannungsbeaufschlagungsschritt zum Beaufschlagen mindestens eines Teils der ferroelektrischen Schicht mit einer Spannung auf, und zwar nachdem zumindest ein Teil der ferroelektrischen Schicht gewachsen ist, um in Kristallgittern vorliegende Verformungen in der ferroelektrischen Schicht zumindest teilweise zu korrigieren.
  • Bei dem oben beschriebenen Ferroelektrikum zeigen 98% oder mehr des gesamten Volumens ferroelektrische Eigenschaften, wodurch das Ferroelektrikum hervorragende Charakteristika besitzt.
  • Bei der oben beschriebenen Speichereinrichtung tritt in der ferroelektrischen Schicht Polarisation auf, wenn zwischen dem Elektrodenpaar eine Spannung angelegt wird. Die Spannungs/Polarisationscharakteristik der ferroelektrischen Schicht weist eine Hysterese auf. Unter Verwendung dieser Hysterese werden die Datenspeicherung und das Datenauslesen durchgeführt. Die hervorragenden Charakteristika können erhalten werden, weil die ferroelektrische Schicht ausgebildet ist aus einem Ferroelektrikum, in welchem 98% oder mehr eines Bereichs der ferroelektrischen Schicht, welche über die Elektroden mit einer Spannung beaufschlagt wird, Ferroelektrizität zeigen.
  • Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren eines Ferroelektrikums wird, nachdem zumindest ein Teil des Kristalis, welcher das Ferroelektrikum bilden soll, in einem Kristallwachstumsschritt gewachsen ist, eine Spannung zumindest an einem Teil des Kristalls in einem Spannungsbeaufschlagungsschritt angelegt. Als Ergebnis davon werden Verformungen oder Belastungen (strain), welche in den Kristallgittern des Kristalls vorliegen, zumindest teilweise korrigiert.
  • Nachdem zumindest ein Teil der ferroelektrischen Schicht im Schritt zum Ausbilden der ferroelektrischen Schicht ausgebildet wurde, wird bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren für eine Speichereinrichtung zumindest an einen Teil der ferroelektrischen Schicht im Schritt zum Beaufschlagen mit einer Spannung eine Spannung angelegt. Als Ergebnis davon wird zumindest ein Teil der Verformungen oder Belastungen (strain) der Kristallgitter im Kristall korrigiert.
    • FIGURENKURZBESCHREIBUNG
  • Fig. 1 ist ein Konzeptdiagrainm, welches den Kristallaufbau eines Oxids mit einer geschichteten Kristallstruktur zeigt, welche für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren geeignet ist.
  • Fig. 2A und 2B zeigen ein Röntgenstreumuster, welche den Aufbau eines Kristalls 1 andeuten, bzw. ein Rietveldsimulationsmuster zeigen.
  • Fig. 3 ist eine optisch mikroskopische Fotografie, welche die Oberfläche des Kristalls 1 zeigt.
  • Fig. 4 ist eine polarisationsmikroskopische Fotografie, welche unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung aufgenommen wurde und welche Licht- und Schattenvariationen beim Kristall 1 zeigt.
  • Fig. 5 ist eine polarisationsmikroskopische Fotografie, welche unter der gekreuzten NicoTschen Bedingung aufgenommen wurde und welche eine Licht- und Schattenvariation des Kristalls 1 zeigt, und, zwar in einem Zustand, bei dem der Kristall 1 vom Zustand der Fig. 4 um 45º rotiert ist.
  • Fig. 6 ist eine polarisationsmikroskopische Aufnahme, welche unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung aufgenommen wurde und welche Licht- und Schattenvariationen eines Kristalls 2 zeigt.
  • Fig. 7 zeigt einen Aufbau einer Vorrichtung, welche für die Beobachtung einer Kristallveränderung beim Spannungsbeaufschlagungsschritt verwendet wird.
  • Fig. 8-10 sind polarisationsmikroskopische Fotografien, welch eine Variätion in der optischen Anisotropie des Kristalls 1 im Spannungsbeaufschlagungsschritt zeigen.
  • Fig. 11 ist ein Graph, welcher die ferroelektrische Hystereseschleife des Kristalls 1 zeigt.
  • Fig. 12 ist ein Graph, welcher einen Zusammenhang zwischen der Anwendungsdauer der Spannung und dem Wert Pr (spontaner Polarisationswert) für den Kristall 1 zeigt.
  • Fig. 13 zeigt den Aufbau einer Speicherzelle, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt wurde.
    • DETAILBESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
    • Beispiel 1
  • Ein Ferroelektrikum gemäß diesem Beispiel ist ein Einkristalloxid mit einer geschichteten Kristallstruktur, welche gebildet wird aus Wismut, einem ersten Element Me, einem zweiten Element R und Sauerstoff. Das erste Element Me ist zumindest eines der Elemente aus der Gruppe, welche besteht aus Natrium, Kalium, Kalzium, Barium, Strontium, Blei und Wismut. Das zweite Element R ist mindesteris eines der Elemente, welches ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Eisen, 'Titan, Niob, Tantal und Wolfram. Es wird bevorzugt, dass das erste Element Me mindestens eines der Elemente aus der Gruppe ist, welche gebildet wird von Strontium, Blei, Barium und Kalzium, und dass das zweite Element R zumindest eines der Elemente aus der Gruppe ist, welche gebildet wird von. Niob und Tantal. Am meisten bevorzugt wird, dass das erste Element Me Strontium ist und dass das zweite Element R Tantal ist.
  • Die chemische Formel (1) ist die Formel der stöchiometrischen Zusammensetzung des oben beschriebenen Oxids mit einer geschichteten Kristallstruktur. Das Ferroelektrikum dieses Ausführungsbeispiels ist jedoch nicht auf diese Formel der stöchiometrischen Zusammensetzung beschränkt und kann Zusammensetzungen aufweisen, die von der oben angegebenen stöchiometrischen Zusammensetzung abweichen.
  • [Bi&sub2;O&sub2;]²&spplus;[Mem-1RmO3m+1]²&supmin; (1)
  • wobei bedeuten:
  • Me: erstes Element,
  • R: zweites Element und
  • m: ganze Zahl zwischen 2 und 5.
  • Fig. 1 zeigt den Kristallaufbau eines Oxids mit einer geschichteten Kristallstruktur, in welcher m in der chemischen Formel (1) gleich 2 ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Oxid mit der geschichtet en Kristallstruktur derart aufgebaut, dass die Schichten 11 mit [Bi&sub2;O&sub2;]²&spplus; und Schichten 12 mit [MeR&sub2;O&sub7;]²&supmin; korrespondieren und abwechselnd übereinander geschichtet sind, und dass die Struktur eine anisotrope c- Achsenspaltung oder -teilung aufweist (siehe auch: H. Maeda, Y. Tanaka, M. Fukutomi und T. Asano, Jpn. J. Appl. Phys., 27 (1988) L209; und K. Hiraga, M. Hirabayashi, M. Kikuchi und Y. Syono, Jpn. J. Appl. Phys., 27 (1988) L573-576). Das Oxid mit der geschichteten Kristallstruktur besitzt, auch die Eigenschaft, dass die Gitterkonstanten der a-Achse und der b- Achse nicht gleich sind, und folglich ist das Oxid in einer Ebene senkrecht zur c-Achse ferroelektrisch.
  • Das Oxid mit der geschichteten Kristallstruktur neigt zu großen Verformungen oder Belastungen (strain), so dass die Symmetrie der Kristallgitter verloren geht. Bereiche, in welchen Kristallgitter verformt sind, weisen eine geringere ferroelektrische Eigenschaft in Abhängigkeit vom Grad der Verformung auf. In einigen Fällen geht die Ferroelektrizität ganz verloren. Bei diesem Ferroelektrikum jedoch werden die Verformungen der Kristallgitter zumindest teilweise korrigiert, und folglich weisen 98% oder mehr des gesamten Materials ferroelektrische Eigenschaften auf.
  • Das Ferroelektrikum mit dem oben beschriebenen Aufbau kann auf folgende Art und Weise hergestellt werden.
  • Als erstes werden ein geeignetes Oxidmaterial und Wismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;) als Verdünnungsmittel oder Flussnittel miteinander gemischt. Die sich ergebende Mischung wird in einen geeigneten Tiegel gegeben, und der Tiegel wird dann in einem geeigneten Heizofen platziert, wobei ein Erhitzen und Verdampfen bewirkt wird. Zum Beispiel wird das Material vollständig geschmolzen, indem zunächst für eine vorbestimmte Zeit auf eine Temperatur (zum Beispiel 1.350ºC-1.500ºC) größer oder gleich der Schmelzpunktstemperätur des Gemischs des Materials mit dem Verdünnungsmittel aufgeheizt wird. Dann wird das geschmolzene Material durch Ausführen einer zweiten Erwärmung für eine bestimmte Zeitspanne auf einer Temperatur (zum Beispiel 1000ºC-1300ºC), welche niedriger ist als die Schmelzpunktstemperatur, verdampft. Als Ergebnis davon wird ein Einkristall eines Oxids mit einer geschichteten Kristallstruktur aus der Gasphase des Materials auf einem Abscheidungsbereich abgeschieden, welcher an einer geeigneten Position im Ofen (Kristallwachstumsschritt) vorgesehen wird. Die Temperatur des Abscheidungsbereichs wird unterhalb der Aufheiztemperatür für das Material eingestellt (zum Beispiel im Bereich von 5ºC-20ºC).
  • Danach werden geeignete Elektroden auf den so abgeschiedenen Oxideinkristall mit der geschichteten Kristallstruktur angebracht, und es wird eine Spannung in Richtung senkrecht zur c-Achse angelegt (Spannüngsbeaufschlagungsschritt). Im Ergebnis davon werden Verformungen oder Belastungen (strain) der Kristallgitter im Oxid mit der geschichteten Kristallstruktur zumindest teilweise korrigiert. Das bedeutet, dass Bereiche, welche überhaupt keine ferroelektrische Eigenschaften oder keine hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen, und zwar aufgrund derart großer Verformungen, dass die Symmetrie der Kristallgitter aufgelöst ist, dann hervorragende ferroelektrische Eigenschaften zeigen.
  • Die im Spannungsbeaufschlagungsschritt angelegte Spannung kann entweder eine AC-Spannung oder eine DC-Spannung sein. Wenn eine DC-Spannung verwendet wird, werden alternierend Pulse entgegengesetzter Feldstärkerichtungen angelegt. Es wird bevorzugt, dass die Amplitude der angelegten Spannung ein elektrisches Feld verursacht, das 1,5-mal oder noch stärker ist als das Koerzitivfeld. Eine höhere Spannung bewirkt einen stärkeren Effekt. Während des Anlegens der Spannung kann das Oxid mit der geschichteten Kristallstruktur auf eine geeignete Temperatur aufgeheizt oder ohne Aufheizen auf Raumtemperatur gehalten werden (das heißt, es wird keine Temperaturanpassung durchgeführt). Weil jedoch das Koerzitivfeld mit steigender Temperatur absinkt, kann durch Aufheizen des Oxids ein grundlegender Effekt oder Einfluss selbst bei kleinen Beaufschlagungsspannungen erreicht werden. Auf diese Weise wird ein Ferroelektrikum gemäß diesem Ausführungsbeispiel erhalten.
  • Weil 98% oder mehr des gesamten Volumens ferroelektrisch sind, kann das Ferroelektrikum dieses Ausführungsbeispiels als Ganzes in seinen ferroelektrischen Charakteristika verbessert werden. Durch Ausbilden eines Ferroelektrikums und Verwenden des Ferroelektrikums dieses Ausführungsbeispiels in einer nichtflüchtigen Speichereinrichtung kann nicht nur die Qualität der Speichereinrichtung verbessert, sondern auch die Variation einer Qualität der Speichereinrichtungsprodukte verringert werden.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können Verformungen oder Belastungen (strain) der Kristallgitter in Oxid mit der geschichteten Kristallstruktur korrigiert werden, weil eine Spannung an das abgeschiedene Oxid mit der Kristallstruktur angelegt wird. Folglich zeigen Bereiche, die keine Ferroelektrizität oder keine hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften besaßen, und zwar aufgrund derart großer Deformierungen oder Belastungen derart, dass die Symmetrie der Kristallgitter aufgelöst war, hervorragende ferroelektrische Eigenschaften. Folglich kann das Ferroelektrikum dieses Beispiels auf einfache Weise realisiert werden.
  • Weitere Ausführungsformen des oben beschriebenen Ferroelektrikums und des Herstellungsverfahrens werden unten beschrieben. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Herstellen eines Ferroelektrikums, welches ein Oxid mit einer geschichteten Kristallstruktur (BiSTa) aufweist, welches gebildet wird von Wismut, Strontium (erstes Element Me), Tantal (zweites Element R) und Sauerstoff und welches eine stöchiometrische Zusammensetzung aufweist, welche durch die Formel (2) dargestellt wird.
  • [Bi&sub2;O&sub2;]²&spplus;[SrTa&sub2;O&sub7;]²&supmin; (2)
  • Zunächst werden Pulver von Wismutoxid, Strontiumcarbonat (SrCO&sub3;) und Tantaloxid (Ta&sub2;O&sub5;) als Materialien präpariert und miteinander im Molverhältnis 79,0 : 10,5 : 10,5 (jedes Material als eine Chemikalie höchster Qualität und hergestellt durch Kojundo Chemical Co.) gemischt. Wismutoxid wird als Flussmittel oder Verdünnungsmaterial verwendet.
  • Die oben erwähnten Materialien wurden in einen Platintiegel überführt, welcher seinerseits in einen Aluminiumtiegel platziert wurde. Der abgedeckte Aluminiumtiegel wurde in einen geeigneten Heizofen überführt, und die Materialien wurden verdampft. Nachdem die Materialien durch Aufheizen für 20 Stunden auf 1350ºC geschmolzen wurden, wurden sie durch ein zweites Aufheizen für 850 Stunden auf 1200ºC verdampft. Unter Verwendung eines oberen Abschnitts der Seitenwände des Platintiegels als Abscheidungsbereich wurden Kristalle abgeschieden. ALs Ergebnis davon wurden Kristalle am oberen Bereich der Seitenwand des Platintiegels abgeschieden (Kriställwachstwnsschritt).
  • Um zu bestätigen, dass die so erhaltenen Kristalle aus BiSTa bestanden und ferroelektrisch wären, würden die Kristalle (Kristall 1 und Kristall 2) den folgenden Untersuchungen unterzogen: (1) Identifikationsanalyse durch Röntgenstreuung, (2) Oberflächenbeobachtung mittels optischer Mikroskopie, (3) Beobachtung mittels eines Polarisationsmikroskops unter Verwendung der gekreuzten Nicolschen Bedingung (crossed Nocols condition, gekreuzte Nicolsche Prismen), um zu überprüfen, ob der Kristall zum orthorhombischen System gehört, (4) Analyse der chemischen Zusammensetzung durch EPMA und (5) Beobachtung der ferroelektrischen Hysterese. Für die Röntgenstreuung wurde eine Röntgenstreuvorrichtung Rigaku RAD- IIIB für den Untersuchungsschritt (1) verwendet. Für die EPMA wurde eine wellenlängendispersive Röntgenspektroskopieänalyse (WDS) unter Verwendung eines CAMEBAXSX-50 durchgeführt. Die Ergebnisse der oben erwähnten Untersuchungen werden unten beschrieben.
    • (1) Ergebnisse der Röntgenstreuanalyse:
  • Die Fig. 2A und 2B zeigen ein Röntgenstreumüster (XRDP) des Kristalls 1 bzw. ein Rietveldsimulationsmuster. Das Rietveldsimulätionsmuster dient als Referenzmuster für BiSTa und würde durch eine Rietveldsimulation auf der Grundlage der Gitterkonstanten von Rae et al. (a = 0,553065 nm, b = 0,553445 nm und c = 2,49839 nm; A. D. Rae, J. G. Thompson und R. L. Withers. Acta. Cryst., B48 (1992) 418) durchgeführt. Beim Ausführen der Rietveldsimulation wurde die Raumgruppe "Fmnun" anstelle der Raumgruppe "A2&sub1;am" als Annahme von Rae et al. verwendet.
  • Wie ih den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, stimmen die Diffraktionspeaks des XRDP des Kristalls 1 mit denen des Rietvfeldsimulationsmusters überein, und folglich ist somit bestätigt, dass der Kri tall 1 aus BiSTa besteht. Aufgrund der Tatsache, dass die Diffraktionspeaks (006), (0010) usw. des XRDP des Kristalls 1 stärker sind als diejenigen des Rietveldsimulationsmusters wurde herausgefunden, dass der Kristall 1 eine starke c-Achsenorientierung aufgrund seiner flockenartigen Form besitzt. Dazu ähnliche Ergebnisse wurden für den Kristall 2 gefunden, auch wenn dazu keine Figuren angegeben sind.
    • (2) Ergebnisse der Oberflächenbeobachtung mittels optischer Mikroskopie:
  • Fig. 3 ist eine optisch mikroskopische Fotografie des Kristalls 1. Aus der Fig. 3 ergibt sich, dass der Kristall 1 eine glatte Oberfläche aufweist. Weil BiSTa eine c Achsenteilung besitzt, wie sich aus der Kristallstruktur der Fig. 1 ergibt, kann diese glatte Oberfläche als c-Ebene oder c-Fläche aufgefasst werden. Dazu ähnliche Ergebnisse für den Kristall 2 wurden ebenfalls erhalten, auch wenn dazu keine Figuren angegeben sind.
    • (3) Beobachtungsergebnisse mittels Polarisationsmikroskopie unter Einsatz gekreuzter Nicolscher Prismen (crossed Nicols condition):
  • Der erhaltene Kristall wurde auf einer Drehbühne befestigt, welche zwischen einem Paar Polarisatoren in der gekreuzten Nicolschen Bedingung bzw. unter der Verwendung gekreuzter Nicolscher Prismen angeordnet wurde. Während die Bühne in Drehung versetzt wurde, und zwar in der c-Ebene, wurde überprüft, ob ein Licht-Schattenmuster synchron zur Drehung auftrat. Mit jedem der Kristalle 1 und 2 würde eine periodische Licht-Schattenantwort beobachtet. Die Fig. 4 und 5 sind polarisationsmikroskopische Fotografien vor und nach einer Rotation des Kristalls 1 um 45º. Wie sich aus diesen Figuren ergibt, wird bestätigt, dass die Gitterkonstanten der a- Achse und der b-Achse sowohl beim Kristall 1 als auch beim Kristall 2 unterschiedlich sind (für Kristall 2 sind keine Figuren angegeben). Ferner ergibt sich aus Fig. 5, dass der Kristall 1 Bereiche mit einer periodischen Licht- Schattenantwort und ohne periodische Licht-Schattenantwort aufwies. Dies war auch beim Kristall 2 der Fall. In Fig. 5 sind die Bereiche mit Licht-Schattenantwort nicht klar unterschieden von den Bereichen ohne eine derartige Antwort.
  • Fig. 6 ist eine polarisationsmikroskopische Fotografie des Kristalls 2, bei welchem die beiden Arten von Bereichen klar voneinander unterschieden sind.
    • (4) Ergebnisse der chemischen Zusammensetzungsanalyse iüittels EPMA:
  • Tabelle 1 zeigt Zusammensetzungsverhältnisse zwischen Wismut, Strontium und Tantal. Obwohl die Zusammensetzung des Kristalls 1 und des Kristalls 2 nahe der stöchiometrischen Zusammensetzung der Tabelle 1 wären, ergab sich, dass die Zusammensetzung der Kristalle 1 und 2 leicht von der stöchiometrischen Zusammensetzung so stark abwichen, dass kein Unterschied in den Röntgenstreumustern gemäß der Üntersuchung (1) gefunden wurden. Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass zwischen den Bereichen mit einer Licht-Schattenantwort bei der polarisationsmikroskopischen Beobachtung unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung und Bereichen ohne eine derartige Antwort (siehe Fig. 5 und 5) bei der Untersuchung (4) auftrat. Tabelle 1
    • (5) Beobachtungsergebnisse der ferroelektrischen Hysterese:
  • Es wurden Goldelektroden (Au) auf eine Oberfläche (c-Fläche) des Kristalls 1 in einem Abstand von 500 um aufgedampft. Es wurde die ferroelektrische Hysterese beobachtet, während eine Spannung von 820 V in senkrechter Richtung zur c-Achse bei einer Temperatur von 250ºC angelegt wurde. Es wurden ferner Goldelektroden auf einer Oberfläche (c-Fläche) des Kristalls 2 in einem Abstand von 100 um aufgedampft. Es wurde die ferroelektrische Hysterese beobachtet, während eine Spannung von 500 V in der Richtung senkrecht zur c-Achse bei einer Temperatur von 200ºC angelegt wurde. Bei beiden Kristallen 1 und 2 wurde eine ferroelektrische Hystereseschleife, beobachtet.
  • Aus den oben beschriebenen Ergebnissen wurde bestätigt, dass die Kristalle 1 und 2 BiSTa-Einkristalle mit Ferroelektrizität sind. Es wurde ebenso herausgefunden, dass die Kristalle 1 und 2 im Hinblick auf die Zusammensetzung gleichmäßig sind, dass sie aber Bereiche ohne Anisotropie (das heißt Ferroelektrizität) aufweisen. Unter Berücksichtigung dieser" Umstände wurden die erhaltenen Kristalle einer transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Beobachtung unterzogen, wobei herausgefunden wurde, dass Bereiche mit ungeordneten (verfornten) Kristallgittern in den geordneten Kistallgittern vorliegen. Die Bereiche mit ungeordneten Kristallgittern korrespondierten mit den Bereichen ohne Ferroelektrizität.
  • Dann wurde, während eine Spannung an die Kristalle 1 und 2 angelegt wurde (Spannungsbeaufschlagungsschritt), beobachtet, wie sich die Kristalle verändern.
  • Fig. 7 zeigt die Anordnung einer Vorrichtung, welche für diese Beobachtung verwendet wurde. Die Vorrichtung weist ein Polarisationsmikroskop 21 mit einem Paar Polarisatoren 21b im gekreuzten oder überkreuzten Nicolschen Zustand derart auf, dass ein Kristall M, welcher auf einer Drehbühne 21a befestigt ist, dazwischen angeordnet ist. Das Polarisationsmikroskop 21 ist mit einer Spannungsbeaufschlagungseinrichtung 22 zum Anlegen einer Spannung an den Kristall M, welcher auf der Drehbühne 21a befestigt ist; verbunden. Die Spannungsbeaufschlagungseinrichtung 22 ist mit einem Computer 23 verbunden, um eine Analyse der Feldstärke/Polarisationscharakteristik des Kristalls M zu ermöglichen. Eine CCD-Kamera 24 ist oberhalb des Polarisationsmikroskops 21 derart angeordnet, dass eine Variation des Ktistalis M während der Spannungsbeaufschlagung auf einem Anzeigeschirm 25 in vergrößerter Form angezeigt und auf einen Farbvideodrucker 26 ausgegeben werden kann. Die Drehbühne 21a des Polarisationsmikroskops 21 ist mit einer Temperaturanpassungseinrichtung 27 verbunden, um eine Anpassung der Temperatur des Kristalls M zu ermöglichen.
  • Unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung wurde zunächst eine DC-Spannung von etwa 820 V (welche mit einer elektrischen Feldstärke von etwa 16 kV/cm korrespondiert) an den Kristall 1, welcher auf der Drehbühne 12a befestigt war, in Richtung senkrecht zur c-Achse angelegt, während die Heizung durch die Temperaturanpassungseinrichtung 27 die Temperatur auf 200ºC hielt. Dann wurde eine DC-Spannung von etwa 820 V derart angelegt, dass die Richtung des elektrischen Feldes umgekehrt wurde. Zu diesem Zeitpunkt war die elektrische Feldstärke etwa 1,7-mal höher als das Koerzitivfeld. Die Fig. 8 und 9 sind polarisationsmikroskopische Fotografien des Kristalls 1 vor bzw. nach der Spannungsbeaufschlagung. Wie es sich aus den Fig. 8 und 9 ergibt, zeigen Bereiche, die vor der Spannungsbeaufschlagung keine periodische Licht-Schattenantwort zeigten, wenn der Kristall unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung gedreht wurde, durch die Spannungsbeaufschlagung teilweise derart geändert wurden, dass sie dann eine Licht-Schattenantwort zeigten.
  • Dann wurde eine Veränderung des Kristalls 1 mit dem Polarisationsmikroskop 21 und der CCD-Kamera 24 beobachtet, während eine AC-Spannung von 60 Hz und etwa 820 V (welche zu einer elektrischen Feldstärke von 16 kV/cm korrespondiert) in Richtung senkrecht zur c-Achse angelegt wurde, während die Heizung auf eine Temperatur von 200ºC eingestellt wurde.
  • Fig. 10 ist eine polarisationsmikrotkopische Fotografie des Kristalls 1 nach der Beaufschlagung mit der AC-Spannung für 120 Minuten. Auf diese Weise bewirkte die Spannungsbeaufschlagung, dass die Bereiche, die keine periodische Licht- Schattenantwort zeigten, wenn der Kristall unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung gedreht wurde, sich schrittweise senkrecht erstreckten, sich in Richtung der Spannungsbeaufschlagung hin ausdünnten und dass sich ihre Flächen schrittweise verringern. Hatten die Bereiche mit Licht- Schattenantwort vor Spannungsbeaufschlagung einen Anteil von 80% am gesänten Kristall (siehe Fig. 8), so hatten nach Beaufschlagung mit der AC-Spannung für etwa 120 Minuten diese Bereiche einen Anteil von mehr als 99% am gesamten Kristall.
  • Während die Variation des Kristalls 1 aufgrund der angelegten Spannung mit dem Polarisationsmikroskop 21 beobachtet wurde, wurde die Feldstätke/Polarisationscharakteristik des Kristalls 1 zu verschiedenen Zeitpunkten mit dem Computer 23 analysiert. Fig. 11 zeigt eine ferroelektrische Hystereseschleife des Kristalls 1, welche nach Anwendung einer AC- Spännung für 100 Minuten erhalten wurde. Fig. 12 zeigt die Variation des Wertes Pr (spontaneous polarization value, spontaner Polarisationswert) aufgrund der Anwendung der AC- Spannung. Wie sich aus Fig. 12 offensichtlich ergibt, verbessert die Anwendung einer Spannung die ferroelektrischen Eigenschaften.
  • Dann wurde eine DC-Spannung von etwa 500 V (welche mit einer elektrischen Feldstärke von etwa 50 kV/cm korrespondiert) an den Kristall. 2, welcher auf der Drehbühne 21a befestigt war, in einer Richtung senkrecht zur c-Achse angelegt, während die Heizung durch die Temperaturanpasseinrichtung 27 um eine Temperatur von 200ºC eingestellt wurde. Danach wurde eine DC-Spannung von etwa 500 V derart angelegt, dass die elektrische Feldstärkerichtung umgedreht wurde. Zu diesem Zeitpunkt war die. elektrische Feldstärke 5,2-mal größer als das Koerzitivfeld. Als Ergebni davon wurden Bereiche, die vor der Spannungsbeaufschlagung keine periodische Licht- Schattenantwort zeigten, wenn der Kristall unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung rotiert wurde, teilweise derart durch die Spannungsbeaufschlagung verändert, dass sie eine Licht-Schattenantwort zeigten.
  • Dann wurde die Veränderung des Kristalls 2 mit dem Polarisationsmikroskop 21 und der CCD-Kamera 24 beobachtet, während eine AC-Spannung von 60 Hz und etwa 500 V (welche mit einer elektrischen Feldstärke VOn etwa 50 kV/cm korrespondiert) in der Richtung senkrecht zur c-Achse angelegt und die Heizung auf eine Temperatur von 200ºC eingestellt wurde. Die angelegte Spannung bewirkte, dass Bereiche, welche keine periodische Licht-Schattenantwort zeigten, wenn der Kristall unter der gekreuzten Nicolschen Bedingung rotiert wurde, sich schrittweise senkrecht ausdehnten, sich in Richtung der angelegten Spannung hin ausdünnten und dass sich ihre Flächen oder Bereiche sich schrittweise verringerten. Nahmen vor der Spannungsbeaufschlagung die Bereiche mit Licht- Schattenantwort einen Anteil von 85% des gesamten Kristalls ein, so nahmen diese Bereiche nach Anwendung der AC-Spannung für 120 Minuten mehr als 99% des gesamten Kristalls ein. Es wurden in Bezug auf die ferroelektrische Hystereseschleife des Kristalls 2 ähnliche Ergebnisse erzielt wie beim Kristall 1.
  • Aus den oben beschriebenen Ergebnissen wurde bestätigt, dass die Spannungsbeaufschlagung die Bereiche, welche keine Ferroelektrizität besitzen, dahingehend verändert, dass sie ferroelektrische Eigenschaften besitzen, und folglich wird insgesamt der ferroelektrische Charakter verbessert.
    • Beispiel 2
  • Fig. 13 zeigt eine Anordnung einer Speichereinrichtung, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde und die einen Schalttransistor 30 und eine Speicherzelle 40 aufweist. Der Transistor 30 ist ein MOS-Transistor (metaloxide-semiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter), bei welchem eine p-Wannenschicht 31 mit einer Verunreinigung oder einem Fremdstoff (impurity), wie Bor (B) auf einem Halbleitersubstrat 51 (zum Beispiel ein n-Typ-Silizium-Halbleitersubstrat (Si)) ausgebildet ist. Eine Sourceelektrode 32 wird als n&spplus;- Schicht, dotiert mit einer Phosphorverunreinigung (P), in einem Sourceelektrodenbereich der p-Wannenschicht 31 ausgebildet. Ferner wird eine Drainelektrode 33 als n&spplus;-Schicht in einem Drainelektrodenbereich der p-Wannenschicht 31 ausgebildet. Es ist eine geeignete Lücke zwischen der Sourceelektrode 32 und der Drainelektrode 33 vorgesehen. Es wird eine Gateelektrode 35 zum Beispiel aus Polysilizium, oberhalb der Lücke ausgebildet, wobei eine Gateisolationsschicht 34 aus Siliziuindioxid (SiO&sub2;) dazwischen vorgesehen ist.
  • Bei der Speichereinrichtung 40 wird eine aus einem geeigneten Metall wie Aluminium (Al) gebildete Bottomelektrode 42 auf einem Bereich zum Ausbilden der Speichereinrichtung des Halbleitersubstrats 51 mit einer isolierenden Zwischenschicht 41 aus Siliziumdioxid dazwischen vorgesehen. Es wird ein Ferröelektrikuim, zum Beispiel ein Oxid mit einer geschichteten Kristallstruktur, welches aus Wismut, Strontium, Tantal und Sauerstoff gebildet ist, als ferroelektrische Schicht 43 auf einem Teil der Bottomelektrode 42 ausgebildet. Eine Topelektrode 44 aus einen geeigneten Metall wie Aluminium wird auf der ferroelektrischen Schicht 43 ausgebildet. Das heißt, bei der Speichereinrichtung 40 ist das Paar Elektroden, d. h. die Bottomelektrode 42 und die Topelektrode 44, mit der ferroelektrischen Schicht 43 verbunden.
  • Das die ferroelektrische Schicht 43 bildende Ferroelektrikum ist derart gewählt, dass 98% oder mehr eines Bereichs, an welchen über die Topelektrode 44 und die Bottomelektrode 42 eine Spannung angelegt wird, ferroelektrische Eigenschaften aufweist. Der Bereich der ferroelektrischen Schicht 43 aus einem Oxid mit einer geschichteten Kristall truktur aus Wismut, Strontium, Tantal und Sauerstoff cann entweder einkristallin oder polykristallin sein. Jedoch sollte die Richtung der c-Achse senkrecht zur Beaufschlagungsrichtung der Spannung liegen.
  • Eine Zwischenisolationsschicht 52 aus Siliziumdioxid wird auf dem Transistor 30 und der Speichereinrichtung 40 ausgebildet. Es werden ein Kontaktloch 52a zum Kontaktieren der Drainelektrode 33, ein Kontaktloch 52b zum Kontaktieren der Topelektrode 44 und ein Kontaktloch 52c zum Kontaktieren der Bottomelektrode 52 durch die Zwischenisolationsschicht 52 hindurch vorgesehen.
  • Eine Aufnahmeelektrode 53, zum Beispiel aus Polysilizium, wird auf einem Bereich der Drainelektrode 33, welcher durch das Kontaktloch 52a freigegeben ist, ausgebildet. Es wird eine Zwischenverbindung 54 aus einem geeigneten Metall, zum Beispiel Aluminium, auf der Aufnahmeelektrode 53 und einem Bereich der Topelektrode 44, welcher durch das Kontaktloch 52b freigegeben ist, ausgebildet, um die Topelektrode 44 und die Aufnahmeelektrode 53 (d. h. die Drainelektrode 33) miteinander zu verbinden. Des Weiteren wird eine Zwischenverbindung 55 aus einem geeigneten Metall, zum Beispiel Aluminium, auf einem Bereich der Bottomelektrode 42, welcher durch das Kontaktloch 52c freigegeben ist, ausgebildet, um die Bottomelektrode 42 mit einer anderen Einrichtung (nicht dargestellt) zu verbinden.
  • Obwohl es in Fig. 13 nicht gezeigt ist, werden die Kontaktlöcher zum Kontaktieren der Sourceelektrode 32 bzw. der Gateelektrode 35 durch die Zwischenisolationsschicht 52 hindurch ausgebildet. Die vorliegenden Zwischenverbindungen werden zur Sourceelektrode 32 bzw. zur Gateelektrode 35 über die Kontaktlöcher kontaktiert. Wenn an die Gateelektrode 35 eine Spannung angelegt wird, fließt zwischen der Sourceelektrode 32 und der Drainelektrode 33 ein elektrischer Strom.
  • Die Speicherzelle mit der oben beschriebenen Anordnung kann zum Beispiel auf folgende Art und Weise hergestellt werden.
  • Zunächst wird auf einem Halbleitersubstrat 51 eine p- Wannenschicht 31 durch Implantation einer Verunreinigung, zum Beispiel Bor, hergestellt. Dann werden n&spplus;-Schichten für die Sourceelektrode 32 und die Drainelektrode 33 durch Implantieren, z. B. von Phosphor, selektiv, das heißt in einen Bereich zum Ausbilden der Sourceelektrode bzw. in einem Bereich zum Ausbilden der Drainelektrode, ausgebildet. Nachfolgend wird eine Gateoxidschicht 34 durch Oxidieren der Oberfläche der p-Wannenschicht 31, in welcher die Sourceelektrode 32 und die Drainelektrode 33 ausgebildet wurden, ausgebildet. Nachfolgend wird eine Gateelektrode 35 durch selektives Ablagern einer Polysiliziumschicht auf der Gateoxidschicht 34 ausgebildet, das heißt zwischen der Sourceelektrode 32 und der Drainelektrode 33 und zwar mittels CVD (chemical vapor deposition: chemische Dampfabscheidung). Somit wird ein Transistor 30 ausgebildet.
  • Nach Ausbildung des Transistors 30 wird eine Zwischenisolationsschicht 41 auf dessen Oberfläche ausgebildet. Dann wird eine Bottomelektrode 42 durch selektives Aufdampfen einer Metallschicht, z. B. aus Aluminium, ausgebildet, das heißt in einem Bereich zum Ausbilden der Speichereinrichtung. Nachfolgend wird eine ferroelektrische Schicht 43 ausgebildet durch selektives Ablagern einer dünnen Schicht eines Ferroelektrikums, das heißt auf einem Teil der Bottomelektrode 42 (Ausbildungsschritt für die ferroelektrische Schicht). Die ferroelektrische Schicht 43 ist ein Oxid mit einer geschichteten Kristallstruktur aus Wismut, Strontium, Tantal und Sauerstoff, wobei der Kristall des Oxids mit eschichteter Kristallstruktur durch ein Dampfphasenverfahren oder durch MOCVD, MOD (metal organic decomposition: metallorganische Zerlegung), ein Sol-Gel-Verfahren, durch Sputtern oder durch MBE (molecular beam epitaxy: Molekularstrahlepitaxie) ausgebildet wird.
  • Nachdem die ferroelektrische Schicht 43 in der oben beschriebenen Weise ausgebildet wurde, wird durch selektives Bedampfen eine Topelektrode 44 in Form einer Metallschicht, zum Beispiel aus Aluminium, auf der ferroelektrischen Schicht 43 ausgebildet. Nachfolgend wird über die Topelektrode 44 und die Bottomelektrode 42 eine Spannung an die ferroelektrische Schicht 42 angelegt (Spannungsbeaufschlagungsschritt). Als Ergebnis davon werden Verformungen oder Belastungen (strain) der Kristallgitter, welche vorliegen, im Spannungsbeaufschlagungsbereich der ferroelektrischen Schicht 43 zumindest teilweise korrigiert. Das bedeutet, dass Bereiche, welche keine Ferroelektrizität oder keine hervorragende Ferroelektrizität wegen derart-starker Verformungen, dass die Symmetrie der Kristallgitter verloren geht, aufweisen, dann doch hervorragende ferroelektrische Eigenschaften zeigen.
  • Die im Spannungsbeaufschlagungsschritt angelegte Spannung kann entweder eine AC-Spännung oder eine DC-Spannung sein. Beim Verwenden einer DC-Spannung werden alternierend Pulse angelegt, um entgegengesetzte Richtungen des elektrischen Feldes zu bewirken. Bevorzugt wird, dass die Stärke der angelegten Spannung derart ist, dass ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches 15-mal oder mehr stärker ist als das Koerzitivfeld oder eine Spannung, die größer ist als die Speicherbetriebsspännung. Eine höhere Beaufschlagungsspannung kann eine stärkere Wirkung hervorrufen. Während der Spannungsbeaufschlagungicann die ferroelektrische Schicht auf geeignete Weise erwärmt oder ohne Erwärmung auf Raumtemperatur gehalten werden (das heißt, es wird keine Temperaturanpassung durchgeführt). Während der Spannungsbeaufschlagung sinkt das Koerzitivfeld mit steigender Temperatur. Deshalb kann durch Erhöhen der Temperatur auch bei geringer Spannung eine profunde Wirkung erreicht werden. Jedoch wird bevorzugt, dass die Temperatur nicht zu hoch eingestellt wird, weil eine hohe Temperatur andere Einrichtungen nachteilig beeinflussen kann.
  • Nach dem Ausbilden der Speichereinrichtung 40 wird eine Isolationszwischenschicht 52 auf der Speichereinrichtung 40 mit dem Transistor 30 und den jeweiligen Kontaktlöchern 52a-52c zum Freilegen von Teilen der Oberflächen der Drainelektrode 33, der Topelektrode 24 und der Bottomelektrode 52 und den jeweiligen Kontaktlöchern (nicht dargestellt) zum Freilegen von Teilen der Oberflächen der Sourceelektrode 32 und der Gateelektrode 35 ausgebildet. Dann wird eine Aufnahmeelektrode 53 durch selektives Vergraben einer Polysiliziumschicht ausgebildet, das heißt zum Beispiel im Kontaktloch 52a durch CVD. Nachfolgend werden Zwischenverbindungen 54, 55 und so weiter durch Aufdampfen einer Metallschicht, zum Beispiel aus Aluminium, ausgebildet. Als Ergebnis davon sind der Transistor 30 und die Speichereinrichtung 40 miteinander elektrisch verbunden, wodurch die Speicherzelle vervollständigt ist, wie das in Fig. 13 gezeigt ist.
  • Die auf diese Weise hergestellte Speicherzelle kann in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise betrieben werden.
  • Wenn bei der Speicherzelle an die Gateelektrode 35 des Transistors 30 eine Spannung angelegt wird, wird der Transistor 30 als Schalter eingeschaltet, und es fließt zwischen der Sourceelektrode 32 und der Drainelektrode 33 ein Strom. Als Ergebnis davon fließt ein Strom in die Speichereinrichtung 40, und zwar über die Aufnahmeelektrode 53 und die Zwischenverbindung 54. Eine Spannung wird zwischen der Topelektrode 44 und der Bottomelektrode 42 angelegt. Auf das Anlegen der Spannung an die Speichereinrichtung 40 erfolgt eine Polarisation in der ferroelektrischen Schicht 43. Die Spannungs/Polarisationscharakteristik der ferroelektrischen Schicht 42 weist eine Hysterese auf. Das Speichern und das Auslesen der Daten "1" oder "0" wird unter Verwendung dieser Hysterese durchgeführt. Weil in dem Ferroelektrikum 98% oder mehr des mit der Spannung beaufschlagten Bereichs ferroelektrisch sind, weist die ferroelektrische Schicht 43 hervorragende ferroelektrische Charakteristika auf. Folglich können die Datenspeicherung und das Auslesen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
  • In der Speicherzelle dieser Ausführungsform können die Charakteristika verbessert und die Veränderungen oder Variationen reduziert werden, weil die ferroelektrische Schicht 43 aus einem Ferroelektrikum gefertigt ist, bei welchem 98% oder mehr des mit der Spannung beaufschlagten Bereichs ferroelektrisch sind.
  • Bei der Herstellung der Speichereinrichtung kann das Anlegen einer Spannung an die ferroelektrische Schicht 43 Verformungen der Kristallgitter in der ferroelektrischen Schicht 43 korrigieren. Als Ergebnis davon können Bereiche, die keine Ferroelektrizität zeigen oder keine herausragende Ferroelektrizität zeigen, und zwär wegen Verformungen oder Belastungen (strain) derart, dass die Symmetrie der Kristallgitter verloren ist, verändert werden, dass sie jedoch hervorragende ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Folglich. kann auf einfache Weise die Speichereinrichtung realisiert werden.
  • Obwohl das erste Ausführungsbeispiel auf das Ferroelektrikum BiSTa gerichtet ist, können ähnliche Ergebnisse auch mit anderen Oxiden mit einer geschichteten Kristallstruktur erreicht werden, welche gebildet werden aus Wismut, einem ersten Element Me, einem zweiten Element und Sauerstoff (wobei das erste Element Ne mindestens eines der Elemente aus der Gruppe ist, welche gebildet wird von Natrium, Kalium, Kalzium, Barium, Strontium, Blei und Wismut, und wobei das zweite Element R mindestens eines der Elemente ist aus der Gruppe, welche gebildet wird von Eisen, Titan, Niob, Tantal und Wolfram).
  • Obwohl das erste Ausführungsbeispiel sich auf den Fall bezieht, bei welchem nach dem Kristallwachstumsschritt eine Spannung an dem gewachsenen Kristall angelegt wird, beinhaltet die Erfindung auch den Fall, bei welchem eine Spannung angelegt wird, nachdem zumindest ein Teil des Kristalls, welcher das Ferroelektrikum bilden soll, gewachsen ist. Die Erfindung beinhaltet den Fall, bei welchem die Spannung an einem Teil eines Kristalls, der gewachsen ist, angelegt wird, und zwar zusätzlich zu dem Fall, bei welchem die Spannung an den gesamten Kristall angelegt wird.
  • Obwohl das zweite Ausführungsbeispiel auf den Fall gerichtet ist, bei weichem eine Spannung an die ferroelektrische Schicht 43 angelegt wird, nachdem die Bottomelektröde 42, die ferroelektrische Schicht 43 und die Topelektrode 44 ausgebildet sind, kann eine Spannung zu irgendeiner anderen Zeit angelegt werden, nachdem zumindest ein Teil der ferroelektrischen Schicht 43 ausgebildet wurde.
  • Obwohl das zweite Ausführungsbeispiel auf eine Speicherzelle gerichtet ist, welche gebildet wird von einem Transistor 30 und einer Speichereinrichtung 40, kann das erfindungsgemäße Verfahren weitestgehend auch auf Speichereinrichtungen angewandt werden, bei welchen ein Elektrodenpaar mit einem Ferroelektrikum verbunden ist. Folglich ist der Transistor 30 nicht auf die Ausführungsform eines MOS-Transistors beschränkt, und er kann zum Beispiel ein MESFET (metal semiconductor field-effect transistor: Metall- Halbleiterfeldeffektaransistor) sein oder ein Transistor von anderer Art.
  • Obwohl das zweite Ausführungsbeispiel auf eine einzelne Speicherzelle gerichtet ist, kann die Erfindung auf ähnliche Weise auch auf einen LSI-Speicher (large scale integrated circuit) angewandt werden, bei welchem eine Mehrzahl von Speicherzellen integriert ausgebildet sind.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die ferroelektrische Eigenschaft insgesamt verbessert werden, weil 98% oder mehr des gesamten Kristalls ferroelektrisch sind. Folglich können beim Ausbilden einer ferroelektrischen nichtflüchtigen Speichereinrichtung unter Verwendung dieses Ferroelektrikums Vorteile im Hinblick auf eine verbesserte Qualität der Speichereinrichtung und im Hinblick auf eine reduzierte Variation in der Qualität unter Speichereinrichtungsprodukten erhalten werden.
  • Gemäß der erfindungsgemäß hergestellten Speichereinrichtung ergeben sich Vorteile im Hinblick auf die verbesserten Charakteristika und im Hinblick auf eine verminderte Variation der Speichereinrichtungen, weil 98% oder mehr des Bereichs der ferroelektrischen Schicht, an welchem eine Spannung angelegt wird, ein Ferroelektrikum darstellen, welches Ferroelektrizität aufweist.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können Verformungen oder Belastungen in den Kristallgittern im Kristall korrigiert werden, weil zumindest ein Teil eines das Ferroelektrikum bildenden Kristalls nach dem Wachsen zumindest zum Teil mit einer Spannung beaufschlagtwird. Folglich werden Bereiche, die gar keine Ferroelektrizität und keine herausragenden ferroelektrischen Eigenschaften zeigen, und zwar wegen derart großer Verformungen oder Belastungen, dass die Symmetrie der Kristallgitter verloren geht, dazu gebracht werden, doch hervorragende ferroelektrische Eigenschaften zu zeigen. Deshalb ergeben sich die Vorteile, dass die Charakteristika verbessert werden und dass auf einfache Weise das erfindungsgemäße Ferroelektrikun realisiert werden kann.
  • Zusätzlich werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Speichereinrichtung Verformungen oder Belastungen der Kristallgitter in der ferroelektrischen Schicht korrigiert, weil nach dem Ausbilden zumindest eines Teils der ferroelektrischen Schicht eine Spannung an zumindest einem Teil der ferroelektrischen Schicht angelegt wird. Deshalb ergeben sich die Vorteile, dass die Charakteristika verbessert werden können und dass die erfindungsgemäße Speichereinrichtung auf einfache Art und Weise realisiert werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer Speichereinrichtung, bei welcher ein Paar Elektroden mit einer ferroelektrischen Schicht verbunden sind, mit, den Schritten:
- Wachsen lassen eines Kristalls, so dass dieser eine ferroelektrische Schicht auf einem Abscheidungsbereich ausbildet,
- Anbringen der Elektroden an dem so ausgebildeten Kristall,
- Beaufschlagen einer Spannung an zumindest einem Teil des Kristalls in einer Richtung senkrecht zu einer c- Achsenrichtung davon, und zwar nachdem zumindest ein Teil des Kristalls gewachsen ist, um Kristallgitterdeformationen zumindest teilweise zu korrigieren, welche im Kristall vorliegen, und
- nachfolgendes Ausbilden einer eine Zwischenschicht isolierende Schicht und von Kontaktlöchern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine AC-Spannung beim Schritt des Beaufschlagens mit einer Spannung verwendet wird:
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem beim Schritt des Beaufschlagens mit einer Spannung zumindest ein Paar DC- Spannungspulse abwechselnd angewandt wird, um entgegengesetzte Richtungen eines elektrischen Feldes zu bewirken.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem eine Spatinung beim Schritt des Beaufschlagens mit einer Spannung angewandt wird, welche eine Stärke derart aufweist, daß ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches 1,5 mal oder darüber hinaus stärker ist als ein Koerzitivfeld.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Schritt des Beaufschlagens mit einer Spannung ausgeführt wird, während geheizt wird:
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Schritt des Beaufschlagens mit einer Spannung ausgeführt wird, während keine Temperaturanpassung durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Ferroelektrikum ein Oxid ist, welches eine geschichtete Kristallstruktur besitzt, die gebildet wird aus Wismut, einem ersten Element, einem zweiten Element und Sauerstoff, wobei das erste Element zumindest eines der Elemente aus der Gruppe Natrium, Kalium, Kalzium, Barium, Strontium, Zinn und Wismut ist und wobei das zweite Element zumindest eines der Elemente aus der Gruppe Eisen, Titan, Niob, Tantal und Wolfram ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das erste Element. Strontiun ist und bei welchem das zweite Element Tantal ist.
9. Verfahren nach Ansprüch 1, bei welchem die Spannung, welche beim Schritt des Beaufschlagens mit einer Spannung angelegt wird, größer ist oder gleich einer Speicherbetriebsspannung.
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