JP2000003999A - 誘電体素子及びその製造方法並びに半導体記憶装置 - Google Patents
誘電体素子及びその製造方法並びに半導体記憶装置Info
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- JP2000003999A JP2000003999A JP11163064A JP16306499A JP2000003999A JP 2000003999 A JP2000003999 A JP 2000003999A JP 11163064 A JP11163064 A JP 11163064A JP 16306499 A JP16306499 A JP 16306499A JP 2000003999 A JP2000003999 A JP 2000003999A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 金属酸化物誘電体に電極を接触させた誘電体
素子において、繰り返し電圧、あるいは応力を印加した
後での、自発分極の減少やリーク電流の増大を防止す
る。 【構成】 少なくとも一方の電極の誘電体膜と接する領
域において、酸素を含有する。また金属酸化物誘電体が
ペロブスカイト型の結晶構造を有する、金属酸化物誘電
体であり、さらに前記電極が、白金族元素、及び金のう
ち１もしくは２種類以上を主成分とする。
素子において、繰り返し電圧、あるいは応力を印加した
後での、自発分極の減少やリーク電流の増大を防止す
る。 【構成】 少なくとも一方の電極の誘電体膜と接する領
域において、酸素を含有する。また金属酸化物誘電体が
ペロブスカイト型の結晶構造を有する、金属酸化物誘電
体であり、さらに前記電極が、白金族元素、及び金のう
ち１もしくは２種類以上を主成分とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は金属酸化物誘電体を基質
とする薄膜を用いた誘電体素子あるいは誘電体素子の製
造方法に関する。
とする薄膜を用いた誘電体素子あるいは誘電体素子の製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】金属酸化物誘電体を基質とする薄膜に一
個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有する誘
電体素子において、小面積の大容量誘電素子、あるいは
強誘電性容量素子を得るために、従来は例えばジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ）、１９９１年、第７０巻、第１号、３８２頁
〜３８８頁に記載されていたように、電極材料として白
金（Pt）、誘電体材料としてはペロブスカイト型の結晶
構造をもつ強誘電体であるＰＺＴ（Pb(ZrxTi1-x)O3）を
用いていた。
個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有する誘
電体素子において、小面積の大容量誘電素子、あるいは
強誘電性容量素子を得るために、従来は例えばジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ）、１９９１年、第７０巻、第１号、３８２頁
〜３８８頁に記載されていたように、電極材料として白
金（Pt）、誘電体材料としてはペロブスカイト型の結晶
構造をもつ強誘電体であるＰＺＴ（Pb(ZrxTi1-x)O3）を
用いていた。
【０００３】図３にシリコン基板上に強誘電体と二つの
電極を積層した構造の、誘電体素子の一例を示す。図３
において、３０１はシリコン基板であり、３０２は二酸
化シリコン（SiO2）の絶縁層である。３０４がＰＺＴを
用いた強誘電体膜であり、白金を用いた下部電極３０３
と上部電極３０５により挟まれ、容量素子を構成してい
る。３０６は素子保護膜である。
電極を積層した構造の、誘電体素子の一例を示す。図３
において、３０１はシリコン基板であり、３０２は二酸
化シリコン（SiO2）の絶縁層である。３０４がＰＺＴを
用いた強誘電体膜であり、白金を用いた下部電極３０３
と上部電極３０５により挟まれ、容量素子を構成してい
る。３０６は素子保護膜である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように下部電極３
０３、強誘電体膜３０４、上部電極３０５を積層した構
造においては、強誘電体膜３０４の膜形成条件によっ
て、また、分極を反転させる印加電圧のサイクルを繰り
返したり、弾性限界内で繰り返し力を加えた場合、強誘
電体膜３０４の電極近傍においては、酸素空乏が生じて
強誘電性を示さなくなったり、絶縁不良を起こしてリー
ク電流が増大する。
０３、強誘電体膜３０４、上部電極３０５を積層した構
造においては、強誘電体膜３０４の膜形成条件によっ
て、また、分極を反転させる印加電圧のサイクルを繰り
返したり、弾性限界内で繰り返し力を加えた場合、強誘
電体膜３０４の電極近傍においては、酸素空乏が生じて
強誘電性を示さなくなったり、絶縁不良を起こしてリー
ク電流が増大する。
【０００５】本発明は、このような課題を解決するもの
で、その目的とするところは、金属酸化物誘電体の、電
極近傍での酸素空乏を防ぎ、膜疲労現象やリーク電流の
少ない誘電体素子を提供することにある。
で、その目的とするところは、金属酸化物誘電体の、電
極近傍での酸素空乏を防ぎ、膜疲労現象やリーク電流の
少ない誘電体素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】金属酸化物誘電体を基質
とする薄膜に一個、もしくは複数個の電極を接触させた
構造を有する誘電体素子において、前記電極のうち少な
くとも一個の電極の、少なくとも前記金属酸化物誘電体
を基質とする薄膜に接触する領域に、酸素を含むことを
特徴とし、また、前記金属酸化物誘電体がペロブスカイ
ト型の結晶構造を有する、金属酸化物誘電体であること
を特徴とし、また、前記電極が、白金族元素、及び金の
うち１もしくは２種類以上を主成分とすることを特徴と
する。
とする薄膜に一個、もしくは複数個の電極を接触させた
構造を有する誘電体素子において、前記電極のうち少な
くとも一個の電極の、少なくとも前記金属酸化物誘電体
を基質とする薄膜に接触する領域に、酸素を含むことを
特徴とし、また、前記金属酸化物誘電体がペロブスカイ
ト型の結晶構造を有する、金属酸化物誘電体であること
を特徴とし、また、前記電極が、白金族元素、及び金の
うち１もしくは２種類以上を主成分とすることを特徴と
する。
【０００７】また、金属酸化物誘電体を基質とする薄膜
に一個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有す
る誘電体素子の製造方法において、前記電極のうち少な
くとも一個の電極に、酸素イオンを打ち込む工程を含む
ことを特徴とし、あるいは、前記電極のうち少なくとも
一個の電極を、酸素プラズマ、もしくはオゾンプラズマ
中にさらす工程を含むことを特徴とし、また、前記電極
のうち少なくとも一個の電極を、加熱しながら酸素プラ
ズマ、もしくはオゾンプラズマ中にさらす工程を含むこ
とを特徴とする。
に一個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有す
る誘電体素子の製造方法において、前記電極のうち少な
くとも一個の電極に、酸素イオンを打ち込む工程を含む
ことを特徴とし、あるいは、前記電極のうち少なくとも
一個の電極を、酸素プラズマ、もしくはオゾンプラズマ
中にさらす工程を含むことを特徴とし、また、前記電極
のうち少なくとも一個の電極を、加熱しながら酸素プラ
ズマ、もしくはオゾンプラズマ中にさらす工程を含むこ
とを特徴とする。
【０００８】
【実施例】図１は本発明の誘電体素子の一実施例（以
下、第１の実施例とする）を示す主要断面図である。図
２は本発明の誘電体素子の製造方法の一実施例（以下、
第２の実施例とする）を示す主要工程断面図である。
下、第１の実施例とする）を示す主要断面図である。図
２は本発明の誘電体素子の製造方法の一実施例（以下、
第２の実施例とする）を示す主要工程断面図である。
【０００９】以下、まず図１にしたがい、第１の実施例
について、本発明による誘電体素子を用いた、強誘電性
容量素子を説明する。
について、本発明による誘電体素子を用いた、強誘電性
容量素子を説明する。
【００１０】図１において、１０１はシリコン基板であ
る。１０２は誘電体素子の下地となる絶縁層であり、例
えば、シリコン基板１０１を熱酸化して１μｍの二酸化
シリコン（SiO2）を形成する。
る。１０２は誘電体素子の下地となる絶縁層であり、例
えば、シリコン基板１０１を熱酸化して１μｍの二酸化
シリコン（SiO2）を形成する。
【００１１】１０３は本発明の趣旨による、容量素子の
一方の電極（以下、下部電極とする）であり、例えば白
金を０．５μｍ、スパッタ法により形成した後、例えば
酸素プラズマ中にさらすことにより、下部電極１０３の
表面から酸素を注入し、酸素を含んだ領域１０４を形成
する。
一方の電極（以下、下部電極とする）であり、例えば白
金を０．５μｍ、スパッタ法により形成した後、例えば
酸素プラズマ中にさらすことにより、下部電極１０３の
表面から酸素を注入し、酸素を含んだ領域１０４を形成
する。
【００１２】１０５は金属酸化物誘電体であり、例えば
強誘電体であるＰＬＺＴ（(Pb0.9La0.1)(Ti0.6Zr0.4)
O3）をゾル−ゲル法により０．５μｍ形成する。１０６
は容量素子のもう一方の電極（以下、上部電極とする）
であり、例えば金を０．５μｍ、スパッタ法により形成
する。１０７は素子保護膜であり、例えば１μｍの二酸
化シリコンを化学気相成長法によって形成する。
強誘電体であるＰＬＺＴ（(Pb0.9La0.1)(Ti0.6Zr0.4)
O3）をゾル−ゲル法により０．５μｍ形成する。１０６
は容量素子のもう一方の電極（以下、上部電極とする）
であり、例えば金を０．５μｍ、スパッタ法により形成
する。１０７は素子保護膜であり、例えば１μｍの二酸
化シリコンを化学気相成長法によって形成する。
【００１３】以上をもって、本発明の第１の実施例とす
る。
る。
【００１４】従来の技術のように、酸素を含んだ領域１
０４が無い場合においては、初期の自発分極が１０μＣ
／ｃｍ2であったものが、下部電極を接地し上部電極に
＋５Ｖと−５Ｖを交互にかけるサイクルを１０5回繰り
返すと５μＣ／ｃｍ2となり、自発分極の減少が５０％
あった。ところが、本発明の第１の実施例のように、下
部電極１０３の表面に、酸素を含んだ領域１０４を形成
したことにより、同様な電圧サイクルをかけた後でも、
その自発分極は８μＣ／ｃｍ2であり、自発分極の減少
は２０％であった。
０４が無い場合においては、初期の自発分極が１０μＣ
／ｃｍ2であったものが、下部電極を接地し上部電極に
＋５Ｖと−５Ｖを交互にかけるサイクルを１０5回繰り
返すと５μＣ／ｃｍ2となり、自発分極の減少が５０％
あった。ところが、本発明の第１の実施例のように、下
部電極１０３の表面に、酸素を含んだ領域１０４を形成
したことにより、同様な電圧サイクルをかけた後でも、
その自発分極は８μＣ／ｃｍ2であり、自発分極の減少
は２０％であった。
【００１５】次に、図２にしたがい、第２の実施例につ
いて、本発明による誘電体素子、及びその製造方法を用
いた、強誘電性容量素子を説明する。
いて、本発明による誘電体素子、及びその製造方法を用
いた、強誘電性容量素子を説明する。
【００１６】図２において、２０１はシリコン基板であ
る。２０２は誘電体素子の下地となる絶縁層であり、例
えば、シリコン基板２０１を熱酸化して１μｍの二酸化
シリコン（SiO2）を形成する。２０３は本発明の趣旨に
よる、容量素子の一方の電極（以下、下部電極とする）
であり、例えば白金を０．５μｍ、スパッタ法により形
成する（以上、図２（ａ））。
る。２０２は誘電体素子の下地となる絶縁層であり、例
えば、シリコン基板２０１を熱酸化して１μｍの二酸化
シリコン（SiO2）を形成する。２０３は本発明の趣旨に
よる、容量素子の一方の電極（以下、下部電極とする）
であり、例えば白金を０．５μｍ、スパッタ法により形
成する（以上、図２（ａ））。
【００１７】次に、イオン注入法により、例えば、３０
ｋｅＶで加速した酸素イオン（O2 +）を、注入量１０12
ｃｍ-2で下部電極２０３に注入し、下部電極表面に酸素
を含んだ領域２０４を形成する（以上、図２（ｂ））。
ｋｅＶで加速した酸素イオン（O2 +）を、注入量１０12
ｃｍ-2で下部電極２０３に注入し、下部電極表面に酸素
を含んだ領域２０４を形成する（以上、図２（ｂ））。
【００１８】次に、誘電体膜２０５として、例えばペロ
ブスカイト型結晶構造を持つ強誘電性の金属酸化物誘電
体であるＰＺＴ（Pb(Ti0.55Zr0.45)O3）をスパッタ法に
より、０．５μｍ形成し、容量素子のもう一方の電極
（以下、上部電極とする）２０６として、例えば白金を
０．４μｍ、スパッタ法により形成する（以上、図２
（ｃ））。
ブスカイト型結晶構造を持つ強誘電性の金属酸化物誘電
体であるＰＺＴ（Pb(Ti0.55Zr0.45)O3）をスパッタ法に
より、０．５μｍ形成し、容量素子のもう一方の電極
（以下、上部電極とする）２０６として、例えば白金を
０．４μｍ、スパッタ法により形成する（以上、図２
（ｃ））。
【００１９】最後に、イオン・ドーピング法（質量分析
をしないイオン注入法）により、例えば１００ｋｅＶで
加速した酸素イオン（O+、O2 +、O3 +等）を上部電極２０
６表面から注入する。この時、注入された酸素が、上部
電極２０６と誘電体膜２０５との界面近傍まで到達する
よう、６０ｋｅＶ以上のエネルギーに加速された酸素イ
オンを用いることが望ましい（以上、図２（ｄ））。
をしないイオン注入法）により、例えば１００ｋｅＶで
加速した酸素イオン（O+、O2 +、O3 +等）を上部電極２０
６表面から注入する。この時、注入された酸素が、上部
電極２０６と誘電体膜２０５との界面近傍まで到達する
よう、６０ｋｅＶ以上のエネルギーに加速された酸素イ
オンを用いることが望ましい（以上、図２（ｄ））。
【００２０】以上をもって、本発明の第２の実施例とす
る。
る。
【００２１】このように、下部電極２０３、及び上部電
極２０６と、誘電体膜２０５との接する領域に、酸素を
含む領域を形成した場合、初期の自発分極は２０μＣ／
ｃｍ2であり、＋５Ｖ、−５Ｖの電圧サイクルを１０5回
印加した後は１６μＣ／ｃｍ2であったが、下部電極２
０３、及び上部電極２０６ともに酸素を含む領域を形成
しなかった場合は、自発分極は初期で２０μＣ／ｃ
ｍ2、同様な電圧サイクル後で８μＣ／ｃｍ2であった。
極２０６と、誘電体膜２０５との接する領域に、酸素を
含む領域を形成した場合、初期の自発分極は２０μＣ／
ｃｍ2であり、＋５Ｖ、−５Ｖの電圧サイクルを１０5回
印加した後は１６μＣ／ｃｍ2であったが、下部電極２
０３、及び上部電極２０６ともに酸素を含む領域を形成
しなかった場合は、自発分極は初期で２０μＣ／ｃ
ｍ2、同様な電圧サイクル後で８μＣ／ｃｍ2であった。
【００２２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の誘電体素
子、及びその製造方法によれば、前記誘電体素子に、繰
り返し電圧、あるいは応力を印加した後での、自発分極
の減少やリーク電流の増大を防止し、高い信頼性をもっ
た強誘電体素子を実現することができる。
子、及びその製造方法によれば、前記誘電体素子に、繰
り返し電圧、あるいは応力を印加した後での、自発分極
の減少やリーク電流の増大を防止し、高い信頼性をもっ
た強誘電体素子を実現することができる。
【図１】 本発明の第１の実施例の主要断面図。
【図２】 本発明の第２の実施例の主要工程断面図。
【図３】 従来の技術による、誘電体素子の主要断面
図。
図。
１０１ シリコン基板 １０２ 絶縁層 １０３ 下部電極 １０４ 酸素を含んだ領域 １０５ 誘電体膜 １０６ 上部電極 ２０１ シリコン基板 ２０２ 絶縁層 ２０３ 下部電極 ２０４ 酸素を含んだ領域 ２０５ 誘電体膜 ２０６ 上部電極 ３０１ シリコン基板 ３０２ 絶縁層 ３０３ 下部電極 ３０４ 誘電体膜 ３０５ 上部電極 ３０６ 素子保護膜
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年７月９日（１９９９．７．９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 誘電体素子及びその製造方法並びに半
導体記憶装置
導体記憶装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の誘電体素子は、
金属酸化物強誘電体薄膜に一個もしくは複数個の電極を
接触させた構造を有する誘電体素子において、前記電極
のうち少なくとも一個の電極の少なくとも前記金属酸化
物誘電体薄膜に接触する領域に酸素を含む領域を有し、
前記電極を覆うように前記金属酸化物強誘電体薄膜が形
成されてなることを特徴とする。また、上記内容に加え
て、前記金属酸化物強誘電体薄膜がペロブスカイト型の
結晶構造を有することを特徴とする。もしくは、前記電
極が、白金族元素、及び金のうち１もしくは２種類以上
を主成分とすることを特徴とする。もしくは、前記金属
酸化物強誘電体薄膜は、ＰＺＴ（Pb(ZrxTi1-x)O3）およ
びＰＬＺＴ（(Pb0.9La0.1)(Ti0.6Zr0.4)O3）のいずれか
一方であることを特徴とする。
金属酸化物強誘電体薄膜に一個もしくは複数個の電極を
接触させた構造を有する誘電体素子において、前記電極
のうち少なくとも一個の電極の少なくとも前記金属酸化
物誘電体薄膜に接触する領域に酸素を含む領域を有し、
前記電極を覆うように前記金属酸化物強誘電体薄膜が形
成されてなることを特徴とする。また、上記内容に加え
て、前記金属酸化物強誘電体薄膜がペロブスカイト型の
結晶構造を有することを特徴とする。もしくは、前記電
極が、白金族元素、及び金のうち１もしくは２種類以上
を主成分とすることを特徴とする。もしくは、前記金属
酸化物強誘電体薄膜は、ＰＺＴ（Pb(ZrxTi1-x)O3）およ
びＰＬＺＴ（(Pb0.9La0.1)(Ti0.6Zr0.4)O3）のいずれか
一方であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】一方、本発明の半導体記憶装置は、上記の
いずれかに記載の誘電体素子を用いてなることを特徴と
する。
いずれかに記載の誘電体素子を用いてなることを特徴と
する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/8242 21/8247 29/788 29/792
Claims (6)
- 【請求項１】 金属酸化物誘電体を基質とする薄膜に一
個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有する誘
電体素子において、前記電極のうち少なくとも一個の電
極の、少なくとも前記金属酸化物誘電体を基質とする薄
膜に接触する領域に、酸素を含むことを特徴とする誘電
体素子。 - 【請求項２】 前記金属酸化物誘電体がペロブスカイト
型の結晶構造を有する、金属酸化物誘電体であることを
特徴とする請求項１記載の誘電体素子。 - 【請求項３】 前記電極が、白金族元素、及び金のうち
１もしくは２種類以上を主成分とすることを特徴とする
請求項１記載の誘電体素子。 - 【請求項４】 金属酸化物誘電体を基質とする薄膜に一
個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有する誘
電体素子の製造方法において、前記電極のうち少なくと
も一個の電極に、酸素イオンを打ち込む工程を含むこと
を特徴とする請求項１記載の誘電体素子の製造方法。 - 【請求項５】 金属酸化物誘電体を基質とする薄膜に一
個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有する誘
電体素子の製造方法において、前記電極のうち少なくと
も一個の電極を、酸素プラズマ、もしくはオゾンプラズ
マ中にさらす工程を含むことを特徴とする請求項１記載
の誘電体素子の製造方法。 - 【請求項６】 金属酸化物誘電体を基質とする薄膜に一
個、もしくは複数個の電極を接触させた構造を有する誘
電体素子の製造方法において、前記電極のうち少なくと
も一個の電極を、加熱しながら酸素プラズマ、もしくは
オゾンプラズマ中にさらす工程を含むことを特徴とする
請求項１記載の誘電体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11163064A JP2000003999A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 誘電体素子及びその製造方法並びに半導体記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11163064A JP2000003999A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 誘電体素子及びその製造方法並びに半導体記憶装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14952192A Division JP3239445B2 (ja) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | 誘電体素子及びその製造方法並びに半導体記憶装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000003999A true JP2000003999A (ja) | 2000-01-07 |
Family
ID=15766503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11163064A Pending JP2000003999A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 誘電体素子及びその製造方法並びに半導体記憶装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000003999A (ja) |
-
1999
- 1999-06-09 JP JP11163064A patent/JP2000003999A/ja active Pending
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20010605 |