JP2000109362A - 強誘電体材料、その製造方法及び強誘電体メモリ - Google Patents
強誘電体材料、その製造方法及び強誘電体メモリInfo
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Landscapes
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- Semiconductor Memories (AREA)
- Inorganic Insulating Materials (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 疲労特性を向上させることができると共に、
キャパシタ絶縁膜として使用される際のキャパシタ電極
の形成を容易なものとすることができる強誘電体材料、
その製造方法及び強誘電体メモリを提供する。 【解決手段】 強誘電体材料はｘ、ｙをモル比として、
ＰｂxＺｒ(1-y)Ｔｉ yＯ3により表される材料にＡｌを置
換固溶させて得られる。このｘの値は０．９乃至１．
１、ｙの値は０．３乃至０．７である。また、強誘電体
メモリは、この強誘電体材料を膜厚が５０乃至５００ｎ
ｍになるように形成したキャパシタ絶縁膜を有する。
キャパシタ絶縁膜として使用される際のキャパシタ電極
の形成を容易なものとすることができる強誘電体材料、
その製造方法及び強誘電体メモリを提供する。 【解決手段】 強誘電体材料はｘ、ｙをモル比として、
ＰｂxＺｒ(1-y)Ｔｉ yＯ3により表される材料にＡｌを置
換固溶させて得られる。このｘの値は０．９乃至１．
１、ｙの値は０．３乃至０．７である。また、強誘電体
メモリは、この強誘電体材料を膜厚が５０乃至５００ｎ
ｍになるように形成したキャパシタ絶縁膜を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は不揮発性半導体装置
に好適な強誘電体メモリに関し、特に、リーク電流が低
く疲労特性が向上した強誘電体メモリに関する。
に好適な強誘電体メモリに関し、特に、リーク電流が低
く疲労特性が向上した強誘電体メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ（Fe
rroelectric Random Access Memory））中に強誘電
体膜に使用される強誘電体材料として鉛系酸化物強誘電
体材料及びビスマス層状構造強誘電体材料が使用されて
いる。前者の鉛系酸化物強誘電体材料の例としては、ペ
ブロスカイト型結晶構造を有するＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、
Ｔｉ）Ｏ3）系強誘電体材料が挙げられる。このＰＺＴ
系強誘電体材料は、自発分極は大きいが疲労特性が低い
という性質を有する。また、ＰＺＴ系強誘電体材料にＬ
ａ、Ｎｂ又はＢｉ等の陽イオンを添加すると、自発分極
及び比誘電率が変化すると共に、リーク電流が低減され
るという効果が得られることが公知である。一方、後者
のビスマス層状構造強誘電体材料の例としては、ＳＢＴ
（ＳｒＢｉ 2Ｔａ2Ｏ9）が挙げられる。ＳＢＴは、疲労
特性は良好であるが自発分極は小さいという性質を有す
る。
rroelectric Random Access Memory））中に強誘電
体膜に使用される強誘電体材料として鉛系酸化物強誘電
体材料及びビスマス層状構造強誘電体材料が使用されて
いる。前者の鉛系酸化物強誘電体材料の例としては、ペ
ブロスカイト型結晶構造を有するＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、
Ｔｉ）Ｏ3）系強誘電体材料が挙げられる。このＰＺＴ
系強誘電体材料は、自発分極は大きいが疲労特性が低い
という性質を有する。また、ＰＺＴ系強誘電体材料にＬ
ａ、Ｎｂ又はＢｉ等の陽イオンを添加すると、自発分極
及び比誘電率が変化すると共に、リーク電流が低減され
るという効果が得られることが公知である。一方、後者
のビスマス層状構造強誘電体材料の例としては、ＳＢＴ
（ＳｒＢｉ 2Ｔａ2Ｏ9）が挙げられる。ＳＢＴは、疲労
特性は良好であるが自発分極は小さいという性質を有す
る。
【０００３】強誘電体材料の疲労特性は、分極反転を多
数繰り返したときの自発分極の劣化を示すものである。
数繰り返したときの自発分極の劣化を示すものである。
【０００４】近時、ＰＺＴ系強誘電体材料からなる絶縁
膜をキャパシタ絶縁膜として使用したときのキャパシタ
電極の改良により疲労を軽減する方法が検討されてい
る。一般的にキャパシタ電極にはＰｔ電極又はＴｉ電極
等が使用されるが、ＲｕＯ2電極及びＩｒＯ2電極がＰＺ
Ｔ系強誘電体膜の疲労特性を改善することができるとい
う点で注目されている。
膜をキャパシタ絶縁膜として使用したときのキャパシタ
電極の改良により疲労を軽減する方法が検討されてい
る。一般的にキャパシタ電極にはＰｔ電極又はＴｉ電極
等が使用されるが、ＲｕＯ2電極及びＩｒＯ2電極がＰＺ
Ｔ系強誘電体膜の疲労特性を改善することができるとい
う点で注目されている。
【０００５】また、ペブロスカイト型結晶構造を有する
強誘電体膜としてＰＺＴ系強誘電体膜以外の膜が提案さ
れている（特開平９−８２０９７号公報）。この公報に
は、例えば、強誘電体膜として（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3
膜が記載されており、薄膜化による誘電率の低下及びリ
ーク電流の発生が防止されている。
強誘電体膜としてＰＺＴ系強誘電体膜以外の膜が提案さ
れている（特開平９−８２０９７号公報）。この公報に
は、例えば、強誘電体膜として（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3
膜が記載されており、薄膜化による誘電率の低下及びリ
ーク電流の発生が防止されている。
【０００６】更に、ＰＺＴにＣｕを添加して薄膜を形成
することにより、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の実用性を向上
させたものが提案されている（特開平１０−４１１８６
号公報）。この公報に記載された従来の強誘電体薄膜に
おいては、原子比で、１００部のＰＺＴに０．１乃至１
５部のＣｕが添加されて強誘電体薄膜が形成されてい
る。この結果、膜内の特性のばらつきが低減され微細加
工性が向上し、実用性が向上している。
することにより、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の実用性を向上
させたものが提案されている（特開平１０−４１１８６
号公報）。この公報に記載された従来の強誘電体薄膜に
おいては、原子比で、１００部のＰＺＴに０．１乃至１
５部のＣｕが添加されて強誘電体薄膜が形成されてい
る。この結果、膜内の特性のばらつきが低減され微細加
工性が向上し、実用性が向上している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ＲｕＯ2電極及びＩｒＯ2電極をキャパシタ電極として使
用する従来の技術においては、キャパシタ電極を形成す
るために複雑な工程が必要になるという問題点がある。
また、強誘電体膜として（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3膜を使
用する方法及びＰＺＴにＣｕに添加して薄膜を形成する
方法では、強誘電体膜の疲労特性を向上させることがで
きないという問題点がある。
ＲｕＯ2電極及びＩｒＯ2電極をキャパシタ電極として使
用する従来の技術においては、キャパシタ電極を形成す
るために複雑な工程が必要になるという問題点がある。
また、強誘電体膜として（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3膜を使
用する方法及びＰＺＴにＣｕに添加して薄膜を形成する
方法では、強誘電体膜の疲労特性を向上させることがで
きないという問題点がある。
【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、疲労特性を向上させることができると共
に、キャパシタ絶縁膜として使用される際のキャパシタ
電極の形成を容易なものとすることができる強誘電体材
料、その製造方法及び強誘電体メモリを提供することを
目的とする。
のであって、疲労特性を向上させることができると共
に、キャパシタ絶縁膜として使用される際のキャパシタ
電極の形成を容易なものとすることができる強誘電体材
料、その製造方法及び強誘電体メモリを提供することを
目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係る強誘電体材
料は、ｘ、ｙをモル比として、ＰｂxＺｒ(1-y)ＴｉyＯ3
により表される組成を有する材料にＡｌを置換固溶させ
てなることを特徴とする。
料は、ｘ、ｙをモル比として、ＰｂxＺｒ(1-y)ＴｉyＯ3
により表される組成を有する材料にＡｌを置換固溶させ
てなることを特徴とする。
【００１０】本発明においては、ｘの値は０．９乃至
１．１、ｙの値は０．３乃至０．７であることが好まし
く、前記Ａｌの置換固溶の割合がＰｂxＺｒ(1-y)Ｔｉy
Ｏ3に対して０．２乃至２０モル％であることが好まし
い。
１．１、ｙの値は０．３乃至０．７であることが好まし
く、前記Ａｌの置換固溶の割合がＰｂxＺｒ(1-y)Ｔｉy
Ｏ3に対して０．２乃至２０モル％であることが好まし
い。
【００１１】本発明に係る強誘電体メモリは、前記強誘
電体材料により形成され膜厚が５０乃至５００ｎｍであ
るキャパシタ絶縁膜を有することを特徴とする。
電体材料により形成され膜厚が５０乃至５００ｎｍであ
るキャパシタ絶縁膜を有することを特徴とする。
【００１２】本発明に係る強誘電体の製造方法は、ｘ、
ｙをモル比として、ＰｂxＺｒ(1-y)ＴｉyＯ3により表さ
れる組成を有する材料にＡｌをＺｒ又はＴｉと置換固溶
させたことを特徴とする。
ｙをモル比として、ＰｂxＺｒ(1-y)ＴｉyＯ3により表さ
れる組成を有する材料にＡｌをＺｒ又はＴｉと置換固溶
させたことを特徴とする。
【００１３】本発明においては、Ｚｒ及びＴｉにＡｌが
置換固溶されることにより、強誘電体材料は製造され
る。これにより、自発分極が高いＰＺＴ系強誘電体材料
は標準生成エネルギーが低くくなると共に酸素との結合
力が大きくなり、酸素抜けが防止される。そのために分
極量の減少が防止され、リーク電流を低くでき、高い疲
労特性が得られる。
置換固溶されることにより、強誘電体材料は製造され
る。これにより、自発分極が高いＰＺＴ系強誘電体材料
は標準生成エネルギーが低くくなると共に酸素との結合
力が大きくなり、酸素抜けが防止される。そのために分
極量の減少が防止され、リーク電流を低くでき、高い疲
労特性が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本願発明者等が前記課題を解決す
べく、鋭意実験研究を重ねた結果、ＰｂxＺｒ(1-y)Ｔｉ
y（以下、ＰＺＴとも言う。）にＡｌを含有する組成を
有するＰＺＴ強誘電体材料は、リーク電流を低くでき、
耐疲労特性が向上させることができることを見出した。
べく、鋭意実験研究を重ねた結果、ＰｂxＺｒ(1-y)Ｔｉ
y（以下、ＰＺＴとも言う。）にＡｌを含有する組成を
有するＰＺＴ強誘電体材料は、リーク電流を低くでき、
耐疲労特性が向上させることができることを見出した。
【００１５】以下、本発明に係る強誘電体材料に含有さ
れる化学組成及びその組成限定理由について説明する。
れる化学組成及びその組成限定理由について説明する。
【００１６】Ａｌは、ＰｂxＺｒ(1-y)ＴｉyＯ3の標準生
成エネルギーを低下させると共に、Ｏとの結合力が高い
元素である。従って、酸素抜けの防止により分極量の減
少が防止され、疲労特性が著しく向上する。
成エネルギーを低下させると共に、Ｏとの結合力が高い
元素である。従って、酸素抜けの防止により分極量の減
少が防止され、疲労特性が著しく向上する。
【００１７】なお、ＰｂxＺｒ(1-y)ＴｉyＯ3において、
ｘの値は０．９乃至１．１であり、ｙの値は０．３乃至
０．７であることが好ましい。
ｘの値は０．９乃至１．１であり、ｙの値は０．３乃至
０．７であることが好ましい。
【００１８】ｘの値が０．３未満であると、Ｔｉが不足
し強誘電体の自発分極が低くなりやすい。一方、ｙの値
が０．７を超えると、Ｔｉが過剰となり強誘電体材料の
リーク電流が大きくなりやすい。一方、ｘの値が０．９
未満であると、Ｐｂが不足し自発分極が低くなりやす
い。一方、ｘの値が１．１を超えると、余剰なＰｂによ
りリーク電流が増大しやすい。従って、ｘの値は０．９
乃至１．１であり、ｙの値は０．３乃至０．７であるこ
とが好ましい。
し強誘電体の自発分極が低くなりやすい。一方、ｙの値
が０．７を超えると、Ｔｉが過剰となり強誘電体材料の
リーク電流が大きくなりやすい。一方、ｘの値が０．９
未満であると、Ｐｂが不足し自発分極が低くなりやす
い。一方、ｘの値が１．１を超えると、余剰なＰｂによ
りリーク電流が増大しやすい。従って、ｘの値は０．９
乃至１．１であり、ｙの値は０．３乃至０．７であるこ
とが好ましい。
【００１９】また、Ａｌの置換固溶の割合がＰｂxＺｒ
(1-y)ＴｉyＯ3に対して０．２乃至２０モル％であるこ
とが好ましい。
(1-y)ＴｉyＯ3に対して０．２乃至２０モル％であるこ
とが好ましい。
【００２０】Ａｌの置換固溶の割合がＰｂxＺｒ(1-y)Ｔ
ｉyＯ3に対して０．２モル％未満であると、Ａｌの添加
効果が低く、疲労特性の向上が小さい。一方、Ａｌの含
有量が２０モル％を超えると、リーク電流が多くなると
共に、強誘電体が変化してヒステリシスループの形状が
歪むことがある。従って、Ａｌの添加量はＰｂxＺｒ(
1-y)ＴｉyＯ3に対して０．２乃至２０モル％であること
が好ましい。
ｉyＯ3に対して０．２モル％未満であると、Ａｌの添加
効果が低く、疲労特性の向上が小さい。一方、Ａｌの含
有量が２０モル％を超えると、リーク電流が多くなると
共に、強誘電体が変化してヒステリシスループの形状が
歪むことがある。従って、Ａｌの添加量はＰｂxＺｒ(
1-y)ＴｉyＯ3に対して０．２乃至２０モル％であること
が好ましい。
【００２１】以下、添付の図面を参照して本発明を具体
的に説明する。このような組成を有する絶縁膜をキャパ
シタ絶縁膜として使用する場合についての実施例であ
る。Ｐｔ電極又はＴｉ電極等の容易に形成することがで
きる電極をキャパシタ電極として使用可能である。
的に説明する。このような組成を有する絶縁膜をキャパ
シタ絶縁膜として使用する場合についての実施例であ
る。Ｐｔ電極又はＴｉ電極等の容易に形成することがで
きる電極をキャパシタ電極として使用可能である。
【００２２】なお、Ａｌは、従来、ＰＺＴ系強誘電体材
料に添加されている元素とは添加元素としての性質が異
なる元素である。従来のＰＺＴ系強誘電体材料にはＬ
ａ、Ｎｂ又はＢｉ等が添加されているが、これらは、Ｐ
ＺＴ系強誘電体材料からなる膜中からの酸素の抜け出し
を防止するためである。そして、これらの添加元素はＰ
ｂの置換元素として作用する。一方、Ａｌは、Ｔｉ及び
Ｚｒの置換元素として作用する。このようにＡｌの添加
元素としての性質は、従来の添加元素と比して相違する
ものである。
料に添加されている元素とは添加元素としての性質が異
なる元素である。従来のＰＺＴ系強誘電体材料にはＬ
ａ、Ｎｂ又はＢｉ等が添加されているが、これらは、Ｐ
ＺＴ系強誘電体材料からなる膜中からの酸素の抜け出し
を防止するためである。そして、これらの添加元素はＰ
ｂの置換元素として作用する。一方、Ａｌは、Ｔｉ及び
Ｚｒの置換元素として作用する。このようにＡｌの添加
元素としての性質は、従来の添加元素と比して相違する
ものである。
【００２３】次に、上述のような組成を有するキャパシ
タ膜を備えた本発明の実施例に係る強誘電体メモリを製
造する方法について説明する。絶縁層及びバッファ層を
備えた本発明に係る強誘電体メモリの製造する方法につ
いて説明する。図１（ａ）乃至（ｅ）は本発明の実施例
に係る強誘電体メモリを製造する方法を工程順に示す断
面図である。
タ膜を備えた本発明の実施例に係る強誘電体メモリを製
造する方法について説明する。絶縁層及びバッファ層を
備えた本発明に係る強誘電体メモリの製造する方法につ
いて説明する。図１（ａ）乃至（ｅ）は本発明の実施例
に係る強誘電体メモリを製造する方法を工程順に示す断
面図である。
【００２４】図１（ａ）に示すように、従来の方法と同
様の方法により、例えば、膜厚が０．６ｍｍのシリコン
基板１の表面又は表面上にゲート酸化膜２、ゲート電極
３、ソース４ａ及びドレイン４ｂを形成する。更に，全
面に膜厚が，例えば、４５０ｎｍの第１のＳｉＯ2膜８
を層間絶縁膜として形成する。
様の方法により、例えば、膜厚が０．６ｍｍのシリコン
基板１の表面又は表面上にゲート酸化膜２、ゲート電極
３、ソース４ａ及びドレイン４ｂを形成する。更に，全
面に膜厚が，例えば、４５０ｎｍの第１のＳｉＯ2膜８
を層間絶縁膜として形成する。
【００２５】次いで、図１（ｂ）に示すように、全面に
第１の導電膜５ａ、前述の組成を有し、膜厚が、例え
ば、２００ｎｍの強誘電体膜６及び第２の導電膜５ｂを
順次形成する。なお、強誘電体膜６の具体的な形成方法
については後述する。また、第１の導電膜５ａは、例え
ば、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜及び膜厚が２０００ÅのＰ
ｔ膜からなる。更に、第２の導電膜５ｂは、例えば、Ｐ
ｔ膜からなる。
第１の導電膜５ａ、前述の組成を有し、膜厚が、例え
ば、２００ｎｍの強誘電体膜６及び第２の導電膜５ｂを
順次形成する。なお、強誘電体膜６の具体的な形成方法
については後述する。また、第１の導電膜５ａは、例え
ば、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜及び膜厚が２０００ÅのＰ
ｔ膜からなる。更に、第２の導電膜５ｂは、例えば、Ｐ
ｔ膜からなる。
【００２６】次に、図１（ｃ）に示すように、キャパシ
タが形成される予定の所定の領域にのみ残るように第２
の導電膜５ｂ、強誘電体膜６及び第１の導電膜５ａをイ
オンミリング等によりパターニングする。これにより、
第１の導電膜５ａから下部電極が構成され、強誘電体膜
６からキャパシタ絶縁膜が構成され、第２の導電膜５ｂ
から上部電極が構成される。
タが形成される予定の所定の領域にのみ残るように第２
の導電膜５ｂ、強誘電体膜６及び第１の導電膜５ａをイ
オンミリング等によりパターニングする。これにより、
第１の導電膜５ａから下部電極が構成され、強誘電体膜
６からキャパシタ絶縁膜が構成され、第２の導電膜５ｂ
から上部電極が構成される。
【００２７】その後、図１（ｄ）に示すように、全面に
第２のＳｉＯ2膜９を層間絶縁膜として形成する。次い
で、第２の導電膜５ｂ、ソース４ａ又はドレイン４ｂま
で到達するコンタクトホール１０を第１のＳｉＯ2膜８
及び第２のＳｉＯ2膜９に形成する。
第２のＳｉＯ2膜９を層間絶縁膜として形成する。次い
で、第２の導電膜５ｂ、ソース４ａ又はドレイン４ｂま
で到達するコンタクトホール１０を第１のＳｉＯ2膜８
及び第２のＳｉＯ2膜９に形成する。
【００２８】そして、図１（ｅ）に示すように、Ａｌ膜
を全面に形成しパターニングすることにより、コンタク
トホール１０内にＡｌ配線層７を埋設する。このとき、
第２の導電層５ｂとドレイン４ｂとがＡｌ配線層７によ
り接続されるようにする。これにより、１個のトランジ
スタ１１及び1個のキャパシタ１２が形成される。
を全面に形成しパターニングすることにより、コンタク
トホール１０内にＡｌ配線層７を埋設する。このとき、
第２の導電層５ｂとドレイン４ｂとがＡｌ配線層７によ
り接続されるようにする。これにより、１個のトランジ
スタ１１及び1個のキャパシタ１２が形成される。
【００２９】図２は、本発明の実施例に係る強誘電体メ
モリを示す等価回路である。上述のようにして構成され
た本実施例の強誘電体メモリセルは、図２に示すよう
に、１個のトランジスタ１１と１個のキャパシタ１２か
ら構成される。そして、この強誘電体メモリに１ビット
の情報が記憶される。
モリを示す等価回路である。上述のようにして構成され
た本実施例の強誘電体メモリセルは、図２に示すよう
に、１個のトランジスタ１１と１個のキャパシタ１２か
ら構成される。そして、この強誘電体メモリに１ビット
の情報が記憶される。
【００３０】次に、強誘電体膜６の形成方法について具
体的に説明する。強誘電体膜６は種々の方法により形成
することが可能であるが、ここではその一例として、ゾ
ルゲル液を使用する形成方法を示す。先ず、２０．９ｇ
の２酢酸鉛・３水和物を溶媒である７０ｍｌのメトキシ
エタノールに入れた後、８０℃で３０乃至６０分間加熱
攪拌することにより、２酢酸鉛・３水和物を溶解させ
る。このとき、鉛酸化物は０．０５モルの１．１倍使用
されている。これは、加熱時のＰｂの蒸発、電極中への
拡散及びＰｂの純度が９９．９％であるための補正を考
慮したものである。
体的に説明する。強誘電体膜６は種々の方法により形成
することが可能であるが、ここではその一例として、ゾ
ルゲル液を使用する形成方法を示す。先ず、２０．９ｇ
の２酢酸鉛・３水和物を溶媒である７０ｍｌのメトキシ
エタノールに入れた後、８０℃で３０乃至６０分間加熱
攪拌することにより、２酢酸鉛・３水和物を溶解させ
る。このとき、鉛酸化物は０．０５モルの１．１倍使用
されている。これは、加熱時のＰｂの蒸発、電極中への
拡散及びＰｂの純度が９９．９％であるための補正を考
慮したものである。
【００３１】次に、溶液を反応器に移し、更に、溶媒を
加えて全量を２００ｍｌとする。そして、１２４℃で１
２時間の加熱攪拌により脱水を行う。
加えて全量を２００ｍｌとする。そして、１２４℃で１
２時間の加熱攪拌により脱水を行う。
【００３２】次いで、反応系の温度を６０℃まで降温し
た後、８．６９１ｇのテトライソプロポキシジルコニウ
ム（０．０２６モル、純度９８％補正済み）と７．１４
４ｍｌのテトライソプロポキシチタン（０．０２４モ
ル、純度９９％補正済み）及び０．３３３ｇのイソプロ
ポキシアルミニウム（０．００５モル、純度９９．９％
補正済み）を反応系に加え、１２４℃で６時間の加熱攪
拌を行う。
た後、８．６９１ｇのテトライソプロポキシジルコニウ
ム（０．０２６モル、純度９８％補正済み）と７．１４
４ｍｌのテトライソプロポキシチタン（０．０２４モ
ル、純度９９％補正済み）及び０．３３３ｇのイソプロ
ポキシアルミニウム（０．００５モル、純度９９．９％
補正済み）を反応系に加え、１２４℃で６時間の加熱攪
拌を行う。
【００３３】そして、攪拌終了後に溶液をメスシリンダ
に移し、溶媒を更に加えて全量を１００ｍｌとする。こ
れにより、アルミニウムを含有する強誘電体膜６のＰＺ
Ｔゾルゲル液が作成される。０．０５モルの液が１００
ｍｌの液中にあるので、その濃度は０．５モル／リット
ルとなる。
に移し、溶媒を更に加えて全量を１００ｍｌとする。こ
れにより、アルミニウムを含有する強誘電体膜６のＰＺ
Ｔゾルゲル液が作成される。０．０５モルの液が１００
ｍｌの液中にあるので、その濃度は０．５モル／リット
ルとなる。
【００３４】なお、全ての加熱攪拌は窒素気流下で行わ
れる。
れる。
【００３５】次に、上述のように作成されたアルミニウ
ムを含むＰＺＴゾルゲル液を第１の導電膜上に３０００
ｒｐｍの回転数で１０秒間スピンコーティングする。そ
して、１５０℃で５分間プリベーク及び４００℃で１０
分間プリベークの２段階のプリベークをホットプレート
を使用して行う。以降、スピンコーティング及び２段階
のプリベークを４回繰り返す。これにより、アモルファ
ス状の膜が第１の導電膜上に形成される。
ムを含むＰＺＴゾルゲル液を第１の導電膜上に３０００
ｒｐｍの回転数で１０秒間スピンコーティングする。そ
して、１５０℃で５分間プリベーク及び４００℃で１０
分間プリベークの２段階のプリベークをホットプレート
を使用して行う。以降、スピンコーティング及び２段階
のプリベークを４回繰り返す。これにより、アモルファ
ス状の膜が第１の導電膜上に形成される。
【００３６】次いで、酸素雰囲気の６００℃のオーブン
中で１時間のアニールを行う。又は、酸素雰囲気の６０
０℃の赤外線イメージ炉（ＲＴＡ）中で１分間のアニー
ルをしてもよい。これにより、アモルファス状の膜が結
晶化し、強誘電体膜６が形成される。なお、上述のよう
に強誘電体膜６、の形成方法はゾルゲル液を使用する方
法に限定されるものではなく、スパッタリング法又はＣ
ＶＤ法等によっても形成可能である。また、ゾルゲル液
の作製に使用される薬品の量等も上述の数値に限定され
るものではない。
中で１時間のアニールを行う。又は、酸素雰囲気の６０
０℃の赤外線イメージ炉（ＲＴＡ）中で１分間のアニー
ルをしてもよい。これにより、アモルファス状の膜が結
晶化し、強誘電体膜６が形成される。なお、上述のよう
に強誘電体膜６、の形成方法はゾルゲル液を使用する方
法に限定されるものではなく、スパッタリング法又はＣ
ＶＤ法等によっても形成可能である。また、ゾルゲル液
の作製に使用される薬品の量等も上述の数値に限定され
るものではない。
【００３７】なお、上述の形成方法においては、強誘電
体膜６をキャパシタ絶縁膜として２００ｎｍ形成した
が、キャパシタ絶縁膜の膜厚はこれに限定されるもので
はなく、５０乃至５００ｎｍであることが望ましい。好
ましくは、膜厚は１００乃至３００ｎｍである。
体膜６をキャパシタ絶縁膜として２００ｎｍ形成した
が、キャパシタ絶縁膜の膜厚はこれに限定されるもので
はなく、５０乃至５００ｎｍであることが望ましい。好
ましくは、膜厚は１００乃至３００ｎｍである。
【００３８】キャパシタ絶縁膜の膜厚が５０ｎｍ未満で
あると、均一な膜を得ることが困難となり、リーク電流
が増大することがある。一方、キャパシタ絶縁膜の膜厚
が５００ｎｍを超えると、分極反転に必要な電圧が高く
なり、駆動電圧が不足する虞がある。従って、キャパシ
タ絶縁膜の膜厚は５０乃至５００ｎｍであることが望ま
しい。
あると、均一な膜を得ることが困難となり、リーク電流
が増大することがある。一方、キャパシタ絶縁膜の膜厚
が５００ｎｍを超えると、分極反転に必要な電圧が高く
なり、駆動電圧が不足する虞がある。従って、キャパシ
タ絶縁膜の膜厚は５０乃至５００ｎｍであることが望ま
しい。
【００３９】本実施例によれば、Ｚｒ及びＴｉにＡｌが
置換固溶されることにより、強誘電体材料は製造され
る。
置換固溶されることにより、強誘電体材料は製造され
る。
【００４０】
【実施例】以下、本発明の実施例について、その特許請
求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明す
る。
求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明す
る。
【００４１】第１実施例 先ず、ＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3にＡｌ、Ｔａ又はＭｇ
を添加したときの残留分極値Ｐｒを測定した。なお、残
留分極値Ｐｒの測定においては、±５Ｖの電極を印加し
た。この結果を下記表１に示す。表１において、添加量
とは、ＰｂＺｒ0. 52Ｔｉ0.48Ｏ3に対するＡｌ、Ｔａ又
はＭｇの割合である。また、残留分極値Ｐｒの単位は
「μＣ／ｃｍ2」であり、示された値は２Ｐｒに該当す
る値である。
を添加したときの残留分極値Ｐｒを測定した。なお、残
留分極値Ｐｒの測定においては、±５Ｖの電極を印加し
た。この結果を下記表１に示す。表１において、添加量
とは、ＰｂＺｒ0. 52Ｔｉ0.48Ｏ3に対するＡｌ、Ｔａ又
はＭｇの割合である。また、残留分極値Ｐｒの単位は
「μＣ／ｃｍ2」であり、示された値は２Ｐｒに該当す
る値である。
【００４２】
【表１】
【００４３】上記表１に示すように、ＰｂＺｒ0.52Ｔｉ
0.48Ｏ3にＡｌを添加した場合には、高い残留分極値Ｐ
ｒが得られているが、Ｔａ又はＭｇを添加した場合に
は、その添加量の増加に伴い残留分極値Ｐｒは低下して
いる。
0.48Ｏ3にＡｌを添加した場合には、高い残留分極値Ｐ
ｒが得られているが、Ｔａ又はＭｇを添加した場合に
は、その添加量の増加に伴い残留分極値Ｐｒは低下して
いる。
【００４４】第２実施例 ＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3に対するＡｌの添加量による
リーク電流の変化を測定した。ここでは、Ａｌ添加量が
異なる種々の試料に対し、５Ｖの電圧を印加したときの
リーク電流を測定した。この結果を表２に示す。
リーク電流の変化を測定した。ここでは、Ａｌ添加量が
異なる種々の試料に対し、５Ｖの電圧を印加したときの
リーク電流を測定した。この結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】上記表２に示すように、Ａｌの添加量が
１，２．５、１０又は２０モル％である試料及びＡｌを
含有しない試料においては、リーク電流が１（μＡ／ｃ
ｍ2）以下であり極めて良好であった。一方、Ａｌ添加
量が２２又は２５モル％である試料においては、Ａｌの
添加量が請求項３に規定する範囲の上限を超えているの
で、リーク電流が１（μＡ／ｃｍ2）を超えた。
１，２．５、１０又は２０モル％である試料及びＡｌを
含有しない試料においては、リーク電流が１（μＡ／ｃ
ｍ2）以下であり極めて良好であった。一方、Ａｌ添加
量が２２又は２５モル％である試料においては、Ａｌの
添加量が請求項３に規定する範囲の上限を超えているの
で、リーク電流が１（μＡ／ｃｍ2）を超えた。
【００４７】第３実施例 ＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3に対してＡｌ、Ｔａ又はＭｇ
を１０モル％添加したときの疲労特性を測定した。ここ
では、添加されている元素が異なる種々の試料に対し、
±５Ｖの電圧を２５ＫＨｚの周波数で印加したときの残
留分極値Ｐｒの２倍の値の２Ｐｒを測定した。この結果
を図３に示す。図３は横軸にサイクル数Ｃの対数をと
り、縦軸に２Ｐｒの値をとって種々の試料における疲労
特性の変化を示すグラフ図である。図３において、●は
Ａｌが添加されている試料、○はＴａが添加されている
試料、×はＭｇが添加されている試料、△は元素が添加
されていない試料である。
を１０モル％添加したときの疲労特性を測定した。ここ
では、添加されている元素が異なる種々の試料に対し、
±５Ｖの電圧を２５ＫＨｚの周波数で印加したときの残
留分極値Ｐｒの２倍の値の２Ｐｒを測定した。この結果
を図３に示す。図３は横軸にサイクル数Ｃの対数をと
り、縦軸に２Ｐｒの値をとって種々の試料における疲労
特性の変化を示すグラフ図である。図３において、●は
Ａｌが添加されている試料、○はＴａが添加されている
試料、×はＭｇが添加されている試料、△は元素が添加
されていない試料である。
【００４８】図３に示すように、Ａｌが添加されている
試料においては、２Ｐｒの値は２８（μＡ／ｃｍ2）か
ら低下しない。一方、元素が添加されていない試料にお
いては、初期値はＡｌが添加されている試料と同等であ
るが、サイクル数Ｃの増加に伴い２Ｐｒの値は低下して
いる。また、Ｔａ又はＭｇが添加されている試料におい
ては、全てのサイクル数Ｃにおいて、どの元素も添加し
ていない試料よりも２Ｐｒの値が低い。
試料においては、２Ｐｒの値は２８（μＡ／ｃｍ2）か
ら低下しない。一方、元素が添加されていない試料にお
いては、初期値はＡｌが添加されている試料と同等であ
るが、サイクル数Ｃの増加に伴い２Ｐｒの値は低下して
いる。また、Ｔａ又はＭｇが添加されている試料におい
ては、全てのサイクル数Ｃにおいて、どの元素も添加し
ていない試料よりも２Ｐｒの値が低い。
【００４９】第４実施例 ＰｂＺｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3に対してＡｌの添加量による
疲労特性の変化を測定した。ここでは、Ａｌの添加量が
異なる種々の試料に対し、±５Ｖの電圧を２５ＫＨｚの
周波数で印加したときの初期値Ｐｒ0に対する残留分極
値Ｐｒの変化を測定した。この結果を図４に示す。図４
は横軸にサイクル数Ｃの対数をとり、縦軸にＰｒ／Ｐｒ
0の値をとって種々の試料における疲労特性の変化を示
すグラフ図である。図４において、●はＡｌの添加量が
１、２．５、５、１０又は１５モル％である試料、□は
Ａｌの添加量が０．２モル％である試料、△はＡｌの添
加量が０．１モル％である試料、○はＡｌが添加されて
いない試料である。
疲労特性の変化を測定した。ここでは、Ａｌの添加量が
異なる種々の試料に対し、±５Ｖの電圧を２５ＫＨｚの
周波数で印加したときの初期値Ｐｒ0に対する残留分極
値Ｐｒの変化を測定した。この結果を図４に示す。図４
は横軸にサイクル数Ｃの対数をとり、縦軸にＰｒ／Ｐｒ
0の値をとって種々の試料における疲労特性の変化を示
すグラフ図である。図４において、●はＡｌの添加量が
１、２．５、５、１０又は１５モル％である試料、□は
Ａｌの添加量が０．２モル％である試料、△はＡｌの添
加量が０．１モル％である試料、○はＡｌが添加されて
いない試料である。
【００５０】図４に示すように、Ａｌが添加されていな
い試料においては、サイクル数Ｃの増加に伴いＰｒ／Ｐ
ｒ0の値が著しく減少している。一方、Ａｌの添加量が
１、２．５、５、１０又は１５モル％である試料におい
ては、請求項３に規定する範囲内にあるので、Ｐｒ／Ｐ
ｒ0の値は１のまま一定である。また、Ａｌ添加量が
０．１又は０．２モル％の試料では、請求項３に規定す
る範囲から外れるので、サイクル数Ｃの増加に伴いＰｒ
／Ｐｒ0の値に減少がみられる。
い試料においては、サイクル数Ｃの増加に伴いＰｒ／Ｐ
ｒ0の値が著しく減少している。一方、Ａｌの添加量が
１、２．５、５、１０又は１５モル％である試料におい
ては、請求項３に規定する範囲内にあるので、Ｐｒ／Ｐ
ｒ0の値は１のまま一定である。また、Ａｌ添加量が
０．１又は０．２モル％の試料では、請求項３に規定す
る範囲から外れるので、サイクル数Ｃの増加に伴いＰｒ
／Ｐｒ0の値に減少がみられる。
【００５１】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
自発分極が高いＰＺＴ系強誘電体材料にＡｌ添加するこ
とにより、疲労特性を著しく向上させることができる。
また、キャパシタ絶縁膜に使用する場合には、Ｐｔ電極
又はＴｉ電極等をキャパシタ電極として使用することが
可能であるために、容易にキャパシタを形成することが
できる。そして、このような強誘電体材料からなるキャ
パシタ絶縁膜を強誘電体メモリに備えさせることによ
り、強誘電体メモリの疲労特性を向上させることができ
る。
自発分極が高いＰＺＴ系強誘電体材料にＡｌ添加するこ
とにより、疲労特性を著しく向上させることができる。
また、キャパシタ絶縁膜に使用する場合には、Ｐｔ電極
又はＴｉ電極等をキャパシタ電極として使用することが
可能であるために、容易にキャパシタを形成することが
できる。そして、このような強誘電体材料からなるキャ
パシタ絶縁膜を強誘電体メモリに備えさせることによ
り、強誘電体メモリの疲労特性を向上させることができ
る。
【図１】 （ａ）乃至（ｅ）は本発明の実施例に係る強
誘電体メモリを製造する方法を工程順に示す断面図であ
る。
誘電体メモリを製造する方法を工程順に示す断面図であ
る。
【図２】 本発明の実施例に係る強誘電体メモリを示す
等価回路図である。
等価回路図である。
【図３】 疲労特性の変化を示すグラフ図である。
【図４】 疲労特性の変化を示すグラフ図である。
１；シリコン基板、２；ゲート酸化膜、３；ゲート電
極、４ａ； ソース、４ｂ；ドレイン、 ５ａ、５ｂ；
導電膜、 ６；強誘電体膜、 ７；Ａｌ配線層、８、
９；ＳｉＯ2膜、 １０；コンタクトホール、 １１；
トランジスタ、 １２；キャパシタ
極、４ａ； ソース、４ｂ；ドレイン、 ５ａ、５ｂ；
導電膜、 ６；強誘電体膜、 ７；Ａｌ配線層、８、
９；ＳｉＯ2膜、 １０；コンタクトホール、 １１；
トランジスタ、 １２；キャパシタ
フロントページの続き (72)発明者 坪井 秀樹 静岡県浜松市中沢町10番１号 ヤマハ株式 会社内 (72)発明者 岡田 升宏 静岡県浜松市中沢町10番１号 ヤマハ株式 会社内 (72)発明者 真田 徳雄 宮城県宮城郡七ヶ浜町汐見台五丁目１−19 (72)発明者 飯島 高志 宮城県仙台市宮城野区東仙台四丁目17−３ −501 Ｆターム(参考） 4G031 AA11 AA12 AA32 AA39 BA09 CA08 5F083 FR02 GA21 JA15 5G303 AA10 AB20 BA03 BA12 CA01 CB01 CB25 CB35 CB39 DA01
Claims (5)
- 【請求項１】 ｘ、ｙをモル比として、ＰｂxＺｒ(1-y)
ＴｉyＯ3により表される組成を有する材料にＡｌを置換
固溶させてなることを特徴とする強誘電体材料。 - 【請求項２】 前記ｘの値は０．９乃至１．１、ｙの値
は０．３乃至０．７であることを特徴とする請求項１に
記載の強誘電体材料。 - 【請求項３】 前記Ａｌの置換固溶の割合がＰｂxＺｒ
(1-y)ＴｉyＯ3に対して０．２乃至２０モル％であるこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体材料。 - 【請求項４】 前記請求項１乃至３のいずれか１項に記
載の強誘電体材料により形成され膜厚が５０乃至５００
ｎｍであるキャパシタ絶縁膜を有することを特徴とする
強誘電体メモリ。 - 【請求項５】 ｘ、ｙをモル比として、ＰｂxＺｒ(1-y)
ＴｉyＯ3により表される組成を有する材料にＡｌをＺｒ
又はＴｉと置換固溶させたことを特徴とする強誘電体材
料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28456098A JP3937033B2 (ja) | 1998-10-06 | 1998-10-06 | 強誘電体材料、その製造方法及び強誘電体メモリ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28456098A JP3937033B2 (ja) | 1998-10-06 | 1998-10-06 | 強誘電体材料、その製造方法及び強誘電体メモリ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000109362A true JP2000109362A (ja) | 2000-04-18 |
| JP3937033B2 JP3937033B2 (ja) | 2007-06-27 |
Family
ID=17680050
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28456098A Expired - Lifetime JP3937033B2 (ja) | 1998-10-06 | 1998-10-06 | 強誘電体材料、その製造方法及び強誘電体メモリ |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005106956A1 (ja) * | 2004-04-28 | 2005-11-10 | Fujitsu Limited | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP4801078B2 (ja) * | 2005-09-01 | 2011-10-26 | 富士通セミコンダクター株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
-
1998
- 1998-10-06 JP JP28456098A patent/JP3937033B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005106956A1 (ja) * | 2004-04-28 | 2005-11-10 | Fujitsu Limited | 半導体装置及びその製造方法 |
| JPWO2005106956A1 (ja) * | 2004-04-28 | 2008-03-21 | 富士通株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
| US7521745B2 (en) | 2004-04-28 | 2009-04-21 | Fujitsu Limited | Semiconductor device reducing leakage across a ferroelectric layer |
| JP4616830B2 (ja) * | 2004-04-28 | 2011-01-19 | 富士通株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| JP4801078B2 (ja) * | 2005-09-01 | 2011-10-26 | 富士通セミコンダクター株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| US8263419B2 (en) | 2005-09-01 | 2012-09-11 | Fujitsu Semiconductor Limited | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
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