JP2002016235A - Ferroelectric capacitor and method of manufacturing the same, and semiconductor device provided with the ferroelectric capacitor - Google Patents

Ferroelectric capacitor and method of manufacturing the same, and semiconductor device provided with the ferroelectric capacitor

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JP2002016235A
JP2002016235A JP2000390461A JP2000390461A JP2002016235A JP 2002016235 A JP2002016235 A JP 2002016235A JP 2000390461 A JP2000390461 A JP 2000390461A JP 2000390461 A JP2000390461 A JP 2000390461A JP 2002016235 A JP2002016235 A JP 2002016235A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a capacitor, provided with a tantalic acid strontium bismuth film which has large spontaneous polarization in the film direction, and to provide a method of manufacturing the dielectric film of the capacitor. SOLUTION: The ferroelectric capacitor 30 is provided with the tantalic acid strontium bismuth ferroelectric film 35, formed between a pair of electrodes 36, 34. An X-ray diffraction image formed in the thickness direction using a CuKα beam, has more crystal orientation components with an inter-plane spacing of 32.45 Å(±0.2 Å) in a region near an electrode 36 than in a region near an electrode 34 on the substrate 31 side, which faces the electrode 36.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、強誘電体膜を用
いた強誘電体キャパシタに関するものであり、特に、メ
モリ材料として好適に用いられるタンタル酸ストロンチ
ウム・ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム・ビスマス、
もしくはそれらの固溶体の材料を用いた強誘電体キャパ
シタおよびその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferroelectric capacitor using a ferroelectric film, and more particularly, to strontium / bismuth tantalate, strontium / bismuth niobate, which are preferably used as a memory material.
Alternatively, the present invention relates to a ferroelectric capacitor using a solid solution material thereof and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体薄膜は、自発分極、高誘電率、
電気光学効果、圧電効果、および焦電効果等の多くの機
能をもつことから、広範なデバイス開発に応用されてい
る。例えば、その焦電性を利用して赤外線リニアレイセ
ンサに用いられる。また、その圧電性を利用して超音波
センサに用いられ、その電気光学効果を利用して導波路
型光変調器に用いられる。さらに、その高誘電性を利用
してDRAMやMMIC用キャパシタにと、様々な方面
で用いられている。
2. Description of the Related Art A ferroelectric thin film has a spontaneous polarization, a high dielectric constant,
Since it has many functions such as an electro-optic effect, a piezoelectric effect, and a pyroelectric effect, it is applied to a wide range of device development. For example, it is used for an infrared linear ray sensor utilizing its pyroelectricity. Further, it is used for an ultrasonic sensor utilizing its piezoelectricity, and is used for a waveguide type optical modulator utilizing its electro-optic effect. Further, by utilizing its high dielectric property, it is used in various fields such as DRAM and MMIC capacitors.

【0003】それらの広範な応用デバイス開発の中で
も、近年の薄膜形成技術の進展に伴って、半導体メモリ
技術との組み合わせにより、高密度でかつ高速に動作す
る強誘電体不揮発性メモリ(FRAM)の開発が盛んであ
る。
[0003] Among these widespread application device developments, with the development of thin film forming technology in recent years, a combination of a semiconductor memory technology and a ferroelectric nonvolatile memory (FRAM) operating at high density and high speed have been developed. Development is active.

【0004】強誘電体薄膜を用いた不揮発性メモリは、
その高速書き込み/読み出し、低電圧動作、および書き
込み/読み出し耐性の高さ等の特性から、従来の不揮発
性メモリの置き換えだけでなく、SRAMやDRAMに
対する置き換えも可能なメモリとして、実用化に向けて
の研究開発が盛んに行われている。
A non-volatile memory using a ferroelectric thin film is:
Due to its characteristics such as high-speed write / read, low-voltage operation, and high write / read durability, it is not only possible to replace the conventional non-volatile memory, but also as a memory that can be replaced with SRAM or DRAM. R & D is actively conducted.

【0005】このようなデバイス開発には、残留分極
(Pr)が大きく、かつ、抗電場(Ec)が小さく、低リーク
電流であり、分極反転の繰り返し耐性の大きな材料が必
要である。また、薄膜作製にあたっては、スループット
向上のために、成膜時間が短いことが好ましい。
[0005] Such device development requires remanent polarization.
It is necessary to use a material having a large (P r ), a small coercive electric field (E c ), a low leakage current, and a large resistance to repetition of polarization reversal. Further, in forming a thin film, it is preferable that the film formation time is short in order to improve the throughput.

【0006】従来、これらの用途に用いられる強誘電体
材料としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(T
X,Zr1-X)O3)に代表されるペロブスカイト構造の
酸化物材料が主流であった。ところが、PZTのよう
に、鉛をその構成元素として含む材料は、鉛やその酸化
物の蒸気圧が高いため、成膜時に鉛が蒸発してしまい、
膜中に欠陥を発生させたり、ひどい場合にはピンホール
を形成してしまった。この結果、リーク電流が増大した
り、更に分極反転を繰り返すと、自発分極の大きさが減
少する疲労現象が起こるなどの欠点があった。
Conventionally, ferroelectric materials used for these purposes include PZT (lead zirconate titanate, Pb (T
oxide material i X, Zr 1-X) O 3) perovskite structure represented by is the mainstream. However, a material containing lead as its constituent element, such as PZT, has a high vapor pressure of lead and its oxide, so that lead evaporates during film formation.
Defects were generated in the film, and in severe cases, pinholes were formed. As a result, there has been a defect that, when the leakage current increases or when the polarization reversal is further repeated, a fatigue phenomenon in which the magnitude of spontaneous polarization decreases occurs.

【0007】特に、疲労現象に関しては、強誘電体不揮
発性メモリによるDRAMに対する置き換えを考える
と、1015回の分極反転後も特性の変化がないことを保
証しなければならないため、疲労のない強誘電体薄膜の
開発が望まれていた。
In particular, regarding the fatigue phenomenon, considering replacement of a DRAM with a ferroelectric nonvolatile memory, it is necessary to guarantee that there is no change in characteristics even after 10 15 times of polarization reversal. The development of a dielectric thin film has been desired.

【0008】一方、近年、FRAM用強誘電体材料とし
て、ビスマス層状構造化合物材料の研究開発が行われて
いる。ビスマス層状構造化合物材料は、1959年に、
Smolenskiiらによって発見され(G. A. Smolenskii,
V.A. Isupov and A. I.Agranovskaya, Soviet
Phys. Solid State, 1,149(1959))、その
後、Subbaraoにより詳細な検討がなされた(E. C. S
ubbarao,J. Phys.Chem.Solids, 23,665(19
62))。
On the other hand, in recent years, as a ferroelectric material for FRAM, research and development of a bismuth layer structure compound material has been carried out. Bismuth layered structure compound material was
Discovered by Smolenskii et al. (GA Smolenskii,
VA Isupov and A. I. Agranovskaya, Soviet
Phys. Solid State, 1, 149 (1959)), followed by a detailed study by Subbarao (E.C.S.
ubbarao, J. Phys. Chem. Solids, 23, 665 (19
62)).

【0009】最近、Carlos A. Paz de Araujoら
は、このビスマス層状構造化合物薄膜が、強誘電体およ
び高誘電体集積回路への応用に適していることを発見
し、特に、1012回以上の分極反転後も特性に変化が見
られないという優れた疲労特性を報告している(国際公
開番号WO93/10542、特表平7−502149
号公報)。
[0009] Recently, Carlos A. Paz de Araujo et al., The bismuth layer structure compound thin film, and found that is suitable for application to ferroelectric and high dielectric integrated circuit, in particular, of more than 10 12 times It reports excellent fatigue properties in which no change is observed in the properties even after polarization reversal (International Publication No. WO93 / 10542, Japanese Translation of PCT International Publication No. 7-502149).
Publication).

【0010】このビスマス層状構造化合物は、化学式B
2m-1m3m+3で示される(Aは、Na,K,Pb,C
a,Sr,Ba,Biから選択され、BはFe,Ti,Nb,
Ta,W,Moから選択されるものであり、mは自然数で
ある)。そして、ビスマス層状構造化合物の結晶構造
は、(Bi22)2+層と(Am-1m3m+1)2−層とが交
互に積み重なったような構造である。すなわち、その結
晶構造の基本は、(m−1)個のABO3から成るペロブ
スカイト格子が連なった層状ペロブスカイト層の上下を
(Bi22)2+層が挟み込んだ構造を成すものである。
なお、ここで、AおよびBとして、選択されるものは単
一とは限らない。
The bismuth layer structure compound has a chemical formula B
i 2 A m-1 B m O 3m + 3 (A is Na, K, Pb, C
a, Sr, Ba, Bi, where B is Fe, Ti, Nb,
Ta, W, and Mo, where m is a natural number). The crystal structure of the bismuth layered compound is a structure in which (Bi 2 O 2 ) 2+ layers and (A m-1 Bm O 3m + 1 ) 2- layers are alternately stacked. That is, the basis of the crystal structure is that a perovskite layer composed of (m-1) ABO 3 perovskite lattices is arranged above and below.
It has a structure in which a (Bi 2 O 2 ) 2+ layer is interposed.
Here, the selection of A and B is not limited to a single one.

【0011】そして、このようなビスマス層状構造化合
物材料の代表的なものとして、タンタル酸ストロンチウ
ム・ビスマスがある。それらの膜の製造方法には、真空
蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法
等の物理的方法や、有機金属化合物を出発原料とし、こ
れらを熱分解酸化して酸化物強誘電体を得るゾルゲル法
またはMOD(Metal Organic Decomposition)法、M
OCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposit
ion)法等の化学的方法が用いられている。
A typical example of such a bismuth layer structure compound material is strontium bismuth tantalate. Methods for producing these films include physical methods such as vacuum evaporation, sputtering, and laser ablation, and sol-gel methods that use organic metal compounds as starting materials and thermally decompose and oxidize them to obtain oxide ferroelectrics. Or MOD (Metal Organic Decomposition) method, M
OCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposit)
A chemical method such as the ion method is used.

【0012】上記成膜法の中で、MOCVD法は、段差
被覆性に優れ、また、低温成膜の可能性もあるので、特
に、FRAMの高集積化を図る場合には有望であり、最
近研究開発が盛んになってきている。
[0012] Among the above film forming methods, the MOCVD method is excellent in step coverage, and has a possibility of forming a film at a low temperature. R & D is becoming active.

【0013】一方、ゾルゲル法またはMOD法は、原子
レベルの均質な混合が可能な原材料溶液を用いることが
可能なので、組成制御が容易で再現性に優れること、特
別な真空装置が必要なく常圧で大面積の成膜が可能であ
ること、工業的に低コストである等の利点から広く利用
されている。特に、上記タンタル酸ストロンチウム・ビ
スマス膜の好適な成膜方法として、MOD法が用いられ
ている。
On the other hand, the sol-gel method or the MOD method can use a raw material solution capable of being homogeneously mixed at the atomic level, so that the composition can be easily controlled and the reproducibility is excellent. It is widely used because of its advantages such as being able to form a large area film and being industrially low cost. In particular, the MOD method is used as a preferable film forming method of the strontium bismuth tantalate film.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】従来のタンタル酸スト
ロンチウム・ビスマス膜は、膜厚方向にランダムに配向
し、かつ、その強誘電性は著しい異方性を示すため、大
きな自発分極を持たないという欠点がある。すなわち、
タンタル酸ストロンチウム・ビスマス膜は、a軸ないし
b軸方向には大きな自発分極を有するが、c軸方向の自
発分極は極めて小さいといった特徴を持つ。このこと
は、自発分極の量によって情報の1,0を記憶する不揮
発性メモリを実現するには、重大な障害となる。
The conventional strontium-bismuth tantalate film is randomly oriented in the film thickness direction, and its ferroelectricity shows a remarkable anisotropy, so that it does not have a large spontaneous polarization. There are drawbacks. That is,
The strontium bismuth tantalate film has a characteristic that it has a large spontaneous polarization in the a-axis or b-axis direction, but has a very small spontaneous polarization in the c-axis direction. This is a serious obstacle to realizing a non-volatile memory that stores information 1,0 depending on the amount of spontaneous polarization.

【0015】上記の問題の解決法として、特許第265
8878号では、従来のMOD法を用いて、下記に示す
成膜プロセスが提案されている。
As a solution to the above problem, Japanese Patent No. 265
No. 8878 proposes the following film forming process using a conventional MOD method.

【0016】(1) 基板上にアルコキシドまたは有機金
属塩をスピンコートする。
(1) An alkoxide or an organic metal salt is spin-coated on a substrate.

【0017】(2) 250℃で10分間乾燥する。乾燥
後の膜厚は約20から80nmである。
(2) Dry at 250 ° C. for 10 minutes. The film thickness after drying is about 20 to 80 nm.

【0018】(3) 酸素雰囲気中で600から850℃
で10分間熱処理・結晶化する。
(3) 600 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere
Heat treatment and crystallization for 10 minutes.

【0019】この熱処理工程は、通常の熱処理法以外に
急速加熱処理で行っても良い。
This heat treatment step may be performed by a rapid heat treatment other than the usual heat treatment method.

【0020】所望の膜厚を得るためには、(1)から(3)
の工程を数回繰り返す。その際、基板との界面より結晶
化が起こるため、結晶がエピタキシャルに成長し、<1
05>軸に配向した膜を得ることができるとしている。
In order to obtain a desired film thickness, (1) to (3)
Is repeated several times. At this time, since crystallization occurs from the interface with the substrate, the crystal grows epitaxially, and <1
It is stated that a film oriented in the 05> axis can be obtained.

【0021】しかしながら、タンタル酸ストロンチウム
・ビスマス膜において、高い強誘電特性を望むのであれ
ば、膜厚方向にc軸成分を極力低減し、a,b軸配向成
分に強く配向した膜を得ることが好ましい。
However, if high ferroelectric properties are desired in the strontium bismuth tantalate film, it is necessary to reduce the c-axis component as much as possible in the film thickness direction and obtain a film strongly oriented in the a and b-axis orientation components. preferable.

【0022】そこで、特開平8−249876号公報で
は、「一対の電極により挟持された強誘電体薄膜を記憶
セルを有する強誘電体デバイスにおいて、前記強誘電体
薄膜は、2つのほぼ等価な第1と第2の結晶軸と、前記
第1と第2の結晶軸とは異なる方向に前記第1と第2の
結晶軸を対称軸とする対称性とは異なる対称性を有する
第3の結晶軸とを有している結晶を有しており、前記第
3の結晶軸が前記1対の電極により印加される電場に対
して略垂直な方向に配向していることを特徴とする」強
誘電体デバイスや、もしくは、「前記第3の結晶軸が前
記1対の電極により印加される電場に垂直な方向に対し
て前記電場と前記第3の結晶軸を含む平面内でプラスマ
イナス30度以内に配向しており、前記電場に垂直な平
面内の所定の方向と前記第3の結晶軸の前記電場に垂直
な平面への射影の方向とがプラスマイナス30度以内の
角度をなすことを特徴とする」強誘電体デバイスを提供
している。さらに、「前記結晶粒の割合が60%以上で
あることを特徴とする」と記載している。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-249876 discloses that, in a ferroelectric device having a memory cell, a ferroelectric thin film sandwiched between a pair of electrodes, the ferroelectric thin film has two substantially equivalent ferroelectric thin films. A third crystal having a different symmetry from the first and second crystal axes and a symmetry having the first and second crystal axes as symmetry axes in directions different from the first and second crystal axes; And wherein the third crystal axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the electric field applied by the pair of electrodes. A dielectric device or "+/- 30 degrees in a plane including the electric field and the third crystal axis with respect to a direction perpendicular to the electric field applied by the pair of electrodes," Oriented within a predetermined direction in a plane perpendicular to the electric field Offering the third and direction of projection onto a plane perpendicular to the electric field of the crystal axis, characterized in that an angle of within plus or minus 30 degrees "ferroelectric device. Furthermore, it states that "the ratio of the crystal grains is 60% or more".

【0023】しかし、従来の技術ではタンタル酸ストロ
ンチウム・ビスマス膜において、電極材料として好適に
用いられている白金等、貴金属電極の上に膜厚方向(電
場)に対して、c軸成分(前記第3の結晶軸)を垂直方向
や、垂直な平面に対してプラスマイナス30度以内の方
向の結晶粒を主に、もしくは60%以上も成長させるこ
とは非常に困難であり、一般にはランダム配向になるの
が普通である。
However, in the prior art, in a strontium-bismuth tantalate film, a c-axis component (the above-mentioned first element) is formed on a noble metal electrode such as platinum, which is preferably used as an electrode material, in the thickness direction (electric field). It is very difficult to grow crystal grains in the vertical direction or in a direction within plus or minus 30 degrees with respect to the vertical plane, mainly, or more than 60%. It is usually the case.

【0024】また、Huらは、(APLLIED PHYSICS LET
TERS, VOLUME74,NUMBER9,P.1221)では、M
OD法において、原子組成比が、Sr:Bi:Ta=1
0:24:20である原料溶液を用い、各層にRTA
(Rapid Thermal Annealing)法による結晶加熱処理を
行えば、常に下の層がシード層となることで、高いa軸
の配向強度のタンタル酸ストロンチウム・ビスマス膜が
得られ、その配向強度はRTAの到達温度で制御されて
いると述べている。
Hu et al. (APLLIED PHYSICS LET)
TERS, VOLUME74, NUMBER9, p.1221)
In the OD method, the atomic composition ratio is Sr: Bi: Ta = 1.
Using a raw material solution of 0:24:20, RTA was applied to each layer.
By performing crystal heating treatment by the (rapid thermal annealing) method, a strontium / bismuth tantalate tantalate film having a high a-axis orientation strength can be obtained because the lower layer is always a seed layer, and the orientation strength reaches RTA. It states that it is controlled by temperature.

【0025】しかし、この製法は基本的に、前述の特許
第2658878号と同じ方法であり、電極上に直接a
軸配向した膜を作製することは非常に困難である。そこ
で、彼らはチタン酸ビスマスをシード層として用いるこ
とで、低温化とa軸の高配向強度化を実現している(AP
LLIED PHYSICS LETTERS,VOLUME74,NUMBER24,
P.3711)。しかし、他の材料を同じキャパシタ内に
用いることは、工程を複雑化し、さらに成分の拡散によ
り、信頼性に欠ける恐れがあり、同一材料でキャパシタ
を構成することが望まれる。
However, this manufacturing method is basically the same as that of the aforementioned Japanese Patent No. 2,658,878.
It is very difficult to produce an axially oriented film. Therefore, they have realized lower temperature and higher a-axis orientation strength by using bismuth titanate as a seed layer (AP
LLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME74, NUMBER24,
P. 3711). However, the use of another material in the same capacitor complicates the process and may cause a loss of reliability due to the diffusion of components. Therefore, it is desired to form the capacitor using the same material.

【0026】そこで、この発明は、上記課題を解決する
ためになされたものであって、MOD法により、複数層
だけ積層する際に、電極上に形成されたランダム配向を
示した第一層から優先的に膜厚方向に高い強誘電特性を
持つ<110>軸(面間隔32.45Å)成分を成長させ
たタンタル酸ストロンチウム・ビスマス膜から成る強誘
電体膜キャパシタと、その製造方法を提供することを目
的とする。
Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and when the MOD method is used to stack only a plurality of layers, the first layer having a random orientation formed on the electrode and having a random orientation is formed. Provided is a ferroelectric film capacitor comprising a strontium bismuth tantalate film in which a <110> axis (plane spacing of 32.45 °) component having preferentially high ferroelectric characteristics in the film thickness direction is grown, and a method of manufacturing the same The purpose is to:

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の強誘電体キャパシタは、基板上に少なく
とも一対の電極と、強誘電体膜とを備えた強誘電体キャ
パシタであって、上記一対の電極間に形成された強誘電
体膜が、CuKα線を用いたX線回折像において、膜厚
方向に、面間隔29.02ű0.2Åと面間隔32.4
5ű0.2Åとに、ピーク値を示すSrBi2(TaX
1-X)29(x=0〜1)強誘電体膜であることを特徴と
している。
To achieve the above object, a ferroelectric capacitor according to the present invention is a ferroelectric capacitor having at least a pair of electrodes on a substrate and a ferroelectric film. In the X-ray diffraction image using CuKα radiation, the ferroelectric film formed between the pair of electrodes has a plane spacing of 29.02Å ± 0.2Å and a plane spacing of 32.4 in the film thickness direction.
SrBi 2 (Ta X N) showing a peak value at 5 ° ± 0.2 °
b 1-X ) 2 O 9 (x = 0 to 1) is a ferroelectric film.

【0028】この発明の強誘電体キャパシタのような構
成により、大きな強誘電特性を得ることが可能となり、
基板上に形成された集積回路素子の一部として好適に用
いることが可能である。
According to the structure of the ferroelectric capacitor of the present invention, a large ferroelectric characteristic can be obtained.
It can be suitably used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.

【0029】また、一実施形態の強誘電体キャパシタ
は、上記強誘電体膜は、CuKα線を用いたX線回折像
でのピーク強度が、膜厚方向に面間隔29.02ű0.
2Åのピーク値を100%としたとき、面間隔32.4
5ű0.2Åのピーク値が80〜300%であるSr
Bi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)強誘電体膜であ
る。
In one embodiment of the present invention, in the ferroelectric film, the peak intensity of the ferroelectric film in an X-ray diffraction image using CuKα rays is 29.02Å ± 0.2 in the film thickness direction.
Assuming that the peak value of 2 % is 100%, the surface spacing is 32.4.
Sr with a peak value of 5 ± 0.2% of 80-300%
Bi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0 to 1) is a ferroelectric film.

【0030】この一実施形態の強誘電体キャパシタによ
れば、より大きな強誘電特性を得ることができる。
According to the ferroelectric capacitor of this embodiment, larger ferroelectric characteristics can be obtained.

【0031】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
では、上記強誘電体膜は、SrBi 2(TaXNb1-X)2
9(x=0〜1)が柱状構造である。
Further, another embodiment of the ferroelectric capacitor
Then, the ferroelectric film is made of SrBi Two(TaXNb1-X)TwoO
9(x = 0 to 1) is a columnar structure.

【0032】この実施形態の強誘電体キャパシタによれ
ば、より大きな強誘電特性を得ることができる。
According to the ferroelectric capacitor of this embodiment, larger ferroelectric characteristics can be obtained.

【0033】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
は、基板上に金属膜を形成する工程と、ストロンチウ
ム,ビスマスの二元素と、タンタルとニオブの少なくと
も一方とのアルコキシドまたは有機金属塩の原料溶液を
作製する工程と、上記溶液を上記基板上の金属膜に塗布
する工程と、上記基板上の金属膜に塗布した上記溶液
を、乾燥させる工程と、上記溶液を結晶化温度以上に加
熱する工程とを備え、上記溶液塗布から上記溶液加熱ま
での工程を、上記溶液からなる膜が所定の膜厚になるま
で繰り返すことで、上記基板上にSrBi2(TaXNb
1-X)29(x=0〜1)強誘電体膜を形成する強誘電体キ
ャパシタの製造方法であって、上記溶液を結晶化温度以
上に加熱する工程での550〜650℃の温度領域の昇
温速度の調整、または、原料溶液におけるビスマスの組
成比の調整の少なくとも一方の調整を行うことによっ
て、SrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)強誘電
体膜のa,b軸の配向成分の大きさを制御する。
In one embodiment, a method of manufacturing a ferroelectric film includes a step of forming a metal film on a substrate, an alkoxide or an organic metal salt of two elements of strontium and bismuth and at least one of tantalum and niobium. A step of preparing a raw material solution, a step of applying the solution to a metal film on the substrate, a step of drying the solution applied to the metal film on the substrate, and a step of drying the solution at a crystallization temperature or higher. Heating the solution, and repeating the steps from the application of the solution to the heating of the solution until the film made of the solution has a predetermined thickness, so that SrBi 2 (Ta X Nb
1-X ) 2 O 9 (x = 0 to 1) A method for manufacturing a ferroelectric capacitor for forming a ferroelectric film, wherein the solution is heated to a temperature of 550 to 650 ° C. in a step of heating the solution to a crystallization temperature or higher. SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O 9 (x = 0 to 1 ) by adjusting at least one of the rate of temperature rise in the temperature region and the composition ratio of bismuth in the raw material solution. The magnitude of the orientation components of the a and b axes of the ferroelectric film is controlled.

【0034】この実施形態の製造方法では、SrBi
2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)膜は、高い強誘電特
性が得られるa、b軸成分、例えば<110>軸配向強
度が、最も高いと言った従来では見られなかった構造を
示し、それを用いたキャパシタの強誘電特性も、従来の
ものと比較して高いものとなった。
In the manufacturing method of this embodiment, SrBi
The 2 (Ta X Nb 1-x ) 2 O 9 (x = 0 to 1) film is a conventional film which is said to have the highest a- and b-axis components, for example, <110> -axis orientation strength, at which high ferroelectric properties can be obtained. In this case, a structure that could not be seen was shown, and the ferroelectric characteristics of the capacitor using the structure were higher than those of the conventional one.

【0035】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
の製造方法では、550〜650℃の温度領域の昇温速
度を、5〜200℃/秒の範囲とする。
In the method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to another embodiment, the rate of temperature rise in the temperature range of 550 to 650 ° C. is in the range of 5 to 200 ° C./sec.

【0036】この実施形態では、基板の反りを抑えつ
つ、高い強誘電特性を得ることができる。
In this embodiment, high ferroelectric characteristics can be obtained while suppressing warpage of the substrate.

【0037】また、一実施形態の強誘電体キャパシタの
製造方法では、上記溶液を基板に塗布する工程で、上記
基板に塗布する溶液が、(タンタル+ニオブ)の原子組成
比を20としたとき、ビスマスの原子組成比が20〜2
4となるように、上記原料溶液の作製工程で、ビスマス
の原子組成比を調整する。
In one embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric capacitor, in the step of applying the solution to the substrate, the solution applied to the substrate has an atomic composition ratio of (tantalum + niobium) of 20. And the atomic composition ratio of bismuth is 20 to 2
In the step of preparing the raw material solution, the atomic composition ratio of bismuth is adjusted so as to be 4.

【0038】この実施形態では、特に、高い強誘電特性
が得られた。
In this embodiment, particularly, high ferroelectric characteristics were obtained.

【0039】また、他の実施形態の強誘電体膜の製造方
法は、上記強誘電体キャパシタの製造方法において、上
記基板上に形成される結晶化後の金属膜厚が、35nm
以下になるように、上記原料溶液を上記基板上に塗布す
る。
According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a ferroelectric capacitor, wherein the metal film formed on the substrate has a thickness of 35 nm after crystallization.
The raw material solution is applied on the substrate as described below.

【0040】この実施形態では、上記基板上に形成され
る結晶化後の金属膜厚を、35nm以下にするので、膜
厚増加に伴って強誘電特性が増大した。
In this embodiment, since the thickness of the metal film formed on the substrate after crystallization is set to 35 nm or less, the ferroelectric characteristics increase as the film thickness increases.

【0041】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
は、上記強誘電体キャパシタの製造方法において、上記
基板上に形成される金属膜の最上部が白金層である。
In one embodiment of the present invention, in the method for manufacturing a ferroelectric capacitor, the top of the metal film formed on the substrate is a platinum layer.

【0042】この実施形態では、基板上に形成される金
属膜の最上部が白金層であることにより、特に高い強誘
電特性が得られた。
In this embodiment, since the uppermost part of the metal film formed on the substrate is a platinum layer, particularly high ferroelectric characteristics are obtained.

【0043】また、他の実施形態の半導体装置は、上記
強誘電体キャパシタを、基板上に形成された集積回路素
子の一部として用いる。
In a semiconductor device according to another embodiment, the ferroelectric capacitor is used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.

【0044】この実施形態の半導体装置は、高い強誘電
特性を持つ上記キャパシタを用いたので、高集積化が可
能となる。
Since the semiconductor device of this embodiment uses the above-mentioned capacitor having high ferroelectric characteristics, high integration is possible.

【0045】また、一実施形態の強誘電体キャパシタ
は、基板上に少なくとも一対の電極と強誘電体膜を具備
する強誘電体キャパシタであって、上記一対の電極間に
形成された強誘電体膜は、タンタル酸ストロンチウム・
ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム・ビスマス、もしく
はそれらの固溶体の強誘電体膜であり、この強誘電体膜
は、基板側の電極側の領域に比べて、もう一方の対向電
極側の領域が、CuKα線を用いた膜厚方向のX線回折
像において、面間隔32.45ű0.2Åである結晶配
向成分が大きくなっていることを特徴としている。
A ferroelectric capacitor according to one embodiment is a ferroelectric capacitor having at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric capacitor is formed between the pair of electrodes. The film is made of strontium tantalate
It is a ferroelectric film of bismuth, strontium / bismuth niobate, or a solid solution thereof, and the ferroelectric film has a CuKα line in the other counter electrode side region compared to the substrate side electrode side region. In the X-ray diffraction image in the film thickness direction using the above, a crystal orientation component having a plane spacing of 32.45 ° ± 0.2 ° is large.

【0046】この実施形態のキャパシタは、分極軸方向
に配向した結晶成分を多く持ち、高い強誘電特性を示す
ことができる。したがって、基板上に形成された集積回
路素子の一部として好適に用いることが可能である。
The capacitor of this embodiment has many crystal components oriented in the direction of the polarization axis, and can exhibit high ferroelectric characteristics. Therefore, it can be suitably used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.

【0047】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
は、基板上に少なくとも一対の電極と強誘電体膜を具備
する強誘電体キャパシタであって、上記一対の電極間に
形成された強誘電体膜は、タンタル酸ストロンチウム・
ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム・ビスマス、もしく
はそれらの固溶体の強誘電体膜であり、その膜厚が90
〜270nmの範囲にあり、CuKα線を用いたX線回
折像でのピーク強度が、膜厚方向に面間隔29.02Å
±0.2Åのピーク値を100%としたとき、面間隔3
2.45ű0.2Åのピーク値が80〜230%の範囲
にあることを特徴としている。
A ferroelectric capacitor according to another embodiment is a ferroelectric capacitor having at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric capacitor is formed between the pair of electrodes. The body membrane is made of strontium tantalate
A ferroelectric film of bismuth, strontium / bismuth niobate, or a solid solution thereof, having a thickness of 90
270 nm, and the peak intensity in an X-ray diffraction image using CuKα radiation was 29.02 ° in the film thickness direction.
When the peak value of ± 0.2% is 100%,
The peak value of 2.45 ° ± 0.2 ° is in the range of 80 to 230%.

【0048】この実施形態のキャパシタは、分極軸方向
に配向した結晶成分を多く持ち、高い強誘電特性を示す
ことができる。さらに、量産性が高い。
The capacitor of this embodiment has many crystal components oriented in the direction of the polarization axis, and can exhibit high ferroelectric characteristics. Furthermore, mass productivity is high.

【0049】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
は、基板上に金属膜を形成する工程と、ストロンチウ
ム,ビスマスの二元素と、タンタルとニオブの少なくと
も一方とのアルコキシドまたは有機金属塩の原料溶液を
作製する工程と、上記溶液を基板に塗布する工程と、上
記基板に塗布した溶液を乾燥する工程と、上記基板を、
上記原料溶液の結晶化温度以上に加熱する工程とを備
え、上記溶液塗布から上記基板加熱までの工程を、上記
原料溶液からなる膜が所定の膜厚になるまで繰り返すこ
とで、上記基板上にタンタル酸ストロンチウム・ビスマ
ス、ニオブ酸ストロンチウム・ビスマス、もしくはそれ
らの固溶体の強誘電体膜を形成する強誘電体キャパシタ
の製造方法であって、上記原料溶液を作製する工程での
原料溶液における原子組成比の調整と、上記結晶化温度
以上に加熱する工程での550〜650℃の温度領域の
昇温速度の調整と、上記溶液塗布から基板加熱までの一
回の工程で形成される膜厚の調整とのうちの少なくとも
一つの調整を行うことによって、上記強誘電体膜の面間
隔32.45ű0.2Åの配向成分の大きさを制御す
る。
In one embodiment, a method of manufacturing a ferroelectric film includes a step of forming a metal film on a substrate, an alkoxide or an organic metal salt of two elements of strontium and bismuth and at least one of tantalum and niobium. A step of preparing a raw material solution, a step of applying the solution to a substrate, a step of drying the solution applied to the substrate, and the substrate
Heating the crystallization temperature of the raw material solution or higher, and repeating the steps from the solution application to the substrate heating until the film made of the raw material solution reaches a predetermined thickness, thereby forming a film on the substrate. A method for producing a ferroelectric capacitor for forming a ferroelectric film of strontium bismuth tantalate, strontium bismuth niobate, or a solid solution thereof, wherein the atomic composition ratio in the raw material solution in the step of preparing the raw material solution Adjustment, adjustment of the rate of temperature rise in the temperature range of 550 to 650 ° C. in the step of heating above the crystallization temperature, and adjustment of the film thickness formed in one step from the solution application to the substrate heating By adjusting at least one of the above, the size of the orientation component of the ferroelectric film having a plane spacing of 32.45 ° ± 0.2 ° is controlled.

【0050】この実施形態の製造方法によれば、上記原
料溶液を塗布,乾燥,加熱して形成する上記強誘電体膜に
おいて、ランダム配向した第一層から分極軸方向に配向
した結晶成分を優先的に成長させることができる。
According to the manufacturing method of this embodiment, in the ferroelectric film formed by applying, drying, and heating the raw material solution, the crystal component oriented in the direction of the polarization axis from the random oriented first layer has priority. It can be made to grow.

【0051】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
の製造方法は、上記550〜650℃の温度領域の昇温
速度の調整における昇温速度を、5〜300℃/秒の範
囲に設定する。
In the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to another embodiment, the heating rate in the adjustment of the heating rate in the temperature range of 550 to 650 ° C. is set in the range of 5 to 300 ° C./sec. .

【0052】この実施形態の製造方法によれば、上記原
料溶液を塗布,乾燥,加熱して形成する上記強誘電体膜に
おいて、ランダム配向した第一層から分極軸方向に配向
した結晶成分を優先的に成長させることができる。
According to the manufacturing method of this embodiment, in the ferroelectric film formed by applying, drying and heating the raw material solution, the crystal component oriented in the direction of the polarization axis from the random oriented first layer has priority. It can be made to grow.

【0053】また、一実施形態の強誘電体キャパシタの
製造方法では、原料溶液における原子組成比Sr:B
i:(Ta+Nb)=X:Y:Zが、1.4<(X+Y)/
Z<1.6である。
In one embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric capacitor, the atomic composition ratio Sr: B
i: (Ta + Nb) = X: Y: Z is 1.4 <(X + Y) /
Z <1.6.

【0054】この実施形態の製造方法によれば、上記ラ
ンダム配向した第一層から分極軸方向に配向した結晶成
分を優先的に成長させることができる。
According to the manufacturing method of this embodiment, a crystal component oriented in the polarization axis direction can be preferentially grown from the random oriented first layer.

【0055】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
の製造方法では、上記原料溶液を基板に塗布する工程
は、一回の塗布工程において、結晶化後の膜厚が25〜
50nmになるように、上記原料溶液を塗布する。
In the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to another embodiment, the step of applying the raw material solution to the substrate is such that the film thickness after crystallization is 25 to 25 in one application step.
The raw material solution is applied so as to have a thickness of 50 nm.

【0056】この実施形態の製造方法によれば、ランダ
ム配向した第一層から分極軸方向に配向した結晶成分を
優先的に成長させることができる。
According to the manufacturing method of this embodiment, the crystal component oriented in the direction of the polarization axis can be preferentially grown from the randomly oriented first layer.

【0057】また、一実施形態の強誘電体キャパシタの
製造方法では、上記基板上に形成する金属膜の主成分が
白金である。
In one embodiment of the present invention, the main component of the metal film formed on the substrate is platinum.

【0058】この実施形態の製造方法によれば、ランダ
ム配向した第一層から分極軸方向に配向した結晶成分を
優先的に成長させることができる。
According to the manufacturing method of this embodiment, the crystal component oriented in the direction of the polarization axis can be preferentially grown from the randomly oriented first layer.

【0059】また、他の実施形態の半導体装置は、上記
強誘電体キャパシタを、基板上に形成された集積回路素
子の一部として用いる。
In another embodiment, the ferroelectric capacitor is used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.

【0060】この実施形態の半導体装置は、高い強誘電
特性を持つキャパシタを用いているので高集積化が可能
である。
Since the semiconductor device of this embodiment uses a capacitor having a high ferroelectric characteristic, high integration is possible.

【0061】[0061]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0062】(第1の実施の形態)図1は、この発明によ
り、形成されたSrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜
1)強誘電体膜を用いたキャパシタの断面模式図であ
る。図1に示すように、シリコン単結晶基板1の表面
に、膜厚200nmのシリコン熱酸化膜2が形成され、
その上に、膜厚20nm程度の酸化チタン膜3(接着層)
および膜厚200nm程度の白金膜4(下部電極層)が形
成され、後述のようにして強誘電体薄膜5および上部電
極層6が形成されるものである。
(First Embodiment) FIG. 1 shows that SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0) formed according to the present invention.
1) A schematic sectional view of a capacitor using a ferroelectric film. As shown in FIG. 1, a silicon thermal oxide film 2 having a thickness of 200 nm is formed on the surface of a silicon single crystal substrate 1,
On top of that, a titanium oxide film 3 (adhesion layer) having a thickness of about 20 nm
A platinum film 4 (lower electrode layer) having a thickness of about 200 nm is formed, and a ferroelectric thin film 5 and an upper electrode layer 6 are formed as described later.

【0063】上記強誘電体薄膜5の形成には、強誘電体
材料の前駆体原料溶液を用いた成膜工程を含むMOD法
を用いた。MOD法の前駆体原料溶液の合成では出発原
料として、ニオブエトキシド(Nb(OC25)5)、タン
タルエトキシド(Ta(OC2 5)5)、ビスマス2エチル
ヘキサネート(Bi(C715COO)2)、およびストロン
チウム2エチルヘキサネート(Sr(C715COO)2)を
使用した。
The ferroelectric thin film 5 is formed by using a ferroelectric
MOD method including film forming process using precursor solution of material
Was used. In the synthesis of the precursor material solution of the MOD method, the starting material is used.
Niobium ethoxide (Nb (OCTwoHFive)Five), Tongue
Talethoxide (Ta (OCTwoH Five)Five), Bismuth 2-ethyl
Hexanate (Bi (C7HFifteenCOO)Two), And stron
Titanium 2-ethyl hexanate (Sr (C7HFifteenCOO)Two)
used.

【0064】まず、SrBi2(TaXNb1-X)29(x=
0〜1)強誘電体薄膜5の形成に用いる前駆体原料溶液
の合成について説明する。ニオブエトキシドとタンタル
エトキシドを秤量する。これを2−エチルヘキサネート
中に溶解させ、反応を促進させるため、100℃から最
高温度120℃まで加熱しながら撹拌し、30分間反応
させた。その後、120℃で反応によって生成したエタ
ノールと水分を除去した。その溶液に20ml〜30m
lのキシレンに溶解させたストロンチウム2−エチルヘ
キサネートを加え、125℃から最高温度140℃で3
0分間加熱撹拌した。その後、この溶液に10mlのキ
シレンに溶解させたビスマス2−エチルヘキサネートを
加え、130℃から最高温度150℃で10時間加熱撹
拌した。
First, SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O 9 (x =
0-1) Synthesis of a precursor raw material solution used for forming the ferroelectric thin film 5 will be described. Weigh niobium ethoxide and tantalum ethoxide. This was dissolved in 2-ethylhexanate and stirred for 30 minutes while heating from 100 ° C. to a maximum temperature of 120 ° C. to promote the reaction. Thereafter, ethanol and water generated by the reaction at 120 ° C. were removed. 20ml to 30m in the solution
strontium 2-ethylhexanate dissolved in 1 xylene was added, and 125 ° C. to 140 ° C.
The mixture was heated and stirred for 0 minutes. Thereafter, bismuth 2-ethylhexanate dissolved in 10 ml of xylene was added to this solution, and the mixture was heated with stirring at 130 ° C. to a maximum temperature of 150 ° C. for 10 hours.

【0065】次に、この溶液から低分子量のアルコール
と水と溶媒として使用したキシレンとを除去するため
に、130℃〜150℃の温度で5時間蒸留した。この
溶液からダストを除去するために、0.45μm径のフ
ィルタで瀘過した。その後、溶液のSrBi2(TaX
1-X)29(x=0〜1)の濃度を0.1mol/lに調
整し、これを前駆体溶液とする。なお、上記の過程で、
ストロンチウム:ビスマス:(タンタル+ニオブ)の比率
が8:22:20となるように調整した。また、これら
の原料は、上記のものに限定されるものではなく、溶媒
は上記出発原料が十分溶解するものであればよい。
Next, in order to remove low molecular weight alcohol, water and xylene used as a solvent from the solution, distillation was conducted at a temperature of 130 ° C. to 150 ° C. for 5 hours. In order to remove dust from the solution, the solution was filtered with a 0.45 μm filter. Then, the solution SrBi 2 (Ta X N
The concentration of b 1-X ) 2 O 9 (x = 0 to 1) was adjusted to 0.1 mol / l, and this was used as a precursor solution. In the above process,
It was adjusted so that the ratio of strontium: bismuth: (tantalum + niobium) was 8:22:20. Further, these raw materials are not limited to those described above, and the solvent may be any solvent as long as the above-mentioned starting materials can be sufficiently dissolved.

【0066】この原料溶液を前駆体溶液としたときのこ
の発明の膜形成方法を、図2を参照しながら説明する。
The film forming method of the present invention when this raw material solution is used as a precursor solution will be described with reference to FIG.

【0067】工程1:膜厚200nmのシリコン熱酸化
膜2が形成されたシリコン単結晶(100)面基板1上
に、接着層として、膜厚20nm程度のチタン膜3(接
着層)をスパッタ法により形成する。
Step 1: A titanium film 3 (adhesive layer) having a thickness of about 20 nm as an adhesive layer is formed on a silicon single crystal (100) plane substrate 1 on which a silicon thermal oxide film 2 having a thickness of 200 nm is formed by a sputtering method. Is formed.

【0068】工程2:チタン膜を酸素中で熱処理するこ
とにより、安定な酸化チタン膜にする。
Step 2: A stable titanium oxide film is formed by heat-treating the titanium film in oxygen.

【0069】工程3:膜厚200nm程度のPt膜4
(下部電極層)をスパッタ法により形成する。
Step 3: Pt film 4 having a thickness of about 200 nm
(Lower electrode layer) is formed by a sputtering method.

【0070】工程4:強誘電体膜の原料溶液をスピンコ
ート法により塗布する。
Step 4: A raw material solution for the ferroelectric film is applied by spin coating.

【0071】工程5:大気圧の下、270℃設定された
ホットプレート上に4分間、設置して乾燥させる。
Step 5: Install and dry on a hot plate set at 270 ° C. for 4 minutes under atmospheric pressure.

【0072】工程6:RTA(Rapid Thermal Anneal
ing)法を用いて、酸素雰囲気中で到達温度750℃で加
熱することで結晶化させる。
Step 6: RTA (Rapid Thermal Anneal)
The crystallization is performed by heating at a temperature of 750 ° C. in an oxygen atmosphere using the ing) method.

【0073】工程7:上記原料溶液からなる膜が所望の
膜厚になるまで、上記溶液塗布からの工程を7回繰り返
し、膜厚200nm程度の薄膜とし、最上層では30分
間、800℃で高温保持する。
Step 7: The steps from the application of the solution are repeated seven times until the film made of the raw material solution has a desired thickness to form a thin film having a thickness of about 200 nm. Hold.

【0074】工程8:SrBi2(TaXNb1-X)29(x
=0〜1)膜上にスパッタリング法により、上部電極と
してPtを形成する。
Step 8: SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x
= 0 to 1) Pt is formed as an upper electrode on the film by a sputtering method.

【0075】工程9:上部電極形成後、酸素雰囲気中、
800℃で10分間の熱処理を行う。
Step 9: After forming the upper electrode, in an oxygen atmosphere,
A heat treatment is performed at 800 ° C. for 10 minutes.

【0076】上記工程においては、以下の点に注意して
強誘電体膜の形成を行った。特に、工程6では、500
℃から700℃までの温度領域を約40℃/秒の速度で
昇温すること、昇温後の750℃の維持時間を300秒
とするなどの条件を必要とした。また、最終工程9にお
ける熱処理工程は強誘電体と電極との界面を安定化させ
るために行っている。
In the above process, a ferroelectric film was formed while paying attention to the following points. In particular, in step 6, 500
Conditions such as raising the temperature in the temperature range from about 40 ° C. to about 700 ° C. at a rate of about 40 ° C./sec, and maintaining the 750 ° C. after the temperature rise at 300 seconds were required. The heat treatment in the final step 9 is performed to stabilize the interface between the ferroelectric and the electrode.

【0077】ここで、工程1におけるチタン膜、工程
3、7における白金膜の製膜法にはスパッタ法を用てい
るが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の製
膜法、例えばCVD法(化学気相成長法)や蒸着法でもよ
い。また、それぞれの膜厚も限定しない。また、工程4
のスピンコート法は本発明を限定するものではなく、例
えば、ディップコート法、LSMCD法(電着霧化法)
等、溶液の膜厚制御が可能で、基板上に塗布できる方法
であれば良い。
Here, the sputtering method is used for forming the titanium film in the step 1 and the platinum film in the steps 3 and 7. However, the present invention is not limited to this. For example, a CVD method (chemical vapor deposition method) or a vapor deposition method may be used. The thickness of each film is not limited. Step 4
The spin coating method of the present invention does not limit the present invention. For example, dip coating method, LSMCD method (electrodeposition atomization method)
Any method can be used as long as it can control the film thickness of the solution and can apply the solution on the substrate.

【0078】次に、上記の方法で形成された強誘電体膜
のX線回折(CuKα線を用いた)の測定を行った結果
を、図3に示す。図3より、29度付近(面間隔29.0
2Å(±0.2Å))の<105>軸のピークに対して、3
3度付近(面間隔32.45Å(±0.2Å))の<110>
軸のピークが1.5倍以上も強いことが分かる。
Next, FIG. 3 shows the result of measurement of X-ray diffraction (using CuKα ray) of the ferroelectric film formed by the above method. From FIG. 3, it can be seen that the angle is about 29 degrees (inter-plane spacing 29.0
For the peak of the <105> axis of 2Å (± 0.2Å), 3
<110> at around 3 degrees (surface spacing 32.45 ° (± 0.2 °))
It can be seen that the axis peak is more than 1.5 times stronger.

【0079】また、粉末SrBi2(TaXNb1-X)2
9(x=0〜1)のX線回折像のピーク強度比から、本実
施形態により得られた強誘電体膜の配向成分比を求めた
結果を図4に示す。図より、<110>軸、<200>
軸などの、c軸成分を全く含まない結晶粒は50%程度
存在していることが分かった。
Further, powder SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O
FIG. 4 shows the result of obtaining the orientation component ratio of the ferroelectric film obtained according to the present embodiment from the peak intensity ratio of the X-ray diffraction image of 9 (x = 0 to 1). From the figure, <110> axis, <200>
It was found that about 50% of crystal grains containing no c-axis component such as the axis existed.

【0080】次に、この強誘電体膜の強誘電特性を測定
した結果について説明する。強誘電特性は、ソーヤタワ
ー法により測定したものであり、図5に示すソーヤタワ
ー回路を用いて、図1に示す強誘電体キャパシタに対し
て、電圧5Vを印加して測定を行った。本実施形態で
は、図5に示すソーヤタワーブリッジを用いて、オシロ
スコープによりヒステリシス曲線を表示させた。
Next, the result of measuring the ferroelectric characteristics of the ferroelectric film will be described. The ferroelectric characteristics were measured by the Sawyer tower method, and were measured by applying a voltage of 5 V to the ferroelectric capacitor shown in FIG. 1 using the Sawyer tower circuit shown in FIG. In this embodiment, a hysteresis curve is displayed by an oscilloscope using the Sawyer tower bridge shown in FIG.

【0081】図5を詳細に説明すると、強誘電体キャパ
シタと直列に接続された基準コンデンサのキャパシタC
Rは基準となるキャパシタであり、オシロスコープの横
軸端子には、強誘電体薄膜素子である強誘電体キャパシ
タに印加された電圧Vを分割した電圧Vxが入力され
る。ここで、強誘電体薄膜の分極表面電荷密度をP、真
電荷面密度をDとすると、(P+ε0E)×A、即ちD×
A(Aは電極面積)と基準コンデンサに蓄えられた電荷C
RYとは共にQに等しいので、縦軸端子にはDに比例し
た電圧VY=(D×A/CR)が入力される。
FIG. 5 will be described in detail. The capacitor C of the reference capacitor connected in series with the ferroelectric capacitor
R is a reference capacitor, and a voltage Vx obtained by dividing a voltage V applied to a ferroelectric capacitor, which is a ferroelectric thin film element, is input to a horizontal axis terminal of the oscilloscope. Here, assuming that the polarization surface charge density of the ferroelectric thin film is P and the true charge surface density is D, (P + ε 0 E) × A, ie, D ×
A (A is the electrode area) and the charge C stored in the reference capacitor
Since both R V Y are equal to Q, a voltage V Y = (D × A / C R ) proportional to D is input to the vertical axis terminal.

【0082】強誘電体膜においては、PがεEに比べて
十分に大きいので、D=Pとみなせる。このVY−VX
線を既知の量である膜厚、分圧比、電極面積(A)、基準
コンデンサの静電容量(CR)を用いて目盛り直せば、P
−E(残留自発分極−電界)ヒステリシス曲線、またはD
−E(蓄積電荷量−電界)ヒステリシス曲線が得られ、こ
れから、残留自発分極(Pr)、抗電界(Ec)、蓄積電荷量
(ΔQ)のそれぞれの値を読み取ることができる。
In the ferroelectric film, since P is sufficiently larger than εE, it can be considered that D = P. The film thickness of the V Y -V X curve is a known quantity, the partial pressure ratio and the electrode area (A), if able to re scale with the capacitance of the reference capacitor (C R), P
-E (residual spontaneous polarization-electric field) hysteresis curve, or D
-E (accumulated charge-electric field) hysteresis curve was obtained. From this, residual spontaneous polarization (Pr), coercive electric field (Ec), accumulated electric charge
Each value of (ΔQ) can be read.

【0083】このソーヤタワー法を用いて、本発明によ
る強誘電体膜の特性を評価したところ、図6の丸印に示
すようなヒステリシス曲線を得た(Bi22の線)。5V
の残留分極2Prが、29μC/cm2以上で、2Ecは
132kV/cm以上、ΔQは28μC/cm2以上で
あった。
When the characteristics of the ferroelectric film according to the present invention were evaluated using the Sawyer tower method, a hysteresis curve as shown by a circle in FIG. 6 was obtained (Bi22 line). 5V
Was 2 μC / cm 2 or more, 2Ec was 132 kV / cm or more, and ΔQ was 28 μC / cm 2 or more.

【0084】次に、上記測定結果を評価する比較例とし
て、原料液の組成をストロンチウム:ビスマス:(タン
タル+ニオブ)の比率が、8:24:20となるように
調整したものを、本実施形態とまったく同じ工程により
膜形成したところ、<110>軸のピーク強度が<10
5>軸のピーク強度よりも弱くなっていることが分かっ
た。また、<006>軸、<0010>軸等のc軸成分
が強くなっていることが分かった。
Next, as a comparative example for evaluating the above measurement results, the composition of the raw material liquid was adjusted so that the ratio of strontium: bismuth: (tantalum + niobium) was 8:24:20. When the film was formed by the same process as that of the embodiment, the peak intensity of the <110> axis was <10.
5> It was found that the peak intensity was weaker than the axis. It was also found that the c-axis components such as the <006> axis and the <0010> axis were strong.

【0085】そこで、本実施形態と比較例との配向成分
の相違が強誘電特性に与える影響を調べた。その結果、
この薄膜素子の特性は、図6のBi24に示すようなヒ
ステリシス曲線を示し、5Vの残留分極2Prが25μ
C/cm2以下で、2Ecは125kV/cm以上、Δ
Qは23μC/cm2以下であり、上記Bi組成を22
にした場合よりも特性が低下していることが分かった。
Thus, the effect of the difference in the orientation component between the present embodiment and the comparative example on the ferroelectric characteristics was examined. as a result,
The characteristics of this thin film element show a hysteresis curve as shown by Bi24 in FIG. 6, and the residual polarization 2Pr of 5V is 25 μm.
C / cm 2 or less, 2Ec is 125 kV / cm or more, Δ
Q is 23 μC / cm 2 or less.
It was found that the characteristics were lower than those in the case of (1).

【0086】そして、更なる詳細な検討から、ビスマス
組成を変化させたときの<110>軸強度/<105>
軸強度比はビスマス組成比が20〜24の間で高く、特
に、21〜23付近で最も高いことが分かった。また、
それと共にΔQの値も同じ挙動を示した。つまり、ビス
マスの組成比により、<110>軸の配向強度を制御で
きることが分かった。
From further detailed examination, it was found that the <110> axial strength / <105> when the bismuth composition was changed.
It was found that the axial strength ratio was high when the bismuth composition ratio was between 20 and 24, and especially the highest around 21 and 23. Also,
At the same time, the value of ΔQ showed the same behavior. That is, it was found that the orientation strength of the <110> axis can be controlled by the composition ratio of bismuth.

【0087】次に、ニオブを添加せずに、焼成条件を上
記工程6で到達温度を800℃、維持時間を12秒間、
最上層の800℃の維持時間を8分間として、膜厚を1
50nmとした条件において、500℃から700℃ま
での温度領域を1〜40℃/秒の昇温速度で加熱したと
きの<110>軸強度/<105>軸強度比の速度依存
性を図7に、ΔQの速度依存性を図8に示す。これらに
より、昇温速度が5℃/秒以上の領域で<110>軸/
<105>軸強度比が高く、昇温速度と共にΔQも上昇
していることが分かった。
Next, without adding niobium, the sintering conditions were as follows: the temperature reached in step 6 was 800 ° C., the maintenance time was 12 seconds,
When the maintenance time of the uppermost layer at 800 ° C. is 8 minutes, the film thickness is 1
FIG. 7 shows the speed dependence of the <110> axis strength / <105> axis strength ratio when the temperature range from 500 ° C. to 700 ° C. was heated at a rate of 1 to 40 ° C./sec under the condition of 50 nm. FIG. 8 shows the speed dependence of ΔQ. With these, the <110> axis /
It was found that the <105> axial strength ratio was high, and that ΔQ increased with the temperature increase rate.

【0088】さらに、図9に、信号雑音比とEcの昇温
速度依存性を示すが、これより、昇温速度の上昇と共に
信号雑音比は向上、Ecは低下していることが分かっ
た。つまり、昇温速度の上昇は本発明のキャパシタを半
導体装置に用いた場合、低電圧駆動化が可能となると言
える。
FIG. 9 shows the dependence of the signal-to-noise ratio and Ec on the heating rate. From this, it was found that the signal-to-noise ratio increased and Ec decreased as the heating rate increased. In other words, it can be said that when the temperature rise rate is increased, when the capacitor of the present invention is used for a semiconductor device, low-voltage driving can be performed.

【0089】また、さらに詳細な検討から特に550〜
650℃付近の温度領域を5℃/秒よりも高い速度で通
過することが重要であることが分かった。しかし、非常
に高い昇温速度、例えば200℃/秒以上で加熱したと
き、熱衝撃による基板の反りが見られたため、良好な膜
を得られる領域は5〜200℃/秒であることが分かっ
た。
Further, from a more detailed study, it is
It has been found important to pass through a temperature range around 650 ° C. at a speed higher than 5 ° C./sec. However, when the substrate was heated at a very high temperature rising rate, for example, 200 ° C./sec or more, warpage of the substrate due to thermal shock was observed, and it was found that the region where a good film could be obtained was 5 to 200 ° C./sec. Was.

【0090】また、上記実施形態では、一層塗布毎の結
晶化後膜厚を30nm弱にしたが、この膜厚を徐々に増
やしてって、37〜39nm程度の膜厚にしたところ
(その他の条件は同じ)、<110>軸のピーク強度は減
少した。図10はそのX線回折像を示すものである。図
10より、明らかに、<110>軸のピークが低下して
いることが分かった。また、逆に36度付近のc軸成分
である<0010>軸の強度が増加する結果となった。
それに応じてΔQも、19μC/cm2程度と低い値と
なった。
In the above embodiment, the film thickness after crystallization for each coating was reduced to less than 30 nm, but this film thickness was gradually increased to a thickness of about 37 to 39 nm.
(The other conditions were the same), the peak intensity on the <110> axis decreased. FIG. 10 shows the X-ray diffraction image. FIG. 10 clearly shows that the peak of the <110> axis has decreased. Conversely, the intensity of the <00 10 > axis, which is the c-axis component around 36 degrees, increased.
Accordingly, ΔQ also became a low value of about 19 μC / cm 2 .

【0091】つぎに、基板をチタン上にそのまま白金を
形成したものに、SrBi2Ta2 9膜を上記方法で形
成した結果、<110>軸のピーク成分は低下し、2P
rも低い値となった。
Next, platinum is directly placed on the titanium substrate.
In the formed one, SrBiTwoTaTwoO 9Shape the membrane in the manner described above
As a result, the peak component of the <110> axis decreases, and 2P
r also became a low value.

【0092】また、SrBi2(TaXNb1-X)29(x=
0〜1)膜とSi酸化膜の間の金属膜をIr/TaSi
N、Ir/TiN等、他の材料に変えても<110>の
ピーク成分は減少した。しかし、従来製膜法と比較し
て、良好な強誘電特性を示した。例えば、本発明による
製膜法を、Ir/TaSiN上に700℃の低温で製膜
したところ、白金上よりも<110>ピーク成分は減少
したものの、ΔQで17μC/cm2以上の良好な値を
得ることができた。
Further, SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O 9 (x =
0-1) The metal film between the film and the Si oxide film is Ir / TaSi
The peak component of <110> was reduced even when other materials such as N and Ir / TiN were used. However, it exhibited better ferroelectric characteristics than the conventional film forming method. For example, when the film forming method according to the present invention was formed on Ir / TaSiN at a low temperature of 700 ° C., the <110> peak component was reduced as compared with that on platinum, but a good ΔQ of 17 μC / cm 2 or more was obtained. Could be obtained.

【0093】以上の結果から、SrBi2(TaX
1-X)29(x=0〜1)膜の配向成分を制御して、膜厚
方向にa,b軸成分を成長させるためには、SrBi
2(TaXNb 1-X)29(x=0〜1)を好ましくは酸化チ
タンと白金が積層された基板上に形成する。
From the above results, SrBiTwo(TaXN
b1-X)TwoO9(x = 0 to 1) The film thickness is controlled by controlling the orientation component of the film.
In order to grow the a and b axis components in the directions, SrBi
Two(TaXNb 1-X)TwoO9(x = 0 to 1) is preferably
It is formed on a substrate on which tin and platinum are stacked.

【0094】SrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜
1)の原料溶液成分にストロンチウム、ビスマス、タン
タル、ニオブのアルコキシドまたは有機金属塩を原料と
し、(タンタル+ニオブ)を20としたとき、ビスマスが
20〜24の過剰となるように調整した溶液を作製す
る。SrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)の結晶
化後の膜厚が35nm以下になるように、上記原料溶液
を塗布する。
SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O 9 (x = 0 to 0)
A solution prepared by using strontium, bismuth, tantalum, niobium alkoxide or an organic metal salt as a raw material solution component of 1), and adjusting (tantalum + niobium) to 20 so that bismuth becomes an excess of 20 to 24 is used. Make it. The above-mentioned raw material solution is applied so that the film thickness of SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0 to 1) after crystallization becomes 35 nm or less.

【0095】塗布後、乾燥する工程、SrBi2(TaX
Nb1-X)29(x=0〜1)を加熱結晶化する際に、55
0〜650℃付近の温度領域を10℃/秒以上の速度で
昇温するなどの全ての工程を含み、SrBi2(TaX
1-X)29(x=0〜1)が所望の膜厚になるまで、上記
溶液塗布からの工程を繰り返すことが重要であることが
分かった。
After coating, a drying step, SrBi 2 (Ta X
When Nb 1-X ) 2 O 9 (x = 0 to 1) is heated and crystallized, 55
Including all steps such as raising the temperature in a temperature range of 0 to 650 ° C. at a rate of 10 ° C./sec or more, SrBi 2 (Ta X N
It has been found that it is important to repeat the steps from the solution application until b 1-X ) 2 O 9 (x = 0 to 1) has a desired film thickness.

【0096】以上のように、本実施形態によれば、本発
明の形成法によるSrBi2(TaXNb1-X)29(x=0
〜1)膜は高い強誘電特性得られるa、b軸成分、例え
ば<110>軸配向強度が、最も高いと言った従来では
見られなかった構造を示し、それを用いたキャパシタの
強誘電特性も、従来のものと比較して高いものとなっ
た。
As described above, according to the present embodiment, SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0) according to the formation method of the present invention.
~ 1) The film shows a structure not obtained in the prior art, which is said to have the highest a and b axis components, for example, <110> axis orientation strength, from which a high ferroelectric property can be obtained. Was also higher than the conventional one.

【0097】次に、本発明により形成された強誘電体薄
膜を、図11に示すような本発明による強誘電体キャパ
シタを適用したプレーナ型構造の不揮発性メモリの一例
の断面図を示す。
Next, a sectional view of an example of a nonvolatile memory having a planar structure in which a ferroelectric thin film formed according to the present invention is applied to a ferroelectric capacitor according to the present invention as shown in FIG. 11 is shown.

【0098】この不揮発メモリは、半導体基板1に局部
的酸化いわゆるLOCOSによって形成した素子分離絶
縁層7が形成され、これによって分離された領域に、ソ
ース領域9およびドレイン領域10が形成され、これら
ソースおよびドレイン領域9および10間上にMISト
ランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)8が形
成される。さらに、このMISトランジスタ8上に、例
えば、SiO2やBPSG(ボロン・リン・シリケートガ
ラス)等による層間絶縁層11が形成される。
In this nonvolatile memory, an element isolation insulating layer 7 formed by local oxidation, so-called LOCOS, is formed on a semiconductor substrate 1, and a source region 9 and a drain region 10 are formed in regions separated by this. MIS transistor (insulated gate field effect transistor) 8 is formed between drain regions 9 and 10. Further, an interlayer insulating layer 11 made of, for example, SiO 2 or BPSG (boron phosphorus silicate glass) is formed on the MIS transistor 8.

【0099】そして、素子分離絶縁層7の上の層間絶縁
層11上にバッファー層3を形成する。このバッファー
層3は、酸化チタン層によって構成する。そして、この
下部電極4上に、本発明により、形成されたSrBi2
Ta29強誘電体層5を形成し、これの上に白金上部電
極6を形成する。これにより、下部電極4と強誘電体層
5と上部電極6による大容量の強誘電体キャパシタが構
成される。
Then, the buffer layer 3 is formed on the interlayer insulating layer 11 on the element isolation insulating layer 7. This buffer layer 3 is constituted by a titanium oxide layer. The SrBi 2 formed according to the present invention on the lower electrode 4
A Ta 2 O 9 ferroelectric layer 5 is formed, and a platinum upper electrode 6 is formed thereon. Thus, a large-capacity ferroelectric capacitor is formed by the lower electrode 4, the ferroelectric layer 5, and the upper electrode 6.

【0100】さらに、上部電極6上を含んで全面的に上
層絶縁層12が形成され、この上層絶縁層12の、例え
ば、上部電極6上と層間絶縁層11のソース領域9上と
にコンタクトホール13が穿設され、これらコンタクト
ホール13を通じて上部電極6とソース領域9とが配線
14によってコンタクトされた構成とされる。
Further, an upper insulating layer 12 is formed on the entire surface including the upper electrode 6, and contact holes are formed in the upper insulating layer 12, for example, on the upper electrode 6 and on the source region 9 of the interlayer insulating layer 11. 13 are formed, and the upper electrode 6 and the source region 9 are in contact with each other by the wiring 14 through the contact holes 13.

【0101】このようにして作製した不揮発性メモリ
は、高いΔQをもつ強誘電体キャパシタを用いているた
め、キャパシタ面積を小さくできるため、高集積化に有
利である。また、高い信号雑音比、飽和特性を持つため
に低消費電力半導体装置となる。
Since the nonvolatile memory manufactured in this manner uses a ferroelectric capacitor having a high ΔQ, the capacitor area can be reduced, which is advantageous for high integration. In addition, since the semiconductor device has a high signal-to-noise ratio and a saturation characteristic, the semiconductor device has low power consumption.

【0102】ここで、製膜された基板は、通常、半導体
装置や集積回路等の基板として使用できるものであれ
ば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン等
の半導体基板、GaAs等の化合物半導体基板、MgO
等の酸化物結晶基板、硝子基板など、形成しようとする
素子の種類、用途等により選択することができるが、中
でもシリコン基板が好ましい。
Here, the formed substrate is not particularly limited as long as it can be used as a substrate of a semiconductor device or an integrated circuit. For example, a semiconductor substrate such as silicon, a compound semiconductor substrate such as GaAs, MgO
It can be selected depending on the type and use of the element to be formed, such as an oxide crystal substrate such as a glass substrate, a glass substrate, etc. Among them, a silicon substrate is preferable.

【0103】(第2の実施の形態)次に、この発明の第2
実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1
2は、この発明の実施形態によって形成されたタンタル
酸ストロンチウム・ビスマス強誘電体膜35を有する強
誘電体キャパシタ30の断面模式図である。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention will be described.
Embodiments will be described with reference to the drawings. Figure 1
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a ferroelectric capacitor 30 having a strontium-bismuth tantalate-bismuth ferroelectric film 35 formed according to an embodiment of the present invention.

【0104】図12に示すように、シリコン単結晶基板
31の表面に、膜厚200nmのシリコン熱酸化膜32
が形成され、その上に、膜厚20nm程度の酸化チタン
膜33(接着層)および膜厚200nm程度の白金膜34
(下部電極層)が形成され、次で述べるようにして、強誘
電体薄膜35および上部電極層36が形成される。
As shown in FIG. 12, a 200 nm-thick silicon thermal oxide film 32 is formed on the surface of a silicon single crystal substrate 31.
Is formed thereon, and a titanium oxide film 33 (adhesive layer) having a thickness of about 20 nm and a platinum film 34 having a thickness of about 200 nm are formed thereon.
(Lower electrode layer) is formed, and a ferroelectric thin film 35 and an upper electrode layer 36 are formed as described below.

【0105】上記強誘電体薄膜35の形成には、強誘電
体材料の前駆体原料溶液を用いた成膜工程を含むMOD
(メタル・オーガニック・デポジション)法を用いた。こ
のMOD法の前駆体原料溶液では、出発原料として、タ
ンタルエトキシド(Ta(OC 25)5)、2エチルヘキサ
ン酸ビスマス(Bi(C715COO)2)、および2エチル
ヘキサン酸ストロンチウム(Sr(C715COO)2)を用
いて、これを合成した。
The ferroelectric thin film 35 is formed by ferroelectric
MOD including film forming process using precursor material solution of body material
(Metal organic deposition) method was used. This
In the precursor raw material solution of the MOD method of
Nthalethoxide (Ta (OC TwoHFive)Five), 2-ethylhexa
Bismuth acid (Bi (C7HFifteenCOO)Two), And 2-ethyl
Strontium hexanoate (Sr (C7HFifteenCOO)Two)
And synthesized this.

【0106】この原料溶液を前駆体溶液としたこの発明
の実施形態の膜形成方法を、図14を参照しながら、工
程1〜工程7の順に説明する。
A film forming method according to an embodiment of the present invention using this raw material solution as a precursor solution will be described in the order of Step 1 to Step 7 with reference to FIG.

【0107】工程1:シリコン単結晶(100)面基板3
1上に、シリコン熱酸化膜32、酸化チタン膜33、白
金電極34を順に形成する。
Step 1: Silicon single crystal (100) plane substrate 3
On the substrate 1, a silicon thermal oxide film 32, a titanium oxide film 33, and a platinum electrode 34 are sequentially formed.

【0108】工程2:上記基板31上の白金電極34上
に、上記強誘電体膜35の原料溶液をスピンコート法に
よって塗布する。
Step 2: A raw material solution for the ferroelectric film 35 is applied on the platinum electrode 34 on the substrate 31 by spin coating.

【0109】工程3:大気圧の下、250℃に温度設定
されたホットプレート上に、上記基板31を、4分間だ
け設置して乾燥させる。
Step 3: The substrate 31 is placed on a hot plate set at a temperature of 250 ° C. under atmospheric pressure for 4 minutes and dried.

【0110】工程4:RTA(Rapid Thermal Anneal
ing)法を用いて、上記基板31を、酸素雰囲気中、到達
温度800℃で30秒間だけ加熱することで、結晶化さ
せる。
Step 4: RTA (Rapid Thermal Anneal)
The substrate 31 is crystallized by heating the substrate 31 in an oxygen atmosphere at a temperature of 800 ° C. for 30 seconds using the ing) method.

【0111】工程5:上記強誘電体膜35が所望の膜厚
になるまで、上記溶液塗布の工程2から工程4までの工
程を繰り返す。また、上記強誘電体膜35の最上層で
は、全体の結晶性を向上させるため、800℃で8分間
加熱する。
Step 5: Steps 2 to 4 of the solution application are repeated until the ferroelectric film 35 has a desired thickness. The uppermost layer of the ferroelectric film 35 is heated at 800 ° C. for 8 minutes in order to improve the overall crystallinity.

【0112】工程6:タンタル酸ストロンチウム・ビス
マス膜からなる強誘電体膜35上の上部電極36として
白金を形成する。
Step 6: Platinum is formed as the upper electrode 36 on the ferroelectric film 35 made of a strontium bismuth tantalate film.

【0113】工程7:上部電極36を形成した後、酸素
雰囲気中で、800℃で10分間、熱処理を行う。
Step 7: After forming the upper electrode 36, heat treatment is performed at 800 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere.

【0114】上記最終工程7における熱処理工程は、強
誘電体膜35と上部電極36との界面を安定化させるた
めに行っている。
The heat treatment in the final step 7 is performed to stabilize the interface between the ferroelectric film 35 and the upper electrode 36.

【0115】また、上記工程2での塗布はスピンコート
法に限定されるものではなく、例えば、ディップコート
法、LSMCD法(電着霧化法)等、溶液の膜厚制御が可
能で、基板31上に塗布できる方法であればよい。さら
に、上記工程3,工程4,工程5,工程7における熱処理
温度と時間は、上述の値に限定されるものではなく、各
工程の目的を満たせればよい。
The coating in the above step 2 is not limited to the spin coating method. For example, the thickness of the solution can be controlled by a dip coating method, an LSMCD method (electrodeposition atomization method), and the like. Any method can be used as long as it can be applied on the surface 31. Further, the heat treatment temperature and time in the above steps 3, 4, 5, and 7 are not limited to the above-mentioned values, and may be any values as long as the purpose of each step can be satisfied.

【0116】また、上記成膜方法において、次の点に注
意してタンタル酸ストロンチウム・ビスマス膜35を形
成した。すなわち、工程2における原料溶液の原子組成
を、ストロンチウム:ビスマス:タンタルの比率が8:
22:20となるように、調整した。また、工程2での
スピンコートにおいて、一層当りの結晶化後の膜厚を3
0nm程度になるように調整した。さらに、工程4,5
における熱処理工程において、結晶化が始まると考えら
れる550℃から650℃付近の温度領域の昇温速度を
40℃/秒になるように調整した。
In the above film forming method, the strontium / bismuth tantalate film 35 was formed while paying attention to the following points. That is, the atomic composition of the raw material solution in the step 2 was changed so that the ratio of strontium: bismuth: tantalum was 8:
The adjustment was made to be 22:20. In the spin coating in the step 2, the thickness of one layer after crystallization is set to 3
It was adjusted to be about 0 nm. Steps 4 and 5
In the heat treatment step, the heating rate in a temperature region from 550 ° C. to 650 ° C. where crystallization is considered to be started was adjusted to 40 ° C./sec.

【0117】このようにして形成されたタンタル酸スト
ロンチウム・ビスマス膜35の1層目,5層目,9層目の
X線回折像(CuKα線を用いた)の測定を行った結果
を、図13に示す。
The results of measurement of X-ray diffraction images (using CuKα rays) of the first, fifth, and ninth layers of the strontium-bismuth tantalate film 35 thus formed are shown in FIG. FIG.

【0118】図13においては、見やすくするために、
積層数が1層目での回折像の強度を、3倍に拡大してい
る。この1層目では、<105>軸のピーク強度に対し
て、<110>軸のピーク強度は50%以下であり、従
来のランダム配向のタンタル酸ストロンチウム・ビスマ
ス膜と同様の回折像を示した。
In FIG. 13, for easy viewing,
The intensity of the diffraction image when the number of layers is the first layer is tripled. In the first layer, the peak intensity on the <110> axis was 50% or less of the peak intensity on the <105> axis, and a diffraction image similar to that of the conventional random-oriented strontium-bismuth tantalate film was shown. .

【0119】しかし、層数の増加とともに、<110>
軸のピークが優先的に増加しており、9層目において
は、<105>軸のピークに対して、<110>軸のピ
ークが2倍以上になるまでに増加することがわかった。
つまり、この実施形態での成膜法では、タンタル酸スト
ロンチウム・ビスマス膜35の配向を、膜厚の増加にと
もなって、ランダムから<110>軸優勢に変化させる
ことが可能であることがわかった。
However, as the number of layers increases, <110>
It was found that the peak of the axis increased preferentially, and in the ninth layer, the peak of the <110> axis increased more than twice the peak of the <105> axis.
That is, according to the film forming method of this embodiment, it was found that the orientation of the strontium / bismuth tantalate film 35 can be changed from random to <110> -axis dominant as the film thickness increases. .

【0120】また、図15に、33度付近(面間隔32.
45Å(±0.2Å))の<110>軸ピーク強度を、29
度付近(面間隔29.02Å(土0.2Å))の<105>軸
ピーク強度で除した軸ピーク強度比を、タンタル酸スト
ロンチウム・ビスマス膜35の積層数が1層から積層数
9層目までについて示す。上記軸ピーク強度比は、積層
数の増加にしたがって、順次増加していることが分か
る。
FIG. 15 shows that the angle is around 33 degrees (the surface interval is 32.degree.).
The peak intensity of the <110> axis at 45 ° (± 0.2 °)
The axis peak intensity ratio divided by the <105> axis peak intensity near the degree (plane spacing 29.02Å (soil 0.2Å)) is calculated as follows: the number of stacked strontium / bismuth tantalate films 35 is 1 to 9 The following is shown. It can be seen that the axial peak intensity ratio increases sequentially as the number of layers increases.

【0121】次に、図26に、この実施形態の成膜法に
よるタンタル酸ストロンチウム・ビスマス膜35を走査
型電子顕微鏡で撮影した断面写真を示す。この膜35に
は、写真の中央から左手にあるような膜厚方向上側に向
かって、粒径が広がっていく結晶粒が多く見られ、さら
なる詳細な解析から、このような結晶粒は<110>軸
配向していることが分かった。つまり、この実施形態の
キャパシタが有するタンタル酸ストロンチウム・ビスマ
ス膜35は、基板31側電極付近よりも対向するもう一
方の電極36付近の方において、<110>軸配向であ
る結晶配向成分を多く持つという特徴がある。
Next, FIG. 26 shows a cross-sectional photograph of the strontium-bismuth tantalate film 35 formed by the film forming method of this embodiment, taken by a scanning electron microscope. In the film 35, there are many crystal grains whose grain size increases from the center of the photograph toward the upper side in the film thickness direction on the left side. From further detailed analysis, such crystal grains are found to be <110. > It was found that they were axially oriented. In other words, the strontium-bismuth tantalate film 35 included in the capacitor of this embodiment has more crystal orientation components having the <110> axis orientation in the vicinity of the other electrode 36 that is opposed to the vicinity of the substrate 31 side electrode. There is a feature.

【0122】次に、この実施形態によるタンタル酸スト
ロンチウム・ビスマス膜35の強誘電特性を測定した結
果について説明する。この強誘電特性は、ソーヤタワー
法により測定したものであり、図17に示すソーヤタワ
ーブリッジ回路を用いて、図12に示す強誘電体キャパ
シタ30に対して、電圧を印加して測定を行った。この
実施形態では、上記ソーヤタワーブリッジ回路を用い、
オシロスコープでヒステリシス曲線を表示させた。
Next, the result of measuring the ferroelectric characteristics of the strontium bismuth tantalate film 35 according to this embodiment will be described. This ferroelectric characteristic was measured by the Sawyer tower method, and was measured by applying a voltage to the ferroelectric capacitor 30 shown in FIG. 12 using a Sawyer tower bridge circuit shown in FIG. . In this embodiment, using the Sawyer tower bridge circuit,
The hysteresis curve was displayed on an oscilloscope.

【0123】図17に示すソーヤタワーブリッジ回路
は、強誘電体キャパシタ30と直列に接続された基準コ
ンデンサ71のキャパシタCRは基準となるキャパシタ
であり、オシロスコープの横軸端子73には、強誘電体
薄膜素子である強誘電体キャパシタ30に印加された電
圧Vを分割した電圧VXが入力される。
[0123] Sawyer tower bridge circuit shown in FIG. 17, a capacitor C R of the ferroelectric capacitor 30 and reference capacitor 71 connected in series are capacitor serving as a reference, the horizontal axis pin 73 of the oscilloscope, the ferroelectric voltage V X obtained by dividing the applied voltage V to the ferroelectric capacitor 30 is the body thin film device is inputted.

【0124】ここで、強誘電体薄膜35の分極表面電荷
密度をPとし、真電荷面密度をDとすると、(P+ε
oE)×A、すなわちD×A(Aは電極面積)と、基準コン
デンサ71に蓄えられた電荷CRYとは、共に等しい電
荷量Qになる。したがって、縦軸端子72には、Dに比
例した電圧VY=(D×A/CR)が入力される。
Here, assuming that the polarization surface charge density of the ferroelectric thin film 35 is P and the true charge surface density is D, (P + ε
o E) × A, that is, D × A (A is an electrode area) and the electric charge C R V Y stored in the reference capacitor 71 have the same electric charge amount Q. Therefore, a voltage V Y = (D × A / C R ) proportional to D is input to the vertical axis terminal 72.

【0125】強誘電体膜35においては、PがεEに比
べて十分に大きいので、真電荷面密度D=分極表面電荷
密度Pとみなせる。このVY-VX曲線を、既知の量であ
る膜厚,分圧比,電極面積(A),基準コンデンサの静電容
量(CR)を用いて、目盛り直せば、P−E(残留自発分極
−電界)ヒステリシス曲線、またはD−E(蓄積電荷量−
電界)ヒステリシス曲線が得られる。このヒステリシス
曲線から、残留自発分極(Pr),抗電界(Ec),蓄積電荷量
(ΔQ)のそれぞれの値を読み取ることができる。
In the ferroelectric film 35, since P is sufficiently larger than εE, it can be considered that true charge surface density D = polarized surface charge density P. The V Y -V X curve, with a thickness which is a known quantity, the partial pressure ratio, the electrode area (A), the capacitance of the reference capacitor (C R), if fix it graduation, P-E (residual spontaneous Polarization-electric field) hysteresis curve or DE (accumulated charge-
An electric field) hysteresis curve is obtained. From this hysteresis curve, residual spontaneous polarization (P r ), coercive electric field (E c ), and accumulated charge
Each value of (ΔQ) can be read.

【0126】このソーヤタワー法を用いて、この実施形
態による9層からなる強誘電体膜35の特性を評価した
ところ、図18に示すようなヒステリシス曲線を得た。
すなわち、電界強度330kV/cmでの2Prが30
μC/cm2以上で、2Ecは112kV/cm以上、蓄
積電荷量ΔQは28μC/cm2以上であった。
When the characteristics of the nine-layered ferroelectric film 35 according to this embodiment were evaluated using the Sawyer tower method, a hysteresis curve as shown in FIG. 18 was obtained.
In other words, 2P r in the electric field intensity 330kV / cm 30
At 2 μC / cm 2 or more, 2E c was 112 kV / cm or more, and the accumulated charge ΔQ was 28 μC / cm 2 or more.

【0127】また、図16に、2Prの積層数依存性を
示す。積層数が3層より少ない、つまり膜厚が90nm
より薄い場合は、リーク電流密度が高く、ヒステリシス
測定が不可能であった。しかし、積層数が3層では、2
rの値は24.6μC/cm 2の高い値となり、積層数
の増加と共に増加傾向にあることが分かった。また、前
述の図15に示すように、10層以上でも高い<110
>軸ピーク強度を示すことが分かっているが、生産性が
低く、また厚膜化のため、工程中、膜にクラックが生じ
やすくなった。
Also, FIG.rDependence on the number of layers
Show. The number of layers is less than three, that is, the film thickness is 90 nm
If it is thinner, the leakage current density is higher and the hysteresis
Measurement was not possible. However, when the number of layers is three, two
PrIs 24.6 μC / cm TwoAnd the number of layers
It was found that there was an increasing trend with the increase of. Also before
As shown in FIG. 15 described above, even if the number of layers is 10 or more, it is high <110.
> Axial peak intensity is known, but productivity is
Due to low thickness and thick film, cracks occur in the film during the process
It became easier.

【0128】上記図15と図16に示した特性から、生
産性・機械的強度を考慮に入れると、良好な強誘電特性
が得られる条件は、ピーク強度比が、80〜230%の
範囲にあり、膜厚が90〜270nm(3〜9層)の範囲
にあることが分かった。上記ピーク強度比とは、33度
付近(面間隔32.45Å(±0.2Å))の<110>軸ピ
ーク強度を、29度付近(面間隔29.02Å(±0.2
Å))の<105>軸ピーク強度で除した値である。
From the characteristics shown in FIG. 15 and FIG. 16, when the productivity and the mechanical strength are taken into consideration, the condition for obtaining good ferroelectric characteristics is that the peak intensity ratio is in the range of 80 to 230%. It was found that the film thickness was in the range of 90 to 270 nm (3 to 9 layers). The peak intensity ratio is defined as the peak intensity of the <110> axis near 33 degrees (plane spacing of 32.45 ° (± 0.2 °)) and 29 degrees (plane spacing of 29.02 ° (± 0.2 °)).
Å)) divided by <105> axis peak intensity.

【0129】次に、この実施形態による上記成膜法を用
いて、膜厚150nm(5層)のタンタル酸ストロンチウ
ム・ビスマス膜35を、上記工程6,7における熱処理
工程において、550℃から650℃付近の温度領域の
昇温速度を1〜40℃/秒に変化させて作製した。この
とき、前駆体原料溶液におけるBi(ビスマス)の原子組
成の比率を22とし、一層塗布毎の結晶化後膜厚を30
nmとした。
Next, the strontium / bismuth tantalate film 35 having a thickness of 150 nm (five layers) is formed from 550 ° C. to 650 ° C. in the heat treatment steps 6 and 7 by using the film forming method according to this embodiment. It was prepared by changing the temperature rising rate in a nearby temperature range from 1 to 40 ° C./sec. At this time, the atomic composition ratio of Bi (bismuth) in the precursor raw material solution was set to 22, and the film thickness after crystallization for each coating was 30.
nm.

【0130】この作製したタンタル酸ストロンチウム・
ビスマス膜35の<110>軸強度/<105>軸強度
比の昇温速度依存性を、図21に示し、2Prの昇温速
度依存性を図22に示す。これらの特性から、昇温速度
が5℃/秒以上の領域で<110>軸/<105>軸強
度比が高く、昇温速度と共に2Prも上昇していること
が分かった。しかし、非常に高い昇温速度(300℃/
秒より大)で加熱したとき、熱衝撃による基板の反りが
見られた。これにより、良好なタンタル酸ストロンチウ
ム・ビスマス膜を得ることができる昇温速度領域は、5
〜300℃/秒であることが分かった。
The prepared strontium tantalate.
The <110> axis intensity / <105> axis intensity ratio of the heating rate dependence of the bismuth films 35, shown in FIG. 21, showing a heating rate dependence of the 2P r in FIG. 22. From these characteristics, it was found that the intensity ratio of the <110> axis / <105> axis was high in the region where the heating rate was 5 ° C./sec or more, and 2P r increased with the heating rate. However, a very high heating rate (300 ° C. /
(Seconds), the substrate was warped due to thermal shock. As a result, the temperature rising rate region in which a good strontium bismuth tantalate film can be obtained is 5
300300 ° C./sec.

【0131】これらの結果から、550℃から650℃
付近の温度領域の昇温速度によって、<110>軸の配
向強度を制御でき、それと共に残留分極Prの値も制御
できることがわかった。
From these results, it was found that 550 ° C. to 650 ° C.
The heating rate of the temperature region near, can control the orientation strength of <110> axis was found to be controlled also the value of the residual polarization P r therewith.

【0132】次に、この実施形態による前記成膜法を用
いて、膜厚150nmのタンタル酸ストロンチウム・ビ
スマス膜を、前駆体原料溶液におけるBi(ビスマス)の
原子組成比率を20から24に1ずつ変化させて作製し
た。このとき、550℃から650℃付近の温度領域の
昇温速度を40℃/秒とし、一層塗布毎の結晶化後の膜
厚を30nmとした。この作製されたタンタル酸ストロ
ンチウム・ビスマス膜の<110>軸強度/<105>
軸強度比と原料溶液におけるBiの組成比の関係を、図
19に示す。図19に示すように、Biの原子組成比が
22のときに、上記膜は最も強い<110>軸/<10
5>軸強度比を示した。
Next, by using the film forming method according to this embodiment, a strontium bismuth tantalate film having a thickness of 150 nm was formed by changing the atomic composition ratio of Bi (bismuth) in the precursor raw material solution from 20 to 24 in increments of 1 from 20. It was made by changing. At this time, the rate of temperature rise in a temperature range from 550 ° C. to 650 ° C. was set to 40 ° C./sec, and the film thickness after crystallization for each coating was set to 30 nm. <110> axial strength / <105> of the prepared strontium bismuth tantalate film
FIG. 19 shows the relationship between the axial strength ratio and the Bi composition ratio in the raw material solution. As shown in FIG. 19, when the atomic composition ratio of Bi is 22, the film has the strongest <110> axis / <10
5> axial strength ratio.

【0133】次に、図20に、上記タンタル酸ストロン
チウム・ビスマス膜の各試料の2P rの値を示す。この
図20から、最も<110>軸強度/<105>軸強度
比が強いBi組成比22の試料が、最も高い2Pr値を
得ていることが分かる。また、ここでは、その詳細は示
さないが、Biの原子組成比を20〜24まで変化させ
て、昇温速度の影響を調べると、Biの原子組成比が2
0では、2Prの値は昇温速度と共に上昇するものの、
<110>軸強度/<105>軸強度比には変化が見ら
れなかった。
FIG. 20 shows the strontium tantalate.
2P of each sample of Tb / Bm film rShows the value of this
FIG. 20 shows that the <110> axis strength / <105> axis strength
The sample having a strong Bi composition ratio of 22 has the highest 2PrThe value
You can see that it is getting. The details are shown here.
Not to change the atomic composition ratio of Bi from 20 to 24
Investigation of the effect of the heating rate revealed that the atomic composition ratio of Bi was 2
At 0, 2PrAlthough the value increases with the heating rate,
<110> axis strength / <105> axis strength ratio shows change
Was not.

【0134】また、X線回折像においては、弱いフルオ
ライトとパイロクロアのピークが見られた。さらに、B
iが過剰なBi組成比24では、<110>軸強度/<
105>軸強度比の昇温速度による増加率は、Bi組成
比が22の場合よりも低く、X線回折像においては、強
いビスマス白金のピークが見られ、Biの白金電極への
拡散が確認された。
In the X-ray diffraction image, weak fluorite and pyrochlore peaks were observed. Further, B
In the Bi composition ratio 24 where i is excessive, <110> axial strength / <
105> The rate of increase of the axial intensity ratio with the heating rate is lower than in the case where the Bi composition ratio is 22, and in the X-ray diffraction image, a strong bismuth platinum peak is observed, and diffusion of Bi to the platinum electrode is confirmed. Was done.

【0135】また、ここでは詳細は示さないが、Srの
原子組成比を8から変化させると、Biの原子組成比の
最適値も変化することが分かった。
Although not described in detail here, it was found that when the atomic composition ratio of Sr was changed from 8, the optimum value of the atomic composition ratio of Bi also changed.

【0136】以上の理由から、良好な膜が得られる条件
は、原料溶液における原子組成比Sr:Bi:Taを、
X:Y:Zと表記すると、1.4<(X+Y)/Z<1.6
の関係にあることがわかった。
For the above reasons, the conditions for obtaining a good film are as follows: the atomic composition ratio Sr: Bi: Ta in the raw material solution
When expressed as X: Y: Z, 1.4 <(X + Y) / Z <1.6.
It turned out that there was a relationship.

【0137】これらの結果から、ビスマスの組成比を制
御することにより、<110>軸の配向強度を制御で
き、それと共に残留分極Prの値も制御できることがわ
かった。
[0137] From these results, by controlling the composition ratio of bismuth, it can control the orientation strength of <110> axis, it was found that it is possible to control the value of the residual polarization P r therewith.

【0138】次に、この実施形態による上記成膜法を用
いて、膜厚200nm(±10nm)のタンタル酸ストロ
ンチウム・ビスマス膜35を、工程2〜工程4における
一層塗布毎の結晶化後の膜厚を25nm〜50nm弱に
変化させて作製した。このとき、550℃から650℃
付近の温度領域の昇温速度を40℃/秒とし、前駆体原
料溶液におけるBiの組成比率を22とした。このとき
の<110>軸強度/<105>軸強度比の各層膜厚に
対する依存性を、図23に示し、2Prの各層膜厚に対
する依存性を、図24に示す。
Next, a strontium / bismuth tantalate / tantalate film 35 having a film thickness of 200 nm (± 10 nm) is applied to the film after crystallization for each single-layer coating in Steps 2 to 4 by using the film forming method according to this embodiment. The thickness was changed from 25 nm to slightly less than 50 nm. At this time, 550 ° C to 650 ° C
The heating rate in the vicinity of the temperature range was set to 40 ° C./sec, and the composition ratio of Bi in the precursor raw material solution was set to 22. The dependence on each film thickness of <110> axis intensity / <105> axis intensity ratio of this time, shown in Figure 23, the dependence on each film thickness of the 2P r, shown in Figure 24.

【0139】図23からは、各層の膜厚が減少すると共
に、<110>軸/<105>軸強度比が増加している
ことが分かる。さらに、図24からは、各層膜厚が減少
すると共に、2Prも増加傾向にあることが分かる。し
かし、各層の膜厚が25nmより小さくなると、リーク
特性が低下したことが分かった。この低下の理由は、初
期層が、しま状に成長することによるものと考えられ
る。
From FIG. 23, it can be seen that the <110> axis / <105> axis intensity ratio increases as the film thickness of each layer decreases. Further, from FIG. 24, with each layer thickness is decreased, 2P r also can be seen that increasing. However, it was found that when the film thickness of each layer was smaller than 25 nm, the leak characteristics were reduced. It is considered that the reason for this decrease is that the initial layer grows in a stripe shape.

【0140】一方、各層の膜厚が50nmより厚くなっ
た場合にも、リーク特性が低下した。その低下の理由
は、各層毎に結晶核が発生することによって、膜厚方向
の緻密性が低下していることによるものと考えられる。
よって、良好な膜を得られる領域は、各層の膜厚が25
〜50nmの範囲にあることが分かった。
On the other hand, when the film thickness of each layer was larger than 50 nm, the leak characteristics also deteriorated. It is considered that the reason for the decrease is that crystal nuclei are generated in each layer, and the denseness in the film thickness direction is reduced.
Therefore, a region where a good film can be obtained has a thickness of 25% for each layer.
It was found to be in the range of 5050 nm.

【0141】これらの結果から、各層の膜厚を制御する
ことによって、<110>軸の配向強度を制御でき、そ
れと共に残留分極Prの値も制御できることがわかっ
た。
[0141] From these results, by controlling the thickness of each layer, can control the orientation strength of <110> axis was found to be controlled also the value of the residual polarization P r therewith.

【0142】また、以上の第2実施形態において、MO
D法における出発原料にニオブエトキシドを用いて、タ
ンタルを全てニオブで置換することによって、ニオブ酸
ストロンチウム・ビスマス膜を形成した場合でも、上記
実施形態と同様の効果が得られた。また、MOD法にお
ける出発原料にニオブエトキシドを用いて、タンタルの
一部をニオブで置換することによって、タンタル酸ニオ
ブ酸ストロンチウム・ビスマス膜を形成した場合でも、
上記実施形態と同様の効果が得られた。
In the second embodiment, the MO
Even when a strontium-bismuth niobate film was formed by using niobium ethoxide as the starting material in method D and replacing all tantalum with niobium, the same effects as in the above embodiment were obtained. Further, even when a strontium bismuth tantalate niobate film is formed by using niobium ethoxide as a starting material in the MOD method and substituting a part of tantalum with niobium,
The same effect as the above embodiment was obtained.

【0143】以上のように、この実施形態のタンタル酸
ストロンチウム・ビスマス膜の形成方法によれば、ラン
ダム配向した初期層(第一層)から、高い強誘電特性を得
ることができるa,b軸成分(例えば、<110>軸配向
成分)を優先的に増加させることが可能である。また、
その成分比率は、550℃から650℃付近の温度領域
の昇温速度と原料溶液の原子組成,各層の膜厚によって
制御可能であり、その膜を用いたキャパシタの強誘電特
性は、従来のものと比較して高いものとなった。
As described above, according to the method of forming a strontium-bismuth tantalate film of this embodiment, a high ferroelectric property can be obtained from the random-oriented initial layer (first layer). It is possible to preferentially increase the component (eg, <110> axis orientation component). Also,
The component ratio can be controlled by the temperature rise rate in the temperature range from 550 ° C to 650 ° C, the atomic composition of the raw material solution, and the film thickness of each layer. It was higher than that.

【0144】次に、図25に、上記実施形態によって形
成された強誘電体薄膜を有する強誘電体キャパシタを備
えたプレーナ型構造の不揮発性メモリの断面を示す。
Next, FIG. 25 shows a cross section of a nonvolatile memory having a planar structure having a ferroelectric capacitor having a ferroelectric thin film formed according to the above embodiment.

【0145】この不揮発メモリは、半導体基板51に、
局部的酸化いわゆるLOCOSによって形成した素子分
離絶縁層57が形成され、これによって分離された領域
に、ソース領域59およびドレイン領域60が形成さ
れ、これらソース領域59およびドレイン領域60間上
に、MISトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタ)58が形成される。さらに、このMISトラン
ジスタ58上に、例えば、SiO2やBPSG(ボロン・
リン・シリケートガラス)等による層間絶縁層61が形
成される。
This non-volatile memory includes a semiconductor substrate 51,
An element isolation insulating layer 57 formed by local oxidation, so-called LOCOS, is formed, and a source region 59 and a drain region 60 are formed in the region thus separated. An MIS transistor is formed between the source region 59 and the drain region 60. (Insulated gate field effect transistor) 58 is formed. Further, on this MIS transistor 58, for example, SiO 2 or BPSG (boron
An interlayer insulating layer 61 made of phosphorus silicate glass or the like is formed.

【0146】そして、素子分離絶縁層57の上の層間絶
縁層61上にバッファー層53を形成する。このバッフ
ァー層53は、酸化チタン層によって構成する。そし
て、下部電極54上に、上記実施形態によって形成され
たタンタル酸ストロンチウム・ビスマス強誘電体層55
を形成し、この強誘電体層55の上に白金上部電極56
を形成する。これにより、下部電極54と強誘電体層5
5と上部電極56による大容量の強誘電体キャパシタ5
0が構成される。
Then, the buffer layer 53 is formed on the interlayer insulating layer 61 on the element isolation insulating layer 57. This buffer layer 53 is composed of a titanium oxide layer. Then, on the lower electrode 54, the strontium bismuth tantalate-bismuth ferroelectric layer 55 formed according to the above embodiment is formed.
Is formed, and a platinum upper electrode 56 is formed on the ferroelectric layer 55.
To form Thereby, the lower electrode 54 and the ferroelectric layer 5
5 and a large-capacity ferroelectric capacitor 5 composed of an upper electrode 56
0 is configured.

【0147】さらに、上部電極56上を含んで全面的に
上層絶縁層62が形成され、この上層絶縁層62の、例
えば、上部電極56上と層間絶縁層61のソース領域5
9上とにコンタクトホール63が穿設され、これらコン
タクトホール63を通じて、上部電極56とソース領域
59とが配線64によってコンタクトされた構成とされ
る。
Further, an upper insulating layer 62 is formed on the entire surface including the upper electrode 56, and, for example, the source region 5 of the upper insulating layer 62 on the upper electrode 56 and the interlayer insulating layer 61 is formed.
9, a contact hole 63 is formed, and the upper electrode 56 and the source region 59 are in contact with each other by a wiring 64 through the contact holes 63.

【0148】このようにして作製した不揮発性メモリ
は、高い蓄積電荷量ΔQを持つ強誘電体キャパシタを用
いているから、キャパシタ面積を小さくできる。したが
って、高集積化に有利である。また、高い信号雑音比と
飽和特性を持つので、低消費電力半導体装置となる。
The nonvolatile memory manufactured in this manner uses a ferroelectric capacitor having a high accumulated charge amount ΔQ, so that the capacitor area can be reduced. Therefore, it is advantageous for high integration. Further, since the semiconductor device has a high signal-to-noise ratio and a saturation characteristic, the semiconductor device has low power consumption.

【0149】ここで、成膜された基板は、通常、半導体
装置や集積回路等の基板として使用できるものであれば
特に限定されるものではない。例えば、シリコン等の半
導体基板,GaAs等の化合物半導体基板,MgO等の
酸化物結晶基板,硝子基板など、形成しようとする素子
の種類,用途等によって選択できるが、中でもシリコン
基板が好ましい。
The substrate on which the film is formed is not particularly limited as long as it can be used as a substrate for a semiconductor device, an integrated circuit, or the like. For example, a semiconductor substrate such as silicon, a compound semiconductor substrate such as GaAs, an oxide crystal substrate such as MgO, a glass substrate, and the like can be selected according to the type and use of the element to be formed. Among them, a silicon substrate is preferable.

【0150】[0150]

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の強
誘電体キャパシタは、一対の電極間に形成された強誘電
体膜が、CuKα線を用いたX線回折像において、膜厚
方向に主に、面間隔29.02Å(±0.2Å)と面間隔3
2.45Å(±0.2Å)にピーク値を示すSrBi2(Ta
XNb1-X)29(x=0〜1)強誘電体膜である。この発
明の強誘電体キャパシタのような構成により、大きな強
誘電特性を得ることが可能となり、基板上に形成された
集積回路素子の一部として好適に用いることが可能であ
る。
As is clear from the above, in the ferroelectric capacitor of the present invention, the ferroelectric film formed between the pair of electrodes has a thickness direction in the X-ray diffraction image using CuKα ray. Mainly, surface spacing 29.02Å (± 0.2Å) and surface spacing 3
SrBi 2 (Ta having a peak value at 2.45 ° (± 0.2 °)
X Nb 1-X) 2 O 9 (x = 0~1) is a ferroelectric film. With a configuration like the ferroelectric capacitor of the present invention, it is possible to obtain a large ferroelectric characteristic, and it can be suitably used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.

【0151】また、一実施形態の強誘電体キャパシタで
は、上記強誘電体膜は、CuKα線を用いたX線回折像
でのピーク強度が、膜厚方向に面間隔29.02Å(±
0.2Å)のピーク値を100%としたとき、面間隔3
2.45Å(±0.2Å)のピーク値が80〜300%であ
るSrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)強誘電体
膜である。この請求項2の発明の強誘電体キャパシタに
よれば、より大きな強誘電特性を得ることができる。
In one embodiment of the ferroelectric capacitor, the ferroelectric film has a peak intensity in an X-ray diffraction image using CuKα radiation of 29.02 ° (±
When the peak value of 0.2%) is taken as 100%, the surface spacing is 3
This is a SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0 to 1) ferroelectric film having a peak value of 2.45 ° (± 0.2 °) of 80 to 300%. According to the ferroelectric capacitor of the second aspect, it is possible to obtain a larger ferroelectric characteristic.

【0152】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
では、上記強誘電体膜は、SrBi 2(TaXNb1-X)2
9(x=0〜1)が柱状構造である。この実施形態の強誘
電体キャパシタによれば、より大きな強誘電特性を得る
ことができる。
Further, a ferroelectric capacitor of another embodiment
Then, the ferroelectric film is made of SrBi Two(TaXNb1-X)TwoO
9(x = 0 to 1) is a columnar structure. Invitation of this embodiment
According to the electric capacitor, a larger ferroelectric property is obtained.
be able to.

【0153】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
は、基板上に金属膜を形成する工程と、ストロンチウ
ム,ビスマスの二元素と、タンタルまたはニオブの少な
くとも一方とのアルコキシドまたは有機金属塩の原料溶
液を作製する工程と、上記溶液を基板に塗布する工程
と、上記溶液を基板に塗布後、乾燥する工程と、上記溶
液を結晶化温度以上に加熱する工程とを備え、上記溶液
塗布からの上記溶液を加熱するまでの工程を、上記基板
上の金属膜が所定の膜厚になるまで繰り返すことで、上
記基板上にSrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)
強誘電体膜を形成する方法であって、上記溶液を結晶化
温度以上に加熱する工程で、550〜650℃付近の温
度領域の昇温速度の調整、原料溶液におけるビスマスの
組成比の調整の少なくとも一方の調整を行うことによ
り、SrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)強誘電
体膜のa、b軸の配向成分を制御する。
In one embodiment, a method of manufacturing a ferroelectric film includes a step of forming a metal film on a substrate, an alkoxide or an organic metal salt of two elements of strontium and bismuth and at least one of tantalum or niobium. Preparing a raw material solution, applying the solution to a substrate, applying the solution to the substrate, drying the solution, and heating the solution to a crystallization temperature or higher. Is repeated until the metal film on the substrate has a predetermined thickness, so that SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O 9 (x = 0-1)
A method for forming a ferroelectric film, wherein the step of heating the solution to a temperature higher than the crystallization temperature includes adjusting a heating rate in a temperature region around 550 to 650 ° C. and adjusting a composition ratio of bismuth in the raw material solution. By performing at least one adjustment, the orientation components of the a and b axes of the SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0 to 1) ferroelectric film are controlled.

【0154】この実施形態の製造方法では、SrBi
2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)膜は、高い強誘電特
性が得られるa、b軸成分、例えば<110>軸配向強
度が、最も高いと言った従来では見られなかった構造を
示し、それを用いたキャパシタの強誘電特性も、従来の
ものと比較して高いものとなった。
In the manufacturing method of this embodiment, SrBi
The 2 (Ta X Nb 1-x ) 2 O 9 (x = 0 to 1) film is a conventional film which is said to have the highest a- and b-axis components, for example, <110> -axis orientation strength, at which high ferroelectric properties can be obtained. In this case, a structure that could not be seen was shown, and the ferroelectric characteristics of the capacitor using the structure were higher than those of the conventional one.

【0155】また、他の実施形態の強誘電体膜の製造方
法では、550〜650℃付近の温度領域の昇温速度の
調整における昇温速度を、5〜200℃/秒の範囲とす
る。この実施形態では、基板の反りを抑えつつ、高い強
誘電特性を得ることができる。
In the method of manufacturing a ferroelectric film according to another embodiment, the temperature rise rate in the temperature range around 550 to 650 ° C. is adjusted within a range of 5 to 200 ° C./sec. In this embodiment, high ferroelectric characteristics can be obtained while suppressing warpage of the substrate.

【0156】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
では、上記溶液を基板に塗布する工程で、基板に塗布す
る溶液が、(タンタル+ニオブ)を20としたとき、ビス
マスが20〜24の過剰となるように、上記原料溶液の
作製工程で、ビスマスの組成比を調整する。この実施形
態では、特に、高い強誘電特性が得られた。
In one embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric film, in the step of applying the solution to the substrate, when the solution applied to the substrate is (tantalum + niobium) = 20, the bismuth is 20 to In the step of preparing the raw material solution, the composition ratio of bismuth is adjusted so that 24 is excessive. In this embodiment, particularly, high ferroelectric characteristics were obtained.

【0157】また、他の実施形態の強誘電体膜の製造方
法では、上記基板上に形成される結晶化後の金属膜厚
が、35nm以下になるように、上記原料溶液を基板に
塗布する。この実施形態では、上記基板上に形成される
結晶化後の金属膜厚が、35nm以下であれば、膜厚増
加に伴って強誘電特性が増大した。
In the method of manufacturing a ferroelectric film according to another embodiment, the raw material solution is applied to the substrate such that the metal film thickness after crystallization formed on the substrate is 35 nm or less. . In this embodiment, when the thickness of the metal film formed on the substrate after crystallization is 35 nm or less, the ferroelectric characteristics increase as the film thickness increases.

【0158】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
は、基板上に形成される金属膜の最上部が白金層であ
る。この実施形態では、基板上に形成される金属膜の最
上部が白金層であることにより、特に高い強誘電特性が
得られた。
In one embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric film, the uppermost part of the metal film formed on the substrate is a platinum layer. In this embodiment, particularly high ferroelectric characteristics were obtained because the platinum layer was the uppermost part of the metal film formed on the substrate.

【0159】また、他の実施形態の半導体装置は、上記
キャパシタを、基板上に形成された集積回路素子の一部
として用いる。この実施形態の半導体装置は、高い強誘
電特性を持つ上記キャパシタを用いたので、高集積化が
可能となる。
In the semiconductor device according to another embodiment, the capacitor is used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate. Since the semiconductor device of this embodiment uses the above-described capacitor having high ferroelectric characteristics, high integration is possible.

【0160】また、一実施形態の強誘電体キャパシタ
は、基板上に少なくとも一対の電極と強誘電体膜を具備
する強誘電体キャパシタであって、上記一対の電極間に
形成された強誘電体膜が、基板側電極付近よりも対向す
るもう一方の電極付近の方において、CuKα線を用い
た膜厚方向のX線回折像で、面間隔32.45Å(±0.
2Å)である結晶配向成分を持つタンタル酸ストロンチ
ウム・ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム・ビスマス、
もしくはそれらの固溶体の強誘電体膜である。この実施
形態のキャパシタは、分極軸方向に配向した結晶成分を
多く持ち、高い強誘電特性を示すことができる。したが
って、基板上に形成された集積回路素子の一部として好
適に用いることが可能である。
The ferroelectric capacitor of one embodiment is a ferroelectric capacitor having at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric capacitor formed between the pair of electrodes is provided. The X-ray diffraction image of the film in the thickness direction using CuKα radiation in the vicinity of the other electrode opposed to the vicinity of the substrate-side electrode showed a surface spacing of 32.45 ° (± 0.
2Å) strontium bismuth tantalate, strontium bismuth niobate having a crystal orientation component,
Or a ferroelectric film of a solid solution thereof. The capacitor of this embodiment has many crystal components oriented in the direction of the polarization axis, and can exhibit high ferroelectric characteristics. Therefore, it can be suitably used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.

【0161】また、他の実施形態の強誘電体キャパシタ
は、基板上に少なくとも一対の電極と強誘電体膜を具備
する強誘電体キャパシタであって、上記一対の電極間に
形成された強誘電体膜が、CuKα線を用いたX線回折
像でのピーク強度が、膜厚方向に面間隔29.02Å(±
0.2Å)のピーク値を100%としたとき、面間隔3
2.45Å(±0.2Å)のピーク値が80〜230%の範
囲にあり、膜厚が90〜270nmの範囲にあるタンタ
ル酸ストロンチウム・ビスマス、ニオブ酸ストロンチウ
ム・ビスマス、もしくはそれらの固溶体の強誘電体膜で
ある。この実施形態のキャパシタは、分極軸方向に配向
した結晶成分を多く持ち、高い強誘電特性を示すことが
できる。さらに、量産性が高い。
A ferroelectric capacitor according to another embodiment is a ferroelectric capacitor having at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric capacitor is formed between the pair of electrodes. When the body film has a peak intensity in the X-ray diffraction image using CuKα radiation of 29.02 ° (±
When the peak value of 0.2%) is set to 100%, the surface spacing is 3
Strontium bismuth tantalate, strontium bismuth niobate, or a solid solution thereof having a peak value of 2.45 ° (± 0.2 °) in the range of 80 to 230% and a film thickness of 90 to 270 nm. It is a dielectric film. The capacitor of this embodiment has many crystal components oriented in the direction of the polarization axis, and can exhibit high ferroelectric characteristics. Furthermore, mass productivity is high.

【0162】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
は、基板上に金属膜を形成する工程と、ストロンチウ
ム,ビスマスの二元素と、タンタルとニオブの少なくと
も一方とのアルコキシドまたは有機金属塩の原料溶液を
作製する工程と、上記溶液を基板に塗布する工程と、上
記塗布後、基板を乾燥する工程と、結晶化温度以上に、
上記基板を加熱する工程とを備え、上記溶液塗布から上
記基板加熱までの工程を、上記基板上の金属膜が所定の
膜厚になるまで繰り返すことで、上記基板上にタンタル
酸ストロンチウム・ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム
・ビスマス、もしくはそれらの固溶体の強誘電体膜を形
成する方法であって、上記結晶化温度以上に加熱する工
程で、原料溶液における原子組成比の調整、550〜6
50℃付近の温度領域の昇温速度の調整、一回の工程で
形成される膜厚の調整のうちの少なくとも一つの調整を
行うことにより、面間隔32.45Å(±0.2Å)の配向
成分を制御する。この実施形態の製造方法によれば、上
記原料溶液を塗布,乾燥,加熱して形成する上記強誘電体
膜において、ランダム配向した第一層から分極軸方向に
配向した結晶成分を優先的に成長させることができる。
In one embodiment of the present invention, a method of manufacturing a ferroelectric film includes a step of forming a metal film on a substrate, an alkoxide or an organic metal salt of two elements of strontium and bismuth and at least one of tantalum and niobium. A step of preparing a raw material solution, a step of applying the solution to the substrate, and a step of drying the substrate after the application, and at a crystallization temperature or higher,
Heating the substrate, the steps from the solution application to the substrate heating, by repeating until the metal film on the substrate has a predetermined thickness, strontium bismuth tantalate on the substrate, A method for forming a ferroelectric film of strontium bismuth niobate or a solid solution thereof, wherein the step of heating to a temperature equal to or higher than the above-mentioned crystallization temperature adjusts the atomic composition ratio in the raw material solution;
By adjusting at least one of the adjustment of the temperature rising rate in the temperature region near 50 ° C. and the adjustment of the film thickness formed in one process, the orientation of the plane spacing of 32.45 ° (± 0.2 °) is achieved. Control the ingredients. According to the manufacturing method of this embodiment, in the ferroelectric film formed by applying, drying, and heating the raw material solution, a crystal component oriented in the polarization axis direction is preferentially grown from the randomly oriented first layer. Can be done.

【0163】また、他の実施形態の強誘電体膜の製造方
法では、550〜650℃付近の温度領域の昇温速度の
調整における昇温速度を、5〜300℃/秒の範囲にす
る。この実施形態の製造方法によれば、上記原料溶液を
塗布,乾燥,加熱して形成する上記強誘電体膜において、
ランダム配向した第一層から分極軸方向に配向した結晶
成分を優先的に成長させることができる。
In the method of manufacturing a ferroelectric film according to another embodiment, the temperature rise rate in the temperature range around 550 to 650 ° C. is adjusted to a range of 5 to 300 ° C./sec. According to the manufacturing method of this embodiment, in the ferroelectric film formed by applying, drying and heating the raw material solution,
Crystal components oriented in the polarization axis direction can be preferentially grown from the randomly oriented first layer.

【0164】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
では、原料溶液における原子組成比Sr:Bi:(Ta
+Nb)=X:Y:Zが、1.4<(X+Y)/Z<1.6
である。この実施形態によれば、上記ランダム配向した
第一層から分極軸方向に配向した結晶成分を優先的に成
長させることができる。
In one embodiment of the method for manufacturing a ferroelectric film, the atomic composition ratio Sr: Bi: (Ta
+ Nb) = X: Y: Z, where 1.4 <(X + Y) / Z <1.6
It is. According to this embodiment, a crystal component oriented in the polarization axis direction can be preferentially grown from the random oriented first layer.

【0165】また、他の実施形態の強誘電体膜の製造方
法では、上記原料溶液を基板に塗布する工程は、一回の
塗布工程において、結晶化後の膜厚が25〜50nmに
なるように、上記原料溶液を塗布する。この請求項15
の製造方法によれば、ランダム配向した第一層から分極
軸方向に配向した結晶成分を優先的に成長させることが
できる。
In the method of manufacturing a ferroelectric film according to another embodiment, the step of applying the raw material solution to the substrate is such that the thickness after crystallization is 25 to 50 nm in one application step. Then, the above-mentioned raw material solution is applied. This claim 15
According to the manufacturing method of (1), the crystal component oriented in the polarization axis direction can be preferentially grown from the randomly oriented first layer.

【0166】また、一実施形態の強誘電体膜の製造方法
では、基板上に形成する金属膜の主成分が白金である。
この実施形態の製造方法によれば、ランダム配向した第
一層から分極軸方向に配向した結晶成分を優先的に成長
させることができる。
In one embodiment of the method for manufacturing a ferroelectric film, the main component of the metal film formed on the substrate is platinum.
According to the manufacturing method of this embodiment, the crystal component oriented in the polarization axis direction can be preferentially grown from the randomly oriented first layer.

【0167】また、他の実施形態の半導体装置は、上記
強誘電体キャパシタを、基板上に形成された集積回路素
子の一部として用いる。この実施形態の半導体装置は、
高い強誘電特性を持つキャパシタを用いているので高集
積化が可能である。
In a semiconductor device according to another embodiment, the ferroelectric capacitor is used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate. The semiconductor device according to this embodiment includes:
Since a capacitor having high ferroelectric characteristics is used, high integration is possible.

【0168】以上、本発明によれば、SrBi2(TaX
Nb1-X)29(x=0〜1)は膜厚方向に<110>軸が
優先的に配向しているので、キャパシタ化したとき高い
強誘電特性を得ることができる。また、このキャパシタ
を用いた半導体装置、例えば、不揮発性メモリは、高集
積化,低電圧駆動化が可能である。
As described above, according to the present invention, SrBi 2 (Ta X
Since the <110> axis of Nb 1-X ) 2 O 9 (x = 0 to 1) is preferentially oriented in the film thickness direction, high ferroelectric characteristics can be obtained when a capacitor is formed. Further, a semiconductor device using this capacitor, for example, a non-volatile memory can be highly integrated and driven at a low voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の第1実施形態の強誘電体薄膜素子の
要部概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a main part of a ferroelectric thin film element according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の第1実施形態の強誘電体膜の製造工
程を説明する工程図である。
FIG. 2 is a process diagram illustrating a manufacturing process of the ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の第1実施形態の強誘電体膜のX線回
折像である。
FIG. 3 is an X-ray diffraction image of the ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の第1実施形態の強誘電体膜の配向成
分比を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an orientation component ratio of the ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention.

【図5】 上記第1実施形態において強誘電特性の測定
に用いたソーヤタワーブリッジを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a Sawyer tower bridge used for measuring ferroelectric characteristics in the first embodiment.

【図6】 上記第1実施形態によるヒステリシス曲線と
比較例のヒステリシス曲線を示す特性図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a hysteresis curve according to the first embodiment and a hysteresis curve of a comparative example.

【図7】 上記第1実施形態において<110>強度と
<105>強度比の昇温速度依存性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a heating rate dependency of a <110> intensity and a <105> intensity ratio in the first embodiment.

【図8】 上記第1実施形態において蓄積電荷量ΔQの
昇温速度依存性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a temperature rise rate dependency of an accumulated charge amount ΔQ in the first embodiment.

【図9】 上記第1実施形態において信号雑音比、抗電
界Ecの昇温速度依存性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the dependency of the signal-to-noise ratio and the coercive electric field Ec on the heating rate in the first embodiment.

【図10】 本発明による上記実施形態の強誘電体膜と
比較例の強誘電体膜のX線回折像である。
FIG. 10 is an X-ray diffraction image of the ferroelectric film of the embodiment according to the present invention and a ferroelectric film of a comparative example.

【図11】 上記実施形態の半導体装置の概略構造を示
す要部断面図である。
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view showing a schematic structure of the semiconductor device of the embodiment.

【図12】 この発明の第2実施形態の強誘電体薄膜素
子の要部概略断面図である。
FIG. 12 is a schematic sectional view of a main part of a ferroelectric thin film element according to a second embodiment of the present invention.

【図13】 この発明の第2実施形態による強誘電体膜
のX線回折像である。
FIG. 13 is an X-ray diffraction image of the ferroelectric film according to the second embodiment of the present invention.

【図14】 この発明の第2実施形態による強誘電体膜
の製造工程を説明する工程図である。
FIG. 14 is a process chart illustrating a process of manufacturing a ferroelectric film according to a second embodiment of the present invention.

【図15】 上記第2実施形態において、<110>強
度と<105>強度比の積層数依存性を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing the dependence of the <110> intensity and <105> intensity ratio on the number of layers in the second embodiment.

【図16】 上記第2実施形態において、2Prの積層
数依存性を示す図である。
[16] In the second embodiment, showing the stacking number dependence of the 2P r.

【図17】 上記第2実施形態において、強誘電特性の
測定に用いたソーヤタワーブリッジ回路を示す図であ
る。
FIG. 17 is a diagram showing a Sawyer tower bridge circuit used for measuring ferroelectric characteristics in the second embodiment.

【図18】 上記第2実施形態によるヒステリシス曲線
を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing a hysteresis curve according to the second embodiment.

【図19】 上記第2実施形態において、<110>強
度/<105>強度比のBi組成比依存性を示す図であ
る。
FIG. 19 is a diagram showing the Bi composition ratio dependency of the <110> intensity / <105> intensity ratio in the second embodiment.

【図20】 上記第2実施形態において、2PrのBi
組成比依存性を示す図である。
[20] In the second embodiment, the 2P r Bi
It is a figure which shows a composition ratio dependency.

【図21】 上記第2実施形態において、<110>強
度/<105>強度比の昇温速度依存性を示す図であ
る。
FIG. 21 is a diagram showing a heating rate dependency of a <110> intensity / <105> intensity ratio in the second embodiment.

【図22】 上記第2実施形態において、2Prの昇温
速度依存性を示す図である。
[22] In the second embodiment, showing a heating rate dependence of the 2P r.

【図23】 上記第2実施形態において、<110>強
度/<105>強度比の各層膜厚依存性を示す図であ
る。
FIG. 23 is a diagram showing the dependence of <110> intensity / <105> intensity ratio on each layer thickness in the second embodiment.

【図24】 上記第2実施形態において、2Prの各層
膜厚依存性を示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing the dependency of 2P r on each layer thickness in the second embodiment.

【図25】 上記第2実施形態を備えた半導体装置の概
略構造を示す要部断面図である。
FIG. 25 is a fragmentary cross-sectional view showing a schematic structure of a semiconductor device having the second embodiment.

【図26】 この発明による上記第2実施形態の強誘電
体膜を走査型電子顕微鏡で撮影した断面写真図を示す。
FIG. 26 is a cross-sectional photograph of the ferroelectric film according to the second embodiment of the present invention taken by a scanning electron microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基板、2…熱酸化膜、3…バッファー層(酸化チタ
ン膜)、4…下部電極層、5…強誘電体薄膜、6…上部
電極層、7…素子分離絶縁層、8…MISトランジスタ
−不純物拡散領域、9…ソース領域−コンタクトホー
ル、10…ドレイン領域、11…層間絶縁膜、12…上
層絶縁層、13…コンタクトホール、14…配線、3
0,50…強誘電体キャパシタ、31…基板、32…熱
酸化膜、33…バッファー層(酸化チタン膜)、34…下
部電極層、35…強誘電体薄膜、36…上部電極層、5
1…半導体基板、53…バッファー層、54…下部電
極、55…強誘電体層、56…上部電極、57…素子分
離絶縁層、58…MISトランジスタ、59…ソース領
域、60…ドレイン領域、61…層間絶縁層、62…上
層絶縁層、63…コンタクトホール、64…配線。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Thermal oxide film, 3 ... Buffer layer (titanium oxide film), 4 ... Lower electrode layer, 5 ... Ferroelectric thin film, 6 ... Upper electrode layer, 7 ... Element isolation insulating layer, 8 ... MIS transistor -Impurity diffusion region, 9 ... source region-contact hole, 10 ... drain region, 11 ... interlayer insulating film, 12 ... upper insulating layer, 13 ... contact hole, 14 ... wiring, 3
0,50: ferroelectric capacitor, 31: substrate, 32: thermal oxide film, 33: buffer layer (titanium oxide film), 34: lower electrode layer, 35: ferroelectric thin film, 36: upper electrode layer, 5
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 53 ... Buffer layer, 54 ... Lower electrode, 55 ... Ferroelectric layer, 56 ... Upper electrode, 57 ... Element isolation insulating layer, 58 ... MIS transistor, 59 ... Source region, 60 ... Drain region, 61 ... interlayer insulating layer, 62 ... upper insulating layer, 63 ... contact hole, 64 ... wiring.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F038 AC05 AC15 AC17 AC18 EZ14 EZ17 EZ20 5F083 AD14 FR02 GA12 JA13 JA17 JA35 JA38 JA39 JA40 PR23 PR33 PR34  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F038 AC05 AC15 AC17 AC18 EZ14 EZ17 EZ20 5F083 AD14 FR02 GA12 JA13 JA17 JA35 JA38 JA39 JA40 PR23 PR33 PR34

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に少なくとも一対の電極と、強誘
電体膜とを備えた強誘電体キャパシタであって、 上記一対の電極間に形成された強誘電体膜が、CuKα
線を用いたX線回折像において、膜厚方向に、面間隔2
9.02ű0.2Åと面間隔32.45ű0.2Åと
に、ピーク値を示すSrBi2(TaXNb1-X)29(x=
0〜1)強誘電体膜であることを特徴とする強誘電体キ
ャパシタ。
1. A ferroelectric capacitor having at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric film formed between the pair of electrodes is CuKα.
In the X-ray diffraction image using X-rays,
SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O 9 (x = 10 ) showing peak values at 9.02 {± 0.2} and at a spacing of 32.45 ± 0.2 °
0-1) A ferroelectric capacitor characterized by being a ferroelectric film.
【請求項2】 請求項1に記載の強誘電体キャパシタに
おいて、 上記強誘電体膜は、 CuKα線を用いたX線回折像でのピーク強度が、膜厚
方向に面間隔29.02ű0.2Åのピーク値を100
%としたとき、面間隔32.45ű0.2Åのピーク値
が80〜300%であるSrBi2(TaXNb1-X)2
9(x=0〜1)強誘電体膜であることを特徴とする強誘
電体キャパシタ。
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the ferroelectric film has a peak intensity in an X-ray diffraction image using CuKα radiation of 29.02Å ± 0 in a film thickness direction. .2Å peak value of 100
%, SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O having a peak value of 80 to 300% at a spacing of 32.45 ° ± 0.2 °.
9 (x = 0-1) Ferroelectric capacitor characterized by being a ferroelectric film.
【請求項3】 請求項1または2に記載の強誘電体キャ
パシタにおいて、 上記強誘電体膜は、SrBi2(TaXNb1-X)29(x=
0〜1)が柱状構造であることを特徴とする強誘電体キ
ャパシタ。
3. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the ferroelectric film is made of SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x =
A ferroelectric capacitor wherein 0-1) has a columnar structure.
【請求項4】 基板上に金属膜を形成する工程と、 ストロンチウム,ビスマスの二元素と、タンタルとニオ
ブの少なくとも一方とのアルコキシドまたは有機金属塩
の原料溶液を作製する工程と、 上記溶液を上記基板上の金属膜に塗布する工程と、 上記基板上の金属膜に塗布した上記溶液を乾燥させる工
程と、 上記溶液を結晶化温度以上に加熱する工程とを備え、 上記溶液塗布から上記溶液加熱までの工程を、上記溶液
からなる膜が所定の膜厚になるまで繰り返すことで、上
記基板上にSrBi2(TaXNb1-X)29(x=0〜1)
強誘電体膜を形成する強誘電体キャパシタの製造方法で
あって、 上記溶液を結晶化温度以上に加熱する工程での550〜
650℃の温度領域の昇温速度の調整、または、原料溶
液におけるビスマスの組成比の調整の少なくとも一方の
調整を行うことによって、SrBi2(TaXNb1-X)2
9(x=0〜1)強誘電体膜のa、b軸の配向成分の大きさ
を制御することを特徴とする強誘電体キャパシタの製造
方法。
4. A step of forming a metal film on a substrate; a step of forming a raw material solution of an alkoxide or an organic metal salt of two elements of strontium and bismuth and at least one of tantalum and niobium; A step of coating the metal film on the substrate; a step of drying the solution applied to the metal film on the substrate; and a step of heating the solution to a crystallization temperature or higher. Are repeated until the film made of the solution reaches a predetermined film thickness, so that SrBi 2 (Ta X Nb 1 -x) 2 O 9 (x = 0 to 1 ) is formed on the substrate.
A method of manufacturing a ferroelectric capacitor for forming a ferroelectric film, comprising: a step of heating the solution to a temperature equal to or higher than a crystallization temperature;
By adjusting at least one of the rate of temperature rise in the temperature range of 650 ° C. and / or the composition ratio of bismuth in the raw material solution, SrBi 2 (Ta X Nb 1 -X ) 2 O
9 (x = 0 to 1) A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, comprising controlling the magnitude of the orientation components of the a and b axes of the ferroelectric film.
【請求項5】 請求項4に記載の強誘電体キャパシタの
製造方法において、 550〜650℃の温度領域の昇温速度の調整における
昇温速度を、5〜200℃/秒の範囲とすることを特徴
とする強誘電体キャパシタの製造方法。
5. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 4, wherein the temperature increase rate in the adjustment of the temperature increase rate in the temperature range of 550 to 650 ° C. is in the range of 5 to 200 ° C./sec. A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, comprising:
【請求項6】 請求項4に記載の強誘電体キャパシタの
製造方法において、 上記溶液を基板に塗布する工程で、上記基板に塗布する
溶液が、(タンタル+ニオブ)の原子組成比を20とした
とき、ビスマスの原子組成比が20〜24となるよう
に、上記原料溶液の作製工程で、ビスマスの原子組成比
を調整することを特徴とする強誘電体キャパシタの製造
方法。
6. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 4, wherein in the step of applying the solution to the substrate, the solution applied to the substrate has an atomic composition ratio of (tantalum + niobium) of 20. A method of manufacturing a ferroelectric capacitor, comprising adjusting the atomic composition ratio of bismuth in the step of preparing the raw material solution so that the atomic composition ratio of bismuth is 20 to 24.
【請求項7】 請求項4乃至6のいずれか1つに記載の
強誘電体キャパシタの製造方法において、 上記基板上に形成される結晶化後の金属膜厚が、35n
m以下になるように、上記原料溶液を上記基板上に塗布
することを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
7. The method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 4, wherein the metal film formed on the substrate after crystallization has a thickness of 35 n.
m. The method of manufacturing a ferroelectric capacitor, wherein the raw material solution is applied onto the substrate so that the thickness is equal to or less than m.
【請求項8】 請求項4乃至6のいずれか1つに記載の
強誘電体キャパシタの製造方法において、 上記基板上に形成される金属膜の最上部が白金層である
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
8. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 4, wherein an uppermost part of the metal film formed on the substrate is a platinum layer. A method for manufacturing a dielectric capacitor.
【請求項9】 請求項1,2,3のいずれか1つに記載の
強誘電体キャパシタを、基板上に形成された集積回路素
子の一部として用いることを特徴とする半導体装置。
9. A semiconductor device using the ferroelectric capacitor according to claim 1, as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.
【請求項10】 基板上に少なくとも一対の電極と強誘
電体膜を具備する強誘電体キャパシタであって、 上記一対の電極間に形成された強誘電体膜は、タンタル
酸ストロンチウム・ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム
・ビスマス、もしくはそれらの固溶体の強誘電体膜であ
り、 この強誘電体膜は、 基板側の電極側の領域に比べて、もう一方の対向電極側
の領域が、CuKα線を用いた膜厚方向のX線回折像に
おいて、面間隔32.45Å(±0.2Å)である結晶配向
成分が大きくなっていることを特徴とする強誘電体キャ
パシタ。
10. A ferroelectric capacitor comprising at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric film formed between the pair of electrodes comprises strontium bismuth tantalate, niobium. It is a ferroelectric film of strontium bismuth acid or a solid solution thereof. The ferroelectric film is formed by using CuKα radiation in a region on the other counter electrode side compared to a region on the substrate side electrode side. A ferroelectric capacitor characterized in that, in an X-ray diffraction image in a film thickness direction, a crystal orientation component having a plane spacing of 32.45 ° (± 0.2 °) is large.
【請求項11】 基板上に少なくとも一対の電極と強誘
電体膜を具備する強誘電体キャパシタであって、 上記一対の電極間に形成された強誘電体膜は、タンタル
酸ストロンチウム・ビスマス、ニオブ酸ストロンチウム
・ビスマス、もしくはそれらの固溶体の強誘電体膜であ
り、その膜厚が90〜270nmの範囲にあり、 CuKα線を用いたX線回折像でのピーク強度が、膜厚
方向に面間隔29.02ű0.2Åのピーク値を100
%としたとき、面間隔32.45ű0.2Åのピーク値
が80〜230%の範囲にあることを特徴とする強誘電
体キャパシタ。
11. A ferroelectric capacitor comprising at least a pair of electrodes and a ferroelectric film on a substrate, wherein the ferroelectric film formed between the pair of electrodes comprises strontium bismuth tantalate, niobium. It is a ferroelectric film of strontium bismuth acid or a solid solution thereof, the thickness of which is in the range of 90 to 270 nm, and the peak intensity in an X-ray diffraction image using CuKα radiation is represented by a plane spacing in the film thickness direction. The peak value of 29.02Å ± 0.2Å is 100
%, Wherein the peak value at a plane spacing of 32.45 ° ± 0.2 ° is in the range of 80 to 230%.
【請求項12】 基板上に金属膜を形成する工程と、 ストロンチウム,ビスマスの二元素と、タンタルとニオ
ブの少なくとも一方とのアルコキシドまたは有機金属塩
の原料溶液を作製する工程と、 上記溶液を基板に塗布する工程と、 上記基板に塗布した溶液を乾燥する工程と、 上記基板を、上記原料溶液の結晶化温度以上に加熱する
工程とを備え、 上記溶液塗布から上記基板加熱までの工程を、上記原料
溶液からなる膜が所定の膜厚になるまで繰り返すこと
で、上記基板上にタンタル酸ストロンチウム・ビスマ
ス、ニオブ酸ストロンチウム・ビスマス、もしくはそれ
らの固溶体の強誘電体膜を形成する強誘電体キャパシタ
の製造方法であって、 上記原料溶液を作製する工程での原料溶液における原子
組成比の調整と、上記結晶化温度以上に加熱する工程で
の550〜650℃の温度領域の昇温速度の調整と、上
記溶液塗布から基板加熱までの一回の工程で形成される
膜厚の調整とのうちの少なくとも一つの調整を行うこと
によって、上記強誘電体膜の面間隔32.45Å(±0.
2Å)の配向成分の大きさを制御することを特徴とする
強誘電体キャパシタの製造方法。
12. A step of forming a metal film on a substrate; a step of preparing a raw material solution of an alkoxide or an organic metal salt of two elements of strontium and bismuth and at least one of tantalum and niobium; And a step of drying the solution applied to the substrate, and a step of heating the substrate to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the raw material solution. The steps from the solution application to the substrate heating, A ferroelectric capacitor for forming a ferroelectric film of strontium-bismuth tantalate, strontium-bismuth niobate, or a solid solution thereof on the substrate by repeating until the film made of the raw material solution has a predetermined thickness. Adjusting the atomic composition ratio in the raw material solution in the step of preparing the raw material solution, and adjusting the atomic composition ratio to not less than the crystallization temperature. At least one of the adjustment of the heating rate in the temperature range of 550 to 650 ° C. in the heating step and the adjustment of the film thickness formed in one step from the solution application to the substrate heating is performed. As a result, the surface spacing of the ferroelectric film is 32.45 ° (± 0.4 mm).
2)) A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, wherein the magnitude of the orientation component is controlled.
【請求項13】 請求項12に記載の強誘電体キャパシ
タの製造方法において、 上記550〜650℃の温度領域の昇温速度を、5〜3
00℃/秒の範囲に設定することを特徴とする強誘電体
の製造方法。
13. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 12, wherein the rate of temperature rise in the temperature range of 550 to 650 ° C. is 5 to 3.
A method for producing a ferroelectric material, wherein the temperature is set in the range of 00 ° C./sec.
【請求項14】 請求項12に記載の強誘電体キャパシ
タの製造方法において、 原料溶液における原子組成比Sr:Bi:(Ta+Nb)
=X:Y:Zが、1.4<(X+Y)/Z<1.6であるこ
とを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
14. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 12, wherein the atomic composition ratio Sr: Bi: (Ta + Nb) in the raw material solution.
= X: Y: Z satisfies 1.4 <(X + Y) / Z <1.6.
【請求項15】 請求項12に記載の強誘電体キャパシ
タの製造方法において、 上記原料溶液を基板に塗布する工程は、 一回の塗布工程において、結晶化後の膜厚が25〜50
nmになるように、上記原料溶液を塗布することを特徴
とする強誘電体キャパシタの製造方法。
15. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 12, wherein the step of applying the raw material solution to the substrate is such that the film thickness after crystallization is 25 to 50 in one application step.
A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, which comprises applying the raw material solution so as to have a thickness of nm.
【請求項16】 請求項12に記載の強誘電体キャパシ
タの製造方法において、 上記基板上に形成する金属膜の主成分が白金であること
を特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
16. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 12, wherein a main component of the metal film formed on the substrate is platinum.
【請求項17】 請求項10または11に記載の強誘電
体キャパシタを、基板上に形成された集積回路素子の一
部として用いることを特徴とする半導体装置。
17. A semiconductor device, wherein the ferroelectric capacitor according to claim 10 is used as a part of an integrated circuit element formed on a substrate.
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