JP2002083937A - 強誘電体膜、半導体装置及びこれらの製造方法 - Google Patents
強誘電体膜、半導体装置及びこれらの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 絶縁体上に、リーク電流が少なく実用に堪え
られる強誘電体膜およびこれを備えた半導体素子を提供
する。 【解決手段】 絶縁膜上に形成される強誘電体膜は、チ
タン酸鉛またはチタン酸鉛を含有する固溶体であるとと
もに、ペロブスカイト構造を有する多結晶体であり、結
晶粒径が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、
柱状構造の結晶を備え、配向性は（００１）優先配向で
あり、結晶系が菱面体晶系である。半導体装置は、ＭＦ
ＩＳ構造を有する。これを製造するには、絶縁体基板ま
たは絶縁膜形成基板上に、チタン又は酸化チタンを換算
膜厚３ｎｍ以上８ｎｍ以下に島状になるように形成し、
この上にチタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有する固溶体を
成膜する。
られる強誘電体膜およびこれを備えた半導体素子を提供
する。 【解決手段】 絶縁膜上に形成される強誘電体膜は、チ
タン酸鉛またはチタン酸鉛を含有する固溶体であるとと
もに、ペロブスカイト構造を有する多結晶体であり、結
晶粒径が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、
柱状構造の結晶を備え、配向性は（００１）優先配向で
あり、結晶系が菱面体晶系である。半導体装置は、ＭＦ
ＩＳ構造を有する。これを製造するには、絶縁体基板ま
たは絶縁膜形成基板上に、チタン又は酸化チタンを換算
膜厚３ｎｍ以上８ｎｍ以下に島状になるように形成し、
この上にチタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有する固溶体を
成膜する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体膜および
これを備えた強誘電体メモリなどの半導体装置に係る。
特に、強誘電体としてチタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有
する固溶体を用い、これを絶縁膜上に形成する際に、緻
密でクラックのない強誘電体およびこれを備えた半導体
装置を提供するものである。
これを備えた強誘電体メモリなどの半導体装置に係る。
特に、強誘電体としてチタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有
する固溶体を用い、これを絶縁膜上に形成する際に、緻
密でクラックのない強誘電体およびこれを備えた半導体
装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】強誘電体はその分極特性を用いて不揮発
性メモリなどの半導体装置に応用される。強誘電体を備
えた不揮発性メモリである強誘電体メモリは、ＤＲＡＭ
に比べて低電圧、低電力、耐放射線に優れた特性を示す
と考えられている。
性メモリなどの半導体装置に応用される。強誘電体を備
えた不揮発性メモリである強誘電体メモリは、ＤＲＡＭ
に比べて低電圧、低電力、耐放射線に優れた特性を示す
と考えられている。
【０００３】このうちＭＦＩＳ−ＦＥＴ（Metal-Ferroe
lectric-Inslator-Semiconductor Field Effect Transi
stor）型メモリは、ゲート電極と半導体基板との間に強
誘電体膜と絶縁体膜を積層したものである。強誘電体の
分極状態の変化によりトランジスタのしきい値が変化す
るので、あるゲート電圧でのドレイン電流の大小が記憶
情報として利用される。また、絶縁膜は強誘電体膜と半
導体基板との間のバッファ層として機能する。このＭＦ
ＩＳ−ＦＥＴ型メモリは、メモリセルの小型化、分極疲
労の低減、安定動作などの利点を有している。
lectric-Inslator-Semiconductor Field Effect Transi
stor）型メモリは、ゲート電極と半導体基板との間に強
誘電体膜と絶縁体膜を積層したものである。強誘電体の
分極状態の変化によりトランジスタのしきい値が変化す
るので、あるゲート電圧でのドレイン電流の大小が記憶
情報として利用される。また、絶縁膜は強誘電体膜と半
導体基板との間のバッファ層として機能する。このＭＦ
ＩＳ−ＦＥＴ型メモリは、メモリセルの小型化、分極疲
労の低減、安定動作などの利点を有している。
【０００４】従来のＭＦＩＳ−ＦＥＴとして、例えば、
金属／ＰＺＴ（強誘電体）／ＺｒＯ ２（絶縁体）／Ｓｉ
（半導体）の積層構造を備えたものがある。絶縁体とし
てＺｒＯ２を用いる主な理由は、誘電率が比較的高いこ
とである。これらのＭＦＩＳ−ＦＥＴの製造方法をみる
と、絶縁体であるＺｒＯ２上に直接、強誘電体であるＰ
ＺＴを成膜している。
金属／ＰＺＴ（強誘電体）／ＺｒＯ ２（絶縁体）／Ｓｉ
（半導体）の積層構造を備えたものがある。絶縁体とし
てＺｒＯ２を用いる主な理由は、誘電率が比較的高いこ
とである。これらのＭＦＩＳ−ＦＥＴの製造方法をみる
と、絶縁体であるＺｒＯ２上に直接、強誘電体であるＰ
ＺＴを成膜している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者による実験の結果、ＺｒＯ２上に直接ＰＺＴを成膜す
ると、ＰＺＴの結晶粒径が大きく（〜３μｍ）なった
り、粒界でクラックが入ったりすることがわかった。従
って、緻密な結晶粒が得られず、クラックによりリーク
電流も発生し易くなる。
者による実験の結果、ＺｒＯ２上に直接ＰＺＴを成膜す
ると、ＰＺＴの結晶粒径が大きく（〜３μｍ）なった
り、粒界でクラックが入ったりすることがわかった。従
って、緻密な結晶粒が得られず、クラックによりリーク
電流も発生し易くなる。
【０００６】そこで、本発明は、絶縁体上に形成された
強誘電体膜において、リーク電流が少なく実用に堪えら
れるものを提供することを目的とする。また、かかる強
誘電体膜を備えた半導体素子を提供することを目的とす
る。更にこれら強誘電体膜及び半導体素子の製造方法を
提供することを目的とする。
強誘電体膜において、リーク電流が少なく実用に堪えら
れるものを提供することを目的とする。また、かかる強
誘電体膜を備えた半導体素子を提供することを目的とす
る。更にこれら強誘電体膜及び半導体素子の製造方法を
提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁膜上に形
成された強誘電体膜であって、チタン酸鉛またはチタン
酸鉛を含有する固溶体であるとともに、ペロブスカイト
構造を有する多結晶体であり、結晶粒径が５０ｎｍ以上
１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。これによ
り、結晶粒径が小さいので素子の面積が小さくても素子
間の特性のばらつきが小さい。また、多結晶体であるの
で、単結晶エピタキシャル膜に比べて製造が容易で、量
産性に富んでいる。
成された強誘電体膜であって、チタン酸鉛またはチタン
酸鉛を含有する固溶体であるとともに、ペロブスカイト
構造を有する多結晶体であり、結晶粒径が５０ｎｍ以上
１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。これによ
り、結晶粒径が小さいので素子の面積が小さくても素子
間の特性のばらつきが小さい。また、多結晶体であるの
で、単結晶エピタキシャル膜に比べて製造が容易で、量
産性に富んでいる。
【０００８】また、本発明の強誘電体膜は、柱状構造の
結晶を備えている。柱状とすることによって厚み方向の
粒界を減らし、緻密な結晶組織を得ることができる。
結晶を備えている。柱状とすることによって厚み方向の
粒界を減らし、緻密な結晶組織を得ることができる。
【０００９】また、本発明の強誘電体膜の配向性は（０
０１）優先配向である。かかる配向性を有する強誘電体
膜は分極密度が大きいので、素子面積を小さくし、半導
体装置を高集積化することもできる。
０１）優先配向である。かかる配向性を有する強誘電体
膜は分極密度が大きいので、素子面積を小さくし、半導
体装置を高集積化することもできる。
【００１０】また、上記強誘電体膜は、ＰＺＴまたはリ
ラクサ強誘電体を備えている。これにより、所望の構造
を比較的低温で得ることができる。
ラクサ強誘電体を備えている。これにより、所望の構造
を比較的低温で得ることができる。
【００１１】また、結晶系が菱面体晶系であることが望
ましい。菱面体晶系の強誘電体膜は、１８０°ドメイン
の反転が支配的であり、高周波特性に優れている。
ましい。菱面体晶系の強誘電体膜は、１８０°ドメイン
の反転が支配的であり、高周波特性に優れている。
【００１２】また、前記絶縁膜は、前記強誘電体膜に接
する面が、酸化ジルコニウム層または酸化アルミニウム
層で構成されていることが望ましい。これらの金属酸化
物は強誘電体との反応性に乏しいので、良好な特性の強
誘電体が形成できる。
する面が、酸化ジルコニウム層または酸化アルミニウム
層で構成されていることが望ましい。これらの金属酸化
物は強誘電体との反応性に乏しいので、良好な特性の強
誘電体が形成できる。
【００１３】本発明の半導体装置は、上記の強誘電体膜
を、金属膜／強誘電体膜／絶縁膜／半導体の積層構造中
の強誘電体膜として備えたことを特徴とする。
を、金属膜／強誘電体膜／絶縁膜／半導体の積層構造中
の強誘電体膜として備えたことを特徴とする。
【００１４】上記半導体装置において、前記半導体はシ
リコンであり、前記絶縁膜は、前記シリコンに接する面
が、シリコン酸化膜で構成されていることが望ましい。
シリコン基板とシリコン酸化膜の界面が安定であるた
め、安定した動作が可能となる。
リコンであり、前記絶縁膜は、前記シリコンに接する面
が、シリコン酸化膜で構成されていることが望ましい。
シリコン基板とシリコン酸化膜の界面が安定であるた
め、安定した動作が可能となる。
【００１５】本発明による強誘電体膜の製造方法は、絶
縁体基板または絶縁膜形成基板上に、チタン又は酸化チ
タンを換算膜厚３ｎｍ以上８ｎｍ以下に島状になるよう
に形成する工程と、前記チタン又は酸化チタンが形成さ
れた前記基板上に、チタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有す
る固溶体を成膜する工程と、を含むことを特徴とする。
これにより、リーク電流が少なく実用に堪える強誘電体
膜を製造することができる。
縁体基板または絶縁膜形成基板上に、チタン又は酸化チ
タンを換算膜厚３ｎｍ以上８ｎｍ以下に島状になるよう
に形成する工程と、前記チタン又は酸化チタンが形成さ
れた前記基板上に、チタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有す
る固溶体を成膜する工程と、を含むことを特徴とする。
これにより、リーク電流が少なく実用に堪える強誘電体
膜を製造することができる。
【００１６】また、本発明による半導体装置の製造方法
は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁
膜形成基板上に、チタン又は酸化チタンを換算膜厚３ｎ
ｍ以上８ｎｍ以下に島状になるように形成する工程と、
前記チタン又は酸化チタンが形成された前記基板上に、
チタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有する固溶体を成膜する
工程と、を含むことを特徴とする。
は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁
膜形成基板上に、チタン又は酸化チタンを換算膜厚３ｎ
ｍ以上８ｎｍ以下に島状になるように形成する工程と、
前記チタン又は酸化チタンが形成された前記基板上に、
チタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有する固溶体を成膜する
工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。
面を参照して説明する。
【００１８】（半導体素子の構成）図１は、本発明の１
実施形態による半導体素子の断面図である。この半導体
素子は、ＭＦＩＳ−ＦＥＴ型のメモリ素子である。
実施形態による半導体素子の断面図である。この半導体
素子は、ＭＦＩＳ−ＦＥＴ型のメモリ素子である。
【００１９】第一導電型（例えばｐ型）の半導体基板で
あるシリコン基板１１上の一部に、例えば酸化珪素から
なる素子分離用絶縁膜１２が形成されている。素子分離
用絶縁膜１２に覆われず露出しているシリコン基板１１
の表面に、第二導電型（例えばｎ＋型）のソース領域１
３及びドレイン領域１４が形成されている。
あるシリコン基板１１上の一部に、例えば酸化珪素から
なる素子分離用絶縁膜１２が形成されている。素子分離
用絶縁膜１２に覆われず露出しているシリコン基板１１
の表面に、第二導電型（例えばｎ＋型）のソース領域１
３及びドレイン領域１４が形成されている。
【００２０】そして、電界効果型トランジスタのチャネ
ルとなるシリコン基板１１上に絶縁膜１５を介して強誘
電体膜１６が形成されている。更に、強誘電体膜１６上
に金属膜１７が形成されている。
ルとなるシリコン基板１１上に絶縁膜１５を介して強誘
電体膜１６が形成されている。更に、強誘電体膜１６上
に金属膜１７が形成されている。
【００２１】そして、これらソース領域１３、ドレイン
領域１４、金属膜１７、素子分離用絶縁膜１２上にパシ
ベーション酸化膜１８が形成され、このパシベーション
酸化膜１８にはソース領域１３、ドレイン領域１４、金
属膜１７上にそれぞれ開口が形成されている。パシベー
ション酸化膜１８の前記開口から露出するソース領域１
３、ドレイン領域１４、金属膜１７上に、それぞれソー
ス電極１９、ドレイン電極及びゲート電極２１が形成さ
れている。
領域１４、金属膜１７、素子分離用絶縁膜１２上にパシ
ベーション酸化膜１８が形成され、このパシベーション
酸化膜１８にはソース領域１３、ドレイン領域１４、金
属膜１７上にそれぞれ開口が形成されている。パシベー
ション酸化膜１８の前記開口から露出するソース領域１
３、ドレイン領域１４、金属膜１７上に、それぞれソー
ス電極１９、ドレイン電極及びゲート電極２１が形成さ
れている。
【００２２】絶縁膜１５は、具体的には金属の酸化膜で
あり、シリコン基板１１側から酸化珪素（ＳｉＯ２）／
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の積層構造か、酸化珪素
（ＳｉＯ２）／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の積層
構造とするのが好ましい。
あり、シリコン基板１１側から酸化珪素（ＳｉＯ２）／
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の積層構造か、酸化珪素
（ＳｉＯ２）／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の積層
構造とするのが好ましい。
【００２３】強誘電体膜１６は、ペロブスカイト型結晶
構造を有する多結晶体である。また、自発分極を有し、
外部から電界を印加しなくても誘電分極が生じている。
この自発分極は、外部電界によって反転させることがで
きるため、強誘電体膜１６の自発分極の向きによってシ
リコン基板１１に印加される電界が変化してトランジス
タのチャネル領域に電子又は正孔が誘起され、トランジ
スタのしきい値電圧が変化する。
構造を有する多結晶体である。また、自発分極を有し、
外部から電界を印加しなくても誘電分極が生じている。
この自発分極は、外部電界によって反転させることがで
きるため、強誘電体膜１６の自発分極の向きによってシ
リコン基板１１に印加される電界が変化してトランジス
タのチャネル領域に電子又は正孔が誘起され、トランジ
スタのしきい値電圧が変化する。
【００２４】これにより、あるゲート電圧を印加したと
きのドレイン電流値の大小として情報を読み出すことが
できる。従って、強誘電体膜１６の自発分極の向きを情
報とした半導体記憶装置として利用することができる。
きのドレイン電流値の大小として情報を読み出すことが
できる。従って、強誘電体膜１６の自発分極の向きを情
報とした半導体記憶装置として利用することができる。
【００２５】上記強誘電体膜の具体例としてはチタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯ３：ＰＴ）が好ましく、またチタン酸鉛
を含有する固溶体、すなわちジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３：ＰＺＴ）や、チタン酸鉛
を含有するリラクサ強誘電体であってもよい。また、こ
れらのいずれかを主成分とするものであればよく、多少
の不純物を含んでいてもよい。チタン酸鉛を含有するリ
ラクサ強誘電体としては、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ
（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺ
Ｎ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴ
ｉＯ３）、ＰＮＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎ
ｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＩＮ−ＰＴ（Ｐｂ
（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＳ
Ｔ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３−ＰｂＴ
ｉＯ３）、ＰＳＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎ
ｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）が挙げられ、そのいず
れでもよい。
鉛（ＰｂＴｉＯ３：ＰＴ）が好ましく、またチタン酸鉛
を含有する固溶体、すなわちジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３：ＰＺＴ）や、チタン酸鉛
を含有するリラクサ強誘電体であってもよい。また、こ
れらのいずれかを主成分とするものであればよく、多少
の不純物を含んでいてもよい。チタン酸鉛を含有するリ
ラクサ強誘電体としては、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ
（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺ
Ｎ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴ
ｉＯ３）、ＰＮＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎ
ｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＩＮ−ＰＴ（Ｐｂ
（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＳ
Ｔ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３−ＰｂＴ
ｉＯ３）、ＰＳＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎ
ｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）が挙げられ、そのいず
れでもよい。
【００２６】上記強誘電体膜において、結晶粒径は５０
ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０
０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより望ましい。
また、強誘電体膜の結晶粒は柱状構造であることが望ま
しく、配向性は（００１）優先配向であることが望まし
い。ここで、（００１）優先配向は、Ｘ線回折広角法で
の以下の式での回折強度比が、７０％以上と定義する。 Ｉ（００１）／｛Ｉ（００１）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１
１１）｝ なお、Ｉ（００１）等は、結晶を立方晶の対称性を持つ
と考えたときの等価な面の回折強度のすべての和を意味
する。
ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０
０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより望ましい。
また、強誘電体膜の結晶粒は柱状構造であることが望ま
しく、配向性は（００１）優先配向であることが望まし
い。ここで、（００１）優先配向は、Ｘ線回折広角法で
の以下の式での回折強度比が、７０％以上と定義する。 Ｉ（００１）／｛Ｉ（００１）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１
１１）｝ なお、Ｉ（００１）等は、結晶を立方晶の対称性を持つ
と考えたときの等価な面の回折強度のすべての和を意味
する。
【００２７】（製造方法）次に、この半導体装置の製造
方法について説明する。図２〜図４は、上記半導体装置
の製造工程を示す断面図である。
方法について説明する。図２〜図４は、上記半導体装置
の製造工程を示す断面図である。
【００２８】まず、図２（ａ）に示すように、ｐ型シリ
コン基板１１の表面を熱酸化させて酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ２）膜を形成する。この酸化珪素膜は、後述のＺｒＯ
２膜と併せて素子分離用絶縁膜１２および絶縁膜１５と
なるものである。
コン基板１１の表面を熱酸化させて酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ２）膜を形成する。この酸化珪素膜は、後述のＺｒＯ
２膜と併せて素子分離用絶縁膜１２および絶縁膜１５と
なるものである。
【００２９】次いで、図２（ｂ）に示すように、基板全
面にＺｒＯ２膜を成膜する。その場合の製法としては、
上記酸化珪素上に、例えばジルコニウムをターゲットと
してスパッタリングを行なった後で熱酸化する方法、酸
化ジルコニウムを交流スパッタリングする方法、ＣＶＤ
法などがあり、そのいずれでも良い。この場合、絶縁膜
１５として酸化珪素（ＳｉＯ２）／酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ２）の積層構造が形成される。絶縁膜１５とし
て酸化珪素（ＳｉＯ２）／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ
３）の積層構造とする場合の製法としては、上記酸化珪
素上に、例えば酸化アルミニウムを交流スパッタリング
する方法、ＣＶＤ法などがあり、そのいずれでも良い。
面にＺｒＯ２膜を成膜する。その場合の製法としては、
上記酸化珪素上に、例えばジルコニウムをターゲットと
してスパッタリングを行なった後で熱酸化する方法、酸
化ジルコニウムを交流スパッタリングする方法、ＣＶＤ
法などがあり、そのいずれでも良い。この場合、絶縁膜
１５として酸化珪素（ＳｉＯ２）／酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ２）の積層構造が形成される。絶縁膜１５とし
て酸化珪素（ＳｉＯ２）／酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ
３）の積層構造とする場合の製法としては、上記酸化珪
素上に、例えば酸化アルミニウムを交流スパッタリング
する方法、ＣＶＤ法などがあり、そのいずれでも良い。
【００３０】ＺｒＯ２膜上には、チタン又は酸化チタン
を、スパッタリング法等により、換算膜厚が３ｎｍ以上
８ｎｍ以下となるように島状に形成する。ここで換算膜
厚とは、島状に形成されたチタン膜の膜厚をならした場
合の、いわば平均膜厚をいう。
を、スパッタリング法等により、換算膜厚が３ｎｍ以上
８ｎｍ以下となるように島状に形成する。ここで換算膜
厚とは、島状に形成されたチタン膜の膜厚をならした場
合の、いわば平均膜厚をいう。
【００３１】次いで、図２（ｃ）に示すように、全面に
ＰＺＴなどの強誘電体膜１６を成膜する。強誘電体薄膜
１６の形成方法は、ＣＳＤ（Chemical Solution Deposi
tion）法、スパッタ法、ＣＶＤ法等のいずれでもよい。
ＣＳＤ法の例としては、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Metal-Or
ganic Decomposition）法があり、そのいずれでもよ
い。ゾルゲル法による場合は、金属アルコキシド等の金
属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させたのち、
加熱処理して結晶化させる。
ＰＺＴなどの強誘電体膜１６を成膜する。強誘電体薄膜
１６の形成方法は、ＣＳＤ（Chemical Solution Deposi
tion）法、スパッタ法、ＣＶＤ法等のいずれでもよい。
ＣＳＤ法の例としては、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Metal-Or
ganic Decomposition）法があり、そのいずれでもよ
い。ゾルゲル法による場合は、金属アルコキシド等の金
属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させたのち、
加熱処理して結晶化させる。
【００３２】絶縁膜１５となるＺｒＯ２膜上に島状のチ
タン又は酸化チタンが形成されているので、強誘電体膜
１６の結晶粒径を小さくすることができ、緻密でクラッ
クフリーな膜が形成できる。また、結晶粒は柱状結晶と
なり、配向性は（００１）優先配向となる。
タン又は酸化チタンが形成されているので、強誘電体膜
１６の結晶粒径を小さくすることができ、緻密でクラッ
クフリーな膜が形成できる。また、結晶粒は柱状結晶と
なり、配向性は（００１）優先配向となる。
【００３３】次いで、図３（ｄ）に示すように、全面に
スパッタ法で金属膜１７を堆積させる。その後、図３
（ｅ）に示すように、金属膜１７、強誘電体膜１６及び
絶縁膜１５をパターニングし、ゲート形状に整形する。
スパッタ法で金属膜１７を堆積させる。その後、図３
（ｅ）に示すように、金属膜１７、強誘電体膜１６及び
絶縁膜１５をパターニングし、ゲート形状に整形する。
【００３４】次いで、図３（ｆ）に示すように、全面に
砒素をイオン注入し、基板１１の表面にソース領域１３
及びドレイン領域１４を形成する。なお、砒素のドーズ
量は、例えば５×１０１４ｃｍ−２程度とする。
砒素をイオン注入し、基板１１の表面にソース領域１３
及びドレイン領域１４を形成する。なお、砒素のドーズ
量は、例えば５×１０１４ｃｍ−２程度とする。
【００３５】次いで、図４（ｇ）に示すように、全面に
酸化珪素膜を堆積し、パシベーション酸化膜１８を形成
する。
酸化珪素膜を堆積し、パシベーション酸化膜１８を形成
する。
【００３６】次いで、図４（ｈ）に示すように、パシベ
ーション酸化膜１８に、ソース，ドレイン領域１３、１
４及び金属膜１７に接続するコンタクト孔を形成する。
ーション酸化膜１８に、ソース，ドレイン領域１３、１
４及び金属膜１７に接続するコンタクト孔を形成する。
【００３７】そして、図４（ｉ）に示すように、アルミ
ニウム等の金属薄膜をスパッタリング法等で全面に堆積
した後パターニングを行って、ソース電極１９、ドレイ
ン電極２０及びゲート電極２１を形成する。
ニウム等の金属薄膜をスパッタリング法等で全面に堆積
した後パターニングを行って、ソース電極１９、ドレイ
ン電極２０及びゲート電極２１を形成する。
【００３８】（実施例）本発明の強誘電体膜の実施例と
して、Ｓｉ／ＳｉＯ２／ＺｒＯ２／ＰＺＴの積層構造
を、上述のように絶縁膜ＺｒＯ２上に島状チタンを介在
させる方法により製造した。また、比較例として、同様
の積層構造を、島状チタンを介在させない従来の方法に
より製造した。
して、Ｓｉ／ＳｉＯ２／ＺｒＯ２／ＰＺＴの積層構造
を、上述のように絶縁膜ＺｒＯ２上に島状チタンを介在
させる方法により製造した。また、比較例として、同様
の積層構造を、島状チタンを介在させない従来の方法に
より製造した。
【００３９】図５は上記実施例による強誘電体膜の表面
写真及びその模写図であり、図６は上記比較例による強
誘電体膜の表面写真及びその模写図である。いずれも倍
率は５００倍で、同一の条件により撮影している。写真
中央の鈎形部分がＺｒＯ２上にＰＺＴを形成した領域で
ある。図に表れているように、実施例によるＰＺＴは結
晶構造が緻密でクラックも発生していないのに対し、比
較例によるＰＺＴにはクラックが発生している。
写真及びその模写図であり、図６は上記比較例による強
誘電体膜の表面写真及びその模写図である。いずれも倍
率は５００倍で、同一の条件により撮影している。写真
中央の鈎形部分がＺｒＯ２上にＰＺＴを形成した領域で
ある。図に表れているように、実施例によるＰＺＴは結
晶構造が緻密でクラックも発生していないのに対し、比
較例によるＰＺＴにはクラックが発生している。
【００４０】図７は上記実施例による強誘電体膜表面の
ＳＥＭ写真及びその模写図であり、図８は上記比較例に
よる強誘電体膜表面のＳＥＭ写真及びその模写図であ
る。図に表れているように、実施例によるＰＺＴは結晶
粒径が１００ｎｍから２００ｎｍ程度であるのに対し、
比較例によるＰＺＴは結晶粒径が２００ｎｍから１００
０ｎｍを遥かに超えるものまであり、極端にばらつきが
大きい。
ＳＥＭ写真及びその模写図であり、図８は上記比較例に
よる強誘電体膜表面のＳＥＭ写真及びその模写図であ
る。図に表れているように、実施例によるＰＺＴは結晶
粒径が１００ｎｍから２００ｎｍ程度であるのに対し、
比較例によるＰＺＴは結晶粒径が２００ｎｍから１００
０ｎｍを遥かに超えるものまであり、極端にばらつきが
大きい。
【００４１】図９は上記実施例による強誘電体膜の断面
ＳＥＭ写真及びその模写図である。図に表れているよう
に、ＰＺＴ膜は柱状の結晶構造を有している。
ＳＥＭ写真及びその模写図である。図に表れているよう
に、ＰＺＴ膜は柱状の結晶構造を有している。
【００４２】図１０は上記実施例による強誘電体膜につ
いて、エックス線回折広角法においてＣｕＫα線を用い
たときの回折強度の測定結果を示すグラフである。図に
表れているように、このＰＺＴは（００１）面に強く配
向している。
いて、エックス線回折広角法においてＣｕＫα線を用い
たときの回折強度の測定結果を示すグラフである。図に
表れているように、このＰＺＴは（００１）面に強く配
向している。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、絶縁体上に形成された
強誘電体膜において、リーク電流が少なく実用に堪えら
れるものを提供することができる。また、かかる強誘電
体膜を備えた半導体素子を提供することができる。
強誘電体膜において、リーク電流が少なく実用に堪えら
れるものを提供することができる。また、かかる強誘電
体膜を備えた半導体素子を提供することができる。
【００４４】また、本発明によれば、上記のような強誘
電体膜及び半導体素子の製造方法を提供することができ
る。
電体膜及び半導体素子の製造方法を提供することができ
る。
【図１】本発明の１実施形態による半導体素子の断面図
である。
である。
【図２】上記半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。
る。
【図３】上記半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。
る。
【図４】上記半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。
る。
【図５】本発明の実施例による強誘電体膜の表面写真及
びその模写図である。
びその模写図である。
【図６】本発明に対する比較例による強誘電体膜の表面
写真及びその模写図である。
写真及びその模写図である。
【図７】上記実施例による強誘電体膜表面のＳＥＭ写真
及びその模写図である。
及びその模写図である。
【図８】上記比較例による強誘電体膜表面のＳＥＭ写真
及びその模写図である。
及びその模写図である。
【図９】上記実施例による強誘電体膜の断面ＳＥＭ写真
及びその模写図である。
及びその模写図である。
【図１０】上記実施例による強誘電体膜について、エッ
クス線回折広角法においてＣｕＫα線を用いたときの回
折強度の測定結果を示すグラフである。
クス線回折広角法においてＣｕＫα線を用いたときの回
折強度の測定結果を示すグラフである。
１１…シリコン基板、 １２…素子分離用絶縁膜、 １
３…ソース領域、 １４…ドレイン領域、 １５…絶縁
膜、 １６…強誘電体膜、 １７…金属膜、１８…パシ
ベーション酸化膜、 １９…ソース電極、 ２０…ドレ
イン電極、２１…ゲート電極
３…ソース領域、 １４…ドレイン領域、 １５…絶縁
膜、 １６…強誘電体膜、 １７…金属膜、１８…パシ
ベーション酸化膜、 １９…ソース電極、 ２０…ドレ
イン電極、２１…ゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F001 AA17 AD12 AG12 AG21 5F083 FR06 JA02 JA15 JA36 JA39 JA42 5F101 BA62 BD02 BH02 BH09
Claims (10)
- 【請求項１】 絶縁膜上に形成された強誘電体膜であっ
て、 チタン酸鉛またはチタン酸鉛を含有する固溶体であると
ともに、ペロブスカイト構造を有する多結晶体であり、 結晶粒径が５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを
特徴とする強誘電体膜。 - 【請求項２】 絶縁膜上に形成された強誘電体膜であっ
て、 チタン酸鉛またはチタン酸鉛を含有する固溶体であると
ともに、ペロブスカイト構造を有する多結晶体であり、 柱状構造の結晶を備えたことを特徴とする強誘電体膜。 - 【請求項３】 絶縁膜上に形成された強誘電体膜であっ
て、 チタン酸鉛またはチタン酸鉛を含有する固溶体であると
ともに、ペロブスカイト構造を有する多結晶体であり、 配向性は（００１）優先配向であることを特徴とする強
誘電体膜。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３の何れか一項にお
いて、 ＰＺＴまたはリラクサ強誘電体を備えたことを特徴とす
る強誘電体膜。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４の何れか一項にお
いて、 結晶系が菱面体晶系であることを特徴とする強誘電体
膜。 - 【請求項６】 請求項１乃至請求項５の何れか一項にお
いて、 前記絶縁膜は、前記強誘電体膜に接する面が、酸化ジル
コニウム層または酸化アルミニウム層で構成されている
ことを特徴とする強誘電体膜。 - 【請求項７】 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記
載の強誘電体膜を、金属膜／強誘電体膜／絶縁膜／半導
体の積層構造中の強誘電体膜として備えたことを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項８】 請求項７において、 前記半導体はシリコンであり、 前記絶縁膜は、前記シリコンに接する面が、シリコン酸
化膜で構成されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項９】 絶縁体基板または絶縁膜形成基板上に、
チタン又は酸化チタンを換算膜厚３ｎｍ以上８ｎｍ以下
に島状になるように形成する工程と、 前記チタン又は酸化チタンが形成された前記基板上に、
チタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有する固溶体を成膜する
工程と、 を含むことを特徴とする強誘電体膜の製造方法。 - 【請求項１０】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜形成基板上に、チタン又は酸化チタンを換算
膜厚３ｎｍ以上８ｎｍ以下に島状になるように形成する
工程と、 前記チタン又は酸化チタンが形成された前記基板上に、
チタン酸鉛又はチタン酸鉛を含有する固溶体を成膜する
工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000273455A JP3745950B2 (ja) | 2000-09-08 | 2000-09-08 | 酸化ジルコニウム膜とｐｚｔ膜との積層体及びこれを備えた半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000273455A JP3745950B2 (ja) | 2000-09-08 | 2000-09-08 | 酸化ジルコニウム膜とｐｚｔ膜との積層体及びこれを備えた半導体装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003027315A Division JP2003282843A (ja) | 2003-02-04 | 2003-02-04 | 強誘電体膜及び半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002083937A true JP2002083937A (ja) | 2002-03-22 |
| JP3745950B2 JP3745950B2 (ja) | 2006-02-15 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000273455A Expired - Fee Related JP3745950B2 (ja) | 2000-09-08 | 2000-09-08 | 酸化ジルコニウム膜とｐｚｔ膜との積層体及びこれを備えた半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3745950B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004186680A (ja) * | 2002-11-19 | 2004-07-02 | Seiko Epson Corp | 圧電体デバイス、液体吐出ヘッド、強誘電体デバイス及び電子機器並びにこれらの製造方法 |
| JP2010016127A (ja) * | 2008-07-02 | 2010-01-21 | Tohoku Univ | 強誘電体膜、強誘電体膜を有する半導体装置、及びそれらの製造方法 |
| JP2014058169A (ja) * | 2013-12-27 | 2014-04-03 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター |
| JP2014146772A (ja) * | 2013-01-30 | 2014-08-14 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及びセンサー |
| US9425379B2 (en) | 2014-03-24 | 2016-08-23 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric element and piezoelectric element application device |
-
2000
- 2000-09-08 JP JP2000273455A patent/JP3745950B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004186680A (ja) * | 2002-11-19 | 2004-07-02 | Seiko Epson Corp | 圧電体デバイス、液体吐出ヘッド、強誘電体デバイス及び電子機器並びにこれらの製造方法 |
| JP4507565B2 (ja) * | 2002-11-19 | 2010-07-21 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電体デバイスの製造方法と液体吐出ヘッドの製造方法と液滴吐出装置の製造方法 |
| JP2010016127A (ja) * | 2008-07-02 | 2010-01-21 | Tohoku Univ | 強誘電体膜、強誘電体膜を有する半導体装置、及びそれらの製造方法 |
| JP2014146772A (ja) * | 2013-01-30 | 2014-08-14 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及びセンサー |
| US9156258B2 (en) | 2013-01-30 | 2015-10-13 | Seiko Epson Corporation | Liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, piezoelectric element and sensor |
| JP2014058169A (ja) * | 2013-12-27 | 2014-04-03 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター |
| US9425379B2 (en) | 2014-03-24 | 2016-08-23 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric element and piezoelectric element application device |
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