JP2003289132A - キャパシタ、強誘電体メモリおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種特性に優れるキャパシタ、強誘電体メモ
リおよび電子機器を提供すること。 【解決手段】 図１に示すキャパシタ１は、記録層４を
上部電極３と下部電極２とで挟持して構成されている。
本発明では、記録層４が、キュリー温度直下で反強誘電
性状態となり、−２０〜１００℃の温度範囲で強誘電体
であり、かつ、前記温度範囲で構造相転移を示さないペ
ロブスカイト型構造の金属酸化物を含むもの、または、
キュリー温度直下で反強誘電性状態となり、−２０〜１
００℃の温度範囲で強誘電体であり、かつ、前記温度範
囲で構造相転移を示さないペロブスカイト型構造の金属
酸化物と、これとは異なる他のペロブスカイト型構造の
金属酸化物とを含むものであることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、キャパシタ、強誘
電体メモリおよび電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばメモリ素子に用いられるキャパシ
タは、強誘電体材料により構成された強誘電体層を一対
の電極（上部電極および下部電極）で挟持した構成とさ
れている。この強誘電体材料としては、チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）、ＢａＴｉＯ _３、Ｂｉ層状化合物が広
く用いられている。

【０００３】さらに、現在、キャパシタの特性および信
頼性の向上を図る観点から、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ_３、Ｂ
ｉ層状化合物に代わる化合物として、種々の化合物につ
いて研究がなされているが、いずれも、十分な性能を満
足するものでなく、実用化に向けての進展がみられない
というのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、各種
特性に優れるキャパシタ、強誘電体メモリおよび電子機
器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１０）の本発明により達成される。

【０００６】（１） 第１の電極と、該第１の電極に対
向する第２の電極と、これらの電極の間に介挿され、キ
ュリー温度直下で反強誘電性状態となり、−２０〜１０
０℃の温度範囲で強誘電体であり、かつ、前記温度範囲
で構造相転移を示さないペロブスカイト型構造の金属酸
化物を含む記録層とを有することを特徴とするキャパシ
タ。

【０００７】（２） 第１の電極と、該第１の電極に対
向する第２の電極と、これらの電極の間に介挿され、キ
ュリー温度直下で反強誘電性状態となり、−２０〜１０
０℃の温度範囲で強誘電体であり、かつ、前記温度範囲
で構造相転移を示さないペロブスカイト型構造の金属酸
化物と、他のペロブスカイト型構造の金属酸化物とを含
む記録層とを有することを特徴とするキャパシタ。

【０００８】（３） 前記キュリー温度直下で反強誘電
性状態となり、−２０〜１００℃の温度範囲で強誘電体
であり、かつ、前記温度範囲で構造相転移を示さないペ
ロブスカイト型構造の金属酸化物の含有量をＸ［ｍｏ
ｌ］とし、前記他のペロブスカイト型構造の金属酸化物
の含有量をＹ［ｍｏｌ］としたとき、Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）≦
０．９なる関係を満足する上記（２）に記載のキャパシ
タ。

【０００９】（４） 前記他のペロブスカイト型構造の
金属酸化物は、組成式ＡＢＯ_３（ただし、Ａは、Ｐｂ、
Ｂａ、Ｓｒのうちの少なくとも１種の元素、Ｂは、４Ａ
族元素のうちの少なくとも１種の元素）で表されるもの
である上記（２）または（３）に記載のキャパシタ。

【００１０】（５） 前記キュリー温度直下で反強誘電
性状態となるペロブスカイト型構造の金属酸化物は、
（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３である上記（１）ない
し（４）のいずれかに記載のキャパシタ。

【００１１】（６） 前記記録層は、正方晶（００１）
配向したものである上記（１）ないし（５）のいずれか
に記載のキャパシタ。

【００１２】（７） 前記記録層は、前記第１の電極上
にエピタキシャル成長により形成されたものである上記
（１）ないし（６）のいずれかに記載のキャパシタ。

【００１３】（８） 前記第１の電極は、ペロブスカイ
ト型構造の金属酸化物を含むものである上記（１）ない
し（７）のいずれかに記載のキャパシタ。

【００１４】（９） 上記（１）ないし（８）のいずれ
かに記載のキャパシタを備えることを特徴とする強誘電
体メモリ。

【００１５】（１０） 上記（９）に記載の強誘電体メ
モリを備えることを特徴とする電子機器。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のキャパシタの好適
な実施形態について説明する。

【００１７】図１は、本発明のキャパシタの実施形態を
示す縦断面図である。図１に示すキャパシタ１は、例え
ばメモリ素子等の各種電子デバイスに組み込んで使用さ
れるものであり、下部電極（第１の電極）２、記録層４
および上部電極（第２の電極）３が、この順で積層され
て構成されている。換言すれば、キャパシタ１は、下部
電極２と上部電極３との間に、記録層（強誘電体層）４
が介挿されてなるものである。

【００１８】キャパシタ１は、下部電極２と上部電極３
との間に電圧（電界）を印加することにより、記録層４
内において分極モーメントが反転することで、データの
記録および再生がなされ、また、電界の印加を停止した
後においても、分極状態が保持される。このような特性
を利用して、不揮発性メモリ（後述する強誘電体メモリ
４０）を構成することができる。

【００１９】したがって、キャパシタ１は、電圧の印加
による記録層４内における分極モーメントがより大きい
ものであるのが好ましい。

【００２０】これには、記録層４を、ペロブスカイト型
構造の金属酸化物を用いて構成するのが有効であり、加
えて、分極モーメントに寄与しないばかりでなく、分極
モーメントを低下させる方向に働く非１８０度分極ドメ
イン（９０度分域ドメイン等）が、記録層４中に形成さ
れるのを防止することが有効である。

【００２１】かかる観点から、本発明者は、鋭意研究を
重ねた結果、ペロブスカイト型構造の金属酸化物とし
て、キュリー温度直下で反強誘電性状態となるものを用
いることにより、記録層４中に非１８０度分域ドメイン
が形成されるのを好適に防止できることを見出した。

【００２２】加えて、記録層４が、キュリー温度直下で
反強誘電性状態となるペロブスカイト型構造の金属酸化
物と、他のペロブスカイト型構造の金属酸化物とを含む
場合においても、キュリー温度直下で反強誘電性状態と
なるペロブスカイト型構造の金属酸化物の存在により、
他のペロブスカイト型構造の金属酸化物に起因して生じ
得る非１８０度分域ドメインの形成をも防止できること
を見出した。

【００２３】また、かかるペロブスカイト型構造の金属
酸化物は、−２０〜１００℃程度（特に、５〜５０℃程
度）の温度範囲、すなわち、実使用温度範囲で強誘電体
である必要がある。

【００２４】さらに、かかるペロブスカイト型構造の金
属酸化物は、前記実使用温度範囲で構造相転移を示さな
いものであれば、構造相転移にともなう記録層４の破
壊、劣化等を防止することができ、キャパシタ１の実使
用温度範囲での各種特性を安定化させることができる。

【００２５】加えて、記録層４が、かかるペロブスカイ
ト型構造の金属酸化物と、他のペロブスカイト型構造の
金属酸化物とを含む場合において、他のペロブスカイト
型構造の金属酸化物の中には、比較的実使用温度範囲ま
たはその近傍の温度で構造相転移を示すもの（例えばＢ
ａＴｉＯ_３は、０℃付近と１２０℃付近とで構造相転移
を示す）もあるが、記録層４が、実使用温度範囲で構造
相転移を示さないペロブスカイト型の金属酸化物を含む
ことにより、前記他のペロブスカイト型構造の金属酸化
物の構造相転移温度を実使用温度範囲から離す（遠ざけ
る）ことができるようになる。その結果、記録層４が、
前記他のペロブスカイト型構造の金属酸化物を含む場合
であっても、構造相転移にともなう破壊、劣化等を防止
することができるので、キャパシタ１の実使用温度範囲
での各種特性を安定化させることができる。

【００２６】このようなことから、本発明では、記録層
４を、キュリー温度直下で反強誘電性状態となり、実使
用温度範囲で強誘電体であり、かつ、実使用温度範囲で
構造相転移を示さないペロブスカイト型構造の金属酸化
物を含むもの、または、かかるペロブスカイト型構造の
金属酸化物と、他のペロブスカイト型構造の金属酸化物
とを含むものとした。

【００２７】特に、記録層４は、前記のものを主材料と
するのが好ましい。これにより、非１８０度分域ドメイ
ンの発生がより確実に抑制され、結果として、分極モー
メントが大きくなる。すなわち、キャパシタ１の特性が
向上する。

【００２８】なお、以下の説明では、キュリー温度直下
で反強誘電性状態となり、実使用温度範囲で強誘電体で
あり、かつ、実使用温度範囲で構造相転移を示さないペ
ロブスカイト型構造の金属酸化物を、「第１のペロブス
カイト型酸化物」と言い、他のペロブスカイト型構造の
金属酸化物を、「第２のペロブスカイト型酸化物」と言
う。

【００２９】前述のように、記録層４は、第２のペロブ
スカイト型酸化物を含む場合でも、第１のペロブスカイ
ト型酸化物の存在により、第２のペロブスカイト型酸化
物に起因して生じ得る非１８０度分域ドメインの形成が
好適に防止される。このため、第２のペロブスカイト型
酸化物として、第１のペロブスカイト型酸化物より、分
極モーメントが大きいものを用いることにより、記録層
４として大きい分極モーメントを有するものを得ること
ができる。

【００３０】このような第２のペロブスカイト型酸化物
としては、各種のペロブスカイト型構造の金属酸化物が
使用可能であるが、組成式ＡＢＯ_３（ただし、Ａは、Ｐ
ｂ、Ｂａ、Ｓｒのうちの少なくとも１種の元素、Ｂは、
４Ａ族元素のうちの少なくとも１種の元素）で表される
ものが好ましい。この具体例としては、例えば、ＢａＴ
ｉＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＫＴａＯ_３、Ｋ（Ｔａ_ｘＮｂ
_１−ｘ）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ _３、ＰｂＺｒＯ_３、Ｐｂ（Ｚ
ｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３、または、これらを含む固溶体等
が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み
合わせて用いることができる。これらのペロブスカイト
型構造の金属酸化物は、特に、分極モーメントが大きい
ものである。

【００３１】また、記録層４が、第１のペロブスカイト
型酸化物と第２のペロブスカイト型酸化物とを含む場
合、第１のペロブスカイト型酸化物の含有量をＸ［ｍｏ
ｌ］とし、第２のペロブスカイト型酸化物の含有量をＹ
［ｍｏｌ］としたとき、Ｙ／(Ｘ＋Ｙ)≦０．９なる関係
を満足するのが好ましく、Ｙ／(Ｘ＋Ｙ)≦０．５なる関
係を満足するのがより好ましく、０．０５≦Ｙ／(Ｘ＋
Ｙ)≦０．５なる関係を満足するのがさらに好ましい。
Ｙ／(Ｘ＋Ｙ)≦０．９なる関係であれば、記録層４は、
第１のペロブスカイト型酸化物と第２のペロブスカイト
型酸化物とを、前記範囲のモル比で含有することによ
り、記録層４中に非１８０度分域ドメインが形成される
のを防止することができる。Ｙ／(Ｘ＋Ｙ)≦０．５なる
関係であれば、第２のペロブスカイト型酸化物の構造相
転移温度を実使用温度範囲から離す（遠ざける）ことが
できる。および、０．０５≦Ｙ／(Ｘ＋Ｙ)≦０．５なる
関係であれば、第２のペロブスカイト型酸化物の優位な
特性（単一ドメインのときに室温で大きな分極モーメン
トを有する）を好適に発揮させることができ、結果とし
て、特に大きい分極モーメントを有する記録層４を得る
ことができる。

【００３２】さて、第１のペロブスカイト型酸化物とし
ては、例えば、（Ｂｉ_０．５Ｋ_{０． ５}）ＴｉＯ_３、（Ｂ
ｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３等を用いることができる
が、これらの中でも、特に、（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）Ｔ
ｉＯ_３が好ましい。第１のペロブスカイト型酸化物とし
て、（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３を用いることによ
り、前述したような効果がより顕著となる。

【００３３】記録層４は、例えば、正方晶（００１）配
向、擬立方晶（１１０）配向、擬立方晶（１１１）配向
等したもののいずれであってもよいが、これらの中で
も、正方晶（００１）配向、擬立方晶（１１１）配向し
たものが好ましく、正方晶（００１）配向したものが最
適である。これにより、キャパシタ１は、残留分極値が
より増大するようになる。

【００３４】また、記録層４の平均厚さは、特に限定さ
れないが、５〜５００ｎｍ程度とするのが好ましく、１
０〜２００ｎｍ程度とするのがより好ましい。記録層４
の平均厚さを、前記範囲とすることにより、キャパシタ
１（延いては、メモリ素子等の各種電子デバイス）の大
型化を防止しつつ、各種特性を好適に発揮し得るキャパ
シタ１を得ることができる。

【００３５】このような記録層４は、記録層４に電圧を
印加するための一方の電極である下部電極（第１の電
極）２上にエピタキシャル成長により形成されたもので
あるのが好ましい。これにより、記録層４と下部電極２
との接合性を良好なものとすることがでるので、キャパ
シタ１の経時的劣化を防止または抑制することができ
る。また、下部電極２の配向方位を適宜設定することに
より、記録層４の配向方位の制御が容易となる。

【００３６】下部電極２としては、ペロブスカイト型構
造の金属酸化物を含むものが好ましく、ペロブスカイト
型構造の金属酸化物を主材料とするものがより好まし
い。前述したように、記録層４がペロブスカイト型構造
の金属酸化物を含むもの（特に、ペロブスカイト型構造
の金属酸化物を主材料とするもの）であるので、下部電
極２を、ペロブスカイト型構造の金属酸化物を用いて構
成することにより、記録層４と下部電極２との接合性を
より優れたものとすることができ、その結果、キャパシ
タ１の経時的劣化をより確実に防止または抑制すること
ができる。

【００３７】また、ペロブスカイト型構造の金属酸化物
としては、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲ
Ｏ）、ＮｂドープしたＳｒＴｉＯ_３、または、これらを
含む固溶体等が挙げられ、これらの１種または２種以上
を組み合わせて用いることができる。これらのペロブス
カイト型構造の金属酸化物は、導電性および化学的安定
性に優れているので、下部電極２も、導電性および化学
的安定性に優れたものとすることができる。その結果、
キャパシタ１は、各種特性がより向上する。

【００３８】これらの中でも、下部電極２に用いるペロ
ブスカイト型構造の金属酸化物としては、ルテニウム酸
ストロンチウム（ＳＲＯ）が最適である。ＳＲＯは、特
に導電性および化学的安定性に優れているので、ＳＲＯ
を用いて下部電極２を構成することにより、キャパシタ
１は、前記効果がより向上する。

【００３９】ここで、ＳＲＯは、一般式Ｓｒ_ｎ＋１Ｒｕ
_ｎＯ_３ｎ＋１（ｎは１以上の整数）で表される。ｎ＝１
のときＳｒ_２ＲｕＯ_４となり、ｎ＝２のときＳｒ_３Ｒｕ
_２Ｏ _７となり、ｎ＝∞のときＳｒＲｕＯ_３となる。ＳＲ
Ｏを用いて下部電極２を構成する場合は、ＳｒＲｕＯ_３
が最適である。これにより、下部電極２の導電性および
化学的安定性を極めて優れたものとすることができると
ともに、下部電極２上に形成する記録層４の結晶性を高
めることもできる。

【００４０】なお、下部電極２は、その厚さ方向の途中
に、イリジウムまたは白金等で構成される部分（中間
層）を有する構成、すなわち、ＳＲＯ／Ｐｔ／ＳＲＯ、
ＳＲＯ／Ｉｒ／ＳＲＯの積層構造とすることもできる。
この場合、下部電極２の記録層４側の部分を、ＳｒＲｕ
Ｏ_３を含む材料で（特に、ＳｒＲｕＯ_３を主材料とし
て）構成するようにすればよい。

【００４１】このような下部電極２は、例えば、擬立方
晶（１１１）配向、擬立方晶（１１０）配向、擬立方晶
（１００）配向等したもののいずれであってもよいが、
これらの中でも、特に、擬立方晶（１００）配向、また
は擬立方晶（１１１）配向したものであるのが好まし
い。このような下部電極２上には、前述したような配向
方位の記録層４を、容易かつ確実にエピタキシャル成長
により形成することができる。

【００４２】また、下部電極２は、前記ペロブスカイト
型構造の金属酸化物の他、例えば、ＩｒＯ_３、ＲｕＯ_３
のような金属酸化物、あるいは、白金（Ｐｔ）、イリジ
ウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）またはこれらを含
む合金等の各種導電性材料のうちの１種または２種以上
を組み合わせて用いることができる。なお、下部電極２
をアルミニウムで構成する場合、イリジウム等で構成さ
れる層を積層するようにするのが好ましい。これによ
り、下部電極２の電蝕による劣化を防止または抑制する
ことができる。

【００４３】このような下部電極２の平均厚さは、特に
限定されないが、５〜１０００ｎｍ程度とするのが好ま
しく、１０〜７００ｎｍ程度とするのがより好ましい。

【００４４】一方、記録層４上には、記録層４に電圧を
印加するための他方の電極となる上部電極３が形成され
ている。

【００４５】なお、上部電極３の構成材料、構成等は、
前記の下部電極２と同様とすることができる。

【００４６】また、上部電極３の平均厚さは、特に限定
されないが、５〜１０００ｎｍ程度とするのが好まし
く、１０〜５００ｎｍ程度とするのがより好ましい。

【００４７】次に、キャパシタ１の製造方法について、
説明する。前述したキャパシタ１は、例えば、次のよう
にして製造することができる。

【００４８】［１］ まず、下部電極２を用意する。こ
の下部電極２は、例えばガラス基板、半導体基板等の上
面に形成されたものを用いることができる。なお、この
下部電極２は、次工程［２］と同様にして行うことがで
きる。

【００４９】［２］ 次に、下部電極２上に、記録層４
を形成する。記録層４の形成方法（製膜方法）として
は、レーザーアブレーション法が好適に用いられる。か
かる方法によれば、レーザー光の入射窓を備えた簡易な
構成の真空装置を用いて、容易かつ確実に、記録層４を
形成することができる。

【００５０】具体的には、まず、下部電極（サンプル）
２を、例えば、室温での背圧が１３３×１０^−９〜１３
３×１０^−６Ｐａ（１×１０^−９〜１×１０^−６Ｔｏｒ
ｒ）程度に減圧された真空装置内に設置する。

【００５１】なお、真空装置内には、下部電極２に対向
して、記録層（強誘電体層）４の構成元素を含むターゲ
ットが所定距離、離間して配置されている。このターゲ
ットとしては、目的とする記録層４の組成と同一の組成
または近似組成のものが好適に使用される。また、ター
ゲットの形状は、特に限定されないが、例えば円形状
（円盤状）とされ、その直径は、例えば１５〜３０ｍｍ
程度とされる。

【００５２】次いで、例えば赤外線ランプ（加熱手段）
等を用いて、サンプルを加熱して昇温する。

【００５３】この昇温速度は、特に限定されないが、１
〜２０℃／分程度とするのが好ましく、５〜１５℃／分
程度とするのがより好ましい。

【００５４】また、サンプルの温度（到達温度）も、特
に限定されず、３００〜８００℃程度とするのが好まし
く、４００〜７００℃程度とするのが好ましい。

【００５５】なお、昇温速度、サンプルの温度、真空装
置内の圧力等の各条件は、下部電極２の表面に、熱酸化
膜が形成されないものであれば、前記範囲に限定される
ものではない。

【００５６】次いで、レーザー光をターゲットに照射す
ると、ターゲットを構成する原子が叩き出され、プルー
ムが発生する。換言すれば、プルームが下部電極２に向
かって照射される。そして、このプルームは、下部電極
２に接触して、記録層４が形成される。

【００５７】このレーザー光は、好ましくは波長が１５
０〜３００ｎｍ程度、パルス長が１〜１００ｎｓ程度の
パルス光とされる。具体的には、レーザー光としては、
例えば、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレー
ザー、ＸｅＣｌエキシマレーザーのようなエキシマレー
ザー、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ_４レーザー、ＣＯ_２レー
ザー等が挙げられる。これらの中でも、レーザー光とし
ては、特に、ＡｒＦエキシマレーザーまたはＫｒＦエキ
シマレーザーが好適である。ＡｒＦエキシマレーザーお
よびＫｒＦエキシマレーザーは、いずれも、取り扱いが
容易であり、また、より効率よく原子をターゲットから
叩き出すことができる。

【００５８】記録層４の形成（成膜）における各条件
は、記録層４がエピタキシャル成長し得るものであれば
よく、例えば、次のようにすることができる。

【００５９】レーザー光の周波数は、３０Ｈｚ以下とす
るのが好ましく、１５Ｈｚ以下とするのがより好まし
い。

【００６０】レーザー光のエネルギー密度は、０．５Ｊ
／ｃｍ^２以上とするのが好ましく、２Ｊ／ｃｍ^２以上と
するのがより好ましい。

【００６１】サンプルとターゲットとの距離は、６０ｍ
ｍ以下とするのが好ましく、４５ｍｍ以下とするのがよ
り好ましい。

【００６２】また、真空装置内の圧力は、例えば、酸素
ガス供給下で１３３×１０^−３Ｐａ（１×１０^−３Ｔｏ
ｒｒ）以上とするのが好ましく、原子状酸素ラジカル供
給下で１３３×１０^−５Ｐａ（１×１０^−５Ｔｏｒｒ）
以上とするのが好ましい。

【００６３】記録層４の形成における各条件を、それぞ
れ、前記範囲とすると、より効率よく、記録層４をエピ
タキシャル成長により形成することができる。

【００６４】また、このとき、レーザー光の照射時間を
適宜設定することにより、記録層４の平均厚さを前述し
たような範囲に調整することができる。この場合、レー
ザー光の照射時間は、前記各条件によっても異なるが、
通常、２時間以下とするのが好ましく、１時間以下とす
るのがより好ましい。

【００６５】また、記録層４を第１のペロブスカイト型
酸化物と第２のペロブスカイト型酸化物とを含むものと
する場合には、例えば第１のペロブスカイト型酸化物か
らなるターゲットと第２のペロブスカイト型酸化物から
なるターゲットとを用いて、これらのレーザー照射位置
における面積比を変化させること等することにより、記
録層４における第１のペロブスカイト型酸化物と第２の
ペロブスカイト型酸化物とのモル比（組成比）を所望の
ものとすることができる。

【００６６】なお、記録層４の形成方法としては、これ
に限定されず、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epita
xy）法、真空蒸着法、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ
法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法等の各種薄膜作製法を用い
ることもできる。

【００６７】［３］ 次に、記録層４上に、上部電極３
を形成する。上部電極３の形成は、前記工程［２］と同
様にして行うことができる。すなわち、上部電極３の形
成方法（製膜方法）としては、レーザーアブレーション
法が好適であるが、これに限定されず、例えば、ＭＢＥ
法、真空蒸着法、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、ゾ
ル・ゲル法、ＭＯＤ法等の各種薄膜作製法を用いること
もできる。

【００６８】次に、本発明のキャパシタを備える強誘電
体メモリについて説明する。図２は、本発明の強誘電体
メモリの実施形態を模式的に示す平面図であり、図３
は、図２中のＡ−Ａ線断面図である。なお、図３では、
煩雑となることを避けるため、断面であることを示す斜
線を一部省略して示す。

【００６９】図３に示すように、強誘電体メモリ４０
は、メモリセルアレイ４２と、周辺回路部４１とを有し
ている。これらのメモリセルアレイ４２と周辺回路部４
１とは、異なる層に形成されている。本実施形態では、
下層（下側）に周辺回路部４１が、上層（上側）にメモ
リセルアレイ４２が形成されている。

【００７０】メモリセルアレイ４２は、行選択のための
第１信号電極（ワード線）４２２と、列選択のための第
２信号電極（ビット線）４２４とが直交するように配列
されている。なお、信号電極の配置は、前記のものに限
らず、逆であってもよい。すなわち、第１信号電極４２
２がビット線、第２信号電極４２４がワード線でもよ
い。

【００７１】これらの第１信号電極４２２と第２信号電
極４２４との間には、強誘電体層４２３が配置され、第
１信号電極４２２と第２信号電極４２４との交差領域に
おいて、それぞれ、前述したようなキャパシタ１が構成
されている。

【００７２】また、第１信号電極４２２、強誘電体層４
２３および第２信号電極４２４を覆うように、絶縁材料
からなる第１保護層４２５が形成されている。

【００７３】さらに、第２配線層４４を覆うように第１
保護層４２５上に絶縁材料からなる第２保護層４２６が
形成されている。

【００７４】第１信号電極４２２および第２信号電極４
２４は、それぞれ、第２配線層４４によって周辺回路部
４１の第１配線層４３と電気的に接続されている。

【００７５】周辺回路部４１は、図２に示すように、第
１信号電極４２２を選択的に制御するための第１駆動回
路４５１と、第２信号電極４２４を選択的に制御するた
めの第２駆動回路４５２と、センスアンプなどの信号検
出回路４５３とを有しており、キャパシタ（メモリセ
ル）１に対して選択的に情報の書き込み、または、読み
出しを行うことができる。

【００７６】また、周辺回路部４１は、図３に示すよう
に、半導体基板４１１上に形成されたＭＯＳトランジス
タ４１２を有している。このＭＯＳトランジスタ４１２
は、ゲート絶縁層４１２ａ，ゲート電極４１２ｂおよび
ソース／ドレイン領域４１２ｃを有している。

【００７７】各ＭＯＳトランジスタ４１２は、それぞ
れ、素子分離領域４１３によって分離されるとともに、
所定のパターンで形成された第１配線層４３によって、
それぞれ、電気的接続がなされている。

【００７８】ＭＯＳトランジスタ４１２が形成された半
導体基板４１１上には、第１層間絶縁層４１４が、さら
に、第１層間絶縁層４１４上には、第１配線層４３を覆
うようにして第２層間絶縁層４１５が形成されている。

【００７９】この第２層間絶縁層４１５上には、メモリ
セルアレイ４２が設けられている。そして、周辺回路部
４１とメモリセルアレイ４２とは、第２配線層４４によ
って電気的に接続されている。

【００８０】以上の構成のような強誘電体メモリ４０に
よれば、単一の半導体基板４１１上に周辺回路部４１お
よびメモリセルアレイ４２とが積層されているので、周
辺回路部４１とメモリセルアレイ４２とを同一面に配置
した場合に比べて、チップ面積を大幅に小さくすること
ができ、キャパシタ（メモリセル）１の集積度を高める
ことができる。

【００８１】このような強誘電体メモリ４０における書
き込み、読み出し動作の一例について説明する。

【００８２】まず、読み出し動作においては、選択され
たキャパシタ１に読み出し電圧「Ｖ _０」が印加される。
これは、同時に‘０’の書き込み動作を兼ねている。こ
のとき、選択されたビット線を流れる電流またはビット
線をハイインピーダンスにしたときの電位をセンスアン
プにて読み出す。

【００８３】なお、このとき、選択されない単位キャパ
シタには、読み出し時のクロストークを防ぐため、所定
の電圧が印加される。

【００８４】一方、書き込み動作においては、‘１’の
書き込みの場合は、選択されたキャパシタ１に「−
Ｖ_０」の電圧が印加される。‘０’の書き込みの場合
は、選択されたキャパシタ１に、この選択されたキャパ
シタ１の分極を反転させない電圧が印加され、読み出し
動作時に書き込まれた‘０’状態を保持する。

【００８５】なお、このとき、選択されないキャパシタ
１には、書き込み時のクロストークを防ぐため、所定の
電圧が印加される。

【００８６】次に、強誘電体メモリ４０の製造方法の一
例について説明する。前述したような強誘電体メモリ４
０は、例えば、次のようにして製造することができる。

【００８７】−１− まず、公知のＬＳＩプロセス（半
導体プロセス）を用いて、周辺回路部４１を形成する。

【００８８】具体的には、半導体基板４１１上に、ＭＯ
Ｓトランジスタ４１２を形成する。例えば、半導体基板
４１１上の所定領域にトレンチ分離法、ＬＯＣＯＳ法等
を用いて素子分離領域４１３を形成し、次いで、ゲート
絶縁層４１２ａおよびゲート電極４１２ｂを形成し、そ
の後、半導体基板４１１に不純物をドープすることでソ
ース／ドレイン領域４１２ｃを形成する。

【００８９】−２− 次に、第１層間絶縁層４１４を形
成した後、コンタクトホールを形成し、その後、所定パ
ターンの第１配線層４３を形成する。

【００９０】−３− 次に、第１配線層４３が形成され
た第１層間絶縁層４１４上に、第２層間絶縁層４１５を
形成する。

【００９１】以上のようにして、駆動回路４５１、４５
２および信号検出回路４５３等の各種回路を有する周辺
回路部４１が形成される。

【００９２】−４− 次に、周辺回路部４１上に、メモ
リセルアレイ４２を形成する。これは、前述した工程
［１］〜［３］と同様にして行うことができる。

【００９３】−５− 次に、第２信号電極４２４が形成
された強誘電体層４２３上に、第１保護層４２５を形成
し、さらに、第１保護層４２５の所定領域にコンタクト
ホールを形成し、その後、所定パターンの第２配線層４
４を形成する。これにより、周辺回路部４１とメモリセ
ルアレイ４２とが電気的に接続される。 −６− 次に、最上層に、第２保護層４２６を形成す
る。

【００９４】以上のようにして、メモリセルアレイ４２
が形成され、強誘電体メモリ４０が得られる。

【００９５】このような強誘電体メモリ４０は、各種電
子機器に適用することができる。この電子機器として
は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報機器
等が挙げられる。

【００９６】以上、本発明のキャパシタおよび強誘電体
メモリについて、図示の実施形態に基づいて説明した
が、本発明は、これに限定されるものではない。

【００９７】例えば、本発明のキャパシタおよび強誘電
体メモリを構成する各部は、同様の機能を発揮する任意
のものと置換、または、その他の構成を追加することも
できる。

【００９８】また、例えば、記録層４と、下部電極２お
よび上部電極３との間には、それぞれ、任意の目的の層
が、１層または２層以上設けられていてもよい。

【００９９】

【実施例】次に、本発明の具体的実施例について説明す
る。

【０１００】（実施例１）次のようにして、図１に示す
キャパシタを製造した。

【０１０１】−１− まず、（Ｂａ_０．８Ｓｒ_０．２）
ＲｕＯ_３からなる下部電極が形成されたＳｉ単結晶基板
を用意した。なお、下部電極は、擬立方晶（１００）配
向したものであり、その平均厚さが５０ｎｍのものであ
った。

【０１０２】−２− 次に、この下部電極上に、（Ｂｉ
_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３とＢａＴｉＯ_３とからなる記
録層（強誘電体層）を形成した。

【０１０３】なお、（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３の
温度変化に伴う結晶構造の変化を調べた結果、この（Ｂ
ｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３は、４００℃（キュリー温
度）〜２７０℃の温度範囲において反強誘電性状態とな
り、−２０〜２７０℃の温度範囲において構造相転移を
生じなかった。

【０１０４】まず、下部電極が形成されたＳｉ単結晶基
板（サンプル）を基板ホルダーに装填し、室温での背圧
１×１０^−８Ｔｏｒｒの真空装置内に基板ホルダーごと
設置した。

【０１０５】次いで、サンプルを、赤外線ランプを用い
て、２０℃／分で７００℃まで加熱昇温した。

【０１０６】次いで、サンプルに対向して配置された
（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３ターゲットおよびＢａ
ＴｉＯ_３ターゲットの表面に、それぞれ、ＡｒＦエキシ
マレーザー（波長：１９３ｎｍ）のパルス光（パルス
長：１０ｎｓ）を入射し、（Ｂｉ _０．５Ｋ_０．５）Ｔｉ
Ｏ_３ターゲット表面にＢｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｏを含む原子の
プルームを、また、ＢａＴｉＯ_３ターゲット表面にＢ
ａ、Ｔｉ、Ｏを含む原子のプルームを発生させた。そし
て、これらのプルームをサンプル（下部電極）に照射
し、平均厚さが１００ｎｍの記録層（強誘電体層）を形
成した。なお、この記録層の形成は、以下に示す条件で
行った。

【０１０７】 ・ＡｒＦエキシマレーザー エネルギー密度 ：１．５Ｊ／ｃｍ^２ 周波数 ：１０Ｈｚ ・レーザー照射時間 ：４０分 ・サンプル温度 ：７００℃ ・ターゲット直径 ：２０ｍｍ ・サンプルとターゲットとの距離：５０ｍｍ ・真空装置内の酸素分圧 ：酸素ガス供給下で３９９×１０^−３Ｐａ（ ３×１０^−３Ｔｏｒｒ）

【０１０８】このとき、レーザー照射位置における（Ｂ
ｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３ターゲットとＢａＴｉＯ_３
ターゲットとの面積比を調整して、記録層における（Ｂ
ｉ_{０ ．５}Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３およびＢａＴｉＯ_３のモル
比率が、それぞれ１０％、９０％となるように調整し
た。

【０１０９】得られた記録層の表面（上面）を、Ｘ線回
折装置を用いて、Ｘ線回折により観察した結果、記録層
は、正方晶（００１）配向でエピタキシャル成長をして
いることが明らかとなった。

【０１１０】また、得られた記録層を、非線形型誘電率
顕微鏡を用いて観察した結果、９０度分域ドメインの存
在は、確認されなかった。

【０１１１】−３− 次に、記録層上に、（Ｂａ_０．８
Ｓｒ_０．２）ＲｕＯ_３（ペロブスカイト型構造の金属酸
化物）からなる上部電極を形成した。

【０１１２】まず、（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３タ
ーゲットおよびＢａＴｉＯ_３ターゲットに代えて、（Ｂ
ａ_０．８Ｓｒ_０．２）ＲｕＯ_３ターゲットを、記録層と
下部電極とが形成されたＳｉ単結晶基板（サンプル）に
対向して設置した。

【０１１３】次いで、（Ｂａ_０．８Ｓｒ_０．２）ＲｕＯ
_３ターゲット表面に、ＡｒＦエキシマレーザー（波長：
１９３ｎｍ）のパルス光（パルス長：１０ｎｓ）を入射
し、（Ｂａ_０．８Ｓｒ_０．２）ＲｕＯ_３ターゲット表面
にＢａ、Ｓｒ、Ｒｕ、Ｏを含む原子のプルームを発生さ
せた。そして、このプルームをサンプル（記録層）に照
射し、平均厚さが５０ｎｍの上部電極を形成した。な
お、この上部電極の形成は、以下に示す条件で行った。

【０１１４】 ・ＡｒＦエキシマレーザー エネルギー密度 ：１．５Ｊ／ｃｍ^２ 周波数 ：１０Ｈｚ ・レーザー照射時間 ：３０分 ・サンプル温度 ：７００℃ ・ターゲット直径 ：２０ｍｍ ・サンプルとターゲットとの距離：５０ｍｍ ・真空装置内の酸素分圧 ：酸素ガス供給下で３９９×１０^−３Ｐａ（ ３×１０^−３Ｔｏｒｒ）

【０１１５】得られた上部電極の表面（上面）を、前記
と同様の装置を用いて、Ｘ線回折により観察した結果、
上部電極は、擬立方晶（１００）配向でエピタキシャル
成長をしていることが明らかとなった。

【０１１６】（実施例２〜実施例１２）記録層（強誘電
体材料層）の構成を表１に示すように変更した以外は、
前記実施例１と同様にしてキャパシタを製造した。

【０１１７】各実施例において得られた記録層の表面
（上面）を、前記実施例１と同様の装置を用いて、Ｘ線
回折により観察した結果、いずれも、記録層は、正方晶
（００１）配向でエピタキシャル成長をしていることが
明らかとなった。

【０１１８】また、各実施例において得られた記録層
を、前記実施例１と同様の顕微鏡を用いて観察した結
果、いずれも、９０度分域ドメインの存在は、確認され
なかった。

【０１１９】（比較例）記録層（強誘電体材料層）をＢ
ａＴｉＯ_３で構成した以外は、前記実施例１と同様にし
てキャパシタを製造した。

【０１２０】比較例において得られた記録層の表面（上
面）を、前記実施例１と同様の装置を用いて、Ｘ線回折
により観察した結果、記録層は、擬立方晶でエピタキシ
ャル成長をしていることが明らかとなった。

【０１２１】しかし、比較例において得られた記録層
を、前記実施例１と同様の顕微鏡を用いて観察した結
果、多数の９０度分域ドメインの存在が確認された。

【０１２２】（評価）実施例１〜１２および比較例で製
造したキャパシタについて、それぞれ、ヒステリシス測
定装置を用いて、Ｐ−Ｅヒステリシス測定を行い、残留
分極値（Ｐｒ）を得た。このＰ−Ｅヒステリシス測定
は、周波数１ｋＨｚ、振幅１００ｋＶ／ｃｍの電界を印
加することにより行ったなお、測定環境の温度を、５
℃、２５℃および８０℃に設定して、それぞれ行った。

【０１２３】また、測定環境の温度を２５℃に保持し
て、１０^１０回分極反転させた後の残留分極値の変化率
を、次の４段階の基準に従って評価した。

【０１２４】 ◎：１０％未満の低下 ○：１０％以上４０％未満の低下 △：４０％以上７０％未満の低下 ×：７０％以上の低下 この結果を表１に示す。

【０１２５】

【表１】

【０１２６】表１に示すように、各実施例で製造したキ
ャパシタ（本発明のキャパシタ）は、いずれも、環境温
度にかかわらず、残留分極値が１０μＣ／ｃｍ^２以上と
優れたものであった。

【０１２７】また、各実施例は、いずれも、分極反転を
繰り返した後においても、残留分極値の大きな低下が認
められず、疲労特性にも優れるものであることが確認さ
れた。

【０１２８】これに対し、比較例で製造したキャパシタ
は、残留分極値が各実施例のいずれのものよりも劣って
いた。特に、環境温度が８０℃の場合、残留分極値が１
０μＣ／ｃｍ^２未満となった。

【０１２９】さらに、比較例で製造したキャパシタは、
分極反転を繰り返した後において、顕著な残留分極値の
低下が観察され、疲労特性にも劣るものであることが明
らかとなった。

【０１３０】なお、前述したような各本発明のキャパシ
タを備える強誘電体メモリを製造し、それらの特性をそ
れぞれ評価した結果、いずれの強誘電体メモリも、優れ
た特性を発揮し、信頼性も高いものであった。

【０１３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、高
い分極モーメントを有する記録層を得ることができるた
め、残留分極値が大きく、抗電界が小さいものとするこ
とができる。

【０１３２】また、本発明によれば、疲労特性に優れ、
高い信頼性も得られる。また、記録層の材料の種類、組
成比等を適宜設定することにより、前記効果がより向上
するとともに、実使用温度範囲において安定した性能を
発揮する。

【０１３３】このようなことから、本発明のキャパシタ
を用いて各種電子デバイス（本発明の強誘電体メモ
リ）、各種電子機器を製造することにより、高性能のも
のを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のキャパシタの実施形態を示す縦断面
図である。

【図２】 本発明の強誘電体メモリの実施形態を模式的
に示す平面図である。

【図３】 図２中のＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１‥‥キャパシタ ２‥‥下部電極 ３‥‥上部電極
４‥‥記録層 ４０‥‥強誘電体メモリ ４１‥‥周辺
回路部 ４１１‥‥半導体基板 ４１２‥‥ＭＯＳトラ
ンジスタ ４１２ａ‥‥ゲート絶縁層 ４１２ｂ‥‥ゲ
ート電極 ４１２ｃ‥‥ソース／ドレイン領域 ４１３
‥‥素子分離領域 ４１４‥‥第１層間絶縁層 ４１５
‥‥第２層間絶縁層 ４２‥‥メモリセルアレイ ４２
２‥‥第１信号電極 ４２３‥‥強誘電体層 ４２４‥
‥第２信号電極 ４２５‥‥第１保護層 ４２６‥‥第
２保護層 ４３‥‥第１配線層 ４４‥‥第２配線層
４５１‥‥第１駆動回路 ４５２‥‥第２駆動回路 ４
５３‥‥信号検出回路

フロントページの続き (72)発明者 岩下 節也 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 5F083 FR01 GA21 GA27 JA14 JA15 JA38 JA45 LA11 MA06 MA19 NA01 PR22 PR25 PR33

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の電極と、 該第１の電極に対向する第２の電極と、 これらの電極の間に介挿され、キュリー温度直下で反強
   誘電性状態となり、−２０〜１００℃の温度範囲で強誘
   電体であり、かつ、前記温度範囲で構造相転移を示さな
   いペロブスカイト型構造の金属酸化物を含む記録層とを
   有することを特徴とするキャパシタ。
2. 【請求項２】 第１の電極と、 該第１の電極に対向する第２の電極と、 これらの電極の間に介挿され、キュリー温度直下で反強
   誘電性状態となり、−２０〜１００℃の温度範囲で強誘
   電体であり、かつ、前記温度範囲で構造相転移を示さな
   いペロブスカイト型構造の金属酸化物と、他のペロブス
   カイト型構造の金属酸化物とを含む記録層とを有するこ
   とを特徴とするキャパシタ。
3. 【請求項３】 前記キュリー温度直下で反強誘電性状態
   となり、−２０〜１００℃の温度範囲で強誘電体であ
   り、かつ、前記温度範囲で構造相転移を示さないペロブ
   スカイト型構造の金属酸化物の含有量をＸ［ｍｏｌ］と
   し、前記他のペロブスカイト型構造の金属酸化物の含有
   量をＹ［ｍｏｌ］としたとき、Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．９
   なる関係を満足する請求項２に記載のキャパシタ。
4. 【請求項４】 前記他のペロブスカイト型構造の金属酸
   化物は、組成式ＡＢＯ_３（ただし、Ａは、Ｐｂ、Ｂａ、
   Ｓｒのうちの少なくとも１種の元素、Ｂは、４Ａ族元素
   のうちの少なくとも１種の元素）で表されるものである
   請求項２または３に記載のキャパシタ。
5. 【請求項５】 前記キュリー温度直下で反強誘電性状態
   となるペロブスカイト型構造の金属酸化物は、（Ｂｉ
   _０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３である請求項１ないし４のい
   ずれかに記載のキャパシタ。
6. 【請求項６】 前記記録層は、正方晶（００１）配向し
   たものである請求項１ないし５のいずれかに記載のキャ
   パシタ。
7. 【請求項７】 前記記録層は、前記第１の電極上にエピ
   タキシャル成長により形成されたものである請求項１な
   いし６のいずれかに記載のキャパシタ。
8. 【請求項８】 前記第１の電極は、ペロブスカイト型構
   造の金属酸化物を含むものである請求項１ないし７のい
   ずれかに記載のキャパシタ。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれかに記載のキ
   ャパシタを備えることを特徴とする強誘電体メモリ。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の強誘電体メモリを備
    えることを特徴とする電子機器。