JP2005057065A - Simple matrix type ferroelectric storage device, and method for designing and inspecting same - Google Patents

Simple matrix type ferroelectric storage device, and method for designing and inspecting same Download PDF

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Akito Matsumoto
昭人 松本
Eiji Natori
栄治 名取
Takeshi Kijima
健 木島
Akira Maruyama
明 丸山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple matrix type ferroelectric storage where a memory cell is composed only of a ferroelectric capacitor without having any cell transistors and the ferroelectric capacitor has a hysteresis loop with a superior rectangle characteristic, and to provide a method for designing the simple matrix type ferroelectric storage and a method for inspecting the simple matrix type ferroelectric storage. <P>SOLUTION: In the simple matrix type ferroelectric storage, ¾ΔPa/Cu¾≥(n-1)×ΔVBL is satisfied. In this case, n indicates the number of ferroelectric memory cells connected to each of a plurality of bit lines; and ΔPa indicates the difference between a function f(Vs) when a selection voltage Vs is applied to one selection memory cell of n ferroelectric memory cells connected to one of the bit lines and a function F(Vu) when a non-selection voltage Vu is applied to other non-selection memory cells, when a hysteresis function showing polarization quantity P(μC/cm<SP>2</SP>) in the ferroelectric memory cell is set to be P=f(V) when voltage V is applied. ΔPa Is equal to f(Vs)-f(Vu). Additionally, Cu indicates capacity (μC/cm<SP>2</SP>/V) of each of (n-1) non-selection memory cells connected to one bit line, and ΔVBL indicates the minimum input amplitude (V) that can be amplified by a sense amplifier. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、セルトランジスタを有さず、強誘電体キャパシタのみでメモリセルが構成される単純マトリクス型強誘電体記憶装置、並びにその設計方法及び検査方法に関する。   The present invention relates to a simple matrix type ferroelectric memory device in which a memory cell is configured only by a ferroelectric capacitor without a cell transistor, and a design method and an inspection method thereof.

近年、PZT、SBT等の薄膜や、これを用いた強誘電体キャパシタ、強誘電体記憶装置等の研究開発が盛んに行われている。強誘電体記憶装置の構造は1T、1T1C、2T2C、単純マトリクス型に大別できる。この中で、1T型は構造上キャパシタに内部電界が発生するためリテンション(データ保持)が1ヶ月と短く、半導体一般で要求される10年保証は不可能といわれている。1T1C型、2T2C型は、DRAMと殆ど同じ構成であり、かつ選択用トランジスタを有するために、DRAMの製造技術を生かすことが出来、かつSRAM並みの書き込み速度が実現されるため、現在までに256kbit以下の小容量品が商品化されている。   In recent years, research and development of thin films such as PZT and SBT, and ferroelectric capacitors and ferroelectric memory devices using the thin films have been actively conducted. The structure of the ferroelectric memory device can be roughly classified into 1T, 1T1C, 2T2C, and a simple matrix type. Among them, the 1T type has an internal electric field generated in the capacitor because of its structure, so that the retention (data retention) is as short as one month, and it is said that the 10-year guarantee required in general semiconductors is impossible. The 1T1C type and 2T2C type have almost the same configuration as the DRAM and have a transistor for selection, so that the manufacturing technology of the DRAM can be utilized and the writing speed equivalent to that of the SRAM can be realized. The following small-capacity products have been commercialized.

これまで強誘電体材料としては、主にPb(Zr、Ti)O(PZT)が用いられているが、同材料の場合、Zr/Ti比が52/48あるいは40/60といった、稜面体晶及び正方晶の混在領域及びその近傍の組成が用いられ、かつLa、Sr、Caといった元素をドーピングされて用いられている。この領域が用いられているのは、メモリ素子に最も必要な信頼性を確保するためである。もともとヒステリシス形状はTiをリッチに含む正方晶領域が良好であるのだが、イオン性結晶構造に起因するショットキー欠陥が発生し、このことが原因で、リーク電流特性あるいはインプリント特性(いわゆるヒステリシスの変形の度合い)不良が発生してしまい、信頼性を確保することが困難である。 Up to now, Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) has been mainly used as a ferroelectric material. In the case of the same material, a ridge face body having a Zr / Ti ratio of 52/48 or 40/60 is used. A mixed region of crystal and tetragonal crystals and a composition in the vicinity thereof are used, and elements such as La, Sr, and Ca are doped and used. This region is used in order to ensure the most necessary reliability of the memory element. Originally, the tetragonal region rich in Ti is good for the hysteresis shape, but Schottky defects due to the ionic crystal structure occur, which causes leakage current characteristics or imprint characteristics (so-called hysteresis characteristics). Degree of deformation) defects occur and it is difficult to ensure reliability.

一方、単純マトリックス型は、1T1C型、2T2C型に比べセルサイズが小さく、またキャパシタの多層化が可能であるため、高集積化、低コスト化が期待されている。従来の単純マトリクス型強誘電体記憶装置に関しては、特許文献1等に開示されている。特許文献1の発明においては、メモリセルへのデータ書き込み時に、非選択メモリセルへ書き込み電圧の1/3の電圧を印加する駆動方法が開示されている。しかしながら、この技術においては、動作に必要とされる強誘電体キャパシタのヒステリシスループに関しては、具体的に記載されていない。本願発明者らが開発を進める中で、実際に動作が可能な単純マトリクス型強誘電体記憶装置を得るには角型性の良好なヒステリシスループが必要不可欠であることが判った。これに対応可能な強誘電体材料としては、Tiリッチな正方晶のPZTが候補として考えられるが、信頼性の確保が最重要課題となる。
特開平9−116107号公報
On the other hand, the simple matrix type has a smaller cell size than the 1T1C type and 2T2C type, and can be multi-layered with capacitors, so that high integration and cost reduction are expected. A conventional simple matrix ferroelectric memory device is disclosed in Patent Document 1 and the like. The invention of Patent Document 1 discloses a driving method in which a voltage that is 1/3 of a write voltage is applied to an unselected memory cell when data is written to a memory cell. However, in this technique, the hysteresis loop of the ferroelectric capacitor required for operation is not specifically described. As the inventors proceeded with development, it was found that a hysteresis loop with good squareness is indispensable to obtain a simple matrix type ferroelectric memory device that can actually operate. Ti-rich tetragonal PZT is considered as a candidate for a ferroelectric material that can cope with this, but ensuring reliability is the most important issue.
JP-A-9-116107

本発明の目的は、メモリセルがセルトランジスタを有さず、強誘電体キャパシタのみで構成され、その強誘電体キャパシタが角型性の良好なヒステリシスループを持つ単純マトリクス型強誘電体記憶装置並びにその設計方法及び検査方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a simple matrix type ferroelectric memory device in which a memory cell does not have a cell transistor and is composed only of a ferroelectric capacitor, and the ferroelectric capacitor has a hysteresis loop with good squareness and It is to provide a design method and an inspection method.

本発明の一態様に係る単純マトリクス型強誘電体記憶装置は、複数のワード線と、前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、前記複数のワード線及び前記複数のビット線の各交点にそれぞれ形成される強誘電体キャパシタから成る複数の強誘電体メモリセルと、前記複数のビット線に選択的に接続される少なくとも一つのセンスアンプとを有し、次の式を満たすものである。   A simple matrix ferroelectric memory device according to an aspect of the present invention includes a plurality of word lines, a plurality of bit lines intersecting with the plurality of word lines, the plurality of word lines, and the plurality of bit lines. It has a plurality of ferroelectric memory cells each composed of a ferroelectric capacitor formed at each intersection, and at least one sense amplifier selectively connected to the plurality of bit lines, and satisfies the following formula: is there.

|ΔPa/Cu|≧(n−1)×ΔVBL
n:前記複数のビット線の各一本に接続される前記強誘電体メモリセルの数
ΔPa:電圧Vを印加した時に前記強誘電体メモリセルの分極量P(μC/cm)を示すヒステリシス関数をP=f(V)としたとき、前記一本のビット線に接続されたn個の強誘電体メモリセルの一つの選択メモリセルに選択電圧Vsを印加した時の関数f(Vs)と、他の非選択メモリセルに非選択電圧Vuを印加した時の関数f(Vu)との差であり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)である
Cu:前記一本のビット線に接続されている(n−1)個の非選択メモリセルの各々の容量(μC/cm/V)
ΔVBL:前記センスアンプが増幅可能な最小入力振幅(V)
上記式を満たすことで、角型性の良好なヒステリシス特性を有する単純マトリクス型強誘電体記憶装置が実現できる。
| ΔPa / Cu | ≧ (n−1) × ΔVBL
n: number of the ferroelectric memory cells connected to each one of the plurality of bit lines ΔPa: hysteresis indicating the polarization amount P (μC / cm 2 ) of the ferroelectric memory cell when the voltage V is applied When the function is P = f (V), the function f (Vs) when the selection voltage Vs is applied to one selected memory cell of the n ferroelectric memory cells connected to the one bit line. And the function f (Vu) when the unselected voltage Vu is applied to other unselected memory cells, and ΔPa = f (Vs) −f (Vu). Cu: The one bit line Capacity of (n-1) unselected memory cells connected to each other (μC / cm 2 / V)
ΔVBL: Minimum input amplitude (V) that can be amplified by the sense amplifier
By satisfying the above formula, a simple matrix ferroelectric memory device having a hysteresis characteristic with good squareness can be realized.

本発明の他の態様に係る単純マトリクス型強誘電体記憶装置の設計方法及び検査方法は、上記式を用いて単純マトリクス型強誘電体記憶装置を設計し、あるいは検査するものである。   A simple matrix ferroelectric memory device design method and inspection method according to another aspect of the present invention is to design or inspect a simple matrix ferroelectric memory device using the above equations.

本発明のさらに他の態様に係る単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法は、電極間に強誘電体キャパシタを配置して成る強誘電体メモリセルを有する単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法において、前記単純マトリクス型強誘電体記憶装置をインプリント試験する工程と、前記強誘電体メモリセルの抗電圧をVcとし、前記強誘電体メモリセルへの選択電圧(ただし前記抗電圧と同一極性)をVsとし、Vs−Vc=ΔVとしたとき、前記インプリント試験後に、ΔV≦Vcを満たすか否かを判定する工程とを有する。   An inspection method for a simple matrix ferroelectric memory device according to still another aspect of the present invention is a method for testing a simple matrix ferroelectric memory device having a ferroelectric memory cell in which a ferroelectric capacitor is arranged between electrodes. In the inspection method, the step of imprinting the simple matrix ferroelectric memory device, the coercive voltage of the ferroelectric memory cell being Vc, and the selection voltage to the ferroelectric memory cell (however, the coercive voltage and And Vs−Vc = ΔV, the step of determining whether or not ΔV ≦ Vc is satisfied after the imprint test.

本発明に適用可能な強誘電体薄膜の一例として、以下のものを挙げることができる。   Examples of the ferroelectric thin film applicable to the present invention include the following.

(1)本発明に適用可能な強誘電体薄膜は、AB1−xNbの一般式で示され、A元素は、少なくともPbからなり、B元素は、Zr、Ti、V、W及びHfのうち、少なくとも一つ以上の組み合わせからなり、0.05≦x≦1の範囲でNbを含む。 (1) A ferroelectric thin film applicable to the present invention is represented by a general formula of AB 1-x Nb x O 3 , the A element is composed of at least Pb, and the B element is Zr, Ti, V, W And Hf, and at least one combination, and Nb is included in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.

また、本発明に係る強誘電体薄膜において、A元素は、Pb1−yLnからなり、Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち、少なくとも一つ以上の組み合わせからなり、かつ0<y≦0.2の範囲であることができる。 Further, the ferroelectric thin film according to the present invention, A element consists Pb 1-y Ln y, Ln is, La, Ce, Pr, Nd , Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, It is composed of a combination of at least one of Er, Tm, Yb, and Lu, and can be in a range of 0 <y ≦ 0.2.

(2)また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜は、(Pb1−y)(B1−xNb)Oの一般式で示され、A元素は、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち、少なくとも一つ以上の組み合わせからなり、B元素は、Zr、Ti、V、W及びHfのうち、一つ以上の組み合わせからなり、0.05≦x≦1の範囲でNbを含む。 (2) A ferroelectric thin film applicable to the present invention is represented by the general formula of (Pb 1-y A y ) (B 1-x Nb x ) O 3 , and the A element is La, Ce, It consists of a combination of at least one of Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and the B element is Zr, Ti, V, W and Hf. Among them, it is composed of one or more combinations, and includes Nb in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.

また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜において、0.1≦x≦0.3の範囲でNbを含むことができる。   The ferroelectric thin film applicable to the present invention can contain Nb in the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.3.

(3)また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜は、PZT系強誘電体薄膜であって、Zr組成よりもTi組成が多く、かつTi組成のうち、2.5モル%以上40モル%以下がNbに置換されている。   (3) The ferroelectric thin film applicable to the present invention is a PZT-based ferroelectric thin film having a Ti composition higher than the Zr composition, and 2.5 mol% or more and 40 mol of the Ti composition. % Or less is substituted with Nb.

また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜において、Ti組成のうち、10モル%以上30モル%以下をNbに置換することができる。   Moreover, in the ferroelectric thin film applicable to the present invention, 10 mol% or more and 30 mol% or less of the Ti composition can be substituted with Nb.

また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜において、前記PZT系強誘電体薄膜は、正方晶系および稜面体晶系の少なくとも一方の結晶構造を有することができる。   In the ferroelectric thin film applicable to the present invention, the PZT-based ferroelectric thin film may have a crystal structure of at least one of a tetragonal system and a rhombohedral system.

また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜において、0.5モル%以上のSi或いはSi及びGeを含むことができる。   Further, the ferroelectric thin film applicable to the present invention may contain 0.5 mol% or more of Si or Si and Ge.

また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜において、0.5モル%以上、5モル%未満のSi或いはSi及びGeを含むことができる。   Further, the ferroelectric thin film applicable to the present invention may contain 0.5 mol% or more and less than 5 mol% of Si or Si and Ge.

(4)また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜は、ABOの一般式で表され、Aサイトの構成元素としてPbを含み、Bサイトの構成元素として少なくともZrおよびTiを含むPZT系強誘電体薄膜において、AサイトのPb欠損量が前記ABOの化学量論的組成に対して多くとも20モル%以下である。 (4) A ferroelectric thin film applicable to the present invention is represented by a general formula of ABO 3 and includes Pb as a constituent element of the A site and PZT system including at least Zr and Ti as constituent elements of the B site. In the ferroelectric thin film, the amount of Pb deficiency at the A site is at most 20 mol% with respect to the stoichiometric composition of the ABO 3 .

また、本発明に適用可能な強誘電体薄膜において、前記AサイトのPb欠損量の1/2に相当する組成比でBサイトにNbを含むことができる。   In the ferroelectric thin film applicable to the present invention, the B site can contain Nb at a composition ratio corresponding to ½ of the Pb deficiency at the A site.

また、本発明に係る強誘電体薄膜おいて、BサイトにおけるTi組成がZr組成よりも高く、かつ稜面体晶系の結晶構造を有することができる。   Further, in the ferroelectric thin film according to the present invention, the Ti composition at the B site is higher than the Zr composition, and it can have a rhombohedral crystal structure.

また、本発明に適用可能な上記(3)および(4)の強誘電体薄膜は、ゾルゲル溶液を用いて形成することができる。   In addition, the ferroelectric thin films (3) and (4) applicable to the present invention can be formed using a sol-gel solution.

本発明の実施の形態にかかる強誘電体記憶装置について説明する。   A ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention will be described.

1.強誘電体記憶装置のキャパシタ
図1は、本実施の形態の強誘電体メモリ装置における、強誘電体キャパシタを示した図である。図1において、101は本実施形態によるPb(Zr,Ti)O(PZT)またはPb(Zr、Ti、Nb)O(PZTN)強誘電体膜、102は第1電極、103は第2電極である。第1電極102及び第2電極103は、Pt、Ir、Ru等の貴金属単体または前記貴金属を主体とした複合材料よりなる。第1電極に強誘電体の元素が拡散すると電極と強誘電体膜との界面部に組成ずれを起こしヒステリシスの角型性が低下するため、第1電極には強誘電体の元素が拡散しない緻密性が要求される。第1電極の緻密性を上げるために、質量の重いガスでスパッタ成膜する方法、Y、La等の酸化物を貴金属電極中に分散させる等の方法がとられる。なお、図1においては、基板やその他の強誘電体メモリ装置の構成要素(MOSトランジスタ等)を省略している。これらの構成要素については後述する。
1. Capacitor of Ferroelectric Memory Device FIG. 1 is a diagram showing a ferroelectric capacitor in the ferroelectric memory device of the present embodiment. In FIG. 1, 101 is a Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) or Pb (Zr, Ti, Nb) O 3 (PZTN) ferroelectric film according to the present embodiment, 102 is a first electrode, and 103 is a second electrode. Electrode. The first electrode 102 and the second electrode 103 are made of a single noble metal such as Pt, Ir, or Ru or a composite material mainly composed of the noble metal. When the ferroelectric element diffuses into the first electrode, the composition is shifted at the interface between the electrode and the ferroelectric film, and the squareness of the hysteresis is lowered. Therefore, the ferroelectric element does not diffuse into the first electrode. High precision is required. In order to increase the density of the first electrode, a method of forming a sputter film with a gas having a heavy mass, a method of dispersing an oxide such as Y or La in the noble metal electrode, or the like is used. In FIG. 1, components (such as MOS transistors) of the substrate and other ferroelectric memory devices are omitted. These components will be described later.

次に、強誘電体膜101をPZTN薄膜101とした時の成膜方法の一例を述べる。   Next, an example of a film forming method when the ferroelectric film 101 is the PZTN thin film 101 will be described.

第1の原料液は、PZTN強誘電体相の構成金属元素のうち、Pb及びZrによるPbZrOペロブスカイト結晶を形成するため縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液である。第2の原料液は、PZTN強誘電体相の構成金属元素のうち、Pb及びTiによるPbTiOペロブスカイト結晶を形成するため縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液である。第3の原料液は、PZTN強誘電体相の構成金属元素のうち、Pb及びNbによるPbNbOペロブスカイト結晶を形成するため縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液である。 The first raw material liquid is a solution obtained by dissolving a polycondensation polymer in an anhydrous state in a solvent such as n-butanol in order to form a PbZrO 3 perovskite crystal of Pb and Zr among the constituent metal elements of the PZTN ferroelectric phase. . The second raw material liquid is a solution obtained by dissolving a condensation polymer in an anhydrous state in a solvent such as n-butanol in order to form a PbTiO 3 perovskite crystal of Pb and Ti among the constituent metal elements of the PZTN ferroelectric phase. . The third raw material liquid is a solution obtained by dissolving a polycondensate in an anhydrous state in a solvent such as n-butanol in order to form a PbNbO 3 perovskite crystal of Pb and Nb among the constituent metal elements of the PZTN ferroelectric phase. .

例えば上記第1、第2及び第3の原料溶液を用いて、PbZr0.2Ti0.8Nb0.2(PZTN)強誘電体とする場合、(第1の原料溶液):(第2の原料溶液):(第3の原料溶液)=2:6:2に混合することになるが、この混合溶液をそのまま結晶化させても、強誘電体PZTN薄膜は作製することは出来ない。Nbを混合すると、結晶化温度が急激に上昇してしまい、700℃以下の素子化可能な温度範囲では結晶化が不可能なため、これまでは5モル%以上のNbはTiの置換元素としては用いられておらず、これまでは添加剤の域を出ていなかった。加えて、TiがZrよりも多く含まれるPZT正方晶では全く例がなかった。このことは、参考文献J.Am.Ceram.Soc,84(20001)902やPhys.Rev.Let,83(1999)1347等より明らかである。 For example, when the PbZr 0.2 Ti 0.8 Nb 0.2 O 3 (PZTN) ferroelectric is formed using the first, second, and third raw material solutions, (first raw material solution): ( Second raw material solution) :( third raw material solution) = 2: 6: 2 is mixed, but even if this mixed solution is crystallized as it is, a ferroelectric PZTN thin film can be produced. Absent. When Nb is mixed, the crystallization temperature rises rapidly, and crystallization is impossible in the temperature range where the element can be formed at 700 ° C. or less. Therefore, 5 mol% or more of Nb has been used as a Ti substitution element so far. Has not been used and so far has not left the area of additives. In addition, there was no example of PZT tetragonal crystals containing more Ti than Zr. This is described in reference J.A. Am. Ceram. Soc, 84 (20001) 902 and Phys. Rev. Let, 83 (1999) 1347 and the like.

本実施形態では、上記課題を、第4の原料液としての、PbSiO結晶を形成するため縮重合体をn−ブタノール等の溶媒に無水状態で溶解した溶液を1モル%以上5モル%未満で上記混合溶液中に更に添加することで解決することが出来た。上記第1、第2、第3及び第4溶液の混合溶液を用いることで、PZTNの結晶化温度を700℃以下の素子化可能な温度範囲で結晶化させることが可能となった。 In the present embodiment, the above problem is solved by adding a solution obtained by dissolving a condensation polymer in a solvent such as n-butanol in an anhydrous state to form PbSiO 3 crystals as a fourth raw material liquid, in an amount of 1 mol% or more and less than 5 mol%. It was possible to solve the problem by further adding to the above mixed solution. By using the mixed solution of the first, second, third, and fourth solutions, it becomes possible to crystallize PZTN at a temperature range in which the element can be formed at 700 ° C. or less.

これらの混合液を図20に示したフローチャートに従い成膜する。具体的には、混合溶液塗布工程、アルコール除去工程、乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程の一連の工程を所望の回数行い、最後に焼成して強誘電体膜を形成する。条件の例を下記に示す。   These mixed liquids are formed according to the flowchart shown in FIG. Specifically, a series of steps including a mixed solution coating step, an alcohol removing step, a drying heat treatment step, and a degreasing heat treatment step are performed a desired number of times, and finally baked to form a ferroelectric film. Examples of conditions are shown below.

混合液の塗布は、スピンコートなどの塗布法で行う。初めに混合溶液をPt等の電極用貴金属が被覆されたSi基板上に滴下する。滴下された溶液を基板全面に行き渡らせる目的で500rpm程度でスピンを行った後、50rpm以下に回転数を低下させて10秒ほど回転させる。乾燥熱処理工程は150℃〜180℃で行う。乾燥熱処理は大気雰囲気下でホットプレート等を用いて行う。同様に脱脂熱処理工程では300℃〜350℃に保持されたホットプレート上で、大気雰囲気下で行う。結晶化のための焼成は、酸素雰囲気中でサーマルラピッドアニール(RTA)等を用いて行う。また焼結後の膜厚は100〜200nm程度である。   The mixed solution is applied by a coating method such as spin coating. First, the mixed solution is dropped onto a Si substrate coated with a noble metal for electrodes such as Pt. For the purpose of spreading the dropped solution over the entire surface of the substrate, spinning is performed at about 500 rpm, and then the number of rotations is reduced to 50 rpm or less and the rotation is performed for about 10 seconds. The drying heat treatment step is performed at 150 to 180 ° C. The drying heat treatment is performed using a hot plate or the like in an air atmosphere. Similarly, the degreasing heat treatment step is performed in an air atmosphere on a hot plate maintained at 300 ° C to 350 ° C. Firing for crystallization is performed using thermal rapid annealing (RTA) or the like in an oxygen atmosphere. The film thickness after sintering is about 100 to 200 nm.

次に、第2電極をスパッタ法等により形成した後に、第2電極と強誘電体薄膜との界面形成、かつ強誘電体薄膜の結晶性改善を目的にポストアニールを、焼成時と同様、酸素雰囲気中でRTA等を用いて行い、強誘電体キャパシタを得る。   Next, after the second electrode is formed by sputtering or the like, post-annealing is performed for the purpose of forming the interface between the second electrode and the ferroelectric thin film and improving the crystallinity of the ferroelectric thin film. A ferroelectric capacitor is obtained by using RTA or the like in an atmosphere.

図2は、本実施の形態で用いられる強誘電体キャパシタのP(分極)−V(電圧)ヒステリシス曲線を模式的に示した図である。この強誘電体キャパシタにおいては、電圧十Vs印加時に分極量P(十Vs)を有し、その俊、電圧0にしたとき、分極量Prとなり、更に電圧−1/3Vsとした時、分極量P(−1/3Vs)となり、電圧−Vsとした時分極量P(−Vs)となり、再び電圧0とした時分極量−Prとなり、更に電圧+1/3Vsとした時分極量P(+1/3Vs)となり、再び電圧+Vsとした時、分極量は再びP(+Vs)に戻るようなヒステリシス曲線を描く。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a P (polarization) -V (voltage) hysteresis curve of the ferroelectric capacitor used in the present embodiment. This ferroelectric capacitor has a polarization amount P (ten Vs) when a voltage of 10 Vs is applied, and when the voltage is 0, the polarization amount Pr is obtained, and when the voltage is −1/3 Vs, the polarization amount is obtained. P (−1 / 3Vs), the polarization amount P (−Vs) when the voltage is −Vs, the polarization amount −Pr when the voltage is 0 again, and the polarization amount P (+ 1 / Vs when the voltage is +1/3 Vs. 3Vs), and when the voltage is set to + Vs again, a hysteresis curve is drawn so that the polarization amount returns to P (+ Vs) again.

ここで、本願発明者は、本実施の形態で用いられる強誘電体キャパシタにおいて、以下のことを見いだした。すなわち、一旦選択電圧Vsを印加して分極量P(+Vs)にした後、非選択電圧(Vs/3)の電圧を印加し、さらに印加電圧を0とした時、ヒステリシスループは図2中矢印に示す軌跡をたどり、分極量は安定な値PO(0)を持つ。また、一旦電圧−Vsを印加して分極量P(−Vs)にした後、+Vs/3の電圧を印加し、さらに印加電圧を0とした時、ヒステリシスループは図2中矢印に示す軌跡をたどり、分極量は安定な値PO(1)を持つ。   Here, the inventor of the present application has found the following in the ferroelectric capacitor used in the present embodiment. That is, when the selection voltage Vs is once applied to obtain the polarization amount P (+ Vs), the non-selection voltage (Vs / 3) is applied, and the applied voltage is set to 0, the hysteresis loop is shown by the arrow in FIG. The amount of polarization has a stable value PO (0). Also, once the voltage −Vs is applied to obtain the polarization amount P (−Vs), a voltage of + Vs / 3 is applied, and when the applied voltage is set to 0, the hysteresis loop has a locus indicated by an arrow in FIG. The amount of polarization has a stable value PO (1).

この分極量PO(0)と分極量PO(1)の差が充分にとれていれば、上述した特許文献1等に開示されている駆動法により単純マトリクス型強誘電体記憶装置を動作させることが可能である。   If the difference between the polarization amount PO (0) and the polarization amount PO (1) is sufficiently large, the simple matrix ferroelectric memory device is operated by the driving method disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 and the like. Is possible.

上記強誘電体キャパシタによれば、結晶化温度の低温化、ヒステリシスの角型性の向上、Prの向上が図れる。かかる強誘電体キャパシタを有する単純マトリクス型の強誘電体記憶装置は駆動が可能である。また強誘電体キャパシタのヒステリシスにおける角型性の向上は、単純マトリクス型の強誘電体メモリ装置の駆動にとって重要なディスターブの安定性に顕著な効果がある。単純マトリクス型強誘電体メモリ装置においては、書き込み、読み出しを行わないセルにも非選択電圧(±Vs/3)の電圧がかかるため、この電圧で分極が変化しないこと、いわゆるディスターブ特性が安定である必要がある。本願発明者は、一般的なPZTでは分極の安定した状態から分極を反転させる方向にVs/3の非選択パルスを10回与えると分極量は80%程度の低下が見られるが、本実施形態によると10%以下の低下量であることを確認した。
2.ヒステリシス特性(P−Vカーブ)の角型性
図3は、m本目の1本のビット線BLmに接続されたn個の強誘電体キャパシタC1〜Cnを示している。このビット線BLmの一端には、選択ゲートCT1mを介して例えばラッチ型のセンスアンプSAmが接続されている。一般に、センスアンプSAmは、複数本のビット線に共用され、選択ゲートCT1mがオンしたときにビット線BLmに接続される。m本目のビット線BLm上のいずれか一つの強誘電体キャパシタが選択セルとして選択されて、例えばその選択セルよりデータが読み出されるときには、選択ゲートCT1mがオンされる。このとき、センスアンプSAmにて、そのビット線BLmでの電荷の移動に伴う電圧が、参照電圧Vrefと比較され、データが読み出される。
According to the ferroelectric capacitor, the crystallization temperature can be lowered, the squareness of hysteresis can be improved, and Pr can be improved. A simple matrix type ferroelectric memory device having such a ferroelectric capacitor can be driven. Further, the improvement in the squareness in the hysteresis of the ferroelectric capacitor has a significant effect on the stability of disturbance, which is important for driving a simple matrix type ferroelectric memory device. In a simple matrix ferroelectric memory device, a non-selection voltage (± Vs / 3) is also applied to a cell to which writing and reading are not performed. Therefore, polarization does not change at this voltage, so-called disturb characteristics are stable. There must be. The inventor of the present application shows that when the non-selective pulse of Vs / 3 is applied 10 8 times in the direction of reversing the polarization from a stable state of polarization in general PZT, the polarization amount is reduced by about 80%. According to the form, it was confirmed that the amount of decrease was 10% or less.
2. Squareness of Hysteresis Characteristics (PV Curve) FIG. 3 shows n ferroelectric capacitors C1 to Cn connected to the m-th one bit line BLm. For example, a latch-type sense amplifier SAm is connected to one end of the bit line BLm via a selection gate CT1m. In general, the sense amplifier SAm is shared by a plurality of bit lines, and is connected to the bit line BLm when the selection gate CT1m is turned on. When any one ferroelectric capacitor on the m-th bit line BLm is selected as a selected cell, for example, when data is read from the selected cell, the selection gate CT1m is turned on. At this time, in the sense amplifier SAm, the voltage accompanying the movement of charges on the bit line BLm is compared with the reference voltage Vref, and data is read out.

図3に示すビット線MLmをサブビット線として用い、1本のメインビット線に従属する複数のサブビット線BLmの各々にn個の強誘電体キャパシタC1〜Cnが接続されてもよい。この場合、強誘電体記憶装置には、複数のメインビット線がさらに設けられ、この複数のメインビット線に選択的に接続されるセンスアンプSAmが設けられる。各1本のメインビット線には、それぞれ選択ゲートを介して複数のサブビット線が従属接続される。   The bit line MLm shown in FIG. 3 may be used as a sub-bit line, and n ferroelectric capacitors C1 to Cn may be connected to each of a plurality of sub-bit lines BLm subordinate to one main bit line. In this case, the ferroelectric memory device further includes a plurality of main bit lines, and a sense amplifier SAm that is selectively connected to the plurality of main bit lines. A plurality of sub bit lines are cascade-connected to each one main bit line via a selection gate.

ここで、本実施形態の強誘電体記憶装置では、下記の式(1)が成立する。   Here, in the ferroelectric memory device of the present embodiment, the following formula (1) is established.

|ΔPa/Cu|≧(n−1)×ΔVBL…(1)
ここで、nは、複数のビット線(またはサブビット線)の各一本(例えばBLm)に接続される強誘電体メモリセルの数ある。式(1)中の(n−1)は、n個の強誘電体メモリセルの一つが選択セルとなった場合の非選択セルの数を示す。ΔPaは、電圧Vを印加した時に強誘電体メモリセルの分極量P(μC/cm)を示すヒステリシス関数をP=f(V)としたとき、ビット線BLmに接続されたn個の強誘電体メモリセルの一つの選択メモリセルに選択電圧Vsを印加した時の関数f(Vs)と、他の非選択メモリセルに非選択電圧Vuを印加した時の関数f(Vu)との差である(図2参照)。つまり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)である。Cuは、ビット線BLmに接続されている(n−1)個の非選択メモリセルの各々の容量(dP/dV;μC/cm/V)である。ΔVBLは、センスアンプSAmが増幅可能な最小入力振幅(V)である。
| ΔPa / Cu | ≧ (n−1) × ΔVBL (1)
Here, n is the number of ferroelectric memory cells connected to each one (for example, BLm) of a plurality of bit lines (or sub bit lines). (N-1) in the formula (1) indicates the number of non-selected cells when one of the n ferroelectric memory cells becomes the selected cell. ΔPa is the n strong resistances connected to the bit line BLm when the hysteresis function indicating the polarization amount P (μC / cm 2 ) of the ferroelectric memory cell when the voltage V is applied is P = f (V). A difference between a function f (Vs) when a selection voltage Vs is applied to one selected memory cell of the dielectric memory cell and a function f (Vu) when an unselection voltage Vu is applied to another non-selected memory cell. (See FIG. 2). That is, ΔPa = f (Vs) −f (Vu). Cu is the capacity (dP / dV; μC / cm 2 / V) of each of (n−1) unselected memory cells connected to the bit line BLm. ΔVBL is the minimum input amplitude (V) that can be amplified by the sense amplifier SAm.

上述したパラメータのうち、Cuはヒステリシス特性から導出でき、非選択時の電圧V=Vuとすると、V=Vuにおけるヒステリシス特性(P−Vカーブ)の微分により得られる。つまり、Cuは、図2に示す電圧Vuまたは−電圧VuがP−Vカーブと交わる各点での傾き(角型性の一指標)であり、Cu=dP/dV≒ΔP/ΔVとなる。なお、Δとは任意の差分であり、例えば、測定器の感度限界に設定することができる。   Of the parameters described above, Cu can be derived from the hysteresis characteristics. If the voltage V = Vu at the time of non-selection is obtained, it can be obtained by differentiation of the hysteresis characteristics (P-V curve) at V = Vu. That is, Cu is an inclination (one index of squareness) at each point where the voltage Vu or −voltage Vu shown in FIG. 2 intersects the PV curve, and Cu = dP / dV≈ΔP / ΔV. Note that Δ is an arbitrary difference, and can be set to the sensitivity limit of the measuring device, for example.

また、非選択時の印加電圧Vuは、選択時の印加電圧Vsに対して、Vu=Vs×1/x+αに設定される。0<x<Vsであり、例えばx=2またはx=3が望ましいが、この限りでない。   Further, the applied voltage Vu at the time of non-selection is set to Vu = Vs × 1 / x + α with respect to the applied voltage Vs at the time of selection. 0 <x <Vs, for example, x = 2 or x = 3 is preferable, but not limited thereto.

選択時の印加電圧Vsは、通常は電源電圧が用いられる。半導体装置に用いられる電源電圧は、通常、Vs=1.5V,1.8V,3.3Vとなるが、この限りでない。   As the applied voltage Vs at the time of selection, a power supply voltage is usually used. The power supply voltage used in the semiconductor device is normally Vs = 1.5V, 1.8V, 3.3V, but is not limited thereto.

αは、回路、デバイス特性から決定される電圧マージン(V)である。例えば、α=0.1V,0.2Vであるが、この限りでない。   α is a voltage margin (V) determined from circuit and device characteristics. For example, α = 0.1V and 0.2V, but not limited thereto.

また、Vcuは、0<Vu<Vc、−Vc<Vu<0の範囲で設定される。Vcは抗電圧と呼ばれ、P=0の時のV軸の値となる。   Vcu is set in the range of 0 <Vu <Vc and −Vc <Vu <0. Vc is called a coercive voltage, and is a value of the V-axis when P = 0.

ΔPaは、図2に示すように、選択セルと非選択セルの分極量の差、つまり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)である。図2に示すように、角型性が良好でCuの値が充分に小さい場合(傾きがほぼ水平に近い等の場合)、ΔPa≒2×Prとしてもよい。なお、Prとは、V=0の時のP軸の値であり、誘電分極量と呼ばれる。   As shown in FIG. 2, ΔPa is a difference between the polarization amounts of the selected cell and the non-selected cell, that is, ΔPa = f (Vs) −f (Vu). As shown in FIG. 2, when the squareness is good and the value of Cu is sufficiently small (when the inclination is almost horizontal or the like), ΔPa≈2 × Pr may be set. Note that Pr is a value of the P-axis when V = 0, and is called a dielectric polarization amount.

1本のビット線に接続される強誘電体キャパシタの数nは、レイアウト構成、冗長救済回路構成、ビット線に接続されるスイッチの容量、ビット線長等により決定されるが、この限りでない。上述した特許文献1では、n=4,8,16を挙げているが、本実施形態では、強誘電キャパシタのヒステリシス特性の角型性の向上により、nは32〜128と実用に耐えうる数とすることができる。これ以上接続数nが増えると、負荷容量が増大してメモリスピードが低下する。   The number n of ferroelectric capacitors connected to one bit line is determined by the layout configuration, redundant relief circuit configuration, switch capacitance connected to the bit line, bit line length, etc., but is not limited thereto. In Patent Document 1 described above, n = 4, 8, and 16 are cited. However, in this embodiment, n is 32 to 128 and can be practically used by improving the squareness of the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor. It can be. If the number n of connections increases beyond this, the load capacity increases and the memory speed decreases.

ΔVBLは、センスアンプの入力最小振幅またはセンスアンプの感度で定義される。この値は、ビット線容量値、ビット線抵抗値、隣接パターンや外乱からのノイズ等のマージンを加味することが望ましいが、この限りでない。ΔVBLの値の一例として、マージンを考慮して150〜200mVを挙げることができる。   ΔVBL is defined by the minimum input amplitude of the sense amplifier or the sensitivity of the sense amplifier. This value preferably includes a bit line capacitance value, a bit line resistance value, a margin such as noise from an adjacent pattern or disturbance, but is not limited thereto. As an example of the value of ΔVBL, 150 to 200 mV can be given in consideration of a margin.

上記(1)式は、以下のようにして導かれる。まず、センスアンプSAmが増幅可能な最小入力振幅(V)が、センスアンプSAmに入力された時には、1本のビット線BLm上での電荷量保存の法則により下記の式が成立する。   The above equation (1) is derived as follows. First, when the minimum input amplitude (V) that can be amplified by the sense amplifier SAm is input to the sense amplifier SAm, the following formula is established according to the law of conservation of charge amount on one bit line BLm.

ΔPa=(n−1)×Cu×ΔVBL…(2)
ここで、右辺はセンスアンプの入力最小振幅を想定しているので、左辺のΔPaが右辺の値以上であれば、選択セルと非選択セルの分極量の差が、センスアンプSAmにてメモリ値0,1を判別できるのに充分であることを意味する。
ΔPa = (n−1) × Cu × ΔVBL (2)
Here, since the right side assumes the minimum input amplitude of the sense amplifier, if ΔPa on the left side is equal to or greater than the value on the right side, the difference in polarization between the selected cell and the non-selected cell is the memory value in the sense amplifier SAm. It means that 0 and 1 are enough to be discriminated.

よって、(2)式は下記の式(3)式に書き直すことができる。   Therefore, the equation (2) can be rewritten as the following equation (3).

ΔPa≧(n−1)×Cu×ΔVBL…(3)
さらに、(3)式のCuを左辺に移動させ、かつ、図2のプラス電界及びマイナス電界の双方を考慮して左辺の絶対値をとると、(3)式は上述した(1)式に変形できる。
ΔPa ≧ (n−1) × Cu × ΔVBL (3)
Further, when the Cu in the expression (3) is moved to the left side and the absolute value of the left side is taken in consideration of both the positive electric field and the negative electric field in FIG. 2, the expression (3) becomes the above-described expression (1). Can be transformed.

ここで、本実施形態では、Cuの値が0.1〜15(μC/cm/V)とすることができる。好ましくは1≦Cu≦10であり、さらに好ましくは2≦Cu≦6とすることができる。 Here, in this embodiment, the value of Cu can be 0.1 to 15 (μC / cm 2 / V). Preferably, 1 ≦ Cu ≦ 10, and more preferably 2 ≦ Cu ≦ 6.

値Cuが小さければ、図2に示す非選択電圧(Vu,−Vu)の点におけるP−Vカーブの傾きが小さいほど、ヒステリシス特性の角型性が良好になることが分かり、上述した式(1)の左辺の値が大きくなって、式(1)が成立しやすくなる。ただし、本実施形態では、式(1)の左辺は値Cuに対する値ΔPaの比率であるから、値Paがある範囲で大きい値であってもよく、例えば、ΔPaの値が40〜120(μC/cm)とすることができる。好ましくは50≦ΔPa≦100、さらに好ましくは60≦ΔPa≦80とすることができる。 It can be seen that the smaller the value Cu, the better the squareness of the hysteresis characteristic as the slope of the PV curve at the non-selection voltage (Vu, -Vu) point shown in FIG. The value on the left side of 1) becomes large, and the formula (1) is easily established. However, in the present embodiment, since the left side of the expression (1) is the ratio of the value ΔPa to the value Cu, the value Pa may be a large value within a certain range. For example, the value of ΔPa is 40 to 120 (μC / Cm 2 ). Preferably 50 ≦ ΔPa ≦ 100, more preferably 60 ≦ ΔPa ≦ 80.

上記の値Cu、ΔPaの値も考慮して、式(1)の左辺である|ΔPa/Cu|の値を1.6〜50(V)とすることができる。好ましくは5≦|ΔPa/Cu|≦50、さらに好ましくは10≦|ΔPa/Cu|≦50とすることができる。   Considering the values Cu and ΔPa, the value of | ΔPa / Cu |, which is the left side of the equation (1), can be set to 1.6 to 50 (V). Preferably 5 ≦ | ΔPa / Cu | ≦ 50, more preferably 10 ≦ | ΔPa / Cu | ≦ 50.

ヒステリシス特性の角型性、下記の式(4)にて表わすこともできる。   The squareness of the hysteresis characteristic can also be expressed by the following formula (4).

つまり、図2に示すように、強誘電体メモリセルの抗電圧をVcとし、強誘電体メモリセルへの選択電圧(ただし前記抗電圧と同一極性)をVsとし、Vs−Vc=ΔVとしたとき、式(4)は以下の通りとなる。   That is, as shown in FIG. 2, the coercive voltage of the ferroelectric memory cell is Vc, the selection voltage to the ferroelectric memory cell (however, the same polarity as the coercive voltage) is Vs, and Vs−Vc = ΔV. Then, equation (4) becomes:

ΔV≦Vc…(4)
図2のように角型性が優れたヒステリシス特性では、ΔV≦Vcとなり、この特性は従来の強誘電体キャパシタでは見られない特性である。図2の角型性が維持される限り、|Vs|>|Vc|となり、よって、|Vs|−|Vc|>0が常に成立する。特に、強誘電体記憶装置をインプリント試験(詳細は後述する)した後でも、下記の式(5)を満たすことが、実用上極めて重要である。
ΔV ≦ Vc (4)
In the hysteresis characteristic with excellent squareness as shown in FIG. 2, ΔV ≦ Vc, which is a characteristic that cannot be seen in the conventional ferroelectric capacitor. As long as the squareness of FIG. 2 is maintained, | Vs |> | Vc |, and thus | Vs | − | Vc |> 0 always holds. In particular, it is extremely important in practice to satisfy the following formula (5) even after an imprint test (details will be described later) of the ferroelectric memory device.

|Vs|>|Vc|…(5)
3.強誘電体記憶装置の設計方法
強誘電体記憶装置を設計するにあたって、従来試行錯誤であった各種パラメータの設定を、式(1)を参照することができる。式(1)の左辺のΔPa及びCuは強誘電体キャパシタ自体の特性である。これに対して、式(1)の右辺は強誘電体キャパシタ以外の設計事項であり、数nやセンスアンプの感度は、式(1)の左辺の値に基づいて式(1)を満足するように決定すればよい。
| Vs |> | Vc | (5)
3. Design Method for Ferroelectric Memory Device When designing a ferroelectric memory device, the setting of various parameters, which has conventionally been a trial and error, can be referred to Equation (1). ΔPa and Cu on the left side of the equation (1) are characteristics of the ferroelectric capacitor itself. On the other hand, the right side of the equation (1) is a design item other than the ferroelectric capacitor, and the sensitivity of the number n and the sense amplifier satisfies the equation (1) based on the value of the left side of the equation (1). It may be determined as follows.

3.1センスアンプの最小入力振幅値ΔVBLの設計方法
まず、選択電圧Vs=1.8V(電源電圧)とし、非選択電圧Vu=Vs/x+α=1.8/3+0.2=0.8Vとする(x=3,α=0.2の例)。
3.1 Design Method of Minimum Input Amplitude Value ΔVBL of Sense Amplifier First, the selection voltage Vs = 1.8V (power supply voltage) and the non-selection voltage Vu = Vs / x + α = 1.8 / 3 + 0.2 = 0.8V (Example of x = 3, α = 0.2).

次に、用いられる強誘電体キャパシタの特性を測定して、式(1)の左辺の値|ΔPa/Cu|を算出する。測定結果から、Cu=10μC/cm/Vであり、ΔPa=50μC/cmであったとき、式(1)の左辺の値|ΔPa/Cu|=50/10=5.0Vとなる。 Next, the characteristic of the ferroelectric capacitor used is measured, and the value | ΔPa / Cu | on the left side of the equation (1) is calculated. From the measurement results, when Cu = 10 μC / cm 2 / V and ΔPa = 50 μC / cm 2 , the value | ΔPa / Cu | = 50/10 = 5.0 V on the left side of Equation (1) is obtained.

次に、式(1)の右辺のうちの(n−1)を左辺に移動して、式(1)を下記の式(1−1)に変形する。   Next, (n-1) in the right side of the formula (1) is moved to the left side, and the formula (1) is transformed into the following formula (1-1).

|ΔPa/Cu|/(n−1)≧ΔVBL…(1−1)
この式(1−1)を、n=32として計算すると、|ΔPa/Cu|/(n−1)=5/(32−1)≒0.16(V)≧ΔVBLが得られる。よって、ΔVBL=150mVの感度を有するセンスアンプを用いればよい。
| ΔPa / Cu | / (n−1) ≧ ΔVBL (1-1)
When this equation (1-1) is calculated with n = 32, | ΔPa / Cu | / (n−1) = 5 / (32−1) ≈0.16 (V) ≧ ΔVBL is obtained. Therefore, a sense amplifier having a sensitivity of ΔVBL = 150 mV may be used.

3.2ビット線への接続メモリセル数nの設計方法
まず、選択電圧Vs=1.5V(電源電圧)とし、非選択電圧Vu=Vs/x+α=1.5/2+0.1=0.85Vとする(x=2,α=0.1の例)。
3.2 Design Method of Number of Memory Cells n Connected to Bit Line First, select voltage Vs = 1.5V (power supply voltage) and non-select voltage Vu = Vs / x + α = 1.5 / 2 + 0.1 = 0.85V (Example of x = 2, α = 0.1).

次に、用いられる強誘電体キャパシタの特性を測定して、式(1)の左辺の値|ΔPa/Cu|を算出する。測定結果から、Cu=3μC/cm/Vであり、ΔPa=100μC/cmであったとき、式(1)の左辺の値|ΔPa/Cu|=100/3=33.3Vとなる。 Next, the characteristic of the ferroelectric capacitor used is measured, and the value | ΔPa / Cu | on the left side of the equation (1) is calculated. From the measurement results, when Cu = 3 μC / cm 2 / V and ΔPa = 100 μC / cm 2 , the value | ΔPa / Cu | = 100/3 = 33.3V on the left side of Equation (1) is obtained.

次に、式(1)の右辺にnのみが残るようにして、式(1)を下記の式(1−2)に変形する。   Next, Equation (1) is transformed into Equation (1-2) below so that only n remains on the right side of Equation (1).

|ΔPa/Cu|/ΔVBL+1≧n…(1−2)
この式(2−1)を、ΔVBL=0.2Vとして計算すると、|ΔPa/Cu|/ΔVBL+1=33.3/0.2+1≒167.5≧nが得られる。メモリセル接続数nは、2進法を用いて選択する関係上2のべき乗の数が用いられることから、n=128に決定される。
| ΔPa / Cu | / ΔVBL + 1 ≧ n (1-2)
When this equation (2-1) is calculated with ΔVBL = 0.2 V, | ΔPa / Cu | /ΔVBL+1=33.3/0.2+1≈167.5≧n is obtained. The number n of memory cell connections is determined to be n = 128 because a power of 2 is used because of the selection using the binary system.

4.強誘電体記憶装置
図4(A)及び図4(B)は、本実施の形態における、単純マトリクス型の強誘電体記憶装置の構成を示した図である。図4(A)はその平面図、図4(B)は図4(A)のA−A線に沿った断面図である。図4(A)において、符号301乃至303は基板308上に所定の数配列されたワード線であり、符号304乃至306は所定の数配列されたビット線である。ワード線301乃至306とビット線304乃至306との間に、本実施形態の強誘電体膜307が挿入され、ワード線とビット線の交差領域に強誘電体キャパシタが形成される。
4). Ferroelectric Memory Device FIGS. 4A and 4B are diagrams showing a configuration of a simple matrix ferroelectric memory device in this embodiment. 4A is a plan view thereof, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 4A. In FIG. 4A, reference numerals 301 to 303 are word lines arranged in a predetermined number on the substrate 308, and reference numerals 304 to 306 are bit lines arranged in a predetermined number. The ferroelectric film 307 of this embodiment is inserted between the word lines 301 to 306 and the bit lines 304 to 306, and a ferroelectric capacitor is formed in the intersection region between the word line and the bit line.

この単純マトリクスにより構成されるメモリセルを配列した強誘電体記憶装置において、ワード線とビット線の交差領域に形成される強誘電体キャパシタヘの書き込みと読み出しは、図示しない周辺の駆動回路や読み出し用の増幅回路等(これらを「周辺回路」と称す)により行う。この周辺回路は、メモリセルアレイと別の基板上にMOSトランジスタにより形成して、ワード線及びビット線に接続するようにしてもよいし、あるいは基板308に単結晶シリコン基板を用いることにより、周辺回路をメモリセルアレイと同一基板上に集積化することも可能である。   In the ferroelectric memory device in which the memory cells configured by this simple matrix are arranged, writing to and reading from the ferroelectric capacitor formed in the intersection region of the word line and the bit line are performed by a peripheral driving circuit (not shown) or reading. For example, these are referred to as “peripheral circuits”. This peripheral circuit may be formed by a MOS transistor on a substrate different from the memory cell array and connected to the word line and bit line, or by using a single crystal silicon substrate for the substrate 308, the peripheral circuit Can also be integrated on the same substrate as the memory cell array.

図5は、本実施の形態における、メモリセルアレイが周辺回路と共に同一基板上に集積化されている強誘電体メモリ装置の一例を示す断面図である。同図において、単結晶シリコン基板401上にMOSトランジスタ402が形成され、このトランジスタ形成領域が周辺回路部となる。MOSトランジスタ402は、単結晶シリコン基板401、ソース・ドレイン領域405、ゲート絶縁膜403、ゲート電極404により構成される。406は素子分離用酸化膜、407は第1の層間絶縁膜、408は第1の配線層である。409は第2の層間絶縁膜、410は強誘電体キャパシタの下部電極(第1電極または第2電極)であり、これがワード線またはビット線となる。411は強誘電体膜であり、412は強誘電体膜の上に形成された上部電極(第2電極または第1電極)であり、これがビット線またはワード線となる。下部電極410と、強誘電体相と常誘電体相とを含む強誘電体膜411と、上部電極412とにより、メモリセルアレイが構成される。413は第3の層間絶縁膜であり、414は第2の配線層である。第2の配線層414により、メモリセルアレイと周辺回路部が接続される。415は保護膜である。以上の構成の強誘電体メモリ装置では、メモリセルアレイと周辺回路部は同一基板上に集積することができる。なお、図5の場合、周辺回路部上にメモリセルアレイが形成されている構成であるが、もちろん、周辺回路部上にメモリセルアレイが配置されず、メモリセルアレイは周辺回路部と平面的に接しているような構成としてもよい。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a ferroelectric memory device in which a memory cell array is integrated with peripheral circuits on the same substrate in the present embodiment. In the figure, a MOS transistor 402 is formed on a single crystal silicon substrate 401, and this transistor formation region becomes a peripheral circuit portion. The MOS transistor 402 includes a single crystal silicon substrate 401, source / drain regions 405, a gate insulating film 403, and a gate electrode 404. Reference numeral 406 denotes an element isolation oxide film, 407 denotes a first interlayer insulating film, and 408 denotes a first wiring layer. Reference numeral 409 denotes a second interlayer insulating film, and reference numeral 410 denotes a lower electrode (first electrode or second electrode) of the ferroelectric capacitor, which becomes a word line or a bit line. Reference numeral 411 denotes a ferroelectric film, and reference numeral 412 denotes an upper electrode (second electrode or first electrode) formed on the ferroelectric film, which becomes a bit line or a word line. The lower electrode 410, the ferroelectric film 411 including the ferroelectric phase and the paraelectric phase, and the upper electrode 412 constitute a memory cell array. Reference numeral 413 denotes a third interlayer insulating film, and reference numeral 414 denotes a second wiring layer. The second wiring layer 414 connects the memory cell array and the peripheral circuit portion. Reference numeral 415 denotes a protective film. In the ferroelectric memory device having the above configuration, the memory cell array and the peripheral circuit portion can be integrated on the same substrate. In the case of FIG. 5, the memory cell array is formed on the peripheral circuit portion. Of course, the memory cell array is not arranged on the peripheral circuit portion, and the memory cell array is in planar contact with the peripheral circuit portion. It is good also as such a structure.

本実施の形態で用いられる強誘電体キャパシタは、ヒステリシスの角形性が非常に良く、安定なディスターブ特性を有する。さらに、この強誘電体キャパシタは、プロセス温度の低温化により周辺回路等や他の素子へのダメージが少なく、またプロセスダメージ(特に水素の還元)が少ないので、ダメージによるヒステリシスの劣化を抑えることができる。したがって、かかる強誘電体キャパシタを用いることで、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の駆動が可能になる。   The ferroelectric capacitor used in this embodiment has a very good hysteresis squareness and a stable disturb characteristic. Furthermore, this ferroelectric capacitor has little damage to peripheral circuits and other elements due to low process temperature, and also has little process damage (especially hydrogen reduction), so it can suppress deterioration of hysteresis due to damage. it can. Therefore, by using such a ferroelectric capacitor, it is possible to drive a simple matrix type ferroelectric memory device.

また図6には、従来の1T1C型強誘電体メモリの構造図を示した。   FIG. 6 shows a structural diagram of a conventional 1T1C type ferroelectric memory.

図6のように、キャパシタ絶縁膜に本発明の強誘電体を用い(1C)、スイッチ用のトランジスタ素子(1T)からなるDRAMに良く似た構造のメモリ素子である。本方式は書き込み及び読み出しが100ns以下と高速で行うことが出来、かつ書き込んだデータは不揮発であるため、SRAMの置き換え等に有望と考えられている。   As shown in FIG. 6, a memory element having a structure very similar to a DRAM using the ferroelectric substance of the present invention for the capacitor insulating film (1C) and comprising a transistor element for switching (1T). In this method, writing and reading can be performed at a high speed of 100 ns or less, and written data is non-volatile, so it is considered promising for SRAM replacement and the like.

5.強誘電体記憶装置の検査方法
図7に、本実施形態に係る強誘電体記憶装置の検査方法を示す。なお、一般に、半導体装置の検査としては、ウエハ状態におけるプローブ検査と、ダイシング、パッケージ後の最終選別検査とがある。以下に説明する検査方法は、プローブ検査及び最終選別検査の双方にて実施可能である。
5). Method for Inspecting Ferroelectric Memory Device FIG. 7 shows a method for inspecting a ferroelectric memory device according to this embodiment. In general, semiconductor device inspection includes probe inspection in a wafer state, dicing, and final sorting inspection after packaging. The inspection method described below can be performed in both the probe inspection and the final screening inspection.

図7において、先ず、上述した設計によって得られた値n,ΔVBLを測定装置に設定入力する(ステップ1)。なお、ステップ1は同一ロットに対して一回だけ行えば良い。次に、初期検査として、強誘電体記憶装置の外部パッドに接触子をコンタクトして、オープン・ショート検査を実施する(ステップ2)。ステップ2にて不良が発見されれば、不良カテゴリが発生していることと判断し(ステップ7)、その強誘電体記憶装置についての検査が終了され(ステップ8)、次の強誘電体記憶装置の検査に移行する。   In FIG. 7, first, values n and ΔVBL obtained by the above-described design are set and inputted to the measuring apparatus (step 1). Step 1 need only be performed once for the same lot. Next, as an initial inspection, a contact is brought into contact with the external pad of the ferroelectric memory device, and an open / short inspection is performed (step 2). If a defect is found in step 2, it is determined that a defect category has occurred (step 7), the inspection for the ferroelectric memory device is terminated (step 8), and the next ferroelectric memory is stored. Transition to equipment inspection.

ステップ2にて不良が発見されなかった場合には、強誘電体記憶装置の強誘電体キャパシタ固有のヒステリシス特性を測定して、ΔPa及びCuを測定する。図8は、測定対象の強誘電体キャパシタのC−V特性の一例である。非選択電圧Vu=0.8Vであれば、Cu=15μC/cm/Vが得られる。このように、値Cuは、ヒステリシス特性から計算で導出せずに、C−Vカーブの測定から導出すれば、時間短縮となる。ΔPaは、上述した通り、ビット線BLmに接続されたn個の強誘電体メモリセルの一つの選択メモリセルに選択電圧Vsを印加した時の関数f(Vs)と、他の非選択メモリセルに非選択電圧Vuを印加した時の関数f(Vu)との差、つまり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)より得られる。なお、Cuが充分に小さい場合には、上述した通りΔPa≒2Prとしても良い。ステップ3は、強誘電体記憶装置の少なくとも一つの強誘電体キャパシタについて実施される。 If no defect is found in step 2, the hysteresis characteristic specific to the ferroelectric capacitor of the ferroelectric memory device is measured, and ΔPa and Cu are measured. FIG. 8 is an example of the CV characteristic of the ferroelectric capacitor to be measured. If the non-selection voltage Vu = 0.8V, Cu = 15 μC / cm 2 / V is obtained. Thus, if the value Cu is not derived from the hysteresis characteristic by calculation, but derived from the measurement of the CV curve, the time is shortened. As described above, ΔPa is a function f (Vs) when the selection voltage Vs is applied to one selected memory cell of n ferroelectric memory cells connected to the bit line BLm, and other unselected memory cells. Is obtained from the difference from the function f (Vu) when the non-selection voltage Vu is applied to, that is, ΔPa = f (Vs) −f (Vu). When Cu is sufficiently small, ΔPa≈2Pr may be set as described above. Step 3 is performed on at least one ferroelectric capacitor of the ferroelectric memory device.

次に、ステップ1,3より得られた値n,ΔVBL,ΔPa及びCuを、上述した式(1)に代入して、式(1)の不等式が成立するか否かを判定する(ステップ4)。式(1)が成立しなければ、不良カテゴリが発生していることと判断し(ステップ7)、その強誘電体記憶装置についての検査が終了される(ステップ8)。   Next, the values n, ΔVBL, ΔPa and Cu obtained in steps 1 and 3 are substituted into the above-described equation (1) to determine whether the inequality of equation (1) is satisfied (step 4). ). If equation (1) does not hold, it is determined that a defect category has occurred (step 7), and the inspection of the ferroelectric memory device is terminated (step 8).

ステップ4にて式(1)が成立した場合、各種試験(後期試験とも称する)が実施される(ステップ5)。この各種試験とは、記憶装置に対して一般に行われているDC試験、ファンクション試験、特殊試験及びAC試験などである。DC試験によって、スタンバイ、リーク等の電流試験が実施され、ファンクション試験によって比較的低速にて論理動作が確認される。特殊試験では、過去の不良事例のフィードバックにより追加された項目に関する試験であり、スピード試験以外の試験が実施される。AC試験では、所有のアクセススピードでの論理動作が確認される。ステップ5の検査が全て正常と判断された場合にのみ、良品と判定され(ステップ6)、その強誘電体記憶装置についての検査が終了する。   When Expression (1) is established in Step 4, various tests (also referred to as late tests) are performed (Step 5). The various tests include a DC test, a function test, a special test, an AC test, and the like that are generally performed on a storage device. Current tests such as standby and leak are performed by the DC test, and logic operation is confirmed at a relatively low speed by the function test. The special test is a test related to items added by feedback of past defect cases, and tests other than the speed test are performed. In the AC test, the logic operation at the owned access speed is confirmed. Only when all the inspections in step 5 are determined to be normal, it is determined as non-defective (step 6), and the inspection for the ferroelectric memory device is completed.

ここで、ステップ5の各種試験には、従来より長時間を要していた。例えば特殊試験は、過去に発生した不良に基づいて多項目について実施されるため試験時間が長い。また、DC試験、AC試験も、数種類のテストパターンを使用するので長時間化している。本実施形態では、少なくとも初期試験(ステップ2)の後であって、かつ、各種試験(ステップ5)の前にステップ4の検査を実施することで、機能的に不良な測定対象を、長時間を要する各種試験の前に除外することが可能となる。よって、機能的に不良な測定対象について各種試験を実施する従来例と比較すれば、検査時間の総時間が短縮されて、トータルコストが低減される。   Here, the various tests in Step 5 required a longer time than before. For example, since the special test is performed for many items based on defects that occurred in the past, the test time is long. In addition, the DC test and AC test also take a long time because several types of test patterns are used. In the present embodiment, at least after the initial test (step 2) and before the various tests (step 5), the test in step 4 is performed, so that a functionally defective measurement object can be detected for a long time. Can be excluded before various tests that require. Therefore, compared with the conventional example in which various tests are performed on a functionally defective measurement object, the total inspection time is shortened and the total cost is reduced.

図9は、強誘電体記憶装置に特有の検査方法を示している。図9のステップ1のインプリント試験には、大別してスタティックインプリント試験と、ダイナミックインプリント試験とがある。通常は、どちらか一方について実施される。スタティックインプリント試験とは、選択電圧Vsを1回だけ印加して、強誘電体キャパシタにデータを書き込み、その後、高温例えば150℃程度で長時間例えば40〜150時間放置し、その後データを読み出す試験である。ダイナミックインプリント試験とは、上述の高温雰囲気にて例えば正の選択電圧Vsを多数回例えば10〜1010回連続して印加して、その都度データを書き込み、最後にデータを読み出す試験である。 FIG. 9 shows an inspection method unique to the ferroelectric memory device. The imprint test of Step 1 in FIG. 9 is roughly classified into a static imprint test and a dynamic imprint test. Usually, it carries out about either one. The static imprint test is a test in which the selection voltage Vs is applied only once, data is written to the ferroelectric capacitor, and then left at a high temperature, for example, about 150 ° C. for a long time, for example, 40 to 150 hours, and then the data is read. It is. The dynamic imprint test is a test in which, for example, the positive selection voltage Vs is continuously applied many times, for example, 10 9 to 10 10 times in the above-described high temperature atmosphere, data is written each time, and data is finally read. .

いずれも、所定の耐用回数に耐えるか否かの信頼性試験である。上述のインプリント試験の結果、ヒステリシス特性がインプリントされて初期の機能を達成されない場合には、不良と判定される。本実施形態では、その判定項目(ステップ2)として、|ΔPa/Cu|≧(n−1)×ΔVBL (上述した式(4)である))の不等式を満足するか否かを実施している。インプリントの結果、図2の角型性が維持される限り、|Vs|>|Vc|(上述した式(5)である)が常に維持される。よって、インプリント試験後のステップ2の判定項目として、式(5)を満足するか否かを実施しても良い。このステップ2での判定結果にしたがって、良品、不良品に選別される(ステップ4,5)。   Both are reliability tests as to whether or not they can withstand a predetermined service life. As a result of the above-described imprint test, if the hysteresis characteristic is imprinted and the initial function cannot be achieved, it is determined as defective. In the present embodiment, whether or not the inequality of | ΔPa / Cu | ≧ (n−1) × ΔVBL (the above-described equation (4))) is satisfied as the determination item (step 2) is performed. Yes. As a result of imprinting, as long as the squareness of FIG. 2 is maintained, | Vs |> | Vc | (equation (5) described above) is always maintained. Therefore, whether or not the expression (5) is satisfied may be performed as the determination item in step 2 after the imprint test. According to the determination result in step 2, the product is sorted into a non-defective product and a defective product (steps 4 and 5).

6.PZT正方晶強誘電体薄膜
次に、従来のPZT強誘電体の課題と本実施形態の有効性について述べる。PZT正方晶は、本来、メモリ用途に適した角型性を有しているが、信頼性に乏しく実用化されていない。
6). PZT Tetragonal Ferroelectric Thin Film Next, the problems of the conventional PZT ferroelectric and the effectiveness of this embodiment will be described. PZT tetragonal crystals originally have squareness suitable for memory applications, but are not practical because of poor reliability.

まず、結晶化後のPZT正方晶薄膜は、Ti含有率が高ければ高いほど、リーク電流密度が高くなる傾向がある。加えて、+あるいは−方向のどちらか一方に一回だけデータを書き込んで、例えば100℃に加熱保持した後、データを読み出す、いわゆるスタティックインプリント試験を行うと、24時間後には、殆ど書き込んだデータが残っていない。これらは、イオン性結晶であるPZT及びPZTの構成元素であるPbとTi自身の抱える本質的なものであり、このことが構成元素の大部分がPb及びTiからなるPZT正方晶薄膜の抱える最大の課題となっている。   First, the PZT tetragonal thin film after crystallization tends to have a higher leakage current density as the Ti content is higher. In addition, when the so-called static imprint test is performed, in which data is written only once in either the + or − direction and the data is read after being heated and held at 100 ° C., for example, it is almost written after 24 hours. There is no data left. These are essential elements possessed by PZT, which is an ionic crystal, and Pb, which is a constituent element of PZT, and Ti itself, and this is the maximum that a PZT tetragonal thin film, most of which is composed of Pb and Ti, has. It has become an issue.

それは、PZTペロブスカイトがイオン性結晶であることが大きく、PZTが抱える本質的なものであると考えられる。   It is considered that PZT perovskite is an ionic crystal and is essential for PZT.

図10は、PZTの各構成元素の結合にまつわる主なエネルギーの一覧である。PZTは結晶化後に酸素空孔を多く含むことが知られている。すなわち、図10より、Pb−OはPZT構成元素中、結合エネルギーが最も小さく、焼成加熱時や、分極反転時に簡単に切れることが予想される。すなわち、Pbが抜けると電荷中性の原理よりOが抜けることは当然である。   FIG. 10 is a list of main energies related to the bonding of each constituent element of PZT. PZT is known to contain many oxygen vacancies after crystallization. That is, it is expected from FIG. 10 that Pb—O has the smallest binding energy among the PZT constituent elements, and can be easily cut off during firing and polarization inversion. That is, it is natural that when Pb is lost, O is lost due to the principle of charge neutrality.

次に、インプリント試験等加熱保持時には、PZTの各構成元素は振動し衝突を繰り返していることになるが、PZT構成元素中でTiは最も軽く、高温保持時の振動衝突により抜け易いことは明白である。したがって、Tiが抜けると電荷中性の原理よりOが抜けることは当然である。またPb:+2、Ti:+4の最大価数で結合に寄与しているため、Oが抜ける以外に電荷中性が成り立たないのである。すなわち、PZTはPb及びTiといった陽イオン1つに対しOという陰イオンが2つ抜けやすく、いわゆるショットキー欠陥を容易に形成する。   Next, during heating and holding such as imprint tests, each constituent element of PZT vibrates and repeats collision, but Ti is the lightest among the PZT constituent elements, and it is easy to come off due to vibration collision at high temperature holding. It is obvious. Therefore, it is natural that O escapes from the principle of charge neutrality when Ti escapes. Further, since it contributes to bonding with the maximum valences of Pb: +2 and Ti: +4, no charge neutrality is established except for the elimination of O. That is, in PZT, two anions such as O are easily removed with respect to one cation such as Pb and Ti, and so-called Schottky defects are easily formed.

図11に示すように、ペロブスカイト結晶では陽イオンの隣は酸素イオンが来るため、陽イオン欠陥は、あまりリーク電流増大の原因にはなりにくい。しかしながら、酸素イオンはPZT結晶全体に直列で繋がっており、酸素欠損が増えると、リーク電流もそれに従って増大してしまうのである。   As shown in FIG. 11, in the perovskite crystal, oxygen ions come next to the cations, so that the cation defects are less likely to cause an increase in leakage current. However, oxygen ions are connected in series with the entire PZT crystal, and when oxygen vacancies increase, the leakage current increases accordingly.

加えて、PbやTi抜け、それに伴うO抜けは、いわゆる格子欠陥であり、このことは図12に示した、空間電荷分極の原因となり、この結果、強誘電体の分極による電界に格子欠陥による反電界が生じてしまい、いわゆるバイアス電位が掛かった状態となり、この結果、ヒステリシスがシフトあるいは減極してしまう。加えてこの現象は、温度が高くなるほど速やかに生じてしまう。   In addition, Pb and Ti loss and accompanying O loss are so-called lattice defects, which cause the space charge polarization shown in FIG. 12, and as a result, the electric field due to ferroelectric polarization is caused by lattice defects. A counter electric field is generated and a so-called bias potential is applied. As a result, hysteresis is shifted or depolarized. In addition, this phenomenon occurs more rapidly as the temperature increases.

以上はPZTの抱える本質的な問題であり、純粋なPZTでは解決困難であるため、正方晶のPZTを用いたメモリ素子は実現していない。ここで我々は、本実施形態のPZTN薄膜を用い、あるいは実施例1,2等で後述する通り従来のPZTを改善することで、上記課題を解決した。   The above is an essential problem of PZT, and since it is difficult to solve with pure PZT, a memory element using tetragonal PZT has not been realized. Here, we solved the above problems by using the PZTN thin film of this embodiment or improving the conventional PZT as described later in Examples 1 and 2 and the like.

PZTN薄膜ではTiサイトへのNbドーピングを行った。NbはTiとサイズ(イオン半径が近く、原始半径にいたっては同一である。)がほぼ同じで、重さが2倍あり、衝突時に抜けにくい。また原子価は、+5価で安定であり、たとえPbが抜けても、Nb5+がPb抜けの価数を補ってくれる。加えて結晶化時に、Pb抜けが発生したとしても、大きなOが抜けるより、小さなNbが入る方が容易であることは、明白である。 In the PZTN thin film, Nb doping was performed on the Ti site. Nb is almost the same size as Ti (the ion radius is close and the same for the primitive radius), is twice the weight, and is difficult to escape during a collision. The valence is +5 and is stable, and even if Pb is lost, Nb 5+ compensates for the valence of Pb loss. In addition, even if Pb loss occurs during crystallization, it is clear that it is easier to enter small Nb than large O loss.

また、Nbは+4価も存在するため、Ti4+の代わりは十分に行うことが可能である。更に、実際にはNbは共有結合性が非常に強く、Pbも抜け難くなっていると考えられる(H.Miyazawa,E.Natori,S.Miyashita;Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)5679)。 In addition, since Nb also has a +4 valence, Ti 4+ can be sufficiently replaced. Furthermore, in fact, Nb has a very strong covalent bond, and Pb is considered to be difficult to escape (H. Miyazawa, E. Natori, S. Miyashita; Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000). 5679).

これまでも、PZTへのNbドーピングは、主にZrリッチの稜面体晶領域で行われてきたが、その量は、0.2〜0.025mol%(J.Am.Ceram.Soc,84(2001)902;Phys.Rev.Let,83(1999)1347)程度と、極僅かなものである。このことは、後述する実施例で詳細は述べるが、Nbを10モル%添加することで結晶化温度が800℃以上に上昇してしまうためである。   So far, Nb doping to PZT has been mainly performed in the Zr-rich rhombohedral region, but the amount is 0.2-0.025 mol% (J. Am. Ceram. Soc, 84 ( 2001) 902; Phys. Rev. Let, 83 (1999) 1347) and so on. Although this will be described in detail in the examples described later, the addition of 10 mol% of Nb increases the crystallization temperature to 800 ° C. or higher.

しかしながら、本実施形態では更にPbSiOシリケートを1〜5モル%添加することで、PZTNやPZNの結晶化温度が急激に下がることを見出した。PZTN薄膜を形成する実施形態は、Nb添加とPbSiOシリケートとを同時に添加することで成り立つ画期的な技術である。 However, in this embodiment, it has been found that the crystallization temperature of PZTN or PZN is drastically lowered by adding 1 to 5 mol% of PbSiO 3 silicate. The embodiment for forming the PZTN thin film is an epoch-making technique realized by simultaneously adding Nb and PbSiO 3 silicate.

Nbに代えてW、Vでも同等の効果を有する。また、同様の考え方で、Pb抜けを防止するために、+3価以上の元素でPbを置換することも考えられ、これらの候補として、Laを始めとするランタノイド系が挙げられる。加えて、結晶化を促進する添加剤として、シリケート(Si)ではなくゲルマネート(Ge)、あるいはシリケート及びゲルマネートを添加剤として用いてもよい。   W and V have the same effect in place of Nb. Further, in the same way of thinking, it is conceivable to substitute Pb with an element having a valence of +3 or more in order to prevent Pb loss. These candidates include lanthanoids such as La. In addition, as an additive for promoting crystallization, germanate (Ge) instead of silicate (Si), or silicate and germanate may be used as an additive.

以下に、本発明にて好適に用いられる強誘電体薄膜の詳細な実施例を記す。   Hereinafter, detailed examples of the ferroelectric thin film suitably used in the present invention will be described.

本実施例ではPbZr0.35Ti0.65(PZT)強誘電体薄膜を作製した。 In this example, a PbZr 0.35 Ti 0.65 O 3 (PZT) ferroelectric thin film was produced.

従来の方法では、20%程度Pbを過剰に含む、溶液を用いるが、これは、揮発Pbの抑制及び結晶化温度低減のためである。しかしながら、出来た薄膜で過剰Pbが、どのようになっているかは不明であり、本来ならば最小限のPb過剰量で抑えるべきである。   In the conventional method, a solution containing Pb excessively by about 20% is used. This is for the purpose of suppressing volatile Pb and reducing the crystallization temperature. However, it is unclear how excess Pb is formed in the thin film thus produced, and should be suppressed with a minimum Pb excess.

本実施例では、化学量論組成に対して過剰Pbが2%である10重量%濃度のPbZr0.35Ti0.65(PZT)形成用ゾルゲル−MOD溶液混合溶液1と、同じく化学量論組成に対して過剰Pbが2%である10重量%濃度のPbZr0.35Ti0.65(PZT)形成用ゾルゲル−MOD溶液混合溶液2とを用いた。 In this example, the sol-gel-MOD solution mixed solution 1 for forming PbZr 0.35 Ti 0.65 O 3 (PZT) having a concentration of 10% by weight with an excess Pb of 2% with respect to the stoichiometric composition is the same as the chemical solution. A 10% by weight PbZr 0.35 Ti 0.65 O 3 (PZT) -forming sol-gel-MOD solution mixed solution 2 having an excess Pb of 2% with respect to the stoichiometric composition was used.

PZT形成用ゾルゲル−MOD溶液混合溶液1は、1-メトキシ-2-プロパノール(CHOCHCHOHCH)を溶媒とし、2-エチルヘキサン酸鉛(Pb(OCO(CH(C)C)、2-エチルヘキサン酸ジルコニウム(Zr(OCO(CH(C)C)及び2-エチルヘキサン酸チタン(Ti(OCO(CH(C)C)を溶質に用いたPb(Zr,Ti)O(PZT)薄膜形成用MOD溶液と、ジブトンキシ鉛(Pb(OC)、テトラブトキシジルコニウム(Zr(OC)及びテトラブトキシチタン(Ti(OC)の各金属アルコキシドを溶質に用いたPZT薄膜形成用ゾルゲル溶液とを、各1mol混合して得た。 The sol-gel-MOD solution mixed solution 1 for PZT formation uses 1-methoxy-2-propanol (CH 3 OCH 2 CHOHCH 3 ) as a solvent and lead 2-ethylhexanoate (Pb (OCO (CH (C 2 H 5 ) C 4 H 9) 2), 2- ethylhexanoate, zirconium (Zr (OCO (CH (C 2 H 5) C 4 H 9) 4) and 2-ethylhexanoic acid titanium (Ti (OCO (CH (C 2 H 5 ) Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) thin film forming MOD solution using C 4 H 9 ) 4 ) as a solute, dibutonoxy lead (Pb (OC 4 H 9 ) 2 ), tetrabutoxyzirconium (Zr ( 1 mol each of the sol-gel solution for forming a PZT thin film using each metal alkoxide of OC 4 H 9 ) 4 ) and tetrabutoxy titanium (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ) as a solute was obtained.

PZT形成用ゾルゲル−MOD溶液混合溶液2は、酢酸ブチル(CHOCOC)を溶媒とし、酸化鉛(PbO)、酸化ジルコニウム(ZrO)及び酸化チタン(TiO)を溶質に用いたPZT薄膜形成用MOD溶液と、2-メトキシエタノール(CH0CHCHOH)を溶媒とし、酢酸鉛(Pb(OCOCH)、テトラブトキシジルコニウム(Zr(OC)及びテトラブトキシチタン(Ti(OC)を溶質に用いたPZT薄膜形成用ゾルゲル溶液とを、各1mol混合して得た。 The sol-gel-MOD solution mixed solution 2 for forming PZT uses butyl acetate (CH 3 OCOC 4 H 9 ) as a solvent, and uses lead oxide (PbO), zirconium oxide (ZrO 2 ), and titanium oxide (TiO 2 ) as solutes. PZT thin film forming MOD solution, 2-methoxyethanol (CH 3 0CH 2 CH 2 OH) as a solvent, lead acetate (Pb (OCOCH 3 ) 2 ), tetrabutoxyzirconium (Zr (OC 4 H 9 ) 4 ) and 1 mol each of the sol-gel solution for forming a PZT thin film using tetrabutoxytitanium (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ) as a solute was obtained.

次に、Pt電極被覆基板上に、0.1重量%濃度のPbO形成用ゾルゲル溶液をスピンコート法を用いて、4000rpmで20秒間塗布した後、5atmに加圧されたAr雰囲気で200℃、2時間保持し、Pt電極の最表面にPbPt合金を形成した。 Next, a 0.1 wt% PbO-forming sol-gel solution was applied onto a Pt electrode-coated substrate using a spin coating method at 4000 rpm for 20 seconds, and then 200 ° C. in an Ar atmosphere pressurized to 5 atm. Holding for 2 hours, a PbPt 3 alloy was formed on the outermost surface of the Pt electrode.

最表面にPbPt合金が形成されたPt電極被覆基板上に、上述のPZT形成用ゾルゲル−MOD混合溶液1及び2を使用して、スピンコート法により、下記強誘電体膜形成条件に基づいて、PZT1及びPZT2のアモルファス薄膜をそれぞれ形成した。 Using the above-mentioned PZT-forming sol-gel-MOD mixed solutions 1 and 2 on the Pt electrode-coated substrate on which the PbPt 3 alloy is formed on the outermost surface, by spin coating, based on the following ferroelectric film formation conditions , PZT1 and PZT2 amorphous thin films were respectively formed.

強誘電体薄膜形成条件
ステップ1:スピンコート(500rpm 5sec→3000rpm 30sec)
ステップ2:乾燥(150℃ 2min inair)
ステップ3:仮焼成(250℃ 5min in air)
ステップ4:ステップ1〜3を3回繰り返した後にPZTアモルファス薄膜を形成した。
Ferroelectric thin film formation conditions Step 1: Spin coating (500 rpm 5 sec → 3000 rpm 30 sec)
Step 2: Drying (150 ° C, 2 min inair)
Step 3: Temporary firing (250 ° C., 5 min in air)
Step 4: A PZT amorphous thin film was formed after repeating Steps 1 to 3 three times.

上記PZT1及びPZT2のアモルファス薄膜を、それぞれ1%のOを含むN混合ガスを8気圧に保持したまま、室温から昇温温度を100℃/秒とし、焼成温度500℃で10分間の結晶化を行った。結晶化後のPZT1,2の膜厚は、それぞれ150nmであった。 The amorphous thin films of PZT1 and PZT2 were crystallized for 10 minutes at a firing temperature of 500 ° C. with a temperature rising from room temperature to 100 ° C./second while maintaining an N 2 mixed gas containing 1% O 2 at 8 atm. Made. The film thicknesses of PZT1 and 2 after crystallization were 150 nm, respectively.

加えて、PZT1及びPZT2薄膜表面に、0.1重量%濃度のPbO形成用ゾルゲル溶液をスピンコート法を用いて、4000rpmで20秒間塗布し、大気中で150℃、2分間保持した後、Pt上部電極(膜厚:100nm、直径:300μm)を形成した。更に、5atmに加圧されたAr雰囲気中で200℃、2時間保持し、上部Pt電極の最下面にPtPb合金を形成すると同時にPZT薄膜1及び2と上部Pt電極との間に良好な界面を形成した。 In addition, a 0.1 wt% PbO-forming sol-gel solution was applied to the surface of the PZT1 and PZT2 thin films using a spin coating method at 4000 rpm for 20 seconds, held in air at 150 ° C. for 2 minutes, An upper electrode (film thickness: 100 nm, diameter: 300 μm) was formed. Furthermore, it is maintained at 200 ° C. for 2 hours in an Ar atmosphere pressurized to 5 atm, and a PtPb 3 alloy is formed on the lowermost surface of the upper Pt electrode. At the same time, a good interface is formed between the PZT thin films 1 and 2 and the upper Pt electrode. Formed.

次に、それぞれ1%のOを含むN混合ガスを8気圧に保持したまま、室温から昇温速度を100℃/秒とし、焼成温度650℃で10分間のポストアニールを行い、PZT1及びPZT2キャパシタを作製し、強誘電特性評価を行った。 Next, while maintaining the N 2 mixed gas containing 1% O 2 at 8 atm, post-annealing was performed at a firing temperature of 650 ° C. for 10 minutes from room temperature at a heating rate of 100 ° C./second, and PZT 1 and A PZT2 capacitor was fabricated and ferroelectric characteristics were evaluated.

比較のために、1%のOを含むN混合ガスを大気圧(1気圧)に保持したまま、室温から昇温速度を100℃/秒とし、焼成温度650℃で10分間のポストアニールを行い、PZT1’及びPZT2’キャパシタを作製し、強誘電特性評価を行った。 For comparison, post-annealing for 10 minutes at a firing temperature of 650 ° C. with a heating rate of 100 ° C./second from room temperature while maintaining an N 2 mixed gas containing 1% O 2 at atmospheric pressure (1 atm). Then, PZT1 ′ and PZT2 ′ capacitors were produced, and ferroelectric characteristics were evaluated.

D−Eヒステリシス特性を評価したところ、図13及び図14に示すように、PZT1及びPZT2共に、選択電圧Vs=1.5Vという低い電圧で良好な角型を示し、印加電圧0vのときの分極値はそれぞれ、PZT1及びPZT2共にPr=45μC/cmを示した。この実施例1の強誘電体材料を用いた強誘電体記憶装置は、上述の式(1)(4)(5)を満たした。 When the D-E hysteresis characteristics were evaluated, as shown in FIGS. 13 and 14, both PZT1 and PZT2 showed a good square shape at a low voltage of the selection voltage Vs = 1.5V, and the polarization when the applied voltage was 0v. Each value showed Pr = 45 μC / cm 2 for both PZT1 and PZT2. The ferroelectric memory device using the ferroelectric material of Example 1 satisfied the above formulas (1), (4), and (5).

このことは、ゾルゲル及びMOD溶液の溶質や溶媒に関係なく、ゾルゲル及びMODの混合溶液を用いるという本実施形態の有効性を証明している。   This proves the effectiveness of this embodiment using a mixed solution of sol-gel and MOD regardless of the solute or solvent of the sol-gel and MOD solution.

比較例であるPZT1’及びPZT2’は、図15及び図16に示すように選択電圧Vs=1.5Vではほとんど強誘電性を示さず、角型性も劣っていた。比較例の強誘電体材料を用いた旧誘電体記憶装置では、上述の式(1)(4)(5)を満たさなかった。   PZT1 'and PZT2', which are comparative examples, showed almost no ferroelectricity at the selection voltage Vs = 1.5V as shown in FIGS. 15 and 16, and the squareness was also inferior. In the old dielectric memory device using the ferroelectric material of the comparative example, the above formulas (1), (4), and (5) were not satisfied.

ここで、PZT結晶は化学量論組成で形成されるため、化学量論組成及びそれにほぼ近い組成の溶液を使用して、PZT薄膜を形成することが、良好な誘電特性を得るために必要であることを意味する。しかし、Pbは蒸気圧が高く、低温で揮発するため、化学量論組成及びそれにほぼ近い組成のPZT形成用溶液を使用する場合は、Pbの蒸気圧を制御して、Pb成分の揮発を抑制することが重要である。実施例1では、比較例であるPZT1’及びPZT2’キャパシタを作製した時には、1%のOを含むN混合ガスを大気圧(1気圧)に保持したが、これに代えて、PZT1及びPZT2キャパシタは8気圧等の高圧に設定することで、Pb成分の揮発を抑制することができた。 Here, since the PZT crystal is formed with a stoichiometric composition, it is necessary to form a PZT thin film by using a solution having a stoichiometric composition and a composition close to that in order to obtain good dielectric properties. It means that there is. However, since Pb has a high vapor pressure and volatilizes at a low temperature, when using a PZT forming solution with a stoichiometric composition or a composition close to it, the vapor pressure of Pb is controlled to suppress volatilization of the Pb component. It is important to. In Example 1, when the comparative PZT1 ′ and PZT2 ′ capacitors were produced, the N 2 mixed gas containing 1% O 2 was maintained at atmospheric pressure (1 atm), but instead, PZT1 and PZT1 ′ By setting the PZT2 capacitor to a high pressure such as 8 atm, volatilization of the Pb component could be suppressed.

本実施例ではPbZr0.4Ti0.6(PZT)強誘電体薄膜を作製した。 In this example, a PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 (PZT) ferroelectric thin film was produced.

過剰Pbが0、5、10、15、20%である10重量%濃度のPbZr0.4Ti0.6形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を用い、更に10重量%濃度のPbSiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を、それぞれ1モル%添加して、図17のフローを用いて200nmのPbZr0.4Ti0.6薄膜を形成した。この時の表面モフォロジーを図18(A)〜(E)に、XRDパターンを図19(A)〜(E)に示す。 A 10% by weight PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) having an excess Pb of 0, 5, 10, 15, 20% was used, and an additional 10% by weight A sol-gel solution for forming PbSiO 3 (solvent: n-butanol) was added in an amount of 1 mol% to form a 200 nm PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 thin film using the flow of FIG. The surface morphology at this time is shown in FIGS. 18A to 18E, and the XRD patterns are shown in FIGS. 19A to 19E.

従来は20%程度過剰なPbが必要であったが、5%過剰のPbで十分に結晶化が進行していることが示された。このことは、わずか1モル%PbSiO触媒が、PZTの結晶化温度を下げたために、過剰Pbは殆どいらないことを示している。以降、PZT、PbTiO、及びPbZrTiO形成用溶液としては、全て5%Pb過剰溶液を用いている。 Conventionally, an excess of Pb of about 20% was required, but it was shown that crystallization progressed sufficiently with an excess of Pb of 5%. This indicates that as little as 1 mol% PbSiO 3 catalyst has lowered the crystallization temperature of PZT, so little excess Pb is needed. Thereafter, as the PZT, PbTiO 3 , and PbZrTiO 3 forming solutions, all 5% Pb excess solutions are used.

次に、10重量%濃度のPbZrO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)及び10重量%濃度のPbTiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を4:6の割合で混合した溶液に10重量%濃度のPbSiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を、1モル%添加した混合溶液を用いて図20のフローにしたがって、200nm−PbZr0.4Ti0.6強誘電体薄膜を作製した。この時の、ヒステリシス特性は、図21(A)(B)に示すように、角型性の良好なものであった。しかしながら、同時にリーキーであることがわかった。この実施例2の強誘電体材料を用いた強誘電体記憶装置も、上述の式(1)(4)(5)を満たした。 Next, a 10% by weight PbZrO 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) and 10% by weight PbTiO 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) are mixed at a ratio of 4: 6. 200 nm-PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 according to the flow of FIG. 20 using a mixed solution in which 1 mol% of a sol-gel solution (solvent: n-butanol) for forming PbSiO 3 at a concentration of 10% by weight was added to A ferroelectric thin film was prepared. The hysteresis characteristics at this time were excellent in squareness as shown in FIGS. However, it turned out to be leaky at the same time. The ferroelectric memory device using the ferroelectric material of Example 2 also satisfied the above formulas (1), (4), and (5).

また、比較のために、従来の方法で、前述の図17のフローを用いて、10重量%濃度のPbZr0.4Ti0.6形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)に10重量%濃度のPbSiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を、1モル%添加した混合溶液を用いて、200nm−PbZr0.4Ti0.6強誘電体薄膜を作製した。この時、ヒステリシス特性は、図22に示すように、あまり良好なヒステリシスはえられなかった。 Further, for comparison, 10% is added to a sol-gel solution (solvent: n-butanol) for forming PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 having a concentration of 10% by weight using the flow shown in FIG. A 200 nm-PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 ferroelectric thin film was prepared using a mixed solution to which 1 mol% of a sol-gel solution for PbSiO 3 formation (solvent: n-butanol) having a concentration by weight of 1% was added. At this time, the hysteresis characteristic was not very good as shown in FIG.

そこで、それぞれの薄膜を用いて脱ガス分析を行ったところ、図23(A)(B)のようであった。PZTゾルゲル溶液で作製した従来の薄膜は、室温から1000℃までの温度上昇に対して、常にHやCに纏わる脱ガスが確認された。   Then, when the degassing analysis was performed using each thin film, it was as FIG. 23 (A) (B). In the conventional thin film prepared with the PZT sol-gel solution, it was confirmed that degassing always occurred in H and C as the temperature increased from room temperature to 1000 ° C.

一方、本実施例2の10重量%濃度のPbZrO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)及び10重量%濃度のPbTiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を4:6の割合で混合した溶液を用いた場合は、分解するまで殆ど脱ガスが見られないことが判った。 On the other hand, the 10% by weight PbZrO 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) and the 10% by weight PbTiO 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) in Example 2 were in a ratio of 4: 6. It was found that almost no degassing was observed until decomposition when using the solution mixed in (1).

このことは、10重量%濃度のPbZrO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)及び10重量%濃度のPbTiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)を4:6の割合で混合した溶液を用いることで、初めに混合溶液中の10重量%濃度のPbTiO形成用ゾルゲル溶液(溶媒:n−ブタノール)によりPt上でPbTiOが結晶化し、これが結晶初期核となり、またPtとPZTとの格子ミスマッチを解消し、PZTが容易に結晶化したものと思われた。かつ、混合溶液を用いることで、PbTiOとPZTが良好な界面で連続して形成され、良好なヒステリシスの角型性へと繋がったものと考えられる。 This is because 10% by weight PbZrO 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) and 10% by weight PbTiO 3 forming sol-gel solution (solvent: n-butanol) were mixed at a ratio of 4: 6. By using the solution, PbTiO 3 is first crystallized on Pt by a 10% by weight sol-gel solution for forming PbTiO 3 (solvent: n-butanol) in the mixed solution, which becomes a crystal initial nucleus, and Pt and PZT It was thought that PZT crystallized easily. Moreover, it is considered that by using the mixed solution, PbTiO 3 and PZT were continuously formed at a good interface, which led to good hysteresis squareness.

以降実施例では、PbZrOとPbTiOの混合溶液を用いた。 In the following examples, a mixed solution of PbZrO 3 and PbTiO 3 was used.

ここでは、本実施例によるPZTNと従来のPZTとを比較する。成膜フローは全て、前述の図20を用いた。   Here, the PZTN according to the present embodiment is compared with the conventional PZT. All the film forming flows used the above-described FIG.

Pb:Zr:Ti:Nb=1:0.2:0.6:0.2、1:0.2:0.7:0.1、及び1:0.3:0.65:0.5とした。すなわちNb添加量を全体の5〜20モル%とした。ここにPbSiOを0〜1%添加した。 Pb: Zr: Ti: Nb = 1: 0.2: 0.6: 0.2, 1: 0.2: 0.7: 0.1, and 1: 0.3: 0.65: 0.5 It was. That is, the amount of Nb added was 5 to 20 mol% of the whole. To this, 0 to 1% of PbSiO 3 was added.

この時の結晶性は図24(A)〜(C)及び図25(A)〜(C)に示すようであった。0%の場合、結晶化を800℃まであげても、常誘電体パイロクロアのみが得られた。0.5%の場合、PZTとパイロクロアの混在であった。1%の場合、PZT(111)単一配向膜が得られた。また結晶性もこれまで得られたことがないほど良好なものであった。   The crystallinity at this time was as shown in FIGS. 24 (A) to (C) and FIGS. 25 (A) to (C). In the case of 0%, only paraelectric pyrochlore was obtained even when the crystallization was increased to 800 ° C. In the case of 0.5%, it was a mixture of PZT and pyrochlore. In the case of 1%, a PZT (111) single alignment film was obtained. Also, the crystallinity was so good that it had never been obtained.

次にPbSiOの1%添加PZTN薄膜に対して、膜厚を120〜200nmとしたところ、図26(A)〜(C)及び図27(A)〜(C)のように、それぞれ膜厚に比例した結晶性を示した。また、図28(A)〜(C)及びその拡大図である図29(A)〜(C)に示すように、全て角型良好なヒステリシス特性が得られた。また、リーク特性も図30(A)(B)に示すように、膜組成、膜厚によらず、2V印加時(飽和時)で5ラ10−8〜7ラ10−9A/cmと非常に良好であった。 Next, when the film thickness was set to 120 to 200 nm with respect to the 1% -added PZTN thin film of PbSiO 3 , the film thicknesses were as shown in FIGS. 26A to 26C and FIGS. 27A to 27C, respectively. The crystallinity was proportional to. In addition, as shown in FIGS. 28A to 28C and FIGS. 29A to 29C which are enlarged views thereof, all of the square-shaped hysteresis characteristics were obtained. In addition, as shown in FIGS. 30A and 30B, the leak characteristics are 5 to 10 −8 to 7 to 10 −9 A / cm 2 when 2 V is applied (at saturation) regardless of the film composition and film thickness. And was very good.

次に、PbZr0.2Ti0.8Nb0.2薄膜の疲労特性、スタティックインプリントを測定したところ、図31(A)(B)に示すように、非常に良好であった。特に疲労特性は、上下電極にPtを用いているにもかかわらず、非常に良好であった。 Next, when the fatigue characteristics and static imprint of the PbZr 0.2 Ti 0.8 Nb 0.2 thin film were measured, they were very good as shown in FIGS. 31 (A) and 31 (B). In particular, the fatigue characteristics were very good despite using Pt for the upper and lower electrodes.

更には、図32に示すように、本実施例のPZTNキャパシタ上にオゾンTEOSによるSiO塗布を試みた。従来PZTはオゾンTEOSによるSiO塗布を行うと、TEOSから発生する水素が上部Ptを通してPZTを還元し、全くヒステリシスを示さなくなるほど、PZT結晶が壊れてしまうことが知られている。 Furthermore, as shown in FIG. 32, SiO 2 coating by ozone TEOS was tried on the PZTN capacitor of this example. Conventionally, it is known that when PZT is coated with SiO 2 by ozone TEOS, the hydrogen generated from TEOS reduces PZT through the upper Pt, and the PZT crystal breaks to such an extent that no hysteresis is exhibited.

しかしながら本実施例によるPZTN薄膜は、図33に示すように、ほとんど劣化せず、良好なヒステリシスを保持していた。本実施例によるPZTN薄膜は耐還元性にも強いことが分かった。また、本実施例による正方晶PZTN薄膜ではNbが40モル%を超えない場合、Nbの添加量に応じて、良好なヒステリシスが得られた。   However, as shown in FIG. 33, the PZTN thin film according to this example hardly deteriorated and maintained good hysteresis. It was found that the PZTN thin film according to this example was also strong in reduction resistance. Further, in the tetragonal PZTN thin film according to this example, when Nb did not exceed 40 mol%, good hysteresis was obtained according to the amount of Nb added.

このように、本実施例3の強誘電体材料もまた良好な角型性のヒステリシス特性を示し、それを用いた強誘電体記憶装置は、上述の式(1)(4)(5)を満たした。   As described above, the ferroelectric material of Example 3 also exhibits good squareness hysteresis characteristics, and the ferroelectric memory device using the ferroelectric material satisfies the above formulas (1), (4), and (5). Satisfied.

次に従来のPZT薄膜の評価を行った。従来PZTとしては、それぞれPb:Zr:Ti=1:0.2:0.8、1:0.3:0.7、及び1:0.6:0.4とした。   Next, conventional PZT thin films were evaluated. As conventional PZT, Pb: Zr: Ti = 1: 0.2: 0.8, 1: 0.3: 0.7, and 1: 0.6: 0.4, respectively.

リーク特性は、図34に示すように、Ti含有量が増加するほどリーク特性は劣化してしまい、Ti:80%の場合、2V印加時に、10−5A/cmとなり、メモリ応用に適していないことが分かった。 As shown in FIG. 34, the leak characteristic deteriorates as the Ti content increases. When Ti is 80%, the leak characteristic becomes 10 −5 A / cm 2 when 2 V is applied, which is suitable for memory applications. I found out.

同様に疲労特性も図35に示すように、Ti含有量が増加するほど疲労特性は劣化した。
またインプリント後には、図36に示すように、殆どデータが読み出せないことが分かった。
Similarly, as shown in FIG. 35, the fatigue characteristics deteriorated as the Ti content increased.
Further, it was found that almost no data could be read after imprinting as shown in FIG.

以上の実施例から分かるように、本実施例によるPZTN薄膜は、従来、PZTの本質が原因と考えられるリーク電流増大並びにインプリント特性劣化という問題を解決したばかりか、これまで、上記理由から使われてこなかった、正方晶PZTをメモリの種類、構造によらずにメモリ用途に用いることが可能となった。加えて、同じ理由から正方晶PZTが使われなかった、圧電素子用途にも本材料は適用可能であると考えられる。   As can be seen from the above examples, the PZTN thin film according to this example has not only solved the problems of increase in leakage current and deterioration of imprint characteristics, which are considered to be caused by the essence of PZT, but has been used for the above reasons. It has become possible to use tetragonal PZT for memory purposes regardless of the type and structure of the memory. In addition, it is considered that the present material can be applied to piezoelectric element applications in which tetragonal PZT is not used for the same reason.

本実施例によるPZTN薄膜において、Nb添加量を0、5、10、20、30、40モル%と変化させて強誘電特性を比較した。全ての試料においてPbSiOシリケートを5モル%添加している。また、薄膜形成のための原料となる強誘電体薄膜形成用ゾルゲル溶液には、コハク酸メチルを添加してpHを6とした。成膜フローは全て、前述の図20を用いている。 In the PZTN thin film according to this example, the ferroelectric properties were compared by changing the Nb addition amount to 0, 5, 10, 20, 30, and 40 mol%. In all samples, 5 mol% of PbSiO 3 silicate was added. Further, the pH of the sol-gel solution for forming a ferroelectric thin film, which is a raw material for forming a thin film, was adjusted to 6 by adding methyl succinate. All of the film forming flows use FIG. 20 described above.

図37(A)(B)〜図39(A)(B)に、この時得られたヒステリシス特性を示す。   FIGS. 37A and 37B to 39A and 39B show the hysteresis characteristics obtained at this time.

図37(A)に示すように、Nb添加量が0の場合、リーキーなヒステリシスが得られたが、図37(B)に示すように、Nb添加量が5モル%となると、絶縁性の高い良好なヒステリシス特性が得られた。   As shown in FIG. 37A, a leaky hysteresis was obtained when the Nb addition amount was 0, but when the Nb addition amount was 5 mol% as shown in FIG. High and good hysteresis characteristics were obtained.

また、図38(A)に示すように、強誘電特性は、Nb添加量が10モル%までは、殆ど変化が見られなかった。Nb添加量が0の場合も、リーキーではあるが、強誘電特性には変化が見られていない。また、図38(B)に示すように、Nb添加量が20モル%の場合は、非常に角型性の良いヒステリシス特性が得られた。   Further, as shown in FIG. 38A, the ferroelectric characteristics hardly changed until the Nb addition amount was 10 mol%. Even when the amount of Nb added is 0, although it is leaky, no change is observed in the ferroelectric characteristics. Further, as shown in FIG. 38 (B), when the Nb addition amount is 20 mol%, hysteresis characteristics with very good squareness were obtained.

このように、本実施例4の強誘電体材料もまた良好な角型性のヒステリシス特性を示し、それを用いた強誘電体記憶装置は、上述の式(1)(4)(5)を満たした。   As described above, the ferroelectric material of Example 4 also exhibits good squareness hysteresis characteristics, and the ferroelectric memory device using the ferroelectric material satisfies the above formulas (1), (4), and (5). Satisfied.

しかしながら、図39(A)及び図39(B)に示すように、Nb添加量が20モル%を超えると、ヒステリシス特性が大きく変化し、劣化していくことが確認された。   However, as shown in FIG. 39 (A) and FIG. 39 (B), it was confirmed that when the Nb addition amount exceeds 20 mol%, the hysteresis characteristics greatly change and deteriorate.

そこで、X線回折パターンを比較したところ図40のようであった。Nb添加量が5モル%(Zr/Ti/Nb=20/75/5)の場合、(111)ピーク位置は、従来からあるNbが添加されていないPZT膜の時と変わらないが、Nb添加量が20モル%(Zr/Ti/Nb=20/60/20)、40モル%(Zr/Ti/Nb=20/40/40)と増加するに従って、(111)ピークは低角側にシフトした。すなわち、PZTの組成はTiリッチで正方晶領域であるにもかかわらず、実際の結晶は、稜面体晶となっていることが分かる。また結晶系が変化するに従って、強誘電体特性が変化していることが分かる。   Thus, X-ray diffraction patterns were compared and it was as shown in FIG. When the amount of Nb added is 5 mol% (Zr / Ti / Nb = 20/75/5), the (111) peak position is the same as that of the conventional PZT film to which Nb is not added. As the amount increases to 20 mol% (Zr / Ti / Nb = 20/60/20) and 40 mol% (Zr / Ti / Nb = 20/40/40), the (111) peak shifts to the lower angle side. did. That is, although the composition of PZT is Ti-rich and a tetragonal region, it can be seen that the actual crystal is a rhombohedral crystal. It can also be seen that the ferroelectric properties change as the crystal system changes.

加えて、Nbを45モル%添加したところ、ヒステリシスは開かず、強誘電特性を確認できなかった(図示省略)。   In addition, when 45 mol% of Nb was added, the hysteresis did not open and the ferroelectric characteristics could not be confirmed (not shown).

また、本実施例によるPZTN薄膜は、非常に絶縁性が高いことは既に述べたが、ここでPZTNが絶縁体であるための条件を求めてみたところ、図41のようであった。   In addition, the PZTN thin film according to this example has already been described as having a very high insulating property, but when the conditions for PZTN being an insulator were obtained, it was as shown in FIG.

すなわち、本実施例によるPZTN薄膜は、非常に絶縁性が高く、このことはPbの欠損量の2倍に相当する組成比で、TiサイトにNbが添加されていることとなる。また、ペロブスカイト結晶は図42に示されるWOの結晶構造からも分かるように、Aサイトイオンが100%欠損していても成り立ち、かつWOは結晶系が変化し易いことが知られている。 That is, the PZTN thin film according to this example has a very high insulating property, which means that Nb is added to the Ti site at a composition ratio corresponding to twice the amount of Pb deficiency. Further, as can be seen from the crystal structure of WO 3 shown in FIG. 42, the perovskite crystal is established even if the A-site ion is 100% deficient, and WO 3 is known to change its crystal system easily. .

従って、PZTNの場合は、Nbを添加することで、Pb欠損量を積極的に制御して、かつ結晶系を制御していることとなる。   Therefore, in the case of PZTN, by adding Nb, the amount of Pb deficiency is positively controlled and the crystal system is controlled.

このことは、本実施例のPZTN薄膜が、圧電素子への応用にも非常に有効であることを示している。一般的に、PZTを圧電素子に応用する場合、Zrリッチ組成の稜面体晶領域を用いる。このとき、ZrリッチなPZTはソフト系PZTと呼ばれる。このことは文字通り、結晶が軟らかいことを意味している。例えば、インクジェットプリンターのインク吐き出しノズルにも、ソフト系PZTが使われているが、あまりにもソフトであるため、あまり粘度の高いインクでは、インクの圧力に負けて押し出すことが出来ない。   This indicates that the PZTN thin film of this example is very effective for application to piezoelectric elements. In general, when PZT is applied to a piezoelectric element, a rhombohedral crystal region having a Zr rich composition is used. At this time, the Zr-rich PZT is called a soft PZT. This literally means that the crystal is soft. For example, a soft PZT is used for an ink discharge nozzle of an ink jet printer. However, since the soft PZT is too soft, an ink with a very high viscosity cannot be pushed out against the pressure of the ink.

一方で、Tiリッチな正方晶PZTはハード系PZTと呼ばれ、固くて脆いことを意味している。しかしながら、本実施例のPZTN薄膜ではハード系でありながら、人工的に結晶系を稜面体晶に変化させることが出来る。その上、結晶系をNbの添加量によって任意に変化させることが可能で、かつTiリッチなPZT系強誘電体薄膜は比誘電率が小さいため、素子を低電圧で駆動することも可能となる。   On the other hand, Ti-rich tetragonal PZT is called hard PZT, which means that it is hard and brittle. However, although the PZTN thin film of this example is a hard system, the crystal system can be artificially changed to a rhombohedral crystal. In addition, the crystal system can be arbitrarily changed depending on the amount of Nb added, and the Ti-rich PZT ferroelectric thin film has a small relative dielectric constant, so that the device can be driven at a low voltage. .

このことにより、これまで用いられることのなかった、ハード系PZTを例えば、インクジェットプリンターのインク吐き出しノズルに用いることが可能となる。加えて、NbはPZTに軟らかさをもたらすため、適度に硬いが、脆くないPZTを提供することが可能となる。   This makes it possible to use a hard PZT that has not been used so far, for example, as an ink discharge nozzle of an ink jet printer. In addition, since Nb brings softness to PZT, it is possible to provide PZT that is moderately hard but not brittle.

最後に、これまで述べたように、本実施例ではNb添加するだけでなく、Nb添加と同時に、シリケートを添加することで、結晶化温度をも低減することが出来る。   Finally, as described above, in this embodiment, not only Nb is added, but also silicate is added simultaneously with Nb addition, so that the crystallization temperature can be reduced.

以上に、本発明に好適な実施の形態について述べてきたが、本発明は、上述したものに限られず、発明の要旨の範囲内において種々の変形態様により実施することができる。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention.

例えば、強誘電体キャパシタを構成する強誘電体薄膜のキューリー温度をTcとした時、Tc≧300℃を満たすことが好ましい。キューリー温度に達すると材料は常誘電体となるが、そのキューリー温度に達する前の温度から強誘電体の性質に変化が見られる。強誘電体記憶装置の補償温度は125℃であるが、この補償温度にて強誘電体の品質が変化しないためには、キューリー温度が300℃以上であることが要求されるからである。   For example, it is preferable that Tc ≧ 300 ° C. when the Curie temperature of the ferroelectric thin film constituting the ferroelectric capacitor is Tc. When the Curie temperature is reached, the material becomes a paraelectric, but there is a change in the properties of the ferroelectric material from the temperature before reaching the Curie temperature. This is because the compensation temperature of the ferroelectric memory device is 125 ° C., but the Curie temperature is required to be 300 ° C. or higher so that the quality of the ferroelectric material does not change at this compensation temperature.

また、本発明が適用される強誘電体材料とは、上述したPZT及びPZNTに限らず、BIT系として例えばBiTi12などであっても良い。 Further, the ferroelectric material to which the present invention is applied is not limited to the above-described PZT and PZNT, but may be, for example, Bi 4 Ti 3 O 12 as a BIT system.

本発明の実施の形態における、強誘電体キャパシタの構成を示した図。The figure which showed the structure of the ferroelectric capacitor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、強誘電体キャパシタのP(分極)−V(電圧)ヒステリシス曲線を示した図。The figure which showed the P (polarization) -V (voltage) hysteresis curve of the ferroelectric capacitor in embodiment of this invention. 1本のビット線に接続されるn個の強誘電体メモリセル、選択ゲート及びセンスアンプを示した図。FIG. 3 is a diagram showing n ferroelectric memory cells, a selection gate, and a sense amplifier that are connected to one bit line. 本発明の実施の形態における、単純マトリクスにより構成されるメモリセルを配列した強誘電体メモリ装置の構成を示した図であり、同図(A)はその平面図、同図(B)はその断面図。1A and 1B are diagrams showing a configuration of a ferroelectric memory device in which memory cells configured by a simple matrix are arranged according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. Sectional drawing. 本発明の実施の形態における、メモリセルアレイが周辺回路と共に同一基板上に集積化されている強誘電体メモリ装置の一例を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing an example of a ferroelectric memory device in which a memory cell array is integrated with a peripheral circuit on the same substrate in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における、1T1C型強誘電体メモリの回路図及び構成を示す図。The figure which shows the circuit diagram and structure of 1T1C type ferroelectric memory in embodiment of this invention. 本発明の検査方法の実施形態を示すフローチャート。The flowchart which shows embodiment of the test | inspection method of this invention. 強誘電体キャパシタの電圧(V)−容量(C)の特性図。The characteristic diagram of the voltage (V) -capacitance (C) of a ferroelectric capacitor. 本発明の他の検査方法の実施形態を示すフローチャート。The flowchart which shows embodiment of the other test | inspection method of this invention. 本発明の実施の形態における、PZT強誘電体構成元素の結合に関する諸特性を示す図。The figure which shows the various characteristics regarding the coupling | bonding of the PZT ferroelectric constituent element in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、ショットキー欠陥を示す図。The figure which shows the Schottky defect in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、空間電荷分極を示す図。The figure which shows the space charge polarization in embodiment of this invention. 本発明の実施例1に係るPZT1のヒステリシス特性図。The hysteresis characteristic figure of PZT1 which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るPZT2のヒステリシス特性図。The hysteresis characteristic figure of PZT2 which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に対する比較例であるPZT1’のヒステリシス特性図。The hysteresis characteristic figure of PZT1 'which is a comparative example with respect to Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に対する比較例であるPZT2’のヒステリシス特性図。The hysteresis characteristic figure of PZT2 'which is a comparative example with respect to Example 1 of this invention. 本発明の実施の形態における、従来のPZT薄膜をスピンコート法で形成するためのフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart for forming the conventional PZT thin film in embodiment of this invention by a spin coat method. (A)〜(E)は、本発明の実施の形態における、PZT形成用ゾルゲル溶液中にPbSiOを混合した際の表面モフォロジーを示す図。(A) ~ (E) is a view showing the embodiment of the present invention, the surface morphology at the time of mixing PbSiO 3 sol-gel solution for PZT formation. (A)〜(E)は、本発明の実施の形態における、PZT形成用ゾルゲル溶液中にPbSiOを混合した際の結晶性を示す図。(A) ~ (E) is a view showing the embodiment of the present invention, the crystallinity when mixed with PbSiO 3 sol-gel solution for PZT formation. 本発明の実施の形態における、本発明のPZTN薄膜をスピンコート法で形成するためのフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart for forming the PZTN thin film of this invention in embodiment of this invention by a spin coat method. (A)(B)は、本発明の実施の形態における、PbZrO及びPbTiO混合ゾルゲル溶液にPbSiOを添加して形成した正方晶PZT薄膜のヒステリシスを示す図。(A) and (B) are diagrams showing hysteresis of a tetragonal PZT thin film formed by adding PbSiO 3 to a PbZrO 3 and PbTiO 3 mixed sol-gel solution in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における、従来の正方晶PZT薄膜のヒステリシスを示す図。The figure which shows the hysteresis of the conventional tetragonal PZT thin film in embodiment of this invention. (A)(B)は、本発明の実施の形態における、PbZrO及びPbTiO混合ゾルゲル溶液にPbSiOを添加して形成した正方晶PZT薄膜と従来の正方晶PZT薄膜の脱ガス分析結果を示す図。(A) and (B) show the degassing analysis results of the tetragonal PZT thin film formed by adding PbSiO 3 to the PbZrO 3 and PbTiO 3 mixed sol-gel solution and the conventional tetragonal PZT thin film in the embodiment of the present invention. FIG. (A)〜(C)は、本発明の実施の形態における、PbSiO添加量とPZTNの表面モフォロジーを示す図。(A) ~ (C) is a drawing showing the embodiment of the present invention, the surface morphology of PbSiO 3 amount and PZTN. (A)〜(C)は、本発明の実施の形態における、PbSiO添加量と結晶性を示す図。(A) ~ (C) is a drawing showing the embodiment of the present invention, the crystallinity PbSiO 3 amount. (A)〜(C)は、本発明の実施の形態における、PZTN薄膜の膜厚とPZTNの表面モフォロジーを示す図。(A)-(C) are the figures which show the film thickness of the PZTN thin film, and the surface morphology of PZTN in embodiment of this invention. (A)〜(C)は、本発明の実施の形態における、PZTN薄膜の膜厚と結晶性を示す図。(A)-(C) are the figures which show the film thickness and crystallinity of a PZTN thin film in embodiment of this invention. (A)〜(C)は、本発明の実施の形態における、PZTN薄膜の膜厚とヒステリシス特性を示す図。(A)-(C) are the figures which show the film thickness and hysteresis characteristic of a PZTN thin film in embodiment of this invention. (A)〜(C)は、図28(A)〜(C)の拡大図。(A)-(C) are the enlarged views of FIG. 28 (A)-(C). (A)(B)は本発明の実施の形態における、PZTN薄膜のリーク電流特性を示す図。(A) and (B) are diagrams showing leakage current characteristics of a PZTN thin film in an embodiment of the present invention. (A)(B)は本発明の実施の形態における、PZTN薄膜の疲労特性およびスタティックインプリント特性を示す図。(A) (B) is a figure which shows the fatigue characteristic and static imprint characteristic of a PZTN thin film in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、オゾンTEOSによるSiO保護膜形成のキャパシタ構造を示す図。Drawing showing an embodiment of the present invention, a capacitor structure of the SiO 2 protective film formed by ozone TEOS. 本発明の実施の形態における、オゾンTEOSによるSiO保護膜形成後のキャパシタ特性を示す図。Drawing showing an embodiment of the present invention, the capacitor characteristics after SiO 2 protective film formed by ozone TEOS. 本発明の実施の形態における、従来PZT薄膜のリーク電流特性を示す図。The figure which shows the leakage current characteristic of the conventional PZT thin film in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、従来PZTキャパシタの疲労特性を示す図。The figure which shows the fatigue characteristic of the conventional PZT capacitor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、従来PZTキャパシタのスタティックインプリント特性を示す図。The figure which shows the static imprint characteristic of the conventional PZT capacitor in embodiment of this invention. (A)(B)は本発明の実施の形態における、PZTN薄膜のヒステリシス特性を示す図。(A) (B) is a figure which shows the hysteresis characteristic of the PZTN thin film in embodiment of this invention. (A)(B)は本発明の実施の形態における、PZTN薄膜のヒステリシス特性を示す図。(A) (B) is a figure which shows the hysteresis characteristic of the PZTN thin film in embodiment of this invention. (A)(B)は本発明の実施の形態における、PZTN薄膜のヒステリシス特性を示す図。(A) (B) is a figure which shows the hysteresis characteristic of the PZTN thin film in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、PZTN薄膜のX線回折パターンを示す図。The figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the PZTN thin film in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における、PZTN結晶中におけるPb欠損量とNbの組成比の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the Pb defect | deletion amount in a PZTN crystal | crystallization, and the composition ratio of Nb in embodiment of this invention. ペロブスカイト結晶であるWOの結晶構造を示す図。Shows the crystal structure of WO 3 is perovskite crystal.

符号の説明Explanation of symbols

101 強誘電体膜、102 第1電極、103 第2電極、BLm m本目のビット線、C1〜Cn n個の強誘電体キャパシタ、SAm センスアンプ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Ferroelectric film, 102 1st electrode, 103 2nd electrode, BLm mth bit line, C1-Cnn n ferroelectric capacitors, SAm sense amplifier

Claims (22)

複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線及び前記複数のビット線の各交点にそれぞれ形成される強誘電体キャパシタから成る複数の強誘電体メモリセルと、
前記複数のビット線に選択的に接続される少なくとも一つのセンスアンプと、
を有し、
以下の式を満たす、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
|ΔPa/Cu|≧(n−1)×ΔVBL
n:前記複数のビット線の各一本に接続される前記強誘電体メモリセルの数
ΔPa:電圧Vを印加した時に前記強誘電体メモリセルの分極量P(μC/cm)を示すヒステリシス関数をP=f(V)としたとき、前記一本のビット線に接続されたn個の強誘電体メモリセルの一つの選択メモリセルに選択電圧Vsを印加した時の関数f(Vs)と、他の非選択メモリセルに非選択電圧Vuを印加した時の関数f(Vu)との差であり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)である
Cu:前記一本のビット線に接続されている(n−1)個の非選択メモリセルの各々の容量(μC/cm/V)
ΔVBL:前記センスアンプが増幅可能な最小入力振幅(V)
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of ferroelectric memory cells each comprising a ferroelectric capacitor formed at each intersection of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
At least one sense amplifier selectively connected to the plurality of bit lines;
Have
A simple matrix type ferroelectric memory device that satisfies the following formula.
| ΔPa / Cu | ≧ (n−1) × ΔVBL
n: number of the ferroelectric memory cells connected to each one of the plurality of bit lines ΔPa: hysteresis indicating the polarization amount P (μC / cm 2 ) of the ferroelectric memory cell when the voltage V is applied When the function is P = f (V), the function f (Vs) when the selection voltage Vs is applied to one selected memory cell of the n ferroelectric memory cells connected to the one bit line. And the function f (Vu) when the unselected voltage Vu is applied to other unselected memory cells, and ΔPa = f (Vs) −f (Vu). Cu: The one bit line Capacity of (n-1) unselected memory cells connected to each other (μC / cm 2 / V)
ΔVBL: Minimum input amplitude (V) that can be amplified by the sense amplifier
請求項1において、
nが32〜128である、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In claim 1,
A simple matrix ferroelectric memory device in which n is 32 to 128.
請求項1または2において、
複数のメインビット線がさらに設けられ、
前記複数のビット線の各々は、前記複数のメインビット線の各一本に選択的に接続される複数のサブビット線に分割され、前記複数のサブビットの線の各々に前記n個の強誘電体メモリセルが接続されている、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In claim 1 or 2,
A plurality of main bit lines are further provided,
Each of the plurality of bit lines is divided into a plurality of sub-bit lines that are selectively connected to each one of the plurality of main bit lines, and each of the plurality of sub-bit lines includes the n ferroelectrics. A simple matrix ferroelectric memory device to which memory cells are connected.
請求項1乃至3のいずれかにおいて、
Cuの値が0.1〜15(μC/cm/V)である、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
A simple matrix ferroelectric memory device having a Cu value of 0.1 to 15 (μC / cm 2 / V).
請求項1乃至4のいずれかにおいて、
ΔPaの値が40〜120(μC/cm)である、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
A simple matrix ferroelectric memory device having a ΔPa value of 40 to 120 (μC / cm 2 ).
請求項1乃至5のいずれかにおいて、
|ΔPa/Cu|の値が1.6〜50(V)である、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A simple matrix ferroelectric memory device having a value of | ΔPa / Cu | of 1.6 to 50 (V).
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線及び前記複数のビット線の各交点にそれぞれ形成される強誘電体キャパシタから成る複数の強誘電体メモリセルと、
を有し、
前記強誘電体メモリセルの抗電圧をVcとし、前記強誘電体メモリセルへの選択電圧(ただし前記抗電圧と同一極性)をVsとし、Vs−Vc=ΔVとしたとき、ΔV≦Vcを満たす、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of ferroelectric memory cells each comprising a ferroelectric capacitor formed at each intersection of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
Have
When the coercive voltage of the ferroelectric memory cell is Vc, the selection voltage to the ferroelectric memory cell (but the same polarity as the coercive voltage) is Vs, and Vs−Vc = ΔV, ΔV ≦ Vc is satisfied. Simple matrix type ferroelectric memory device.
請求項7において、
前記強誘電体記憶装置をインプリント試験した後でも、|Vs|>|Vc|を満たす、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In claim 7,
A simple matrix ferroelectric memory device that satisfies | Vs |> | Vc | even after an imprint test of the ferroelectric memory device.
請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記強誘電体キャパシタを構成する強誘電体薄膜は、AB1−xNbの一般式で示され、
A元素は、少なくともPbからなり、
B元素は、Zr、Ti、V、W及びHfのうち、少なくとも一つ以上からなり、
0.05≦x≦1の範囲でNbを含む、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 8.
The ferroelectric thin film constituting the ferroelectric capacitor is represented by a general formula of AB 1-x Nb x O 3 ,
A element consists of at least Pb,
B element consists of at least one of Zr, Ti, V, W and Hf,
A simple matrix ferroelectric memory device including Nb in a range of 0.05 ≦ x ≦ 1.
請求項9において、
A元素は、Pb1−yLnからなり、
Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち、少なくとも一つ以上からなり、かつ0<y≦0.2の範囲である、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In claim 9,
A element consists of Pb 1-y Ln y,
Ln is composed of at least one of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and 0 <y ≦ 0.2. A simple matrix type ferroelectric memory device in the range of
請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記強誘電体キャパシタを構成する強誘電体薄膜は、(Pb1−y)(B1−xNb)Oの一般式で示され、
A元素は、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうち、少なくとも一つ以上からなり、
B元素は、Zr、Ti、V、W及びHfのうち、一つ以上からなり、
0.05≦x≦1の範囲でNbを含む、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 8.
The ferroelectric thin film constituting the ferroelectric capacitor is represented by a general formula of (Pb 1-y A y ) (B 1-x Nb x ) O 3 ,
The element A is composed of at least one of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu,
B element consists of one or more of Zr, Ti, V, W and Hf,
A simple matrix ferroelectric memory device including Nb in a range of 0.05 ≦ x ≦ 1.
請求項9〜11のいずれかにおいて、
0.1≦x≦0.3の範囲でNbを含む、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 9-11,
A simple matrix ferroelectric memory device including Nb in a range of 0.1 ≦ x ≦ 0.3.
請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記強誘電体キャパシタを構成する強誘電体薄膜は、PZT系強誘電体薄膜であり、
Zr組成よりもTi組成が多く、かつTi組成のうち、2.5モル%以上40モル%以下をNbに置換した、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 8.
The ferroelectric thin film constituting the ferroelectric capacitor is a PZT ferroelectric thin film,
A simple matrix ferroelectric memory device in which a Ti composition is larger than a Zr composition, and 2.5 mol% or more and 40 mol% or less of the Ti composition is substituted with Nb.
請求項13において、
0.5モル%以上のSi或いはSi及びGeを含む、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In claim 13,
A simple matrix ferroelectric memory device containing 0.5 mol% or more of Si or Si and Ge.
請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記強誘電体キャパシタを構成する強誘電体薄膜は、ABOの一般式で表され、Aサイトの構成元素としてPbを含み、Bサイトの構成元素として少なくともZrおよびTiを含むPZT系強誘電体薄膜において、AサイトのPb欠損量が前記ABOの化学量論的組成に対して多くとも20モル%以下である、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 8.
The ferroelectric thin film constituting the ferroelectric capacitor is represented by a general formula of ABO 3 and includes Pb as a constituent element of the A site, and a PZT-based ferroelectric including at least Zr and Ti as constituent elements of the B site. A simple matrix type ferroelectric memory device in which the amount of Pb deficiency at the A site in the thin film is 20 mol% or less at most with respect to the stoichiometric composition of the ABO 3 .
請求項1乃至15のいずれかにおいて、
前記強誘電体キャパシタを構成する強誘電体薄膜のキューリー温度をTcとした時、Tc≧300℃を満たす、単純マトリクス型強誘電体記憶装置。
In any one of Claims 1 thru | or 15,
A simple matrix type ferroelectric memory device satisfying Tc ≧ 300 ° C., where Tc is a Curie temperature of a ferroelectric thin film constituting the ferroelectric capacitor.
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線及び前記複数のビット線の各交点に強誘電体材料を配置することで形成される強誘電体キャパシタから成る複数の強誘電体メモリセルと、
前記複数のビット線に選択的に接続される少なくとも一つのセンスアンプと、
を有する強誘電体記憶装置の設計方法において、
以下の式を満たすように、前記強誘電体材料を選択し、値n及びΔVBLを設計する、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の設計方法。
|ΔPa/Cu|≧(n−1)×ΔVBL
n:前記複数のビット線の各一本に接続される前記強誘電体メモリセルの数
ΔPa:電圧Vを印加した時に前記強誘電体メモリセルの分極量P(μC/cm)を示すヒステリシス関数をP=f(V)としたとき、前記一本のビット線に接続されたn個の強誘電体メモリセルの一つの選択メモリセルに選択電圧Vsを印加した時の関数f(Vs)と、他の非選択メモリセルに非選択電圧Vuを印加した時の関数f(Vu)との差であり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)である
Cu:前記一本のビット線に接続されている(n−1)個の非選択メモリセルの各々の容量(μC/cm/V)
ΔVBL:前記センスアンプが増幅可能な最小入力振幅(V)
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of ferroelectric memory cells comprising ferroelectric capacitors formed by disposing a ferroelectric material at each intersection of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
At least one sense amplifier selectively connected to the plurality of bit lines;
In a design method of a ferroelectric memory device having
A design method of a simple matrix type ferroelectric memory device, wherein the ferroelectric material is selected so as to satisfy the following formula, and values n and ΔVBL are designed.
| ΔPa / Cu | ≧ (n−1) × ΔVBL
n: number of the ferroelectric memory cells connected to each one of the plurality of bit lines ΔPa: hysteresis indicating the polarization amount P (μC / cm 2 ) of the ferroelectric memory cell when the voltage V is applied When the function is P = f (V), the function f (Vs) when the selection voltage Vs is applied to one selected memory cell of the n ferroelectric memory cells connected to the one bit line. And the function f (Vu) when the unselected voltage Vu is applied to other unselected memory cells, and ΔPa = f (Vs) −f (Vu). Cu: The one bit line Capacity of (n-1) unselected memory cells connected to each other (μC / cm 2 / V)
ΔVBL: Minimum input amplitude (V) that can be amplified by the sense amplifier
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線及び前記複数のビット線の各交点に強誘電体材料を配置することで形成される強誘電体キャパシタから成る複数の強誘電体メモリセルと、
前記複数のビット線に選択的に接続される少なくとも一つのセンスアンプと、
を有する強誘電体記憶装置の検査方法において、
以下の式を満たすか否かの判定工程を有する、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法。
|ΔPa/Cu|≧(n−1)×ΔVBL
n:前記複数のビット線の各一本に接続される前記強誘電体メモリセルの数
ΔPa:電圧Vを印加した時に前記強誘電体メモリセルの分極量P(μC/cm)を示すヒステリシス関数をP=f(V)としたとき、前記一本のビット線に接続されたn個の強誘電体メモリセルの一つの選択メモリセルに選択電圧Vsを印加した時の関数f(Vs)と、他の非選択メモリセルに非選択電圧Vuを印加した時の関数f(Vu)との差であり、ΔPa=f(Vs)−f(Vu)である
Cu:前記一本のビット線に接続されている(n−1)個の非選択メモリセルの各々の容量(μC/cm/V)
ΔVBL:前記センスアンプが増幅可能な最小入力振幅(V)
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of ferroelectric memory cells comprising ferroelectric capacitors formed by disposing a ferroelectric material at each intersection of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
At least one sense amplifier selectively connected to the plurality of bit lines;
In a method for inspecting a ferroelectric memory device having
An inspection method for a simple matrix ferroelectric memory device, comprising a step of determining whether or not the following expression is satisfied.
| ΔPa / Cu | ≧ (n−1) × ΔVBL
n: number of the ferroelectric memory cells connected to each one of the plurality of bit lines ΔPa: hysteresis indicating the polarization amount P (μC / cm 2 ) of the ferroelectric memory cell when the voltage V is applied When the function is P = f (V), the function f (Vs) when the selection voltage Vs is applied to one selected memory cell of the n ferroelectric memory cells connected to the one bit line. And the function f (Vu) when the unselected voltage Vu is applied to other unselected memory cells, and ΔPa = f (Vs) −f (Vu). Cu: The one bit line Capacity of (n-1) unselected memory cells connected to each other (μC / cm 2 / V)
ΔVBL: Minimum input amplitude (V) that can be amplified by the sense amplifier
請求項18において、
前記単純マトリクス型強誘電体記憶装置のオープン・ショート検査を含む初期検査工程と、
前記初期検査工程以外の項目について前記単純マトリクス型強誘電体記憶装置を検査する後期検査工程と、
をさらに有し、
前記判定工程は、前記初期検査工程後であって、前記後期検査工程前に実施される、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法。
In claim 18,
An initial inspection process including an open / short inspection of the simple matrix ferroelectric memory device;
Late inspection process for inspecting the simple matrix ferroelectric memory device for items other than the initial inspection process,
Further comprising
The method for inspecting a simple matrix ferroelectric memory device, wherein the determination step is performed after the initial inspection step and before the late inspection step.
請求項18または19において、
前記Cuの値を、前記強誘電体キャパシタの電圧−容量特性を測定することで導出する、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法。
In claim 18 or 19,
An inspection method for a simple matrix type ferroelectric memory device, wherein the value of Cu is derived by measuring a voltage-capacitance characteristic of the ferroelectric capacitor.
電極間に強誘電体キャパシタを配置して成る強誘電体メモリセルを有する単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法において、
前記単純マトリクス型強誘電体記憶装置をインプリント試験する工程と、
前記強誘電体メモリセルの抗電圧をVcとし、前記強誘電体メモリセルへの選択電圧(ただし前記抗電圧と同一極性)をVsとし、Vs−Vc=ΔVとしたとき、前記インプリント試験後に、ΔV≦Vcを満たすか否かを判定する工程と、
を有する、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法。
In a testing method of a simple matrix type ferroelectric memory device having a ferroelectric memory cell in which a ferroelectric capacitor is arranged between electrodes,
Imprinting the simple matrix ferroelectric memory device; and
When the coercive voltage of the ferroelectric memory cell is Vc, the selection voltage to the ferroelectric memory cell (the same polarity as the coercive voltage) is Vs, and Vs−Vc = ΔV, the imprint test is performed. Determining whether or not ΔV ≦ Vc is satisfied;
A method for inspecting a simple matrix ferroelectric memory device.
請求項23において、
前記インプリント試験に、|Vs|>|Vc|を満たすか否かを判定する判定工程をさらに有する、単純マトリクス型強誘電体記憶装置の検査方法。
In claim 23,
An inspection method for a simple matrix ferroelectric memory device, further comprising a determination step of determining whether or not | Vs |> | Vc | is satisfied in the imprint test.
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