JP2006120513A - Ferroelectric film and its forming method - Google Patents
Ferroelectric film and its forming method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006120513A JP2006120513A JP2004308173A JP2004308173A JP2006120513A JP 2006120513 A JP2006120513 A JP 2006120513A JP 2004308173 A JP2004308173 A JP 2004308173A JP 2004308173 A JP2004308173 A JP 2004308173A JP 2006120513 A JP2006120513 A JP 2006120513A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ferroelectric film
- heat treatment
- ferroelectric
- forming
- raw material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Abstract
Description
本発明は、強誘電体膜の形成方法であって、特性の良好な強誘電体膜を形成することができる強誘電体膜の形成方法および強誘電体膜に関する。 The present invention relates to a method for forming a ferroelectric film, and relates to a method for forming a ferroelectric film capable of forming a ferroelectric film having good characteristics, and a ferroelectric film.
ＰＺＴをはじめとする強誘電体は、強誘電体メモリ、圧電素子、赤外センサ、ＳＡＷデバイスなどの各種用途に用いられ、その研究開発が盛んに行われている。 Ferroelectric materials such as PZT are used for various applications such as ferroelectric memories, piezoelectric elements, infrared sensors, and SAW devices, and their research and development are actively conducted.
強誘電体を形成する方法の代表的なものとして、ゾルゲル法、ＭＯＤ法などの液相法を挙げることができる。液相法では、原料溶液を基体に塗布して原材料体を形成し、この原材料体に熱処理を施し、結晶化を行うことで強誘電体膜が得られる。強誘電体の特性を引き出すためには、この結晶化で特定の配向が得られるようにする必要がある。このとき、配向の揃った強誘電体を得るために、原材料体に長時間の熱処理を施す必要がある。 As a typical method for forming a ferroelectric material, a liquid phase method such as a sol-gel method or a MOD method can be given. In the liquid phase method, a raw material solution is applied to a substrate to form a raw material body, a heat treatment is performed on the raw material body, and crystallization is performed to obtain a ferroelectric film. In order to extract the characteristics of the ferroelectric, it is necessary to obtain a specific orientation by this crystallization. At this time, it is necessary to heat the raw material body for a long time in order to obtain a ferroelectric material with uniform alignment.
しかし、長時間の熱処理は、原材料体から構成元素の一部を蒸発させる要因となることがある。たとえば、ＰＺＴの場合には、鉛や酸素の欠損が生じてしまい、特性の良好な強誘電体膜が得られないことがある。
本発明の目的は、配向性が制御され、特性の良好な強誘電体を形成することができる強誘電体膜の形成方法および強誘電体膜を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method of forming a ferroelectric film and a ferroelectric film capable of forming a ferroelectric having controlled properties and good characteristics.
（１）本発明の強誘電体膜の形成方法は、
複合酸化物の原材料体を結晶化する工程を含み、
初期核を形成するための第１の熱処理を行う工程と、
結晶成長をさせるために、前記第１の熱処理と比して低い第２の熱処理を行う工程と、
を含む。
(1) A method for forming a ferroelectric film of the present invention includes:
Crystallization of the raw material body of the composite oxide,
Performing a first heat treatment to form initial nuclei;
Performing a second heat treatment that is lower than the first heat treatment for crystal growth;
including.
本発明の強誘電体膜の形成方法によれば、結晶化の際に構成元素の欠損が抑制され、かつ配向の制御された強誘電体膜を形成することができる。高温での熱処理を行う場合、特定の配向に揃えることができるが、ペロブスカイト構造に強誘電体の構成元素の一部が抜けてしまい、特性の向上を図ることができないことがある。本発明の形成方法では、構成元素の欠損などが生じやすい高温での熱処理（第１の熱処理）は短時間で足りることとなり、そのため、構成元素の欠損を防ぐことができる。その結果、特性の良好な強誘電体膜を得ることができる。 According to the method for forming a ferroelectric film of the present invention, it is possible to form a ferroelectric film in which defects of constituent elements are suppressed during crystallization and the orientation is controlled. When heat treatment is performed at a high temperature, a specific orientation can be achieved. However, a part of the constituent elements of the ferroelectric material may be lost in the perovskite structure, and the characteristics may not be improved. In the formation method of the present invention, the heat treatment (first heat treatment) at a high temperature at which the constituent elements are likely to be deficient is sufficient in a short time, and thus the constituent elements can be prevented from being lost. As a result, a ferroelectric film with good characteristics can be obtained.
本発明の強誘電体膜の形成方法において、５０℃／ｓｅｃ以上、２００℃／ｓｅｃ以下の昇温速度で第１の熱処理の温度に達することができる。 In the method for forming a ferroelectric film of the present invention, the temperature of the first heat treatment can be reached at a temperature rising rate of 50 ° C./sec or more and 200 ° C./sec or less.
この態様によれば、第１の熱処理の昇温速度が上記範囲である場合に、パイロクロア相の初期核の形成を極めて少なくすることが可能である。そのため、ペロブスカイト相の初期核を形成することができ、第２の熱処理で結晶成長させたときに、強誘電体メモリなどの好適に用いることができるペロブスカイト構造を有する強誘電体膜を形成することができる。 According to this aspect, when the temperature increase rate of the first heat treatment is in the above range, the formation of the initial nucleus of the pyrochlore phase can be extremely reduced. Therefore, an initial nucleus of a perovskite phase can be formed, and a ferroelectric film having a perovskite structure that can be suitably used for a ferroelectric memory or the like when the crystal is grown by the second heat treatment is formed. Can do.
本発明の強誘電体膜の形成方法において、前記原材料体の複合化合物は、一般式ＡＢＸＣ１−ＸＯ３で示され、
Ａ元素は少なくともＰｂであり、
Ｂ元素は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、ＷおよびＨｆの少なくとも一つからなり、
Ｃ元素は、ＮｂおよびＴａの少なくとも一つからなることができる。
In the method for forming a ferroelectric film of the present invention, the composite material of the raw material body is represented by a general formula AB X C 1-X O 3 ,
A element is at least Pb,
B element consists of at least one of Zr, Ti, V, W and Hf,
The C element can be composed of at least one of Nb and Ta.
この態様によれば、ＰＺＴ系の強誘電体膜を形成することができる。 According to this aspect, a PZT-based ferroelectric film can be formed.
本発明の強誘電体膜の形成方法において、前記Ｃ元素は、Ｎｂであることができる。 In the method for forming a ferroelectric film of the present invention, the C element may be Nb.
本発明の強誘電体膜の形成方法において、０．０５≦ｘ≦０．４であることができる。 In the method for forming a ferroelectric film of the present invention, 0.05 ≦ x ≦ 0.4 may be satisfied.
この態様によれば、Ｎｂが添加されたＰＺＴ膜（以下、「ＰＺＴＮ膜」という。）を形成することができる。ＰＺＴＮ膜では、Ｐｂの抜けに伴う価数の減少を補うことができ、特性の良好な強誘電体膜を形成することができる。 According to this embodiment, a PZT film to which Nb is added (hereinafter referred to as “PZTN film”) can be formed. In the PZTN film, a decrease in valence due to the loss of Pb can be compensated, and a ferroelectric film with good characteristics can be formed.
本発明の強誘電体膜の形成方法において、さらに、０．５モル％以上のＳｉ、あるいはＧｅを含むことができる。 In the method for forming a ferroelectric film of the present invention, 0.5 mol% or more of Si or Ge can be further contained.
この態様によれば、ＳｉおよびＧｅを含むことで、結晶化温度を下げることができる。 According to this aspect, the crystallization temperature can be lowered by containing Si and Ge.
（２）本発明の強誘電体膜は、上述の強誘電体膜の形成方法により形成された膜である。そのため、特性の良好な強誘電体膜を提供することができる。 (2) The ferroelectric film of the present invention is a film formed by the above-described method for forming a ferroelectric film. Therefore, a ferroelectric film with good characteristics can be provided.
以下、本発明の実施の形態の一例について説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described.
１．強誘電体膜の製造方法
本実施の形態の強誘電体膜の形成方法について、図１を参照しつつ、説明する。図１は、本実施の形態の強誘電体膜の形成工程を模式的に示す断面図である。
1. Method for Manufacturing Ferroelectric Film A method for forming a ferroelectric film according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a process for forming a ferroelectric film of the present embodiment.
図１（Ａ）に示すように、まず、基体１０の上に、原材料体２０を形成する。原材料体２０の形成は、強誘電体を形成するための原料溶液をたとえば塗布法などにより形成する。塗布法としては、スピンコート法、ディッピング法を挙げることができる。 As shown in FIG. 1A, first, a raw material body 20 is formed on a base 10. The raw material body 20 is formed by forming a raw material solution for forming a ferroelectric material by, for example, a coating method. Examples of the coating method include a spin coating method and a dipping method.
原料溶液は、ゾルゲル原料またはＭＯＤ原料もしくはその混合原料を用いることができる。ゾルゲル原料は、具体的には次のようにして調整することができる。まず、炭素数が４以下よりなる金属アルコキシドを溶媒に溶かし、加水分解および重縮合を行う。この加水分解および重縮合によって、Ｍ−Ｏ−Ｍ−Ｏ…の強固な結合ができる。このとき得られるＭ−Ｏ−Ｍの結合は、ペロブスカイト構造に近い構造を有している。ここで、Ｍは金属元素（例えば、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｐｂなど）であり、Ｏは酸素を示す。こうして、ゾルゲル原料を調整することができる。 As the raw material solution, a sol-gel raw material, a MOD raw material, or a mixed raw material thereof can be used. Specifically, the sol-gel raw material can be adjusted as follows. First, a metal alkoxide having 4 or less carbon atoms is dissolved in a solvent, and hydrolysis and polycondensation are performed. By this hydrolysis and polycondensation, a strong bond of M-O-M-O ... can be formed. The MOM bond obtained at this time has a structure close to a perovskite structure. Here, M is a metal element (for example, Bi, Ti, La, Pb, etc.), and O represents oxygen. Thus, the sol-gel raw material can be adjusted.
ＭＯＤ原料としては、例えば、強誘電体膜の構成元素同士が直接または間接的に連続して接続された多核金属錯体原料を挙げることができる。ＭＯＤ原料は、具体的にはカルボン酸の金属塩を挙げることができる。カルボン酸としては、酢酸、２−エチルヘキサン酸などを挙げることができる。金属としては、例えば、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｐｂなどを挙げることができる。ＭＯＤ原料においても、ゾルゲル原料と同様に、Ｍ−Ｏの結合を有する。しかし、Ｍ−Ｏ結合は、重縮合を行って得られるゾルゲル原料のように連続した結合にはなっておらず、また、結合構造もリニア構造に近くペロブスカイト構造とはかけ離れている。 Examples of the MOD raw material include a polynuclear metal complex raw material in which constituent elements of the ferroelectric film are connected directly or indirectly continuously. Specific examples of the MOD raw material include metal salts of carboxylic acids. Examples of the carboxylic acid include acetic acid and 2-ethylhexanoic acid. Examples of the metal include Bi, Ti, La, and Pb. The MOD raw material also has an M—O bond, similar to the sol-gel raw material. However, the MO bond is not a continuous bond like the sol-gel raw material obtained by polycondensation, and the bond structure is close to the linear structure and far from the perovskite structure.
本実施の形態の形成方法において、原料溶液は、一般式（１）で示される強誘電体を形成するための原料溶液である。 In the forming method of the present embodiment, the raw material solution is a raw material solution for forming the ferroelectric represented by the general formula (1).
ＡＢ１−ＸＣＸＯ３・・・（１）
前記一般式（１）において、Ａ元素は、少なくともＰｂを含み、Ｂ元素は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、ＷおよびＨｆの少なくとも一つからなり、Ｃ元素は、ＮｂおよびＴａの少なくとも一つからなる。このとき、Ｂ元素は、ＺｒおよびＴｉであり、Ｃ元素は、Ｎｂであることが好ましい。Ｎｂは、Ｔｉとサイズ（イオン半径が近く、原子半径は同一である）がほぼ同じで、重さが２倍あり、格子振動による原子間の衝突によっても格子から原子が抜けにくい。また原子価は、＋５価で安定であり、たとえＰｂが抜けても、Ｎｂ５＋によりＰｂ抜けの価数を補うことができるためである。また結晶化時に、Ｐｂ抜けが発生したとしても、サイズの大きなＯが抜けるより、サイズの小さなＮｂが入る方が容易である。
AB 1-X C X O 3 (1)
In the general formula (1), the element A includes at least Pb, the element B includes at least one of Zr, Ti, V, W, and Hf, and the element C includes at least one of Nb and Ta. . At this time, the B element is preferably Zr and Ti, and the C element is preferably Nb. Nb is substantially the same size as Ti (the ionic radius is the same, and the atomic radius is the same), is twice as heavy, and it is difficult for atoms to escape from the lattice by collisions between atoms due to lattice vibration. The valence is +5 and is stable, and even if Pb is lost, the valence of Pb loss can be compensated by Nb 5+ . Further, even if Pb loss occurs during crystallization, 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).
さらに、上記一般式（１）において、０．１≦Ｘ≦０．３であることが好ましい。この範囲で、Ｃ元素が添加されている場合、良好なヒステリシスを保持することができる。 Furthermore, in the general formula (1), it is preferable that 0.1 ≦ X ≦ 0.3. In this range, when the C element is added, good hysteresis can be maintained.
また、原料溶液には、好ましくは、０．５ｍｏｌ％以上、より好ましくは、０．５ｍｏｌ％以上、５ｍｏｌ％未満のＳｉまたはＧｅが含まれていることが好ましい。これは、ＳｉまたはＧｅを含んでいることで、結晶化温度の低減を図ることができるためである。ＳｉまたはＧｅは、ＰｂＳｉＯ３用ゾルゲル溶液、ＰｂＧｅＯ３用ゾルゲル溶液などを原料溶液に混合させることで、原料溶液に含ませることができる。 Further, the raw material solution preferably contains 0.5 mol% or more, more preferably 0.5 mol% or more and less than 5 mol% of Si or Ge. This is because the crystallization temperature can be reduced by containing Si or Ge. Si or Ge, by mixing a sol-gel solution for PbSiO 3, a sol-gel solution and a PbGeO 3 to the raw material solution, can be included in the raw material solution.
次に、原材料体２０を結晶化して強誘電体膜３０を形成する。この結晶化の際の温度変動の様子を図２に示す。図２は、横軸を処理時間、縦軸を処理温度としたグラフである。結晶化は、図２に示すように、第１の熱処理と、第１の熱処理と比して低い第２の熱処理とにより行われる。つまり、段階的に温度が低くなる熱処理を複数回行うことで結晶化が行われる。 Next, the raw material body 20 is crystallized to form the ferroelectric film 30. The state of temperature fluctuation during the crystallization is shown in FIG. FIG. 2 is a graph in which the horizontal axis represents the processing time and the vertical axis represents the processing temperature. As shown in FIG. 2, the crystallization is performed by a first heat treatment and a second heat treatment that is lower than the first heat treatment. In other words, crystallization is performed by performing heat treatment that lowers the temperature stepwise a plurality of times.
第１の熱処理は、原材料体２０に、初期核を形成するための工程である。たとえば、ＰＺＴＮ膜を形成する場合には、８００℃以上、９５０℃以下で行われることができる。また、第１の熱処理では、初期核ができれば足りるため、長時間の処理を必要とせず、原材料体の組成や厚みにより変化するが、たとえば、１秒以上、２０秒未満程度の熱処理でよい。このように、第１の熱処理は、短時間で足りるため、チャンバー内の温度上昇を抑制することができる。その結果、後述の第２の熱処理に移行するときの温度の降下に費やす時間を短縮することができ、結晶化の処理時間の短縮に寄与することができる。さらに、第１の熱処理が短時間で足りるため、周辺回路のトランジスタへのダメージを小さくすることができる。 The first heat treatment is a process for forming initial nuclei in the raw material body 20. For example, when forming a PZTN film, it can be performed at 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. In addition, the first heat treatment is sufficient if initial nuclei are formed, so that a long time treatment is not required, and the heat treatment may vary depending on the composition and thickness of the raw material body. Thus, since the first heat treatment is sufficient in a short time, the temperature rise in the chamber can be suppressed. As a result, it is possible to reduce the time spent for lowering the temperature when shifting to the second heat treatment described later, which can contribute to shortening the crystallization treatment time. Further, since the first heat treatment is sufficient in a short time, damage to the transistors in the peripheral circuit can be reduced.
第１の熱処理の前に、その温度に到達するまでの昇温工程があるが、この昇温工程の昇温速度が５０℃／ｓｅｃ以上、２００℃／ｓｅｃ以下であることが好ましい。第１の熱処理の昇温速度が上記範囲である場合に、パイロクロア相の初期核が形成されることが少ない。そのため、ペロブスカイト構造の初期核を形成することができ、第２の熱処理で結晶成長させたときに、強誘電体メモリなどの好適に用いることができるペロブスカイト構造を有する強誘電体膜を形成することができる。 Before the first heat treatment, there is a temperature raising process until the temperature is reached, and the temperature raising rate of the temperature raising process is preferably 50 ° C./sec or more and 200 ° C./sec or less. When the temperature increase rate of the first heat treatment is in the above range, initial nuclei of the pyrochlore phase are rarely formed. Therefore, an initial nucleus of a perovskite structure can be formed, and a ferroelectric film having a perovskite structure that can be suitably used for a ferroelectric memory or the like when the crystal is grown by the second heat treatment is formed. Can do.
ついで、図２に示すように、第１の熱処理を終えた後、第１の熱処理と比して温度が低い第２の熱処理を行う。第２の熱処理は、結晶成長をさせるための工程である。第２の熱処理は、たとえば、ＰＺＴＮ膜を形成する場合には、４５０℃以上、７００℃以下で行われることができる。また、その処理時間は、５秒以上、６０秒以下であることができる。第２の熱処理では、すでに初期核が形成されているため、結晶成長がスムーズに進行することとなる。そのため、背景技術の欄で述べたような一定の温度に設定して結晶化する場合と比して、短時間で結晶化することができる。 Next, as shown in FIG. 2, after finishing the first heat treatment, a second heat treatment having a temperature lower than that of the first heat treatment is performed. The second heat treatment is a step for causing crystal growth. The second heat treatment can be performed at 450 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, for example, when forming a PZTN film. The processing time can be 5 seconds or more and 60 seconds or less. In the second heat treatment, since initial nuclei have already been formed, crystal growth proceeds smoothly. Therefore, it is possible to crystallize in a shorter time compared to the case where crystallization is performed at a constant temperature as described in the background art section.
次に、必要に応じて、回復熱処理を行うことが好ましい。回復熱処理は、特に、１対の電極で強誘電体膜を挟む構造の素子を形成する際に効果がある。たとえば、強誘電体メモリ装置のメモリセルとなる強誘電体キャパシタなどを形成するときには、まず、下部電極の上に強誘電体膜を形成して、この強誘電体膜の上に上部電極を形成する。上部電極の形成方法の一つにスパッタ法が挙げられるが、この場合、物理的な作用が大きく強誘電体膜はダメージを受けることがある。回復熱処理を行うことにより、このようなダメージを回復することができるのである。 Next, it is preferable to perform a recovery heat treatment as necessary. The recovery heat treatment is particularly effective when forming an element having a structure in which a ferroelectric film is sandwiched between a pair of electrodes. For example, when forming a ferroelectric capacitor to be a memory cell of a ferroelectric memory device, a ferroelectric film is first formed on the lower electrode, and an upper electrode is formed on the ferroelectric film. To do. One method of forming the upper electrode is a sputtering method. In this case, the physical action is large and the ferroelectric film may be damaged. Such damage can be recovered by performing the recovery heat treatment.
本実施の形態の強誘電体膜の形成方法によれば、結晶化の際に、初期核の形成工程と結晶成長工程とを異なる温度範囲で行うことで、構成元素の一部が欠損することを抑制し、特性の良好な強誘電体膜を形成することができる。これは、まず、初期核の形成を行い、その後、初期核の形成よりも低い温度で結晶成長をさせるという２段階の熱処理を行っているためである。つまり、このように、２段階の熱処理により結晶化させることで、熱処理にさらされる時間を短縮することができ、構成元素の一部（たとえば、ＰＺＴであれば、Ｐｂや酸素など）が欠損することを抑制できる。その結果、特性の良好な強誘電体膜を形成することができる。 According to the method of forming a ferroelectric film of the present embodiment, a part of the constituent elements is lost by performing the initial nucleus formation step and the crystal growth step in different temperature ranges during crystallization. And a ferroelectric film with good characteristics can be formed. This is because a two-step heat treatment is performed in which initial nuclei are first formed and then crystal growth is performed at a temperature lower than that of the initial nuclei. That is, by performing crystallization by two-stage heat treatment in this way, the time exposed to the heat treatment can be shortened, and a part of the constituent elements (for example, Pb or oxygen in the case of PZT) is lost. This can be suppressed. As a result, a ferroelectric film with good characteristics can be formed.
２．強誘電体膜
本実施の形態の強誘電体膜は、上述の実施の形態の形成方法により形成された膜である。そのため、特性の良好な強誘電体膜を提供することができる。
2. Ferroelectric film The ferroelectric film of the present embodiment is a film formed by the formation method of the above-described embodiment. Therefore, a ferroelectric film with good characteristics can be provided.
３．応用例
応用例の一つとして、本実施の形態の強誘電体膜の形成方法を強誘電体メモリセルに用いられる強誘電体キャパシタに適用にした例について図３を参照しつつ説明する。
3. Application Example As one application example, an example in which the ferroelectric film forming method of the present embodiment is applied to a ferroelectric capacitor used in a ferroelectric memory cell will be described with reference to FIG.
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、上記実施の形態の製造方法により得られる強誘電体キャパシタを用いた強誘電体メモリ装置１０００を模式的に示す図である。なお、図３（Ａ）は、強誘電体メモリ装置１０００の平面的形状を示すものであり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＩ−Ｉ断面を示すものである。 FIGS. 3A and 3B are diagrams schematically showing a ferroelectric memory device 1000 using a ferroelectric capacitor obtained by the manufacturing method of the above embodiment. 3A shows the planar shape of the ferroelectric memory device 1000, and FIG. 3B shows the II cross section in FIG. 3A.
強誘電体メモリ装置１０００は、図３（Ａ）に示すように、メモリセルアレイ２００と、周辺回路部３００とを有する。そして、メモリセルアレイ２００と周辺回路部３００とは、異なる層に形成されている。また、周辺回路部３００は、メモリセルアレイ２００に対して半導体基板４００上の異なる領域に配置されている。なお、周辺回路部３００の具体例としては、Ｙゲート、センスアンプ、入出力バッファ、Ｘアドレスデコーダ、Ｙアドレスデコーダ、又はアドレスバッファを挙げることができる。 As shown in FIG. 3A, the ferroelectric memory device 1000 includes a memory cell array 200 and a peripheral circuit unit 300. The memory cell array 200 and the peripheral circuit unit 300 are formed in different layers. The peripheral circuit unit 300 is arranged in a different region on the semiconductor substrate 400 with respect to the memory cell array 200. Specific examples of the peripheral circuit unit 300 include a Y gate, a sense amplifier, an input / output buffer, an X address decoder, a Y address decoder, or an address buffer.
メモリセルアレイ２００は、行選択のための下部電極２１０（ワード線）と、列選択のための上部電極２２０（ビット線）とが交叉するように配列されている。また、下部電極２１０及び上部電極２２０は、複数のライン状の信号電極から成るストライプ形状を有する。なお、信号電極は、下部電極２１０がビット線、上部電極２２０がワード線となるように形成することができる。 The memory cell array 200 is arranged so that a lower electrode 210 (word line) for row selection and an upper electrode 220 (bit line) for column selection intersect. The lower electrode 210 and the upper electrode 220 have a stripe shape composed of a plurality of line-shaped signal electrodes. The signal electrode can be formed so that the lower electrode 210 is a bit line and the upper electrode 220 is a word line.
そして、図３（Ｂ）に示すように、下部電極２１０と上部電極２２０との間には、強誘電体膜２１５が配置されている。メモリセルアレイ２００では、この下部電極２１０と上部電極２２０との交叉する領域において、強誘電体キャパシタ２３０として機能するメモリセルが構成されている。強誘電体膜２１５は、１．の項で述べた形成方法により形成された膜である。なお、強誘電体膜２１５は、少なくとも下部電極２１０と上部電極２２０との交叉する領域の間に配置されていればよい。 As shown in FIG. 3B, a ferroelectric film 215 is disposed between the lower electrode 210 and the upper electrode 220. In the memory cell array 200, a memory cell that functions as the ferroelectric capacitor 230 is formed in a region where the lower electrode 210 and the upper electrode 220 intersect. The ferroelectric film 215 has the following structure. It is a film formed by the formation method described in the section. The ferroelectric film 215 may be disposed at least between the regions where the lower electrode 210 and the upper electrode 220 intersect.
さらに、強誘電体メモリ装置１０００は、下部電極２１０、強誘電体膜２１５、及び上部電極２２０を覆うように、第２の層間絶縁膜４３０が形成されている。さらに、配線層４５０、４６０を覆うように第２の層間絶縁膜４３０の上に絶縁性の保護層４４０が形成されている。 Further, in the ferroelectric memory device 1000, a second interlayer insulating film 430 is formed so as to cover the lower electrode 210, the ferroelectric film 215, and the upper electrode 220. Further, an insulating protective layer 440 is formed on the second interlayer insulating film 430 so as to cover the wiring layers 450 and 460.
周辺回路部３００は、図３（Ａ）に示すように、前記メモリセルアレイ２００に対して選択的に情報の書き込み若しくは読出しを行うための各種回路を含み、例えば、下部電極２１０を選択的に制御するための第１の駆動回路３１０と、上部電極２２０を選択的に制御するための第２の駆動回路３２０と、その他にセンスアンプなどの信号検出回路（図示省略）とを含んで構成される。 As shown in FIG. 3A, the peripheral circuit unit 300 includes various circuits for selectively writing information to or reading information from the memory cell array 200. For example, the peripheral circuit unit 300 selectively controls the lower electrode 210. A first driving circuit 310 for controlling the upper electrode 220, a second driving circuit 320 for selectively controlling the upper electrode 220, and a signal detection circuit (not shown) such as a sense amplifier. .
また、周辺回路部３００は、図３（Ｂ）に示すように、半導体基板４００上に形成されたＭＯＳトランジスタ３３０を含む。ＭＯＳトランジスタ３３０は、ゲート絶縁膜３３２、ゲート電極３３４、及びソース／ドレイン領域３３６を有する。各ＭＯＳトランジスタ３３０間は、素子分離領域４１０によって分離されている。このＭＯＳトランジスタ３３０が形成された半導体基板４００上には、第１の層間絶縁膜４２０が形成されている。そして、周辺回路部３００とメモリセルアレイ２００とは、配線層４５０によって電気的に接続されている。 In addition, the peripheral circuit portion 300 includes a MOS transistor 330 formed on a semiconductor substrate 400 as shown in FIG. The MOS transistor 330 includes a gate insulating film 332, a gate electrode 334, and source / drain regions 336. The MOS transistors 330 are separated from each other by an element isolation region 410. A first interlayer insulating film 420 is formed on the semiconductor substrate 400 on which the MOS transistor 330 is formed. The peripheral circuit unit 300 and the memory cell array 200 are electrically connected by a wiring layer 450.
次に、強誘電体メモリ装置１０００における書き込み、読出し動作の一例について述べる。 Next, an example of write and read operations in the ferroelectric memory device 1000 will be described.
まず、読出し動作においては、選択されたメモリセルのキャパシタに読み出し電圧が印加される。これは、同時に‘０’の書き込み動作を兼ねている。このとき、選択されたビット線を流れる電流又はビット線をハイインピーダンスにしたときの電位をセンスアンプにて読み出す。そして、非選択のメモリセルのキャパシタには、読み出し時のクロストークを防ぐため、所定の電圧が印加される。 First, in the read operation, a read voltage is applied to the capacitor of the selected memory cell. This also serves as a write operation of “0” at the same time. At this time, the current flowing through the selected bit line or the potential when the bit line is set to high impedance is read by the sense amplifier. A predetermined voltage is applied to the capacitors of unselected memory cells in order to prevent crosstalk during reading.
書き込み動作においては、‘１’の書き込みの場合は、選択されたメモリセルのキャパシタに分極状態を反転させる書き込み電圧が印加される。‘０’の書き込みの場合は、選択されたメモリセルのキャパシタに分極状態を反転させない書き込み電圧が印加され、読み出し動作時に書き込まれた‘０’状態を保持する。このとき、非選択のメモリセルのキャパシタには書き込み時のクロストークを防ぐために、所定の電圧が印加される。 In the write operation, in the case of “1” write, a write voltage for inverting the polarization state is applied to the capacitor of the selected memory cell. In the case of writing “0”, a write voltage that does not reverse the polarization state is applied to the capacitor of the selected memory cell, and the “0” state written during the read operation is held. At this time, a predetermined voltage is applied to the capacitor of the unselected memory cell in order to prevent crosstalk during writing.
この強誘電体メモリ装置１０００において、強誘電体キャパシタ２３０は、ヒステリシス特性やリーク特性の良好な強誘電体膜２１５を有する。そのため、信頼性の高い強誘電体メモリ装置１０００を提供することができる。 In this ferroelectric memory device 1000, the ferroelectric capacitor 230 has a ferroelectric film 215 with good hysteresis characteristics and leak characteristics. Therefore, a highly reliable ferroelectric memory device 1000 can be provided.
本実施例では、強誘電体膜の形成方法を用いて強誘電体キャパシタを形成し、その後、評価を行った。 In this example, a ferroelectric capacitor was formed using a method for forming a ferroelectric film, and then evaluated.
まず、Ｐｔ電極が形成された所与の基体上に、Ｐｂ（Ｚｒ0.35、Ｔｉ0.65）Ｏ3をスピンコート法を用いて、原材料体の形成を行った。 First, a raw material body was formed on a given substrate on which a Pt electrode was formed by using Pb (Zr 0.35 , Ti 0.65 ) O 3 by spin coating.
本実施例では、ＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝３５／６５）の化学量論的組成にそれぞれ調整されたゾルゲル溶液とＭＯＤ溶液との混合物にモル比で２０％過剰となるようにＮｂを添加した原材料溶液を用いた。 In this example, a raw material in which Nb was added to a mixture of a sol-gel solution and a MOD solution each adjusted to a stoichiometric composition of PZT (Zr / Ti = 35/65) so that the molar ratio was 20% excess. The solution was used.
そして、これらの原料溶液を、スピンコーティング（３０００ｒｐｍ、３０秒）して、１５０℃で約１分間静置後、３００℃で５分間焼成する工程を３回繰り返して、Ｐｔ電極上に１５０ｎｍの原材料体を形成した。次に、結晶化のための熱処理を行った。まず、第１の熱処理を８５０℃で１〜２秒行った。このとき、８５０℃に達するまでの昇温速度は、１５０℃／ｓｅｃであった。ついで、第２の熱処理を６５０℃で１０秒間行い、結晶成長をさせた。その後、得られた強誘電体膜の上に、スパッタ法により、Ｐｔ電極の形成を行った。Ｐｔ電極の膜厚は、１００ｎｍであった。次に、７５０℃で５分間の回復熱処理を行った。このようにして、本実施例にかかる強誘電体キャパシタを形成した。 Then, these raw material solutions are spin-coated (3000 rpm, 30 seconds), allowed to stand at 150 ° C. for about 1 minute, and then baked at 300 ° C. for 5 minutes three times, and a 150 nm raw material is formed on the Pt electrode. Formed body. Next, heat treatment for crystallization was performed. First, the first heat treatment was performed at 850 ° C. for 1-2 seconds. At this time, the rate of temperature increase until reaching 850 ° C. was 150 ° C./sec. Next, a second heat treatment was performed at 650 ° C. for 10 seconds to grow crystals. Thereafter, a Pt electrode was formed on the obtained ferroelectric film by sputtering. The film thickness of the Pt electrode was 100 nm. Next, a recovery heat treatment was performed at 750 ° C. for 5 minutes. Thus, the ferroelectric capacitor according to this example was formed.
図４に、本実施例にかかる強誘電体膜のＸＲＤ回折パターンを示す。また、図４には、比較のために、実施例とは異なる熱処理で結晶化を行った強誘電体膜のＸＲＤ回折パターンを並べて示す。なお、比較例１は、８５０℃で５分間の熱処理を行った膜であり、比較例２は、６５０℃で３分間の熱処理を行った膜であった。図４から分かるように、本実施例にかかる強誘電体膜では、（１１１）配向の膜が得られたことが確認され、本実施例にかかる結晶化処理であっても、良好に結晶化が行えたことが確認された。 FIG. 4 shows an XRD diffraction pattern of the ferroelectric film according to this example. For comparison, FIG. 4 shows XRD diffraction patterns of ferroelectric films crystallized by a heat treatment different from that of the examples side by side. Comparative Example 1 was a film that was heat-treated at 850 ° C. for 5 minutes, and Comparative Example 2 was a film that was heat-treated at 650 ° C. for 3 minutes. As can be seen from FIG. 4, in the ferroelectric film according to this example, it was confirmed that a (111) -oriented film was obtained, and even with the crystallization treatment according to this example, the crystallization was excellent. Has been confirmed.
図５は、本実施例にかかる強誘電体膜のヒステリシス特性を示す図である。図５（Ａ）は、実施例にかかる強誘電体膜、図５（Ｂ）は、比較例３にかかる強誘電体膜のヒステリシス特性を示す。なお、比較例３は、実施例と異なる熱処理で結晶化をして得られた膜であり、具体的には、６００℃で５分間の熱処理をすることで得られた膜であった。 FIG. 5 is a diagram showing hysteresis characteristics of the ferroelectric film according to the present example. FIG. 5A shows the hysteresis characteristics of the ferroelectric film according to the example, and FIG. 5B shows the hysteresis characteristics of the ferroelectric film according to the comparative example 3. Note that Comparative Example 3 was a film obtained by crystallization by a heat treatment different from the Example, and specifically, a film obtained by performing a heat treatment at 600 ° C. for 5 minutes.
図５（Ａ）と図５（Ｂ）を比較すると分かるように、実施例にかかる強誘電体膜は、角形性の向上、リーク特性の向上を確認することができる。これらの実施例から、本実施例にかかる強誘電体膜は、結晶化の際の構成元素の欠損が低減され、特性の良好な半導体装置を提供することができることが確認された。また、比較例にかかる強誘電体膜の形成と比して、短時間の熱処理であっても、特性の良好な膜が形成できることも確認された。つまり、本実施の形態の形成方法によれば、製造効率を向上することができ、コストの削減にも寄与できる。 As can be seen by comparing FIG. 5A and FIG. 5B, the ferroelectric film according to the example can confirm improvement in squareness and leakage characteristics. From these examples, it was confirmed that the ferroelectric film according to the present example can provide a semiconductor device with good characteristics because the defects of constituent elements during crystallization are reduced. It was also confirmed that a film with good characteristics can be formed even with a short heat treatment as compared with the formation of the ferroelectric film according to the comparative example. That is, according to the formation method of the present embodiment, the manufacturing efficiency can be improved and the cost can be reduced.
１０ 基体、 ２０ 原材料体、 ３０ 強誘電体膜、 ５１ 配線層、 ２００ メモリセルアレイ、 ２１０ 下部電極、 ２１５ 強誘電体膜、 ２２０ 上部電極、 ２３０ 強誘電体キャパシタ、 ３００ 周辺回路部、 ３１０ 第１の駆動回路、 ３２０ 第２の駆動回路、 ３３０ ＭＯＳトランジスタ、 ３３２ ゲート絶縁膜 ３３４ ゲート電極 ３３６ ソース／ドレイン領域、 ４００ 半導体基板 ４１０ 素子分離領域、 ４２０ 第１の層間絶縁膜、 ４３０ 第２の層間絶縁膜、 ４３０ 第２の層間絶縁膜、 ４４０ 保護層、 ４５０、４６０ 配線層 １０００ 強誘電体メモリ装置 10 substrate, 20 raw material body, 30 ferroelectric film, 51 wiring layer, 200 memory cell array, 210 lower electrode, 215 ferroelectric film, 220 upper electrode, 230 ferroelectric capacitor, 300 peripheral circuit section, 310 first Drive circuit, 320 second drive circuit, 330 MOS transistor, 332 gate insulating film 334 gate electrode 336 source / drain region, 400 semiconductor substrate 410 element isolation region, 420 first interlayer insulating film, 430 second interlayer insulating film 430 Second interlayer insulating film 440 Protective layer 450 460 Wiring layer 1000 Ferroelectric memory device
Claims (7)
初期核を形成するための第１の熱処理を行う工程と、
結晶成長をさせるために、前記第１の熱処理と比して低い第２の熱処理を行う工程と、
を含む、強誘電体膜の形成方法。 Crystallization of the raw material body of the composite oxide,
Performing a first heat treatment to form initial nuclei;
Performing a second heat treatment that is lower than the first heat treatment for crystal growth;
A method for forming a ferroelectric film, comprising:
５０℃／ｓｅｃ以上、２００℃／ｓｅｃ以下の昇温速度で第１の熱処理の温度に達する、強誘電体膜の形成方法。 In claim 1,
A method for forming a ferroelectric film, wherein the temperature of the first heat treatment is reached at a temperature elevation rate of 50 ° C./sec or more and 200 ° C./sec or less.
前記原材料体の複合化合物は、一般式ＡＢ１−ＸＣＸＯ３で示され、
Ａ元素は少なくともＰｂであり、
Ｂ元素は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、ＷおよびＨｆの少なくとも一つからなり、
Ｃ元素は、ＮｂおよびＴａの少なくとも一つからなる、強誘電体膜の形成方法。 In claim 1 or 2,
The composite material of the raw material body is represented by the general formula AB 1-X C X O 3 ,
A element is at least Pb,
B element consists of at least one of Zr, Ti, V, W and Hf,
A method for forming a ferroelectric film, wherein the C element is made of at least one of Nb and Ta.
前記Ｃ元素は、Ｎｂである、強誘電体膜の形成方法。 In claim 3,
The method for forming a ferroelectric film, wherein the C element is Nb.
０．０５≦Ｘ≦０．３である、強誘電体膜の形成方法。 In claim 3 or 4,
A method for forming a ferroelectric film, wherein 0.05 ≦ X ≦ 0.3.
さらに、０．５モル％以上のＳｉ、あるいはＧｅを含む、強誘電体膜の形成方法。 In any of claims 1 to 5,
Furthermore, the formation method of the ferroelectric film containing 0.5 mol% or more of Si or Ge.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004308173A JP2006120513A (en) | 2004-10-22 | 2004-10-22 | Ferroelectric film and its forming method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004308173A JP2006120513A (en) | 2004-10-22 | 2004-10-22 | Ferroelectric film and its forming method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006120513A true JP2006120513A (en) | 2006-05-11 |
Family
ID=36538203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004308173A Withdrawn JP2006120513A (en) | 2004-10-22 | 2004-10-22 | Ferroelectric film and its forming method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2006120513A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009221037A (en) * | 2008-03-14 | 2009-10-01 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric body, piezoelectric element, and piezoelectric actuator |
| JP2012139919A (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-26 | Seiko Epson Corp | Method for manufacturing liquid jet head, liquid jetting apparatus, and method for manufacturing piezoelectric element |
-
2004
- 2004-10-22 JP JP2004308173A patent/JP2006120513A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009221037A (en) * | 2008-03-14 | 2009-10-01 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric body, piezoelectric element, and piezoelectric actuator |
| US8075795B2 (en) | 2008-03-14 | 2011-12-13 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectrics, piezoelectric element, and piezoelectric actuator |
| JP2012139919A (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-26 | Seiko Epson Corp | Method for manufacturing liquid jet head, liquid jetting apparatus, and method for manufacturing piezoelectric element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3258899B2 (en) | Ferroelectric thin film element, semiconductor device using the same, and method of manufacturing ferroelectric thin film element | |
| KR100228040B1 (en) | Non-volatile semiconductor memory device and method for manufacturing the same | |
| KR100737636B1 (en) | Metal thin film and method of forming the same, dielectric capacitor and method of manufacturing the same, and semiconductor device | |
| US6690599B2 (en) | Ferroelectric memory device | |
| US7569400B2 (en) | Ferroelectric film, method of manufacturing ferroelectric film, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory | |
| US6717195B2 (en) | Ferroelectric memory | |
| JP2003258202A (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
| JP2005159308A (en) | Ferroelectric film, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory | |
| JP2004319651A (en) | Element of memory and manufacturing method thereof | |
| JP4178414B2 (en) | Ferroelectric film, ferroelectric capacitor and ferroelectric memory | |
| JP4324796B2 (en) | Ferroelectric film, ferroelectric film manufacturing method, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory | |
| JP2006120513A (en) | Ferroelectric film and its forming method | |
| JPH08139292A (en) | Thin film capacitor and semiconductor memory | |
| JP2004296681A (en) | Ferroelectric film, forming method thereof, ferroelectric capacitor, manufacturing method thereof, and ferroelectric memory | |
| US20040224188A1 (en) | Method of manufacturing ceramic film, method of manufacturing ferroelectric capacitor, ceramic film, ferrroelectric capacitor, and semiconductor device | |
| JP2004273808A (en) | Ceramic film manufacturing method, ferroelectric capacitor manufacturing method, ceramic film, ferroelectric capacitor, and semiconductor device | |
| JP2004335491A (en) | Ferroelectric film and its producing process, ferroelectric capacitor and ferroelectric memory | |
| JP2004319995A (en) | Ferroelectric film, its manufacturing method, and semiconductor device | |
| JPH08340084A (en) | Manufacture of dielectric thin film and dielectric thin film manufactured by it | |
| JP2005057065A (en) | Simple matrix type ferroelectric storage device, and method for designing and inspecting same | |
| JP4349293B2 (en) | Ferroelectric thin film manufacturing method, piezoelectric element, and ferroelectric memory | |
| JP4697381B2 (en) | Ferroelectric film, ferroelectric film manufacturing method, ferroelectric memory, and semiconductor device | |
| JP2002289811A (en) | Ferroelectric memory and its data writing method | |
| JPH10270646A (en) | Manufacture of ferroelectric thin film element and semiconductor device | |
| JP2003289132A (en) | Capacitor, ferroelectric memory and electronic device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080108 |