JP2008258638A - Method for manufacturing ferrodielectric film and material solution - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体膜およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a ferroelectric film and a method for manufacturing the same.
PZTをはじめとする強誘電体は、強誘電体メモリ、圧電素子、赤外センサ等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, and infrared sensors, and their research and development are actively conducted.
特に強誘電体メモリは、不揮発性であり、DRAMと同等の動作速度を持つ次世代型メモリとして期待されている。さらに強誘電体メモリは、他のメモリに比べて消費電力が低いという特徴を有する。 In particular, the ferroelectric memory is non-volatile and is expected as a next-generation memory having an operation speed equivalent to that of a DRAM. Furthermore, the ferroelectric memory has a feature of low power consumption compared to other memories.
しかし、PZTのような強誘電体材料は、人体に害を与える鉛を多く含むため、大量生産するには好ましくない。またPZTにおいては、鉛は揮発しやすいため、鉛との結合エネルギーの低い酸素が欠損しやすい。
本発明の目的は、鉛を含まず信頼性の高い強誘電体膜およびその製造方法、強誘電体キャパシタ、ならびに誘電体メモリを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly reliable ferroelectric film that does not contain lead, a method for manufacturing the same, a ferroelectric capacitor, and a dielectric memory.
本発明にかかる強誘電体膜は、BiNbO4からなる。 The ferroelectric film according to the present invention is made of BiNbO 4 .
本発明にかかる強誘電体膜において、前記BiNbO4は、Bi層状ペロブスカイト構造を有することができる。 In the ferroelectric film according to the present invention, the BiNbO 4 may have a Bi layered perovskite structure.
本発明にかかる強誘電体膜において、さらにSi、あるいはSiおよびGeを含むことができる。 The ferroelectric film according to the present invention may further contain Si or Si and Ge.
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法は、
(a)ニオブ元素を含むポリカルボン酸塩と、ビスマス元素を含むポリカルボン酸塩と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒と、を混合する工程と、
(b)混合した溶液を、基体上に塗布した後、熱処理することにより、BiNbO4からなる強誘電体膜を形成する工程と、を含む。
A method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention includes:
(A) a step of mixing a polycarboxylate containing a niobium element, a polycarboxylate containing a bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic solvent;
(B) forming a ferroelectric film made of BiNbO 4 by applying the mixed solution on the substrate and then performing a heat treatment.
本発明にかかる強誘電体膜の製図方法は、
(a)ニオブ元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ビスマス元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合することにより、前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルに由来するポリカルボン酸と、前記ニオブ元素を含む金属アルコキシドおよび前記ビスマス元素を含む金属アルコキシドとをエステル化反応させて強誘電体の前駆体組成物を作製する工程と、
(b)前記前駆体組成物を、基体上に塗布した後、熱処理することにより、BiNbO4からなる強誘電体膜を形成する工程と、
を含む。
A method for drawing a ferroelectric film according to the present invention includes:
(A) A sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing a niobium element, a sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing a bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic By mixing with a solvent, the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is subjected to an esterification reaction between the metal alkoxide containing the niobium element and the metal alkoxide containing the bismuth element to produce a ferroelectric. Producing a body precursor composition;
(B) a step of forming a ferroelectric film made of BiNbO 4 by applying the precursor composition onto a substrate and then performing a heat treatment;
including.
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、前記有機溶媒は、アルコールであることができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric film according to the present invention, the organic solvent may be an alcohol.
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、前記工程(a)では、さらにSi、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料を混合することができる。特に、Si、あるいはSiおよびGeは、1〜3mol%の割合で前記前駆体組成物に添加することが好ましい。 In the method of manufacturing a ferroelectric film according to the present invention, in the step (a), a sol-gel raw material further containing Si or Si and Ge can be mixed. In particular, Si or Si and Ge are preferably added to the precursor composition in a proportion of 1 to 3 mol%.
本発明にかかる強誘電体の原料溶液は、ニオブ元素を含むポリカルボン酸塩と、ビスマス元素を含むポリカルボン酸塩と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒と、を含む。 The ferroelectric raw material solution according to the present invention includes a polycarboxylate containing a niobium element, a polycarboxylate containing a bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic solvent.
本発明にかかる強誘電体の原料溶液は、ニオブ元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ビスマス元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒と、を含む。 A ferroelectric raw material solution according to the present invention includes a sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing a niobium element, a sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing a bismuth element, and a polycarboxylic acid. An acid or polycarboxylic acid ester and an organic solvent are included.
本発明にかかる強誘電体キャパシタは、上述したいずれかの強誘電体膜を有する。 The ferroelectric capacitor according to the present invention has any one of the ferroelectric films described above.
本発明にかかる強誘電体メモリは、上述した強誘電体キャパシタを有する。 A ferroelectric memory according to the present invention has the above-described ferroelectric capacitor.
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
1.強誘電体膜および強誘電体キャパシタ
図1は、本実施の形態にかかる強誘電体膜101を用いた強誘電体キャパシタ100を模式的に示す断面図である。
1. Ferroelectric Film and Ferroelectric Capacitor FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a
図1に示すように、強誘電体キャパシタ100は、基板10と、第1電極102と、第1電極102の上に形成された強誘電体膜101と、強誘電体膜101の上に形成された第2電極103と、から構成されている。
As shown in FIG. 1, the
第1電極102および第2電極103の厚さは、たとえば50〜150nm程度である。
The thicknesses of the
強誘電体膜101は、BiNbO4からなり、Bi層状ペロブスカイト構造を有する。また強誘電体膜101は、さらにSi、あるいはSiおよびGeを含む。Si、あるいはSiおよびGeの添加については、後に詳述する。
The
Bi層状ペロブスカイトとは、図2に示すような結晶構造を有するものである。Biによって形成された層間に酸素を頂点とする八面体が複数配置されている。当該八面体の内部にNbが位置する。本発明にかかる強誘電体膜101は、α相(強誘電体相)のBiNbO4からなる。強誘電体膜101の厚さは、たとえば50〜150nm程度である。
Bi layered perovskite has a crystal structure as shown in FIG. A plurality of octahedrons having oxygen as a vertex are arranged between layers formed of Bi. Nb is located inside the octahedron. A
2.強誘電体膜および強誘電体キャパシタの製造方法
次に、本実施の形態における強誘電体膜および強誘電体キャパシタの製造方法について説明する。
2. Method for Manufacturing Ferroelectric Film and Ferroelectric Capacitor Next, a method for manufacturing a ferroelectric film and a ferroelectric capacitor in the present embodiment will be described.
(1)まず、基板10を用意する。基板10としては、たとえばシリコンなどを用いることができる。
(1) First, the
(2)次に、基板10上に第1電極102を形成する。第1電極102は、たとえばレーザーアブレーション法によって形成することができる。すなわち、所望の電極材料を含むターゲットを用意する。そして、ターゲットにレーザー光を照射し、ターゲットから酸素原子および金属原子を含む原子を叩き出し、プルームを発生させる。そして、このプルームを基板10上に向けて出射させ接触させる。その結果、第1電極102は、基板10上にエピタキシャル成長して形成される。
(2) Next, the
第1電極102の材料としては、特に限定されず、Pt、Ir、IrOXの他、SrRuO3、Nb−SrTiO3、La−SrTiO3、Nb−(La,Sr)CoO3、LaNiO3、あるいはPbBaO3などを用いることができる。ここで、Nb−SrTiO3はSrTiO3にNbをドープしたものであり、La−SrTiO3はSrTiO3にLaをドープしたものであり、Nb−(La,Sr)CoO3は(La,Sr)CoO3にNbをドープしたものである。
The material of the
また、第1電極102の形成方法としては、レーザーアブレーション法にかえて、イオンビームアシスト、スパッタ法あるいは真空蒸着法などを用いてもよい。
Further, as a method for forming the
(3)次に、第1電極102上に強誘電体膜101を形成する。
(3) Next, the
まず、ニオブ元素を含むポリカルボン酸塩と、ビスマス元素を含むポリカルボン酸塩と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒と、を混合する。 First, a polycarboxylate containing a niobium element, a polycarboxylate containing a bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic solvent are mixed.
ニオブ元素を含むポリカルボン酸塩としては、たとえば、オクチル酸ニオブを用いることができる。オクチル酸ニオブは、図3に示したように、Nbが2原子共有結合して、その他の部分にオクチル基が存在する構造である。 As the polycarboxylate containing the niobium element, for example, niobium octylate can be used. As shown in FIG. 3, niobium octylate has a structure in which Nb is covalently bonded by two atoms and an octyl group is present in the other part.
カルボン酸とオクチル酸ニオブは、主にアルコール交換反応によりネットワーク形成が進行する。カルボン酸とオクチル基の間で反応し(アルコール交換反応)、R−COO−Nbという、エステル化が進行する。このように、本実施形態では、オクチル酸ニオブをエステル化することにより、オクチル酸ニオブとアルコキシドとの縮合によってオクチル酸ニオブの分子を前駆体のネットワークに結合することができる。 Carboxylic acid and niobium octylate form a network mainly through an alcohol exchange reaction. Reaction occurs between the carboxylic acid and the octyl group (alcohol exchange reaction), and esterification of R—COO—Nb proceeds. Thus, in the present embodiment, niobium octylate can be esterified to bind the niobium octylate molecule to the precursor network by condensation of niobium octylate and alkoxide.
ビスマス元素を含むポリカルボン酸塩としては、たとえば、オクチル酸ビスマスを用いることができる。オクチル酸ビスマスも、オクチル酸ニオブと同様に主にアルコール交換反応によりネットワーク形成が進行する。 As a polycarboxylate containing a bismuth element, for example, bismuth octylate can be used. Similarly to niobium octylate, bismuth octylate undergoes network formation mainly through an alcohol exchange reaction.
本実施の形態において有機溶媒としては、アルコールを用いることができる。溶媒としてアルコールを用いると、ゾルゲル原料とポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの両者を良好に溶解することができる。 In this embodiment mode, an alcohol can be used as the organic solvent. When alcohol is used as the solvent, both the sol-gel raw material and the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can be dissolved well.
アルコールとしては、特に限定されないが、ブタノール、メタノール、エタノール、プロパノールなどの1価のアルコール、または多価アルコールを例示できる。かかるアルコールとしては、例えば以下のものをあげることができる。 Although it does not specifically limit as alcohol, Monovalent alcohols, such as butanol, methanol, ethanol, and propanol, or a polyhydric alcohol can be illustrated. Examples of such alcohols include the following.
1価のアルコール類;
プロパノール(プロピルアルコール)として、1−プロパノール(沸点97.4℃)、2−プロパノール(沸点82.7℃)、
ブタノール(ブチルアルコール)として、1−ブタノール(沸点117℃)、2−ブタノール(沸点100℃)、2−メチル−1−プロパノール(沸点108℃)、2−メチル−2−プロパノール(融点25.4℃,沸点83℃)、
ペンタノール(アミルアルコール)として、1−ペンタノール(沸点137℃)、3−メチル−1−ブタノール(沸点131℃)、2−メチル−1−ブタノール(沸点128℃)、2,2ジメチル−1−プロパノール(沸点113℃)、2−ペンタノール(沸点119℃)、3−メチル−2−ブタノール(沸点112.5℃)、3−ペンタノール(沸点117℃)、2−メチル−2−ブタノール(沸点102℃)、
多価アルコール類;
エチレングリコール(融点−11.5℃,沸点197.5℃)、グリセリン(融点17℃,沸点290℃)。
Monohydric alcohols;
As propanol (propyl alcohol), 1-propanol (boiling point 97.4 ° C), 2-propanol (boiling point 82.7 ° C),
As butanol (butyl alcohol), 1-butanol (boiling point 117 ° C.), 2-butanol (
As pentanol (amyl alcohol), 1-pentanol (boiling point 137 ° C.), 3-methyl-1-butanol (boiling point 131 ° C.), 2-methyl-1-butanol (boiling point 128 ° C.), 2,2 dimethyl-1 -Propanol (boiling point 113 ° C), 2-pentanol (boiling point 119 ° C), 3-methyl-2-butanol (boiling point 112.5 ° C), 3-pentanol (boiling point 117 ° C), 2-methyl-2-butanol (
Polyhydric alcohols;
Ethylene glycol (melting point −11.5 ° C., boiling point 197.5 ° C.), glycerin (melting point 17 ° C., boiling point 290 ° C.).
ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルは、2価のカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであることが好ましい。 The polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is preferably a divalent carboxylic acid or a polycarboxylic acid ester.
ポリカルボン酸としては、以下のものを例示できる。3価のカルボン酸としては、Trans−アコニット酸、トリメシン酸、4価のカルボン酸としては、ピロメリット酸、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸等が挙げられる。また、アルコール中で解離してポリカルボン酸として働くポリカルボン酸エステルとしては、2価のコハク酸ジメチル、コハク酸ジエチル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジメチル、アジピン酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル、3価のクエン酸トリブチル、1,1,2−エタントリカルボン酸トリエチル、4価の1,1,2,2−エタンテトラカルボン酸テトラエチル、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸トリメチル等が挙げられる。これらのポリカルボン酸エステルは、アルコール存在下で解離してポリカルボン酸としての働きを示す。また、本発明は、ポリカルボン酸を用いて、ネットワークをエステル化で繋げていくことに特徴があり、例えば酢酸や酢酸メチルといった、シングルカルボン酸およびそのエステルでは、エステルネットワークが成長しないため、本発明には含まれない。
The following can be illustrated as polycarboxylic acid. Examples of the trivalent carboxylic acid include Trans-aconitic acid, trimesic acid, and examples of the tetravalent carboxylic acid include pyromellitic acid and 1,2,3,4-cyclopentanetetracarboxylic acid. Polycarboxylic acid esters that dissociate in alcohol and act as polycarboxylic acids include divalent dimethyl succinate, diethyl succinate, dibutyl oxalate, dimethyl malonate, dimethyl adipate, dimethyl maleate, and diethyl fumarate. Examples include trivalent tributyl citrate,
2価のカルボン酸エステルとしては、好ましくは、コハク酸エステル、マレイン酸エステルおよびマロン酸エステルから選択される少なくとも1種であることができる。これらのエステルの具体例としては、コハク酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、マロン酸ジメチルをあげることができる。 The divalent carboxylic acid ester can be preferably at least one selected from succinic acid esters, maleic acid esters and malonic acid esters. Specific examples of these esters include dimethyl succinate, dimethyl maleate, and dimethyl malonate.
さらに、本実施形態の強誘電体膜の製造方法においては、金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料として、Si、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料を用いることができる。このようなゾルゲル溶液としては、PbSiO3用ゾルゲル溶液を単独で、もしくはPbSiO3用ゾルゲル溶液とPbGeO3用ゾルゲル溶液の両者を用いることができる。このようなSiやGeを含むゾルゲル原料を用いることにより、成膜時の温度を低くすることができ、450℃程度から強誘電体の結晶化が可能である。 Furthermore, in the method for manufacturing a ferroelectric film of this embodiment, a sol-gel raw material containing Si or Si and Ge can be used as a sol-gel raw material containing a hydrolyzed / condensed product of metal alkoxide. As such a sol-gel solution may be used alone sol-gel solution for PbSiO 3, or both the sol-gel solution and PbGeO 3 sol-gel solution for PbSiO 3. By using such a sol-gel raw material containing Si or Ge, the temperature during film formation can be lowered, and the ferroelectric can be crystallized from about 450 ° C.
このように、SiまたはSiおよびGeを添加することによって、より確実に強誘電体相であるα相のBiNbO4を得ることができる。 Thus, by adding Si or Si and Ge, α-phase BiNbO 4 that is a ferroelectric phase can be obtained more reliably.
混合した溶液を基体上に塗布した後、熱処理等を加えて結晶化させることにより、強誘電体膜101を形成することができる。
The
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、その後に結晶化アニールにより焼成して強誘電体膜101を形成する。各工程における条件は、たとえば以下のとおりである。
Specifically, a series of steps including a mixed solution coating step, an alcohol removal step, a drying heat treatment step, and a degreasing heat treatment step are performed a desired number of times, and then baked by crystallization annealing to form the
混合溶液塗布工程は、混合液の塗布をスピンコートなどの塗布法で行う。まず、第1電極102上に混合溶液を滴下する。滴下された溶液を基板全面に行き渡らせる目的でスピンを行う。スピンの回転数は、たとえば500rpm程度である。次に、回転数を低下させて所望の時間、スピンを行うことによって、混合溶液が第1電極102上に塗布される。このときの回転数は、たとえば50rpm以下である。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。
In the mixed solution coating step, the mixed solution is coated by a coating method such as spin coating. First, the mixed solution is dropped on the
焼結後の強誘電体膜101の膜厚は50〜150nm程度とすることができる。強誘電体膜101は、たとえばスパッタ法、分子線エピタキシー法、あるいはレーザーアブレーション法などを用いて形成することもできる。
The thickness of the sintered
なお、ニオブ元素を含むポリカルボン酸塩と、ビスマス元素を含むポリカルボン酸塩にかえて、ニオブ元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ビスマス元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料を用いてもよい。ニオブ元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ビスマス元素を含む金属アルコキシドの加水分解・縮合物を含むゾルゲル原料と、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルと、有機溶媒とを混合することにより、前記ポリカルボン酸または前記ポリカルボン酸エステルに由来するポリカルボン酸と、前記ニオブ元素を含む金属アルコキシドおよび前記ビスマス元素を含む金属アルコキシドとをエステル化反応させて強誘電体の前駆体組成物を作製することができる。 Instead of polycarboxylates containing niobium elements and polycarboxylates containing bismuth elements, sol-gel raw materials containing hydrolysis / condensation products of metal alkoxides containing niobium elements, and hydrolysis of metal alkoxides containing bismuth elements A sol-gel raw material containing a decomposition / condensation product may be used. A sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing niobium element, a sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic solvent By mixing, the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester, the metal alkoxide containing the niobium element, and the metal alkoxide containing the bismuth element are esterified to produce a precursor of the ferroelectric substance. A body composition can be made.
前駆体組成物の生成反応は、大別すると、第1段目のアルコキシ基の置換反応と、第2段目のエステル化による高分子ネットワークの形成反応とを含む。 The generation reaction of the precursor composition is broadly classified into a first-stage alkoxy group substitution reaction and a second-stage esterification reaction to form a polymer network.
第1段目の反応においては、コハク酸ジメチルとゾルゲル原料の金属アルコキシドとのエステル化によって両者はエステル結合される。すなわち、コハク酸ジメチルはn−ブタノール中で解離し、一方のカルボニル基(第1カルボニル基)にプロトンが付加した状態となる。この第1カルボニル基と、金属アルコキシドのアルコキシ基との置換反応が起き、第1カルボキシル基がエステル化された反応生成物とアルコールが生成する。ここで、「エステル結合」とは、カルボニル基と酸素原子との結合(−COO−)を意味する。 In the first stage reaction, both are ester-bonded by esterification of dimethyl succinate and metal alkoxide of the sol-gel raw material. That is, dimethyl succinate dissociates in n-butanol, and a proton is added to one carbonyl group (first carbonyl group). A substitution reaction of the first carbonyl group and the alkoxy group of the metal alkoxide occurs, and a reaction product in which the first carboxyl group is esterified and an alcohol are generated. Here, the “ester bond” means a bond (—COO—) between a carbonyl group and an oxygen atom.
第2段目の反応においては、第1段目の反応で残った他方のカルボキシル基(第2カルボキシル基)と金属アルコキシドのアルコキシ基との置換反応が起き、第2カルボキシル基がエステル化された反応生成物とアルコールが生成する。 In the second stage reaction, a substitution reaction between the other carboxyl group (second carboxyl group) remaining in the first stage reaction and the alkoxy group of the metal alkoxide occurred, and the second carboxyl group was esterified. A reaction product and an alcohol are produced.
このように、2段階の反応によって、ゾルゲル原料に含まれる、金属アルコキシドの加水分解・縮合物同士がエステル結合した高分子ネットワークが得られる。したがって、この高分子ネットワークは、該ネットワーク内に適度に秩序よくエステル結合を有する。 Thus, a polymer network in which the hydrolysis / condensation products of metal alkoxide contained in the sol-gel raw material are ester-bonded is obtained by the two-stage reaction. Therefore, this polymer network has ester bonds in a moderately orderly manner in the network.
(4)次に、強誘電体膜101上に第2電極103を形成する。第2電極103は、たとえばスパッタ法あるいは真空蒸着法などによって形成することができる。上部電極としては、Ptを主とする材料からなるものを用いることが好ましい。なお、この第2電極103については、Ptに限定されることなく、Ir、IrOx、SrRuO3、Nb−SrTiO3、La−SrTiO3、Nb−(LaSr)CoO3、LaNiO3、PbBaO3などの公知の電極材料を用いることもできる。
(4) Next, the
(5)次に、必要に応じて、ポストアニールを酸素雰囲気中でRTA等を用いて行うことができる。これにより、第2電極103と強誘電体膜101との良好な界面を形成することができ、かつ強誘電体膜101の結晶性を改善することができる。
(5) Next, post-annealing can be performed in an oxygen atmosphere using RTA or the like, if necessary. As a result, a good interface between the
以上の工程によって、本実施の形態にかかる強誘電体膜101および強誘電体キャパシタ100を製造することができる。
Through the above steps, the
本実施の形態の強誘電体キャパシタ100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が図れる。また、強誘電体キャパシタ100によるヒステリシスの角型性の向上は、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効果がある。
According to the
3.強誘電体メモリ
図4(A)および図4(B)は、本発明の実施形態における、単純マトリクス型の強誘電体メモリ装置300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。強誘電体メモリ装置300は、図4(A)および図4(B)に示すように、基板308上に形成された所定の数配列されたワード線301〜303と、所定の数配列されたビット線304〜306とを有する。ワード線301〜303とビット線304〜306との間には、上記実施の形態において説明した強誘電体膜307が挿入され、ワード線301〜303とビット線304〜306との交差領域に強誘電体キャパシタが形成される。
3. Ferroelectric Memory FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the configuration of a simple matrix
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メモリ装置300において、ワード線301〜303とビット線304〜306と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301〜303およびビット線304〜306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
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400の一例を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a
図5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、およびゲート電極404により構成される。また、強誘電体メモリ装置400は、素子分離用酸化膜406、第1の層間絶縁膜407、第1の配線層408、および第2の層間絶縁膜409を有する。
In FIG. 5, a
また、強誘電体メモリ装置400は、強誘電体キャパシタ420からなるメモリセルアレイを有し、強誘電体キャパシタ420は、ワード線またはビット線となる下部電極(第1電極または第2電極)410、強誘電体相と常誘電体相とを含む強誘電体膜411、および強誘電体膜411の上に形成されてビット線またはワード線となる上部電極(第2電極または第1電極)412から構成される。
The
さらに、強誘電体メモリ装置400は、強誘電体キャパシタ420の上に第3の層間絶縁膜413を有し、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。なお、強誘電体メモリ装置400において、第3の層間絶縁膜413と第2の配線層414との上には保護膜415が形成されている。
Further, the
以上の構成を有する強誘電体メモリ装置400によれば、メモリセルアレイと周辺回路部とを同一基板上に集積することができる。なお、図5に示される強誘電体メモリ装置400は、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。
According to the
本実施の形態で用いられる強誘電体キャパシタ420は、上記実施の形態に係る強誘電体膜から構成されるため、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420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420を用いることで、単純マトリクス型強誘電体メモリ装置300の実用化が可能になる。
Since the
図6(A)には、変形例として1T1C型強誘電体メモリ装置500の構造図を示す。図6(B)は、強誘電体メモリ装置500の等価回路図である。
FIG. 6A shows a structural diagram of a 1T1C type
強誘電体メモリ装置500は、図6(A)に示すように、下部電極501、プレート線に接続される上部電極502、および上述の実施の形態の強誘電体膜503からなるキャパシタ504(1C)と、ソース/ドレイン電極の一方がデータ線505に接続され、ワード線に接続されるゲート電極506を有するスイッチ用のトランジスタ素子507(1T)からなるDRAMに良く似た構造のメモリ素子である。1T1C型のメモリは、書き込みおよび読み出しが100ns以下と高速で行うことができ、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である。
As shown in FIG. 6A, the
以上、本発明の実施の形態の一例について述べたが、本発明はこれらに限定されず、その要旨の範囲内で各種の態様を取りうる。 As mentioned above, although an example of embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, Various aspects can be taken within the range of the summary.
4.実験例
以下、本発明の実験例について説明する。
4). Experimental Examples Hereinafter, experimental examples of the present invention will be described.
本実施の形態にかかる強誘電体膜は、以下の原料溶液を用いて行った。 The ferroelectric film according to the present embodiment was performed using the following raw material solution.
オクチル酸ビスマスとオクチル酸ニオブを、モル比において、(オクチル酸ビスマス):(オクチル酸ニオブ)=1:1の割合でn−ブタノール等の溶媒中で、1.5mol%の割合でSi元素とともに混合された溶液を作製した。 Bismuth octylate and niobium octylate in a molar ratio of (bismuth octylate) :( niobium octylate) = 1: 1 in a solvent such as n-butanol together with Si element at a ratio of 1.5 mol% A mixed solution was made.
次に、上記溶液と、コハク酸ジメチルとを混合し、原料溶液を作製した。また、コハク酸ジメチルは、各原料溶液金属元素濃度1mol/lに対して、0.5mol/lの割合で混合した。その後、各原料溶液を密閉し、90℃で30分間保持した後、室温まで冷却してエステル化を十分に促進させた。 Next, the said solution and dimethyl succinate were mixed and the raw material solution was produced. Further, dimethyl succinate was mixed at a ratio of 0.5 mol / l with respect to each raw material solution metal element concentration of 1 mol / l. Thereafter, each raw material solution was sealed and maintained at 90 ° C. for 30 minutes, and then cooled to room temperature to sufficiently promote esterification.
作製した溶液を用いて、図7に示す方法でサンプルを作成した。 A sample was prepared by the method shown in FIG. 7 using the prepared solution.
すなわち、白金からなる下部電極をスパッタ法により形成し、原料溶液をスピン塗布法によって白金基板に塗布し、ホットプレートを用いて150〜180℃(150℃)で乾燥処理を行い、アルコールを除去した。その後、ホットプレートを用いて300〜350℃(300℃)で脱脂熱処理を行った。その後、必要に応じて上記塗布工程、乾燥処理工程および脱脂熱処理を複数回(全3回)行い所望の膜厚の塗布膜を得た。さらに、結晶化アニール(焼成)により、膜厚150nmの強誘電体膜のサンプルを得た。結晶化のための焼成は、酸素雰囲気中でラピッドサーマルアニール(RTA)を用いて、650〜700℃(650℃)で行った。さらに、白金からなる上部電極をスパッタ法により形成して、回復アニールを、RTAを用いて、650〜700℃(650℃)で行うことにより、強誘電体キャパシタのサンプル(以下、これを「キャパシタサンプル」ともいう)を得た。 That is, a lower electrode made of platinum is formed by a sputtering method, a raw material solution is applied to a platinum substrate by a spin coating method, and dried at 150 to 180 ° C. (150 ° C.) using a hot plate to remove alcohol. . Then, degreasing heat treatment was performed at 300 to 350 ° C. (300 ° C.) using a hot plate. Then, the said application | coating process, the drying process, and the degreasing heat processing were performed in multiple times (all 3 times) as needed, and the coating film of the desired film thickness was obtained. Further, a ferroelectric film sample having a film thickness of 150 nm was obtained by crystallization annealing (firing). Firing for crystallization was performed at 650 to 700 ° C. (650 ° C.) using rapid thermal annealing (RTA) in an oxygen atmosphere. Further, an upper electrode made of platinum is formed by a sputtering method, and recovery annealing is performed at 650 to 700 ° C. (650 ° C.) using RTA, whereby a ferroelectric capacitor sample (hereinafter referred to as “capacitor”). Also called “sample”).
このサンプルを用いて以下の特性を調べた。 The following characteristics were investigated using this sample.
(a)サンプルの強誘電体膜について、X線回折によって結晶性を調べた。図8は、サンプルの強誘電体膜の結晶性を示す図である。図8によれば、BiNbO4に由来する(141)および(211)のピークが認められ、ビスマス層状ペロブスカイト構造の結晶が形成されていることが確認された。 (A) The crystallinity of the sample ferroelectric film was examined by X-ray diffraction. FIG. 8 is a diagram showing the crystallinity of a sample ferroelectric film. According to FIG. 8, (141) and (211) peaks derived from BiNbO 4 were observed, and it was confirmed that crystals having a bismuth layered perovskite structure were formed.
(b)図9に、キャパシタサンプルについて求めたヒステリシスを示す。図9から、いずれのキャパシタサンプルも良好なヒステリシス特性を有することが確認された。 (B) FIG. 9 shows the hysteresis obtained for the capacitor sample. From FIG. 9, it was confirmed that all the capacitor samples have good hysteresis characteristics.
10 基板、100 強誘電体キャパシタ、101 強誘電体膜、102 第1電極、103 第2電極、300 強誘電体メモリ装置、301,302,303 ワード線、304,305,306 ビット線、307 強誘電体膜、308 基板、400 強誘電体メモリ装置、401 単結晶シリコン基板、402 MOSトランジスタ、403 ゲート絶縁膜、404 ゲート電極、405 ソース・ドレイン領域、406 素子分離用酸化膜、407 第1の層間絶縁膜、408 第1の配線層、409 第2の層間絶縁膜、410 下部電極、411 強誘電体膜、412 上部電極、413 第3の層間絶縁膜、414 第2の配線層、415 保護膜、420 強誘電体キャパシタ、500 強誘電体メモリ装置、501 下部電極、502 上部電極、503 強誘電体膜、504 キャパシタ、505 データ線、506 ゲート電極、507 トランジスタ素子 10 Substrate, 100 Ferroelectric capacitor, 101 Ferroelectric film, 102 First electrode, 103 Second electrode, 300 Ferroelectric memory device, 301, 302, 303 Word line, 304, 305, 306 Bit line, 307 Strong Dielectric film, 308 substrate, 400 ferroelectric memory device, 401 single crystal silicon substrate, 402 MOS transistor, 403 gate insulating film, 404 gate electrode, 405 source / drain region, 406 oxide film for element isolation, 407 first Interlayer insulating film, 408 first wiring layer, 409 second interlayer insulating film, 410 lower electrode, 411 ferroelectric film, 412 upper electrode, 413 third interlayer insulating film, 414 second wiring layer, 415 protection Film, 420 ferroelectric capacitor, 500 ferroelectric memory device, 501 bottom electrode, 502 on Electrode, 503 ferroelectric film, 504 a capacitor, 505 data lines, 506 a gate electrode, 507 a transistor element
Claims (11)
前記BiNbO4は、Bi層状ペロブスカイト構造を有する、強誘電体膜。 In claim 1,
The BiNbO 4 is a ferroelectric film having a Bi layered perovskite structure.
さらにSi、あるいはSiおよびGeを含む、強誘電体膜。 In claim 1 or 2,
Further, a ferroelectric film containing Si or Si and Ge.
(b)混合した溶液を、基体上に塗布した後、熱処理することにより、BiNbO4からなる強誘電体膜を形成する工程と、を含む、強誘電体膜の製造方法。 (A) a step of mixing a polycarboxylate containing a niobium element, a polycarboxylate containing a bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic solvent;
(B) forming a ferroelectric film made of BiNbO 4 by applying a heat treatment after applying the mixed solution on the substrate, and then manufacturing the ferroelectric film.
(b)前記前駆体組成物を、基体上に塗布した後、熱処理することにより、BiNbO4からなる強誘電体膜を形成する工程と、
を含む、強誘電体膜の製造方法。 (A) A sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing a niobium element, a sol-gel raw material containing a hydrolysis / condensation product of a metal alkoxide containing a bismuth element, a polycarboxylic acid or a polycarboxylic acid ester, and an organic By mixing with a solvent, the polycarboxylic acid derived from the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is subjected to an esterification reaction between the metal alkoxide containing the niobium element and the metal alkoxide containing the bismuth element to produce a ferroelectric. Producing a body precursor composition;
(B) a step of forming a ferroelectric film made of BiNbO 4 by applying the precursor composition onto a substrate and then performing a heat treatment;
A method for manufacturing a ferroelectric film, comprising:
前記有機溶媒は、アルコールである、強誘電体膜の製造方法。 In claim 4 or 5,
The method for producing a ferroelectric film, wherein the organic solvent is alcohol.
前記工程(a)では、さらにSi、あるいはSiおよびGeを含むゾルゲル原料を混合する、強誘電体膜の製造方法。 In any of claims 4 to 6,
In the step (a), a ferroelectric film manufacturing method in which Si or a sol-gel raw material containing Si and Ge is further mixed.
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