JP2009094526A - Solgel solution for forming ferroelectric film, method of manufacturing solgel solution for forming ferroelectric film, ferroelectric film, ferroelectric memory, piezoelectric element, and pyroelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体キャパシタを用いて構成される強誘電体メモリ装置に関するものであり、特に強誘電体キャパシタ及び選択用セルトランジスタを有した、いわゆる1T1C、2T2C型及び、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のどちらにも共通で使用することが出来る強誘電体薄膜、及びその薄膜の製造技術、並びに強誘電体メモリ装置、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a ferroelectric memory device configured by using a ferroelectric capacitor, and in particular, has a so-called 1T1C, 2T2C type and a cell transistor having a ferroelectric capacitor and a selection cell transistor. In addition, a ferroelectric thin film that can be used in common for both simple matrix type in which a memory cell is composed only of a ferroelectric capacitor, a manufacturing technology for the thin film, and a ferroelectric memory device and the manufacturing thereof Regarding the method.
近年、PZT、SBT等の薄膜や、これを用いた強誘電体キャパシタ、強誘電体メモリ装置等の研究開発が盛んに行われている。強誘電体メモリ装置の構造は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)O3(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、かつドーピングされているのは、メモリ素子に最も必要な信頼性を確保するためである。 Up to now, Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) has been mainly used as the ferroelectric material. In the case of the same material, the 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 and doped in order to ensure the reliability most necessary for the memory element.
強誘電体メモリ応用が最も進んでいるPZTはPbZrO3とPbTiO3の固溶体であり、ZrとTiの比率が52/48を境にZrを多く含む場合、スリムなヒステリシス形状を示し、Tiを多く含む場合、角型良好なヒステリシスを示すことが知られている。 PZT, which is the most advanced in ferroelectric memory applications, is a solid solution of PbZrO 3 and PbTiO 3 , and when it contains a large amount of Zr at a Zr / Ti ratio of 52/48, it shows a slim hysteresis shape and a large amount of Ti When included, it is known to exhibit good squareness hysteresis.
もともとデータ書き込み直後の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り、ヒステリシスの形状だけであればメモリ応用にもTiリッチな正方晶領域が適しているのであるが、この正方晶領域のPZTは信頼性が確保出来ないため、強誘電体メモリ素子として商品化されていない。 Originally, the hysteresis shape immediately after data writing is good in the tetragonal region containing Ti rich, and if it is only the shape of the hysteresis, the Ti-rich tetragonal region is suitable for memory applications. Since PZT cannot ensure reliability, it has not been commercialized as a ferroelectric memory device.
多くの信頼性試験の中でも、スタティックインプリントと呼ばれる信頼性試験が最も厳しい。この試験は、1或いは0のデータを書き込んだ強誘電体メモリ、すなわち+或いは−のどちらか一方に分極処理を施した強誘電体薄膜を一定の温度(例えば85℃や150℃)で一定時間(例えば100時間や1000時間)保持した後、書き込んだデータが、書き込んだデータとして読み出すことが出来るかどうかの試験である。 Among many reliability tests, the reliability test called static imprint is the most severe. In this test, a ferroelectric memory in which data of 1 or 0 is written, that is, a ferroelectric thin film in which either + or − is polarized is subjected to a certain temperature (for example, 85 ° C. or 150 ° C.) for a certain time. This is a test of whether the written data can be read as written data after being held (for example, 100 hours or 1000 hours).
既述のようにデータ書き込み直後の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が、Tiをリッチに含む正方晶領域とは、結晶構成元素の内、大部分がPb及びTiとなることを意味している。Pbは蒸気圧が高く、エリンガムの相図でも知られているように100℃程度の低温でもPbO蒸気が発生する。加えて、酸素との結合エネルギーが38.8kcal/molと最も小さく、PZT結晶中にPb欠損を生じやすい。Tiの場合は、酸素との結合エネルギーは73kcal/molとPb−Oの結合エネルギーの約2倍であるものの、原子量が47.88と同じBサイト構成元素のZrの91.224と比較しても約半分とPZT構成元素中最も軽く、スタティックインプリント試験における熱処理時に生じる振動衝突時に最も弾き飛ばされる確率が高く、PZT結晶中にTi欠損を生じやすい。これらの欠陥は、空間電荷分極の原因となり、さらにインプリント特性劣化を生じてしまう。 As described above, the hysteresis shape immediately after data writing is good in the tetragonal region containing Ti richly. However, the tetragonal region containing Ti richly is mainly composed of Pb and Ti among the crystal constituent elements. Is meant to be. Pb has a high vapor pressure, and PbO vapor is generated even at a low temperature of about 100 ° C. as is known from the phase diagram of Ellingham. In addition, the bond energy with oxygen is the lowest at 38.8 kcal / mol, and Pb deficiency is likely to occur in the PZT crystal. In the case of Ti, the bond energy with oxygen is 73 kcal / mol and approximately twice the bond energy of Pb-O, but compared with 91.224 of Zr of the B site constituent element with the same atomic weight as 47.88. Is the lightest among the constituent elements of PZT, about half, and is most likely to be repelled at the time of vibration collision that occurs during heat treatment in the static imprint test, and easily causes Ti deficiency in the PZT crystal. These defects cause space charge polarization and further deteriorate the imprint characteristics.
さらには、電荷中性の原理からO欠損が発生し、いわゆる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、リーク電流特性劣化の原因となり、このことからも信頼性が確保できない。 Furthermore, O deficiency occurs due to the principle of charge neutrality, and so-called Schottky defects due to the ionic crystal structure occur, which causes deterioration of leakage current characteristics. Cannot be secured.
加えて、強誘電体メモリの集積度の上昇や低電圧駆動の必要性から、素子サイズ縮小と共に強誘電体薄膜の薄膜化が進行し、強誘電体材料としてPZTを用いる場合、小容量メモリの際に使用されている、Zrリッチ組成を使い続けることが不可能となり、結果として、Tiリッチ組成PZTを使わなくてはならなくなる。 In addition, due to the increase in the degree of integration of the ferroelectric memory and the need for low voltage driving, the thinning of the ferroelectric thin film has progressed as the element size has decreased, and when PZT is used as the ferroelectric material, It is impossible to continue to use the Zr-rich composition used at the time, and as a result, the Ti-rich composition PZT must be used.
すなわち、薄膜化により比誘電率が増大し、このためヒステリシス形状がよりスリムに変化してしまう。これまでのZrリッチPZTの信頼性、例えばインプリント特性に関しても、実用上問題とはならなかったものの、ヒステリシスは変化しており、これ以上ヒステリシス形状がスリムになることで、インプリント特性劣化が表面化してしまう。したがって、比誘電率を減少させて、ヒステリシス形状を小容量メモリで使用していたヒステリシス形状に近づけるために、Tiリッチ組成のPZTを使わなくてはならなくなるのである。この結果、既述の課題が現れて、いずれにせよ上記TiリッチPZTの抱える課題を解決しなければ、強誘電体メモリの高集積化は不可能となってしまう。 That is, the relative permittivity increases due to the thin film, and the hysteresis shape changes more slimly. Although the reliability of conventional Zr-rich PZT, such as imprint characteristics, has not been a practical problem, the hysteresis has changed, and the hysteresis shape has become slimmer. It becomes surface. Therefore, in order to reduce the relative dielectric constant and bring the hysteresis shape closer to the hysteresis shape used in the small-capacity memory, it is necessary to use PZT having a Ti-rich composition. As a result, the above-described problems appear, and in any case, unless the problems of the Ti-rich PZT are solved, high integration of the ferroelectric memory becomes impossible.
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メモリ装置に関しては、特開平9−116107号公報等に開示されている。同公開公報においては、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メモリ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、既述の1T1C及び2T2C型強誘電体メモリ同様、信頼性の確保が最重要課題となる。 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 JP-A-9-116107. This publication 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 for obtaining a simple matrix ferroelectric memory device that can actually operate. Ti-rich tetragonal PZT is considered as a candidate for the ferroelectric material that can cope with this, but as with the 1T1C and 2T2C ferroelectric memories described above, ensuring reliability is the most important issue.
本発明の目的は、1T1C、2T2C及び単純マトリクス型強誘電体メモリのどちらにも使用可能なヒステリシス特性を持つ強誘電体キャパシタを含む、1T1C、2T2C及び単純マトリクス型強誘電体メモリ装置及びその製造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 1T1C, 2T2C and simple matrix ferroelectric memory device including a ferroelectric capacitor having hysteresis characteristics that can be used for both 1T1C, 2T2C and simple matrix ferroelectric memory, and its manufacture. It is to provide a method.
強誘電体メモリに使用する強誘電体薄膜の場合、強誘電体の分極軸を電解印加方向に揃えて用いるのが一般的である。 In the case of a ferroelectric thin film used for a ferroelectric memory, it is common to use the ferroelectric with its polarization axis aligned with the direction of application of electrolysis.
例えば、PZTの場合、Zr/Ti比が52/48が相境界と呼ばれ稜面体晶と正方晶の混在領域であり、Zrが52を超えると稜面体晶、Ti組成が48を超えると正方晶となる。 For example, in the case of PZT, a Zr / Ti ratio of 52/48 is called a phase boundary, which is a mixed region of rhombohedral crystals and tetragonal crystals, and when Zr exceeds 52, it is tetragonal when the rhombohedral crystals and Ti composition exceed 48. It becomes a crystal.
稜面体晶PZTの場合、分極軸が〈001〉軸に存在し、正方晶PZTの場合、〈111〉軸に存在する。従って、PZT薄膜を強誘電体メモリに用いる場合、資料1(第49回応用物理学関係連合講演会講演予稿集27a−ZA−6)のように、分極軸方向に配向性を揃えて使用するのが一般的である。 In the case of the rhombohedral PZT, the polarization axis exists on the <001> axis, and in the case of the tetragonal PZT, it exists on the <111> axis. Therefore, when a PZT thin film is used for a ferroelectric memory, it is used with the orientation aligned in the direction of the polarization axis as shown in Document 1 (Preliminary Proceedings of the 49th Applied Physics Related Conference Lecture 27a-ZA-6). It is common.
しかしながら、強誘電体には結晶の配向性とは別に強誘電性発現の源である、分極域(ドメイン)が存在する。ドメインには、180°ドメインと90°ドメインが存在する。 However, a ferroelectric region has a polarization region (domain) that is a source of the development of ferroelectricity apart from crystal orientation. The domain includes a 180 ° domain and a 90 ° domain.
分極軸を結晶配向軸とした場合、印加電界に平行な180°ドメインは分極に寄与するが、90°ドメインは分極に全く寄与しない。 When the polarization axis is the crystal orientation axis, the 180 ° domain parallel to the applied electric field contributes to the polarization, but the 90 ° domain does not contribute to the polarization at all.
理想の強誘電体キャパシタが形成されれば、90°ドメインは分極に寄与しないため、存在していても、それほど問題になることはない。ただしPZT薄膜全体の分極への寄与率は、90°ドメインの存在分だけ減少することとなる。
現実の強誘電体キャパシタは、電極の最表面も完全に平坦ではなく、凹凸を伴っており、結晶自身も途中で傾いて成長することがほとんどであり、この場合、90°ドメインは、印加電界に完全に垂直とはならず、若干の角度を有することとなる。この場合、90°ドメインは分極に寄与することになるが、印加電界にほぼ直角方向に分極軸が存在するため、90°ドメインを分極成分として寄与させるには、180°ドメインと比較して、相当大きな電界を必要とする。すなわち、低電圧で使用することが困難となる。
If an ideal ferroelectric capacitor is formed, the 90 ° domain does not contribute to polarization, so even if it exists, it does not cause much problem. However, the contribution ratio to the polarization of the entire PZT thin film is reduced by the presence of the 90 ° domain.
In an actual ferroelectric capacitor, the outermost surface of the electrode is not completely flat and has irregularities, and the crystal itself grows in an inclined manner. In this case, the 90 ° domain has an applied electric field. It will not be completely vertical, but will have a slight angle. In this case, although the 90 ° domain contributes to polarization, since the polarization axis exists in a direction substantially perpendicular to the applied electric field, in order to contribute the 90 ° domain as a polarization component, compared to the 180 ° domain, A considerably large electric field is required. That is, it becomes difficult to use at a low voltage.
しかしながら、PZT結晶を、Zr/Ti組成、結晶系、によらず、良好な角型性を取り出すことが出来れば、どのような形式の強誘電体メモリに対しても、用いることが可能となる。 However, the PZT crystal can be used for any type of ferroelectric memory as long as good squareness can be obtained regardless of the Zr / Ti composition and crystal system. .
本発明は、従来用いられている強誘電体膜形成用ゾルゲル溶液中に、有機酸のエステルを4≦pH<7の範囲で添加し、3次元巨大ネットワークゲルを形成すること、或いは、従来用いられている強誘電体膜形成用ゾルゲル溶液中に、塩基性のアルコールを7≦pH<10添加することで、2次元微小ネットワークゲルを形成することからなる。 In the present invention, an organic acid ester is added in a range of 4 ≦ pH <7 in a conventionally used ferroelectric film forming sol-gel solution to form a three-dimensional giant network gel, or a conventional method. In the sol-gel solution for forming a ferroelectric film, a basic alcohol is added at 7 ≦ pH <10 to form a two-dimensional micro network gel.
このうち、有機酸のエステル添加による3次元巨大ネットワークゲルは強誘電体膜を形成する下地の情報を最大限利用するためのものであり、塩基性のアルコール添加による2次元微小ネットワークゲルは強誘電体膜を形成する下地の情報を全く無視して、結晶自身が安定に存在できる方向へ成長させるためのものである。 Of these, the three-dimensional giant network gel with the addition of an organic acid ester is for maximizing the use of information on the underlying layer on which the ferroelectric film is formed, while the two-dimensional micro-network gel with the addition of basic alcohol is a ferroelectric. This is for growing the crystal itself in a direction where it can exist stably, completely ignoring the information of the base on which the body film is formed.
例えば、信頼性は確保できるものの、そのヒステリシス形状が角型不良かつスリム過ぎる稜面体晶PZTの場合、塩基性のアルコール添加による2次元微小ネットワークゲルとすることで、これまでにない良好な角型性を付加することが可能となる。 For example, in the case of a rhombohedral PZT whose hysteresis shape is poorly square and too slim, although reliability can be ensured, a two-dimensional micro-network gel by adding basic alcohol can be used to achieve an unprecedented good square It becomes possible to add sex.
一方、そのヒステリシス形状の角型性は良好であるものの、抗電界が大きく低電圧で使用することが困難であった正方晶PZTの場合、有機酸エステル添加による3次元巨大ネットワークゲルとすることで、単一配向性を極限まで増大させ、角型性は良好のまま、低電圧駆動を可能とすることが出来る。 On the other hand, in the case of tetragonal PZT, which has a good coercive electric field but is difficult to use at low voltage, the hysteresis shape has a good squareness. The single orientation can be increased to the limit, and the low voltage driving can be performed while the squareness is good.
また、従来、信頼性確保が困難であった正方晶PZTの場合、有機酸エステル添加による3次元巨大ネットワークゲルとすることで、更なる結晶性の改善がなされた結果、不純物や格子欠陥が減少し、信頼性の改善が達成される。 In addition, in the case of tetragonal PZT, where it has been difficult to ensure reliability in the past, the improvement of crystallinity has been achieved by using a three-dimensional giant network gel with the addition of organic acid esters, resulting in a reduction in impurities and lattice defects. And improved reliability is achieved.
本発明は、PZTのみならず、Bi系強誘電体材料、タングステンブロンズ系強誘電体材料に拘わらず、ゾルゲル溶液であれば、応用でき、また、本発明は強誘電体メモリのみならず、同様に圧電素子や焦電素子等、強誘電性を活用した素子全般に有効である。 The present invention can be applied to any sol-gel solution regardless of not only PZT but also Bi-based ferroelectric materials and tungsten bronze-based ferroelectric materials, and the present invention is not limited to ferroelectric memories. In addition, it is effective for all elements utilizing ferroelectricity, such as piezoelectric elements and pyroelectric elements.
1.ゾルゲル溶液に与える酸と塩基の働き
初めにPZTゾルゲル溶液の合成方法について説明する。
金属アルコキシドとカルボン酸金属塩との系、すなわち鉛源として酢酸鉛(CH3CO2)2Pb・3H2O、チタニウム源としてチタニウムテトラプロポキシド(CH3)2CHO4Ti、ジルコニウム源としてジルコニウムテトラ−n−ブトキシドCH3(CH2)3O)4Zr、溶媒として2−メトキシエタノールCH3O(CH2)2OHを用いて説明する。
1. Functions of acids and bases given to the sol-gel solution First, a synthesis method of the PZT sol-gel solution will be described.
System of metal alkoxide and carboxylic acid metal salt, namely lead acetate (CH 3 CO 2 ) 2 Pb · 3H 2 O as lead source, titanium tetrapropoxide (CH 3 ) 2 CHO 4 Ti as titanium source, zirconium as zirconium source Description will be made using tetra-n-butoxide CH 3 (CH 2 ) 3 O) 4 Zr and 2-methoxyethanol CH 3 O (CH 2 ) 2 OH as a solvent.
初めに酢酸鉛の結晶水を取り除くために、酢酸鉛にメトキシエタノールを添加し、加熱還流すると酢酸鉛中の酢酸(アセチル基)とメトキシエタノールとのエステル化反応生成物が副生する。
(CH3CO2)2Pb・3H2O+CH3O(CH2)2OH→CH3CO2PbO(CH2)2OCH3・XH2O (X<0.5)
次にチタニウムテトラプロポキシドにメトキシエタノールを添加すると、アルコール交換反応により、イソプロポキシ基((CH3)2CHO−)の一部或いは全部が2−メトキシエトキシ基(CH3O(CH2)2O−)に置き換わる。
(CH3)2CHO4Ti+nCH3O(CH2)2OH→((CH3)2CHO)4-nTi(O(CH2)2OCH3)n(n=1〜4)
従って、ジルコニウムテトラ−n−ブトキシドにメトキシエタノールを添加すると、同様なアルコール交換反応が生ずる。
(CH3)2CHO4Ti+nCH3O(CH2)2OH→((CH3)2CHO)4-nZr(O(CH2)2OCH3)n(n=1〜4)
これらを混合、加水分解、重縮合することで、次に示すポリマーを生ずる。
First, in order to remove the crystal water of lead acetate, methoxyethanol is added to lead acetate, and when heated to reflux, an esterification reaction product of acetic acid (acetyl group) and methoxyethanol in lead acetate is by-produced.
(CH 3 CO 2 ) 2 Pb · 3H 2 O + CH 3 O (CH 2 ) 2 OH → CH 3 CO 2 PbO (CH 2 ) 2 OCH 3 · XH 2 O (X <0.5)
Next, when methoxyethanol is added to titanium tetrapropoxide, a part or all of the isopropoxy group ((CH 3 ) 2 CHO—) is converted into a 2-methoxyethoxy group (CH 3 O (CH 2 ) 2 O— by an alcohol exchange reaction. ).
(CH 3 ) 2 CHO 4 Ti + nCH 3 O (CH 2 ) 2 OH → ((CH 3 ) 2 CHO) 4-n Ti (O (CH 2 ) 2 OCH 3 ) n (n = 1 to 4)
Therefore, when methoxyethanol is added to zirconium tetra-n-butoxide, a similar alcohol exchange reaction occurs.
(CH 3 ) 2 CHO 4 Ti + nCH 3 O (CH 2 ) 2 OH → ((CH 3 ) 2 CHO) 4-n Zr (O (CH 2 ) 2 OCH 3 ) n (n = 1 to 4)
These are mixed, hydrolyzed, and polycondensed to produce the following polymer.
これまで述べたように、酢酸鉛中の酢酸成分がメトキシエタノールと酢酸鉛エステルを生成し、ZrとTiのアルコール反応生成物と混合、加水分解、重縮合を繰り返し、目的の重縮合物を生成するわけである。これを簡単に纏めたものが下の表である。 As mentioned above, the acetic acid component in lead acetate produces methoxyethanol and lead acetate ester, and it mixes with the alcohol reaction product of Zr and Ti, repeats hydrolysis and polycondensation to produce the desired polycondensate. That is why. The table below summarizes this easily.
有機酸のエステルを添加すると、エステル中の酸成分によりpHが7よりも小さくなり、酸性を示すようになる。この時、溶液全体のルシャトリエの原理より、反応はエステル化増進に移動する。エステル化が進むと水が発生してZr、Tiのアルコール交換反応反応物との間で重縮合が進み、PZT生成用ゲルが3次元方向に巨大ネットワークを形成する。 When an ester of an organic acid is added, the pH becomes lower than 7 due to the acid component in the ester, and it becomes acidic. At this time, the reaction shifts to the esterification enhancement due to Le Chatelier's principle of the whole solution. As the esterification proceeds, water is generated and polycondensation proceeds with the alcohol exchange reaction product of Zr and Ti, and the PZT generating gel forms a huge network in the three-dimensional direction.
この時、pHが4よりも小さくなると、下地電極金属等の腐食が進行してしまうため、使用することが出来ない。 At this time, if the pH is lower than 4, the corrosion of the base electrode metal or the like proceeds, so that it cannot be used.
塩基性のアルコールを添加すると、溶液全体がpH7よりも大きくなり、塩基性を示すようになる。この時、酢酸鉛のエステルは、元の酢酸鉛に戻る方向に平衡が移動する。その時、酢酸鉛は結晶水として系の水を奪い、全体のPZT生成用ゲルが巨大ネットワークを作り難い方向に系全体が移動するため、小さな2次元的ネットワークを形成する。 When basic alcohol is added, the whole solution becomes higher than pH 7 and becomes basic. At this time, the equilibrium of the lead acetate ester moves in the direction of returning to the original lead acetate. At that time, lead acetate takes the water of the system as crystal water, and the entire PZT generating gel moves in a direction in which it is difficult to form a huge network, thus forming a small two-dimensional network.
この時、pHが10よりも大きくなると、ネットワークが完全にバラバラになり、各元素と元素が結びついておらず、PZT初期核の形成そのものが困難となり、結晶化温度が上昇し過ぎるため、半導体用途には使用することが出来ない。 At this time, if the pH is higher than 10, the network is completely disjointed, the elements are not connected to each other, the formation of PZT initial nuclei itself becomes difficult, and the crystallization temperature rises too much. Cannot be used.
巨大3次元ネットワークの場合、どこかにPZT初期核が発生すると、系全体が繋がった状態のため、全体が低いエネルギーで同一方向に結晶が配向し易いのではないかと考えられる。この時、下地に(111)配向したPt電極を用いていれば、この方向に揃ったPZT初期核がネットワーク全体の向きを決め、(111)配向したPZT膜を得ることが出来る。 In the case of a huge three-dimensional network, if PZT initial nuclei are generated somewhere, the whole system is connected, so it is considered that the whole may be easily oriented in the same direction with low energy. At this time, if a (111) -oriented Pt electrode is used as the base, the PZT initial nuclei aligned in this direction determine the orientation of the entire network, and a (111) -oriented PZT film can be obtained.
短い2次元ネットワークの場合、ネットワークそのものが独自で結晶化する必要があり、ある同一エネルギー環境下でPZTの結晶化を行う場合、巨大3次元ネットワークの場合と比較して、結晶化のためには、より高いエネルギーが必要であろうことは容易に推察できる。 In the case of a short two-dimensional network, the network itself needs to be crystallized independently. When crystallization of PZT is performed under a certain energy environment, compared with the case of a huge three-dimensional network, It can be easily guessed that higher energy will be required.
更に、PZTのペロブスカイト結晶の各面における安定性について考えてみる。
100)、(010)、(001)とa,b,cの各結晶軸に沿った結晶面の場合、どの原子位置で面内を見渡しても、金属陽イオンと酸素陰イオンとが同じ数だけ隣同士に並んでいて、面内で中性が保たれており、エネルギー的に安定である。一方(111)配向面の場合、切断する原子面によっては、酸素が多く、電気的に中性を保てず、不安定である。
Further, consider the stability of each face of the PZT perovskite crystal.
100), (010), (001) and crystal planes along the crystal axes a, b, and c, the same number of metal cations and oxygen anions no matter which atomic position is viewed in the plane. They are lined up next to each other, are neutral in the plane, and are energetically stable. On the other hand, the (111) orientation plane is unstable because it contains a large amount of oxygen depending on the atomic plane to be cut and cannot be electrically neutral.
したがって、短い2次元ネットワークの場合、ネットワークそのものが独自で結晶化する必要があるため、安定な面が電極面に平行に成長することが、不可欠となるであろうことが推察できる。したがって、短い2次元ネットワークの場合、(001)面に配向したPZT結晶が出来やすいのだと考えられる。しかしながら、十分に高い温度で結晶化させる場合、すなわち、大きな熱エネルギーを与えるとPtの(111)面を引きずって(111)配向PZTとなるが、半導体プロセスの一部としてPZTキャパシタを作りこむ場合、余り結晶化温度を高く出来ないため、特に700℃以下の温度でPZTキャパシタを作りこむ場合に、本発明は非常に有効である。 Therefore, in the case of a short two-dimensional network, since the network itself needs to be crystallized independently, it can be inferred that it will be essential that a stable surface grows parallel to the electrode surface. Therefore, in the case of a short two-dimensional network, it is considered that a PZT crystal oriented in the (001) plane is likely to be formed. However, when crystallizing at a sufficiently high temperature, that is, when large thermal energy is applied, the (111) plane of Pt is dragged to become (111) oriented PZT, but a PZT capacitor is formed as part of the semiconductor process. Since the crystallization temperature cannot be increased too much, the present invention is very effective particularly when a PZT capacitor is formed at a temperature of 700 ° C. or lower.
このことを、証明しているのが、Pt(111)上のSBT薄膜は、ランダム配向であり、c軸配向成分(001)を多分に含んでいる。また結晶化温度を下げていくと、さらに(001)が含まれやすいことが知られている。SBTは結晶化温度が800℃程度と高く、結晶化温度を下げていくと、減少した熱エネルギー分だけ、安定面方向の結晶が成長しやすくなることを示している。 This is proved by the fact that the SBT thin film on Pt (111) is randomly oriented and contains a c-axis orientation component (001). It is also known that (001) is more likely to be included as the crystallization temperature is lowered. SBT shows that the crystallization temperature is as high as about 800 ° C., and as the crystallization temperature is lowered, the crystal in the stable plane direction is easily grown by the reduced thermal energy.
巨大3次元ネットワークの形成を促進する、酸としてはあらゆる酸中でもカルボン酸が本発明には用いられるが、あまり強酸であると、ネットワークが巨大になりすぎて、薄膜用としては不適あることと同時に、下部の電極等を腐食してしまうためpHが5以上で7を超えないことが好ましい。加えて、結晶化させた後に発生するガス等を考えると環境側面からは、有機酸が好ましく、中でも有機酸のカルボン酸類、有機酸のエステルが特に好ましい。 Carboxylic acid is used in the present invention among all acids to promote the formation of a huge three-dimensional network. However, if it is too strong, the network becomes too large and unsuitable for thin films. In order to corrode the lower electrode and the like, it is preferable that the pH is 5 or more and does not exceed 7. In addition, in view of the gas generated after crystallization, organic acids are preferable from the environmental aspect, and carboxylic acids of organic acids and esters of organic acids are particularly preferable.
巨大3次元ネットワーク形成に用いる有機酸及び有機酸エステルとしては、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、ピクリン酸、クエン酸メチル、これらのメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類とのエステルがある。 Examples of organic acids and organic acid esters used for forming a giant three-dimensional network include citric acid, malic acid, succinic acid, picric acid, methyl citrate, and esters thereof with alcohols such as methanol, ethanol, and propanol.
微小2次元ネットワーク形成に用いる塩基性アルコールとしては、2アミノエタノール、2ジメチルアミノエタノール、2ジエチルアミノエタノール、4アミノ1ブタノール等がある。 Examples of the basic alcohol used for forming a minute two-dimensional network include 2-aminoethanol, 2-dimethylaminoethanol, 2-diethylaminoethanol, and 4-amino-1-butanol.
また、上記、強誘電体薄膜形成用ゾルゲル溶液を塗布する基板として、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、GaAs、ZnSe等の化合物半導体等の半導体基板、Pt等の金属基板、サファイア基板、MgO基板、SrTiO3、BaTiO3、ガラス基板等の絶縁性基板等が挙げられる。なかでもシリコン基板が好ましく、更に、シリコン単結晶基板が好ましい。 In addition, as a substrate on which the sol-gel solution for forming a ferroelectric thin film is applied, a semiconductor substrate such as an elemental semiconductor such as silicon or germanium, a compound semiconductor such as GaAs or ZnSe, a metal substrate such as Pt, a sapphire substrate, an MgO substrate, Examples include SrTiO 3 , BaTiO 3 , and insulating substrates such as glass substrates. Of these, a silicon substrate is preferable, and a silicon single crystal substrate is more preferable.
また基板上には、電極が形成されてなるものも当然ながら含まれている。電極は、導電性の材料であれば特に限定されるものではなく、Pt、Ir、Au、Al、Ru等の金属、IrO2、RuO2等の酸化物導電体、TiN、TaN等の窒化物導電体等により形成することが出来る。電極の膜厚は、例えば100〜200nm程度が挙げられる。 Of course, a substrate on which an electrode is formed is also included. The electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material. Metal such as Pt, Ir, Au, Al and Ru, oxide conductor such as IrO 2 and RuO 2 , and nitride such as TiN and TaN It can be formed of a conductor or the like. As for the film thickness of an electrode, about 100-200 nm is mentioned, for example.
電極と基板との間には、絶縁層及び接着層等の中間層を形成しても良い。絶縁層は例えば、SiO2、Si3N4等により形成することが出来る。また、接着層としては、基板と電極又は絶縁層と電極との接着強度を確保することが出来るものであれば、その材料は特に限定されるものではなく、例えば、タンタル、チタン等の高融点金属が挙げられる。これらの中間層は、熱酸化法、CVD法、スパッタ法、真空蒸着法、MOCVD法等、種々の方法で形成することが出来る。 An intermediate layer such as an insulating layer and an adhesive layer may be formed between the electrode and the substrate. The insulating layer can be formed of, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 or the like. In addition, the material of the adhesive layer is not particularly limited as long as the adhesive strength between the substrate and the electrode or the insulating layer and the electrode can be secured. For example, a high melting point such as tantalum or titanium. A metal is mentioned. These intermediate layers can be formed by various methods such as thermal oxidation, CVD, sputtering, vacuum deposition, and MOCVD.
2.PZT系強誘電体薄膜の製造方法
上記、酢酸鉛エステルとTiテトラプロポキシド及びZrテトラ−n−ブトキシドのn−ブタノールとのアルコール交換反応物の重縮合体を10重量%含むn−ブタノール溶液を標準PZT形成用ゾルゲル溶液とした。
2. Method for Producing PZT Ferroelectric Thin Film An n-butanol solution containing 10% by weight of a polycondensate of an alcohol exchange reaction product of lead acetate, Ti tetrapropoxide and Zr tetra-n-butoxide with n-butanol. A sol-gel solution for forming standard PZT was used.
上記、標準PZT形成用ゾルゲル溶液において、酢酸鉛1molに対して、Tiテトラプロポキシドを0.8mol、Zrテトラ−n−ブトキシドを0.2molの割合で合成したものを、第1標準PZT形成用ゾルゲル溶液とし、酢酸鉛1molに対して、Tiテトラプロポキシドを0.2mol、Zrテトラ−n−ブトキシドを0.8molの割合で合成したものを、第2標準PZT形成用ゾルゲル溶液とした。
すなわち、第1標準PZT形成用ゾルゲル溶液を用いた場合、正方晶のPbZr0.2Ti0.8O3の形成を目的とし、第2標準PZT形成用ゾルゲル溶液を用いた場合、稜面体晶のPbZr0.8Ti0.2O3の形成を目的とした溶液であることが分かる。
In the above-mentioned standard PZT forming sol-gel solution, a composition prepared by synthesizing 0.8 mol of Ti tetrapropoxide and 0.2 mol of Zr tetra-n-butoxide with respect to 1 mol of lead acetate is used for forming the first standard PZT. A sol-gel solution was prepared by synthesizing 0.2 mol of Ti tetrapropoxide and 0.8 mol of Zr tetra-n-butoxide with respect to 1 mol of lead acetate as a second standard PZT forming sol-gel solution.
That is, when the first standard PZT forming sol-gel solution is used, the purpose is to form tetragonal PbZr 0.2 Ti 0.8 O 3 , and when the second standard PZT forming sol-gel solution is used, the rhombohedral PbZr 0.8 Ti It can be seen that the solution is intended to form 0.2 O 3 .
上記、第1標準PZT形成用ゾルゲル溶液に1000mlに、コハク酸エチルを100mlを混合攪拌した溶液を第1溶液とした。 A solution obtained by mixing and stirring 1000 ml of the first standard PZT forming sol-gel solution and 100 ml of ethyl succinate was used as the first solution.
更に、上記、第2標準PZT形成用ゾルゲル溶液に1000mlに、2ジエチルアミノエタノールを100mlを混合攪拌した溶液を第2溶液とした。 Further, a solution obtained by mixing and stirring 1000 ml of the second standard PZT forming sol-gel solution and 100 ml of 2 diethylaminoethanol was used as the second solution.
次に、第1及び第2溶液を用いて、Pt(111)下部電極被覆Siウェハ上に下記の同一条件を用いてスピンコート塗布を行った。 Next, spin coating was performed on the Pt (111) lower electrode-covered Si wafer using the first and second solutions under the same conditions described below.
[強誘電体薄膜形成条件] [Ferroelectric thin film formation conditions]
この結果、膜厚が約200nmのPZT薄膜が得られた。この時のXRDパターンを図1に示した。 As a result, a PZT thin film having a thickness of about 200 nm was obtained. The XRD pattern at this time is shown in FIG.
図1に示したように、第1溶液では、ほぼ完全な(111)配向PZT薄膜が得られ、第2溶液では、ほぼ完全な(001)配向PZT薄膜が得られた。 As shown in FIG. 1, an almost complete (111) -oriented PZT thin film was obtained with the first solution, and an almost complete (001) -oriented PZT thin film was obtained with the second solution.
この時の、強誘電性ヒステリシス特性は、図2のようであり、どちらも良好な角型性を有するヒステリシス特性を示した。 The ferroelectric hysteresis characteristics at this time are as shown in FIG. 2, and both showed hysteresis characteristics having good squareness.
このことは、正方晶構造PZTの場合、分極軸が(001)にあるため、低電圧で反転させる或いは全ての分極成分を有効活用するには、(111)配向面のみが適しており、稜面体構造PZTの場合は、(001)配向面が適していることを反映したものである。 This is because, in the case of the tetragonal structure PZT, since the polarization axis is at (001), only the (111) orientation plane is suitable for inversion at a low voltage or effective use of all polarization components. In the case of the plane structure PZT, the (001) orientation plane is reflected.
ところが、従来、Pt(111)上における、PZT結晶は少なからず、Pt(111)の格子情報を受け継いでしまい、PZTも(111)配向成分を含んでしまい、図2に示した良好な角型性を引き出すことは非常に困難であった。 However, the PZT crystal on Pt (111) is not a little on the conventional, but inherits the lattice information of Pt (111), and PZT also contains the (111) orientation component, and the good square shape shown in FIG. It was very difficult to bring out sex.
このことを証明するために、2ジエチルアミノエタノールを含まない第2標準PZT形成用ゾルゲル溶液だけを、Pt(111)下部電極被覆Siウェハ上に上記成膜条件を用いてスピンコート塗布を行い、XRD回折評価を行ったところ(111)と(001)方向のXRDピークを有する、ランダム配向膜であった。この時、図3のようなヒステリシス特性が得られ、図2に示すような、良好な角型性を有するヒステリシス特性は得られなかった。 In order to prove this, only the sol-gel solution for forming the second standard PZT that does not contain 2 diethylaminoethanol is spin-coated on the Pt (111) lower electrode-coated Si wafer using the above film formation conditions, and XRD is applied. As a result of diffraction evaluation, it was a random alignment film having XRD peaks in the (111) and (001) directions. At this time, a hysteresis characteristic as shown in FIG. 3 was obtained, and a hysteresis characteristic having a good squareness as shown in FIG. 2 was not obtained.
このように、本発明を用いることで、稜面体構造PZTにおいて、これまで困難であった(001)配向膜を容易に形成でき、良好な角型性を有したPZT薄膜を作成することが出来る。 As described above, by using the present invention, it is possible to easily form a (001) alignment film, which has been difficult until now, in the ridged surface structure PZT, and to create a PZT thin film having good squareness. .
3.強誘電体メモリの製造方法への適用例
図4は、本実施例に係る強誘電体メモリの製造工程の一例を模式的に示す断面図である。
3. Application Example to Ferroelectric Memory Manufacturing Method FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing an example of a manufacturing process of a ferroelectric memory according to this embodiment.
本実施例では、まず図4(A)に示すように、基体50の上に強誘電体キャパシタ80の下部電極となるPt金属薄膜60が形成されたものに対して上述した強誘電体薄膜の形成方法を用いて、PbPt3合金膜61、および本発明によるPZT結晶層72の上に、強誘電体キャパシタ80の上部電極となるPt金属薄膜62を形成する。なお、基体50は、例えば、図4に示すように、半導体基板51の上にセル選択用のトランジスタ56を形成したものを用いることが出来る。このトランジスタ56は、ソース/ドレイン53、ゲート酸化膜54、ゲート電極55を有することが出来る。また、トランジスタ56の一方のソース/ドレイン53の上には、例えば、タングステンなどからなるプラグ電極57を形成しておき、強誘電体キャパシタ80の下部電極となるPt金属薄膜60と接続可能に形成したスタック構造を採用することが出来る。また、基体50内においては、トランジスタ56はセル間で素子分離領域52によりセルごとに分離されており、トランジスタ56の上部には、例えば、酸化膜などからなる第1層間絶縁膜58を有することが出来る。
In this embodiment, first, as shown in FIG. 4A, the above-described ferroelectric thin film is formed on the
次に、本実施例では、図4(B)に示すように、強誘電体キャパシタ80を所望の大きさ及び形状にパターニングする。そして、最終的には、図4(C)に示すように、強誘電体キャパシタ80を被覆するように水素バリヤ膜91を形成し、その後、第2層間絶縁膜92を形成すると共に、この第2層間絶縁膜92に形成されたスルーホールを通じて強誘電体キャパシタ80およびトランジスタ56を外部と接続するための金属配線層93,94を形成することにより強誘電体メモリを得る。本実施例の製造工程によれば、良好な結晶品質のPZT系強誘電体薄膜が形成されるので、特性に優れた強誘電体メモリを実現することが出来る。
Next, in this embodiment, as shown in FIG. 4B, the
尚、本実施例では、いわゆる1T1C型の強誘電体メモリの製造工程について説明したが、本実施の形態の強誘電体薄膜の形成方法は、この他に、いわゆる2T2C型、1T型や単純マトリクス型(クロスポイント型)などの各種のセル方式を用いた強誘電体メモリの製造工程にも適用することが可能である。 In the present embodiment, the manufacturing process of the so-called 1T1C type ferroelectric memory has been described. However, the ferroelectric thin film forming method of the present embodiment can also be applied to the so-called 2T2C type, 1T type and simple matrix. The present invention can also be applied to a manufacturing process of a ferroelectric memory using various types of cells such as a mold (cross point type).
50…基体、60…金属薄膜、61…合金膜、71…強誘電体薄膜。 50 ... Base, 60 ... Metal thin film, 61 ... Alloy film, 71 ... Ferroelectric thin film.
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