JP2013110177A - 積層構造体、強誘電体ゲート薄膜トランジスター及び強誘電体薄膜キャパシター - Google Patents
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Abstract
【解決手段】強誘電体ゲート薄膜トランジスター20は、チャネル層28と、チャネル層28の導通状態を制御するゲート電極層22と、チャネル層28とゲート電極層22との間に配置された強誘電体層からなるゲート絶縁層25とを備え、ゲート絶縁層(強誘電体層)25は、PZT層23と、BLT層24(Pb拡散防止層)とが積層された構造を有し、チャネル層28(酸化物導電体層)は、ゲート絶縁層(強誘電体層)25におけるBLT層(Pb拡散防止層)24側の面に配置されている。
【選択図】図1
Description
従来の強誘電体ゲート薄膜トランジスター900は、図18に示すように、ソース電極950及びドレイン電極960と、ソース電極950とドレイン電極960との間に位置するチャネル層940と、チャネル層940の導通状態を制御するゲート電極920と、ゲート電極920とチャネル層940との間に形成され、強誘電体材料からなるゲート絶縁層930とを備える。なお、図18において、符号910は絶縁性基板を示す。
次に、図19(b)に示すように、ゲート電極920の上方から、ゾルゲル法により、BLT(Bi3.25La0.75Ti3O12)又はPZT(Pb(Zr0.4Ti0.6)O3)からなるゲート絶縁層930(200nm)を形成する。
次に、図19(c)に示すように、ゲート絶縁層930上に、RFスパッタ法により、ITOからなるチャネル層940(5nm〜15nm)を形成する。
次に、図19(d)に示すように、チャネル層940上に、電子ビーム蒸着法により、Ti(30nm)及びPt(30nm)を真空蒸着してソース電極950及びドレイン電極960を形成する。
次に、RIE法及びウェットエッチング法(HF:HCl混合液)により、素子領域を他の素子領域から分離する。
これにより、図19(e)及び図19(f)に示すような、強誘電体ゲート薄膜トランジスター900を製造することができる。
従来の強誘電体ゲート薄膜トランジスター900においては、図20に示すように、ゲート電圧が3V(VG=3V)のときのオン電流として約10−4A、オン/オフ比として1×104、電界効果移動度μFEとして10cm2/Vs、メモリウインドウとして約2Vの値が得られている。
図1は、実施形態1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20を説明するために示す図である。
実施形態1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20は、図1に示すように、チャネル層28と、チャネル層28の導通状態を制御するゲート電極層22と、チャネル層28とゲート電極層22との間に配置された強誘電体層からなるゲート絶縁層25とを備える強誘電体ゲート薄膜トランジスターである。ゲート絶縁層(強誘電体層)25は、PZT層23と、BLT層からなるPb拡散防止層24とが積層された構造を有する。チャネル層28は、酸化物導電体層としてのITO層からなる。チャネル層(酸化物導電体層)28は、ゲート絶縁層(強誘電体層)25におけるPb拡散防止層24側の面に配置されている。なお、図1中、符号21は表面にSiO2層が形成されたSi基板からなる絶縁性基材を示し、符号26はソース電極を示し、符号27はドレイン電極を示す。符号10は、本発明の積層構造体を示す
図2は、実施形態1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20を製造するための方法を説明するために示す図である。図2(a)〜図2(e)は各工程図である。
表面にSiO2層が形成されたSi基板からなる絶縁性基板21上に「Ti(10nm)及びPt(40nm)の積層膜」からなるゲート電極層22が形成された基材を準備する(図2(a)参照。田中貴金属製)。基材の平面サイズは、20mm×20mmである。
(2−1)PZT層形成工程
熱処理することによりPZT層となるPZTゾルゲル溶液を準備する(三菱マテリアル株式会社製/8重量%の金属アルコキシドタイプ/Pb:Zr:Ti=1.2:0.4:0.6)を準備する。
熱処理することによりBLT層となるBLTゾルゲル溶液を準備する(三菱マテリアル株式会社製/5重量%の金属アルコキシドタイプ/Bi:La:Ti=3.40:0.75:3.0)を準備する。
BLT層(Pb拡散防止層)24における表面所定部位に、スパッタリング法及びフォトリソグラフィ法を用いて、Ptからなるソース電極層26及びドレイン電極層27を形成する(図2(d)参照。)。
まず、熱処理することによりITO層となる金属カルボン酸塩を含有するITO溶液(株式会社高純度化学研究所製の機能性液体材料(商品名:ITO−05C)、原液:希釈液=1:1.5)を準備する。なお、当該ITO溶液には、完成時にチャネル層28のキャリア濃度が1×1015cm−3〜1×1021cm−3の範囲内になるような濃度の不純物が添加されている。
図3は、実施形態2に係る強誘電体薄膜キャパシター30を説明するために示す図である。
実施形態2に係る強誘電体薄膜キャパシター30は、図3に示すように、第1電極層32と、第2電極層36と、第1電極層32と第2電極層36との間に配置された強誘電体層からなる誘電体層35とを備える。誘電体層(強誘電体層)35は、PZT層33とBLT層からなるPb拡散防止層34とが積層された構造を有する。第2電極層36は、酸化物導電体層としてのITO層からなる。第2電極層(酸化物導電体層)36は、誘電体層(強誘電体層)35におけるBLT層(Pb拡散防止層)34側の面に配置されている。なお、図3中、符号31は表面にSiO2層が形成されたSi基板からなる絶縁性基材を示す。また、符号10は、本発明の積層構造体を示す。
図4は、実施形態2に係る強誘電体薄膜キャパシター30を製造するための方法を説明するために示す図である。図4(a)〜図4(d)は各工程図である。
表面にSiO2層が形成されたSi基板からなる絶縁性基板31上に「Ti(10nm)及びPt(40nm)の積層膜」からなる第1電極層32が形成された基材を準備する(図4(a)参照。田中貴金属製)。基材の平面サイズは、20mm×20mmである。
(2−1)PZT層形成工程
熱処理することによりPZT層となるPZTゾルゲル溶液を準備する(三菱マテリアル株式会社製/8重量%の金属アルコキシドタイプ/Pb:Zr:Ti=1.2:0.4:0.6)を準備する。
熱処理することによりBLT層となるBLTゾルゲル溶液を準備する(三菱マテリアル株式会社製/5重量%の金属アルコキシドタイプ/Bi:La:Ti=3.40:0.75:3.0)を準備する。
まず、熱処理することによりITO層となる金属カルボン酸塩を含有するITO溶液(株式会社高純度化学研究所製の機能性液体材料(商品名:ITO−05C)、原液:希釈液=1:1.5)を準備する。なお、当該ITO溶液には、完成時にチャネル層28のキャリア濃度が1×1015cm−3〜1×1021cm−3の範囲内になるような濃度の不純物が添加されている。
1.実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100
図5は、実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100を説明するために示す図である。図5(a)は強誘電体ゲート薄膜トランジスター100の平面図であり、図5(b)は図5(a)のA1−A1断面図であり、図5(c)は図5(a)のA2−A2断面図である。
実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100は、以下に示す強誘電体ゲート薄膜トランジスターの製造方法により製造することができる。以下、工程順に説明する。
まず、熱処理することによりLNO(酸化ニッケルランタン)層となる液体材料を準備する。具体的には、金属無機塩(硝酸ランタン(六水和物)及び酢酸ニッケル(四水和物))を含有するLNO溶液(溶媒:2ーメトキシエタノール)を準備する。
(2−1)PZT層形成工程
まず、熱処理することによりPZTとなるPZTゾルゲル溶液(三菱マテリアル株式会社製、PZTゾルゲル溶液)を準備する。
まず、熱処理することによりBLT層となるBLTゾルゲル溶液(高純度化学株式会社製、BLTゾルゲル溶液)を準備する。
まず、熱処理することによりITO層となる金属カルボン酸塩を含有するITO溶液(株式会社高純度化学研究所製(商品名:ITO−05C)、原液:希釈液=1:1.5)を準備する。なお、当該機能性液体材料には、完成時にチャネル領域142のキャリア濃度が1×1015cm−3〜1×1021cm−3の範囲内になるような濃度の不純物が添加されている。
実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100によれば、チャネル領域142を構成する材料として酸化物導電性材料を用いているためキャリア濃度を高くすることができ、また、ゲート絶縁層130を構成する材料として強誘電体材料を用いているため低い駆動電圧で高速にスイッチングすることができ、その結果、従来の強誘電体ゲート薄膜トランジスター900の場合と同様に、大きな電流を低い駆動電圧で高速に制御することが可能となる。また、ゲート絶縁層130を構成する材料として強誘電体材料を用いていることから、良好なヒステリシス特性を有するようになり、従来の強誘電体ゲート薄膜トランジスター900の場合と同様に、メモリ素子や蓄電素子として好適に使用することが可能となる。
実施形態4に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター102(図示せず)は、基本的には実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100と同様の構成を有するが、Pb拡散防止層としてBLT層ではなくLaTaOx層を備える点で実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100の場合と異なる。また、実施形態4に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター102は、BLT層形成工程に代えて以下のLaTaOx層形成工程を実施する以外は、実施形態3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター100を製造する方法の場合と同様の方法を実施することにより、実施形態4に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター102を製造する。従って、以下、実施形態4に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター102を製造する方法のうち、LaTaOx層形成工程のみを説明する。
まず、熱処理することによりLaTaOx層となる液体材料を準備する。具体的には、酢酸ランタン及びTaブトキシドを含有するLaTaOx溶液(溶媒:プロピオン酸)を準備する。
実施例1は、PZT層とITO層との間にBLT層を介在させた場合に、PZT層からITO層にPb原子が拡散することが防止されることを示す実施例である。
実施形態1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20をそのまま試験例1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスターとした(図1及び図10(a)参照。)。但し、PZT層23の厚さを160nmとし、BLT層の厚さを20nmとした。また、実施形態1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20からBLT層を除去した構造の強誘電体ゲート薄膜トランジスターを試験例2に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター90とした(図10(b)参照。)。但し、PZT層93の厚さを160nmとした。
試験例1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20及び試験例2に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター90から測定用薄片を作製し、日本電子株式会社製の透過型電子顕微鏡「JSM−2100F」を用いてTEM写真を取得した。また、日本電子株式会社製のエネルギー分散型X線分析装置「JED-2300T」を用いてEDXスペクトル(エネルギー分散型X線分光スペクトル)を取得した。
まず、PZT層23及びBLT層(Pb拡散防止層)24における端部をウェットエッチングにより除去し、ゲート電極層22を露出させ、その部分にゲート電極層用のプローブを押し当てた。その後、ソース電極層26にソース用プローブを接触させ、ドレイン電極層27にドレイン用プローブを接触させることにより、強誘電体ゲート薄膜トランジスター20における伝達特性(ドレイン電流IDとゲート電圧VGとの間のID−VG特性)を半導体パラメータアナライザー(アジレント製)を用いて測定した。なお、伝達特性(ID−VG特性)を測定するに当たっては、ドレイン電圧VDを1.5Vに固定した状態でゲート電圧VGを−7V〜+7Vの範囲で走査することにより行った。なお、強誘電体ゲート薄膜トランジスター90においても同様の評価を行った。
実施例2は、PZT層とBLT層の厚さをそれぞれ変化させた場合における各強誘電体ゲート薄膜トランジスターの伝達特性を示す実施例である。
実施形態1に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20をそのまま実施例2における各強誘電体ゲート薄膜トランジスター(試験例3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20a〜試験例8に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20f)とした。
実施例1の場合と同様の方法により、各強誘電体ゲート薄膜トランジスター20a〜20fの伝達特性を測定した。
その結果、試験例3に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20a及び試験例4に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20bにおいては、10回の電圧走査で伝達特性(メモリウインドウの幅)が大きく劣化した。一方、試験例5に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20c〜試験例7に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20eにおいては、10回の電圧走査では伝達特性(メモリウインドウの幅)が劣化しなかった。なお、試験例8に係る強誘電体ゲート薄膜トランジスター20fにおいては、メモリウインドウの幅は狭くならなかったが、オフ電流が大きくなる傾向が見られた。
Claims (21)
- PZT層と、BLT層又はLaTaOx層、LaZrOx層若しくはSrTaOx層からなるPb拡散防止層とが積層された構造を有する強誘電体層と、
前記強誘電体層における前記Pb拡散防止層側の面に配置された酸化物導電体層とを備える積層構造体。 - 前記酸化物導電体層は、ITO層、In−O層又はIGZO層からなる請求項1に記載の積層構造体。
- 前記Pb拡散防止層の厚さは、10nm〜30nmの範囲内にある請求項1又は2に記載の積層構造体。
- 前記PZT層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項1〜3のいずれかに記載の積層構造体。
- 前記酸化物導電体層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項1〜4のいずれかに記載の積層構造体。
- 前記Pb拡散防止層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項1〜5のいずれかに記載の積層構造体。
- チャネル層と、
前記チャネル層の導通状態を制御するゲート電極層と、
前記チャネル層と前記ゲート電極層との間に配置された強誘電体層からなるゲート絶縁層とを備える強誘電体ゲート薄膜トランジスターであって、
前記強誘電体層は、PZT層と、BLT層又はLaTaOx層、LaZrOx層若しくはSrTaOx層からなるPb拡散防止層とが積層された構造を有し、
前記チャネル層及び前記ゲート電極層のうち少なくとも一方は、酸化物導電体層からなり、
前記酸化物導電体層は、前記強誘電体層における前記Pb拡散防止層側の面に配置されている強誘電体ゲート薄膜トランジスター。 - 前記酸化物導電体層は、ITO層、In−O層又はIGZO層からなる請求項7に記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 前記Pb拡散防止層の厚さは、10nm〜30nmの範囲内にある請求項7又は8に記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 前記PZT層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項7〜9のいずれかに記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 前記酸化物導電体層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項7〜10のいずれかに記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 前記Pb拡散防止層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項7〜11のいずれかに記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 前記チャネル層は、前記酸化物導電体層からなる請求項7〜12のいずれかに記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 前記ゲート電極層は、前記酸化物導電体層からなる請求項7〜12のいずれかに記載の強誘電体ゲート薄膜トランジスター。
- 第1電極層と、
第2電極層と、
前記第1電極層と前記第2電極層との間に配置された強誘電体層からなる誘電体層とを備える強誘電体薄膜キャパシターであって、
前記強誘電体層は、PZT層と、BLT層又はLaTaOx層、LaZrOx層若しくはSrTaOx層からなるPb拡散防止層とが積層された構造を有し、
前記第1電極層及び前記第2電極層のうち少なくとも一方は、酸化物導電体層からなり、
前記酸化物導電体層は、前記強誘電体層における前記Pb拡散防止層側の面に配置されている強誘電体薄膜キャパシター。 - 前記酸化物導電体層は、ITO層、In−O層又はIGZO層からなる請求項15に記載の強誘電体薄膜キャパシター。
- 前記Pb拡散防止層の厚さは、10nm〜30nmの範囲内にある請求項15又は16に記載の強誘電体薄膜キャパシター。
- 前記PZT層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項15〜17のいずれかに記載の強誘電体薄膜キャパシター。
- 前記酸化物導電体層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項15〜18のいずれかに記載の強誘電体薄膜キャパシター。
- 前記Pb拡散防止層は、液体プロセスを用いて製造されたものである請求項15〜190のいずれかに記載の強誘電体薄膜キャパシター。
- 前記第1電極層及び前記第2電極層はともに、前記酸化物導電体層からなり、
前記強誘電体層は、前記第1電極層側に接して配置された第1Pb拡散防止層と、PZT層と、前記第2電極層に接して配置された第2Pb拡散防止層とが積層された構造を有する請求項15〜20のいずれかに記載の強誘電体薄膜キャパシター。
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