JP3095574B2 - 強誘電性素子、およびその作製方法 - Google Patents
強誘電性素子、およびその作製方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体材料からなる
不揮発性ダイナミックランダムアクセスメモリアプリケ
ーションのための多層電極を備えた強誘電性素子及びそ
の作製方法にに関する。
不揮発性ダイナミックランダムアクセスメモリアプリケ
ーションのための多層電極を備えた強誘電性素子及びそ
の作製方法にに関する。
【０００２】
【従来の技術】強誘電体が、情報の不揮発性記憶装置の
ための将来性のある材料として認識されてから久しい。
これらの材料は本質的に誘電体であり、適切な電界の印
加によって反転され得る自発分極を示す。これらの材料
における分極Ｐは、外部電界Ｅにヒステリシス的に応答
し、それによって材料は電界が除去された後でも残留す
る双安定特性（分極の２つの異なる状態）を示す。強誘
電体が不揮発性メモリ記憶装置に適切であるのは、この
ヒステリシス特性のためである。強誘電体の誘電性及び
双安定特性を示す特性を、材料の分極状態に基づいて２
値デジタル情報を記憶する強誘電性キャパシタを作製す
るために利用することができる。これによって、現在の
Ｓｉ及びＧａＡｓ超大規模集積回路技術へ強誘電体キャ
パシタを組み込んで商業用不揮発性ランダムアクセスメ
モリを作製する可能性が開かれる。
ための将来性のある材料として認識されてから久しい。
これらの材料は本質的に誘電体であり、適切な電界の印
加によって反転され得る自発分極を示す。これらの材料
における分極Ｐは、外部電界Ｅにヒステリシス的に応答
し、それによって材料は電界が除去された後でも残留す
る双安定特性（分極の２つの異なる状態）を示す。強誘
電体が不揮発性メモリ記憶装置に適切であるのは、この
ヒステリシス特性のためである。強誘電体の誘電性及び
双安定特性を示す特性を、材料の分極状態に基づいて２
値デジタル情報を記憶する強誘電性キャパシタを作製す
るために利用することができる。これによって、現在の
Ｓｉ及びＧａＡｓ超大規模集積回路技術へ強誘電体キャ
パシタを組み込んで商業用不揮発性ランダムアクセスメ
モリを作製する可能性が開かれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、商業上
実行可能なメモリ製品を利用可能とするためには、多く
の問題を克服しなければならない。これらの問題のうち
主要なものの１つに、強誘電性素子の劣化特性がある。
劣化特性には、疲労、低電圧ブレイクダウン（絶縁破
壊）、及びエージングがある。これらの劣化特性の共通
の原因は、材料中の欠陥と、強誘電性キャパシタ内の強
誘電体と電極との界面／粒界との間の反応である。
実行可能なメモリ製品を利用可能とするためには、多く
の問題を克服しなければならない。これらの問題のうち
主要なものの１つに、強誘電性素子の劣化特性がある。
劣化特性には、疲労、低電圧ブレイクダウン（絶縁破
壊）、及びエージングがある。これらの劣化特性の共通
の原因は、材料中の欠陥と、強誘電性キャパシタ内の強
誘電体と電極との界面／粒界との間の反応である。
【０００４】疲労の問題を考慮すると、強誘電体では、
分極が反転すると、その分極が幾分失われる。これは疲
労劣化として公知であり、高品質の強誘電体膜を形成す
る際には、主要な障害の１つとなる。疲労は、強誘電体
と電極との界面での欠陥の混入が原因となって起こる。
非対称の電極と強誘電体との界面及び／又はバルク中の
不均一なドメイン分布が、極性を反転する際の非対称分
極を引き起こす。その結果、内部電界の相違を引き起こ
るので、空格子点及び可動不純物イオンなどの欠陥が事
実上単方向に移動する。電極と強誘電体との界面は化学
的に不安定であるので、バルクの強誘電体に関連するこ
れらの欠陥は、電位エネルギーがより低い位置に移動す
る。その結果、これらの界面での欠陥混入が発生する
（Yooら、「Fatigue Modeling of Lead Zirconate Tita
nate Thin Films」、Jour. Material Sci. and Enginee
ringを参照）。この混入が強誘電体中の分極損失を引き
起こす。
分極が反転すると、その分極が幾分失われる。これは疲
労劣化として公知であり、高品質の強誘電体膜を形成す
る際には、主要な障害の１つとなる。疲労は、強誘電体
と電極との界面での欠陥の混入が原因となって起こる。
非対称の電極と強誘電体との界面及び／又はバルク中の
不均一なドメイン分布が、極性を反転する際の非対称分
極を引き起こす。その結果、内部電界の相違を引き起こ
るので、空格子点及び可動不純物イオンなどの欠陥が事
実上単方向に移動する。電極と強誘電体との界面は化学
的に不安定であるので、バルクの強誘電体に関連するこ
れらの欠陥は、電位エネルギーがより低い位置に移動す
る。その結果、これらの界面での欠陥混入が発生する
（Yooら、「Fatigue Modeling of Lead Zirconate Tita
nate Thin Films」、Jour. Material Sci. and Enginee
ringを参照）。この混入が強誘電体中の分極損失を引き
起こす。
【０００５】欠陥によって引き起こされるこの問題を克
服するためには、欠陥集中、界面への欠陥マイグレーシ
ョン、界面での欠陥混入、及び界面自体の状態を制御す
る必要がある。格子の不整合、接着の悪さ、及び電極と
強誘電体との間の仕事関数の大きな差分によって、界面
が化学的に不安定となる。従って、格子不整合、仕事関
数の差分、及び界面での接着問題を低減することのでき
る適当な電極を選択する必要がある。現存し、一般に用
いられているＰｔ、Ａｕ等の金属電極はこれらの基準を
満たしていない。その理由は、電極（金属）と強誘電体
（セラミック）との間の結晶構造の大きな相違であり、
仕事関数の差分である。欠陥マイグレーション及び混入
を制御ためには、電極と強誘電体との間の急激な組成の
勾配を低減することが必要である。
服するためには、欠陥集中、界面への欠陥マイグレーシ
ョン、界面での欠陥混入、及び界面自体の状態を制御す
る必要がある。格子の不整合、接着の悪さ、及び電極と
強誘電体との間の仕事関数の大きな差分によって、界面
が化学的に不安定となる。従って、格子不整合、仕事関
数の差分、及び界面での接着問題を低減することのでき
る適当な電極を選択する必要がある。現存し、一般に用
いられているＰｔ、Ａｕ等の金属電極はこれらの基準を
満たしていない。その理由は、電極（金属）と強誘電体
（セラミック）との間の結晶構造の大きな相違であり、
仕事関数の差分である。欠陥マイグレーション及び混入
を制御ためには、電極と強誘電体との間の急激な組成の
勾配を低減することが必要である。
【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、強誘電性キャパシタにお
ける劣化問題を克服することのできる電極を提供するこ
とを目的とする。特に、本発明は、強誘電性キャパシタ
における疲労問題を克服することのできる電極を提供す
ることを目的とする。又、本発明は、強誘電性キャパシ
タにおける低電圧ブレイクダウン問題を克服することの
できる電極を提供することを目的とする。更に、本発明
は、強誘電性キャパシタにおけるエージング問題を克服
することのできる電極を提供することを目的とする。
るためになされたものであり、強誘電性キャパシタにお
ける劣化問題を克服することのできる電極を提供するこ
とを目的とする。特に、本発明は、強誘電性キャパシタ
における疲労問題を克服することのできる電極を提供す
ることを目的とする。又、本発明は、強誘電性キャパシ
タにおける低電圧ブレイクダウン問題を克服することの
できる電極を提供することを目的とする。更に、本発明
は、強誘電性キャパシタにおけるエージング問題を克服
することのできる電極を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の強誘電性素子
は、（ａ）基板、（ｂ）該基板上の、導電性酸化物から
構成されるセラミック下層電極、（ｃ）該下層電極の上
にある強誘電体材料からなる強誘電体層、（ｄ）該下層
電極と該強誘電体材料の膜との間にあって、該導電性酸
化物及び該強誘電体材料の元素の導電性化合物から構成
される導電性中間層、及び（ｅ）該強誘電体材料の膜の
上にある導電性上層電極を備えており、そのことによっ
て上記目的が達成される。
は、（ａ）基板、（ｂ）該基板上の、導電性酸化物から
構成されるセラミック下層電極、（ｃ）該下層電極の上
にある強誘電体材料からなる強誘電体層、（ｄ）該下層
電極と該強誘電体材料の膜との間にあって、該導電性酸
化物及び該強誘電体材料の元素の導電性化合物から構成
される導電性中間層、及び（ｅ）該強誘電体材料の膜の
上にある導電性上層電極を備えており、そのことによっ
て上記目的が達成される。
【０００８】前記強誘電体材料が、チタン酸ジルコン酸
鉛、及びＡＢＯ３型又はＡＢ’Ｂ”Ｏ３型の強誘電性化
合物からなる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、
Ｌａ、Ｌｉ及びＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ及びＺｒからなる群に属して
いてもよい。
鉛、及びＡＢＯ３型又はＡＢ’Ｂ”Ｏ３型の強誘電性化
合物からなる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、
Ｌａ、Ｌｉ及びＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ及びＺｒからなる群に属して
いてもよい。
【０００９】前記下層電極がＲｕＯx、ＲｅＯx、ＲｈＯ
x、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択される導
電性酸化物であってもよい。
x、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択される導
電性酸化物であってもよい。
【００１０】前記導電性中間層が、前記下層電極と前記
強誘電体材料との間の反応によって形成されるＡ2Ｍ2Ｏ
6型、Ａ2Ｍ2Ｏ7-x型及びＡＭＯ3型の化合物からなる群
から選択される導電性化合物から構成されており、ここ
で、ＡはＰｂ、Ｂｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌｉ、及びＬａから
なる群から選択され、ＭはＲｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ及び
Ｏｓからなる群から選択されていてもよい。
強誘電体材料との間の反応によって形成されるＡ2Ｍ2Ｏ
6型、Ａ2Ｍ2Ｏ7-x型及びＡＭＯ3型の化合物からなる群
から選択される導電性化合物から構成されており、ここ
で、ＡはＰｂ、Ｂｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌｉ、及びＬａから
なる群から選択され、ＭはＲｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ及び
Ｏｓからなる群から選択されていてもよい。
【００１１】前記下層電極が、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、Ｒ
ｈＯｘ、ＩｒＯｘ、及びＯｓＯｘからなる群から選択さ
れる導電性酸化物であり、前記強誘電体材料が、チタン
酸ジルコン酸鉛、及びＡＢＯ３型の強誘電性化合物から
なる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｌ
ａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属していてもよ
い。
ｈＯｘ、ＩｒＯｘ、及びＯｓＯｘからなる群から選択さ
れる導電性酸化物であり、前記強誘電体材料が、チタン
酸ジルコン酸鉛、及びＡＢＯ３型の強誘電性化合物から
なる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｌ
ａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属していてもよ
い。
【００１２】前記上層電極が、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ及
びＡｇからなる群から選択される金属から構成されてい
てもよい。
びＡｇからなる群から選択される金属から構成されてい
てもよい。
【００１３】前記強誘電体層と前記上層電極との間に配
置され、導電性化合物から構成される第２の中間層を備
えていてもよい。
置され、導電性化合物から構成される第２の中間層を備
えていてもよい。
【００１４】前記第２の中間層が前記導電性中間層と同
じ材料から構成されていてもよい。
じ材料から構成されていてもよい。
【００１５】前記基板が、シリコン、サファイヤ、酸化
シリコン、酸化シリコンコーティングを有するシリコ
ン、及びガリウム砒素からなる群から選択される材料か
ら構成されていてもよい。
シリコン、酸化シリコンコーティングを有するシリコ
ン、及びガリウム砒素からなる群から選択される材料か
ら構成されていてもよい。
【００１６】前記強誘電体層、下層電極及び上層電極
が、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、電子
ビーム蒸着法、有機金属分解法及びレーザアブレーショ
ン法によって堆積されてもよい。
が、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、電子
ビーム蒸着法、有機金属分解法及びレーザアブレーショ
ン法によって堆積されてもよい。
【００１７】本発明の強誘電性素子を作製する方法は、
（ａ）基板の表面領域上に導電性酸化物を堆積してセラ
ミック下層電極を形成する工程、（ｂ）該下層電極上に
強誘電体材料からなる強誘電体層を堆積する工程、
（ｃ）該下層電極及び該強誘電体層をアニールして該下
層電極と該強誘電体層との界面に導電性化合物を生成し
て導電性中間層を形成する工程、及び（ｄ）該強誘電体
層の上に導電性上層電極を堆積する工程を包含してお
り、そのことによって上記目的が達成される。
（ａ）基板の表面領域上に導電性酸化物を堆積してセラ
ミック下層電極を形成する工程、（ｂ）該下層電極上に
強誘電体材料からなる強誘電体層を堆積する工程、
（ｃ）該下層電極及び該強誘電体層をアニールして該下
層電極と該強誘電体層との界面に導電性化合物を生成し
て導電性中間層を形成する工程、及び（ｄ）該強誘電体
層の上に導電性上層電極を堆積する工程を包含してお
り、そのことによって上記目的が達成される。
【００１８】前記強誘電体材料が、チタン酸ジルコン酸
鉛、及び形態ＡＢＯ３又はＡＢ’Ｂ”Ｏ３強誘電性化合
物からなる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌ
ｉ、Ｌａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属していて
もよい。
鉛、及び形態ＡＢＯ３又はＡＢ’Ｂ”Ｏ３強誘電性化合
物からなる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌ
ｉ、Ｌａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属していて
もよい。
【００１９】前記下層電極がＲｕＯx、ＲｅＯx、ＲｈＯ
x、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択される導
電性酸化物であってもよい。
x、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択される導
電性酸化物であってもよい。
【００２０】前記導電性中間層が、前記下層電極と前記
強誘電体間の反応によって形成されるＡ2Ｍ2Ｏ6型、Ａ2
Ｍ2Ｏ7-x型又はＡＭＯ3型の化合物からなる群から選択
される導電性化合物から構成されており、ここで、Ａは
Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、及びＬａからなる群から選択され、
ＭはＲｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選
択されていてもよい。
強誘電体間の反応によって形成されるＡ2Ｍ2Ｏ6型、Ａ2
Ｍ2Ｏ7-x型又はＡＭＯ3型の化合物からなる群から選択
される導電性化合物から構成されており、ここで、Ａは
Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、及びＬａからなる群から選択され、
ＭはＲｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選
択されていてもよい。
【００２１】前記下層電極が、ＲｕＯｘ、ＲｅＯｘ、Ｒ
ｈＯｘ、ＩｒＯｘ、及びＯｓＯｘからなる群から選択さ
れる導電性酸化物であり、前記強誘電体材料が、チタン
酸ジルコン酸鉛、及びＡＢＯ３型の強誘電性化合物から
なる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｌ
ａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属していてもよ
い。
ｈＯｘ、ＩｒＯｘ、及びＯｓＯｘからなる群から選択さ
れる導電性酸化物であり、前記強誘電体材料が、チタン
酸ジルコン酸鉛、及びＡＢＯ３型の強誘電性化合物から
なる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｌ
ａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属していてもよ
い。
【００２２】前記上層電極が、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ及
びＡｇからなる群から選択される金属から構成されてい
てもよい。
びＡｇからなる群から選択される金属から構成されてい
てもよい。
【００２３】前記強誘電体層と前記上層電極との間に配
置され、導電性化合物から構成される第２の中間層を形
成する工程を包含していてもよい。
置され、導電性化合物から構成される第２の中間層を形
成する工程を包含していてもよい。
【００２４】前記第２の中間層が前記導電性中間層と同
じ材料から構成されていてもよい。
じ材料から構成されていてもよい。
【００２５】前記基板が、シリコン、サファイヤ、酸化
シリコン、酸化シリコンコーティングを有するシリコ
ン、及びガリウム砒素からなる群から選択される材料か
ら構成されていてもよい。
シリコン、酸化シリコンコーティングを有するシリコ
ン、及びガリウム砒素からなる群から選択される材料か
ら構成されていてもよい。
【００２６】前記堆積する工程が、スパッタリング法、
ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、電子ビーム蒸着法、有機金属
分解法又はレーザアブレーション法によって行われても
よい。
ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、電子ビーム蒸着法、有機金属
分解法又はレーザアブレーション法によって行われても
よい。
【００２７】
【作用】本発明の一実施例によれば、セラミック下層電
極の多層電極システムを用いることによって上記及びそ
の他の目的が達成される。セラミック下層電極は、強誘
電体層の強誘電体材料と同じ結晶構造を有している。こ
れによって、下層電極と強誘電体との間の格子不整合及
び仕事関数の差分が低減される。従って、界面はさらに
安定する。本明細書において開示されるセラミック下層
電極の多層電極システムを用いることによって、強誘電
体層と下層電極との間の組成上の勾配が低減される。こ
のように、界面状態及び組成勾配は、欠陥マイグレーシ
ョン及びその後の欠陥混入を低減するように変えられ
る。
極の多層電極システムを用いることによって上記及びそ
の他の目的が達成される。セラミック下層電極は、強誘
電体層の強誘電体材料と同じ結晶構造を有している。こ
れによって、下層電極と強誘電体との間の格子不整合及
び仕事関数の差分が低減される。従って、界面はさらに
安定する。本明細書において開示されるセラミック下層
電極の多層電極システムを用いることによって、強誘電
体層と下層電極との間の組成上の勾配が低減される。こ
のように、界面状態及び組成勾配は、欠陥マイグレーシ
ョン及びその後の欠陥混入を低減するように変えられ
る。
【００２８】本発明の特定の実施例において、強誘電性
素子は、シリコン又は二酸化シリコン等からなる基板上
のＲｕＯｘなどの導電性酸化物から成る下層電極を用い
て構成される。チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体材
料が下層電極上に堆積され、強誘電体層と下層電極との
間の界面に導電性中間層が形成される。この中間層は、
強誘電体層と電極との間の反応によって形成され、ここ
では、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７−ｘとなる。導電性上層電極が
強誘電体層の上に堆積される。この上層電極は金属とす
ることが可能である。或いは、下層電極と同じ種類の材
料（導電性酸化物）とすることもできる。この場合は、
第２の中間層が界面に形成され得る。このようにして構
成された素子は、疲労、ブレイクダウン及びエージング
による劣化特性が改善されている。
素子は、シリコン又は二酸化シリコン等からなる基板上
のＲｕＯｘなどの導電性酸化物から成る下層電極を用い
て構成される。チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体材
料が下層電極上に堆積され、強誘電体層と下層電極との
間の界面に導電性中間層が形成される。この中間層は、
強誘電体層と電極との間の反応によって形成され、ここ
では、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７−ｘとなる。導電性上層電極が
強誘電体層の上に堆積される。この上層電極は金属とす
ることが可能である。或いは、下層電極と同じ種類の材
料（導電性酸化物）とすることもできる。この場合は、
第２の中間層が界面に形成され得る。このようにして構
成された素子は、疲労、ブレイクダウン及びエージング
による劣化特性が改善されている。
【００２９】
【実施例】本発明を実施例について以下に説明する。
【００３０】図１に、本発明の一実施例である多層電極
を有する強誘電性素子を示す。基板１０は、集積回路に
おける他の回路要素への接続を行うための導電体として
働く。基板１０には、シリコン、シリコンチップ上に形
成されたシリコン酸化物の層、ガリウム砒素等が適用で
きる。もちろん、シリコン酸化物、ポリシリコン、注入
されたシリコン等の層を有するシリコンチップ上に形成
されて複合集積回路をなす各種回路要素を有する多層構
造の基板を、基板１０として用いることもできる。基板
１０上には、下層電極１１が堆積されている。下層電極
１１上には、中間層１２が形成されており、中間層１２
は、強誘電体材料の劣化を低減する。この劣化の低減が
本発明の特徴であり、詳しくは以下に説明する。この中
間層１２は、セラミックの下層電極１１と強誘電体の材
料との反応によって形成される導電性化合物である。中
間層１２上には、鉛ジルコネートチタネート（ＰＺＴ）
などの強誘電体材料からなる強誘電体層１３が堆積され
ている。層１３は、1992年３月９日にSeshu B. Desuら
により出願され、本発明の承継人に譲渡された同時係属
出願第848,389号「Ferroelectric Thin Films Made by
Metallorganic Chemical Vapor Deposition」（特願平
５−４８３４７号）において開示されている方法によっ
て堆積する。強誘電体層１３上には、上層電極１４が堆
積されており、上層電極１４は、集積回路の他の要素へ
接続されている。この上層電極１４は、Ｐｄ、Ａｕ、又
はＡｇなどの金属からなる。
を有する強誘電性素子を示す。基板１０は、集積回路に
おける他の回路要素への接続を行うための導電体として
働く。基板１０には、シリコン、シリコンチップ上に形
成されたシリコン酸化物の層、ガリウム砒素等が適用で
きる。もちろん、シリコン酸化物、ポリシリコン、注入
されたシリコン等の層を有するシリコンチップ上に形成
されて複合集積回路をなす各種回路要素を有する多層構
造の基板を、基板１０として用いることもできる。基板
１０上には、下層電極１１が堆積されている。下層電極
１１上には、中間層１２が形成されており、中間層１２
は、強誘電体材料の劣化を低減する。この劣化の低減が
本発明の特徴であり、詳しくは以下に説明する。この中
間層１２は、セラミックの下層電極１１と強誘電体の材
料との反応によって形成される導電性化合物である。中
間層１２上には、鉛ジルコネートチタネート（ＰＺＴ）
などの強誘電体材料からなる強誘電体層１３が堆積され
ている。層１３は、1992年３月９日にSeshu B. Desuら
により出願され、本発明の承継人に譲渡された同時係属
出願第848,389号「Ferroelectric Thin Films Made by
Metallorganic Chemical Vapor Deposition」（特願平
５−４８３４７号）において開示されている方法によっ
て堆積する。強誘電体層１３上には、上層電極１４が堆
積されており、上層電極１４は、集積回路の他の要素へ
接続されている。この上層電極１４は、Ｐｄ、Ａｕ、又
はＡｇなどの金属からなる。
【００３１】図２に、本発明の他の実施例である多層電
極を有する強誘電性素子を示す。図１に示す強誘電素子
の構成要素と同様の構成要素には同じ符号を付してい
る。この強誘電性素子では、上層電極１４が下層電極１
１と同じタイプの材料（導電性酸化物）からなり、強誘
電体層１３と上層電極１４との間に、第２の中間層１５
が形成されている。第２の中間層１５は、強誘電体層１
３と上層電極１４との間の界面で、強誘電体層１３と下
層電極１１との間の界面での中間層１２と同様に機能す
る。
極を有する強誘電性素子を示す。図１に示す強誘電素子
の構成要素と同様の構成要素には同じ符号を付してい
る。この強誘電性素子では、上層電極１４が下層電極１
１と同じタイプの材料（導電性酸化物）からなり、強誘
電体層１３と上層電極１４との間に、第２の中間層１５
が形成されている。第２の中間層１５は、強誘電体層１
３と上層電極１４との間の界面で、強誘電体層１３と下
層電極１１との間の界面での中間層１２と同様に機能す
る。
【００３２】現存する強誘電性キャパシタは、２つの金
属電極の間に挟まれた強誘電体材料を用いて、つまり、
中間層１２又は第２の中間層１５を用いずに構成されて
いる。そのような構造のキャパシタには、上述した理由
による強誘電体の劣化という欠点がある。
属電極の間に挟まれた強誘電体材料を用いて、つまり、
中間層１２又は第２の中間層１５を用いずに構成されて
いる。そのような構造のキャパシタには、上述した理由
による強誘電体の劣化という欠点がある。
【００３３】図１及び図２に示す本発明による多層電極
構造においては、下層電極１１は、ＲｕＯx（ルテニウ
ム酸化物）、ＲｅＯx（レニウム酸化物）、ＲｈＯx（ロ
ジウム酸化物）、ＩｒＯx（イリジウム酸化物）、Ｏｓ
Ｏx（オスミウム酸化物）等、以下に示す表１に挙げら
れるようなセラミック導電性酸化物（ＭＯx）である。
構造においては、下層電極１１は、ＲｕＯx（ルテニウ
ム酸化物）、ＲｅＯx（レニウム酸化物）、ＲｈＯx（ロ
ジウム酸化物）、ＩｒＯx（イリジウム酸化物）、Ｏｓ
Ｏx（オスミウム酸化物）等、以下に示す表１に挙げら
れるようなセラミック導電性酸化物（ＭＯx）である。
【００３４】
【表１】
【００３５】一般に、強誘電体層１３の材料は、化学式
ＡＢＯ3によって表され得るペロブスカイト型結晶構造
を有している。表１に挙げられるように、元素Ａは、Ｂ
ａ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂｉ等の大きな陽イオンであり、元素
Ｂは、Ｔｉ、Ｎｂ等の比較的小さな陽イオンである。表
１に挙げられている以外にも、元素Ａには、Ｌｉが含ま
れ、元素Ｂには、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ、及びＺｒ等が
含まれる。強誘電相において、ペロブスカイト構造は、
通常、正方晶系、斜方晶系、又は菱面体晶系の構造であ
る。下層電極１１及び強誘電体層１３はセラミック酸化
物であるので、これらは非常によく似た結晶構造を有し
ている。格子不整合及び仕事関数の差分が低減される。
ＡＢＯ3によって表され得るペロブスカイト型結晶構造
を有している。表１に挙げられるように、元素Ａは、Ｂ
ａ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂｉ等の大きな陽イオンであり、元素
Ｂは、Ｔｉ、Ｎｂ等の比較的小さな陽イオンである。表
１に挙げられている以外にも、元素Ａには、Ｌｉが含ま
れ、元素Ｂには、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ、及びＺｒ等が
含まれる。強誘電相において、ペロブスカイト構造は、
通常、正方晶系、斜方晶系、又は菱面体晶系の構造であ
る。下層電極１１及び強誘電体層１３はセラミック酸化
物であるので、これらは非常によく似た結晶構造を有し
ている。格子不整合及び仕事関数の差分が低減される。
【００３６】上層電極１４は、図２に示すように下層電
極１１と同一材料（対称構造）とするか、図１に示すよ
うに異なる材料の電極とする（非対称構造）ことができ
る。対称構造において、中間層１２及び第２の中間層１
５は、高温における電極／強誘電体／電極（ＭＯｘ／Ａ
ＢＯ３／ＭＯｘ）システム処理により形成することがで
きる。一方、非対称構造においては、ＭＯｘ／ＡＢＯ３
システムは、初期的にアニールすることにより強誘電体
層１３内及び中間層１２内の所望の強誘電相を形成した
後に、上層電極１４を堆積する。図１に示す場合におけ
る上層電極１４は、金属電極とすることができ、中間層
１２は下層電極１１と強誘電体層１３との間にのみ形成
される。中間層１２又は第２の中間層１５は、高温での
強誘電体と電極との反応によって形成される。中間層１
２又は第２の中間層１５を形成する際の温度は、使用す
る強誘電体及び電極材料に依存する。中間層１２又は第
２の中間層１５は、一般式Ａ２Ｍ２Ｏ７−ｘによって表
すことができる。例えば、ＲｕＯｘ電極上の形成された
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３）強
誘電体の場合を考える。この電極及び強誘電体を高温
（５００℃）でアニールすると、ＰｂＯ（強誘電体か
ら）とＲｕＯｘ電極との間の反応により中間層の鉛ルテ
ネート（Ｐｂ２ｕ２Ｏ６）が形成される。
極１１と同一材料（対称構造）とするか、図１に示すよ
うに異なる材料の電極とする（非対称構造）ことができ
る。対称構造において、中間層１２及び第２の中間層１
５は、高温における電極／強誘電体／電極（ＭＯｘ／Ａ
ＢＯ３／ＭＯｘ）システム処理により形成することがで
きる。一方、非対称構造においては、ＭＯｘ／ＡＢＯ３
システムは、初期的にアニールすることにより強誘電体
層１３内及び中間層１２内の所望の強誘電相を形成した
後に、上層電極１４を堆積する。図１に示す場合におけ
る上層電極１４は、金属電極とすることができ、中間層
１２は下層電極１１と強誘電体層１３との間にのみ形成
される。中間層１２又は第２の中間層１５は、高温での
強誘電体と電極との反応によって形成される。中間層１
２又は第２の中間層１５を形成する際の温度は、使用す
る強誘電体及び電極材料に依存する。中間層１２又は第
２の中間層１５は、一般式Ａ２Ｍ２Ｏ７−ｘによって表
すことができる。例えば、ＲｕＯｘ電極上の形成された
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３）強
誘電体の場合を考える。この電極及び強誘電体を高温
（５００℃）でアニールすると、ＰｂＯ（強誘電体か
ら）とＲｕＯｘ電極との間の反応により中間層の鉛ルテ
ネート（Ｐｂ２ｕ２Ｏ６）が形成される。
【００３７】中間層１２又は第２の中間層１５は、欠陥
の移動及び混入の原因となる、下層電極１１又は上層電
極１４と強誘電体層１３との間の化学的電位の勾配を低
減する働きをする。さらに、中間層１２又は第２の中間
層１５の材料には、パイロクロア構造のものを通常は用
いており、これらは本質的に導電性である。下層電極１
１及び導電性の中間層１２は共に、多層電極を構成す
る。下層電極１１は、Ｓｉ、Ｓｉ／ＳｉＯ２（接着状態
を良好にするために、Ｔｉ又はＮｉから成る金属中間層
を有する）、サファイヤ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３から
なる基板１０上に通常は堆積されている。基板１０は、
強誘電性素子の最終的なアプリケーションに応じて選択
する。上記表１における基板のリストは全てを網羅して
いるわけではない。不揮発性メモリアプリケーションに
対しては、Ｓｉ又はＳｉ／ＳｉＯ２基板が一般的に用い
られる。図１及び図２に示す電極及び層の堆積は、スパ
ッタリング法、化学蒸着法、ゾルーゲル法、有機金属分
解法、電子ビーム蒸着法など一般的な薄膜堆積技術のう
ちいずれかによって行う。例えば、ＲｕＯｘは上記技術
によって各種基板上に堆積されている（Ｋｒｕｓｉｎ−
Ｅｌｂａｕｍらの「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔｒａｎｓ
ｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅｓ： Ｐｏｓｓｉ
ｂｉｌｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ＲｕＯ２ ｉｎ ＶＬＳＩ
Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．＊Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１
３５，Ｎｏ．１０，１９８８，ｐ．２６１０、及び、Ｇ
ｒｅｅｎらの「ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ ｎｄ Ｒｕ
ｔｈｅｎｉｕｍ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ」、Ｊ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１３２，
ｐ．２６７７，１９８５を参照されたい）。
の移動及び混入の原因となる、下層電極１１又は上層電
極１４と強誘電体層１３との間の化学的電位の勾配を低
減する働きをする。さらに、中間層１２又は第２の中間
層１５の材料には、パイロクロア構造のものを通常は用
いており、これらは本質的に導電性である。下層電極１
１及び導電性の中間層１２は共に、多層電極を構成す
る。下層電極１１は、Ｓｉ、Ｓｉ／ＳｉＯ２（接着状態
を良好にするために、Ｔｉ又はＮｉから成る金属中間層
を有する）、サファイヤ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３から
なる基板１０上に通常は堆積されている。基板１０は、
強誘電性素子の最終的なアプリケーションに応じて選択
する。上記表１における基板のリストは全てを網羅して
いるわけではない。不揮発性メモリアプリケーションに
対しては、Ｓｉ又はＳｉ／ＳｉＯ２基板が一般的に用い
られる。図１及び図２に示す電極及び層の堆積は、スパ
ッタリング法、化学蒸着法、ゾルーゲル法、有機金属分
解法、電子ビーム蒸着法など一般的な薄膜堆積技術のう
ちいずれかによって行う。例えば、ＲｕＯｘは上記技術
によって各種基板上に堆積されている（Ｋｒｕｓｉｎ−
Ｅｌｂａｕｍらの「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔｒａｎｓ
ｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅｓ： Ｐｏｓｓｉ
ｂｉｌｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ＲｕＯ２ ｉｎ ＶＬＳＩ
Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．＊Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１
３５，Ｎｏ．１０，１９８８，ｐ．２６１０、及び、Ｇ
ｒｅｅｎらの「ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ ｎｄ Ｒｕ
ｔｈｅｎｉｕｍ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ」、Ｊ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１３２，
ｐ．２６７７，１９８５を参照されたい）。
【００３８】強誘電体層１３の下層電極１１上への堆積
には、膜中の均一性及び組成比が良好となるように、実
行可能な薄膜堆積技術が用いられる。用いられる一般的
な堆積技術は、ゾル−ゲル法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ
リング法等である。要求される強誘電特性を得るため
に、材料は、通常は、所望の構造、即ちペロブスカイト
型構造を有していなくてはならない。この構造は、用い
られる堆積工程の種類に応じて、その堆積中、又は堆積
後のアニーリングによって得られる。上記特願平５−４
８３４７号では、強誘電体層１３の形成に用いられ得る
堆積方法の例を挙げている。
には、膜中の均一性及び組成比が良好となるように、実
行可能な薄膜堆積技術が用いられる。用いられる一般的
な堆積技術は、ゾル−ゲル法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ
リング法等である。要求される強誘電特性を得るため
に、材料は、通常は、所望の構造、即ちペロブスカイト
型構造を有していなくてはならない。この構造は、用い
られる堆積工程の種類に応じて、その堆積中、又は堆積
後のアニーリングによって得られる。上記特願平５−４
８３４７号では、強誘電体層１３の形成に用いられ得る
堆積方法の例を挙げている。
【００３９】最後に、上層電極１４を、Ｐｄ、Ａｕ、Ａ
ｇ、Ｐｔ等を用いて、真空蒸着法、スパッタリング法等
の一般的な薄膜堆積技術を用いて堆積する。強誘電体層
及び電極の厚さ、均一性及び組成は処理条件に依存し、
処理条件は所望の値を得るように変えることができる。
ｇ、Ｐｔ等を用いて、真空蒸着法、スパッタリング法等
の一般的な薄膜堆積技術を用いて堆積する。強誘電体層
及び電極の厚さ、均一性及び組成は処理条件に依存し、
処理条件は所望の値を得るように変えることができる。
【００４０】試験的手段として、本発明の一実施例であ
る、強誘電体層１３にＰＺＴ、下層電極１１にＲｕ
Ｏx、上層電極１４にＰｄ及び中間層１２にＰｂ2Ｒｕ2
Ｏ7-xを用いる図１に示す実施例を用いる。第１のサン
プルとして、下層電極１１の基板１０への接着をより良
くするためにＴｉ中間層１６を有するＳｉ／ＳｉＯ2基
板１０上に、ＲｕＯxを下層電極１１として堆積した。
第２のサンプルとして、ＲｕＯxを、反応性イオンスパ
ッタリング法によって別個にＳｉ基板１０上に堆積し
た。スパッタリングは、１５０℃で２．０×１０-4torr
の真空で行った。その後、下層電極１１上に、ＰｂＺｒ
xＴｉ1-xＯ3（ｘ＝０．５３）からなる強誘電体層１３
を、ゾル−ゲル法及びスピンコート法により堆積した。
両サンプルを、制御されたＯ2雰囲気中で４００℃から
７００℃までの範囲で５０℃間隔の温度でアニールし
た。次に、アニールしたサンプルに関してＸ線回折（Ｘ
ＲＤ）観察を行いて、存在する相を確認した。
る、強誘電体層１３にＰＺＴ、下層電極１１にＲｕ
Ｏx、上層電極１４にＰｄ及び中間層１２にＰｂ2Ｒｕ2
Ｏ7-xを用いる図１に示す実施例を用いる。第１のサン
プルとして、下層電極１１の基板１０への接着をより良
くするためにＴｉ中間層１６を有するＳｉ／ＳｉＯ2基
板１０上に、ＲｕＯxを下層電極１１として堆積した。
第２のサンプルとして、ＲｕＯxを、反応性イオンスパ
ッタリング法によって別個にＳｉ基板１０上に堆積し
た。スパッタリングは、１５０℃で２．０×１０-4torr
の真空で行った。その後、下層電極１１上に、ＰｂＺｒ
xＴｉ1-xＯ3（ｘ＝０．５３）からなる強誘電体層１３
を、ゾル−ゲル法及びスピンコート法により堆積した。
両サンプルを、制御されたＯ2雰囲気中で４００℃から
７００℃までの範囲で５０℃間隔の温度でアニールし
た。次に、アニールしたサンプルに関してＸ線回折（Ｘ
ＲＤ）観察を行いて、存在する相を確認した。
【００４１】図３に、各種アニーリング温度でのＳｉ／
ＲｕＯ２／ＰＺＴのＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを示
す。図示されるパターンから、ＰＺＴペロブスカイト相
が５５０℃付近で形成され始め、６００℃で形成が完了
することが分かる。これは、完全な強誘電相がこのシス
テムに対しては６００℃で形成されることを示す。ま
た、ＸＲＤパターンから、５００℃付近でパイロクロア
Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７−ｘ相が形成されることが明らかであ
る。即ち、下層電極１１と強誘電体層１３との間に、中
間層１２が形成される。この中間層１２は、導電性であ
り、２×１０−４オームｃｍオーダーの抵抗率を有して
いる（Ｌｏｎｇｏらの「Ｐｂ２Ｍ２Ｏ７−ｘ−ＰｒｅＰ
ａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｆｉｃｉｅｎｔ Ｐｙｒｏｃｈｌ
ｏｒｅｓ」、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．，Ｖｏｌ．
４，１９６９，ｐ．１９１を参照されたい）。
ＲｕＯ２／ＰＺＴのＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを示
す。図示されるパターンから、ＰＺＴペロブスカイト相
が５５０℃付近で形成され始め、６００℃で形成が完了
することが分かる。これは、完全な強誘電相がこのシス
テムに対しては６００℃で形成されることを示す。ま
た、ＸＲＤパターンから、５００℃付近でパイロクロア
Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７−ｘ相が形成されることが明らかであ
る。即ち、下層電極１１と強誘電体層１３との間に、中
間層１２が形成される。この中間層１２は、導電性であ
り、２×１０−４オームｃｍオーダーの抵抗率を有して
いる（Ｌｏｎｇｏらの「Ｐｂ２Ｍ２Ｏ７−ｘ−ＰｒｅＰ
ａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｆｉｃｉｅｎｔ Ｐｙｒｏｃｈｌ
ｏｒｅｓ」、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．，Ｖｏｌ．
４，１９６９，ｐ．１９１を参照されたい）。
【００４２】次に、ＰＺＴからなる強誘電体層１３上
に、１．５×１０-7torrの真空下の電子ビーム蒸着法に
よって、パラジウム（Ｐｄ）を用いて上層電極１４を堆
積した。
に、１．５×１０-7torrの真空下の電子ビーム蒸着法に
よって、パラジウム（Ｐｄ）を用いて上層電極１４を堆
積した。
【００４３】上述のように作製した強誘電性素子を、疲
労、ブレイクダウン電圧及び加速エージングに関してテ
ストすると、特性が改善されていることが分かる。この
テストにおいて、基板１０としてＳｉ／ＳｉＯ2を有
し、上層電極１４としてＰｄを有する、ＲｕＯx（セラ
ミック）下層電極１１上（Ｐｄ／ＲｕＯxシステム）及
びＰｔ（金属）の下層電極１１上（Ｐｄ／Ｐｔシステ
ム）のそれぞれのＰＺＴ強誘電体層１３の電気的特性
を、同一組成（ｘ＝０．５３）及び同一アニーリング条
件（６００℃）で比較した。
労、ブレイクダウン電圧及び加速エージングに関してテ
ストすると、特性が改善されていることが分かる。この
テストにおいて、基板１０としてＳｉ／ＳｉＯ2を有
し、上層電極１４としてＰｄを有する、ＲｕＯx（セラ
ミック）下層電極１１上（Ｐｄ／ＲｕＯxシステム）及
びＰｔ（金属）の下層電極１１上（Ｐｄ／Ｐｔシステ
ム）のそれぞれのＰＺＴ強誘電体層１３の電気的特性
を、同一組成（ｘ＝０．５３）及び同一アニーリング条
件（６００℃）で比較した。
【００４４】図４に、その比較結果を示す。図４では、
金属及びセラミック電極上のそれぞれのＰＺＴのブレイ
クダウン電圧を比較する。ここで、テスト機器を保護す
るために４７ＫΩの抵抗を直列に用いた。Ｐｄ／Ｐｔシ
ステムのＰＺＴ強誘電体層１３に対するブレイクダウン
電界は、Ｐｄ／ＲｕＯxシステムよりも低い。
金属及びセラミック電極上のそれぞれのＰＺＴのブレイ
クダウン電圧を比較する。ここで、テスト機器を保護す
るために４７ＫΩの抵抗を直列に用いた。Ｐｄ／Ｐｔシ
ステムのＰＺＴ強誘電体層１３に対するブレイクダウン
電界は、Ｐｄ／ＲｕＯxシステムよりも低い。
【００４５】図５に、ＲｕＯx下層電極１１上及びＰｔ
下層電極１１上のＰＺＴ強誘電体層１３における加速エ
ージングの効果の比較を示す。４７ＫΩ直列抵抗を有す
るＤＣ応力場では、Ｐｄ／ＲｕＯxシステムのＰＺＴ強
誘電体層１３サンプルは分極損失がほとんどないが、Ｐ
ｄ／ＰｔシステムのＰＺＴ強誘電体層１３サンプルでは
時間に対する分極損失（エージング／疲労）が大きい。
下層電極１１上のＰＺＴ強誘電体層１３における加速エ
ージングの効果の比較を示す。４７ＫΩ直列抵抗を有す
るＤＣ応力場では、Ｐｄ／ＲｕＯxシステムのＰＺＴ強
誘電体層１３サンプルは分極損失がほとんどないが、Ｐ
ｄ／ＰｔシステムのＰＺＴ強誘電体層１３サンプルでは
時間に対する分極損失（エージング／疲労）が大きい。
【００４６】図６に、テストのための電界（テスト場）
として１５０ＫＶ／ｃｍ下でパルス波を用いた上記２つ
のシステムにおけるＰＺＴ強誘電体層１３の通常の疲労
特性を示す。図７には、高周波数で加速された疲労特性
を示す。これらの両条件下で、セラミックＲｕＯx下層
電極１１上のＰＺＴ強誘電体層１３は、全く疲労を示さ
ない。しかしながら、金属（Ｐｔ）下層電極１１上のＰ
ＺＴ強誘電体層１３はかなり疲労がひどい。
として１５０ＫＶ／ｃｍ下でパルス波を用いた上記２つ
のシステムにおけるＰＺＴ強誘電体層１３の通常の疲労
特性を示す。図７には、高周波数で加速された疲労特性
を示す。これらの両条件下で、セラミックＲｕＯx下層
電極１１上のＰＺＴ強誘電体層１３は、全く疲労を示さ
ない。しかしながら、金属（Ｐｔ）下層電極１１上のＰ
ＺＴ強誘電体層１３はかなり疲労がひどい。
【００４７】図４乃至図７に示すデータから、Ｐｄ／Ｐ
ｔシステムの場合と比較して、Ｐｄ／ＲｕＯxシステム
のＰＺＴ強誘電体層１３が最小の疲労及びエージングで
あり、ブレイクダウン電圧も高いことが分かる。さらに
一般的には、これらの図から、本発明によるセラミック
多層電極上では強誘電体層の劣化問題が最小となる効果
が得られることが分かる。この効果は、本発明の他の実
施例に対しても得られる。つまり、いかなるセラミック
下層電極１１（又は上層電極１４）及び強誘電体層１３
に対しても、並びに下層電極１１及び強誘電体層１３の
いかなる処理条件（堆積法、膜の組成及びアニーリング
条件）においても、強誘電体層１３とセラミック下層電
極１１との間に導電性酸化物である中間層１２が形成さ
れれば、この効果が得られる。
ｔシステムの場合と比較して、Ｐｄ／ＲｕＯxシステム
のＰＺＴ強誘電体層１３が最小の疲労及びエージングで
あり、ブレイクダウン電圧も高いことが分かる。さらに
一般的には、これらの図から、本発明によるセラミック
多層電極上では強誘電体層の劣化問題が最小となる効果
が得られることが分かる。この効果は、本発明の他の実
施例に対しても得られる。つまり、いかなるセラミック
下層電極１１（又は上層電極１４）及び強誘電体層１３
に対しても、並びに下層電極１１及び強誘電体層１３の
いかなる処理条件（堆積法、膜の組成及びアニーリング
条件）においても、強誘電体層１３とセラミック下層電
極１１との間に導電性酸化物である中間層１２が形成さ
れれば、この効果が得られる。
【００４８】例えば、本発明の他の特定の実施例におい
ては、強誘電体層１３としてＢａＴｉＯ3を、下層電極
１１及び上層電極１４としてＲｉＯxを、並びに中間層
１２及び第２の中間層１５としてＢａ2Ｒｕ2Ｏ7-xを用
いてもよい。本発明のさらに他の特定の実施例におい
て、強誘電体層１３としてＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3を、下
層電極１１及び上層電極１４としてＲｕＯxを、並びに
中間層１２及び第２の中間層１５としてＢａ1-xＳｒxＲ
ｕ2Ｏ7-yを用いることもできる。
ては、強誘電体層１３としてＢａＴｉＯ3を、下層電極
１１及び上層電極１４としてＲｉＯxを、並びに中間層
１２及び第２の中間層１５としてＢａ2Ｒｕ2Ｏ7-xを用
いてもよい。本発明のさらに他の特定の実施例におい
て、強誘電体層１３としてＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3を、下
層電極１１及び上層電極１４としてＲｕＯxを、並びに
中間層１２及び第２の中間層１５としてＢａ1-xＳｒxＲ
ｕ2Ｏ7-yを用いることもできる。
【００４９】上記表１には、セラミック下層電極１１又
は上層電極１４、用いられる強誘電体層１３及び形成さ
れ得る中間層１２又は第２の中間層１５の幾つかの例が
示されているが、表１に挙げられた材料が全てを網羅し
ているわけではない。強誘電体材料のリストは非常に大
きい。強誘電体層１３として、一般式ＡＢ’Ｂ”Ｏ3及
び一般式ＡＡ’ＢＯ3の多くの代替化合物が使用され得
る。このタイプの化合物の良い例としては、ＰｂＺｒx
Ｔｉ1-xＯ3及びＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3が挙げられる。形
成される中間層１２又は第２の中間層１５としては、Ａ
ＭＯ3型の構造を採ることができる。例えば、強誘電体
層ＳｒＴｉＯ3は、ＲｕＯx電極上の中間層として、ペロ
ブスカイト型ＳｒＲｕＯ3形成する。前述したように、
強誘電体層及び電極の堆積には、いずれの実行可能な処
理をも用いることができる。例えば、上記特願平５−４
８３４７号において開示されている処理及び反応を強誘
電体層の形成に用いることができる。適当な相、並びに
中間層１２及び第２の中間層１５を生成するための各種
強誘電体材料に対するアニーリング温度は、約４００か
ら７００℃の範囲であるが、前述したように、多くの温
度を用いた後、Ｘ線回折（ＸＲＤ）技術によって適当な
強誘電体相が完成されるポイントを決定することによっ
て選択できる。
は上層電極１４、用いられる強誘電体層１３及び形成さ
れ得る中間層１２又は第２の中間層１５の幾つかの例が
示されているが、表１に挙げられた材料が全てを網羅し
ているわけではない。強誘電体材料のリストは非常に大
きい。強誘電体層１３として、一般式ＡＢ’Ｂ”Ｏ3及
び一般式ＡＡ’ＢＯ3の多くの代替化合物が使用され得
る。このタイプの化合物の良い例としては、ＰｂＺｒx
Ｔｉ1-xＯ3及びＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3が挙げられる。形
成される中間層１２又は第２の中間層１５としては、Ａ
ＭＯ3型の構造を採ることができる。例えば、強誘電体
層ＳｒＴｉＯ3は、ＲｕＯx電極上の中間層として、ペロ
ブスカイト型ＳｒＲｕＯ3形成する。前述したように、
強誘電体層及び電極の堆積には、いずれの実行可能な処
理をも用いることができる。例えば、上記特願平５−４
８３４７号において開示されている処理及び反応を強誘
電体層の形成に用いることができる。適当な相、並びに
中間層１２及び第２の中間層１５を生成するための各種
強誘電体材料に対するアニーリング温度は、約４００か
ら７００℃の範囲であるが、前述したように、多くの温
度を用いた後、Ｘ線回折（ＸＲＤ）技術によって適当な
強誘電体相が完成されるポイントを決定することによっ
て選択できる。
【００５０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の強誘電性素子によれば、強誘電性キャパシタにおける
劣化問題を克服することができる。特に、強誘電性キャ
パシタにおける疲労問題、低電圧ブレイクダウン問題、
及びエージング問題を克服することができる。
の強誘電性素子によれば、強誘電性キャパシタにおける
劣化問題を克服することができる。特に、強誘電性キャ
パシタにおける疲労問題、低電圧ブレイクダウン問題、
及びエージング問題を克服することができる。
【図１】本発明の一実施例による強誘電性素子の断面を
示す正面図である。
示す正面図である。
【図２】本発明の他の実施例による強誘電性素子の図１
と同様の断面を示す正面図である。
と同様の断面を示す正面図である。
【図３】Ｏ2雰囲気において３０分間４００℃から７０
０℃までの範囲で５０℃間隔の各種温度でアニールした
Ｓｉ／ＲｕＯx／ＰＺＴの組成における強誘電体層のＸ
ＲＤパターンである。
０℃までの範囲で５０℃間隔の各種温度でアニールした
Ｓｉ／ＲｕＯx／ＰＺＴの組成における強誘電体層のＸ
ＲＤパターンである。
【図４】ＲｕＯx及びＰｔからなる下層電極上のＰＺＴ
強誘電体層のブレイクダウン電圧の比較のための電流対
電圧を示す図である。
強誘電体層のブレイクダウン電圧の比較のための電流対
電圧を示す図である。
【図５】ＲｕＯx及びＰｔからなる下層電極上のＰＺＴ
強誘電体層の加速された時間効果特性を説明する分極対
時間を示す図である。
強誘電体層の加速された時間効果特性を説明する分極対
時間を示す図である。
【図６】交流パルス下でのＲｕＯx及びＰｔからなる下
層電極上のＰＺＴ強誘電体層の通常の疲労特性を示す図
である。
層電極上のＰＺＴ強誘電体層の通常の疲労特性を示す図
である。
【図７】交流パルス下でのＲｕＯx及びＰｔからなる下
層電極上のＰＺＴ強誘電体層の加速された疲労特性を説
明する分極対時間を示す図である。
層電極上のＰＺＴ強誘電体層の加速された疲労特性を説
明する分極対時間を示す図である。
１０ 基板 １１ 下層電極 １２ 中間層 １３ 強誘電体層 １４ 上層電極 １５ 第２の中間層 １６ Ｔｉ中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イン ケイ． ユー アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237，ブラックスバーグ，バージニア ポリテクニック インスティテュート アンド ステイト ユニバーシティ，ホ ールデン ホール 201 (72)発明者 チー ケイ． クォーク アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237，ブラックスバーグ，バージニア ポリテクニック インスティテュート アンド ステイト ユニバーシティ，ホ ールデン ホール 201 (72)発明者 ディリップ ビジェ アメリカ合衆国 バージニア 24061− 0237，ブラックスバーグ，バージニア ポリテクニック インスティテュート アンド ステイト ユニバーシティ，ホ ールデン ホール 201 (56)参考文献 特開 平４−85878（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−206869（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−248089（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−349657（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−29567（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/10 H01L 21/8242 H01L 27/108
Claims (20)
- 【請求項１】 （ａ）基板、 （ｂ）該基板上の、導電性酸化物から構成されるセラミ
ック下層電極、 （ｃ）該下層電極の上にある強誘電体材料からなる強誘
電体層、 （ｄ）該下層電極と該強誘電体材料の膜との間にあっ
て、該導電性酸化物及び該強誘電体材料の元素の導電性
化合物から構成される導電性中間層、及び （ｅ）該強誘電体材料の膜の上にある導電性上層電極 を備えている強誘電性素子。 - 【請求項２】 前記強誘電体材料が、チタン酸ジルコン
酸鉛、及びＡＢＯ3型又はＡＢ’Ｂ”Ｏ3型の強誘電性化
合物からなる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、
Ｌａ、Ｌｉ及びＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ及びＺｒからなる群に属する
請求項１に記載の強誘電性素子。 - 【請求項３】 前記下層電極がＲｕＯx、ＲｅＯx、Ｒｈ
Ｏx、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択される
導電性酸化物である請求項１に記載の強誘電性素子。 - 【請求項４】 前記導電性中間層が、前記下層電極と前
記強誘電体材料との間の反応によって形成されるＡ2Ｍ2
Ｏ6型、Ａ2Ｍ2Ｏ7-x型及びＡＭＯ3型の化合物からなる
群から選択される導電性化合物から構成されており、こ
こで、ＡはＰｂ、Ｂｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｌｉ、及びＬａか
らなる群から選択され、ＭはＲｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ及
びＯｓからなる群から選択される請求項１に記載の強誘
電性素子。 - 【請求項５】 前記下層電極が、ＲｕＯx、ＲｅＯx、Ｒ
ｈＯx、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択され
る導電性酸化物であり、前記強誘電体材料が、チタン酸
ジルコン酸鉛、及びＡＢＯ3型の強誘電性化合物からな
る群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｌａ
又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍ
ｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属する請求項４に記
載の強誘電性素子。 - 【請求項６】 前記上層電極が、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ
及びＡｇからなる群から選択される金属から構成される
請求項１に記載の強誘電性素子。 - 【請求項７】 前記強誘電体層と前記上層電極との間に
配置され、導電性化合物から構成される第２の中間層を
備えている請求項１に記載の強誘電性素子。 - 【請求項８】 前記第２の中間層が前記導電性中間層と
同じ材料から構成される請求項７に記載の強誘電性素
子。 - 【請求項９】 前記基板が、シリコン、サファイヤ、酸
化シリコン、酸化シリコンコーティングを有するシリコ
ン、及びガリウム砒素からなる群から選択される材料か
ら構成される請求項１に記載の強誘電性素子。 - 【請求項１０】 前記強誘電体層、下層電極及び上層電
極が、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、電
子ビーム蒸着法、有機金属分解法又はレーザアブレーシ
ョン法によって堆積される請求項１に記載の強誘電性素
子。 - 【請求項１１】 強誘電性素子を作製する方法であっ
て、 （ａ）基板の表面領域上に導電性酸化物を堆積してセラ
ミック下層電極を形成する工程、 （ｂ）該下層電極上に強誘電体材料からなる強誘電体層
を堆積する工程、 （ｃ）該下層電極及び該強誘電体層をアニールして該下
層電極と該強誘電体層との界面に導電性化合物を生成し
て導電性中間層を形成する工程、及び （ｄ）該強誘電体層の上に導電性上層電極を堆積する工
程 を包含する方法。 - 【請求項１２】 前記強誘電体材料が、チタン酸ジルコ
ン酸鉛、及び形態ＡＢＯ3又はＡＢ’Ｂ”Ｏ3の強誘電性
化合物からなる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂ
ｉ、Ｌｉ、Ｌａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、
Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属す
る請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記下層電極がＲｕＯx、ＲｅＯx、Ｒ
ｈＯx、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択され
る導電性酸化物である請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記導電性中間層が、前記下層電極と
前記強誘電体間の反応によって形成されるＡ2Ｍ2Ｏ
6型、Ａ2Ｍ2Ｏ7-x型又はＡＭＯ3型の化合物からなる群
から選択される導電性化合物から構成されており、ここ
で、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｓｒ、及びＬａからなる群から選
択され、ＭはＲｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＯｓからなる
群から選択される請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１５】 前記下層電極が、ＲｕＯx、ＲｅＯx、
ＲｈＯx、ＩｒＯx、及びＯｓＯxからなる群から選択さ
れる導電性酸化物であり、前記強誘電体材料が、チタン
酸ジルコン酸鉛、及びＡＢＯ3型の強誘電性化合物から
なる群から選択され、ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｌ
ａ又はＳｒからなる群に属し、ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｗ又はＺｒからなる群に属する請求項１４
に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記上層電極が、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ａ
ｕ及びＡｇからなる群から選択される金属から構成され
る請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１７】 前記強誘電体層と前記上層電極との間
に配置され、導電性化合物から構成される第２の中間層
を形成する工程を包含する請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１８】 前記第２の中間層が前記導電性中間層
と同じ材料から構成される請求項１７に記載の方法。 - 【請求項１９】 前記基板が、シリコン、サファイヤ、
酸化シリコン、酸化シリコンコーティングを有するシリ
コン、及びガリウム砒素からなる群から選択される材料
から構成される請求項１１に記載の方法。 - 【請求項２０】 前記堆積する工程が、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ゾル−ゲル法、電子ビーム蒸着法、有機
金属分解法又はレーザアブレーション法によって行われ
る請求項１１に記載の方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US86804592A | 1992-04-13 | 1992-04-13 | |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05086509A Expired - Fee Related JP3095574B2 (ja) | 1992-04-13 | 1993-04-13 | 強誘電性素子、およびその作製方法 |
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|---|---|
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