JP3476845B2 - 誘電体素子及び半導体記憶装置 - Google Patents
誘電体素子及び半導体記憶装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は誘電体装置あるいはＤＲ
ＡＭのキャパシタ、強誘電体キャパシタを用いた不揮発
性メモリの構造に関する。
ＡＭのキャパシタ、強誘電体キャパシタを用いた不揮発
性メモリの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４に示すように、一般式ＡＢＯ3で表
わされるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物誘電体
が２つの電極によって挟まれた構造を有する誘電体素子
に於て、従来は例えばジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ）、１９９１
年、第７０巻、第１号、３８２項〜３８８項に記載され
ていたように、前記Ａ、Ｂ格子が各々１種類の元素から
構成されているか、あるいは少なくとも一方の格子を占
める元素が２元素以上の混晶であっても、前記混晶の組
成比は前記誘電体中に於て一定であり、その特性は例え
ば前記誘電体にＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3）を
用いた場合、Ｚｒの組成比ｘ＝０．５、誘電体膜厚０．
５μｍで残留分極Ｐｒは約１５μＣ／ｃｍ2程度であっ
た。
わされるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物誘電体
が２つの電極によって挟まれた構造を有する誘電体素子
に於て、従来は例えばジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ）、１９９１
年、第７０巻、第１号、３８２項〜３８８項に記載され
ていたように、前記Ａ、Ｂ格子が各々１種類の元素から
構成されているか、あるいは少なくとも一方の格子を占
める元素が２元素以上の混晶であっても、前記混晶の組
成比は前記誘電体中に於て一定であり、その特性は例え
ば前記誘電体にＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3）を
用いた場合、Ｚｒの組成比ｘ＝０．５、誘電体膜厚０．
５μｍで残留分極Ｐｒは約１５μＣ／ｃｍ2程度であっ
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記誘
電体の半導体基板への集積など微細加工化を考えると、
この残留分極の値では不十分であった。この残留分極向
上のためにはＺｒの組成比を増加させることが効果的で
あることが知られている。しかし、Ｚｒの組成比を増加
させることによって誘電体の格子定数が変化するため、
電極との格子マッチングが劣化して誘電体膜と電極との
密着性が悪くなり、結果的に内部応力による膜剥がれ等
を引き起こしていた。
電体の半導体基板への集積など微細加工化を考えると、
この残留分極の値では不十分であった。この残留分極向
上のためにはＺｒの組成比を増加させることが効果的で
あることが知られている。しかし、Ｚｒの組成比を増加
させることによって誘電体の格子定数が変化するため、
電極との格子マッチングが劣化して誘電体膜と電極との
密着性が悪くなり、結果的に内部応力による膜剥がれ等
を引き起こしていた。
【０００４】そこで本発明はかかる問題を解決するもの
で、その目的とするところは前記誘電体に於て残留分極
Ｐｒを向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体構造を提供
することにある。
で、その目的とするところは前記誘電体に於て残留分極
Ｐｒを向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体構造を提供
することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の誘電体素子は、
一般式ＡＢＯ ３ で表されるペロブスカイト結晶構造を有
する酸化物強誘電体が２つの電極によって挟まれた構造
を有する誘電体素子において、前記誘電体が、Ａ格子点
またはＢ格子点の少なくとも一方の格子点を２元素以上
のいずれかで占める混晶よりなり、下部電極と、該下部
電極上に形成された第一の誘電体膜と、該第一の誘電体
膜上に形成された第二の誘電体膜と、該第二の誘電体膜
上に形成された第三の誘電体膜と、前記第三の誘電体膜
上に形成された上部電極とを備え、 前記第一の誘電体膜
の混晶が、前記第二の誘電体膜の混晶と異なる組成であ
って前記下部電極との格子マッチングに優れた組成を有
し、 前記第三の誘電体膜の混晶が、前記第二の誘電体膜
の混晶と異なる組成であって前記上部電極との格子マッ
チングに優れた組成を有し、 前記第二の誘電体膜が前記
第一の誘電体膜よりも厚く形成され、 前記誘電体がチタ
ン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ ｘ Ｔｉ １−ｘ ）Ｏ ３ ）で
あって、前記第二の誘電体膜においてジルコンの組成比
Xが０．８であり、ジルコンの組成比Xが、前記第一の誘
電体膜において前記第二の誘電体膜よりも小さく、 前記
下部電極が白金からなることを特徴とする。
一般式ＡＢＯ ３ で表されるペロブスカイト結晶構造を有
する酸化物強誘電体が２つの電極によって挟まれた構造
を有する誘電体素子において、前記誘電体が、Ａ格子点
またはＢ格子点の少なくとも一方の格子点を２元素以上
のいずれかで占める混晶よりなり、下部電極と、該下部
電極上に形成された第一の誘電体膜と、該第一の誘電体
膜上に形成された第二の誘電体膜と、該第二の誘電体膜
上に形成された第三の誘電体膜と、前記第三の誘電体膜
上に形成された上部電極とを備え、 前記第一の誘電体膜
の混晶が、前記第二の誘電体膜の混晶と異なる組成であ
って前記下部電極との格子マッチングに優れた組成を有
し、 前記第三の誘電体膜の混晶が、前記第二の誘電体膜
の混晶と異なる組成であって前記上部電極との格子マッ
チングに優れた組成を有し、 前記第二の誘電体膜が前記
第一の誘電体膜よりも厚く形成され、 前記誘電体がチタ
ン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ ｘ Ｔｉ １−ｘ ）Ｏ ３ ）で
あって、前記第二の誘電体膜においてジルコンの組成比
Xが０．８であり、ジルコンの組成比Xが、前記第一の誘
電体膜において前記第二の誘電体膜よりも小さく、 前記
下部電極が白金からなることを特徴とする。
【０００６】
前記誘電体素子であって、前記第一の誘電
体膜のジルコンの組成比Ｘが０．５であることを特徴と
する。
体膜のジルコンの組成比Ｘが０．５であることを特徴と
する。
【０００７】
前記誘電体素子であって、前記第三の誘電
体膜のジルコンの組成比Ｘが前記第一の誘電体膜と実質
的に同じであり、前記上部電極が白金からなることを特
徴とする。 また、本発明の半導体記憶装置は、前記誘
電体素子を用いたことを特徴とする。
体膜のジルコンの組成比Ｘが前記第一の誘電体膜と実質
的に同じであり、前記上部電極が白金からなることを特
徴とする。 また、本発明の半導体記憶装置は、前記誘
電体素子を用いたことを特徴とする。
【０００８】
【作用】本発明に於ける誘電体装置の構成によれば、電
極付近に於いては格子マッチングに優れた組成、誘電体
中央部に於いては分極特性に優れた組成とすることで、
残留分極Ｐｒを向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体を
実現することができる。
極付近に於いては格子マッチングに優れた組成、誘電体
中央部に於いては分極特性に優れた組成とすることで、
残留分極Ｐｒを向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体を
実現することができる。
【０００９】
【実施例】以下に本発明に於ける実施例を図に従って説
明する。
明する。
【００１０】図１は本発明の誘電体装置を半導体基板上
に形成した場合の第１の実施例の工程断面図である。能
動素子の形成された半導体基板１０１上に形成された第
１の層間絶縁膜１０２上に、白金（Ｐｔ）０．２μｍを
ＤＣスパッタ法にて成膜し、フォトレジストをマスクと
したフォト・リソグラフィとドライエッチング法を用い
て下部電極を形成する。次にＰＺＴ（ｘ＝０．５）０．
１μｍを成膜した後、ＰＺＴ（ｘ＝０．８）０．３μ
ｍ、続いてＰＺＴ（ｘ＝０．５）０．１μｍを各々ＲＦ
スパッタ法で成膜する。そして前記上部電極と同様にフ
ォト・リソグラフィとドライエッチング法を用いて誘電
体膜とした後、ＤＣスパッタ法でＰｔ膜を０．２μｍ成
膜して、フォト〜ドライエッチング工程を経て、上部電
極１０７とする。この後、気相成長法（ＣＶＤ法）によ
り二酸化珪素膜を成膜して第２の層間絶縁膜１０８と
し、次いでＡｌ配線層１０９の成膜、フォトリソグラフ
ィ、エッチングを経た後、ＣＶＤ法によって保護膜１１
０を形成して図１（ｅ）に示すような断面構造を得た。
本実施例において作成した誘電体装置において、その残
留分極Ｐｒを測定したところ印加電圧５Ｖで約３０μＣ
／ｃｍ2と従来に比べて大幅に向上した。また膜剥がれ
が無いだけでなく、膜疲労特性も改善され、印加電圧５
Ｖにおいて１０10回の分極反転を繰り返しても残留分極
の劣化は１０％程度であった。
に形成した場合の第１の実施例の工程断面図である。能
動素子の形成された半導体基板１０１上に形成された第
１の層間絶縁膜１０２上に、白金（Ｐｔ）０．２μｍを
ＤＣスパッタ法にて成膜し、フォトレジストをマスクと
したフォト・リソグラフィとドライエッチング法を用い
て下部電極を形成する。次にＰＺＴ（ｘ＝０．５）０．
１μｍを成膜した後、ＰＺＴ（ｘ＝０．８）０．３μ
ｍ、続いてＰＺＴ（ｘ＝０．５）０．１μｍを各々ＲＦ
スパッタ法で成膜する。そして前記上部電極と同様にフ
ォト・リソグラフィとドライエッチング法を用いて誘電
体膜とした後、ＤＣスパッタ法でＰｔ膜を０．２μｍ成
膜して、フォト〜ドライエッチング工程を経て、上部電
極１０７とする。この後、気相成長法（ＣＶＤ法）によ
り二酸化珪素膜を成膜して第２の層間絶縁膜１０８と
し、次いでＡｌ配線層１０９の成膜、フォトリソグラフ
ィ、エッチングを経た後、ＣＶＤ法によって保護膜１１
０を形成して図１（ｅ）に示すような断面構造を得た。
本実施例において作成した誘電体装置において、その残
留分極Ｐｒを測定したところ印加電圧５Ｖで約３０μＣ
／ｃｍ2と従来に比べて大幅に向上した。また膜剥がれ
が無いだけでなく、膜疲労特性も改善され、印加電圧５
Ｖにおいて１０10回の分極反転を繰り返しても残留分極
の劣化は１０％程度であった。
【００１１】図２は本発明の誘電体としてＢａXＳｒ1-X
ＴｉＯ3を半導体基板上に形成した場合の工程断面図で
ある。能動素子の形成された半導体基板２０１上に形成
された第１の層間絶縁膜２０２上に、白金（Ｐｔ）０．
２μｍをＤＣスパッタ法にて成膜し、フォトレジストを
マスクとしたフォト・リソグラフィとドライエッチング
法を用いて下部電極を形成する。次にＢａXＳｒ1-XＴｉ
Ｏ3をＲＦスパッタ法にて０．１μｍ成膜する。但し、
ＢａとＳｒの混晶組成比Ｘはスパッタ時のガス圧を変化
させることによって、図３のような勾配を描くように制
御した。その後、ＤＣスパッタ法でＰｔ膜を０．２μｍ
成膜して、前記下部電極と同様にフォト〜ドライエッチ
ング工程を経て、上部電極２０５とする。この後、気相
成長法（ＣＶＤ法）により二酸化珪素膜を成膜して第２
の層間絶縁膜２０６とし、次いでＡｌ配線層２０７の成
膜、フォトリソグラフィ、エッチングを経た後、ＣＶＤ
法によって保護膜２０８を形成して図２（ｄ）に示すよ
うな断面構造を得た。本実施例において作成した誘電体
装置において誘電体膜として使用したＢａXＳｒ1-XＴｉ
Ｏ3は自発分極を持たないため、容量密度を測定したと
ころ約６０ｆＦ／μｍ2と従来に比べて大幅に向上し
た。また、本実施例においてはリーク電流も１．５Ｖで
１０-9Ａ／ｃｍ2程度と低い。
ＴｉＯ3を半導体基板上に形成した場合の工程断面図で
ある。能動素子の形成された半導体基板２０１上に形成
された第１の層間絶縁膜２０２上に、白金（Ｐｔ）０．
２μｍをＤＣスパッタ法にて成膜し、フォトレジストを
マスクとしたフォト・リソグラフィとドライエッチング
法を用いて下部電極を形成する。次にＢａXＳｒ1-XＴｉ
Ｏ3をＲＦスパッタ法にて０．１μｍ成膜する。但し、
ＢａとＳｒの混晶組成比Ｘはスパッタ時のガス圧を変化
させることによって、図３のような勾配を描くように制
御した。その後、ＤＣスパッタ法でＰｔ膜を０．２μｍ
成膜して、前記下部電極と同様にフォト〜ドライエッチ
ング工程を経て、上部電極２０５とする。この後、気相
成長法（ＣＶＤ法）により二酸化珪素膜を成膜して第２
の層間絶縁膜２０６とし、次いでＡｌ配線層２０７の成
膜、フォトリソグラフィ、エッチングを経た後、ＣＶＤ
法によって保護膜２０８を形成して図２（ｄ）に示すよ
うな断面構造を得た。本実施例において作成した誘電体
装置において誘電体膜として使用したＢａXＳｒ1-XＴｉ
Ｏ3は自発分極を持たないため、容量密度を測定したと
ころ約６０ｆＦ／μｍ2と従来に比べて大幅に向上し
た。また、本実施例においてはリーク電流も１．５Ｖで
１０-9Ａ／ｃｍ2程度と低い。
【００１２】以上で述べた実施例においては誘電体材料
としてＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3、（ＢａＳｒ）ＴｉＯ3を用
いたが、その他の前記誘電体材料として（ＰｂＬａ）
（ＺｒＴｉ）Ｏ3、Ｐｂ（ＭｎＮｂ）Ｏ3、（ＰｂＢａ）
ＴｉＯ3等を用いても効果的である。
としてＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3、（ＢａＳｒ）ＴｉＯ3を用
いたが、その他の前記誘電体材料として（ＰｂＬａ）
（ＺｒＴｉ）Ｏ3、Ｐｂ（ＭｎＮｂ）Ｏ3、（ＰｂＢａ）
ＴｉＯ3等を用いても効果的である。
【００１３】また、前記誘電体の混晶組成比を一方の電
極付近においてのみ変化させても有効であり、前記混晶
組成比の変化は第１の実施例のように段階的でも第２の
実施例のように連続的でもよい。さらにまた、前記誘電
体の成膜方法は、スパッタ法以外に、気相成長（ＣＶ
Ｄ）法、ゾル・ゲル法等を用いてもよい。
極付近においてのみ変化させても有効であり、前記混晶
組成比の変化は第１の実施例のように段階的でも第２の
実施例のように連続的でもよい。さらにまた、前記誘電
体の成膜方法は、スパッタ法以外に、気相成長（ＣＶ
Ｄ）法、ゾル・ゲル法等を用いてもよい。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明による誘電体
装置においては格子マッチングを犠牲にすることがない
ため膜剥がれもなく、且つ誘電体中央部においては分極
特性に優れた組成比であるため、残留分極Ｐｒ、容量密
度を大きく向上させることができた。またリーク電流も
少なく、信頼性に優れたＤＲＡＭあるいは強誘電体を用
いた不揮発性メモリのキャパシタを実現できるものであ
る。
装置においては格子マッチングを犠牲にすることがない
ため膜剥がれもなく、且つ誘電体中央部においては分極
特性に優れた組成比であるため、残留分極Ｐｒ、容量密
度を大きく向上させることができた。またリーク電流も
少なく、信頼性に優れたＤＲＡＭあるいは強誘電体を用
いた不揮発性メモリのキャパシタを実現できるものであ
る。
【図１】 本発明における第１の実施例の工程断面図。
【図２】 本発明における第２の実施例の工程断面図。
【図３】 本発明における第２の実施例の誘電体中での
混晶組成比変化の図。
混晶組成比変化の図。
【図４】 従来技術における誘電体素子の断面図。
半導体基板 １０１、２０
１、４０１ 第１の層間絶縁膜 １０２、２０
２、４０２ 下部電極 １０３、２０
３、４０３ 誘電体膜１（ＰＺＴ（ｘ＝０．５）） １０４、４０４ 誘電体膜２（ＰＺＴ（ｘ＝０．８）） １０５ 誘電体膜３（ＰＺＴ（ｘ＝０．５）） １０６ 誘電体膜（ＢａXＳｒ1-XＴｉＯ3） ２０４ 上部電極 １０７、２０
５、４０５ 第２の層間絶縁膜 １０８、２０
６、４０６ Ａｌ配線層 １０９、２０
７、４０７ 保護膜 １１０、２０
８、４０８
１、４０１ 第１の層間絶縁膜 １０２、２０
２、４０２ 下部電極 １０３、２０
３、４０３ 誘電体膜１（ＰＺＴ（ｘ＝０．５）） １０４、４０４ 誘電体膜２（ＰＺＴ（ｘ＝０．８）） １０５ 誘電体膜３（ＰＺＴ（ｘ＝０．５）） １０６ 誘電体膜（ＢａXＳｒ1-XＴｉＯ3） ２０４ 上部電極 １０７、２０
５、４０５ 第２の層間絶縁膜 １０８、２０
６、４０６ Ａｌ配線層 １０９、２０
７、４０７ 保護膜 １１０、２０
８、４０８
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 27/105
29/788
29/792
(56)参考文献 特開 平４−171976（ＪＰ，Ａ)
岡崎清「第４版セラミック誘電体工学
（強誘電体物理学演習捕捉）」（株）学
献社 1992年６月１日発行 Ｐ．580−
582
Claims (4)
- 【請求項１】 一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイ
ト結晶構造を有する酸化物強誘電体が２つの電極によっ
て挟まれた構造を有する誘電体素子において、 前記誘電体が、Ａ格子点またはＢ格子点の少なくとも一
方の格子点を２元素以上のいずれかで占める混晶よりな
り、下部電極と、 該下部電極上に形成された第一の誘電体膜と、 該第一の誘電体膜上に形成された第二の誘電体膜と、 該第二の誘電体膜上に形成された第三の誘電体膜と、 前記第三の誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、 前記第一の誘電体膜の混晶が、前記第二の誘電体膜の混
晶と異なる組成であって前記下部電極との格子マッチン
グに優れた組成を有し、 前記第三の誘電体膜の混晶が、前記第二の誘電体膜の混
晶と異なる組成であって前記上部電極との格子マッチン
グに優れた組成を有し、 前記第二の誘電体膜が前記第一の誘電体膜よりも厚く形
成され、 前記誘電体がチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ ｘ Ｔｉ
１−ｘ ）Ｏ ３ ） であって、前記第二の誘電体膜においてジルコンの組成比Xが０．
８であり、 ジルコンの組成比Xが、前記第一の誘電体膜において前
記第二の誘電体膜よりも小さく、 前記下部電極が白金からなる ことを特徴とする誘電体素
子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の誘電体素子であって、
前記第一の誘電体膜のジルコンの組成比Ｘが０．５であ
ることを特徴とする誘電体素子。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の誘電体素子で
あって、前記第三の誘電体膜のジルコンの組成比Ｘが前
記第一の誘電体膜と実質的に同じであり、前記上部電極
が白金からなることを特徴とする誘電体素子。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の誘
電体素子を用いたことを特徴とする半導体記憶装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14952592A JP3476845B2 (ja) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | 誘電体素子及び半導体記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14952592A JP3476845B2 (ja) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | 誘電体素子及び半導体記憶装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11162684A Division JP2000031399A (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | 誘電体素子及び半導体記憶装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05343697A JPH05343697A (ja) | 1993-12-24 |
| JP3476845B2 true JP3476845B2 (ja) | 2003-12-10 |
Family
ID=15477045
Family Applications (1)
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| JP14952592A Expired - Lifetime JP3476845B2 (ja) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | 誘電体素子及び半導体記憶装置 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP3476845B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1992
- 1992-06-09 JP JP14952592A patent/JP3476845B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 岡崎清「第４版セラミック誘電体工学（強誘電体物理学演習捕捉）」（株）学献社 １９９２年６月１日発行 Ｐ．５８０−５８２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05343697A (ja) | 1993-12-24 |
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