JP3583638B2 - Ferroelectric capacitor and method of manufacturing the same - Google Patents

Ferroelectric capacitor and method of manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,強誘電体キャパシタおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体キャパシタを構成する強誘電体物質としては,チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(Zr1−xTi)O(以下,「PZT」という。),Bi層状化合物:SrBiTa(以下,「SBT」という。)などの酸化物結晶が多く用いられている。このため,強誘電体物質によって形成された強誘電体層に接する電極には,耐酸化性に優れた金属または導電性酸化物が用いられていた。
【0003】
従来,耐酸化性に優れた金属で形成された金属電極を備えた強誘電体キャパシタの場合,例えば,上部電極はPtによって形成され,下部電極はPt層およびTi層の積層(以下,「Pt/Ti積層」という。)によって形成されていた。ここで,Ti層は,下部電極の下地となる層がSiO層である場合に,Pt層とSiO層との密着性を向上させるために用いられている。
【0004】
一方,IrOやRuOなどの導電性酸化物を上下電極に用いた場合,Pt電極に比べて拡散に対するバリア効果が向上する。また,これらの導電性酸化物は,水素に対する触媒作用も示さないため,強誘電体キャパシタの疲労特性の向上や耐水素性が向上することになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,一般に,IrOやRuOなどの導電性酸化物は,Ptに比べて結晶配向性が劣るため,導電性酸化物の上に形成された強誘電体膜の結晶性は,Pt層の上に形成された場合に比べて劣ることになる。この結果,導電性酸化物電極を有する強誘電体キャパシタは,Pt電極を有する強誘電体キャパシタに比べて,強誘電特性が劣っていた。また,導電性酸化物電極の抵抗率がPt電極の抵抗率に対して1桁程度大きいことも,電気的特性の点から問題とされていた。
【0006】
本発明は,上記のような問題点に鑑みてなされたものであり,その目的は,優れたヒステリシス特性,残留分極飽和特性,疲労特性,および耐還元性を有する強誘電体キャパシタおよびその製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,強誘電体層,一の電極,および他の電極を有する強誘電体キャパシタが提供される。そして,この強誘電体キャパシタにおける強誘電体層は,チタン酸ジルコン酸鉛から構成され,一の電極は,Pt層とTi層とが積層されたPt/Ti積層を含むことを特徴としている。かかる構成において,Pt/Ti積層が形成された後に熱処理を施すことによって,Pt層の表面にTi層からのTiが熱拡散される。その後,Pt/Ti積層に対して,強誘電体層を積層させることによって,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛における余剰PbとPt層表面のTiとが反応し,チタン酸鉛が形成されることになる。このチタン酸鉛は,<111>軸に配向しており,結果的に強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛も<111>軸に強く配向させることが可能となる。また,Ti層からのTiの熱拡散によって,Pt層の格子定数が増加するため,Pt層の(111)面と,チタン酸ジルコン酸鉛から成る強誘電体層の(111)面の格子整合が良好となる。
【0008】
また,上記課題を解決するために,本発明の第2の観点によれば,強誘電体層,一の電極,および他の電極を有する強誘電体キャパシタが提供される。そして,強誘電体層は,チタン酸ジルコン酸鉛から構成され,一の電極,および,他の電極の少なくとも一方は,強誘電体層に接するチタン酸鉛層を含むことを特徴としている。チタン酸鉛は,<111>軸に配向しており,チタン酸鉛から成るチタン酸鉛層は,強誘電体層に接しているため,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛を<111>軸に強く配向させることが可能となる。特に,一の電極および他の電極の両方に,チタン酸鉛層を備えることによって,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛をより均一に結晶化させることが可能となる。
【0009】
そして,一の電極は,Pt層を含み,一の電極に含まれるチタン酸鉛層は,一の面において,強誘電体層に接し,他の面において,Pt層に接することが好ましい。Ptは,自己配向性が強いため,チタン酸鉛層を構成するチタン酸鉛の<111>軸結晶配向性を向上させることが可能となる。さらに,チタン酸鉛層に接する強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛の<111>軸優先配向度を増加させることが可能となる。
【0010】
一の電極,および,他の電極の少なくとも一方は,Au層,あるいは,Ag層を含むことが好ましい。AuおよびAgは,耐酸化性に優れ,また,水素に対する触媒効果を持たないため,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛の組成を安定させることが可能となる。また,AuおよびAgは,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛の(111)面との結晶整合が良好であるため,例えば,Au層またはAg層を強誘電体層に接するように形成すれば,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛をより均一に結晶化させることが可能となる。
【0011】
また,一の電極,および,他の電極の少なくとも一方は,イリジウム酸化物層を含むことが好ましい。かかる構成によれば,熱処理時および電界印加時における強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛の構成原子の拡散が防止され,また,耐還元性も向上することになる。
【0012】
上記課題を解決するために,本発明の第3の観点によれば,強誘電体層,一の電極,および他の電極を有する強誘電体キャパシタの製造方法が提供される。そして,この製造方法は,一の電極を構成するTi層を形成する工程と,Ti層に対して,一の電極を構成するPt層を積層する工程と,熱処理を施す工程と,チタン酸ジルコン酸鉛から成る強誘電体層を形成する工程と,他の電極を形成する工程とを含むことを特徴としている。かかる製造方法によれば,Pt層とTi層が積層されたところで,熱処理が施され,かかる熱処理によって,Pt層の表面にTi層からのTiが熱拡散される。その後の工程において,Pt/Ti積層に対して,強誘電体層がさらに積層され,強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛における余剰PbとPt層表面のTiとが反応し,チタン酸鉛が形成されることになる。このチタン酸鉛は,<111>軸に配向しており,結果的に強誘電体層を構成するチタン酸ジルコン酸鉛を<111>軸に強く配向させることが可能となる。また,Ti層からのTiの熱拡散によって,Pt層の格子定数が増加するため,Pt層の(111)面と,チタン酸ジルコン酸鉛から成る強誘電体層の(111)面の格子整合が良好となる。
【0013】
上記課題を解決するために,本発明の第4の観点によれば,強誘電体層,一の電極,および他の電極を有する強誘電体キャパシタの製造方法が提供される。そして,この製造方法は,一の電極を形成する工程と,強誘電体層を形成する工程と,他の電極を構成する保護層を形成する工程と,瞬時熱アニールを行う工程とを含むことを特徴としている。かかる製造方法によれば,強誘電体層は,保護層が形成された後にアニール処理されることになる。そして,この保護層として,Au層あるいはAg層を用いることが可能である。AuおよびAgは,耐酸化性に優れているとともに水素に対する触媒効果を持たないため,アニール処理による強誘電体層の組成変化が防止されることになる。そして,瞬時熱アニールが用いられているため,熱拡散による強誘電体層の構成原子の組成ずれを最小限に抑えることが可能となる。また,例えば,強誘電体層がチタン酸ジルコン酸鉛によって構成された場合,AuおよびAgは,かかるチタン酸ジルコン酸鉛の(111)面に対して結晶整合が良好であるため,チタン酸ジルコン酸鉛を均一に結晶化させることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら,本発明にかかる強誘電体キャパシタおよびその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,以下の説明および添付された図面において,略同一の機能および構成を有する構成要素については,同一符号を付することによって重複説明を省略する。
【0015】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1の構成およびその製造方法について,図1を用いて説明する。
【0016】
まず,Si基板100上にSiO層200(約200nm)を形成する。
【0017】
次に,IrO層10,Ti層20,およびPt層30から成る下部電極を形成する。SiO層200の上にIrO層10(約150〜200nm)を反応性スパッタ法によって形成する。その上にTi層20(約10〜20nm)をスパッタ法で形成し,さらにその上にPt層30(約200nm)をスパッタ法で形成する。
【0018】
ここで,電気炉において,約350℃,約15分間の熱処理を行う。この熱処理の目的は,Ti層20からPt層30に対してTiを熱拡散させることと,Ptの格子定数を増加させることにある。
【0019】
熱処理後,強誘電体物質であるPZTから成るPZT層35をPt層30の上に形成し,結晶化アニールを行う。
【0020】
最後に上部電極としてのIrO層40を形成する。
【0021】
以上のように構成された第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1において,下部電極の最上層にPtから構成されたPt層30を用いる最大の理由は,PZT層35を<111>軸に優先配向させるためである。Ptは,<111>軸への自己配向性が強いため,Pt(111)面と格子整合の良いPZT結晶が成長し易くなると考えられる。PZT(111)面は,このPt(111)面に対応しているため,Pt層30上に形成されるPZT層35は,<111>軸に優先配向することになる。
【0022】
以上のようなPt層30およびTi層20から成る下部電極と異なり,SiO層200上に直接Pt層30を積層させ,Pt層30のみから成る下部電極を形成した場合,図2に示すX線回折の結果から明らかなように,PZT層35の<111>軸への優先配向は弱まる。なお,図2において,実線は,Pt/Ti積層の上に形成されたPZT層のX線回折パターンを示し,破線は,Pt層の上に形成されたPZT層のX線回折パターンを示している。
【0023】
また,図3のヒステリシス特性,図4の残留分極飽和特性にも明確な差異が現れる。なお,図3,図4において,黒丸によるプロットは,Pt/Ti積層の上に形成されたPZT層の特性を示し,白三角によるプロットは,Pt層の上に形成されたPZT層の特性を示している。このように,PZT層35の<111>軸への優先配向度が高い程,ヒステリシス特性や残留分極飽和特性等の強誘電特性が向上する。
【0024】
PZT層35に接触する面がPt層30であっても,Ti層20の有無によって強誘電特性に差が生じる原因として,PZTの結晶成長メカニズムが関与していると考えられる。上述のように第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1の製造工程において,Ti層20およびPt層30を積層させたところで熱処理が行われている。この熱処理によって,Ti層20を構成するTiがPt層30の表面,すなわち後にPZT層35が形成される面にまで熱拡散する。Pt層30の表面に拡散したTiは,PZT層35における余剰Pbと反応して,比較的結晶化温度の低いチタン酸鉛PbTiO(以下,「PTO」という。)が形成される。すなわち,Ti層20は,PZT層35とPt層30との界面にPTOを間接的に生成するために機能する。そして,<111>軸に配向したPTOを核として,PZT層35の結晶化が進むと考えられる。
【0025】
以上のように,第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1によれば,Pt/Ti積層を含む下部電極に対して熱処理が施され,Pt層30とPZT層35との界面にPTOが生成されることになり,結果的に,PTOからPZT層35へのいわゆるヘテロエピタキシャル的な成長が実現する。
【0026】
また,Ti層20からのTiの熱拡散によってPt層30の格子定数が増大するため,Pt層30の(111)面とPZT層35の(111)面の格子整合がさらに良好となる。
【0027】
さらに,第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1に備えられたIrO層10およびIrO層40は,熱処理時および電界印加時におけるPZT層35の構成原子の拡散を防止するとともに耐還元性を向上させる。
【0028】
以上のように,第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1は,従来の強誘電体キャパシタに対して,ヒステリシス特性,残留分極飽和特性,疲労特性,および耐還元性が向上することになる。さらに,電極の抵抗率は,従来のIrO単層電極に比べ大幅に低下する。
【0029】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2について,図5を用いて説明する。
【0030】
第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2は,第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1に対して,Pt層30およびTi層20に代えて,PTO層33を備えた構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ2は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,PTO層33,PZT層35,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。
【0031】
第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1は,Pt層30の表面にTi層20のTiを熱拡散させ,かかるTiとPZT層35の余剰Pbとを反応させることで,いわば間接的にPTO結晶核を生成することを特徴としている。しかし,Pt層30におけるTiの拡散は速く,所定の核生成密度となるように制御することは容易ではない。
【0032】
これに対して,第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2は,下部電極を構成するIrO層10上に,PZT層35の結晶核となるPTO層33が薄く(数十Å程度)形成されている。このPTO層33によって,核生成密度の制御が容易化され,結果的に非常に密で均一なPZT結晶を形成することが可能となる。
【0033】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ3について,図6を用いて説明する。
【0034】
第3の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ3は,第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2に対して,PTO層33とIrO層10との間に,Pt層30が追加された構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ3は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,Pt層30,PTO層33,PZT層35,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。
【0035】
第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2は,IrO層10の上に直接PTO層33が形成されている。しかし,PTO層33の<111>軸結晶配向性は低いため,その上に形成されるPZT層35も十分な<111>軸結晶配向性が得られない。この点,第3の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ3は,自己配向性の強いPt層30が,PTO層33とIrO層10の間に形成されているため,PTO層33の<111>軸結晶配向性が改善され,これに伴いPZT層35の<111>軸優先配向度も増すことになる。したがって,第3の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ3によれば,高いヒステリシス特性,残留分極飽和特性,疲労特性,および耐還元性が得られる。
【0036】
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ4について,図7を用いて説明する。
【0037】
第4の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ4は,第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ1に対して,上部電極を構成するIrO層40とPZT層35との間に,Au層38が追加された構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ4は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,Ti層20,Pt層30,PZT層35,Au層38,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。そして,PZT層35の結晶化アニールは,Au層38が形成された後,酸素雰囲気中において,瞬時熱アニール(以下,「RTA」という。)処理(700℃,1分間)によって行われる。
【0038】
従来,強誘電体の結晶化アニールは,強誘電体膜形成直後に行われていた。このため,強誘電体は,下部電極のみの影響を受けて結晶化し,結晶粒が大きく,また,深さ方向に組成の異なる結晶となりやすかった。この点,第4の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ4は,上部電極を構成するものとして,PZT層35の(111)面との結晶整合が良好で,耐酸化性に優れ,かつ水素に対する触媒効果を持たないAu層38が用いられている。そして,このAu層38が形成された後に結晶化アニールが実行される。したがって,上下電極双方からの影響を受けつつPZT層35を構成する強誘電体が結晶化し,結晶粒の小さい密な強誘電体膜が形成されることになる。なお,Au層38に代えて,Agから成るAg層を用いてもよい。
【0039】
また,結晶化アニールとしてRTAが用いられているため,構成原子の熱拡散による強誘電体膜の組成ずれが最小限に抑えられることになる。図8に示すように,電気炉アニールを用いた場合(図中破線)に対して,RTAを用いた場合(図中実線),上下電極の<111>軸配向性がより強く反映され,<111>軸に優先配向したPZT層35が形成される。
【0040】
(第5の実施の形態)
第5の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ5について,図9を用いて説明する。
【0041】
第5の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ5は,第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2に対して,上部電極を構成するIrO層40とPZT層35との間に,Au層38が追加された構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ5は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,PTO層33,PZT層35,Au層38,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。そして,PZT層35の結晶化アニールは,Au層38が形成された後,酸素雰囲気中において,RTA処理(700℃,1分間)によって行われる。
【0042】
第5の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ5は,上部電極を構成するものとして,PZT層35の(111)面との結晶整合が良好で,耐酸化性に優れ,かつ水素に対する触媒効果を持たないAu層38が用いられている。そして,このAu層38が形成された後に結晶化アニールが実行される。したがって,上下電極双方からの影響を受けつつPZT層35を構成する強誘電体が結晶化し,第4の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ4と同様に結晶粒の小さい密な強誘電体膜が形成されることになる。なお,Au層38に代えて,Agから成るAg層を用いてもよい。
【0043】
また,結晶化アニールとしてRTAが用いられているため,構成原子の熱拡散による強誘電体膜の組成ずれが最小限に抑えられることになる。図8に示すように,電気炉アニールを用いた場合(図中破線)に対して,RTAを用いた場合(図中実線),上下電極の<111>軸配向性がより強く反映され,<111>軸に優先配向したPZT層35が形成される。
【0044】
さらに,第5の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ5は,下部電極を構成するIrO層10上に,PZT層35の結晶核となるPTO層33が薄く(例えば,数十Å〜100Å)形成されている。このPTO層33によって,核生成密度の制御が容易化され,結果的に非常に密で均一なPZT結晶を形成することが可能となる。
【0045】
(第6の実施の形態)
第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6について,図10を用いて説明する。
【0046】
第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6は,第3の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ3に対して,上部電極を構成するIrO層40とPZT層35との間に,Au層38が追加された構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ6は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,Pt層30,PTO層33,PZT層35,Au層38,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。そして,PZT層35の結晶化アニールは,Au層38が形成された後,酸素雰囲気中において,RTA処理(700℃,1分間)によって行われる。
【0047】
第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6は,上部電極を構成するものとして,PZT層35の(111)面との結晶整合が良好で,耐酸化性に優れ,かつ水素に対する触媒効果を持たないAu層38が用いられている。そして,このAu層38が形成された後に結晶化アニールが実行される。したがって,上下電極双方からの影響を受けつつPZT層35を構成する強誘電体が結晶化し,第4,5の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ4,5と同様に結晶粒の小さい密な強誘電体膜が形成されることになる。なお,Au層38に代えて,Agから成るAg層を用いてもよい。
【0048】
また,結晶化アニールとしてRTAが用いられているため,構成原子の熱拡散による強誘電体膜の組成ずれが最小限に抑えられることになる。図8に示すように,電気炉アニールを用いた場合(図中破線)に対して,RTAを用いた場合(図中実線),上下電極の<111>軸配向性がより強く反映され,<111>軸に優先配向したPZT層35が形成される。
【0049】
さらに,第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6は,自己配向性の強いPt層30が,PTO層33とIrO層10の間に形成されているため,PTO層33の<111>軸結晶配向性が改善され,これに伴いPZT層35の<111>軸優先配向度も増すことになる。したがって,第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6によれば,高いヒステリシス特性,残留分極飽和特性,疲労特性,および耐還元性が得られる。
【0050】
(第7の実施の形態)
第7の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ7について,図11を用いて説明する。
【0051】
第7の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ7は,第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2に対して,上部電極を構成するIrO層40とPZT層35との間にPTO層37が追加された構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ7は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,PTO層33,PZT層35,PTO層37,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。
【0052】
第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2は,下部電極を構成するIrO層10上に,PZT層35の結晶核となるPTO層33が薄く(例えば,数十Å〜100Å)形成されている。このPTO層33によって,核生成密度の制御が容易化され,結果的に非常に密で均一なPZT結晶粒を形成することが可能となる。
【0053】
これに加えて,第7の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ7は,PZT層35と上部電極を構成するIrO層40との間に,PTO層37が形成されている。このため,PZT層35は,下方のPTO層33のみならず上方のPTO層37を核として結晶化することになる。したがって,第7の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ7によれば,第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ2に対して,さらに密で均一なPZT結晶粒から成るPZT層35が形成されることになる。
【0054】
(第8の実施の形態)
第8の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ8について,図12を用いて説明する。
【0055】
第8の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ8は,第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6に対して,上部電極を構成するAu層38とPZT層35との間にPTO層37が追加された構成を有するものである。すなわち,この強誘電体キャパシタ8は,Si基板100に対して,SiO層200,IrO層10,Pt層30,PTO層33,PZT層35,PTO層37,Au層38,およびIrO層40が順次積層されて成るものである。
【0056】
第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6は,上述のように,自己配向性の強いPt層30が,PTO層33とIrO層10の間に形成されているため,PTO層33の<111>軸結晶配向性が改善され,これに伴いPZT層35の<111>軸優先配向度も増すことになる。したがって,第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6によれば,高いヒステリシス特性,残留分極飽和特性,疲労特性,および耐還元性が得られる。
【0057】
これに加えて,第8の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ7は,PZT層35と上部電極を構成するAu層38との間に,PTO層37が形成されている。このため,PZT層35は,下方のPTO層33のみならず上方のPTO層37を核として結晶化することになり,<111>軸優先配向度が向上する。したがって,第8の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ8によれば,第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ6に対して,さらに密で均一なPZT結晶粒から成るPZT層35が形成されることになる。なお,Au層38に代えて,Agから成るAg層を用いてもよい。
【0058】
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0059】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明にかかる強誘電体キャパシタおよびその製造方法によれば,ヒステリシス特性,残留分極飽和特性,疲労特性,および耐還元性等の電気的特性,および,耐環境性が向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図2】Pt層の上に形成されたPZT層のX線回折パターン,および,Pt/Ti積層の上に形成されたPZT層のX線回折パターンを示す特性図である。
【図3】Pt層の上に形成されたPZT層のヒステリシス特性,および,Pt/Ti積層の上に形成されたPZT層のヒステリシス特性を示す特性図である。
【図4】Pt層の上に形成されたPZT層の残留分極飽和特性,および,Pt/Ti積層の上に形成されたPZT層の残留分極飽和特性を示す特性図である。
【図5】第2の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図6】第3の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図7】第4の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図8】Pt層の上に形成されたPZT層の電気炉アニール後のX線回折パターン,および,RTAアニール後のX線回折パターンを示す特性図である。
【図9】第5の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図10】第6の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図11】第7の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【図12】第8の実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 強誘電体キャパシタ
10 IrO
20 Ti層
30 Pt層
33 PTO層
35 PZT層
37 PTO層
38 Au層
40 IrO
100 Si基板
200 SiO
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ferroelectric capacitor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Ferroelectric materials constituting the ferroelectric capacitor include lead zirconate titanate: Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (Hereinafter referred to as “PZT”), Bi layered compound: SrBi 2 Ta 2 O 9 (Hereinafter, referred to as “SBT”) are often used. For this reason, a metal or conductive oxide having excellent oxidation resistance has been used for an electrode in contact with a ferroelectric layer formed of a ferroelectric substance.
[0003]
Conventionally, in the case of a ferroelectric capacitor provided with a metal electrode formed of a metal having excellent oxidation resistance, for example, an upper electrode is formed of Pt, and a lower electrode is formed by stacking a Pt layer and a Ti layer (hereinafter, referred to as “Pt”). / Ti lamination "). Here, the Ti layer is formed by forming the underlying layer of the lower electrode from SiO 2. 2 If it is a layer, a Pt layer and SiO 2 It is used to improve the adhesion to the layer.
[0004]
On the other hand, IrO 2 And RuO 2 When a conductive oxide such as this is used for the upper and lower electrodes, the barrier effect against diffusion is improved as compared with the Pt electrode. In addition, since these conductive oxides do not show a catalytic action on hydrogen, the fatigue characteristics and hydrogen resistance of the ferroelectric capacitor are improved.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, IrO 2 And RuO 2 Since conductive oxides such as have a lower crystal orientation than Pt, the crystallinity of the ferroelectric film formed on the conductive oxide is lower than that formed on the Pt layer. Will be inferior. As a result, the ferroelectric capacitor having the conductive oxide electrode was inferior in ferroelectric characteristics as compared with the ferroelectric capacitor having the Pt electrode. Further, the fact that the resistivity of the conductive oxide electrode is higher by about one order of magnitude than the resistivity of the Pt electrode has also been a problem in terms of electrical characteristics.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its object to provide a ferroelectric capacitor having excellent hysteresis characteristics, remanent polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, and reduction resistance, and a method of manufacturing the same. Is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, According to a first aspect of the present invention, A ferroelectric capacitor having a ferroelectric layer, one electrode, and another electrode is provided. The ferroelectric layer of the ferroelectric capacitor is made of lead zirconate titanate, and one electrode includes a Pt / Ti laminate in which a Pt layer and a Ti layer are laminated. In such a configuration, by performing a heat treatment after the Pt / Ti stack is formed, Ti from the Ti layer is thermally diffused to the surface of the Pt layer. Then, by stacking a ferroelectric layer on the Pt / Ti stack, surplus Pb in lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer reacts with Ti on the surface of the Pt layer, and lead titanate is removed. Will be formed. This lead titanate is oriented in the <111> axis, and as a result, lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer can also be strongly oriented in the <111> axis. Further, since the lattice constant of the Pt layer increases due to thermal diffusion of Ti from the Ti layer, the lattice matching between the (111) plane of the Pt layer and the (111) plane of the ferroelectric layer made of lead zirconate titanate is performed. Is good.
[0008]
Also, In order to solve the above problems, according to a second aspect of the present invention, A ferroelectric capacitor having a ferroelectric layer, one electrode, and another electrode is provided. The ferroelectric layer is made of lead zirconate titanate, and at least one of the one electrode and the other electrode includes a lead titanate layer in contact with the ferroelectric layer. Lead titanate is oriented in the <111> axis, and the lead titanate layer made of lead titanate is in contact with the ferroelectric layer. It is possible to orient strongly to the 111> axis. In particular, by providing a lead titanate layer on both one electrode and the other electrode, it becomes possible to more uniformly crystallize lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer.
[0009]
One electrode includes a Pt layer, and the lead titanate layer included in one electrode is in contact with the ferroelectric layer on one surface and is in contact with the Pt layer on the other surface. Is preferred . Since Pt has strong self-orientation, it is possible to improve the <111> -axis crystal orientation of lead titanate constituting the lead titanate layer. Furthermore, it is possible to increase the degree of <111> axis preferential orientation of lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer in contact with the lead titanate layer.
[0010]
It is preferable that at least one of the one electrode and the other electrode includes an Au layer or an Ag layer. Au and Ag have excellent oxidation resistance and do not have a catalytic effect on hydrogen, so that the composition of lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer can be stabilized. Since Au and Ag have good crystal matching with the (111) plane of lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer, for example, the Au layer or the Ag layer may be in contact with the ferroelectric layer. If formed, the lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer can be more uniformly crystallized.
[0011]
Also , One electrode and at least one of the other electrodes preferably include an iridium oxide layer. According to this configuration, the diffusion of the constituent atoms of the lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer during the heat treatment and the application of the electric field is prevented, and the reduction resistance is also improved.
[0012]
To solve the above problems, according to a third aspect of the present invention, A method for manufacturing a ferroelectric capacitor having a ferroelectric layer, one electrode, and another electrode is provided. This manufacturing method includes a step of forming a Ti layer forming one electrode, a step of stacking a Pt layer forming one electrode on the Ti layer, a step of performing a heat treatment, and a step of performing zirconium titanate. The method is characterized by including a step of forming a ferroelectric layer made of lead oxide and a step of forming another electrode. According to this manufacturing method, a heat treatment is performed when the Pt layer and the Ti layer are laminated, and the heat from the Ti layer is thermally diffused to the surface of the Pt layer by the heat treatment. In a subsequent step, a ferroelectric layer is further laminated on the Pt / Ti lamination, and excess Pb in lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer reacts with Ti on the surface of the Pt layer to form titanic acid. Lead will be formed. The lead titanate is oriented in the <111> axis, and as a result, it becomes possible to strongly orient the lead zirconate titanate constituting the ferroelectric layer in the <111> axis. Further, since the lattice constant of the Pt layer increases due to thermal diffusion of Ti from the Ti layer, the lattice matching between the (111) plane of the Pt layer and the (111) plane of the ferroelectric layer made of lead zirconate titanate is performed. Is good.
[0013]
In order to solve the above problems, according to a fourth aspect of the present invention, A method for manufacturing a ferroelectric capacitor having a ferroelectric layer, one electrode, and another electrode is provided. The manufacturing method includes a step of forming one electrode, a step of forming a ferroelectric layer, a step of forming a protective layer constituting another electrode, and a step of performing instantaneous thermal annealing. It is characterized by. According to this manufacturing method, the ferroelectric layer is annealed after the protection layer is formed. An Au layer or an Ag layer can be used as the protective layer. Au and Ag have excellent oxidation resistance and do not have a catalytic effect on hydrogen, so that a change in the composition of the ferroelectric layer due to annealing is prevented. Further, since instantaneous thermal annealing is used, it is possible to minimize the composition deviation of the constituent atoms of the ferroelectric layer due to thermal diffusion. For example, when the ferroelectric layer is composed of lead zirconate titanate, Au and Ag have good crystal matching with the (111) plane of such lead zirconate titanate. Lead acid can be uniformly crystallized.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a ferroelectric capacitor and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and the accompanying drawings, components having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0015]
(First Embodiment)
A configuration of a ferroelectric capacitor 1 according to a first embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described with reference to FIG.
[0016]
First, the SiO substrate is 2 A layer 200 (about 200 nm) is formed.
[0017]
Next, IrO 2 A lower electrode composed of the layer 10, the Ti layer 20, and the Pt layer 30 is formed. SiO 2 IrO on layer 200 2 The layer 10 (about 150 to 200 nm) is formed by a reactive sputtering method. A Ti layer 20 (about 10 to 20 nm) is formed thereon by a sputtering method, and a Pt layer 30 (about 200 nm) is further formed thereon by a sputtering method.
[0018]
Here, heat treatment is performed in an electric furnace at about 350 ° C. for about 15 minutes. The purpose of this heat treatment is to thermally diffuse Ti from the Ti layer 20 to the Pt layer 30 and to increase the lattice constant of Pt.
[0019]
After the heat treatment, a PZT layer 35 made of PZT, which is a ferroelectric substance, is formed on the Pt layer 30, and crystallization annealing is performed.
[0020]
Finally, IrO as upper electrode 2 The layer 40 is formed.
[0021]
The main reason for using the Pt layer 30 made of Pt as the uppermost layer of the lower electrode in the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment configured as described above is that the PZT layer 35 is formed of <111>. This is for the purpose of preferential orientation to the axis. Since Pt has strong self-orientation to the <111> axis, it is considered that a PZT crystal having good lattice matching with the Pt (111) plane is likely to grow. Since the PZT (111) plane corresponds to the Pt (111) plane, the PZT layer 35 formed on the Pt layer 30 is preferentially oriented along the <111> axis.
[0022]
Unlike the lower electrode composed of the Pt layer 30 and the Ti layer 20 as described above, 2 When the Pt layer 30 is directly laminated on the layer 200 and the lower electrode composed of only the Pt layer 30 is formed, as apparent from the result of the X-ray diffraction shown in FIG. The preferred orientation weakens. In FIG. 2, the solid line indicates the X-ray diffraction pattern of the PZT layer formed on the Pt / Ti stack, and the broken line indicates the X-ray diffraction pattern of the PZT layer formed on the Pt layer. I have.
[0023]
Further, a clear difference appears also in the hysteresis characteristic of FIG. 3 and the remanent polarization saturation characteristic of FIG. In FIGS. 3 and 4, plots with black circles show the characteristics of the PZT layer formed on the Pt / Ti stack, and plots with white triangles show the characteristics of the PZT layer formed on the Pt layer. Is shown. As described above, as the priority degree of orientation of the PZT layer 35 to the <111> axis increases, the ferroelectric characteristics such as the hysteresis characteristics and the remanent polarization saturation characteristics improve.
[0024]
Even if the surface in contact with the PZT layer 35 is the Pt layer 30, it is considered that the crystal growth mechanism of PZT is involved as a cause of the difference in ferroelectric characteristics depending on the presence or absence of the Ti layer 20. As described above, in the manufacturing process of the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment, the heat treatment is performed when the Ti layer 20 and the Pt layer 30 are stacked. By this heat treatment, Ti constituting the Ti layer 20 is thermally diffused to the surface of the Pt layer 30, that is, the surface on which the PZT layer 35 is formed later. The Ti diffused into the surface of the Pt layer 30 reacts with excess Pb in the PZT layer 35, and leads to a relatively low crystallization temperature of lead titanate PbTiO. 3 (Hereinafter, referred to as “PTO”). That is, the Ti layer 20 functions to indirectly generate PTO at the interface between the PZT layer 35 and the Pt layer 30. Then, it is considered that crystallization of the PZT layer 35 proceeds with the PTO oriented in the <111> axis as a nucleus.
[0025]
As described above, according to the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment, the lower electrode including the Pt / Ti stack is subjected to the heat treatment, and the PTO is formed at the interface between the Pt layer 30 and the PZT layer 35. Is generated, and as a result, so-called heteroepitaxial growth from the PTO to the PZT layer 35 is realized.
[0026]
In addition, since the lattice constant of the Pt layer 30 increases due to the thermal diffusion of Ti from the Ti layer 20, the lattice matching between the (111) plane of the Pt layer 30 and the (111) plane of the PZT layer 35 is further improved.
[0027]
Further, the IrO provided in the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment is 2 Layer 10 and IrO 2 The layer 40 prevents the constituent atoms of the PZT layer 35 from diffusing at the time of heat treatment and application of an electric field, and improves the reduction resistance.
[0028]
As described above, the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment has improved hysteresis characteristics, remanent polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, and reduction resistance over the conventional ferroelectric capacitors. Become. Further, the resistivity of the electrode is the same as that of the conventional IrO. 2 Significantly lower than single layer electrodes.
[0029]
(Second embodiment)
A ferroelectric capacitor 2 according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
[0030]
The ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment differs from the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment in that a PTO layer 33 is provided instead of the Pt layer 30 and the Ti layer 20. It has. That is, the ferroelectric capacitor 2 is formed by using SiO 2 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, PTO layer 33, PZT layer 35, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated.
[0031]
In the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment, the Ti of the Ti layer 20 is thermally diffused to the surface of the Pt layer 30 and the excess Ti and the excess Pb of the PZT layer 35 react with each other, so to speak, indirectly. In which a PTO crystal nucleus is generated. However, the diffusion of Ti in the Pt layer 30 is fast, and it is not easy to control it to have a predetermined nucleation density.
[0032]
On the other hand, the ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment has an IrO 2 On the layer 10, a PTO layer 33 serving as a crystal nucleus of the PZT layer 35 is formed thin (about several tens of degrees). The PTO layer 33 facilitates control of the nucleation density, and as a result, a very dense and uniform PZT crystal can be formed.
[0033]
(Third embodiment)
A ferroelectric capacitor 3 according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
[0034]
The ferroelectric capacitor 3 according to the third embodiment is different from the ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment in that the PTO layer 33 and the IrO 2 It has a configuration in which a Pt layer 30 is added between itself and the layer 10. That is, this ferroelectric capacitor 3 is formed by using a SiO.sub. 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, Pt layer 30, PTO layer 33, PZT layer 35, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated.
[0035]
The ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment is composed of IrO 2 The PTO layer 33 is formed directly on the layer 10. However, since the <111> -axis crystal orientation of the PTO layer 33 is low, the PZT layer 35 formed thereon cannot obtain a sufficient <111> -axis crystal orientation. In this regard, in the ferroelectric capacitor 3 according to the third embodiment, the Pt layer 30 having strong self-orientation is composed of the PTO layer 33 and the IrO 2 Since it is formed between the layers 10, the <111> axis crystal orientation of the PTO layer 33 is improved, and the <111> axis preferential orientation of the PZT layer 35 is also increased. Therefore, according to the ferroelectric capacitor 3 according to the third embodiment, high hysteresis characteristics, remanent polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, and reduction resistance can be obtained.
[0036]
(Fourth embodiment)
A ferroelectric capacitor 4 according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
[0037]
The ferroelectric capacitor 4 according to the fourth embodiment is different from the ferroelectric capacitor 1 according to the first embodiment in that an IrO 2 The structure has an Au layer 38 added between the layer 40 and the PZT layer 35. That is, the ferroelectric capacitor 4 is formed by using a SiO.sub. 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, Ti layer 20, Pt layer 30, PZT layer 35, Au layer 38, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated. After the Au layer 38 is formed, the crystallization annealing of the PZT layer 35 is performed by an instantaneous thermal annealing (hereinafter, referred to as “RTA”) process (700 ° C., 1 minute) in an oxygen atmosphere.
[0038]
Conventionally, the crystallization annealing of the ferroelectric has been performed immediately after the formation of the ferroelectric film. For this reason, the ferroelectric crystallized under the influence of only the lower electrode, was likely to have large crystal grains, and to have crystals having different compositions in the depth direction. In this regard, the ferroelectric capacitor 4 according to the fourth embodiment has good crystal matching with the (111) plane of the PZT layer 35, excellent oxidation resistance, An Au layer 38 having no catalytic effect is used. After the formation of the Au layer 38, crystallization annealing is performed. Therefore, the ferroelectric constituting the PZT layer 35 is crystallized under the influence of both the upper and lower electrodes, and a dense ferroelectric film having small crystal grains is formed. Note that an Ag layer made of Ag may be used instead of the Au layer 38.
[0039]
Further, since RTA is used for crystallization annealing, the composition deviation of the ferroelectric film due to thermal diffusion of constituent atoms can be minimized. As shown in FIG. 8, when the furnace annealing was used (broken line in the figure), when RTA was used (solid line in the figure), the <111> axis orientation of the upper and lower electrodes was more strongly reflected. A PZT layer 35 preferentially oriented in the 111> axis is formed.
[0040]
(Fifth embodiment)
A ferroelectric capacitor 5 according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG.
[0041]
The ferroelectric capacitor 5 according to the fifth embodiment is different from the ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment in that an IrO 2 The structure has an Au layer 38 added between the layer 40 and the PZT layer 35. That is, the ferroelectric capacitor 5 is formed by using a SiO.sub. 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, PTO layer 33, PZT layer 35, Au layer 38, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated. After the Au layer 38 is formed, the crystallization annealing of the PZT layer 35 is performed by an RTA process (700 ° C., 1 minute) in an oxygen atmosphere.
[0042]
The ferroelectric capacitor 5 according to the fifth embodiment has good crystal matching with the (111) plane of the PZT layer 35, has excellent oxidation resistance, and has a catalytic effect on hydrogen as a component of the upper electrode. Au layer 38 having no is used. After the formation of the Au layer 38, crystallization annealing is performed. Therefore, the ferroelectric constituting the PZT layer 35 is crystallized while being affected by both the upper and lower electrodes, and the dense ferroelectric film having small crystal grains is formed similarly to the ferroelectric capacitor 4 according to the fourth embodiment. Is formed. Note that an Ag layer made of Ag may be used instead of the Au layer 38.
[0043]
Further, since RTA is used for crystallization annealing, the composition deviation of the ferroelectric film due to thermal diffusion of constituent atoms can be minimized. As shown in FIG. 8, when the furnace annealing was used (broken line in the figure), when RTA was used (solid line in the figure), the <111> axis orientation of the upper and lower electrodes was more strongly reflected. A PZT layer 35 preferentially oriented in the 111> axis is formed.
[0044]
Further, the ferroelectric capacitor 5 according to the fifth embodiment has an IrO 2 On the layer 10, a PTO layer 33 serving as a crystal nucleus of the PZT layer 35 is formed thin (for example, several tens to 100 degrees). The PTO layer 33 facilitates control of the nucleation density, and as a result, a very dense and uniform PZT crystal can be formed.
[0045]
(Sixth embodiment)
A ferroelectric capacitor 6 according to a sixth embodiment will be described with reference to FIG.
[0046]
The ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment is different from the ferroelectric capacitor 3 according to the third embodiment in that an IrO 2 The structure has an Au layer 38 added between the layer 40 and the PZT layer 35. That is, the ferroelectric capacitor 6 is formed by using a SiO.sub. 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, Pt layer 30, PTO layer 33, PZT layer 35, Au layer 38, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated. After the Au layer 38 is formed, the crystallization annealing of the PZT layer 35 is performed by an RTA process (700 ° C., 1 minute) in an oxygen atmosphere.
[0047]
The ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment has good crystal matching with the (111) plane of the PZT layer 35, has excellent oxidation resistance, and has a catalytic effect on hydrogen as a component of the upper electrode. Au layer 38 having no is used. After the formation of the Au layer 38, crystallization annealing is performed. Therefore, the ferroelectric constituting the PZT layer 35 is crystallized under the influence of both the upper and lower electrodes, and the dense ferroelectric capacitors 4 and 5 of the fourth and fifth embodiments have small crystal grains. A ferroelectric film will be formed. Note that an Ag layer made of Ag may be used instead of the Au layer 38.
[0048]
Further, since RTA is used for crystallization annealing, the composition deviation of the ferroelectric film due to thermal diffusion of constituent atoms can be minimized. As shown in FIG. 8, when the furnace annealing was used (broken line in the figure), when RTA was used (solid line in the figure), the <111> axis orientation of the upper and lower electrodes was more strongly reflected. A PZT layer 35 preferentially oriented in the 111> axis is formed.
[0049]
Further, in the ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment, the Pt layer 30 having strong self-orientation has the PTO layer 33 and the IrO 2 Since it is formed between the layers 10, the <111> axis crystal orientation of the PTO layer 33 is improved, and the <111> axis preferential orientation of the PZT layer 35 is also increased. Therefore, according to the ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment, high hysteresis characteristics, remanent polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, and reduction resistance can be obtained.
[0050]
(Seventh embodiment)
A ferroelectric capacitor 7 according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
[0051]
The ferroelectric capacitor 7 according to the seventh embodiment is different from the ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment in that an IrO 2 It has a configuration in which a PTO layer 37 is added between the layer 40 and the PZT layer 35. That is, the ferroelectric capacitor 7 is formed by using the SiO.sub. 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, PTO layer 33, PZT layer 35, PTO layer 37, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated.
[0052]
The ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment has an IrO 2 On the layer 10, a PTO layer 33 serving as a crystal nucleus of the PZT layer 35 is formed thin (for example, several tens to 100 degrees). The PTO layer 33 facilitates control of the nucleation density, and as a result, very dense and uniform PZT crystal grains can be formed.
[0053]
In addition, the ferroelectric capacitor 7 according to the seventh embodiment includes a PZT layer 35 and an IrO 2 The PTO layer 37 is formed between the PTO layer 37 and the layer 40. Therefore, the PZT layer 35 is crystallized using not only the lower PTO layer 33 but also the upper PTO layer 37 as a nucleus. Therefore, according to the ferroelectric capacitor 7 according to the seventh embodiment, the PZT layer 35 composed of denser and more uniform PZT crystal grains is different from the ferroelectric capacitor 2 according to the second embodiment. Will be formed.
[0054]
(Eighth embodiment)
A ferroelectric capacitor 8 according to an eighth embodiment will be described with reference to FIG.
[0055]
The ferroelectric capacitor 8 according to the eighth embodiment is different from the ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment in that a PTO layer is provided between the Au layer 38 and the PZT layer 35 constituting the upper electrode. 37 has the added configuration. That is, the ferroelectric capacitor 8 is formed by using the SiO.sub. 2 Layer 200, IrO 2 Layer 10, Pt layer 30, PTO layer 33, PZT layer 35, PTO layer 37, Au layer 38, and IrO 2 The layers 40 are sequentially laminated.
[0056]
As described above, in the ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment, the Pt layer 30 having strong self-orientation is composed of the PTO layer 33 and the IrO 2 Since it is formed between the layers 10, the <111> axis crystal orientation of the PTO layer 33 is improved, and the <111> axis preferential orientation of the PZT layer 35 is also increased. Therefore, according to the ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment, high hysteresis characteristics, remanent polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, and reduction resistance can be obtained.
[0057]
In addition, in the ferroelectric capacitor 7 according to the eighth embodiment, the PTO layer 37 is formed between the PZT layer 35 and the Au layer 38 constituting the upper electrode. For this reason, the PZT layer 35 is crystallized not only with the lower PTO layer 33 but also with the upper PTO layer 37 as a nucleus, and the <111> axis preferential orientation is improved. Therefore, according to the ferroelectric capacitor 8 according to the eighth embodiment, the PZT layer 35 composed of denser and more uniform PZT crystal grains is different from the ferroelectric capacitor 6 according to the sixth embodiment. Will be formed. Note that an Ag layer made of Ag may be used instead of the Au layer 38.
[0058]
As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person skilled in the art can conceive various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims, and those changes naturally fall within the technical scope of the present invention. It is understood to belong.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the ferroelectric capacitor and the method of manufacturing the same according to the present invention, the electric characteristics such as hysteresis characteristics, remanent polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, and reduction resistance, and the environmental resistance are improved. Will do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a ferroelectric capacitor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a PZT layer formed on a Pt layer and an X-ray diffraction pattern of a PZT layer formed on a Pt / Ti stack.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing hysteresis characteristics of a PZT layer formed on a Pt layer and hysteresis characteristics of a PZT layer formed on a Pt / Ti stack.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing remanent polarization saturation characteristics of a PZT layer formed on a Pt layer and remanent polarization saturation characteristics of a PZT layer formed on a Pt / Ti stack.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a ferroelectric capacitor according to a second embodiment.
FIG. 6 is a sectional view showing a configuration of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a ferroelectric capacitor according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of a PZT layer formed on a Pt layer after electric furnace annealing and an X-ray diffraction pattern after RTA annealing.
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of a ferroelectric capacitor according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is a sectional view showing a configuration of a ferroelectric capacitor according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is a sectional view showing a configuration of a ferroelectric capacitor according to a seventh embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a ferroelectric capacitor according to an eighth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Ferroelectric capacitors
10 IrO 2 layer
20 Ti layer
30 Pt layer
33 PTO layer
35 PZT layer
37 PTO layer
38 Au layer
40 IrO 2 layer
100 Si substrate
200 SiO 2 layer

Claims (9)

第1の誘電性酸化物層を備える下部電極と,
前記下部電極上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を材料とする強誘電体層と,
前記強誘電体層上に形成された第2の導電性酸化物層を備える上部電極と,
を有する強誘電体キャパシタにおいて,
前記第1の導電性酸化物層と前記強誘電体層との間に,Ti層と,該Ti層上に形成されたPt層とを備え,
前記Ti層から前記Pt層の表面に拡散されたTiと前記強誘電体層の一部とが反応して生成されるチタン酸鉛層が,前記Pt層と前記強誘電体層との界面に形成されることを特徴とする,強誘電体キャパシタ。
A lower electrode comprising a first dielectric oxide layer;
A ferroelectric layer formed of lead zirconate titanate formed on the lower electrode,
An upper electrode including a second conductive oxide layer formed on the ferroelectric layer;
A ferroelectric capacitor having
And a Ti layer and a Pt layer formed on the Ti layer between the first conductive oxide layer and the ferroelectric layer.
A lead titanate layer generated by a reaction between Ti diffused from the Ti layer to the surface of the Pt layer and a part of the ferroelectric layer is formed at an interface between the Pt layer and the ferroelectric layer. A ferroelectric capacitor characterized by being formed .
前記チタン酸鉛層は,
一方の面において前記強誘電体層と接し,他方の面において前記Pt層に接することを特徴とする,請求項1に記載の強誘電体キャパシタ。
The lead titanate layer comprises:
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein one surface is in contact with the ferroelectric layer, and the other surface is in contact with the Pt layer .
前記上部電極と前記下部電極との間に,Au層を備えることを特徴とする,請求項1または2に記載の強誘電体キャパシタ。 3. The ferroelectric capacitor according to claim 1, further comprising an Au layer between the upper electrode and the lower electrode . 前記上部電極と前記下部電極との間に,Ag層を備えることを特徴とする,請求項1または2に記載の強誘電体キャパシタ。 3. The ferroelectric capacitor according to claim 1, further comprising an Ag layer between the upper electrode and the lower electrode . 前記第1の導電性酸化物層及び前記第2の導電性酸化物層の少なくとも一方は,イリジウム酸化物層であることを特徴とする,請求項1〜4のいずれかに記載の強誘電体キャパシタ。 5. The ferroelectric substance according to claim 1, wherein at least one of said first conductive oxide layer and said second conductive oxide layer is an iridium oxide layer. Capacitors. 第1の誘電性酸化物層を備える下部電極と,チタン酸ジルコン酸鉛を材料とする強誘電体層と,第2の導電性酸化物層を備える上部電極とを有し,前記第1の導電性酸化物層と前記強誘電体層との間に,Ti層と,該Ti層上に形成されたPt層とを備える強誘電体キャパシタの製造方法において,A lower electrode having a first dielectric oxide layer, a ferroelectric layer made of lead zirconate titanate, and an upper electrode having a second conductive oxide layer; A method of manufacturing a ferroelectric capacitor comprising a Ti layer and a Pt layer formed on the Ti layer between a conductive oxide layer and the ferroelectric layer,
基板上に前記下部電極を形成する工程と,  Forming the lower electrode on a substrate;
前記下部電極上に前記Ti層と前記Pt層とを形成する工程と,  Forming the Ti layer and the Pt layer on the lower electrode;
熱処理により,前記Ti層から前記Pt層の表面までTiを拡散させた後,前記Pt層上に前記強誘電体層を形成する工程と,  Diffusing Ti from the Ti layer to the surface of the Pt layer by heat treatment, and thereafter forming the ferroelectric layer on the Pt layer;
前記強誘電体層上に,前記上部電極を形成する工程と,  Forming the upper electrode on the ferroelectric layer;
を有することを特徴とする,強誘電体キャパシタの製造方法。A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, comprising:
前記強誘電体層上に保護層を形成する工程と,
前記保護層が形成された前記強誘電体層に瞬時熱アニールを行う工程と,
前記保護層上に,前記上部電極層を形成する工程と,
を有することを特徴とする,請求項6に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
Forming a protective layer on the ferroelectric layer;
Performing instantaneous thermal annealing on the ferroelectric layer on which the protective layer is formed;
Forming the upper electrode layer on the protective layer;
7. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 6, comprising :
前記保護層は,Au層であることを特徴とする,請求項7に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。 8. The method according to claim 7, wherein the protection layer is an Au layer . 前記保護層は,Ag層であることを特徴とする,請求項7に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。 The method according to claim 7, wherein the protection layer is an Ag layer .
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