JP3731641B2 - Ferroelectric material, ferroelectric memory and ferroelectric memory device using the same, dielectric patterning method, and ferroelectric memory device manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する利用分野】
本発明は新規な誘電体に関するものである。詳しくは、強誘電体材料の改良に関するものである。本発明は改良された有機強誘電体を用いた強誘電体メモリに関するものである。本発明は改良された有機強誘電体を用いた強誘電体メモリの製造方法に関するものである。本発明は改良された有機強誘電体材料を用いた強誘電体メモリデバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体は残留分極を持つ材料である。残留分極は強誘電体に印加される電界の方向により向きを変えるものであり、したがって残留分極の方向を情報として強誘電体不揮発性メモリが提供される。
【0003】
強誘電体メモリには、強誘電体として例えば無機強誘電体材料であるPZT(Pb(Zr,Ti)O3)を用い、これを上下の電極で挟んで容量を構成するものが知られている。また、例えば特開平10−22470号に記載のように、無機強誘電体に代えて有機強誘電体を使用した強誘電体メモリも知られている。有機強誘電体としては弗化ビニリデンと三弗化エチレンの共重合体(P(VDF/TrFE))が知られている。有機強誘電体はインピーダンスが低いことにより単純マトリックス型強誘電体メモリを実現する上で有利である。
【0004】
これらの強誘電体メモリを構成する場合には、下部電極上に強誘電体の薄膜を形成し、有機強誘電体の場合にはプラズマアッシングによってパターニングし、無機強誘電体の場合はRIEイオンミリングによってパターニングする。次いで、上部電極を積層する。無機強誘電体は摂氏700乃至800度でアニーリングする必要がある。アニーリングによってCMOS構造にダメージを与えるおそれがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
有機強誘電体材料は高温アニーリングを必要としないこと、インピーダンスが低いことにより単純マトリクス型メモリを形成できる点において優れている。しかしながら、有機強誘電体の抗電界は数乃至数十MV/cm程度の大きな値となり駆動電圧が高くなる問題がある。より薄くすると抗電界を低くできるもののリーク電流が大きくなる。また、プラズマアッシングによって有機強誘電体をパターニングすると、ダメージによりPr(残留分極・自発分極)が低下すると共にファティーグ、インプリント、リテンション等の素子の信頼性が低下する。
【0006】
一方、既述の先行技術に記載のように、酸化物材料からなる強誘電体はCMOSプロセスとの整合性が悪い。すなわち、一般に水素を含むガス中での加熱状態では、PZTのような酸化物強誘電体は、還元性雰囲気での加熱に非常に弱く、残留分極が失われて信号が得られなくなってしまうため、通常行なわれる400度程度の水素熱処理ができない。このため、記憶容量形成後に形成される配線の信頼性確保は難しく、強誘電体を使うがための特殊プロセス開発が必要になる。
【0007】
さらに、高酸素雰囲気で酸化物材料をアニールするとCMOSにダメージが与えられる。TEOS−CVDのような水素ガスが発生する半導体プロセスは強誘電体にダメージを与える。
【0008】
そこで本発明は、信頼性に優れてリーク電流が少なく、かつ抗電界も低い有機強誘電体を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、プラズマアッシングやイオンミリング等過酷な条件下でなくパターニングが可能な有機強誘電体を提供することである。本発明の更に他の目的は、この有機強誘電体を用いた強誘電体メモリを提供することである。本発明の更に他の目的は、この強誘電体メモリを備えたメモリデバイスを提供することである。本発明のさらに他の目的は、この強誘電体メモリのパターニング方法を提供することである。本発明のさらに他の目的はこの誘電体メモリを備えるメモリデバイスの製造方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、光官能性樹脂に誘電体材料を分散させて抗電界を低下させてなり、かつ光を照射してパターニング可能な誘電体であることを特徴とする。したがって、従来のようにパターニングに当たってプラズマアッシング等の過酷な環境下に有機強誘電体が置かれることがないので、既述のような性能低下を回避することが可能となる。この誘電体は強誘電体、圧電体、焦電体等に使用することができる。したがって、本発明に係わる誘電体は、強誘電体メモリ、圧電効果を利用したインクジェット記録ヘッド、特開平7−84231号に記載のような焦電効果を利用したメモリ等に使用することができる。
【0010】
光官能性樹脂としては、PMMA等のアクリレート誘導体、メタクリレート誘導体、ポリスチレン・ポリヒドロキシスチレン等のスチレン誘導体等本発明に適用可能なものを使用することができる。光官能性樹脂とは光の照射によって架橋してエッチング性に差ができるフォトレジストを使用することができる。
【0011】
誘電体材料としては、既述の弗化ビニリデンと三弗化エチレンの共重合体やポリビニリデンシアナイド、奇数ナイロンなど例えば「電子光機能高分子」(講談社サイエンティフィック、1989年4月20日発行第160頁)等に記載の公知のものを使用することができる。
【0012】
本発明の誘電体を得るためには、光官能性樹脂に誘電体材料を分散させる。分散は次のようにして行われる。すなわち、光官能性樹脂及び誘電体が溶ける溶媒で分散させる。この溶媒としては例えば次のものがある。n−ヘプタン、n−オクタン、ドデシルベンゼン、ジエチルベンゼン、メシチレン、テトラリン、デカリン、トルエン、キシレン、シメン、デュレン、インデン、ジベンテン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン、シクロヘキシルベンゼンなどの炭化水素系溶媒の他、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、p−ジオキシサン等のエーテル系溶媒、さらにプロピレンカーボネート、γ―ブトロラクトン、N―メチル−2―ピロリドン、ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾルジノン、1,3−ジノルマルプロピル−2−イミダゾルジノン、ジメチルスルホキシド、シクロヘキサノンなどの極性溶媒をあげることができる。これらのうち、環状珪素化合物の溶解性と該溶液の安定性の点で炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒が好ましく、さらに好ましい溶媒としては炭化水素系溶媒をあげることができる。これらの溶媒は、単独でもあるいは2種以上を混合しても使用できる。
【0013】
光官能性樹脂(A)に対する誘電体材料(B)の比率は、誘電特性の点から例えば、A:B=1:4乃至1:1である。
【0014】
本発明に係わる有機強誘電体メモリは3−5Vで駆動できるので、CMOS回路との整合性がとれて、かつ低消費電力化が達成できる。さらに、有機強誘電体は摂氏170乃至200度の低温プロセスが達成できるためにCMOS側にダメージを与えない。しかも、光照射によってパターニングが可能であるために、結う電池体のPrを低下することなく低コスト化が達成できる。
【0015】
本発明によれば、ファティーグ、インプリント、リテンションなどの信頼性を従来のものに比較してファティーグ(3v)106から1010サイクル、インプリント変動30パーセントから10パーセント以下、リテンション(摂氏65度)5年から10年程度に高めることができる。
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。この実施の形態では既述の強誘電体を容量部として用いるFeRAM(強誘電体メモリ)を備えたメモリデバイスを例にとり説明する。図1は単純マトリクス型メモリ素子の製造工程を説明するものであり図1(A)に示すように、公知の転写法によって基台から剥離した周辺回路21を基板1に転写形成する。この転写法とは素子部品の一部を他の基板上で形成してこれから素子部品を剥離し、この素子部品を転写対象の基板に転写するものである。
【0016】
基板1は後述する平坦化膜、有機薄膜、Xストライプ電極及びYストライプ電極の形成工程において、耐熱性、耐侵食性などを備え、所望の機械的強度を有する材質であれば、特に限定されるものではなく、プラスチック基板、石英基板などを使用することができる。
【0017】
続いて、図1(B)に示すように、基板1上のメモリセル領域及び周辺回路21,22を含む領域に平坦化膜3を形成し、さらに、周辺回路21と後に形成されるn本のXストライプ電極との接続端子位置に合わせてn個のコンタクトホール41,42,…,4nを形成する。図4は4nについて示している。また同時に、Yストライプ電極の周辺回路と後に形成されるm本のYストライプ電極との接続端子位置に合わせてm個のコンタクトホールを形成する。
【0018】
平坦化膜3は基板1上に転写形成された周辺回路21,22と基板1との段差を吸収し、周辺回路21,22とXストライプ電極及びYストライプ電極との接続を可能にするために設けられる薄膜であり、絶縁性を有する薄膜であれば特に限定されるものではない。
【0019】
平坦化膜3として例えばポリイミド膜を成膜するには、リソグラフィ法や印刷法などの任意の方法を選択できる。リソグラフィ法を使用する場合は、スピンコート、スプレーコード、ロールコート、ダイコート、ディップコートなど所定の方法で有機材料を塗布すればよい。また、平坦化膜3として例えばシリコン酸化膜を成膜する場合は、有機シラン(TEOS)及び酸素を反応ガスとして用いたプラズマCVD法などにより成膜することができ、シリコン窒化膜を成膜する場合は、シラン系ガス及び窒素を反応ガスとして用いたプラズマCVD法などにより成膜することができる。
【0020】
次いで、(C)に示すように、コンタクトホール41,42,…,4nに接続するn本のXストライプ電極61,62,…,6nをメモリセル領域にわたって形成する。(C)は6nについて示している。Xストライプ電極を形成するには、例えば、Al、RuO2、Pt、IrO2、YBa2Cu3O7、OsO2、MoO2、ReO2、WO2、Au、Ag、In、In−Ga合金、Gaなどの導電性材料の微粒子を適当な溶媒に溶かして導電性材料液(電極材料液)を調整し、インクジェット式記録ヘッド(流動体吐出ヘッド)を用いてストライプ状にパターニング塗布すればよい。
【0021】
溶媒として、ブチルカルビトールアセテート、3−ジメチル−2−イミタゾリジン、BMA等を用いることができる。インクジェット式記録ヘッドとしては、圧電体素子の体積変化により所望の流動体を吐出させるピエゾジェット方式であっても、熱の印加により急激に蒸気が発生することにより流動体を吐出させるバブルジェット方式であってもよい。続いて、塗布された電極材料液を熱処理し、溶媒成分を蒸発させればn本のXストライプ電極が形成される。
【0022】
次いで、(D)に示すように、メモリセル領域に有機薄膜7を成膜する。この有機薄膜7はXストライプ電極及びYストライプ電極間に印加される電界強度がある閾値を超えるとインピーダンス(電圧対電流特性)が変化し、且つ、印加電界を0にしてもインピーダンスが変化しない特性を有する材料で構成されている。従って、有機薄膜7のハイインピーダンス状態とローインーダンス状態に対応してそれぞれ“0”或いは“1”を割り当てれば不揮発性メモリを実現することができる。このような有機薄膜7を用いれば、互いに直交するXストライプ電極とYストライプ電極の各交点において1つのメモリセル(単位メモリセル)が形成される。
【0023】
この有機膜は既述のように、光官能性樹脂に有機強有電体を分散させてこれをインクジェットやバブルジェットなどの吐出法やスピンコート法、スプレーコート法によって形成する。すなわち、メタノールなどの有機溶媒に光官能性樹脂および既述の有機強誘電体あるいは国際公開WO98/58383号公報に開示されているCu−TCNQを溶解させ、これを既述の形成法によって電極上に成膜する。次いで、摂氏170度程度の熱処理によって膜中の溶媒成分を蒸発させて膜を固化する。
【0024】
一つの具体的な製法例に基づく有機膜の膜厚は、100nmであり、この膜の抗電界を測定したところ150kv/cmであった。さらに、リーク電流を測定すると10−7A/cm2であった。リーク電流が10−4/cm2以上であるとヒステリシス性に悪影響がある。次いで、この有機膜に波長が254nmの水銀ランプからの光を照射してエッチングを施して前記有機膜をアレイ状にパターニングする。
【0025】
最後に、(E)に示すように、Yストライプ電極の接続位置に合うように形成されたコンタクトホールに接続するm本のYストライプ電極81,82,…,8mをメモリセル領域にわたって形成する。Yストライプ電極はXストライプ電極と同様にインクジェット式記録ヘッドを用いてパターニング形成すればよい。メモリ素子の表面を樹脂等で封止処理すれば、単純マトリクス型メモリ素子が完成する。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、信頼性に優れてリーク電流が少なく、かつ抗電界も低い有機強誘電体を提供することができる。本発明はまた、プラズマアッシングやイオンミリング等過酷な条件下でなくパターニングが可能な有機強誘電体を提供することができる。さらに、本発明は、この有機強誘電体を用いた強誘電体メモリを提供することができる。本発明はさらに、この強誘電体メモリを備えたメモリデバイスを提供することができる。本発明はさらに光照射によってパターニングが可能な誘電体のパターニング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係わる強誘電体メモリの構造及びその製造方法を説明する断面図であう。
【符号の説明】
1…基板、21…周辺回路、22…周辺回路、3…平坦化膜、41〜4n…コンタクトホール、51〜5m…コンタクトホール、61〜6n…Xストライプ電極、7…有機薄膜、81〜8m…Yストライプ電極[0001]
[Field of use to which the invention belongs]
The present invention relates to a novel dielectric. In detail, it is related with improvement of a ferroelectric material. The present invention relates to a ferroelectric memory using an improved organic ferroelectric. The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric memory using an improved organic ferroelectric. The present invention relates to a ferroelectric memory device using an improved organic ferroelectric material.
[0002]
[Prior art]
A ferroelectric is a material having remanent polarization. The remanent polarization changes its direction depending on the direction of the electric field applied to the ferroelectric. Therefore, a ferroelectric non-volatile memory is provided using the remanent polarization as information.
[0003]
As a ferroelectric memory, for example, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), which is an inorganic ferroelectric material, is used as a ferroelectric, and this is sandwiched between upper and lower electrodes to form a capacitor. Yes. A ferroelectric memory using an organic ferroelectric instead of an inorganic ferroelectric is also known, as described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-22470. As an organic ferroelectric, a copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride (P (VDF / TrFE)) is known. An organic ferroelectric is advantageous in realizing a simple matrix type ferroelectric memory because of its low impedance.
[0004]
When configuring these ferroelectric memories, a ferroelectric thin film is formed on the lower electrode, patterning is performed by plasma ashing in the case of organic ferroelectrics, and RIE ion milling in the case of inorganic ferroelectrics. To pattern. Next, the upper electrode is laminated. Inorganic ferroelectrics need to be annealed at 700 to 800 degrees Celsius. Annealing may damage the CMOS structure.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Organic ferroelectric materials are superior in that they do not require high-temperature annealing and can form a simple matrix memory due to their low impedance. However, the coercive electric field of the organic ferroelectric has a large value of about several to several tens MV / cm, and there is a problem that the drive voltage becomes high. If it is made thinner, the coercive electric field can be lowered, but the leakage current increases. Further, when the organic ferroelectric is patterned by plasma ashing, Pr (residual polarization / spontaneous polarization) decreases due to damage, and the reliability of elements such as fatigue, imprint, and retention decreases.
[0006]
On the other hand, as described in the prior art described above, a ferroelectric made of an oxide material has poor compatibility with a CMOS process. That is, in general, in a heated state in a gas containing hydrogen, an oxide ferroelectric such as PZT is very vulnerable to heating in a reducing atmosphere, and thus residual polarization is lost and a signal cannot be obtained. The hydrogen heat treatment of about 400 degrees that is normally performed cannot be performed. For this reason, it is difficult to ensure the reliability of the wiring formed after the storage capacitor is formed, and it is necessary to develop a special process for using a ferroelectric substance.
[0007]
Further, when the oxide material is annealed in a high oxygen atmosphere, the CMOS is damaged. Semiconductor processes that generate hydrogen gas, such as TEOS-CVD, damage the ferroelectric.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide an organic ferroelectric having excellent reliability, low leakage current, and low coercive electric field. Another object of the present invention is to provide an organic ferroelectric that can be patterned without being subjected to harsh conditions such as plasma ashing or ion milling. Still another object of the present invention is to provide a ferroelectric memory using the organic ferroelectric. Still another object of the present invention is to provide a memory device including the ferroelectric memory. Still another object of the present invention is to provide a patterning method for the ferroelectric memory. Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a memory device including this dielectric memory.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a dielectric material is dispersed in a photofunctional resin to reduce a coercive electric field, and is a dielectric that can be patterned by irradiation with light. Accordingly, since the organic ferroelectric is not placed in a harsh environment such as plasma ashing during patterning as in the prior art, it is possible to avoid the performance degradation as described above. This dielectric can be used for ferroelectrics, piezoelectrics, pyroelectrics and the like. Therefore, the dielectric according to the present invention can be used for a ferroelectric memory, an ink jet recording head using a piezoelectric effect, a memory using a pyroelectric effect as described in JP-A-7-84231, and the like.
[0010]
As the photofunctional resin, those applicable to the present invention such as acrylate derivatives such as PMMA, methacrylate derivatives, styrene derivatives such as polystyrene and polyhydroxystyrene can be used. As the photo-functional resin, a photoresist that can be cross-linked by light irradiation to have a difference in etching property can be used.
[0011]
Examples of the dielectric material include the above-mentioned copolymers of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, polyvinylidene cyanide, odd-numbered nylon, etc., such as “Electron-Functional Polymer” (Kodansha Scientific, April 20, 1989). Publications, page 160), etc. can be used.
[0012]
In order to obtain the dielectric of the present invention, a dielectric material is dispersed in a photofunctional resin. Dispersion is performed as follows. That is, it is dispersed with a solvent in which the photofunctional resin and the dielectric are soluble. Examples of the solvent include the following. In addition to hydrocarbon solvents such as n-heptane, n-octane, dodecylbenzene, diethylbenzene, mesitylene, tetralin, decalin, toluene, xylene, cymene, durene, indene, dibenten, tetrahydronaphthalene, decahydronaphthalene, cyclohexylbenzene, ethylene Ether solvents such as glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol methyl ethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, p-dioxysan Furthermore, propylene carbonate, γ-butrolactone, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl Formamide, 1,3-dimethyl-2-Imidazorujinon, 1,3 di-n-propyl-2-Imidazorujinon, dimethyl sulfoxide, can be mentioned polar solvents such as cyclohexanone. Of these, hydrocarbon solvents and ether solvents are preferred in view of the solubility of the cyclic silicon compound and the stability of the solution, and more preferred solvents include hydrocarbon solvents. These solvents can be used alone or in admixture of two or more.
[0013]
The ratio of the dielectric material (B) to the photofunctional resin (A) is, for example, A: B = 1: 4 to 1: 1 from the viewpoint of dielectric characteristics.
[0014]
Since the organic ferroelectric memory according to the present invention can be driven at 3-5 V, it can be matched with the CMOS circuit and can achieve low power consumption. Furthermore, the organic ferroelectric does not damage the CMOS side because a low temperature process of 170 to 200 degrees Celsius can be achieved. And since patterning is possible by light irradiation, cost reduction can be achieved, without reducing Pr of the battery body to tie.
[0015]
According to the present invention, the reliability of fatig, imprint, retention, etc. is compared to the conventional one. Fatgue (3v) 10 6 to 10 10 cycles, imprint variation 30% to 10% or less, retention (65 degrees Celsius) ) It can be increased from 5 to 10 years .
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a memory device including FeRAM (ferroelectric memory) using the above-described ferroelectric as a capacitor will be described as an example. FIG. 1 illustrates a manufacturing process of a simple matrix memory element. As shown in FIG. 1A, a
[0016]
The
[0017]
Subsequently, as shown in FIG. 1B, a
[0018]
The
[0019]
In order to form, for example, a polyimide film as the
[0020]
Next, as shown in (C), n X stripe electrodes 61, 62,..., 6n connected to the contact holes 41, 42,. (C) shows 6n. To form the X stripe electrodes, for example, Al, RuO 2, Pt, IrO 2, YBa 2 Cu 3
[0021]
As a solvent, butyl carbitol acetate, 3-dimethyl-2-imidazolidine, BMA or the like can be used. As an ink jet recording head, a piezo jet method in which a desired fluid is ejected by volume change of a piezoelectric element is a bubble jet method in which a fluid is ejected by the rapid generation of steam by application of heat. There may be. Subsequently, the applied electrode material solution is heat treated to evaporate the solvent component, whereby n X stripe electrodes are formed.
[0022]
Next, as shown in (D), an organic
[0023]
As described above, this organic film is formed by dispersing an organic strong electric material in a photofunctional resin and discharging it by an ejection method such as ink jet or bubble jet, a spin coating method, or a spray coating method. That is, a photofunctional resin and an organic ferroelectric as described above or Cu-TCNQ disclosed in International Publication No. WO98 / 58383 is dissolved in an organic solvent such as methanol, and this is dissolved on the electrode by the formation method described above. The film is formed. Next, the solvent component in the film is evaporated by heat treatment at about 170 degrees Celsius to solidify the film.
[0024]
The film thickness of the organic film based on one specific manufacturing method was 100 nm, and the coercive electric field of this film was measured and found to be 150 kv / cm. Furthermore, when the leakage current was measured, it was 10 −7 A / cm 2 . If the leakage current is 10 −4 / cm 2 or more, the hysteresis property is adversely affected. Next, the organic film is etched by irradiating light from a mercury lamp having a wavelength of 254 nm to pattern the organic film in an array.
[0025]
Finally, as shown in (E), m
[0026]
【The invention's effect】
As described above, the present invention can provide an organic ferroelectric having excellent reliability, low leakage current, and low coercive electric field. The present invention can also provide an organic ferroelectric that can be patterned without being subjected to harsh conditions such as plasma ashing or ion milling. Furthermore, the present invention can provide a ferroelectric memory using this organic ferroelectric. The present invention can further provide a memory device including the ferroelectric memory. The present invention can further provide a dielectric patterning method capable of patterning by light irradiation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a ferroelectric memory and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
次いで、この電極上に、光官能性樹脂と有機強誘電体材料とが溶解された溶媒からなる薄膜を成膜し、
次いで、当該薄膜に前記溶媒を蒸発させる低温での熱処理を施し、
次いで、当該薄膜に光を照射して、特定パターンからなり、かつ、厚さが100nm乃至200nmにあり、抗電界が50kv/cm乃至300kv/cmにあり、さらに、駆動電圧が印加された際のリーク電流が10 -4 /cm 2 である強誘電体層を形成してなる誘電体のパターニング方法。 Forming electrodes on the substrate,
Next, a thin film made of a solvent in which a photofunctional resin and an organic ferroelectric material are dissolved is formed on the electrode,
Next, the thin film is subjected to a heat treatment at a low temperature to evaporate the solvent,
Next, the thin film is irradiated with light, has a specific pattern, has a thickness of 100 nm to 200 nm, has a coercive electric field of 50 kv / cm to 300 kv / cm, and further has a driving voltage applied. A dielectric patterning method comprising forming a ferroelectric layer having a leak current of 10 −4 / cm 2 .
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