JPH02189969A - 電子部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、強誘電体薄膜を備えた電子部品に関する。

（従来の技術） 強誘電体薄膜は、電子部品の高機能化、小形化、高集積
化に伴い、近年、焦電型赤外線センサ、光スィッチ、デ
イスプレィデバイス、ＦＥＴ。

強誘電体メモリ等に用いられている。前記強誘電体薄膜
は、通常、ペロブスカイト型酸化物を用いる場合が多く
、Ｐｂ　Ｔｉ　０３　　ＰＺＴ（Ｐｂ　Ｔｉ　ｏ３とＰ
ｂ　Ｚｒ　０３の固溶体）ＰＬＺＴ　（ＰＺＴにＬａを
添加したもの）が代表的なものとして用いられているが
、その他Ｌｉ　ＴａＯ３Ｌｉ　Ｎｂ　０３　　ＫＴａ　
０３ＫＮｂＯ３又はＢｉ　４　Ｔｉ　２０１２などのチ
タン酸ビスマス系、Ｂａ　Ｔｉ　ｏ３系、Ｓｒ　Ｔｉ　
０３系なども使用されている。Ｐｂ　Ｔｉ　０３が焦電
センサに使用されたり、ＰＬＺＴが光スィッチとして用
いられたりする例がある。

ところで、強誘電体薄膜を備えた電子部品（例えば強誘
電体メモリ）としては従来より第３図に示す構造のもの
か知られている。即ち、図中の１は、半導体素子や配線
等が既に形成されているシリコン基板でである。このシ
リコン基板１上には、Ｓ　＋　Ｎ　％　Ｓ　Ｉｏ　２　
、Ｓ　ｉＯ２ガラス、ＰＳＧ　（リンシリケートガラス
）などからなる第１の絶縁膜２が被覆されている。この
絶縁膜２上には、ｐｔ等の電極材料層の蒸着、パターニ
ングにより形成された下部電極３が設けられている。こ
の下部電極３を含む前記第１の絶縁膜２上には、５ｉ０
２等からなる第２の絶縁膜４が被覆され、かつ前記下部
電極３の一部に対応する前記絶縁膜４部分には開孔部５
が形成されている。この開孔部５を含む周辺の第２の絶
縁膜４部分には、パタニングされた強誘電体薄膜６が設
けられている。

この強誘電体薄膜６上には、ｐｔ等の電極飼料層の蒸着
、パターニングにより形成された」二部電極７が設けら
れている。かかる構造の強誘電体メモリにおけるパター
ニングされた強誘電体薄膜は、次のような方法により形
成される。まず、強誘電体薄膜をＣＶＤ法、スパッタ法
、真空蒸着法により開孔部５を含む第２の絶縁膜４−Ｊ
−に成膜する。

この際、強誘電体薄膜を結晶化するために成膜工程中は
基板を５００〜８００℃に高温加熱したり、成膜後に同
温度でアニーリングを行なう。つづいて、結晶化された
強誘電体薄膜を写真蝕刻法で形成されたレジストパター
ン等をマスクとして選択的にエツチングすることにより
、前記開孔部５を含む周辺の第２の絶縁膜４−ににパタ
ーニングされた強誘電体薄膜６を形成する。

しかしながら、」１記構造の電子部品にあっては強誘電
体を構成するｐｂなとの成分か強誘電体薄膜を結晶させ
るための基板の高温加熱、アニーリングの時にｐｔから
なる下部電極３を通して又は直接Ｓｉ　０２　、Ｓｉ　
０２ガラス、ＰＳＧからなる第１の絶縁膜２に拡散する
。その結果、第１の絶縁膜２の抵抗率か下がるばかりか
、強誘電体薄膜６の組成が変化して下部電極３との界面
の格子整合性か乱れ、強誘電体薄膜６の特性劣化を招く
問題があった。

また、Ｐｂ　Ｔ＋　０３　、ＰＺＴからなる強誘電体薄
膜は該薄膜か設けられる５ｉ０２等からなる第２の絶縁
膜４との熱膨脹係数か異なることから、同第３図に示す
ように第２の絶縁膜４上の強誘電体薄膜６部分にクラッ
ク８か生じる。クラック８の発生は、該強誘電体薄膜６
を上下に挾む下部電極３、」二部電極７の間でのリーク
を引き起こし、電子部品の信頼性を著しく低下させる。

更に、強誘電体薄膜は強誘電特性を向上するために分極
する軸方向を配向させることか望ましい。

強誘電体薄膜を配向させる際には、その下地層の影響が
大きい。また、下地層の配向性もその下の層の影響を大
きく受ける。」一連した強誘電体薄膜６の下地となるｐ
ｔからなる下部電極は、スパッタリング法等により容易
に（＋１１）に配向するが、その下地となる第１の絶縁
膜２は５ｉ０２等からなるため、ｐｔの下部電極３を（
１，ＯＯ）に配向させることか難しい。その結果、ｐｔ
の下部電極３を下地層とする強誘電体薄膜６も（１００
）に配向させることか困難となり、強誘電体薄膜をその
組成等に応じて（１００）等の最適な方向に配向させる
ことかできないという問題かあった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、強誘電体薄膜を結晶化するための基板の高温加熱
等での強誘電体の構成成分の下部電極等への拡散を防止
し、かつ強誘電体薄膜のクラック発生を防止し、更に強
誘電体薄膜の組成等に応じた方向への配向か可能な電子
部品を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、シリコン基板上にＭｇ及びＺｒの少なくとも
１種を主成分とする酸化物絶縁層を被覆し、かつ該絶縁
層上に一対の電極として例えば下部電極層及び上部電極
層によりサンドイッチ状に挟まれた強誘電体薄膜を設け
たことを特徴とする電子部品である。

上記Ｍｇを主成分とする酸化物としては、例えばＭｇ　
Ｏを挙げることができ、Ｚｒを主成分とする酸化物とし
ては例えばＺ　ｒ　Ｏ２を挙げることができる。かかる
酸化物の絶縁層の厚さは、５００人以１二とすることか
望ましい。この理由は、その厚さを５００人未満にする
と強誘電体薄膜を結晶化するための基板の高温加熱等に
おいて強誘電体の構成成分であるｐｂなどが基板側へ拡
散するのを阻止するバリア層として作用させることが困
難となるからである。なお、酸化物絶縁層の上限につい
ては電子部品のサイズ等により適宜選定すればよい。

上記下部電極、上部電極は、例えばｐｔ等がら形成され
る。

」１記強誘電体としては、例えばＰｂ　Ｔｊ　０３、又
はＰｂ　Ｔｊ　０３とＰｂ　Ｚｒ　０３の固溶体（ＰＺ
Ｔ）　、ＰＺＴにＬａを添加したＰＬＺＴなどのＰＺＴ
を主成分とするペロブスカイト型酸化物等を挙げること
ができる。

なお、前記シリコン基板とＭｇ又はＺｒを主成分とする
酸化物絶縁層の間に必要に応じてＳｉＮ、Ｓｉ　０２　
、Ｓ　ｉ　０２ガラス、ＰＳＧ等の絶縁膜を設けた構成
にしてもよい。

（作　用） 本発明によれば、シリコン基板上の５ｉ０２などの絶縁
膜とｐｔなどからなる下部電極の間にＭｇ　Ｏ又はＺｒ
Ｏ２等の酸化物絶縁層を介在させることによって、前記
下部電極上に設けられる強誘電体薄膜の結晶化のための
高温熱処理において、強誘電体の構成成分であるｐｂ等
が下部電極を通して基板上の絶縁膜に拡散するのを前記
酸化物絶縁層によるバリア作用により阻止できる。その
結果、５ｉ０２等の絶縁膜の抵抗率が下げられたり、強
誘電体薄膜の組成変動を抑制して該薄膜の強誘電特性を
良好な状態に維持できる。

また、Ｍｇ　ＯやＺｒＯ２の酸化物絶縁層は該絶縁Ｎを
堆積するためのスパッタリングの条件等を換えることに
より（０１１）　、（１１１）等の任意の方向に配向で
きるため、該酸化物絶縁層上に形成されるｐｔなどの下
部電極も同方向に配向できる。その結果、該下部電極を
下地とする強誘電体薄膜も任意の方向に配向できるため
、その薄膜の組成に適した配向（分極の軸方向への配向
）が可能となり、優れた強誘電特性を有する電子部品を
得ることができる。

更に、下部電極上に設けられた開孔部を有する絶縁膜上
に強誘電体薄膜をその一部がオーバラップするように設
けられた電子部品の構造において、前記絶縁膜をＭｇ　
Ｏ，Ｚ　ｒ０２により形成すれば、該Ｍｇ　Ｏ等は強誘
電体薄膜と近似した熱膨張係数を有するため、熱影響に
よる強誘電体薄膜へのクラック発生を防止できる。その
結果、強誘電体薄膜を挾む上下の電極間でのリーク等を
防止した高信頼性の電子部品を得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図示する製造方法を併記して詳
細に説明する。

実施例１ まず、半導体素子や配線が既に形成されたシリコンウェ
ハ１１上に５ｉ０２ガラスからなる絶縁膜１２を堆積し
た後、全面に下記条件のＲＦマグネトロンスパッタリン
グにより厚さ５０００人のＭｇ　Ｏからなる絶縁層１３
を成膜した（第１図（ａ）図示）。

こうして成膜されたＭｇ　Ｏからなる絶縁層１３は、結
晶化しており、（１００）に配向されていた。

［Ｍｇ　Ｏの成膜条件〕 ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
直径５インチのＭｇ　Ｏセ ラミックス ウェハ温度；５００℃ ガ　　　　　ス　；　　Ａ　ｒ　　／　０２ガ　　ス　
　圧　；０．５Ｐａ ウェハとターゲット間の距離；　１０１）　ｍｍ電力／
ターゲット；　２００　Ｗ 次いで、絶縁層１３の全面に下記条件のＲＦマグネトロ
ンスパッタリングにより厚さ２０００人のＰｔ膜を成膜
した。この場合、ウェハ１１の温度を６ｏ。

℃に上げることによりＰｔ膜は（１０（＋）の絶縁層Ｉ
３上に（１００）に配向された。なお、ウェハ温度を低
く、例えば室温程度にすると下地であるＭｇ　Ｏの絶縁
層の影響を受けないことがら、（Ｉｌｌ）に配向される
。この後、Ｐｔ膜をイオンミリングによりパターニング
して下部電極１４を形成した（同図（ｂ）図示）。

［Ｐｉの成膜条件］ ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
直径５インチのｐｔ板 ウェハ温度；６００℃ ガ　　　　　ス　；Ａｒ ガ　　ス　　圧　・　０．５Ｐａ ウェハとターゲット間の距離；１００ｍｍ電力／ターゲ
ット、　５００　Ｗ 次いで、前記下部電極１４を含む絶縁層１３上に下記条
件のＲＦマグネトロンスパッタリングにより厚さ５００
０人のＰｂＴｉＯ３薄膜を成膜した。

こうして成膜された薄膜は、単一相であり、（００１）
に強い配向性を示した。つづいて、前記Ｐｂ　Ｔｉ　０
３薄膜上に写真蝕刻法によりレジストパターン（図示せ
ず）を形成した後、該レジストパターンをマスクとして
薄膜を選択的にエツチングしてＰｂ　Ｔｉ　０３薄膜パ
ターン１５を形成した。

この後、レジストパターンを除去した。ひきつづき、写
真蝕刻法によりレジストパターン（図示ぜず）を形成し
た後、該レジストパターンを含む全面に厚さ２０００人
のｐｔ膜を前述したのと同様な条件で成膜し、更に前記
レジストパターン及びその上のＰｉ膜を除去する、リフ
トオフ法によりパタニングして上部電極１６を形成して
強誘電体薄膜素子を製造した（同図（Ｃ）図示）。

［Ｐｂ　Ｔｉ　０３の成膜条件〕 ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
直径５インチの ＰｂＴｊ０３セラミックス ウェハ温度；６００°Ｃ ガ　　　　　ス　；　　Ａ　ｒ　　／　０２ガ　　ス　
　圧　；０．６Ｐａ ウェハとターゲット間の距１４１Ｅ　；　１００　ｍｍ
ｍ電力／ターゲラ−ｉ　２００　Ｗ 得られた強誘電体薄膜素子は、第１図（ｃ）に示すよう
（こシリコンウェハＩＮ二（こ５ｉ０２ガラスの絶縁膜
１２を介して結晶化された（１００）のＭｇ　Ｏからな
る絶縁層１３が被覆され、かつ該ＭｇＯからなる絶縁層
１３」−に（１００）に配向されたＰｉの下部電極１４
及びｐｔのに１部電極１６で挾まれ、（００１）に配向
されたＰｂＴｉＯ３薄膜パターン１５を設けた構造にな
っている。かかる強誘電体薄膜素子について５０Ｈｚで
のヒステリシス特性を調べたところ、第４図に示す特性
図を得た。これに対し、比較例としてＭｇＯからなる絶
縁層を５ｉｎ２ガラスからなる絶縁膜」−に設けない以
外、実施例］と同様な強誘電体薄膜素子を製造し、同様
なヒステリシス特性を調べたところ、第５図に示す特性
図を得１ま た。

第４図及び第５図から明らかなように、本実施例１の強
誘電体薄膜素子（第４図）は比較例の同薄膜素子（第５
図）に比べてＰｒ値が大きく、Ｅｃ値が小さいという極
めて優れた強誘電体特性を有することがわかる。本実施
例１の強誘電体薄膜素子が優れた特性を有するのは、Ｐ
ｂ　Ｔｉ　０３薄膜を結晶化するためのシリコンウェハ
１１の加熱時に該薄膜の構成成分であるＰｂがＰｔの下
部電極１４を通して５ｉ０２ガラスの絶縁膜１２に拡散
するを該下部電極１４下のＭｇ　Ｏの絶縁層１３による
バリア作用により阻止されること、Ｐｂ　Ｔｉ　０３薄
膜パターン１５か（００１）に良好に配向されているこ
とによるものである。

実施例２ まず、半導体素子や配線が既に形成されたシリコンウェ
ハ上に５ｉ０２ガラスからなる絶縁膜を堆積した後、全
面に下記条件のＲＦマグネトロンスパッタリングにより
厚さ５０００人のＺｒＯ２からなる絶縁層を成膜した。

こうして成膜されたＺｒ０２からなる絶縁層は、結晶化
しており、（＋００）に配向されていた。

［ＺｒＯ２の成膜条件〕 ターゲット；水冷Ｃｕ製プレートにボンディングされた
直径５インチのＺ　ｒ　Ｏ２ セラミツクス ウェハ温度；５００℃ ガ　　　　　ス　；Ａｒ１０２ ガ　　ス　　圧　；０．５Ｐａ ウェハとターゲット間の距離；１００ｍｍ電力／ターゲ
ット；　２００　Ｗ 次いで、実施例１と同様な方法によりｐｔからなる下部
電極、Ｐｂ　Ｔｉ　０３薄膜パターン及びｐｔからなる
上部電極の形成を行なって前述した第１図（ｃ）と同構
造の強誘電体薄膜素子を製造した。

本実施例２の強誘電体薄膜素子について５０Ｈｚでのヒ
ステリシス特性を調べたところ、前述した第４図とほぼ
同様な特性図を得られ、極めて優れた強誘電体特性を有
することがわかった。

〕　４ なお、本発明の電子部品は実施例で説明した構造に限定
されず、例えば第２図に示す構造としてもよい。即ち、
第２図中の１１は、半導体素子や配線が既に形成された
シリコンウェハであり、このシリコンウェハ１１上には
例えば５ｉ０２ガラスからなる絶縁膜１２が被覆されて
いる。この絶縁膜１２上には、Ｍｇ　Ｏ又はＺｒＯ２か
らなる第１の絶縁層１７か被覆されている。この絶縁層
１７上にはｐｔ膜の成膜、パターニングにより形成され
た下部電極１４が設けられている。この下部電極１４を
含む前記第１の絶縁層１７上には、Ｍｇ　Ｏ又はＺｒＯ
２からなる第２の絶縁層１８が被覆され、かつ前記下部
電極１４の一部に対応する前記第２の絶縁層１８部分に
は開孔部１９が形成されている。この開孔部１９を含む
周辺の第２の絶縁膜１８部分には、例えばｐｂＴｊ　０
３薄膜パターン１５か設けられている。このＰｂ　Ｔｉ
　０３薄膜パターン１５上には、Ｐ［膜の成膜、パター
ニングにより形成された上部電極１６が設けられている
。かかる構成の強誘電体薄膜素子によれば、前述した実
施例１．２と同様に優れた強誘電体特性を有し、かつＰ
ｂ　Ｔｉ　０３薄膜パタン１５が設けられる第２の絶縁
層１８は該薄膜パターン１５の熱膨脹係数と近似したＭ
ｇＯ又はＺｒＯ２からなるため、第２の絶縁層１８にオ
ーバラップしたＰｂ　Ｔｉ　０３薄膜パタ一ン１５部分
でのクラック発生等を防止できる。

［発明の効果］ 以」二詳述した如く、本発明によれば強誘電体薄膜を結
晶化するための基板の高温加熱等での強誘電体の構成成
分の下部電極等への拡散を防止でき、かつ強誘電体薄膜
のクラック発生を防止でき、更に強誘電体薄膜の組成等
に応じた方向に配向させることができ、ひいては優れた
強誘電体特性、高い信頼性を有する強誘電体薄膜素子、
焦電センサ等の電子部品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１における強誘電体薄膜素子の
製造工程を示す断面図、第２図は本発明の他の実施例を
示す強誘電体薄膜素子の断面図、第３図は従来の強誘電
体薄膜素子を示す断面図、第４図は本実施例１の強誘電
体薄膜素子におけるヒステリシス特性図、第５図は比較
例の強誘電体薄膜素子におけるヒステリシス特性図であ
る。 １１・・・シリコンウェハ、１２・・・絶縁膜、１３．
１７．１８・・・絶縁層、１４・・・下部電極、１５・
・・Ｐｂ　Ｔｉ　０３薄膜パターン、１６・・・上部電
極。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコン基板上にＭｇ及びＺｒの少なくとも１種を主成
   分とする酸化物絶縁層を被覆し、かつ該絶縁層上に少な
   くとも一対の電極を備えた強誘電体薄膜を設けたことを
   特徴とする電子部品。