JPH02248089A - 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】 ［発明の目的コ （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　Ｏ，ＰＺＴ（ＰｂＴｉ０ｉとＰｂ　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　Ｔａ　０３　、Ｌｉ　Ｎｂ　Ｏｓ　、ＫＴａ　Ｏ
ｓ、ＫＮｂ　０３又はＢｉ　４Ｔｉ　３０＋□などのチ
タン酸ビスマス系、ｆａ　Ｔ　ｉ　Ｏｉ系、ＳｒＴｉＯ
３系なども使用されている。ＰｂＴｌ０ｉ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
が知られている。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ある。このシリ
コン基板ｌ上には、Ｓｌ　３Ｎ４、Ｓｌ　０２　、ｓｔ
　０２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、５１０２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等の電極材料層の蒸着
、パターニングにより形成された上部電極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上に成
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上にパター
ニングされた強誘電体薄膜６を形成する。

しかしながら、上記構造の電子部品にあっては強誘電体
を構成するｐｂなどの成分が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　、Ｓ’ｌ　
０２ガラス、ＰＳＧからなるｉｔの絶縁膜′２に拡散す
る。その結果、第１の絶縁膜２の抵抗率が下がるばかり
か、強誘電体薄膜Ｂの組成が変化して下部電極３との界
面の格子整合性が乱れ、強誘電体薄膜６の特性劣化を招
く問題があった。

また、Ｐｂ　Ｔｉ　ｏ、　、ＰＺＴからなる強誘電体薄
膜は該薄膜が設けられるＳｉＯ□等からなる第２の絶縁
膜４との熱膨脹係数が異なることから、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が生じる。クラック　８の発生は、該強誘電体薄
膜６を上下に挟む下部電極３、上部電極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、強誘電体薄膜はその強誘電特性を向上するために
ペロブスカイト型結晶相の単相が好ましいが、パイクロ
ア相等の混在による強誘電体層の下地となる下部電極層
の影響が大きい。例えば、下部電極としてｐｔ等の金属
電極を使用した場合、熱膨脹係数の違いによりその上に
形成される強誘電体層は内部歪みが発生し、ペロブスカ
イト相単層の薄膜が得られ難くなる問題があった。

（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、更に下
部電極上に強誘電体薄膜をペロブスカイト型結晶相の単
相として良好に形成することが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） 本発明の電子部品は、シリコン等の半導体基板上に絶縁
層を被覆し、かつ該絶縁層上に少なくとも一対の電極を
備えたペロブスカイト型強誘電体薄膜を設けた電子部品
において、前記絶縁層をＭｇ及び２「の少なくとも１種
を主成分とする酸化物、又はＳｒ及びＴＩを主成分とす
る酸化物から形成し、かつ前記電極のうち少なくとも前
記絶縁層と接する電極をペロブスカイト型導電性酸化物
から形成しどことを特徴とするものである。

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「０２を挙げることができ、Ｓ「及びＴＩ
を含む酸化物としては例えばＳｒ　Ｔｉ０３等を挙げる
ことができる。かかる酸化物からなる絶縁層の厚さは、
５００Å以上とすることが望ましい。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４ｆよい。

上記絶縁層と接する電極を構成するペロブスカイト型導
電性酸化物は、例えばＹＳＢａ、及びＣｕを主構成成分
とするもの、ＢＩ　　Ｃａ、Ｓｒ及びＣｕを主構成成分
とするものがある。

具体的には、Ｙｌ　Ｂ２　Ｃｕ　ｇ　０７−ｓＢｉ　２
　Ｓｒ　２　Ｃａ’　Ｃｕ　２０ｘ等の超電導体を挙げ
ることができる。なお、上記絶縁層と接しない他の電極
は上記ペロブスカイト型導電性酸化物で形成してもよい
し、Ｐｔ等の金属で形成してもよい。

上記強誘電体としては、例えばＰｂＴｉ０ａ、又はＰｂ
　Ｔｉ　０３とＰｂ　Ｚｒ　Ｏ３の固溶体（ＰＺＴ）　
、ＰＺＴ”ｉこ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、上記シリコン基板と上記酸化物絶縁層の間に必要
に応じて３１３　Ｎ　ａ　　Ｓ　１０２Ｓ　ｉ　Ｏ２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Ｓｌ　０２などの絶
縁膜と下部電極の間にＭｇ　Ｏ，Ｚｒ　０２又はＳｒＴ
ｉＯ３等の酸化物絶縁層（バッファ層）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、ＳｉＯ□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、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Ｍｇ０
ＳＺｒＯ□又は５ｒＴｉ０ｉ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、強誘電体薄膜を挟む上下の電極間で
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。

更に、上記絶縁層と接する電極（下部電極）をペロブス
カイト型超電導酸化物により形成することによって、該
下部電極上にペロブスカイト相の単相からなる強誘電体
薄膜を容易に形成でき、強誘電特性、特に残留分極特性
の良好な強誘電体薄膜を有する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ＳＩＯ□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からなる酸化物絶縁
層１３を成膜した（第１図（ａ）図示）。こうして成膜
されたＭｇ　Ｏからなる酸化物絶縁層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ＭｇＯ セラミックス ウェハ温度；５００℃ ガ　　ス　；Ａｒ１０□ ガス圧；０．５Ｐａ ウェハとターゲット間の距離；　１００　■電力／ター
ゲット、　２００　Ｗ 次いで、前記酸化物絶縁層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ペロブスカイト型超
電導酸化物である厚さ５０００人のＹＩ　Ｂａ　２　Ｃ
ｕ　３０７膜（以下、ＹＢＣＯ膜と称す）を成膜した。

この後、このＹＢＣＯ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）
。

［ＹＢＣＯ膜の成膜条件〕 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ＹＢＣＯ板 ウェハ温度；６００℃ ガ　　ス　；　　Ａ　ｒ　　／　０２ ガス圧；０．５Ｐａ ウェハとターゲット間の距離；　１００　ｌ■電力／タ
ーゲット；　２００　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ＰｂＴｉ０３薄膜を成膜した。こうして成膜され
た薄膜は、単一相であつた。つづいて、前記ＰｂＴｉＯ
ｓ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ＰｂＴｉ０ｉ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
せず）を形成した後、該レジストパターンを含む全面に
厚さ５０００人のＹＢＣＯ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ＹＢ
ＣＯ膜を除去する、リフトオフ法によりバターニングし
て上部電極１Ｂを形成した。この後、酸素雰囲気中、５
００℃で２時間の熱処理を施して強誘電体薄膜素子を製
造した（同図（ｃ）図示）。

（Ｐｂ　Ｔｉ　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 ＰｂＴｌ０ｉセラミツクス ウェハ温度、　６００℃ ガ　　ス　；Ａｒ１０□ ガス圧；０．８Ｐａ ウェハとターゲット間の距離；　１００　ｓ−電力／タ
ーゲット；　２００　Ｗ 得られた強誘電体薄膜素子は、第１図（ｃ）に示すよう
にシリコンウェハ１１上に５１０２ガラスの絶縁膜１２
を介してＭｇ　Ｏからなる酸化物絶縁層１３が被覆され
、かつ酸化物絶縁層１３上にＹＢＣＯからなる下部電極
１４及び同ＹＢＣＯからなる上部電極１６で挾まれたＰ
ｂ　Ｔｉ０３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おいて、Ｍｇ　Ｏからな
る強誘電体パターンの状態を観察したところ、該強誘電
体パターンへのクラック発生は認められなかった。また
、強誘電体薄膜素子について強誘電特性としての残留分
極を調べたところ、０．０３Ｃ／　ｍ　２と大きな値が
得られ、優れた強誘電特性を有することが確認された。

これに対し、Ｍｇ　Ｏの酸化物絶縁層がなく、電極とし
てｐｔを用いた以外、実施例１と同様な強誘電体薄膜素
子を製造し、同様な残留分極を調べたところ、０．０８
Ｃ／ｍ２と強誘電特性が劣るものであった。かかる本実
施例１の強誘電体薄膜素子が優れた特性を有するのは、
ＰｂＴｉ０ｉ薄膜を結晶化するためのシリコンウェハ１
１の加熱時に該薄膜の構成成分であるｐｂがＹＢＣＯか
らなる下部電極１４を通してＳｉ　０２ガラスの絶縁膜
１２に拡散するを該下部電極１４下のＭｇ　Ｏの酸化物
絶縁層１３によるバリア作用により阻止されること、Ｐ
ｂＴｉ０ｓ薄膜パターンＩ５がＹＢＣＯからなる下部電
極１４上にペロブスカイト結晶相の単相で形成されるこ
とによるものである。

実施例２ 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
５１０２ガラスからなる絶縁膜を堆積し、該絶縁膜上に
ＺｒＯ２からなる酸化物絶縁層を前記Ｍｇ　Ｏと同様な
条件で成膜した以外、実施例１と同様な方法により前述
した第１図（ｃ）と同構造の強誘電体薄膜素子を製造し
た。

実施例３ 半導体素子〈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、該絶縁膜上に
５ｒＴｉＯｉからなる酸化物絶縁層を前記Ｍｇ　Ｏと同
様な条件で成膜した以外、実施例１と同様な方法により
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。

得られ、た実施例２．３の強誘電体薄膜素子において、
ＹＢＣＯからなる下部電極上のＰｂ　Ｔｉ０．からなる
強誘電体パターンの状態を観察したところ、該強誘電体
パターンへのクラブり発生は認められなか゛った。また
、各強誘電体薄膜素子について強誘電特性としての残留
分極を調べたところ、０．０９Ｃ／　ｍ　２．０．０８
Ｃ／　ｍ　２と大きな値が得られ、優れた強誘電特性を
有することが確認された。

実施例４ 強誘電体パターンとしてＰ　ｂ（Ｚ　ｒ　Ｔ　ｉ）０３
からなるものを用いた以外、実施例１と同様な方法によ
り前述した第１図（ｃ）と同構造の強誘電体薄膜素子を
製造した。

得られた実施例４の強誘電体薄膜素子において、ＹＢＣ
Ｏからなる下部電極上のＰ　ｂ（Ｚ　ｒ　Ｔ　ｉ）０３
からなる強誘電体パターンの状態を観察したところ、該
強誘電体パターンへのクラック発生は認められなかった
。また、強誘電体薄膜素子について強誘電特性としての
残留分極を調べたところ、０．１８Ｃ／　ｍ　２と大き
な値が得られ、優れた強誘電特性を有することが確認さ
れた。

実施例５ 下部電極としてＢＩ　Ｓｒ　２　Ｃａ　Ｃｕ２０ｇのス
パッタリング、イオンミリングにより形成されたものを
用いた以外、実施例１と同様な方法により前述した第１
図（ｃ）と同構造の強誘電体薄膜素子を製造した。なお
、かかる実施例うではＹＢＣＯからなる上部電極を形成
した後、空気中、６００℃で熱処理を行った。

得られた実施例５の強誘電体薄膜素子において、Ｂ　１
Ｓ　ｒ　２　Ｃａ　Ｃｕ　２０ｇからなる下部電極上の
Ｐ　ｂ（Ｚ　ｒ　Ｔ　Ｉ）０３からなる強誘電体パター
ンの状態を観察したところ、該強誘電体パターンへのク
ラック発生は認゛められなかった。また、強誘電体薄膜
素子について強誘電特性としての残留分極を調べたとこ
ろ、０．０８Ｃ／ｍ２と大きな値が得られ、優れた強誘
電特性を有することが確認された。

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Ｓｉ　０２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、Ｍｇ０ＳＺｒＯ□又は
５ｒＴｉ０ｔからなる第１の酸化物絶縁層１７が被覆さ
れている。この酸化物絶縁層１７上にはペロブスカイト
型酸化物膜の成膜、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の酸化物絶縁層１７上には、Ｍｇ　Ｏ又はＺｒ　
Ｏ２又は５ｒＴｉＯｉからなる第２の酸化物絶縁層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の酸化物絶縁層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の酸化物絶
縁膜１８部分には、例えばＰｂＴｉ０ｉ薄膜パターン１
５が設けられている。

このＰｂＴｉ０１Ｍ膜パターン１５上には、ペロブスカ
イト型酸化物膜の成膜、バ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１〜５と同様に優れ
た強誘電体特性を有し、かつＰｂＴｌ０ｉ薄膜パターン
１５が設けられる第２の酸化物絶縁層１８は該薄膜パタ
ーン１５の熱膨張係数と近似したＭｇ　Ｏ又はＺｒＯ□
又は５ｒＴｉＯｉからなるため、第２の酸化物絶縁層１
８にオーバラップしたＰｂＴｉ０ｉ薄膜パタ一ン１５部
分でのクラック発生等を防止できる。

［発明の効果コ 以上詳述した如く、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、更に下部電極上に強誘電体薄
膜をペロブスカイト型結晶相の単相として良好に形成す
ることができ、ひいては優れＥ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である。 １１・・・シリコンウェハ、１２・・・絶縁膜、１３．
１７、ｌ８・・・ 酸化物絶縁層 １４・・・下部電極 １５・・・ ｂ Ｉ ０、薄膜パターン、 １Ｂ・・・上部電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に絶縁層を被覆し、かつ該絶縁層上に少な
   くとも一対の電極を備えたペロブスカイト型強誘電体薄
   膜を設けた電子部品において、前記絶縁層をＭｇ及びＺ
   ｒの少なくとも１種を主成分とする酸化物、又はＳｒ及
   びＴｉを主成分とする酸化物から形成し、かつ前記電極
   のうち少なくとも前記絶縁層と接する電極をペロブスカ
   イト型導電性酸化物から形成したことを特徴とする電子
   部品。