JPH08139292A - Thin film capacitor and semiconductor memory - Google Patents

Thin film capacitor and semiconductor memory

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JPH08139292A
JPH08139292A JP7082091A JP8209195A JPH08139292A JP H08139292 A JPH08139292 A JP H08139292A JP 7082091 A JP7082091 A JP 7082091A JP 8209195 A JP8209195 A JP 8209195A JP H08139292 A JPH08139292 A JP H08139292A
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Abstract

PURPOSE: To provide a thin film capacitor in which a temperature range in which a dielectric film indicates ferroelectricity is large and the value of a residual polarization is sufficiently large in practice. CONSTITUTION: A thin film capacitor comprises a conductive substrate 5 made of a conductive material having a crystalline structure in which a front surface is the surface (001) of a tetragonal crystal, a dielectric film 3 made of (Ba0.85 Sr0.15 )TiO3 (tetragonal crystal) having a perovskite crystalline structure formed on the substrate 5, and an upper electrode 4 formed on the film 3. The original Curie temperature of the dielectric material is 150 deg.C or lower, and the original lattice constant ad of the dielectric material represented by the a axis length of the perovskite structure and the original lattice constant as of the conductive material represented by by the a axis length of the tetragonal crystal structure satisfy the relation formula of 1.002<=ad /as <=1.015.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ペロブスカイト型結晶
構造などを有する誘電性材料からなる誘電体膜を具備し
た薄膜キャパシタ、及びこれを用いた半導体記憶装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film capacitor provided with a dielectric film made of a dielectric material having a perovskite type crystal structure or the like, and a semiconductor memory device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、メモリセルのキャパシタに強誘電
体薄膜を使用した半導体記憶装置(強誘電体メモリ)の
開発が行われており、一部では既に実用化されている。
強誘電体メモリは不揮発性であり、電源を落とした後も
記憶内容が失われず、しかも強誘電体薄膜の膜厚が薄い
場合には残留分極の反転が速く、DRAM(揮発性メモ
リ)並みに高速の書き込み,読み出しが可能である等の
特徴を有する。さらに、1つのメモリセルを1つのトラ
ンジスタと1つのキャパシタで作成することができるた
め、大容量化にも適している。
2. Description of the Related Art In recent years, a semiconductor memory device (ferroelectric memory) using a ferroelectric thin film for a capacitor of a memory cell has been developed, and some have already been put to practical use.
Ferroelectric memory is non-volatile, and the stored contents are not lost even after the power is turned off. Moreover, when the ferroelectric thin film is thin, reversal of remanent polarization is fast, and it is as good as DRAM (volatile memory). It has features such as high-speed writing and reading. Further, since one memory cell can be formed with one transistor and one capacitor, it is suitable for large capacity.

【0003】また最近、強誘電体メモリをDRAM動作
させる技術も研究されている。これは、強誘電体薄膜の
残留分極を通常の動作中は反転させず、DRAMのメモ
リセルのキャパシタと同様に使用して、機器の電源を落
とす前にだけ強誘電体薄膜の残留分極を利用し不揮発性
メモリとして動作させるというものである。この技術
は、強誘電体メモリの最大の問題と考えられている強誘
電体薄膜の疲労、即ち分極反転を繰り返すにつれて強誘
電体薄膜が劣化するという現象を回避し得る有効な方法
である。
Recently, a technique for operating a ferroelectric memory as a DRAM has also been studied. It does not invert the remanent polarization of the ferroelectric thin film during normal operation and uses it like a capacitor of a DRAM memory cell, and utilizes the remanent polarization of the ferroelectric thin film only before turning off the power of the device. However, it is operated as a non-volatile memory. This technique is an effective method that can avoid the fatigue of the ferroelectric thin film, which is considered to be the biggest problem of the ferroelectric memory, that is, the phenomenon that the ferroelectric thin film deteriorates with repeated polarization inversion.

【0004】ここで、強誘電体メモリに適した強誘電体
薄膜には、残留分極が大きいこと、残留分極の温度依存
性が小さいこと、分極反転の繰り返しに対する劣化が小
さいこと等が求められる。また、強誘電体メモリをDR
AM動作させる場合には、これらに加えてリーク電流が
小さいことが必要となる。
Here, a ferroelectric thin film suitable for a ferroelectric memory is required to have a large remanent polarization, a small temperature dependence of the remanent polarization, and a small deterioration due to repeated polarization inversion. In addition, DR of ferroelectric memory
In addition to these, when the AM operation is performed, it is necessary that the leak current is small.

【0005】現在、上述したような強誘電体薄膜に用い
られる誘電性材料としては、ペロブスカイト型結晶構造
を有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が一般的であ
る。PZTは、ジルコン酸鉛(PbZrO3 )のチタン
酸鉛(PbTiO3 )の固溶体であるが、ほぼ1:1の
モル比で固溶したものが残留分極が大きく、低い電界で
も分極反転することができ、特に優れていると考えられ
ている。またPZTは、強誘電相と常誘電相の転移温度
(キュリー温度)が約300℃と高温であるため、通常
の電子回路が使用される120℃以下程度の温度範囲で
は、記憶された内容が熱によって失われる心配は少な
い。
At present, lead zirconate titanate (PZT) having a perovskite type crystal structure is generally used as a dielectric material for the above-mentioned ferroelectric thin film. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), but a solid solution having a molar ratio of about 1: 1 has a large remanent polarization, and polarization reversal is possible even in a low electric field. Yes, and considered to be particularly good. Further, PZT has a high transition temperature (Curie temperature) of about 300 ° C. between the ferroelectric phase and the paraelectric phase, so that the stored contents are in a temperature range of about 120 ° C. or less where a normal electronic circuit is used. There is little concern about losing heat.

【0006】しかしながら、PZTの良質の薄膜は以前
より成膜が難しいことが知られている。その理由は第一
に、PZTの主成分であるPbは500℃以上で極めて
蒸発しやすく、結果的に成膜時における組成の正確な制
御が困難となるためである。また第二の理由としては、
PZTはペロブスカイト型結晶構造のとき初めて強誘電
性を示すが、成膜条件によってはペロブスカイト型結晶
構造の代わりに、強誘電性を示さないパイロクロア型結
晶構造が非常に得られやすいことが挙げられる。即ち、
一般にペロブスカイト型結晶構造を有するPZTの薄膜
を成膜するには約500℃以上程度の温度が必要である
が、温度を上げると今度はPbが蒸発してPZTが所望
の組成からずれてしまうという問題が生じる。
However, it is known that it is more difficult to form a good quality thin film of PZT than before. The first reason is that Pb, which is the main component of PZT, is extremely likely to evaporate at 500 ° C. or higher, and as a result, it becomes difficult to accurately control the composition during film formation. The second reason is that
PZT exhibits ferroelectricity for the first time when it has a perovskite type crystal structure, but depending on the film forming conditions, it is very easy to obtain a pyrochlore type crystal structure that does not exhibit ferroelectricity, instead of the perovskite type crystal structure. That is,
Generally, a temperature of about 500 ° C. or higher is required to form a thin film of PZT having a perovskite type crystal structure, but when the temperature is raised, Pb is evaporated and PZT deviates from a desired composition. The problem arises.

【0007】上述したように、PZTの良質の薄膜は再
現性良く成膜することが難しいにもかかわらず、現在強
誘電体メモリの強誘電体薄膜に用いられる誘電性材料と
して最も一般的であるのは、PZT以外に適当な誘電性
材料が見出されていないためである。例えばPZT以外
の誘電性材料では、チタン酸バリウム(BaTiO3
が強誘電性を示すことが広く知られている。しかもPb
と比べるとBaは蒸発しにくいので、BaTiO3 の薄
膜の成膜においては組成の制御が容易であり、かつBa
TiO3 の薄膜ではペロブスカイト型結晶構造以外の
(例えばパイロクロア型結晶構造等の)結晶構造が形成
されることは少ない。
As described above, although it is difficult to form a good quality thin film of PZT with good reproducibility, it is currently the most popular dielectric material used for the ferroelectric thin film of the ferroelectric memory. This is because no suitable dielectric material other than PZT has been found. For example, in dielectric materials other than PZT, barium titanate (BaTiO 3 ) is used.
Is widely known to exhibit ferroelectricity. Moreover, Pb
Since Ba is less likely to evaporate compared with, it is easy to control the composition in the formation of a BaTiO 3 thin film, and
In a TiO 3 thin film, a crystal structure other than a perovskite type crystal structure (for example, a pyrochlore type crystal structure) is rarely formed.

【0008】これらの長所にも拘らず、BaTiO3
強誘電体メモリの強誘電体薄膜に用いられる誘電性材料
としてさほど検討されていない理由としては、PZTに
比べて残留分極が小さく、しかも残留分極の温度依存性
が大きいことが挙げられる。この原因は、BaTiO3
本来のキュリー温度が約120℃と比較的低いことにあ
る。即ち、キュリー温度は強誘電相から常誘電相へ相転
移する誘電性材料に固有の温度であり、強誘電性を示す
誘電性材料でもキュリー温度より高温では強誘電性を示
さない。このため、BaTiO3 を誘電性材料として用
いた強誘電体メモリにおいては、何らかの理由で120
℃以上程度の高温に晒された場合に記憶内容が失われる
恐れがあるばかりでなく、通常電子回路が使用される8
5℃以下程度の温度範囲でもキャパシタにおける残留分
極の温度依存性が大きく、動作が不安定となってしま
う。従ってBaTiO3 の薄膜は、従来強誘電体メモリ
のキャパシタとしての用途には適さないと考えられてい
た。
Despite these advantages, the reason why BaTiO 3 has not been studied so far as a dielectric material used for a ferroelectric thin film of a ferroelectric memory is that the residual polarization is smaller than that of PZT, and the residual polarization is small. The temperature dependence of polarization is large. The cause is BaTiO 3
The original Curie temperature is relatively low at about 120 ° C. That is, the Curie temperature is a temperature unique to a dielectric material that undergoes a phase transition from a ferroelectric phase to a paraelectric phase, and even a dielectric material exhibiting ferroelectricity does not exhibit ferroelectricity at a temperature higher than the Curie temperature. Therefore, in a ferroelectric memory using BaTiO 3 as a dielectric material, for some reason, 120
Not only may the memory contents be lost when exposed to high temperatures of ℃ or higher, but electronic circuits are usually used.
Even in the temperature range of about 5 ° C. or less, the temperature dependence of the residual polarization in the capacitor is large and the operation becomes unstable. Therefore, the BaTiO 3 thin film was conventionally considered not suitable for use as a capacitor of a ferroelectric memory.

【0009】一方、最近Pt/MgO単結晶基板の上に
エピタキシャル成長したBaTiO3 の薄膜において、
キュリー温度が200℃以上に上昇するという現象が観
測されたことが、『飯島賢二他、応用物理、第62巻第
12号(1993)、p.1250〜1251』に報告
されている。この文献によれば、上述したような現象が
生じるのは、BaTiO3 の薄膜がPtの格子定数に合
わせるようにエピタキシャル成長して、ペロブスカイト
型結晶構造を有する格子のa軸が縮みc軸が伸びるから
であると考えられている。但し、ここでキュリー温度の
上昇が観測されているのは、非常に膜厚の薄いBaTi
3 の薄膜においてであり、例えば10nm以上に膜厚
が厚いとミスフィット転移によりペロブスカイト型結晶
構造を有する格子がBaTiO3 本来の格子定数に戻っ
てしまう傾向があるため、キュリー温度の大きな上昇は
期待できない。
On the other hand, in a BaTiO 3 thin film epitaxially grown on a Pt / MgO single crystal substrate recently,
The phenomenon that the Curie temperature rises to 200 ° C. or higher is observed, “Kenji Iijima et al., Applied Physics, Vol. 62, No. 12 (1993), p. 1250 to 1251 ”. According to this document, the above-mentioned phenomenon occurs because the thin film of BaTiO 3 is epitaxially grown so as to match the lattice constant of Pt, and the a-axis of the lattice having the perovskite type crystal structure is contracted and the c-axis thereof is extended. Is believed to be. However, the increase in the Curie temperature is observed here because of the extremely thin film thickness of BaTi.
In a thin film of O 3 , for example, when the film thickness is thicker than 10 nm, the lattice having the perovskite crystal structure tends to return to the original lattice constant of BaTiO 3 due to the misfit transition, so that the Curie temperature is not significantly increased. I can't expect.

【0010】しかるに強誘電体薄膜は、膜厚が1μm以
下の領域では一般に薄くなればなるほど残留分極が小さ
くなる傾向があるといわれている。実際上述した文献に
おいても、膜厚100nm以下のBaTiO3 の薄膜で
は残留分極は2〜3μC/cm2 以下である。従って、
膜厚10nm以下程度のBaTiO3 の薄膜で仮にキュ
リー温度を大きく上昇させることができたとしても、強
誘電体薄膜としては実用的な残留分極が得られない。こ
のため、BaTiO3 の薄膜を強誘電体メモリのキャパ
シタに適用することはやはり難しい状況にある。
However, it is said that the ferroelectric thin film generally tends to have smaller remanent polarization as the thickness becomes thinner in a region of 1 μm or less. In fact, in the above-mentioned literature, the residual polarization is 2 to 3 μC / cm 2 or less in the BaTiO 3 thin film having a film thickness of 100 nm or less. Therefore,
Even if a thin film of BaTiO 3 having a film thickness of about 10 nm or less could significantly raise the Curie temperature, a practical residual polarization cannot be obtained as a ferroelectric thin film. Therefore, it is still difficult to apply the BaTiO 3 thin film to the capacitor of the ferroelectric memory.

【0011】また最近は、通常のDRAMにおいても近
年の高集積化に対応して、従来のシリコンの酸化物(S
iO2 )やシリコンの窒化物(Si3 4 )に代わり、
比誘電率の大きなペロブスカイト型結晶構造を有する誘
電性材料を用いることが検討されている。即ちここで
は、キュリー温度が室温以下で強誘電性を示さない(常
誘電性の)チタン酸ストロンチウム(SrTiO3 )や
チタン酸カルシウム(CaTiO3 )等のペロブスカイ
ト型結晶構造を有する誘電性材料を用いて、メモリセル
のキャパシタを大容量化しその面積を縮小することが試
みられている。しかしながら、これらのペロブスカイト
型結晶構造を有する誘電性材料においては、薄膜化した
ときに誘電性材料の本来の比誘電率から期待されるほど
の大きな容量が得られておらず、また容量の温度依存性
が不充分である等の問題があり、いまだDRAMでの実
用化には至っていない。
In addition, in recent years, in conventional DRAMs, in response to the recent high integration, conventional silicon oxides (S
Instead of iO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ),
Use of a dielectric material having a perovskite type crystal structure having a large relative dielectric constant has been studied. That is, here, a dielectric material having a perovskite crystal structure such as strontium titanate (SrTiO 3 ) or calcium titanate (CaTiO 3 ) which does not exhibit ferroelectricity (Curia temperature is below room temperature) is used. Therefore, it has been attempted to increase the capacity of the capacitor of the memory cell and reduce the area thereof. However, in the dielectric materials having these perovskite type crystal structures, a large capacitance as expected from the original relative permittivity of the dielectric material is not obtained when thinned, and the temperature dependence of the capacitance is not obtained. However, it has not yet been put into practical use in DRAM.

【0012】例えば、SrTiO3 ,BaTiO3 ,P
bTiO3 ,PbZrO3 などはバルク材として単一組
成並びに相互の固溶体組成で100以上1000にも及
ぶ比誘電率を有することが知られており、セラミック・
コンデンサに広く用いられている。
For example, SrTiO 3 , BaTiO 3 , P
It is known that bTiO 3 , PbZrO 3 and the like have a single composition as a bulk material and a relative dielectric constant of 100 to 1000 in mutual solid solution composition.
Widely used in capacitors.

【0013】しかしながら、これらSrTiO3 などの
薄膜は、容量を大きくするために単に薄膜化したので
は、比誘電率が徐々に低下するという問題点がある。例
えば、バルク材では優に比誘電率が1000を越えるB
1-x Srx TiO3 では、膜厚が30nmになると比
誘電率は250程度に低下するため、電荷蓄積能力を表
すSiO2 換算膜厚は0.4nm程度にとどまる。従っ
て、1GビットクラスのDRAMを作成する場合には、
BaSrTiO3 誘電体膜を使用した薄膜キャパシタを
平面的に構成するのでは蓄積電荷量が足りず、アスペク
ト比2以上の立体形状にする必要があり、作成が更に困
難になるという問題点がある。
However, these thin films of SrTiO 3 or the like have a problem that the relative dielectric constant gradually decreases if they are simply thinned to increase the capacitance. For example, in the case of bulk material, the relative dielectric constant is easily over 1000.
In the case of a 1-x Sr x TiO 3 , the relative dielectric constant decreases to about 250 when the film thickness becomes 30 nm, so that the SiO 2 converted film thickness, which represents the charge storage capacity, remains around 0.4 nm. Therefore, when creating a 1 Gbit class DRAM,
If a thin film capacitor using a BaSrTiO 3 dielectric film is configured in a plane, the amount of accumulated charge is insufficient, and it is necessary to make a three-dimensional shape with an aspect ratio of 2 or more, which is a problem that the fabrication becomes more difficult.

【0014】さらに、強誘電体薄膜を使用した半導体記
憶装置、即ちFRAMなどの強誘電体メモリにおいても
全く同様の問題点がある。例えば、現在FRAMに使用
されているPbZr1-x Tix 3 の薄膜においても、
薄膜化を進めると強誘電性が失われていく傾向があり、
最低でも200nmの膜厚が必要である。しかしなが
ら、このような厚い誘電体膜を使用する場合には、高集
積化が非常に困難である。
Further, a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film, that is, a ferroelectric memory such as FRAM has the same problem. For example, even in the thin film of PbZr 1-x Ti x O 3 currently used for FRAM,
As the film becomes thinner, the ferroelectricity tends to be lost,
A film thickness of at least 200 nm is required. However, when such a thick dielectric film is used, high integration is very difficult.

【0015】しかも、結晶性の誘電性材料では、前述し
たように、特にその特性が結晶構造や組成に大きく依存
する。従って、メモリセルのキャパシタに用いる際は、
成膜時に結晶構造や組成が正確に制御されないと、メモ
リセル間でキャパシタの容量などにばらつきが生じて、
半導体記憶装置の信頼性が損なわれてしまう。しかるに
これまでのところ、このような結晶性の誘電性材料をメ
モリセルのキャパシタに用いた半導体記憶装置につい
て、メモリセル間でのキャパシタの容量のぱらつきを抑
えながら高集積化を図る有効な技術は確立されていな
い。
Moreover, in the case of a crystalline dielectric material, as described above, its characteristics particularly depend largely on the crystal structure and composition. Therefore, when using it for the capacitor of the memory cell,
If the crystal structure and composition are not accurately controlled during film formation, the capacitance of the capacitors will vary among memory cells,
The reliability of the semiconductor memory device is impaired. However, so far, regarding a semiconductor memory device using such a crystalline dielectric material for a capacitor of a memory cell, an effective technique for achieving high integration while suppressing the fluctuation of the capacitance of the capacitor between memory cells has been proposed. Not established.

【0016】また、ここで用いられる強誘電体薄膜は、
残留分極,抗電界や耐疲労特性等について、強誘電体メ
モリの機能を実現するために高い性能が求められてい
る。例えば、このメモリの書込み・読み出しは、強誘電
体薄膜が繰り返し電荷蓄積・電荷放出を行うことを意味
し、このとき、抗電界や残留分極の減少といった疲労が
問題となっている。この疲労の一つの原因として、誘電
体薄膜・電極の界面に蓄積した電荷による誘電体ドメイ
ンのピニングが挙げられるが、このピニングを減少させ
るために界面電荷発生の少ない電極材料を用いると、今
度はリーク電流が増加するといった問題点が起こる。
The ferroelectric thin film used here is
High performance is required to realize the function of the ferroelectric memory, such as remanent polarization, coercive electric field, and fatigue resistance. For example, writing / reading of this memory means that the ferroelectric thin film repeatedly accumulates and discharges charges, and at this time, fatigue such as coercive electric field and reduction of remanent polarization is a problem. One of the causes of this fatigue is the pinning of the dielectric domain due to the charge accumulated at the interface between the dielectric thin film and the electrode. If an electrode material with less interface charge generation is used to reduce this pinning, There is a problem that the leak current increases.

【0017】一方、上記疲労を軽減するために、情報の
読み出しに際して分極反転を起こさない電界、即ち抗電
界以下の電界を印加してDRAMを動作させることで、
非破壊読み出しを行う手法も考案されているが、この場
合は情報の読み出しに有効な蓄積電荷量が減少してしま
い、キャパシタの容量を更に増加させる必要が生じてく
ることになり、更に優れた特性を有する誘電性材料を用
いなければならないことになる。
On the other hand, in order to reduce the fatigue, an electric field which does not cause polarization reversal at the time of reading information, that is, an electric field less than the coercive electric field is applied to operate the DRAM,
A method of performing nondestructive reading has also been devised, but in this case, the amount of accumulated charge effective for reading information decreases, and it becomes necessary to further increase the capacitance of the capacitor, which is more excellent. A dielectric material with properties would have to be used.

【0018】さらに、強誘電体メモリにおいては、その
大集積化に対応して強誘電体薄膜の膜厚を薄くすると、
リーク電流の増加が問題となってくる。そして、膜厚の
低減と共に、上記疲労も顕著となってしまう。このよう
に強誘電体薄膜を使用した薄膜キャパシタでは、誘電体
膜の厚さに関して幾つかの相反律が存在し、小型で残留
分極が大きく、そしてリーク電流が小さいという、強誘
電体メモリに必要な特性を全て満足することは困難であ
った。
Further, in the ferroelectric memory, when the film thickness of the ferroelectric thin film is reduced in response to the large scale integration,
An increase in leak current becomes a problem. Then, as the film thickness is reduced, the fatigue becomes remarkable. In thin film capacitors that use ferroelectric thin films, there are several reciprocity laws regarding the thickness of the dielectric film, which are small, have large remanent polarization, and have a small leakage current. It was difficult to satisfy all of these characteristics.

【0019】[0019]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、強誘
電体メモリやDRAMの薄膜キャパシタ等に使用される
ペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体膜において
は、エピタキシャル成長により形成しかつ膜厚を薄くす
ることにより、キュリー温度を上昇させることができ
る。しかし、膜厚を薄くすると残留分極が小さくなり、
また薄膜化したときに誘電性材料の本来の比誘電率から
期待されるほどの大きな容量が得られておらず、さらに
容量の温度依存性が不充分である等の問題がある。この
ため、ペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体膜を薄
膜キャパシタに適用しても十分な効果は得られていない
のが現状であった。
As described above, a dielectric film having a perovskite type crystal structure conventionally used for a thin film capacitor of a ferroelectric memory or DRAM, etc. is formed by epitaxial growth and thinned. As a result, the Curie temperature can be raised. However, when the film thickness is reduced, the remanent polarization becomes smaller,
Further, when the film is made thin, there is a problem that a large capacitance as expected from the original relative permittivity of the dielectric material is not obtained, and the temperature dependency of the capacitance is insufficient. For this reason, even if a dielectric film having a perovskite type crystal structure is applied to a thin film capacitor, a sufficient effect has not been obtained at present.

【0020】即ち、ペロブスカイト型結晶構造を有する
誘電体膜は薄膜化すると誘電特性が劣化するという本質
的な大きな問題点を抱えており、半導体記憶装置のメモ
リセルのキャパシタに使用するときの大きな問題点とな
っている。また、このような結晶性の誘電性材料をメモ
リセルのキャパシタに用いる際には、メモリセル間での
キャパシタの容量のばらつきを抑えることが、半導体記
憶装置の信頼性を確保する上で非常に重要となる。さら
に、残留分極を記憶の基本原理とした強誘電体メモリで
は、抗電界や残留分極の減少といった疲労が問題となっ
ている。
That is, the dielectric film having the perovskite type crystal structure has an essential big problem that the dielectric characteristics are deteriorated when it is thinned, and it is a big problem when it is used for a capacitor of a memory cell of a semiconductor memory device. It is a point. Further, when using such a crystalline dielectric material for a capacitor of a memory cell, it is very important to suppress the variation in the capacitance of the capacitor between the memory cells in order to secure the reliability of the semiconductor memory device. It becomes important. Further, in a ferroelectric memory in which remanent polarization is a basic principle of memory, fatigue such as coercive electric field and reduction of remanent polarization is a problem.

【0021】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、第一に、強誘電体メモリ
やDRAMの薄膜キャパシタ等に使用されるペロブスカ
イト型結晶構造を有する誘電体膜において、そのキュリ
ー温度を誘電性材料本来のキュリー温度よりも高め、ひ
いては誘電体膜が強誘電性を示す温度範囲が広く残留分
極の値が実用的に充分に大きな薄膜キャパシタや、容量
が大きくしかも容量の温度依存性が良好な薄膜キャパシ
タを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is, firstly, a dielectric having a perovskite type crystal structure used for a ferroelectric memory or a thin film capacitor of a DRAM. In the film, the Curie temperature is raised above the original Curie temperature of the dielectric material, and the temperature range in which the dielectric film exhibits ferroelectricity is wide, and the value of remanent polarization is large enough for practical use. Moreover, it is to provide a thin film capacitor having good temperature dependence of capacitance.

【0022】また、本発明の別の目的は、このような誘
電体膜をメモリセルのキャパシタに使用して、セル間で
のキャパシタの容量などのばらつきが小さく、しかもキ
ャパシタにおける残留分極が大きくかつ安定に動作し得
る強誘電体メモリや、キャパシタの容量が広い温度範囲
にわたって大きく高集積化の可能なDRAM等の半導体
記憶装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to use such a dielectric film in a capacitor of a memory cell so that the variation in the capacitance of the capacitor between cells is small and the residual polarization in the capacitor is large. It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device such as a ferroelectric memory that can operate stably and a DRAM that has a large capacity of a capacitor over a wide temperature range and can be highly integrated.

【0023】さらに、本発明の別の目的は、情報の読出
しに伴う薄膜キャパシタの残留分極の低下や抗電界の低
下といった疲労が少ない半導体記憶装置を提供すること
にある。
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device in which fatigue such as reduction of remanent polarization of a thin film capacitor and reduction of coercive field due to reading of information is reduced.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configurations.

【0025】即ち、本発明は第1に、少なくとも表面が
正方晶系の(001)面及び立方晶系のいずれかに属す
る結晶構造を有する導電性材料からなる導電性基板と、
この導電性基板の上にエピタキシャル成長した正方晶系
及び立方晶系のいずれかに属するペロブスカイト型結晶
構造を有する誘電性材料からなる誘電体膜と、この誘電
体膜の上に形成された上部電極とを具備した薄膜キャパ
シタにおいて、前記誘電性材料本来のキュリー温度が1
50℃以下で、ペロブスカイト型結晶構造のa軸長で表
される誘電性材料本来の格子定数ad と正方晶系及び立
方晶系のいずれかの結晶構造のa軸長で表される導電性
材料本来の格子定数as とが、 1.002≦ad /as ≦1.015 の関係式を満足することを特徴とする(請求項1)。
That is, the present invention is, firstly, a conductive substrate made of a conductive material having at least a surface having a crystal structure belonging to either a tetragonal (001) plane or a cubic system,
A dielectric film made of a dielectric material having a perovskite type crystal structure belonging to either a tetragonal system or a cubic system epitaxially grown on the conductive substrate, and an upper electrode formed on the dielectric film. In the thin film capacitor including, the original Curie temperature of the dielectric material is 1
At 50 ° C. or lower, the intrinsic lattice constant a d of the dielectric material expressed by the a-axis length of the perovskite type crystal structure and the conductivity expressed by the a-axis length of either tetragonal or cubic crystal structure materials and natural lattice constant a s, and satisfies the relationship of 1.002 ≦ a d / a s ≦ 1.015 ( claim 1).

【0026】また、少なくとも表面が正方晶系の(00
1)面及び立方晶系のいずれかに属する結晶構造を有す
る導電性材料からなる導電性基板と、この導電性基板の
上にエピタキシャル成長した正方晶系及び立方晶系のい
ずれかに属するペロブスカイト型結晶構造を有する誘電
性材料からなる誘電体膜と、この誘電体膜の上に形成さ
れた上部電極とを具備した薄膜キャパシタにおいて、前
記誘電性材料が一般式ABO3 (但し式中、AはBa,
Sr,Caからなる群より選ばれた少なくとも1種、B
はTi,Zr,Hf,Sn,(Mg1/3 Nb2/3 ),
(Mg1/3 Ta2/ 3 ),(Zn1/3 Nb2/3 ),(Zn
1/3 Ta2/3 ),(Mg1/2 Te1/2 ),(Co1/2
1/2 ),(Mg1/2 1/2 ),(Mn1/2 1/2 ),
(Sc1/2 Nb1/2 ),(Mn1/2 Nb1/2 ),(Sc
1/2 Ta1/2 ),(Fe1/2 Nb1/2),(In1/2
1/2 ),(Fe1/2 Ta1/2 ),(Cd1/3
2/3 ),(Co1/3 Nb2/3 ),(Ni1/3
2/3 ),(Co1/3 Ta2/3 ),(Ni1/3
2/3 )からなる群より選ばれた少なくとも1種)で表
されるペロブスカイト組成を有し、ペロブスカイト型結
晶構造のa軸長で表される誘電性材料本来の格子定数a
d と正方晶系及び立方晶系のいずれかの結晶構造のa軸
長で表される導電性材料本来の格子定数as とが、 1.002≦ad /as ≦1.015 の関係式を満足することを特徴とする(請求項2)。
Further, at least the surface has a tetragonal (00
1) A conductive substrate made of a conductive material having a crystal structure belonging to either a plane or a cubic system, and a perovskite type crystal belonging to either a tetragonal system or a cubic system epitaxially grown on this conductive substrate. In a thin film capacitor comprising a dielectric film made of a dielectric material having a structure, and an upper electrode formed on the dielectric film, the dielectric material has the general formula ABO 3 (where A is Ba ,
At least one selected from the group consisting of Sr and Ca, B
Is Ti, Zr, Hf, Sn, (Mg 1/3 Nb 2/3 ),
(Mg 1/3 Ta 2/3) , (Zn 1/3 Nb 2/3), (Zn
1/3 Ta 2/3 ), (Mg 1/2 Te 1/2 ), (Co 1/2 W
1/2 ), (Mg 1/2 W 1/2 ), (Mn 1/2 W 1/2 ),
(Sc 1/2 Nb 1/2 ), (Mn 1/2 Nb 1/2 ), (Sc
1/2 Ta 1/2 ), (Fe 1/2 Nb 1/2 ), (In 1/2 N
b 1/2 ), (Fe 1/2 Ta 1/2 ), (Cd 1/3 N
b 2/3 ), (Co 1/3 Nb 2/3 ), (Ni 1/3 N
b 2/3 ), (Co 1/3 Ta 2/3 ), (Ni 1/3 T
a 2/3 ) at least one selected from the group consisting of a 2/3 ) and a dielectric material having a perovskite composition represented by the a-axis length of a perovskite type crystal structure
d and the tetragonal and cubic any conductive material natural lattice constant a s expressed by the a-axis length of the crystal structure of the relationship 1.002 ≦ a d / a s ≦ 1.015 It is characterized by satisfying the formula (claim 2).

【0027】さらに、第1の電極と、この第1の電極上
にエピタキシャル成長した正方晶系及び六方晶系のいず
れかに属するペロブスカイト型結晶構造である誘電性材
料からなる誘電体膜と、この誘電体膜の上に形成された
第2の電極とを具備した薄膜キャパシタにおいて、前記
誘電体膜の膜厚が15nm以上であり、エピタキシャル
成長後の誘電性材料のC軸長Ce とこのC軸長Ce と対
応するエピタキシャル成長前の誘電性材料本来の正方晶
系のC軸長或いは六方晶系a軸長Co とが、Ce /Co
≧1.02の関係式を満足することを特徴とする(請求
項7)。
Further, a first electrode, a dielectric film made of a dielectric material having a perovskite type crystal structure belonging to either a tetragonal system or a hexagonal system epitaxially grown on the first electrode, and the dielectric film. In a thin film capacitor including a second electrode formed on a body film, the dielectric film has a thickness of 15 nm or more, and the C-axis length Ce of the dielectric material after epitaxial growth and the C-axis length Ce Corresponding to the original tetragonal C-axis length or hexagonal a-axis Co of the dielectric material before epitaxial growth is Ce / Co
It is characterized by satisfying the relational expression ≧ 1.02 (claim 7).

【0028】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 誘電性材料本来のキュリー温度が150℃以下であ
ること。 (2) 導電性基板が、基材とこの基材の上に形成された導
電性材料の薄膜からなること。 (3) 基材の少なくとも表面が、正方晶系の(001)面
及び立方晶系のいずれかに属する結晶構造を有するこ
と。 (4) 導電性材料の薄膜の膜厚又は基材の上に形成された
第1の電極の厚さが80nm以下であること。 (5) 誘電性材料が一般式(Bax Sr1-x )TiO
3 (0.30≦x≦0.90)で表されるペロブスカイ
ト組成を有すること。 (6) 誘電体膜の膜厚が70nm以上であること。 (7) 誘電性材料本来のキュリー温度が室温以下で、かつ
この誘電性材料からなる誘電体膜が室温で強誘電性を示
すこと。 (8) 請求項1,2又は7に記載の薄膜キャパシタと、こ
の薄膜キャパシタに接続して設けられたスイッチングト
ランジスタと、を具備したメモリセルをマトリックス状
に配置して半導体記憶装置を構成すること。
Here, the following are preferred embodiments of the present invention. (1) The original Curie temperature of the dielectric material is 150 ° C or lower. (2) The conductive substrate is composed of a base material and a thin film of a conductive material formed on the base material. (3) At least the surface of the base material has a crystal structure belonging to either a tetragonal (001) plane or a cubic system. (4) The thickness of the thin film of the conductive material or the thickness of the first electrode formed on the base material is 80 nm or less. (5) The dielectric material is of the general formula (Ba x Sr 1-x ) TiO
3 having a perovskite composition represented by (0.30 ≦ x ≦ 0.90). (6) The thickness of the dielectric film is 70 nm or more. (7) The original Curie temperature of the dielectric material is room temperature or lower, and the dielectric film made of this dielectric material exhibits ferroelectricity at room temperature. (8) A semiconductor memory device is configured by arranging memory cells provided with the thin film capacitor according to claim 1, 2 or 7 and a switching transistor connected to the thin film capacitor in a matrix. .

【0029】また、本発明は第2に、第1の電極とこの
第1の電極上にエピタキシャル成長した結晶正の誘電性
材料からなる誘電体膜とこの誘電体膜の上に形成された
第2の電極とを備えた薄膜キャパシタと、この薄膜キャ
パシタに接続して設けられたスイッチングトランジスタ
とを具備したメモリセルがシリコン基板上にマトリック
ス配置されてなる半導体記憶装置において、前記シリコ
ン基板上に一部開口を有する絶縁膜を介して(100)
配向シリコン層が成長され、この(100)配向シリコ
ン層上に前記薄膜キャパシタの誘電体膜が形成されてな
ることを特徴とする(請求項12)。
The present invention secondly provides a first electrode, a dielectric film made of a crystal positive dielectric material epitaxially grown on the first electrode, and a second film formed on the dielectric film. A thin film capacitor having electrodes and a switching transistor connected to the thin film capacitor and arranged in a matrix on a silicon substrate in a semiconductor memory device. Through an insulating film having an opening (100)
An oriented silicon layer is grown, and a dielectric film of the thin film capacitor is formed on the (100) oriented silicon layer (claim 12).

【0030】なお、この発明の半導体記憶装置は、前記
スイッチングトランジスタを形成したシリコン基板上に
一部開口を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜
上に該絶縁膜の開口をシードとして(100)配向シリ
コン層を成長する工程と、前記(100)配向シリコン
層上に前記結晶性の誘電性材料をエピタキシャル成長す
る工程とを含む製造プロセスで製造され得る。
In the semiconductor memory device of the present invention, the step of forming an insulating film having a partial opening on the silicon substrate on which the switching transistor is formed, and the opening of the insulating film on the insulating film as a seed ( It may be manufactured by a manufacturing process including a step of growing a (100) oriented silicon layer and a step of epitaxially growing the crystalline dielectric material on the (100) oriented silicon layer.

【0031】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 誘電性材料が、ペロブスカイト結晶構造ないしは層
状ペロブスカイト結晶構造を有すること。 (2) (100)配向シリコン層が、単結晶シリコン膜で
あること。 (3) シリコン基板上に成長した単結晶シリコン層が、シ
リコン基板に対する選択成長法で作成されたもの、即ち
単結晶シリコンの選択エピタキシャル成長したもの、或
いはアモルファスシリコンの選択成長後にシリコン基板
から固相成長させて単結晶化したものであること。 (4) 誘電体膜と(100)配向シリコン層の間に、相互
の拡散を防ぐためのバリア層ないしは下部電極層をエピ
タキシャル成長させたこと。
The preferred embodiments of the present invention are as follows. (1) The dielectric material has a perovskite crystal structure or a layered perovskite crystal structure. (2) The (100) oriented silicon layer is a single crystal silicon film. (3) A single crystal silicon layer grown on a silicon substrate is created by a selective growth method for a silicon substrate, that is, a single crystal silicon is selectively epitaxially grown, or amorphous silicon is selectively grown, and then solid phase growth is performed from the silicon substrate. It should be a single crystal. (4) A barrier layer or a lower electrode layer for preventing mutual diffusion was epitaxially grown between the dielectric film and the (100) oriented silicon layer.

【0032】さらに、本発明の第3は、請求項11記載
の半導体記憶装置において、前記薄膜キャパシタの誘電
体膜が室温で強誘電性を示し、この誘電体膜に抗電界以
上の電界を印加することで、誘電体膜・電極の界面抵抗
が誘電体膜の分極方向によって変化することを利用して
情報の書き込みを行い、抗電界以下の電界を印加した際
のリーク電流値変化を利用して情報の非破壊読み出しを
行うことを特徴とする(請求項13)。
A third aspect of the present invention is the semiconductor memory device according to the eleventh aspect, wherein the dielectric film of the thin film capacitor exhibits ferroelectricity at room temperature, and an electric field higher than a coercive electric field is applied to the dielectric film. By doing so, the interface resistance between the dielectric film and the electrode changes depending on the polarization direction of the dielectric film to write information, and the change in leakage current value when an electric field below the coercive electric field is applied is used. Non-destructive reading of information is performed (claim 13).

【0033】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 薄膜キャパシタが互いに実質的な仕事関数の異なる
1対の電極を具備すること。 (2) 片側の電極がRuO2 或いはReO3 又はPt,I
r,Rh,Osから選ばれた少なくとも一種からなり、
一方の電極がペロブスカイト型性酸化物からなること。 (3) 薄膜キャパシタの誘電体膜がBa1-x Srx TiO
3 (0.1≦x≦0.9)であり、一方の電極材料上に
エピタキシャル成長した薄膜であること。 (4) 誘電体膜がBa1-x-y Srx REy TiO3 (0.
1≦x≦0.9、REは希土類元素から選ばれた少なく
とも一種、0.0001≦y≦0.1)であり、一方の
電極材料上にエピタキシャル成長した薄膜であること。 (5) 少なくとも一方の電極材料にペロブスカイト型酸化
物ABO3 (但し、Aはペロブスカイト結晶構造中のA
サイト構成元素であり、アルカリ土類金属、希土類金
属、Yから選ばれた少なくとも2種、BはBサイト構成
元素を表し、遷移金属から選ばれた少なくとも1種)を
用いること。
The preferred embodiments of the present invention are as follows. (1) The thin film capacitor has a pair of electrodes having substantially different work functions. (2) One electrode is RuO 2 or ReO 3 or Pt, I
consists of at least one selected from r, Rh, Os,
One of the electrodes consists of a perovskite type oxide. (3) The dielectric film of the thin film capacitor is Ba 1-x Sr x TiO 2.
3 (0.1 ≦ x ≦ 0.9), which is a thin film epitaxially grown on one electrode material. (4) The dielectric film is Ba 1-xy Sr x RE y TiO 3 (0.
1 ≦ x ≦ 0.9, RE is at least one selected from rare earth elements, 0.0001 ≦ y ≦ 0.1), and is a thin film epitaxially grown on one electrode material. (5) Perovskite type oxide ABO 3 (where A is A in the perovskite crystal structure) is used as at least one of the electrode materials.
At least two kinds selected from alkaline earth metals, rare earth metals and Y, which are site constituent elements, and B represents a B site constituent element, and at least one kind selected from transition metals should be used.

【0034】[0034]

【作用】本発明では第1に、キュリー温度を誘電性材料
本来のキュリー温度よりも高くし、かつ残留分極の値や
容量を実用的に充分に大きくするために、誘電体膜に用
いられる誘電性材料本来の格子定数ad と誘電体膜の下
地となる導電性材料本来の格子定数as との比の値を
1.002≦ad /as ≦1.015の範囲に設定し、
ペロブスカイト型結晶構造を有する格子のa軸が縮みc
軸が伸びた誘電体膜を充分な膜厚で形成している。
In the present invention, firstly, in order to make the Curie temperature higher than the original Curie temperature of the dielectric material, and to make the remanent polarization value and the capacitance sufficiently large for practical use, the dielectric film used in the dielectric film is used. The ratio of the original lattice constant a d of the conductive material to the original lattice constant a s of the conductive material that is the base of the dielectric film is set in the range of 1.002 ≤ a d / a s ≤ 1.015,
The a axis of the lattice having the perovskite type crystal structure is contracted c
A dielectric film having an elongated axis is formed with a sufficient film thickness.

【0035】本発明でad /as の値を1.002以上
に限定した理由は、1.002より小さいと誘電体膜の
キュリー温度が誘電性材料本来のキュリー温度よりも上
昇しないか、また上昇してもごく僅かとなってしまうか
らである。一方、ad /asの値を1.015以下に限
定した理由は、1.015より大きいと誘電体膜を導電
性基板の上にエピタキシャル成長させたときに、途中で
ミスフィット転移が入るため、膜厚70nm以上の厚い
誘電体膜についてやはり充分なキュリー温度の上昇が得
られないためである。また、ad /as の値が1.01
5より大きいときは、膜厚70nm未満の薄い誘電体膜
についてキュリー温度を上昇させることができたとして
も、その上昇は僅かなものとなる。さらに、ad /as
の値が1.002以上1.011以下の範囲内の場合、
格子定数のミスフィットが小さいため、成膜温度によら
ず結晶性の良好な誘電体膜を容易にエピタキシャル成長
させることが可能となる点でより好ましい。
The reason for limiting the value of a d / a s to 1.002 or more in the present invention is that the Curie temperature of the dielectric film does not rise above the original Curie temperature of the dielectric material if it is smaller than 1.002. This is because even if it rises, it will be very small. On the other hand, the reason why the value of a d / a s is limited to 1.015 or less is that if it is larger than 1.015, a misfit transition occurs during epitaxial growth of a dielectric film on a conductive substrate. The reason is that a sufficiently high Curie temperature cannot be obtained for a thick dielectric film having a thickness of 70 nm or more. The value of a d / a s is 1.01.
When it is larger than 5, even if the Curie temperature can be raised for a thin dielectric film having a film thickness of less than 70 nm, the rise is slight. Furthermore, a d / a s
If the value of is in the range of 1.002 or more and 1.011 or less,
Since the misfit of the lattice constant is small, the dielectric film having good crystallinity can be easily epitaxially grown regardless of the film forming temperature, which is more preferable.

【0036】本発明において、導電性基板としては少な
くとも表面が導電性で、かつ正方晶系の(001)面又
は立方晶系に属する結晶構造を有するものであれば特に
限定されず用いることができる。従って、立方晶系の結
晶構造である場合は特に面方位は規定されないが、表面
が立方晶系の(100)面に属する結晶構造を有するも
のが、その上に誘電性材料をエピタキシャル成長させや
すく好ましい。具体的には、例えばPt等の金属や、N
b等の添加によって低抵抗化した(Bax Sr1-x )T
iO3 (0≦x≦1)等ペロブスカイト型結晶構造を有
する導電性化合物の単結晶の基板をそのまま用いること
もできるし、これらの導電性材料の薄膜を絶縁性のMg
O(100)単結晶やSrTiO3 単結晶等の基材の上
にエピタキシャル成長等の方法で成膜した基板を用いる
ことも可能である。なおここで、Ptのような導電性材
料の薄膜をMgO(100)単結晶等の基材の上に成膜
して導電性基板とする場合は、導電性基板表面の結晶構
造を正方晶系の(001)面または立方晶系に制御する
観点から、少なくともその表面が正方晶系の(001)
面または立方晶系に属する結晶構造を有する基材を用い
ることが好ましい。また、この基材表面の結晶構造のa
軸長で表される格子定数をas0としたとき、ad /as0
の値がad /as の値と同様に1.002≦ad /a
s0≦1.015の関係を満足することが、誘電体膜のキ
ュリー温度が上昇しやすくなる点でより好ましい。
In the present invention, the conductive substrate is not particularly limited as long as at least the surface is conductive and has a crystal structure belonging to the tetragonal (001) plane or the cubic system. . Therefore, in the case of a cubic crystal structure, the plane orientation is not particularly specified, but a crystal having a crystal structure whose surface belongs to the cubic (100) plane is preferable because a dielectric material can be epitaxially grown on it. . Specifically, for example, a metal such as Pt or N
(Ba x Sr 1-x ) T whose resistance has been lowered by adding b etc.
A single crystal substrate of a conductive compound having a perovskite type crystal structure such as io 3 (0 ≦ x ≦ 1) can be used as it is, or a thin film of these conductive materials can be used as an insulating Mg film.
It is also possible to use a substrate formed by a method such as epitaxial growth on a base material such as O (100) single crystal or SrTiO 3 single crystal. When a thin film of a conductive material such as Pt is formed on a base material such as MgO (100) single crystal to form a conductive substrate, the crystal structure on the surface of the conductive substrate is tetragonal. From the viewpoint of controlling to the (001) plane or the cubic system, at least the surface is (001)
It is preferable to use a substrate having a crystal structure belonging to the plane or cubic system. In addition, a of the crystal structure of the surface of the base material
When the lattice constant represented by the axial length is a s0 , a d / a s0
Values similar to the values of a d / a s 1.002 ≦ a d / a
It is more preferable that the relationship of s0 ≦ 1.015 is satisfied, because the Curie temperature of the dielectric film is likely to rise.

【0037】さらに、上述したように導電性材料の薄膜
を基材の上に成膜して導電性基板とする場合は、導電性
材料の薄膜の膜厚を80nm以下とすることが好まし
い。即ち、導電性材料の薄膜の膜厚を80nm以下とす
ることにより、その上に誘電体膜をエピタキシャル成長
させたときに70nm以上程度に膜厚を厚くしても、誘
電体膜が下地の格子定数に合わせるようにエピタキシャ
ル成長して、ペロブスカイト型結晶構造を有する格子の
a軸が縮みc軸が伸びた状態を確実に保つことができ
る。これに対し、導電性材料の薄膜の膜厚が厚いと、ペ
ロブスカイト型結晶の成長段階で導電性材料の薄膜中に
塑性転移が入りやすくなる傾向がある。従って、導電性
材料の薄膜の膜厚が80nmを越える場合ad とas
の比の値が所定の範囲内に設定されていても、誘電体膜
をエピタキシャル成長させた際に下地の導電性材料の薄
膜において誘電体膜の格子定数に合わせるような塑性転
移が入って、誘電体膜のキュリー温度を誘電性材料本来
のキュリー温度よりも高くすることができなくなるおそ
れがある。しかしながら、導電性材料の薄膜の膜厚が余
りに薄いと、下部電極としての機能が損なわれるおそれ
が生じるので、導電性材料の薄膜の膜厚は50nm程度
であることが好ましい。
Further, when a thin film of a conductive material is formed on a base material to form a conductive substrate as described above, the thickness of the thin film of a conductive material is preferably 80 nm or less. That is, by setting the thickness of the thin film of the conductive material to 80 nm or less, even when the thickness of the dielectric film is increased to about 70 nm or more when the dielectric film is epitaxially grown thereon, the dielectric film has a lattice constant of the underlying layer. It is possible to surely maintain a state in which the a-axis of the lattice having the perovskite type crystal structure is contracted and the c-axis of the lattice is expanded by epitaxial growth so as to match with. On the other hand, if the thin film of the conductive material is thick, plastic transition tends to easily occur in the thin film of the conductive material during the growth stage of the perovskite type crystal. Therefore, when the thickness of the thin film of the conductive material exceeds 80 nm, even if the value of the ratio of a d and a s is set within a predetermined range, the conductivity of the underlying layer is increased when the dielectric film is epitaxially grown. There is a possibility that the Curie temperature of the dielectric film cannot be made higher than the original Curie temperature of the dielectric material due to a plastic transition in the thin film of the material that matches the lattice constant of the dielectric film. However, if the thin film of the conductive material is too thin, the function as the lower electrode may be impaired. Therefore, the thin film of the conductive material is preferably about 50 nm.

【0038】また、本発明で用いられ得るペロブスカイ
ト型結晶構造を有する誘電性材料としては、チタン酸バ
リウム(BaTiO3 ),チタン酸ストロンチウム(S
rTiO3 ),チタン酸カルシウム(CaTiO3 ),
スズ酸バリウム(BaSnO3 ),ジルコニウム酸バリ
ウム(BaZrO3 )等の単純ペロブスカイト型酸化
物,マグネシウム酸ニオブ酸バリウム(Ba(Mg1/3
Nb2/3 )O3 ),マグネシウム酸タンタル酸バリウム
(Ba(Mg1/3 Ta2/3 )O3 )等の複合ペロブスカ
イト型酸化物や、これらの中から複数の酸化物を同時に
固溶させた系等が例示され、さらに化学量論比からの多
少のずれが許容されることはいうまでもない。
The dielectric material having a perovskite type crystal structure that can be used in the present invention includes barium titanate (BaTiO 3 ) and strontium titanate (S).
rTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ),
Simple perovskite type oxides such as barium stannate (BaSnO 3 ) and barium zirconate (BaZrO 3 ), barium magnesium niobate (Ba (Mg 1/3
Nb 2/3 ) O 3 ), barium magnesium tantalate (Ba (Mg 1/3 Ta 2/3 ) O 3 ), and other complex perovskite-type oxides, and a plurality of these oxides are simultaneously dissolved. It is needless to say that the above system is exemplified and further, some deviation from the stoichiometric ratio is allowed.

【0039】このような誘電性材料からなる誘電体膜を
導電性基板の上にエピタキシャル成長させるときの成長
方位としては、誘電体膜及び導電性基板の正方晶系の
(001)面あるいは立方晶系の(100)面が互いに
平行となるように成長させることが好ましく、誘電体膜
の成膜方法としては、反応性蒸着、rfスパッタリン
グ、レーザアブレーション、MOCVD等が挙げられる
が、70nm以上の厚い膜を形成するには特にスパッタ
リングが好ましい。また誘電体膜の膜厚は、強誘電体メ
モリに使用されたときに充分な残留分極あるいは実効誘
電率を得る観点から70nm以上であることが好まし
く、実用上は70nm以上1μm以下の範囲内であるこ
とが望まれる。但し、DRAM等に用いられる常誘電性
を示す誘電体膜については、70nm未満の膜厚でもD
RAMのメモリセルのキャパシタ等に十分適用され得
る。
When a dielectric film made of such a dielectric material is epitaxially grown on a conductive substrate, the growth orientation is a tetragonal (001) plane or a cubic system of the dielectric film and the conductive substrate. Are preferably grown so that their (100) planes are parallel to each other. Examples of the method for forming the dielectric film include reactive vapor deposition, rf sputtering, laser ablation, MOCVD, and the like. Sputtering is particularly preferred for forming the. Further, the thickness of the dielectric film is preferably 70 nm or more from the viewpoint of obtaining a sufficient residual polarization or effective dielectric constant when used in a ferroelectric memory, and practically within a range of 70 nm or more and 1 μm or less. Is desired. However, as for the paraelectric dielectric film used for DRAM, etc., even if the film thickness is less than 70 nm, D
It can be sufficiently applied to a capacitor of a RAM memory cell or the like.

【0040】なお、本発明において誘電性材料本来のキ
ュリー温度を150℃以下と規定した理由は、このよう
にキュリー温度がさほど高くない誘電性材料では、本発
明を適用することによるキュリー温度の上昇による効果
が極めて顕著であり、かつ導電性基板の上にエピタキシ
ャル成長させて強誘電性を示す誘電体膜を形成したとき
分極軸が膜厚方向に充分に揃って、結果的に分極反転の
繰り返しに対する劣化が小さい誘電体膜を形成し得るか
らである。即ち本発明は、上述した通りペロブスカイト
型結晶構造を有する格子のa軸が縮みc軸が伸びた誘電
体膜を形成するというものであり、このように誘電体膜
と下地との格子定数の差異を利用して格子中に所定方向
の歪みを強制的に導入することで、キュリー温度が誘電
性材料本来の値よりも上昇する。ここで、キュリー温度
が150℃以下の誘電性材料は一般に室温での結晶の異
方性、換言すれば格子の自発的歪みが小さいので、格子
中に強制的に導入された歪みが格子の自発的歪みで相殺
されることが殆どなく、格子中への強制的な歪みの導入
が非常に有効となる。
The reason why the original Curie temperature of the dielectric material is defined as 150 ° C. or less in the present invention is that the dielectric material whose Curie temperature is not so high raises the Curie temperature by applying the present invention. The effect due to is extremely remarkable, and when the dielectric film showing ferroelectricity is formed by epitaxial growth on the conductive substrate, the polarization axes are sufficiently aligned in the film thickness direction, and as a result This is because a dielectric film with little deterioration can be formed. That is, the present invention is to form a dielectric film in which the a-axis of the lattice having the perovskite type crystal structure is contracted and the c-axis of the lattice is extended as described above. Thus, the difference in the lattice constant between the dielectric film and the underlayer is obtained. By forcibly introducing strain in a predetermined direction into the lattice by utilizing, the Curie temperature rises above the original value of the dielectric material. Here, a dielectric material having a Curie temperature of 150 ° C. or lower generally has a small crystal anisotropy at room temperature, in other words, a small spontaneous strain in the lattice, and therefore the strain forcedly introduced into the lattice is spontaneous in the lattice. It is hardly canceled by the dynamic strain, and the forced strain introduction into the lattice becomes very effective.

【0041】しかるにキュリー温度が150℃を越える
誘電性材料は、通常大きな自発的歪みを格子中に有して
おり、かつ導電性基板の上にエピタキシャル成長させた
際には成膜時の応力や反電場を緩和するため、互いに格
子の自発的歪みの方向の異なる90°分域等が誘電体膜
中に形成される。従って、格子中に強制的に導入された
一方向性を有する歪みが、このように多方向性を有する
格子の自発的歪みで相殺されて、キュリー温度の上昇が
僅かなものとなる恐れがある。さらに、互いに格子の自
発的歪みの方向の異なる90°分域が誘電体膜中に形成
されると、そのうち分極軸が膜面内に向いた分域で、誘
電体膜の膜厚方向に電界が印加された際に格子の90°
反転が生じて、分極反転の繰り返しに対する劣化の原因
となる。また、キュリー温度が150℃を越える誘電性
材料は通常Pb,Biを主成分として含有するため、誘
電体膜の成膜時にPb,Biの蒸発に起因する組成の変
動を抑えることが難しく、ひいては良質な誘電体膜を簡
略に得ることが困難である。しかも、キュリー温度が1
50℃を越える誘電性材料に関してはもともとキュリー
温度は充分高いので、そのまま誘電体膜に用いてもキュ
リー温度については半導体記憶装置のメモリセルのキャ
パシタ等に適用するうえでさほど支障はなく、本発明に
よるキュリー温度の上昇が特に有効とはならない。
However, a dielectric material having a Curie temperature of more than 150 ° C. usually has a large spontaneous strain in the lattice, and when it is epitaxially grown on a conductive substrate, the stress and the reaction at the time of film formation are increased. In order to relax the electric field, 90 ° domains having mutually different directions of spontaneous strain of the lattice are formed in the dielectric film. Therefore, the unidirectional strain forcedly introduced into the lattice may be offset by the spontaneous strain of the multidirectional lattice, and the Curie temperature may be slightly increased. . Further, when 90 ° domains having mutually different directions of the spontaneous strain of the lattice are formed in the dielectric film, an electric field is applied in the film thickness direction of the dielectric film in the domain in which the polarization axis is in the film plane. 90 ° of the grid when applied
Inversion occurs, which causes deterioration due to repeated polarization inversion. Further, since a dielectric material having a Curie temperature of higher than 150 ° C. usually contains Pb and Bi as the main components, it is difficult to suppress the compositional variation due to the evaporation of Pb and Bi during the formation of the dielectric film. It is difficult to simply obtain a good-quality dielectric film. Moreover, the Curie temperature is 1
Since the Curie temperature is sufficiently high for a dielectric material having a temperature of more than 50 ° C., the Curie temperature can be used as it is for the dielectric film without any problem when applied to a capacitor of a memory cell of a semiconductor memory device. The increase in Curie temperature due to is not particularly effective.

【0042】さらに上述したような、一般式ABO3
表したときAがBa,Sr,Caの少なくとも1種、B
がTi,Zr,Hf,Sn,(Mg1/3 Nb2/3 ),
(Mg1/3 Ta2/3 ),(Zn1/3 Nb2/3 ),(Zn
1/3 Ta2/3 ),(Mg1/2 Te1/2 ),(Co1/2
1/2 ),(Mg1/2 1/2 ),(Mn1/2 1/2 ),
(Sc1/2 Nb1/2 ),(Mn1/2 Nb1/2 ),(Sc
1/2 Ta1/2 ),(Fe1/2 Nb1/2 ),(In1/2
1/2 ),(Fe1/2 Ta1/2 ),(Cd1/3
2/3 ),(Co1/3 Nb2/3 ),(Ni1/3
2/3 ),(Co1/3 Ta2/3 ),(Ni1/3
2/3 )の少なくとも1種からなるペロブスカイト組成
を有する誘電性材料は、各構成金属元素の酸化物がいず
れも1000℃以上の高融点を有しており、600℃程
度の温度で誘電体膜を成膜した場合でも蒸発が殆ど生じ
ることがなく、誘電体膜の成膜時の組成の変動が抑えら
れるので好ましい。しかも、このように一般式ABO3
で表したときのAがBa,Sr,Caの少なくとも1種
からなり、Pb,Biを含有しないペロブスカイト組成
を有する誘電性材料からなる誘電体膜については、不揮
発性の半導体記憶装置である強誘電体メモリの薄膜キャ
パシタに使用した場合に、高速での動作にも充分に対応
することができる。
Further, as described above, when represented by the general formula ABO 3 , A is at least one of Ba, Sr and Ca, and B
Is Ti, Zr, Hf, Sn, (Mg 1/3 Nb 2/3 ),
(Mg 1/3 Ta 2/3 ), (Zn 1/3 Nb 2/3 ), (Zn
1/3 Ta 2/3 ), (Mg 1/2 Te 1/2 ), (Co 1/2 W
1/2 ), (Mg 1/2 W 1/2 ), (Mn 1/2 W 1/2 ),
(Sc 1/2 Nb 1/2 ), (Mn 1/2 Nb 1/2 ), (Sc
1/2 Ta 1/2 ), (Fe 1/2 Nb 1/2 ), (In 1/2 N
b 1/2 ), (Fe 1/2 Ta 1/2 ), (Cd 1/3 N
b 2/3 ), (Co 1/3 Nb 2/3 ), (Ni 1/3 N
b 2/3 ), (Co 1/3 Ta 2/3 ), (Ni 1/3 T
a 2/3 ), a dielectric material having a perovskite composition of at least one of a 2/3 ) has a high melting point of 1000 ° C. or higher for each oxide of each constituent metal element, and is a dielectric substance at a temperature of about 600 ° C. Evaporation hardly occurs even when a film is formed, and fluctuations in composition during formation of the dielectric film are suppressed, which is preferable. Moreover, the general formula ABO 3
In the case of the dielectric film made of a dielectric material having a perovskite composition in which A is at least one of Ba, Sr, and Ca and does not contain Pb or Bi, the ferroelectric film is a nonvolatile semiconductor memory device. When used for a thin film capacitor of body memory, it can sufficiently cope with high-speed operation.

【0043】即ち一般に強誘電体メモリでは、特に高速
で頻繁な動作を行う際、メモリセルのキャパシタにおけ
る分極反転の繰り返しに伴うヒステリシス損に起因した
多量の発熱が問題となり、薄膜キャパシタに用いられる
誘電性材料の熱伝導率が良好であることが望まれる。こ
れに対し、原子量がそれぞれ40.08,87.62,
137.3であるBa,Sr,Caを含有するペロブス
カイト組成を有する誘電性材料は、原子量が207.2
のPbや208.89のBiを含有する場合に比べその
比重が小さく、一般に比重が小さいほど熱伝導率が良好
であることが知られているから、上述したような誘電性
材料からなる誘電体膜を使用して薄膜キャパシタを作成
すれば、分極反転の繰り返しに伴う発熱の影響を充分に
抑制することが可能となる。
That is, in general, in a ferroelectric memory, a large amount of heat generation due to hysteresis loss due to repeated polarization reversal in the capacitor of the memory cell becomes a problem, especially when performing a high-speed and frequent operation, and a dielectric used for a thin film capacitor is a problem. It is desirable that the thermal conductivity of the conductive material be good. On the other hand, the atomic weights are 40.08, 87.62,
The dielectric material having a perovskite composition containing Ba, Sr, and Ca of 137.3 has an atomic weight of 207.2.
It is known that its specific gravity is smaller than that of the case where Pb of No. 2 or Bi of 208.89 is contained, and generally, the smaller the specific gravity is, the better the thermal conductivity is. If a thin film capacitor is formed using a film, it is possible to sufficiently suppress the influence of heat generation due to repeated polarization inversion.

【0044】さらに本発明は、誘電性材料本来のキュリ
ー温度が室温より多少低い温度、具体的には−150℃
以上20℃以下程度の誘電性材料に特に好ましく適用さ
れる。即ちこのような誘電性材料においては、その本来
のキュリー温度が室温(25℃)以下であるので、バル
ク材としては常誘電性を示す。しかしながら、薄膜化す
ることでキュリー温度を室温に近付き或いは室温を越え
て上昇させることができ、結果的に誘電体膜に対して室
温で大きな比誘電率或いは強誘電性を付与し得る。例え
ば、キュリー温度が120℃のBaTiO3 とキュリー
温度が絶対温度0K近傍と考えられるSrTiO3 の固
溶系である(Bax Sr1-x )TiO3では、0.30
≦x≦0.70のとき本来のキュリー温度が室温より多
少低くバルク材としては常誘電性を示すが、導電性基板
を適宜選択することで薄膜化した際のキュリー温度が室
温を越えて上昇するので、室温で強誘電性を示す誘電体
膜を得ることが可能となる。
Further, in the present invention, the original Curie temperature of the dielectric material is slightly lower than room temperature, specifically -150 ° C.
It is particularly preferably applied to a dielectric material having a temperature of not lower than 20 ° C. and not higher than 20 ° C. That is, in such a dielectric material, since the original Curie temperature is room temperature (25 ° C.) or lower, it exhibits paraelectricity as a bulk material. However, by making the film thin, the Curie temperature can be brought close to or higher than room temperature, and as a result, a large relative permittivity or ferroelectricity can be imparted to the dielectric film at room temperature. For example, in the case of BaTiO 3 having a Curie temperature of 120 ° C. and SrTiO 3 (Cu x Sr 1-x ) TiO 3 having a Curie temperature of about 0 K in absolute temperature, 0.30 is obtained.
When ≦ x ≦ 0.70, the original Curie temperature is slightly lower than room temperature and exhibits paraelectric properties as a bulk material, but the Curie temperature when thinned by increasing the temperature of the conductive substrate is raised above room temperature. Therefore, it is possible to obtain a dielectric film that exhibits ferroelectricity at room temperature.

【0045】なお、この一般式(Bax Sr1-x )Ti
3 で示される誘電性材料においては、上述したような
バルク材として常誘電性を示す組成に何ら限定されるも
のではなく、要はその本来の格子定数ad と下地となる
導電性材料本来の格子定数as との比の値を本発明で規
定された範囲内に設定することが可能であれば、式中の
xの値が0.70を越えバルク材が強誘電性を示す組成
であっても構わない。即ち、例えばMgO(100)単
結晶からなる基材表面にPtの薄膜が成膜されてなる導
電性基板の場合、Pt本来の格子定数as は0.392
31nmであることが知られている。このとき、BaT
iO3 本来の格子定数ad は0.3994nm、SrT
iO3 本来の格子定数ad は0.3905nmで、ad
/as はそれぞれ1.018,0.995となって、こ
れら誘電性材料を用いるとad /as の値が本発明で規
定された範囲から逸脱してしまう。しかしながら、一般
式(Bax Sr1-x )TiO3 で表したとき0.30≦
x≦0.90の組成を有する誘電性材料は、その本来の
格子定数ad がBaTiO3 とSrTiO3 との中間的
な値を有するので、正方晶系または立方晶系の結晶構造
を有する導電性材料として代表的なPt本来の格子定数
s に対し、1.002≦ad /as ≦1.015の関
係が満足され、導電性基板の上にエピタキシャル成長さ
せた際に著しくキュリー温度が上昇する。
Incidentally, this general formula (Ba x Sr 1-x ) Ti
The dielectric material represented by O 3 is not limited to the composition exhibiting paraelectricity as a bulk material as described above. The point is that its original lattice constant a d and the underlying conductive material are essential. If it is possible to set the value of the ratio to the lattice constant a s within the range specified in the present invention, the value of x in the formula exceeds 0.70, and the bulk material has a composition exhibiting ferroelectricity. It doesn't matter. That is, for example, in the case of a conductive substrate in which a Pt thin film is formed on the surface of a base material made of MgO (100) single crystal, the original lattice constant a s of Pt is 0.392.
It is known to be 31 nm. At this time, BaT
iO 3 natural lattice constant a d is 0.3994nm, SrT
iO 3 is the original lattice constant a d in 0.3905nm, a d
/ A s are 1.018 and 0.995, respectively, and when these dielectric materials are used, the value of a d / a s deviates from the range defined by the present invention. However, when represented by the general formula (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 , 0.30 ≦
dielectric material having a composition of x ≦ 0.90 is because the natural lattice constant a d has an intermediate value between the BaTiO 3 and SrTiO 3, conductive having a tetragonal crystal structure or cubic to typical Pt natural lattice constant a s as sexual material, is satisfied the relationship 1.002 ≦ a d / a s ≦ 1.015, significantly Curie temperature when epitaxially grown on the conductive substrate To rise.

【0046】上述したように本発明の第1は、強誘電体
メモリ等に用いられる強誘電体薄膜を具備する薄膜キャ
パシタにおいて、誘電性材料本来の値よりもキュリー温
度が上昇した強誘電体薄膜を形成して、残留分極及び残
留分極の温度依存性を改善することを主な骨子とするも
のであるが、DRAM等に用いられる常誘電性を示す誘
電体膜を具備する薄膜キャパシタに本発明を適用しても
構わない。この場合、誘電性材料本来の値よりも誘電体
膜におけるキュリー温度が上昇することで、容量が大き
くしかも容量の温度依存性の良好な薄膜キャパシタを実
現することが可能になる。
As described above, the first aspect of the present invention is a thin film capacitor having a ferroelectric thin film used for a ferroelectric memory or the like, in which the Curie temperature is higher than the original value of the dielectric material. Is mainly formed to improve the remanent polarization and the temperature dependence of the remanent polarization, and the present invention provides a thin film capacitor having a paraelectric dielectric film used in DRAMs and the like. May be applied. In this case, since the Curie temperature of the dielectric film rises above the original value of the dielectric material, it is possible to realize a thin film capacitor having a large capacitance and good temperature dependence of the capacitance.

【0047】本発明では第2に、結晶性の誘電性材料に
おいては、薄膜化すると比誘電率などが低下するという
問題を解決するため、誘電性材料のエピタキシャル成長
膜に着目し、シリコン基板上で絶縁膜の開口を通じて選
択成長させた(100)配向シリコン層上に、誘電性材
料のエピタキシャル成長膜を形成している。
Secondly, in the present invention, in the case of a crystalline dielectric material, in order to solve the problem that the relative dielectric constant and the like decrease when it is thinned, attention is paid to the epitaxial growth film of the dielectric material, and An epitaxial growth film of a dielectric material is formed on the (100) oriented silicon layer selectively grown through the opening of the insulating film.

【0048】即ちこのように、エピタキシャル成長した
ペロブスカイト結晶構造などを有する誘電体膜をメモリ
セルに使用することにより、下地との拘束により誘起さ
れた強誘電性や比誘電率の増大効果が利用できる。ま
た、ペロブスカイト結晶の分極方向は(100)である
ために、(100)方向に配向させることによってメモ
リセル間でキャパシタの容量のばらつきの少ない、高集
積化に適したメモリセルを有する半導体記憶装置を原理
的に作成することができる。
That is, by using the dielectric film having the perovskite crystal structure epitaxially grown in the memory cell as described above, the effect of increasing the ferroelectricity and the relative permittivity induced by the constraint with the underlying layer can be utilized. Further, since the polarization direction of the perovskite crystal is (100), by orienting in the (100) direction, there is little variation in the capacitance of the capacitors among the memory cells, and a semiconductor memory device having a memory cell suitable for high integration is provided. Can be created in principle.

【0049】一方、実際にスイッチング用トランジスタ
を形成した半導体基板とペロブスカイト系誘電性材料を
用いた薄膜キャパシタを組み合わせる場合には、誘電体
膜を構成するSr,Ba,Pbなどの元素がトランジス
タ中に拡散するとスイッチング動作に悪影響を与えるた
め、基板から絶縁層を介して分離した場所にキャパシタ
を作成する必要がある。現在絶縁層として使用されてい
るものは、シリコンの酸化物や窒化物、さらにそれらの
酸化物や窒化物に燐やボロンなどを混入したもので、全
てアモルファス膜であり、従って絶縁層の上にエピタキ
シャル成長させた誘電体膜を形成し薄膜キャパシタを作
成することは不可能である。また、MgO基板をシリコ
ンデバイス中に取り込むことも著しく困難である。
On the other hand, when a semiconductor substrate on which a switching transistor is actually formed and a thin film capacitor using a perovskite type dielectric material are combined, elements such as Sr, Ba and Pb forming the dielectric film are included in the transistor. Since the diffusion adversely affects the switching operation, it is necessary to form the capacitor at a location separated from the substrate through the insulating layer. What is currently used as an insulating layer is an oxide or nitride of silicon, or a mixture of those oxides or nitrides with phosphorus, boron, etc., all of which is an amorphous film, and therefore, it is on the insulating layer. It is impossible to form a thin film capacitor by forming an epitaxially grown dielectric film. It is also extremely difficult to incorporate the MgO substrate into the silicon device.

【0050】本発明の第2の着眼点は、集積回路基板と
して使用されるシリコンの(100)面は正方形の格子
配列であり、下部電極として代表的な白金や多くのペロ
ブスカイト系化合物の(100)面も同様に正方形の格
子配列であることから、シリコン(100)面を積極的
に利用することにより、ペロブスカイト結晶をエピタキ
シャル成長させることが可能であることである。しか
も、Si(100)と代表的な結晶性の誘電性材料であ
るチタン酸ストロンチウムなどのペロブスカイト結晶の
(100)とは大略平方根2:1の割合で整合してお
り、ペロブスカイト結晶を面内に45°回転させること
で、ほぼ格子整合を得ることも可能である。実際、文献
(J.App.Phys.Vol.74,No.2,pp.1366-75,1993)によれ
ば、Si基板(100)面上にCaF2 の(100)面
を介して、SrTiO3 の(100)と(110)のエ
ピタキシャル層が混在した膜ができることが紹介されて
いる。
The second focus of the present invention is that the (100) plane of silicon used as an integrated circuit substrate has a square lattice arrangement, and platinum (a typical example of the lower electrode) and (100) of many perovskite compounds are used. Since the () plane also has a square lattice arrangement, it is possible to epitaxially grow the perovskite crystal by positively utilizing the silicon (100) plane. Moreover, Si (100) is aligned with (100) of a perovskite crystal such as strontium titanate, which is a typical crystalline dielectric material, at a ratio of approximately square root 2: 1, and the perovskite crystal is in-plane. It is also possible to obtain almost lattice matching by rotating by 45 °. In fact, according to the literature (J.App.Phys.Vol.74, No.2, pp.1366-75,1993), SrTiO 3 is formed on the Si substrate (100) surface via the CaF 2 (100) surface. that can film epitaxial layer are mixed in 3 with (100) (110) have been introduced.

【0051】そこで本発明においては、シリコン基板上
絶縁層の上に(100)配向シリコン層を形成するため
に、シリコンの選択成長技術を導入することに到達し
た。即ち、絶縁層に覆われたシリコン基板の一部に開孔
したコンタクト孔から成長させたシリコン単結晶等を絶
縁層の上まで形成し、得られた(100)配向シリコン
層を介して誘電体膜をエピタキシャル成長させることが
できる。
Therefore, the present invention has reached the point of introducing the selective growth technique of silicon in order to form the (100) oriented silicon layer on the insulating layer on the silicon substrate. That is, a silicon single crystal or the like grown from a contact hole opened in a part of a silicon substrate covered with an insulating layer is formed up to the top of the insulating layer, and a dielectric material is formed through the obtained (100) oriented silicon layer. The film can be grown epitaxially.

【0052】なお本発明では、このとき亜結晶粒界等を
含まない単結晶シリコン層を選択成長させる必要がある
わけではなく、その上に誘電体膜をエピタキシャル成長
させることが可能である程度に(100)配向している
ものであれば、亜結晶粒界等を含んでいても構わない。
具体的には、エピタキシャル成長した誘電体膜が、θ−
2θ法によるX線回折測定で(100)及びその倍数に
相当するピークが(110),(211),(111)
等のピークに対し5倍以上、好ましくは10倍以上の強
度を示す程度に(100)配向していればよい。さら
に、誘電体膜のX線回折測定による(200)ピークの
ロッキングカーブの半値幅が2°以下、さらには1°以
下であることが好ましい。
In the present invention, it is not necessary at this time to selectively grow a single crystal silicon layer that does not contain sub-crystal grain boundaries, but a dielectric film can be epitaxially grown thereon to a certain extent (100 ) As long as it is oriented, sub-grain boundaries may be included.
Specifically, the epitaxially grown dielectric film is
In the X-ray diffraction measurement by the 2θ method, the peaks corresponding to (100) and its multiples are (110), (211), (111)
It is sufficient that the (100) orientation is such that the intensity is 5 times or more, preferably 10 times or more with respect to the peaks such as. Further, the half-width of the rocking curve of the (200) peak of the dielectric film measured by X-ray diffraction is preferably 2 ° or less, more preferably 1 ° or less.

【0053】シリコン基板の一部に開孔したコンタクト
孔から単結晶シリコン層を形成するためには、シリコン
基板上に直接単結晶シリコン層を酸化シリコン層に対し
て選択的に成長させる方法や、シリコン基板上にアモル
ファスシリコン層を酸化シリコン層に対してまず選択的
に成長させ、その後アニールによりシリコン基板界面よ
り固相成長を生じさせて単結晶化させる方法などがあげ
られる。単結晶シリコン層の上にメモリセルを形成する
際には、化学的機械的研磨法(CMP)などを用いて単
結晶シリコン層の上面を平坦化することができる。
In order to form a single crystal silicon layer from a contact hole formed in a part of a silicon substrate, a method of directly growing a single crystal silicon layer on a silicon substrate with respect to a silicon oxide layer, or There is a method in which an amorphous silicon layer is first selectively grown with respect to a silicon oxide layer on a silicon substrate, and then annealing is performed to cause solid phase growth from the interface of the silicon substrate to single crystallize. When forming a memory cell on the single crystal silicon layer, the upper surface of the single crystal silicon layer can be planarized by a chemical mechanical polishing method (CMP) or the like.

【0054】また、単結晶シリコン層と誘電体膜の間の
相互拡散を避けるために、単結晶シリコン層と誘電体膜
の間にバリア性の大きい金属膜や絶縁膜をバリア層とし
て挟むことが望ましい。バリア性金属膜としては、シリ
コンとほぼ格子整合するニッケルやコバルトなどのケイ
化物、チタンやタングステンなどの窒化物などが挙げら
れる。ケイ化物の場合は、単結晶シリコン層の上面をコ
バルトやニッケルなどと反応させてケイ化物層を形成す
ることもできる。また、バリア性絶縁膜としては、同様
にシリコンとほぼ格子整合するカルシウムなどのフッ化
物やセリウム、マグネシウムなどの酸化物などが挙げら
れる。但し、ここではこのようなバリア層を介在させる
ことで、上述したような誘電体膜の(100)配向性が
損なわれることのないように、バリア層の材料,膜厚等
を選択することが好ましい。
In order to avoid mutual diffusion between the single crystal silicon layer and the dielectric film, a metal film or an insulating film having a large barrier property may be sandwiched between the single crystal silicon layer and the dielectric film as a barrier layer. desirable. Examples of the barrier metal film include silicides such as nickel and cobalt which are substantially lattice-matched with silicon, nitrides such as titanium and tungsten, and the like. In the case of silicide, the upper surface of the single crystal silicon layer can be reacted with cobalt, nickel, or the like to form the silicide layer. Examples of the barrier insulating film include fluorides such as calcium and oxides such as cerium and magnesium which are substantially lattice-matched with silicon. However, here, by interposing such a barrier layer, the material and film thickness of the barrier layer can be selected so as not to impair the (100) orientation of the dielectric film as described above. preferable.

【0055】また、所望により不純物がドーピングされ
た単結晶シリコン層は、基板に形成されたスイッチング
用トランジスタの一つの電極と、キャパシタ一つの電極
を電気的に接続する配線層(ストレージ・ノード)を兼
ねることも勿論可能である。この場合は、単結晶シリコ
ン層と誘電体膜の間のバリア層は導電性のものである必
要がある。
Further, the single crystal silicon layer doped with impurities as desired forms a wiring layer (storage node) for electrically connecting one electrode of the switching transistor formed on the substrate and one electrode of the capacitor. Of course, it is possible to combine the functions. In this case, the barrier layer between the single crystal silicon layer and the dielectric film needs to be conductive.

【0056】また、別途別の配線で、スイッチング用ト
ランジスタの一つの電極とキャパシタの一つの電極を接
続することも可能である。この場合、一旦形成された単
結晶シリコン層の一部を除去することも可能である。
It is also possible to connect one electrode of the switching transistor and one electrode of the capacitor with another wiring separately. In this case, it is possible to remove a part of the single crystal silicon layer once formed.

【0057】また、上記の例では下部電極に使用したP
t等より格子定数の僅かに大きいBaSrTiO3 等の
誘電性材料を用い、誘起される強誘電性を利用すること
により、成膜時の組成制御が困難でまた素子中で拡散し
やすいPbやBiなどを含有する材料本来が高温で強誘
電性を示す誘電性材料を用いる場合に比べ、FRAM等
の強誘電体メモリの高集積化に非常にメリットがある。
また、さらに残留分極値の大きいPbなどを含む誘電性
材料を使用する場合は、例えばPbTiO3 とBaTi
3 の固溶体などを利用すれば、同様にPtとの僅かな
格子定数差を利用して誘電特性の増大をはかることがで
きる。
In the above example, the P used for the lower electrode
By using a dielectric material such as BaSrTiO 3 having a slightly larger lattice constant than t, etc. and utilizing the induced ferroelectricity, it is difficult to control the composition during film formation and easily diffuse Pb and Bi in the device. Compared with the case of using a dielectric material which originally exhibits ferroelectricity at a high temperature containing a material such as, there is a great advantage in high integration of a ferroelectric memory such as FRAM.
When a dielectric material containing Pb or the like having a larger remanent polarization value is used, for example, PbTiO 3 and BaTi are used.
If a solid solution of O 3 or the like is used, it is possible to increase the dielectric characteristics by utilizing a slight difference in lattice constant from Pt.

【0058】また、単結晶のバリア層や下地電極層を形
成することができるため、粒界を通じた高速拡散が抑制
され、誘電体膜,電極,(100)配向シリコン層間相
互の拡散を減少させることができる。
Further, since a single-crystal barrier layer and a base electrode layer can be formed, high-speed diffusion through grain boundaries is suppressed, and diffusion between the dielectric film, the electrode, and the (100) -oriented silicon layer is reduced. be able to.

【0059】即ち、従来の方法によれば、半導体記憶装
置のメモリセルのキャパシタにペロブスカイト結晶構造
を有する誘電性材料を使用しても、薄膜化すると誘電特
性が低下するために高集積化することが困難であった
が、本発明の方法によれば、エピタキシャル誘電体膜の
使用により、下地膜との拘束作用を利用した蓄積電荷量
の増大や強誘電性の誘起をはかれ、さらにメモリセル間
でのキャパシタの容量のばらつきの低減や、誘電体膜と
下地膜の相互拡散の低減などを実現することができ、高
集積化した半導体記憶装置を作成することが可能にな
る。
That is, according to the conventional method, even if the dielectric material having the perovskite crystal structure is used for the capacitor of the memory cell of the semiconductor memory device, the dielectric property is deteriorated when the film is thinned, so that high integration is required. However, according to the method of the present invention, the use of the epitaxial dielectric film can increase the amount of accumulated charge and induce the ferroelectricity by utilizing the restraining action with the underlying film, and further, the memory cell It is possible to reduce the variation in the capacitance of the capacitors between the two and to reduce the mutual diffusion of the dielectric film and the base film, and it is possible to create a highly integrated semiconductor memory device.

【0060】本発明では第3に、強誘電体メモリにおけ
る抗電界や残留分極の減少といった疲労の問題点を解決
するために、従来問題点であった誘電体膜のリーク電流
を積極的に利用し、このリーク電流を動作原理として利
用する。これは、誘電体膜と電極との界面に発生するポ
テンシャルバリアの形状が、誘電体膜の分極状況によっ
て変化することを利用したものであり、またその記憶読
み出し時には、抗電界以下の電界を印加して読み出しを
行うこともできることから、分極反転の必要がなく、誘
電体膜の疲労に対する許容範囲の広い不揮発性メモリが
実現できる。さらに、情報の読出しに際しては、誘電体
膜の蓄積電荷ではなくリーク電流の変化を利用している
ことから、メモリの性能はキャパシタの蓄積電荷に依存
しないことが特徴となる。従って従来、強誘電体メモリ
に用いることが困難であった残留分極が小さな誘電性材
料を用いることも可能となり、より広い材料の選択が行
えるという利点を有する。
Thirdly, in the present invention, in order to solve the problems of fatigue such as the reduction of coercive electric field and residual polarization in the ferroelectric memory, the leak current of the dielectric film, which has been a conventional problem, is positively utilized. However, this leak current is used as an operating principle. This utilizes the fact that the shape of the potential barrier generated at the interface between the dielectric film and the electrode changes depending on the polarization state of the dielectric film. Since it is also possible to perform the read operation, it is possible to realize a non-volatile memory that does not require polarization reversal and has a wide tolerance for fatigue of the dielectric film. Further, since the change in leak current is utilized in reading information, not the charge stored in the dielectric film, the memory performance is not dependent on the charge stored in the capacitor. Therefore, it is possible to use a dielectric material having a small remanent polarization, which has been difficult to use in the conventional ferroelectric memory, and there is an advantage that a wider material can be selected.

【0061】ここで、本発明の構成を簡単に説明する。
本発明の基本構成は、誘電体膜の両面に金属や導電性固
体の電極を設けた部分からなる。このときの誘電体膜
は、メモリの動作電圧に適合した抗電界を有すること、
また充分な残留分極を持つこと、そしてリーク電流をメ
モリ動作に用いることから、ある程度の導電性を有する
ことが望ましい。
Here, the structure of the present invention will be briefly described.
The basic structure of the present invention comprises a portion in which electrodes of metal or conductive solid are provided on both surfaces of a dielectric film. At this time, the dielectric film has a coercive electric field suitable for the operating voltage of the memory,
Further, it is desirable to have a certain degree of conductivity because it has a sufficient remanent polarization and a leak current is used for memory operation.

【0062】ここで電極材料としては、誘電体の上下で
異なる物性を持つ材料を用いることが望ましく、片方は
高いエネルギーのショットキバリアーを与えるべく、仕
事関数の大きな金属或いは導電性酸化物のような導電性
固体、もう一方の電極に低いショットキバリアーを与え
るような仕事関数の低い金属や導電性固体、或いは半導
体特性を持った導電性酸化物等を用いることが望まし
い。このように異なる2種の電極材料を用いることによ
り、キャパシタの分極対電界ヒステリシス曲線(P−E
曲線)が電圧の極性について非対称となり、一方に電界
を掛けた後この電界を取り去った時の残留分極ともう片
方に電界を掛けてこれを取り去った時の残留分極が異な
るような特性を与えることができる。即ち、片方の分極
状態での0バイアス近傍での誘電率ともう片方の分極状
態の誘電率が大きく異なる薄膜キャパシタがこのような
電極構成によって得られるわけで、この誘電率の違いが
この半導体記憶装置の動作原理の根幹となっている。
Here, as the electrode material, it is desirable to use a material having different physical properties above and below the dielectric material, and one of them has a large work function such as a metal or a conductive oxide so as to give a Schottky barrier of high energy. It is desirable to use a conductive solid, a metal having a low work function that gives a low Schottky barrier to the other electrode, a conductive solid, or a conductive oxide having semiconductor characteristics. By using two different kinds of electrode materials as described above, the polarization vs. electric field hysteresis curve (P−E
(Curve) is asymmetric with respect to the polarity of the voltage, and the characteristic is such that the remanent polarization when an electric field is applied to one side and then removed, and the remanent polarization when the electric field is applied to the other side and removed You can That is, a thin-film capacitor having a dielectric constant in the vicinity of 0 bias in one polarization state and a dielectric constant in the other polarization state greatly different can be obtained by such an electrode structure, and this difference in dielectric constant is caused by this semiconductor memory. It is the basis of the operating principle of the device.

【0063】ここで、仕事関数が大きな値を持つ、即ち
大きなポテンシャルバリアが存在する電極界面に注目し
てこの半導体記憶装置の動作を説明する。ここでは、0
バイアス付近での誘電率が大きい場合と小さい場合のこ
のバリアの性質を比較する。ちなみにこの2つの状態
は、抗電界以上の電界を印加することで得ることができ
る。かかる電極界面の空乏層長は誘電体膜の誘電率εの
1/2乗に比例し、この接合を流れる電流はこの空乏層
のトンネル電流で概ね記述でき、その値は空乏層長が大
きい場合にはより小さなものとなる。即ち、同じバイア
ス電界を与えたときのこの接合を流れる電流は、大きな
誘電率を与える分極状態では小さく、また小さな誘電率
を与える分極状態では大きな電流が流れることになる。
Here, the operation of this semiconductor memory device will be described focusing on the electrode interface where the work function has a large value, that is, where a large potential barrier exists. Here, 0
We will compare the properties of this barrier with and without a large dielectric constant near the bias. Incidentally, these two states can be obtained by applying an electric field higher than the coercive electric field. The length of the depletion layer at such an electrode interface is proportional to the 1/2 power of the dielectric constant ε of the dielectric film, and the current flowing through this junction can be roughly described by the tunnel current of this depletion layer. Will be smaller. That is, the current flowing through this junction when the same bias electric field is applied is small in the polarized state that gives a large dielectric constant, and a large current flows in the polarized state that gives a small dielectric constant.

【0064】本発明の半導体記憶装置では、この分極状
態による誘電体膜−電極接合の電流変化を記憶読み出し
に用いるものである。ここで読み出しに用いる電界は、
誘電体膜の抗電界以下の値を用いることが必要で、一方
メモリの動作速度向上のためにはなるべく大きな電界を
掛けて大きな電流を得ることが必要になる。そこで、こ
の読み出し電流を大きくとることを目的に、誘電体膜の
電気伝導率を適当な値に調整するため、誘電体膜に希土
類元素やNb等の適当な不純物を添加することもでき
る。この不純物添加はメモリの動作電圧,必要な動作速
度,補助回路の構成,誘電体膜の抗電界等の性質や用い
る電極の物性によって任意に選ぶことができるが、あま
りに高抵抗の場合には充分な動作電流が得られず、一方
あまりに抵抗が低い場合には誘電体膜に充分な電界をか
けることができず、誘電体膜における極性反転による情
報書き込みが難しくなる。
In the semiconductor memory device of the present invention, the current change of the dielectric film-electrode junction due to this polarization state is used for memory reading. The electric field used for reading here is
It is necessary to use a value less than or equal to the coercive electric field of the dielectric film, and on the other hand, in order to improve the operation speed of the memory, it is necessary to apply as large an electric field as possible to obtain a large current. Therefore, in order to adjust the electric conductivity of the dielectric film to an appropriate value for the purpose of increasing the read current, it is possible to add an appropriate impurity such as a rare earth element or Nb to the dielectric film. This impurity addition can be arbitrarily selected according to the operating voltage of the memory, the required operating speed, the configuration of the auxiliary circuit, the coercive electric field of the dielectric film, and the physical properties of the electrodes used, but it is sufficient if the resistance is too high. If a high operating current cannot be obtained and the resistance is too low, a sufficient electric field cannot be applied to the dielectric film, making it difficult to write information due to polarity reversal in the dielectric film.

【0065】さて、ここでこの半導体記憶装置に用いる
電極について簡単に説明する。本発明で用いる電極材料
は、好ましくはその実質的な仕事関数が異なる2種の電
極材料を用いることになる。ここで、仕事関数の大きな
電極材料としては、Pt,Ir,Rh,OS等の各種貴
金属のような単純金属やReO3 やRuO2 のような金
属的な電子状態を示す電気伝導性酸化物、或いは金属的
な電気伝導を示すペロブスカイト型酸化物を用いること
ができる。また、一方の仕事関数が小さな電極には各種
半導体や半導体と金属の中間的な物性を持つ、いわゆる
強相関金属的な各種電気伝導性酸化物を用いることがで
きる。ここで、このペロブスカイト型酸化物はそのAサ
イト構成元素に価数やイオン半径の異なる元素を2種以
上選択することにより、この2種以上のAサイト構成元
素の含有比率を変えることで実質的にその仕事関数を変
化させ、誘電体膜との界面のショットキーバリアを変化
させることができるため、誘電体膜の両面で基本的な組
成、構造が同一でありながら、その電気特性が大きく異
なる電極を形成することができ、誘電体膜にかかるスト
レスを軽減することや、このメモリの作成プロセスを簡
略化することが可能になる。
Now, the electrodes used in this semiconductor memory device will be briefly described. As the electrode material used in the present invention, two kinds of electrode materials having substantially different work functions are preferably used. Here, as the electrode material having a large work function, simple metals such as various noble metals such as Pt, Ir, Rh, and OS, and electrically conductive oxides exhibiting a metallic electronic state such as ReO 3 and RuO 2 , Alternatively, a perovskite type oxide exhibiting metallic electric conductivity can be used. On the other hand, for the electrode having a small work function, it is possible to use various semiconductors or various electrically conductive oxides that are so-called strongly correlated metals and have intermediate properties between semiconductors and metals. Here, in this perovskite type oxide, by selecting two or more elements having different valences or ionic radii as the A site constituent elements, the content ratio of the two or more A site constituent elements is substantially changed. Since its work function can be changed to change the Schottky barrier at the interface with the dielectric film, the basic composition and structure are the same on both sides of the dielectric film, but their electrical characteristics differ greatly. The electrodes can be formed, and it becomes possible to reduce the stress applied to the dielectric film and to simplify the manufacturing process of this memory.

【0066】さらに、本発明になる半導体記憶装置で
は、その読み出しが非破壊読み出しであり、誘電体膜の
疲労に関しては通常の蓄積電荷を利用する強誘電体メモ
リより有利な状況にあるが、記憶書き込みに関しては分
極反転を行うため、誘電体膜の疲労が問題となることも
ある。この際、誘電体膜と電極の界面不整合や誘電体膜
に加わるストレスはこの疲労を増長させることから望ま
しくないが、上記ペロブスカイト型導電性酸化物を電極
に用いた場合、極めて高い格子整合性により、こういっ
た問題を回避することが可能になる。しかも、ペロブス
カイト結晶構造の電極上にペロブスカイト型結晶構造の
誘電性材料をエピタキシャル成長させることで、さらに
界面整合性の向上を得ることができるが、電極膜や誘電
体膜が多結晶体の場合も、こういった材料を用いること
で充分な効果を得ることができる。
Further, in the semiconductor memory device according to the present invention, the reading is non-destructive reading, which is advantageous in terms of fatigue of the dielectric film as compared with the ferroelectric memory using the normal accumulated charge. Since polarization reversal is performed for writing, fatigue of the dielectric film may be a problem. At this time, the interface mismatch between the dielectric film and the electrode and the stress applied to the dielectric film increase this fatigue, which is not desirable, but when the above perovskite-type conductive oxide is used for the electrode, extremely high lattice matching This makes it possible to avoid such problems. Moreover, by further epitaxially growing a dielectric material having a perovskite crystal structure on the electrode having a perovskite crystal structure, it is possible to further improve the interface matching property. Sufficient effects can be obtained by using such materials.

【0067】本発明になる半導体記憶装置は、本質的に
は誘電体膜に各種誘電性材料を用いることができるが、
上記理由により、電極材料との整合性が良好である材料
であることが望ましい。Ba1-x Srx TiO3 (BS
TO)のような誘電体膜はある種の電極の上にエピタキ
シャル成長することが知られており、このとき電極の格
子定数を適当に選定することにより、ヘテロエピタキシ
ーによって生じた応力により、本来室温では強誘電性を
示さない組成の誘電性材料が強誘電性を示す誘電体膜と
なることも知られている。
The semiconductor memory device according to the present invention can essentially use various dielectric materials for the dielectric film.
For the above reason, it is desirable that the material has good compatibility with the electrode material. Ba 1-x Sr x TiO 3 (BS
It is known that a dielectric film such as (TO) grows epitaxially on a certain kind of electrode. At this time, by appropriately selecting the lattice constant of the electrode, the stress generated by the heteroepitaxy originally causes room temperature at room temperature. It is also known that a dielectric material having a composition that does not exhibit ferroelectricity serves as a dielectric film that exhibits ferroelectricity.

【0068】本発明者らは、かかる誘電体膜をその構成
要素として用い、リーク電流の変化を利用した情報の読
出しを行う半導体記憶装置を作成した場合、極めて良好
な特性を示すことを見い出した。この電極上にエピタキ
シャル成長したBSTO薄膜は界面状態が良好なことか
ら、良好な耐疲労特性を示し、かかる用途に最適の誘電
体膜であると言えるが、その電荷蓄積量は本来強誘電性
を示す誘電性材料を用いた強誘電体膜に比べて充分高い
とは言えない。従って、蓄積電荷を放出させて情報の読
出しを行う従来の強誘電体メモリにこの誘電体膜を用い
た場合には、キャパシタ部分の面積を低減し高集積化を
はかることにも限界がある。
The present inventors have found that when such a dielectric film is used as a constituent element thereof, when a semiconductor memory device for reading information by utilizing a change in leak current is produced, it exhibits extremely good characteristics. . Since the BSTO thin film epitaxially grown on this electrode has a good interface state, it exhibits good fatigue resistance, and although it can be said that it is an optimal dielectric film for such applications, its charge storage amount originally shows ferroelectricity. It cannot be said that it is sufficiently higher than a ferroelectric film using a dielectric material. Therefore, when this dielectric film is used in a conventional ferroelectric memory that discharges accumulated charges to read information, there is a limit in reducing the area of the capacitor portion and achieving high integration.

【0069】一方、上記説明のような、分極方向の変化
によって変化するリーク電流を用いてMOSチャンネル
を駆動する半導体記憶装置をこの誘電体膜を用いて作成
した場合には、蓄積電荷量は素子の動作に直接影響を与
えるパラメータではなく、キャパシタ性能、ひいては半
導体記憶装置の性能は電荷蓄積量ではなく、リーク電流
の変化に依存することになる。従って、上記エピタキシ
ャル成長させたBSTO薄膜をかかる半導体記憶装置に
用いた場合には、小さい素子面積でMOSチャンネル等
を高速駆動でき、また耐疲労特性にも優れたメモリが得
られるわけである。
On the other hand, when a semiconductor memory device that drives a MOS channel by using a leak current that changes according to a change in the polarization direction as described above is formed using this dielectric film, the accumulated charge amount is the element. The performance of the capacitor, and hence the performance of the semiconductor memory device, depends not on the amount of accumulated charge but on the change of the leak current, not on the parameter that directly affects the operation. Therefore, when the epitaxially grown BSTO thin film is used in such a semiconductor memory device, a MOS channel or the like can be driven at high speed with a small element area, and a memory excellent in fatigue resistance can be obtained.

【0070】ここで、BSTOの組成はエピタキシャル
成長させる基板或いは下部電極の格子定数等の条件によ
って任意に設定することができる。また、読み出し電流
を大きくとるための不純物添加による電気抵抗の低減
も、Ba或いはSrの一部をSm等、希土類元素で置き
換えることにより、容易に行うことができる。電気抵抗
の制御にはこの不純物添加による方法の他に、この物質
の場合には酸素欠損を導入して電気抵抗を低減すること
もできる。この酸素欠損の導入は成膜時の雰囲気(たと
えばスパッタ時の酸素分圧)を制御することで行うこと
ができる。
Here, the composition of BSTO can be arbitrarily set depending on the conditions such as the lattice constant of the substrate or the lower electrode on which the epitaxial growth is performed. Further, the electric resistance can be easily reduced by adding an impurity to increase the read current by replacing a part of Ba or Sr with a rare earth element such as Sm. In order to control the electric resistance, in addition to this method of adding impurities, in the case of this substance, oxygen deficiency can be introduced to reduce the electric resistance. The introduction of oxygen vacancies can be performed by controlling the atmosphere during film formation (for example, the oxygen partial pressure during sputtering).

【0071】本発明になる半導体記憶装置には、このほ
かPbTiO3 やPLT,PZT等各種誘電性材料を用
いることができる。この際にも、読み出し電流増加のた
め各種不純物の添加や陽イオン欠損の導入等が有効であ
るが、成膜の容易さや耐疲労特性の観点からはエピタキ
シャルBSTO薄膜が最も良好な特性を示すと言える。
In addition to this, various dielectric materials such as PbTiO 3 , PLT, and PZT can be used in the semiconductor memory device according to the present invention. Also in this case, addition of various impurities or introduction of cation deficiency is effective for increasing the read current, but it is said that the epitaxial BSTO thin film exhibits the best characteristics from the viewpoint of film formation easiness and fatigue resistance. I can say.

【0072】ここで、この強誘電性を示すBSTO薄膜
は、例えばMgO(200)基板上にエピタキシャル成
長したPt(200)を下部電極とし、この上にBST
Oをエピタキシャル成長させることで得ることができ
る。さらに、BSTOより格子定数がやや小さいペロブ
スカイト型結晶構造を持つ導電性酸化物を下部電極と
し、このうえにBSTOを成膜することでも、エピタキ
シャル成長した強誘電性を示すBSTO薄膜を得ること
ができる。
Here, in this BSTO thin film exhibiting ferroelectricity, for example, Pt (200) epitaxially grown on a MgO (200) substrate is used as a lower electrode, and BST is formed on this.
It can be obtained by epitaxially growing O. Further, by forming a conductive oxide having a perovskite type crystal structure having a slightly smaller lattice constant than that of BSTO as a lower electrode and depositing BSTO on the conductive oxide, a BSTO thin film having ferroelectricity epitaxially grown can be obtained.

【0073】下部電極として用いる導電性ペロブスカイ
ト型酸化物には多様な物質を用いることができるが、例
えばNbを添加して導電性を付与したSrTiO3 やC
1- x x TiO3 のような物質を選ぶことができる。
ここで、下部電極に用いる導電性ペロブスカイト型酸化
物の格子定数は、その上にエピタキシャル成長させるB
STO薄膜の誘電特性に大きな影響を与える重要な要素
であり、これをBSTO本来の格子定数より小さな値を
持つ物質を選択して、エピタキシャル成長したBSTO
の面内格子定数を低減し、正方晶に転移させることで強
誘電性を得ることができる。
Various materials can be used as the conductive perovskite type oxide used as the lower electrode. For example, SrTiO 3 or C added with Nb to give conductivity is used.
It can be selected materials such as a 1- x Y x TiO 3.
Here, the lattice constant of the conductive perovskite type oxide used for the lower electrode is B which is epitaxially grown thereon.
This is an important factor that has a great influence on the dielectric properties of STO thin film, and BSTO epitaxially grown by selecting a substance having a value smaller than the original lattice constant of BSTO.
Ferroelectricity can be obtained by reducing the in-plane lattice constant of and transforming into tetragonal crystal.

【0074】より良好な誘電特性、例えばより高いキュ
リー温度、より大きな抗電界や飽和電荷を得るために
は、BSTOと下部電極の格子ミスマッチを大きくすれ
ば良い。しかし、このミスマッチが大きすぎる場合に
は、BSTOがエピタキシャル成長しないため、強誘電
性を示すBSTO薄膜を得ることができない。上記導電
性ペロブスカイト型酸化物は、構成元素を適当に選ぶこ
とによって、幅広い格子定数を有する物質を得ることが
できることから、下部電極材料として最も好ましいもの
の一つである。
In order to obtain better dielectric characteristics such as higher Curie temperature, larger coercive electric field and saturated charge, the lattice mismatch between BSTO and the lower electrode should be increased. However, if this mismatch is too large, BSTO does not grow epitaxially, and a BSTO thin film exhibiting ferroelectricity cannot be obtained. The conductive perovskite type oxide is one of the most preferable ones as the lower electrode material because a substance having a wide lattice constant can be obtained by appropriately selecting the constituent elements.

【0075】本発明になる半導体記憶装置は、強誘電体
性を示す誘電体膜の上下に、電子状態の異なる電極を接
合することによって誘電体膜の上下で異なる界面バリア
を形成することでその特性が得られる。上記導電性ペロ
ブスカイト型酸化物は、その組成比を変化させることや
微量の不純物を添加することにより、その電子状態を大
きく変化させることができるため、これを利用して上部
電極,下部電極で異なる電子状態を持つ電極を形成する
ことができる。例えば、下部電極には金属導電性で電気
抵抗率が低いCa0.5 0.5 TiO3 を用い、上部電極
には半導体的な電気特性を持ち、電気抵抗がより高いC
0.8 0.2 TiO3 を用いることで、非対称のP−E
曲線を有するキャパシタを得ることができる。また、こ
のように上下の電極双方に導電性ペロブスカイト型酸化
物を用いることは、良好な整合性を持った界面整合が得
られるため、強誘電体メモリの疲労を改善する上で極め
て効果的である。
In the semiconductor memory device according to the present invention, electrodes having different electronic states are bonded to the upper and lower sides of the dielectric film having ferroelectricity to form different interface barriers above and below the dielectric film. The characteristics are obtained. The conductive perovskite oxide can change its electronic state significantly by changing its composition ratio or adding a trace amount of impurities. An electrode having an electronic state can be formed. For example, Ca 0.5 Y 0.5 TiO 3 having a metal conductivity and a low electric resistivity is used for the lower electrode, and C having a higher electric resistance having a semiconductor-like electric characteristic is used for the upper electrode.
By using a 0.8 Y 0.2 TiO 3 , asymmetric PE
Capacitors with curves can be obtained. In addition, using conductive perovskite type oxides for both the upper and lower electrodes in this way is very effective in improving the fatigue of the ferroelectric memory, because interface matching with good matching can be obtained. is there.

【0076】また、リーク電流を利用して動作させる場
合には、ジュール熱によるキャパシタ内の温度上昇が問
題である。即ち、温度上昇は導電率の変化や絶縁破壊を
もたらすためメモリ動作上好ましくない。これに対し、
エピタキシャル成長によるBSTOの構成元素はPbや
Biに比較して軽く、軽い元素から構成される結晶は一
般的に熱伝導性に優れる。従って、エピタキシャル成長
によるBSTOの利用により、キャパシタ内の温度上昇
を回避することも可能となる。
Further, when the device is operated by utilizing the leakage current, the temperature rise in the capacitor due to Joule heat is a problem. That is, the increase in temperature causes a change in conductivity and dielectric breakdown, which is not preferable for memory operation. In contrast,
The constituent elements of BSTO formed by epitaxial growth are lighter than Pb and Bi, and crystals composed of lighter elements are generally superior in thermal conductivity. Therefore, it is possible to avoid the temperature rise in the capacitor by using BSTO by epitaxial growth.

【0077】[0077]

【実施例】図1(a),(b)は、実施例で作成された
本発明の薄膜キャパシタの構造を示す平面図及び縦断面
図であり、以下本発明を実施例に基づいて説明する。 (実施例1及び比較例1)まず、図1に示すように表面
が平滑なMgO(100)単結晶基板1の上に、下部電
極2を形成する導電性材料として(100)配向のPt
の薄膜を、基板温度400℃でrfマグネトロンスパッ
タリング法により成膜し、本発明における導電性基板5
とした。ここで、基材のMgO(100)単結晶基板1
は立方晶系に属するNaCl型結晶構造を有するもの
で、Ptの薄膜は約50nmの膜厚で基材の上にエピタ
キシャル成長して、立方晶系の結晶構造を有していた。
1 (a) and 1 (b) are a plan view and a vertical sectional view showing a structure of a thin film capacitor of the present invention produced in an embodiment, and the present invention will be described below based on the embodiment. .. (Example 1 and Comparative Example 1) First, as shown in FIG. 1, on a MgO (100) single crystal substrate 1 having a smooth surface, (100) -oriented Pt was used as a conductive material for forming a lower electrode 2.
Of the conductive substrate 5 according to the present invention.
And Here, the MgO (100) single crystal substrate 1 as a base material
Has a NaCl-type crystal structure belonging to the cubic system, and the Pt thin film was epitaxially grown on the base material with a film thickness of about 50 nm and had the cubic crystal structure.

【0078】次に、得られた導電性基板5の上に、誘電
体膜3として膜厚約230nmの(Ba0.85Sr0.15
TiO3 (正方晶系)の薄膜又はBaTiO3 (正方晶
系)の薄膜をrfマグネトロンスパッタリング法により
成膜して、それぞれ実施例及び比較例とした。ここで、
Pt本来の格子定数as は0.39231nm、(Ba
0.85Sr0.15)TiO3 本来の格子定数ad は約0.3
978nm、co は0.400nmである。BaTiO
3 本来の格子定数ad は0.3994nm、co は0.
403nmである。従ってad /as の値が、実施例に
ついてはad /as =1.013で本発明で規定された
範囲内であるが、比較例ではad /as=1.018と
なって本発明で規定された範囲を逸脱している。
Next, a dielectric film 3 having a thickness of about 230 nm (Ba 0.85 Sr 0.15 ) was formed on the obtained conductive substrate 5.
A thin film of TiO 3 (tetragonal system) or a thin film of BaTiO 3 (tetragonal system) was formed by the rf magnetron sputtering method, and used as an example and a comparative example, respectively. here,
Pt natural lattice constant a s are 0.39231nm, (Ba
0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 has an original lattice constant a d of about 0.3.
978nm, c o is 0.400nm. BaTiO
3 natural lattice constant a d is 0.3994nm, c o is 0.
It is 403 nm. Therefore, the value of a d / a s is also be within the range specified in the present invention in a d / a s = 1.013 for Example, a a d / a s = 1.018 in Comparative Example Is outside the range defined by the present invention.

【0079】なおこのとき、スパッタターゲットとして
は(Ba0.85Sr0.15)TiO3 焼結体及びBaTiO
3 焼結体からなる4インチ径、5mm厚の単元ターゲッ
トをそれぞれ使用し、成膜中の基板温度を600℃、ス
パッタ雰囲気はArとO2 の混合ガスとした。また、形
成された誘電体膜の組成をICP法で分析し、いずれも
ほぼ化学量論組成であることを確認した。
At this time, the sputtering target was (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 sintered body and BaTiO 3.
The unit targets made of 3 sintered bodies and having a diameter of 4 inches and a thickness of 5 mm were used, the substrate temperature during film formation was 600 ° C., and the sputtering atmosphere was a mixed gas of Ar and O 2 . Further, the composition of the formed dielectric film was analyzed by the ICP method, and it was confirmed that each of them had a substantially stoichiometric composition.

【0080】最後に、これらの(Ba0.85Sr0.15)T
iO3 の薄膜又はBaTiO3 の薄膜の上に、Niの薄
膜をrfマグネトロンスパッタリング法により成膜後、
フォトリソグラフィー技術により100μm×100μ
mの形状に加工して上部電極4を形成し、実施例1及び
比較例1の薄膜キャパシタを作成した。
Finally, these (Ba 0.85 Sr 0.15 ) T
After forming a Ni thin film on the iO 3 thin film or the BaTiO 3 thin film by the rf magnetron sputtering method,
100μm × 100μ by photolithography technology
The upper electrode 4 was formed by processing into a shape of m, and the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1 were prepared.

【0081】ここで、導電性基板5の上に誘電体膜3と
して形成された(Ba0.85Sr0.15)TiO3 の薄膜又
はBaTiO3 の薄膜は、そのX線回折図にペロブスカ
イト型結晶構造の(001),(002),(003)
面からの回折線のみが現れており、これら誘電体膜3に
おいては(001)面が配向したペロブスカイト型結晶
構造が得られていることが判った。またRHEED観察
から、これら誘電体膜3は導電性基板5の上にエピタキ
シャル成長していることが確認された。
Here, the (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 thin film or the BaTiO 3 thin film formed as the dielectric film 3 on the conductive substrate 5 has a perovskite type crystal structure ( 001), (002), (003)
Only the diffraction line from the plane appeared, and it was found that in these dielectric films 3, a perovskite type crystal structure in which the (001) plane was oriented was obtained. From the RHEED observation, it was confirmed that these dielectric films 3 were epitaxially grown on the conductive substrate 5.

【0082】さらにこれら誘電体膜3について、ペロブ
スカイト型結晶構造を有する格子のc軸方向の格子定数
をX線回折図の(003)回折角から求めたところ、実
施例1で形成した(Ba0.85Sr0.15)TiO3 の薄膜
ではce =0.417nm、比較例1で形成したBaT
iO3 の薄膜では約0.403nmであった。即ち、
(Ba0.85Sr0.15)TiO3 及びBaTiO3 の本来
のc軸長がそれぞれ約0.400nm、0.403nm
であるから、比較例がBaTiO3 本来の格子定数と同
等の値である、即ちce /co =1.000であるのに
対し、実施例においては(Ba0.85Sr0.15)TiO3
本来の格子定数よりも約4.2%c軸が長いことにな
る。即ち、ce /co =1.042となる。
Regarding these dielectric films 3, the lattice constant in the c-axis direction of the lattice having the perovskite type crystal structure was determined from the (003) diffraction angle of the X-ray diffraction pattern, and it was formed in Example 1 (Ba 0.85). In the thin film of Sr 0.15 ) TiO 3 , c e = 0.417 nm, and the BaT formed in Comparative Example 1 was used.
The thickness of the iO 3 thin film was about 0.403 nm. That is,
The original c-axis lengths of (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 and BaTiO 3 are about 0.400 nm and 0.403 nm, respectively.
Therefore, in the comparative example, the value is equivalent to the original lattice constant of BaTiO 3 , that is, c e / co = 1.000, whereas in the example, (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 is used.
This means that the c-axis is about 4.2% longer than the original lattice constant. That is, c e / c o = 1.042.

【0083】本実施例でc軸方向の格子定数が長くなっ
た理由は、(Ba0.85Sr0.15)TiO3 本来の格子定
数ad が下地のPt本来の格子定数as より適度に大き
いため、誘電体膜3を下地であるPtの薄膜の上にエピ
タキシャル成長させる際に、(Ba0.85Sr0.15)Ti
3 が膜面内方向でPtの格子定数に一致するようにミ
スフィット転移が入ることなく成長し、結果的にペロブ
スカイト型結晶構造を有する格子が歪んで、膜面内方向
について格子定数が縮む一方膜厚方向で格子定数が伸び
たためであると考えられる。
The reason why the lattice constant in the c-axis direction in the present example becomes long is that the original lattice constant a d of (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 is reasonably larger than the original lattice constant a s of Pt of the underlying layer. When the dielectric film 3 is epitaxially grown on the underlying Pt thin film, (Ba 0.85 Sr 0.15 ) Ti
O 3 grows without misfit transition so that it matches the lattice constant of Pt in the in-plane direction, and as a result, the lattice having the perovskite type crystal structure is distorted and the lattice constant shrinks in the in-plane direction. On the other hand, it is considered that the lattice constant was extended in the film thickness direction.

【0084】続いて、上述したような実施例1及び比較
例1の薄膜キャパシタの各種特性を評価した。まず図2
は、実施例1及び比較例1の薄膜キャパシタの容量の温
度依存性を示す特性図である。但しここでは、交流電圧
の周波数100kHz、振幅0.1Vとして容量を測定
した。図2に示されるように、実施例1の薄膜キャパシ
タにおいては、室温から温度を上げるにつれて容量が増
加し、最大の容量値が得られる温度Tmax は約200℃
であった。なおこのTmax は、バルク材のキュリー温度
に相当する温度であり、(Ba0.85Sr0.15)TiO3
本来のキュリー温度は約60℃であることが知られてい
るから、本実施例において誘電体膜のキュリー温度が誘
電性材料本来のキュリー温度よりも上昇していることが
明らかである。
Subsequently, various characteristics of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1 as described above were evaluated. First, Figure 2
FIG. 4 is a characteristic diagram showing temperature dependence of capacitance of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1. However, the capacity was measured here with an AC voltage frequency of 100 kHz and an amplitude of 0.1 V. As shown in FIG. 2, in the thin-film capacitor of Example 1, the capacitance increased as the temperature was raised from room temperature, and the temperature Tmax at which the maximum capacitance value was obtained was about 200 ° C.
Met. This Tmax is a temperature corresponding to the Curie temperature of the bulk material, and is (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3
Since the original Curie temperature is known to be about 60 ° C., it is clear that the Curie temperature of the dielectric film is higher than the original Curie temperature of the dielectric material in this example.

【0085】一方、比較例1の薄膜キャパシタは、Tma
x がBaTiO3 本来のキュリー温度とほぼ同じ約12
0℃であり、誘電体膜のキュリー温度は誘電性材料本来
の値と殆ど変化していない。ここでこれらの違いが生じ
るのは、本実施例では誘電体膜の成長段階でミスフィッ
ト転移が入りにくく、上述したようにペロブスカイト型
結晶構造を有する格子が歪んだ状態が保たれるのに対
し、比較例においては誘電体膜の成長初期状態でペロブ
スカイト型結晶構造を有する格子が歪んでも、誘電体膜
の成長段階でミスフィット転移が入ってもとに戻ってし
まうためであると予想される。
On the other hand, the thin film capacitor of Comparative Example 1 has a Tma
x is about 12 which is almost the same as the original Curie temperature of BaTiO 3.
It is 0 ° C., and the Curie temperature of the dielectric film is almost unchanged from the original value of the dielectric material. Here, these differences occur because in the present example, misfit transition is less likely to occur in the growth stage of the dielectric film, and as described above, the lattice having the perovskite type crystal structure is kept in a distorted state. In the comparative example, even if the lattice having the perovskite type crystal structure is distorted in the initial state of the growth of the dielectric film, it is expected to return to the original even if the misfit transition occurs during the growth stage of the dielectric film. .

【0086】また図3(a),(b)に、実施例1及び
比較例1の薄膜キャパシタの分極対電界(P−E)ヒス
テリシス曲線を示す。但しここでは、ソーヤタワー回路
を使用し5kHzの交流電圧を印加して室温でヒステリ
シス曲線を測定した。図3から明らかなように、実施例
1及び比較例1の薄膜キャパシタではともに、印加され
る電界との関係で分極に明瞭にヒステリシスが現れてい
る。即ち、本実施例の薄膜キャパシタにおいては、誘電
体膜としての(Ba0.85Sr0.15)TiO3 の薄膜は強
誘電性を示しており、かつ図3(a)のヒステリシス曲
線から求めた残留分極の大きさは約0.11C/m2
実用的に充分な値が得られていた。これに対し、図3
(b)のヒステリシス曲線から求めた比較例1の薄膜キ
ャパシタにおける残留分極の大きさは、約0.06C/
2 であった。
Further, FIGS. 3A and 3B show polarization vs. electric field (PE) hysteresis curves of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1, respectively. However, here, a hysteresis curve was measured at room temperature by applying an alternating voltage of 5 kHz using a Sawyer tower circuit. As is clear from FIG. 3, in both the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1, hysteresis clearly appears in polarization in relation to the applied electric field. That is, in the thin film capacitor of the present embodiment, the thin film of (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 as the dielectric film exhibits ferroelectricity, and the residual polarization of the residual polarization obtained from the hysteresis curve of FIG. The size was about 0.11 C / m 2, which was a practically sufficient value. On the other hand, FIG.
The magnitude of remanent polarization in the thin film capacitor of Comparative Example 1 obtained from the hysteresis curve of (b) is about 0.06 C /
m 2 .

【0087】さらに図4に、残留分極の温度依存性を示
す。図4において、縦軸は20℃での残留分極Pr(2
0℃)に対するT℃での残留分極Pr(T)の比を表
し、図中実線が実施例1の薄膜キャパシタの残留分極の
温度依存性、破線が比較例1の薄膜キャパシタの残留分
極の温度依存性である。図示される通り本実施例の薄膜
キャパシタでは、残留分極の温度依存性についても比較
例の薄膜キャパシタに対して著しく改善されている。こ
のように実施例1においては、誘電体膜のキュリー温度
が誘電性材料本来のキュリー温度よりも上昇しており、
これに伴い残留分極が大きく残留分極の温度依存性の小
さい薄膜キャパシタが実現されている。
Further, FIG. 4 shows the temperature dependence of the remanent polarization. In FIG. 4, the vertical axis represents the remanent polarization Pr (2
Represents the ratio of remanent polarization Pr (T) at T ° C. to (0 ° C.), where the solid line in the figure is the temperature dependence of the remanent polarization of the thin film capacitor of Example 1, and the broken line is the temperature of the remanent polarization of the thin film capacitor of Comparative Example 1. It is a dependency. As shown in the figure, in the thin film capacitor of the present example, the temperature dependence of the remanent polarization is also significantly improved as compared with the thin film capacitor of the comparative example. As described above, in Example 1, the Curie temperature of the dielectric film is higher than the original Curie temperature of the dielectric material,
Along with this, a thin film capacitor having a large remanent polarization and a small temperature dependence of the remanent polarization has been realized.

【0088】次に本実施例では、上述したような薄膜キ
ャパシタとスイッチングトランジスタとしてのMOSト
ランジスタとを接続して、不揮発性の半導体記憶装置で
ある強誘電体メモリを構成した。ここで、図5(a)
(b)にMOSトランジスタの平面図と断面図を示し、
図6(a)(b)に薄膜キャパシタの平面図と断面図を
示す。そして、以下これらの図面を参照しながら本発明
の半導体記憶装置の構成について具体的に示す。
Next, in the present embodiment, the thin film capacitor as described above and the MOS transistor as the switching transistor were connected to form a ferroelectric memory which is a nonvolatile semiconductor memory device. Here, FIG.
(B) shows a plan view and a cross-sectional view of a MOS transistor,
6A and 6B are a plan view and a sectional view of the thin film capacitor. The configuration of the semiconductor memory device of the present invention will be specifically described below with reference to these drawings.

【0089】本実施例においては、図5に示される通り
Siの熱酸化膜からなる素子分離領域2で互いに分離さ
れた複数のMOSトランジスタが、Si基板11上にマ
トリックス状に作成される。このときMOSトランジス
タは、素子分離領域2上のゲート酸化膜13−1及びゲ
ート電極13−2と、Si基板11内のソース及びドレ
イン領域14−1,14−12等から形成される。なお
ここでゲート電極13−2は、半導体記憶装置のワード
線の一部を成すものである。また、ソース及びドレイン
領域14−1,14−2の一方の上にはビット線15が
形成され、ソース及びドレイン領域14−1,14−2
の他方はコンタクト部10を介して、薄膜キャパシタと
の接続用の取り出し電極16と接続される。なお図中、
17,18,19は層間絶縁膜、20は平坦化用絶縁膜
である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a plurality of MOS transistors separated from each other by the element isolation region 2 made of a thermal oxide film of Si are formed on the Si substrate 11 in a matrix form. At this time, the MOS transistor is formed from the gate oxide film 13-1 and the gate electrode 13-2 on the element isolation region 2, the source and drain regions 14-1 and 14-12 in the Si substrate 11. Here, the gate electrode 13-2 forms a part of the word line of the semiconductor memory device. Further, the bit line 15 is formed on one of the source and drain regions 14-1 and 14-2, and the source and drain regions 14-1 and 14-2 are formed.
The other is connected to the extraction electrode 16 for connection with the thin film capacitor via the contact portion 10. In the figure,
Reference numerals 17, 18 and 19 are interlayer insulating films, and 20 is a planarizing insulating film.

【0090】また薄膜キャパシタについては、図6に示
すようにMgO(100)単結晶基板1の上にドライブ
線の形状を成す(100)配向のPtの薄膜を成膜して
下部電極2を形成し、得られた導電性基板5の上に誘電
体膜3としての(Ba0.85Sr0.15)TiO3 の薄膜及
びNiの薄膜を順次形成した後、MOSトランジスタ側
における取り出し電極16と対応する形状にNiの薄膜
を加工して上部電極4を形成した。但しここで各薄膜の
膜厚、成膜方法等は、図1に示した薄膜キャパシタの場
合と同様にした。
As for the thin film capacitor, as shown in FIG. 6, a lower electrode 2 is formed by forming a (100) -oriented Pt thin film forming a drive line on a MgO (100) single crystal substrate 1. Then, a thin film of (Ba 0.85 Sr 0.15 ) TiO 3 and a thin film of Ni as the dielectric film 3 are sequentially formed on the obtained conductive substrate 5, and then formed into a shape corresponding to the extraction electrode 16 on the MOS transistor side. The Ni thin film was processed to form the upper electrode 4. However, here, the film thickness of each thin film, the film forming method, and the like were the same as in the case of the thin film capacitor shown in FIG.

【0091】次いで、取り出し電極16及び上部電極4
を含む全面上にそれぞれ絶縁膜21−1,21−2を形
成した後、研磨加工を施して取り出し電極16及び上部
電極4を露出させるとともに表面を平坦化した。続い
て、取り出し電極16と上部電極4とが対向、接触した
状態で熱処理を施しこれらを金属接合せしめ、結果的に
MOSトランジスタと薄膜キャパシタとを接続させて、
本実施例の薄膜キャパシタとMOSトランジスタを具備
したメモリセルがマトリックス状に配置されてなる半導
体記憶装置を得た。図7に、得られた半導体記憶装置の
構造の縦断面図を部分的に示す。
Next, the take-out electrode 16 and the upper electrode 4
After forming the insulating films 21-1 and 21-2 on the entire surface including, respectively, polishing processing was performed to expose the extraction electrode 16 and the upper electrode 4 and flatten the surface. Subsequently, heat treatment is performed in a state where the extraction electrode 16 and the upper electrode 4 face and are in contact with each other, and these are metal-bonded, and as a result, the MOS transistor and the thin film capacitor are connected,
A semiconductor memory device was obtained in which memory cells including the thin film capacitors and MOS transistors of this example were arranged in a matrix. FIG. 7 partially shows a vertical cross-sectional view of the structure of the obtained semiconductor memory device.

【0092】図8はこのような半導体記憶装置の等価回
路図である。図示されるように、ここでは1ビットのメ
モリセルが1つのスイッチングトランジスタ24と1つ
の薄膜キャパシタ25とからなり、マトリッスク状に配
置される。スイッチングトランジスタ24のゲート電極
はワード線13と結合し、ソース及びドレイン領域14
−1,14−2の一方がビット線15に結合する。さら
に薄膜キャパシタ25の一対の電極が、それぞれスイッ
チングトランジスタ24のソース及びドレイン領域14
−1,14−2の他方及びドライブ線22と接続され
る。このとき、ワード線13とドライブ線22とが互い
に直交して、それぞれワード線選択回路26及びドライ
ブ線駆動回路27と結合し、ビット線15は2本一組で
ビット線対を形成し1本のドライブ線22を挟んでその
両側に配置されるとともに、センスアンプ28と結合し
ている。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of such a semiconductor memory device. As shown in the figure, here, a 1-bit memory cell includes one switching transistor 24 and one thin film capacitor 25, and is arranged in a matrix. The gate electrode of the switching transistor 24 is coupled to the word line 13, and the source and drain regions 14 are connected.
One of -1, 14-2 is connected to the bit line 15. Further, the pair of electrodes of the thin film capacitor 25 are connected to the source and drain regions 14 of the switching transistor 24, respectively.
It is connected to the other of -1, 14-2 and the drive line 22. At this time, the word line 13 and the drive line 22 are orthogonal to each other and coupled to the word line selection circuit 26 and the drive line drive circuit 27, respectively. Are arranged on both sides of the drive line 22 and are coupled to the sense amplifier 28.

【0093】この半導体記憶装置の書き込みに際して
は、例えばワード線選択回路26により所定のロウアド
レスのワード線13を選択し、選択されたワード線13
を活性化してこれと結合するスイッチングトランジスタ
24をON状態にした後、所定のカラムアドレスについ
てビット線15に“1”或いは“0”の情報に対応する
電位を付与するとともに、ドライブ線駆動回路27によ
りドライブ線22を活性化して書き込み信号を伝達す
る。次いで、ワード線13の活性化を停止してスイッチ
ングトランジスタ24をOFF状態に戻せば、上述した
ようなロウアドレス及びカラムアドレスの積によって選
択されるメモリセル内の薄膜キャパシタ25に、“1”
或いは“0”の情報が蓄積、保持されて情報の書き込み
が行われる。この後は、情報が書き込まれたメモリセル
のスイッチングトランジスタ24や薄膜キャパシタ25
と結合するワード線13及びドライブ線22の一方が活
性化されても、書き込まれた情報が消失することはな
い。
When writing to this semiconductor memory device, for example, the word line selection circuit 26 selects the word line 13 at a predetermined row address, and the selected word line 13 is selected.
Is activated and the switching transistor 24 coupled thereto is turned on, and then the potential corresponding to the information "1" or "0" is applied to the bit line 15 for a predetermined column address, and the drive line drive circuit 27 is applied. Thus, the drive line 22 is activated and a write signal is transmitted. Next, when the activation of the word line 13 is stopped and the switching transistor 24 is returned to the OFF state, "1" is added to the thin film capacitor 25 in the memory cell selected by the product of the row address and the column address as described above.
Alternatively, the information of “0” is accumulated and held and the information is written. After that, the switching transistor 24 and the thin film capacitor 25 of the memory cell in which information is written
Even if one of the word line 13 and the drive line 22 coupled with is activated, the written information is not lost.

【0094】一方、半導体記憶装置の読み出しに当って
は、まずワード線選択回路26により所定のロウアドレ
スのワード線13を選択し、選択されたワード線13を
活性化してこれと結合するスイッチングトランジスタ2
4をON状態にする。続いて、所定のカラムアドレスに
ついてビット線対をプリチャージしてフローティング状
態とした後、ドライブ線駆動回路27によりドライブ線
22を活性化して所定の電位を付与する。ここで、上述
したようなロウアドレス及びカラムアドレスの積によっ
て選択されるメモリセルの薄膜キャパシタ25に蓄積、
保持されていた情報は、スイッチングトランジスタ24
を通してプリチャージされたビット線対のうちの一方の
ビット線15に取り出され、取り出された情報に応じた
微小な電位差がビット線対間に形成される。従って、こ
の電位差をセンスアンプ28で増幅することで、メモリ
セル内の薄膜キャパシタ25に蓄積、保持されていた情
報の読み出しを行うことが可能となる。さらに、上述し
たようにして情報の取り出されたメモリセル内の薄膜キ
ャパシタ25に対しては、その後所定の動作によって読
み出す前と情報が書き込まれて、情報の再書き込みが行
われる。
On the other hand, when reading from the semiconductor memory device, first, the word line selection circuit 26 selects the word line 13 at a predetermined row address, activates the selected word line 13 and connects it to the switching transistor. Two
Turn 4 on. Then, the bit line pair is precharged to a floating state for a predetermined column address, and then the drive line drive circuit 27 activates the drive line 22 to apply a predetermined potential. Here, storage in the thin film capacitor 25 of the memory cell selected by the product of the row address and the column address as described above,
The information retained is the switching transistor 24.
Through a bit line 15 of one of the precharged bit line pairs, and a minute potential difference corresponding to the extracted information is formed between the bit line pair. Therefore, by amplifying this potential difference by the sense amplifier 28, it becomes possible to read the information accumulated and held in the thin film capacitor 25 in the memory cell. Further, the thin film capacitor 25 in the memory cell from which information has been taken out as described above is rewritten by writing information before and after reading by a predetermined operation.

【0095】なお、以上は本発明の薄膜キャパシタを用
いて不揮発性の強誘電体メモリを構成した例であるが、
本発明の薄膜キャパシタはDRAM等の揮発性の半導体
記憶装置に用いることもできる。図9に、このような本
発明の別の半導体記憶装置の等価回路図を示す。図示さ
れる通り、ここでは薄膜キャパシタ25における一対の
電極側が全て所定の電位に設定されればよく、一般的に
は、例えば薄膜キャパシタ25の下部電極を全面に形成
する以外は、図7と全く同様に半導体記憶装置を構成し
て、全メモリセルにおいて薄膜キャパシタ25の下部電
極が共有化される。 (実施例2及び比較例2)この実施例2及び比較例2の
薄膜キャパシタにおいては、誘電体膜としてそれぞれ
(Ba0.44Sr0.56)TiO3 、(Ba0.24Sr0.76
TiO3 の薄膜を形成した点が、上述したような実施例
1及び比較例1の薄膜キャパシタと異なる。即ちまず実
施例1と同様に、表面が平滑なMgO(100)単結晶
基板(立方晶系)の上に、下部電極を形成する導電性材
料として(100)配向のPt(立方晶系)の薄膜を、
基板温度400℃でrfマグネトロンスパッタリング法
により成膜し、導電性基板とした。このとき、Ptの薄
膜は約50nmの膜厚でエピタキシャル成長していた。
The above is an example in which a nonvolatile ferroelectric memory is constructed using the thin film capacitor of the present invention.
The thin film capacitor of the present invention can also be used in a volatile semiconductor memory device such as DRAM. FIG. 9 shows an equivalent circuit diagram of such another semiconductor memory device of the present invention. As shown in the figure, here, all of the pair of electrode sides of the thin film capacitor 25 may be set to a predetermined potential, and generally, for example, except that the lower electrode of the thin film capacitor 25 is formed on the entire surface, it is completely the same as in FIG. Similarly, in the semiconductor memory device, the lower electrode of the thin film capacitor 25 is shared by all the memory cells. In the thin film capacitor (Example 2 and Comparative Example 2) Example 2 and Comparative Example 2, respectively as a dielectric film (Ba 0.44 Sr 0.56) TiO 3 , (Ba 0.24 Sr 0.76)
The thin film capacitor of TiO 3 is different from the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1 described above. That is, first, as in Example 1, on a MgO (100) single crystal substrate (cubic system) having a smooth surface, (100) oriented Pt (cubic system) was used as a conductive material for forming a lower electrode. Thin film
A film was formed by a rf magnetron sputtering method at a substrate temperature of 400 ° C. to obtain a conductive substrate. At this time, the Pt thin film was epitaxially grown to a film thickness of about 50 nm.

【0096】次に、得られた導電性基板の上に、誘電体
膜として膜厚約230nmの(Ba0.44Sr0.56)Ti
3 (立方晶系)の薄膜又は(Ba0.24Sr0.76)Ti
3(立方晶系)の薄膜をrfマグネトロンスパッタリ
ング法によりエピタキシャル成長させて、それぞれ実施
例及び比較例とした。ここで、Pt本来の格子定数as
は0.39231nm、(Ba0.44Sr0.56)TiO3
本来の格子定数ad は約0.3946nm、co も同じ
く0.3946nmである。(Ba0.24Sr0. 76)Ti
3 本来の格子定数は約0.3927nm、co も同じ
く0.3927nmである。従ってad /as の値が、
実施例についてはad /as =1.006で本発明で規
定された範囲内であるが、比較例ではad /as =1.
001となって本発明で規定された範囲を逸脱してい
る。
Next, on the obtained conductive substrate, a (Ba 0.44 Sr 0.56 ) Ti film having a thickness of about 230 nm was formed as a dielectric film.
O 3 (cubic system) thin film or (Ba 0.24 Sr 0.76 ) Ti
A thin film of O 3 (cubic system) was epitaxially grown by the rf magnetron sputtering method to obtain an example and a comparative example, respectively. Here, the original lattice constant a s of Pt
Is 0.39231 nm, (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3
Natural lattice constant a d approximately 0.3946nm, c o is equally 0.3946Nm. (Ba 0.24 Sr 0. 76) Ti
O 3 natural lattice constant is approximately 0.3927nm, c o is also well 0.3927Nm. Therefore, the value of a d / a s is
Although the embodiments are within the scope defined in the present invention in a d / a s = 1.006, in the comparative example a d / a s = 1.
001 is out of the range defined by the present invention.

【0097】なおこのとき、スパッタターゲットとして
はBaTiO3 焼結体及びSrTiO3 焼結体の二元タ
ーゲットを使用し、成膜中の基板温度を600℃、スパ
ッタ雰囲気はArとO2 の混合ガスとした。また形成さ
れた誘電体膜の組成をICP法で分析し、いずれもほぼ
化学量論組成であることを確認した。
At this time, a binary target of BaTiO 3 sintered body and SrTiO 3 sintered body was used as the sputtering target, the substrate temperature during film formation was 600 ° C., and the sputtering atmosphere was a mixed gas of Ar and O 2 . And Further, the composition of the formed dielectric film was analyzed by the ICP method, and it was confirmed that all of them had a stoichiometric composition.

【0098】最後に、これらの(Ba0.44Sr0.56)T
iO3 の薄膜又は(Ba0.24Sr0. 76)TiO3 の薄膜
の上に、Niの薄膜をrfマグネトロンスパッタリング
法により成膜後、フォトリソグラフィー技術により10
0μm×100μmの形状に加工して上部電極を形成
し、実施例2及び比較例2の薄膜キャパシタを作成し
た。
Finally, these (Ba 0.44 Sr 0.56 ) T
thin iO 3 or (Ba 0.24 Sr 0. 76) on the thin film of TiO 3, after forming a thin film of Ni by rf magnetron sputtering method, a photolithography technique 10
An upper electrode was formed by processing into a shape of 0 μm × 100 μm to prepare thin film capacitors of Example 2 and Comparative Example 2.

【0099】ここで、実施例2で導電性基板の上に誘電
体膜として形成された(Ba0.44Sr0.56)TiO3
薄膜のX線回折図を、図10に示す。図10に示された
ように、この(Ba0.44Sr0.56)TiO3 の薄膜にお
いては、そのX線回折図にペロブスカイト型結晶構造の
(100),(200),(300)面からの回折線の
みが現れており、(100)面が配向したペロブスカイ
ト型結晶構造が得られていることが判った。また、同様
に(Ba0.24Sr0.76)BaTiO3 の薄膜について
も、そのX線回折図から(100)面が配向したペロブ
スカイト型結晶構造が得られていることが確認された。
Here, an X-ray diffraction pattern of the thin film of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 formed as a dielectric film on the conductive substrate in Example 2 is shown in FIG. As shown in FIG. 10, in the (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 thin film, the X-ray diffraction diagram shows diffraction lines from the (100), (200), and (300) planes of the perovskite type crystal structure. It was found that only the perovskite type crystal structure in which the (100) plane was oriented was obtained. Similarly, it was confirmed from the X-ray diffraction pattern of the (Ba 0.24 Sr 0.76 ) BaTiO 3 thin film that a perovskite type crystal structure in which the (100) plane was oriented was obtained.

【0100】さらにこれら誘電体膜について、ペロブス
カイト型結晶構造を有する格子のc軸方向の格子定数を
X線回折図の(300)回折角から求めたところ、実施
例2で形成した(Ba0.44Sr0.56)TiO3 の薄膜で
は約0.406nm、比較例2で形成した(Ba0.24
0.76)TiO3 の薄膜では約0.400nmであっ
た。即ちここで、(Ba0.44Sr0.56)TiO3 及び
(Ba0.24Sr0.76)TiO3 の本来のc軸長がそれぞ
れ約0.3946nm、約0.3927nmであるか
ら、実施例及び比較例で形成された誘電体膜においては
いずれも誘電性材料本来の格子定数よりもc軸が長いこ
とになるが、比較例についてはその変化の量が小さい。
ちなみに、実施例ではce /co =1.028、比較例
ではce /co=1.018である。
With respect to these dielectric films, the lattice constant in the c-axis direction of the lattice having the perovskite type crystal structure was determined from the (300) diffraction angle of the X-ray diffraction pattern, and it was formed in Example 2 (Ba 0.44 Sr. The thin film of 0.56 ) TiO 3 has a thickness of about 0.406 nm and is formed in Comparative Example 2 (Ba 0.24 S
The thickness of the thin film of r 0.76 ) TiO 3 was about 0.400 nm. That is, here, the original c-axis lengths of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 and (Ba 0.24 Sr 0.76 ) TiO 3 are about 0.3946 nm and about 0.3927 nm, respectively. In each of the dielectric films, the c-axis is longer than the original lattice constant of the dielectric material, but the amount of change is small in the comparative example.
Incidentally, c e / c o = 1.028 in the example and c e / c o = 1.018 in the comparative example.

【0101】本実施例でc軸方向の格子定数が長くなっ
た理由は、(Ba0.44Sr0.56)TiO3 本来の格子定
数ad が下地のPt本来の格子定数as より適度に大き
いため、誘電体膜を下地であるPtの薄膜の上にエピタ
キシャル成長させる際に、(Ba0.44Sr0.56)TiO
3 が膜面内方向でPtの格子定数に一致するようにミス
フィット転移が入ることなく成長し、結果的にペロブス
カイト型結晶構造を有する格子が充分に歪んで、膜面内
方向について格子定数が縮む一方膜厚方向で格子定数が
伸びたためであると考えられる。
The reason why the lattice constant in the c-axis direction becomes long in this example is that the original lattice constant a d of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 is reasonably larger than the original lattice constant a s of Pt of the underlying layer. When the dielectric film is epitaxially grown on the underlying Pt thin film, (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3
3 grows in the in-plane direction without misfit transition so as to match the lattice constant of Pt, and as a result, the lattice having the perovskite type crystal structure is sufficiently distorted so that the lattice constant in the in-plane direction is It is considered that this is because the lattice constant expanded in the film thickness direction while contracting.

【0102】続いて、上述したような実施例2及び比較
例2の薄膜キャパシタの各種特性を評価した。まず図1
1は、実施例2の薄膜キャパシタの容量の温度依存性を
示す特性図である。但しここでは、交流電圧の周波数1
00kHz、振幅0.1Vとして容量を測定した。図1
1に示されるように、実施例2の薄膜キャパシタにおい
ては、室温から温度を上げるにつれて容量が増加し、最
大の容量値が得られる温度Tmax は約200℃であり、
(Ba0.44Sr0.56)TiO3 本来のキュリー温度約−
40℃よりも大きく上昇している。
Subsequently, various characteristics of the thin film capacitors of Example 2 and Comparative Example 2 as described above were evaluated. Figure 1
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of the capacitance of the thin film capacitor of Example 2. However, here, the frequency of the AC voltage is 1
The capacitance was measured at 00 kHz and an amplitude of 0.1V. FIG.
As shown in FIG. 1, in the thin film capacitor of Example 2, the capacitance increases with increasing temperature from room temperature, and the temperature Tmax at which the maximum capacitance value is obtained is about 200 ° C.
(Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 Original Curie temperature-
The temperature is higher than 40 ° C.

【0103】さらに図12(a),(b)に、実施例2
及び比較例2の薄膜キャパシタの分極対電界(P−E)
ヒステリシス曲線を示す。但しここでは、ソーヤタワー
回路を使用し5kHzの交流電圧を印加して室温でヒス
テリシス曲線を測定した。図12(a)から明らかなよ
うに、実施例2の薄膜キャパシタでは、印加される電界
との関係で分極に明瞭にヒステリシスが現れている。即
ち、本実施例の薄膜キャパシタにおいては、誘電体膜と
しての(Ba0.44Sr0.56)TiO3 の薄膜は強誘電性
を示している。しかしながら、比較例2の薄膜キャパシ
タについては図12(b)に示される通り、分極にヒス
テリシスが現れず誘電体膜としての(Ba0.24
0.76)TiO3 の薄膜は強誘電性を示さない。このよ
うに実施例2の薄膜キャパシタにおいては、誘電体膜の
キュリー温度が誘電性材料本来のキュリー温度よりも室
温を越えて大きく上昇しており、これに伴いバルク材と
しては強誘電性を示さず常誘電性を示す誘電性材料に対
して、薄膜化することで強誘電性が付与されている。 (実施例3)この実施例3の薄膜キャパシタにおいて
は、導電性を有する基板としてNbを0.5mol%添
加したSrTiO3 (100)単結晶(以下、STO−
Nb基板と略す)を使用した。誘電体膜としては、実施
例2と同様に、式(Ba0.44Sr0.56)TiO3 で表さ
れる組成の誘電体膜を形成した。
Further, referring to FIGS. 12 (a) and 12 (b), Example 2
And polarization versus electric field (P-E) of the thin film capacitor of Comparative Example 2.
A hysteresis curve is shown. However, here, a hysteresis curve was measured at room temperature by applying an alternating voltage of 5 kHz using a Sawyer tower circuit. As is clear from FIG. 12A, in the thin film capacitor of Example 2, hysteresis clearly appears in polarization in relation to the applied electric field. That is, in the thin film capacitor of this example, the thin film of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 as the dielectric film exhibits ferroelectricity. However, with respect to the thin film capacitor of Comparative Example 2, as shown in FIG. 12B, hysteresis does not appear in polarization and (Ba 0.24 S
The thin film of r 0.76 ) TiO 3 does not show ferroelectricity. As described above, in the thin film capacitor of Example 2, the Curie temperature of the dielectric film was significantly higher than the original Curie temperature of the dielectric material beyond room temperature, and accordingly, the bulk material exhibited ferroelectricity. A ferroelectric material exhibiting paraelectricity is imparted with ferroelectricity by thinning it. (Example 3) In the thin film capacitor of this embodiment 3, SrTiO 3 that the Nb as the substrate was added 0.5 mol% of a conductive (100) single crystal (hereinafter, STO-
Abbreviated as Nb substrate) was used. As the dielectric film, a dielectric film having a composition represented by the formula (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 was formed as in Example 2.

【0104】STO−Nb単結晶は、SrTiO3 と同
様に立方晶に属し、その格子定数as は約0.3905
nmである。一方、(Ba0.44Sr0.56)TiO3 誘電
体も、本来立方晶に属し、その格子定数ad は0.39
46nmである。従って、基板と誘電体膜の格子定数の
比ad /as =1.010であり、本発明で規定された
範囲に属する。また、Nbを添加することにより、ST
O−Nb基板の抵抗率は、約1Ωcm程度まで抵抗率が
低下しており、誘電体膜の電極として十分作用させるこ
とができる。
The STO-Nb single crystal belongs to a cubic crystal like SrTiO 3, and its lattice constant a s is about 0.3905.
nm. On the other hand, the (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 dielectric also originally belongs to the cubic system, and its lattice constant a d is 0.39.
It is 46 nm. Therefore, the ratio of the lattice constant between the substrate and the dielectric film is a d / a s = 1.010, which falls within the range defined by the present invention. Also, by adding Nb, ST
The resistivity of the O-Nb substrate is lowered to about 1 Ωcm, and the O-Nb substrate can sufficiently act as an electrode of the dielectric film.

【0105】(Ba0.44Sr0.56)TiO3 の薄膜は、
rfマグネトロンスパッタリングにより、基板温度60
0℃で、ArとO2 の混合ガス雰囲気中で成膜した。ス
パッタのターゲットとしてはBaTiO3 焼結体及びS
rTiO3 焼結体の二元ターゲットを使用した。誘電体
膜の膜厚は、実施例と同様約230nmとした。また誘
電体膜の組成、即ちBa,Sr,Tiの比率はICP発
光分光法により分析したところ、所望の組成比を有する
誘電体膜が得られていることが確認された。
The thin film of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 is
Substrate temperature 60 by rf magnetron sputtering
The film was formed at 0 ° C. in a mixed gas atmosphere of Ar and O 2 . As the sputtering target, BaTiO 3 sintered body and S
A binary target of rTiO 3 sinter was used. The film thickness of the dielectric film was about 230 nm as in the example. The composition of the dielectric film, that is, the ratio of Ba, Sr, and Ti was analyzed by ICP emission spectroscopy, and it was confirmed that a dielectric film having a desired composition ratio was obtained.

【0106】最後に、誘電体膜の上に、上部電極として
膜厚100nmのNiの薄膜をrfマグネトロンスパッ
タリング法にて成膜した。Niの膜は、フォトリソグラ
フィの手法と化学エッチングを用い、100μm×10
0μmの寸法に加工した。
Finally, a 100 nm-thick Ni thin film was formed as an upper electrode on the dielectric film by the rf magnetron sputtering method. The Ni film is 100 μm × 10 by using photolithography and chemical etching.
It was processed to a size of 0 μm.

【0107】このような方法により実施例3として作成
された(Ba0.44Sr0.56)TiO3 誘電体膜のX線回
折図を、図13に示す。この図に示されるように、この
(Ba0.44Sr0.56)TiO3 からの回折線は、(00
1)面,(002)面,及び(003)面からのものに
限られており、このことから、このようにして作成され
た(Ba0.44Sr0.56)TiO3 誘電体膜においては
(001)面が配向したペロブスカイト構造を有するこ
とが確認された。
FIG. 13 shows an X-ray diffraction pattern of the (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 dielectric film produced as Example 3 by such a method. As shown in this figure, the diffraction line from this (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 is (00
1) plane, (002) plane, and (003) plane are limited to those from, Thus, Thus were created (Ba 0.44 Sr 0.56) in TiO 3 dielectric film (001) It was confirmed to have a perovskite structure in which the planes were oriented.

【0108】次に、このX線回折パターンにおける(B
0.44Sr0.56)TiO3 の(003)の回折角から、
(Ba0.44Sr0.56)TiO3 のc軸の長さを算出した
ところ、c軸の長さは0.4125nmであった。この
組成の誘電体における本来の格子定数は、0.3946
nmであるから、STO−Nb基板の上にエピタキシャ
ル成長させることによって、膜厚方向の格子定数が、
4.5%伸びたことになる。
Then, in this X-ray diffraction pattern, (B
From the (003) diffraction angle of a 0.44 Sr 0.56 TiO 3
When the length of the c-axis of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 was calculated, the length of the c-axis was 0.4125 nm. The original lattice constant of a dielectric material of this composition is 0.3946.
Therefore, the epitaxial growth on the STO-Nb substrate causes the lattice constant in the film thickness direction to be
That's a 4.5% increase.

【0109】このように、膜厚方向の格子定数が伸びた
理由は、実施例2において格子定数が伸びた理由と同じ
であると考えられる。即ち、誘電性材料として用いた
(Ba0.44Sr0.56)TiO3 の本来の格子定数が、基
板として用いられたSTO−Nbの格子定数よりも、適
度に大きいため、この誘電性材料をこの基板にエピタキ
シャル成長させる際に、界面において面内方向の格子定
数が一致するように成長した結果、(Ba0.44
0.56)TiO3 の格子定数は面内方向には縮み、これ
とは対照的に膜厚方向には格子定数が伸びたものと考え
られる。
As described above, the reason why the lattice constant in the film thickness direction is extended is considered to be the same as the reason why the lattice constant in Example 2 is extended. That is, since the original lattice constant of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 used as the dielectric material is reasonably larger than the lattice constant of STO-Nb used as the substrate, this dielectric material is applied to this substrate. As a result of growing so that the lattice constants in the in-plane direction match at the interface during epitaxial growth, (Ba 0.44 S
It is considered that the lattice constant of r 0.56 TiO 3 contracted in the in-plane direction, and in contrast to this, the lattice constant expanded in the film thickness direction.

【0110】続いて、このようにして作成した薄膜キャ
パシタの誘電特性を評価した。図14は、本実施例即ち
実施例3において作成した薄膜キャパシタの比誘電率の
バイアス電界依存性の測定結果を示す図である。なお比
誘電率は、交流電圧100kHz、振幅0.1Vを用い
て容量を測定し、容量の値と誘電体膜の厚さ、キャパシ
タの面積から算出したものである。
Subsequently, the dielectric characteristics of the thin film capacitor thus produced were evaluated. FIG. 14 is a diagram showing the measurement results of the bias electric field dependence of the relative permittivity of the thin film capacitors prepared in this example, that is, Example 3. The relative permittivity is calculated by measuring the capacitance using an AC voltage of 100 kHz and an amplitude of 0.1 V, and calculating the capacitance value, the thickness of the dielectric film, and the area of the capacitor.

【0111】比誘電率はバイアス電界の上昇時と下降時
との間でヒステリシスを示した。このようなヒステリシ
スは、強誘電性を示唆する一つの指標である。強誘電性
を確認するために、さらに容量の温度依存性を測定し
た。
The relative permittivity showed hysteresis between when the bias electric field was rising and when it was falling. Such hysteresis is one index that suggests ferroelectricity. In order to confirm the ferroelectricity, the temperature dependence of capacitance was further measured.

【0112】図15は、この薄膜キャパシタにおける容
量の温度依存性の測定結果である。容量は室温から温度
を上げるに連れて上昇しており、キュリー温度が室温よ
り高い温度にあることを示している。この結果は、この
(Ba0.44Sr0.56)TiO3 誘電体膜が強誘電性を持
つことを示している。
FIG. 15 shows the measurement result of the temperature dependence of the capacitance in this thin film capacitor. The capacity increases with increasing temperature from room temperature, indicating that the Curie temperature is higher than room temperature. This result shows that this (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 dielectric film has ferroelectricity.

【0113】(Ba0.44Sr0.56)TiO3 は、もとも
とバルクにおいては室温では常誘電相に属することが知
られている。従って本実施例において、(Ba0.44Sr
0.56)TiO3 の薄膜で強誘電性を示したのは、基板の
格子定数より僅かに格子定数が大きい(Ba0.44Sr
0.56)TiO3 誘電体膜を基板に対してエピタキシャル
成長させた効果に他ならない。 (実施例4)図16は、本発明の第4の実施例のダイナ
ミックアクセスメモリ(DRAM)半導体記憶装置の断
面図である。41は第1導電型半導体基板、42は素子
間分離酸化膜、43はゲート酸化膜、44はワード線、
45,47は層間絶縁膜、46は第2導電型不純物拡散
層、48はビット線、49は平坦化用絶縁膜、50は研
磨停止層、51は単結晶シリコンストレージノード、5
2はエピタキシャルバリア金属、53はエピタキシャル
下部電極、54はエピタキシャル誘電体膜、55は上部
電極である。
It is known that (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 originally belongs to the paraelectric phase at room temperature in the bulk. Therefore, in this example, (Ba 0.44 Sr
The thin film of 0.56 TiO 3 showed ferroelectricity because the lattice constant was slightly larger than that of the substrate (Ba 0.44 Sr.
It is nothing but the effect of epitaxially growing a 0.56 TiO 3 dielectric film on a substrate. (Embodiment 4) FIG. 16 is a sectional view of a dynamic access memory (DRAM) semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention. 41 is a first conductivity type semiconductor substrate, 42 is an element isolation oxide film, 43 is a gate oxide film, 44 is a word line,
45 and 47 are interlayer insulating films, 46 is a second conductivity type impurity diffusion layer, 48 is a bit line, 49 is a planarizing insulating film, 50 is a polishing stopper layer, 51 is a single crystal silicon storage node, 5
2 is an epitaxial barrier metal, 53 is an epitaxial lower electrode, 54 is an epitaxial dielectric film, and 55 is an upper electrode.

【0114】第4の実施例の工程順模式断面図を図17
に示す。図17(a)はメモリセルのトランジスタ部及
びビット線48を形成した後、平坦化用絶縁膜49及び
研磨停止層50を形成した後の断面図である。ここで
は、絶縁膜を平坦化するためにエッチバック法を用いて
も良いし、またCMP法などを用いても良い。なお、研
磨停止層50としては、酸化アルミニウムなどの絶縁膜
を用いることができる。
FIG. 17 is a schematic sectional view in order of the steps of the fourth embodiment.
Shown in FIG. 17A is a cross-sectional view after the transistor portion of the memory cell and the bit line 48 are formed, and then the planarizing insulating film 49 and the polishing stopper layer 50 are formed. Here, an etch back method may be used to planarize the insulating film, or a CMP method or the like may be used. An insulating film such as aluminum oxide can be used as the polishing stopper layer 50.

【0115】次いで、図17(b)に示すように、公知
のフォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、
研磨停止層50の開孔部に引き続き第2導電型不純物拡
散層46へのコンタクトホールを形成し、単結晶シリコ
ンの選択成長技術によりストレージノード51を形成し
た。ストレージノード51はジクロルシランを原料ガス
としたLPCVD法により、成長温度820℃で単結晶
シリコンを選択的に埋め込んだ。
Then, as shown in FIG. 17B, by known photolithography and plasma etching,
A contact hole to the second conductivity type impurity diffusion layer 46 was subsequently formed in the opening of the polishing stopper layer 50, and a storage node 51 was formed by a selective growth technique of single crystal silicon. The storage node 51 was selectively filled with single crystal silicon at a growth temperature of 820 ° C. by the LPCVD method using dichlorosilane as a source gas.

【0116】次いで、図17(c)に示すように、CM
Pないしは機械的研磨により研磨停止層50上に形成さ
れている単結晶シリコンを除去し、ニッケルの薄膜61
をスパッタ法により形成した。その後、同図(d)に示
すように、フォーミングガス中で500℃の熱処理によ
り単結晶シリコン層の表面をニッケルと反応させて、バ
リア金属となる単結晶ニッケルシリサイド層を形成し、
再びCMP法により研磨停止層50上に形成されている
ニッケル層を除去し、エピタキシャルバリア金属52と
した。
Next, as shown in FIG. 17C, CM
The single crystal silicon formed on the polishing stopper layer 50 is removed by P or mechanical polishing to remove a nickel thin film 61.
Was formed by a sputtering method. After that, as shown in FIG. 3D, the surface of the single crystal silicon layer is reacted with nickel by heat treatment at 500 ° C. in a forming gas to form a single crystal nickel silicide layer as a barrier metal,
The nickel layer formed on the polishing stopper layer 50 was removed again by the CMP method to form the epitaxial barrier metal 52.

【0117】次いで、図17(e)に示すように、フォ
トリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、ニッケ
ルシリサイド層52に浅いトレンチを形成した後、下部
電極53となる白金薄膜をスパッタ法により形成した。
その後、再びCMP法により研磨停止層50上に形成さ
れている白金薄膜を除去した後、SrTiO3 エピタキ
シャル誘電体膜54及びニッケル上部電極55を順次形
成した。なお、誘電体膜の形成には、公知のマグネトロ
ンスパッタ法やMOCVD法などを使用することができ
る。
Next, as shown in FIG. 17E, a shallow trench was formed in the nickel silicide layer 52 by photolithography and plasma etching, and then a platinum thin film to be the lower electrode 53 was formed by sputtering.
Then, the platinum thin film formed on the polishing stopper layer 50 was removed again by the CMP method, and then the SrTiO 3 epitaxial dielectric film 54 and the nickel upper electrode 55 were sequentially formed. Note that a known magnetron sputtering method, MOCVD method, or the like can be used for forming the dielectric film.

【0118】続いて、ここで形成したSrTiO3 誘電
体膜54について、θ−2θ法によるX線回折測定を行
った結果、(100)及びその倍数に相当するピークの
みが観察され、(110),(211),(111)等
に対応するピークは観測されなかった。 (実施例5)図18は、実施例4とほぼ同様の構造であ
るが、常誘電性を示す誘電体膜の代わりにエピタキシャ
ル成長させたときに生じる不整合歪を利用して強誘電性
を歪み誘起させた強誘電体膜を形成し、強誘電体メモリ
(FRAM)を形成した例である。41は第1導電型半
導体基板、42は素子間分離酸化膜、43はゲート酸化
膜、44はワード線、45,47は層間絶縁膜、46は
第2導電型不純物拡散層、48はビット線、49は平坦
化用絶縁膜、50は研磨停止層、51は単結晶シリコン
ストレージノード、52はエピタキシャルバリア金属、
53はエピタキシャル下部電極、56はエピタキシャル
誘電体膜、55は上部電極である。
Subsequently, the SrTiO 3 dielectric film 54 formed here was subjected to X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method. As a result, only peaks corresponding to (100) and its multiples were observed, and (110) , (211), (111), etc. were not observed. (Embodiment 5) FIG. 18 shows a structure similar to that of Embodiment 4, but the ferroelectricity is strained by utilizing the mismatch strain generated by epitaxial growth instead of the paraelectric dielectric film. In this example, a ferroelectric memory (FRAM) is formed by forming an induced ferroelectric film. 41 is a first conductivity type semiconductor substrate, 42 is an element isolation oxide film, 43 is a gate oxide film, 44 is a word line, 45 and 47 are interlayer insulating films, 46 is a second conductivity type impurity diffusion layer, and 48 is a bit line. , 49 is a planarization insulating film, 50 is a polishing stopper layer, 51 is a single crystal silicon storage node, 52 is an epitaxial barrier metal,
53 is an epitaxial lower electrode, 56 is an epitaxial dielectric film, and 55 is an upper electrode.

【0119】第5の実施例の工程順模式断面図を図19
に示す。図19(b)までは第4の実施例と同様であ
り、メモリセルのトランジスタ部及びビット線、平坦化
用絶縁膜49及び研磨停止層50を形成し、不純物拡散
層へのコンタクトホールに単結晶シリコンの選択成長技
術によりストレージノード51を形成したところであ
る。
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view in order of the steps of the fifth embodiment.
Shown in The process up to FIG. 19B is similar to that of the fourth embodiment, and the transistor portion and the bit line of the memory cell, the planarization insulating film 49 and the polishing stopper layer 50 are formed, and a single contact hole to the impurity diffusion layer is formed. The storage node 51 has just been formed by the selective growth technique of crystalline silicon.

【0120】次いで、図19(c)に示すように、CM
Pないしは機械的研磨により研磨停止層上に形成されて
いる単結晶シリコンを除去し、フォトリソグラフィ及び
イオンエッチングにより浅いトレンチを形成した。その
後、同図(d)に示すように、エピタキシャルバリア金
属52として反応性スパッタ法により600℃でTiN
をエピタキシャル成長させ、研磨停止層50上について
は研磨、除去した。
Next, as shown in FIG. 19C, CM
The single crystal silicon formed on the polishing stopper layer was removed by P or mechanical polishing, and a shallow trench was formed by photolithography and ion etching. Then, as shown in FIG. 3D, the epitaxial barrier metal 52 is formed into TiN at 600 ° C. by the reactive sputtering method.
Was epitaxially grown, and the polishing stopper layer 50 was polished and removed.

【0121】次いで、図19(e)に示すように、フォ
トリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、TiN
層に浅いトレンチを形成した後、下部電極53となる白
金薄膜をスパッタ法により形成した。その後、同図
(f)に示すように、再びCMP法により研磨停止層5
0上に形成されている白金薄膜を除去した後、Ba0.5
Sr0.5 TiO3 エピタキシャル誘電体膜56をエピタ
キシャル成長させ、白金との不整合歪により歪み誘起強
誘電性を付与し、さらにニッケル上部電極55を順次形
成した。
Then, as shown in FIG. 19E, TiN is formed by photolithography and plasma etching.
After forming a shallow trench in the layer, a platinum thin film to be the lower electrode 53 was formed by sputtering. Then, as shown in FIG. 6F, the polishing stopper layer 5 is again formed by the CMP method.
0 After removing the platinum film is formed on, Ba 0.5
An Sr 0.5 TiO 3 epitaxial dielectric film 56 was epitaxially grown, strain-induced ferroelectricity was imparted by mismatch strain with platinum, and a nickel upper electrode 55 was sequentially formed.

【0122】このように積層したエピタキシャル膜につ
いて、θ−2θ法によるX線回折測定を行った結果、T
iN,白金は(200)及びその倍数に相当するピーク
のみ、またBSTOも同様に(100)及びその倍数に
相当するピークのみが観察され、いずれの膜からも(1
10),(211),(111)などに対応するピーク
は観測されなかった。また、各膜の(200)回折線に
ついてロッキングカーブの測定を行った結果、TiN,
白金,BSTOについてそれぞれ0.8°,0.3°,
0.5°の半値幅が得られ、非常にきれいに(100)
面に配向した膜であることが確かめられた。
The epitaxial film thus laminated was subjected to X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method. As a result, T
Only peaks corresponding to (200) and its multiples were observed for iN and platinum, and similarly, only peaks corresponding to (100) and its multiples were observed for BSTO, and (1)
No peaks corresponding to 10), (211), (111), etc. were observed. In addition, as a result of measuring the rocking curve for the (200) diffraction line of each film, TiN,
Platinum and BSTO are 0.8 °, 0.3 °,
A half-value width of 0.5 ° is obtained, which is very clean (100)
It was confirmed that the film was a plane-oriented film.

【0123】さらに、ソーヤータワー回路によりP−E
曲線を測定したところ、強誘電性を示すヒステリシスル
ープが観測され、また比誘電率の150℃までの温度依
存性を測定したところ、室温から150℃まで比誘電率
が増大してキュリー温度が150℃以上にあることが確
かめられた。 (実施例6)図20は、本発明の別の実施例の強誘電体
メモリ(FRAM)半導体記憶装置の断面図である。4
1は第1導電型半導体基板、42は素子間分離酸化膜、
43はゲート酸化膜、44はワード線、45,47は層
間絶縁膜、46は第2導電型不純物拡散層、48はビッ
ト線、49,59は平坦化用絶縁膜、50は研磨停止
層、51は単結晶シリコンストレージノード、53はエ
ピタキシャル下部電極、55は上部電極、56はエピタ
キシャル誘電体膜、57は単結晶シリコン層、58はフ
ッ化カルシウム膜からなるエピタキシャルバリア絶縁
膜、60はアルミ配線である。
Furthermore, by the Sawyer tower circuit, PE
When the curve was measured, a hysteresis loop showing ferroelectricity was observed, and when the temperature dependence of the relative dielectric constant up to 150 ° C. was measured, the relative dielectric constant increased from room temperature to 150 ° C. and the Curie temperature was 150 ° C. It was confirmed to be above ℃. (Embodiment 6) FIG. 20 is a sectional view of a ferroelectric memory (FRAM) semiconductor memory device according to another embodiment of the present invention. Four
1 is a first conductivity type semiconductor substrate, 42 is an element isolation oxide film,
43 is a gate oxide film, 44 is a word line, 45 and 47 are interlayer insulating films, 46 is a second conductivity type impurity diffusion layer, 48 is a bit line, 49 and 59 are planarizing insulating films, 50 is a polishing stopper layer, Reference numeral 51 is a single crystal silicon storage node, 53 is an epitaxial lower electrode, 55 is an upper electrode, 56 is an epitaxial dielectric film, 57 is a single crystal silicon layer, 58 is an epitaxial barrier insulating film made of a calcium fluoride film, and 60 is an aluminum wiring. Is.

【0124】この実施例の工程順模式断面図を図21に
示す。図21(a)はメモリセルのトランジスタ部及び
ビット線を形成した後、平坦化用絶縁膜49及び研磨停
止層50を形成した後の断面図である。絶縁膜を平坦化
するためにエッチバック法を用いても良いし、またCM
P法などを用いても良い。ここでも研磨停止層50とし
て酸化アルミニウムなどの絶縁膜を用いることができ
る。
FIG. 21 shows a schematic cross sectional view in order of the steps of this example. FIG. 21A is a cross-sectional view after forming the transistor portion of the memory cell and the bit line, and then forming the planarization insulating film 49 and the polishing stopper layer 50. An etch-back method may be used to flatten the insulating film, or CM
The P method or the like may be used. Also here, an insulating film such as aluminum oxide can be used as the polishing stopper layer 50.

【0125】次いで、図21(b)に示すように、公知
のフォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、
キャパシタセル形成用の浅いトレンチ部及び第2導電型
不純物拡散層46へのコンタクトホールを形成し、選択
成長技術によりアモルファスシリコン層62を形成し
た。成膜技術は、ジシラン及びジボランを原料ガスとし
たLPCVD法により、成長温度450℃でアモルファ
スシリコンを単結晶シリコン基板に対して選択的に成長
させた。その後、フォーミングガス中で600℃の熱処
理により、シリコン基板界面から固相成長により単結晶
シリコンを成長させ、アモルファス層を全て単結晶化し
た。
Then, as shown in FIG. 21B, by known photolithography and plasma etching,
A shallow trench portion for forming a capacitor cell and a contact hole to the second conductivity type impurity diffusion layer 46 were formed, and an amorphous silicon layer 62 was formed by a selective growth technique. As a film forming technique, amorphous silicon was selectively grown on a single crystal silicon substrate at a growth temperature of 450 ° C. by an LPCVD method using disilane and diborane as source gases. After that, heat treatment was performed at 600 ° C. in a forming gas to grow single crystal silicon from the interface of the silicon substrate by solid phase growth, so that all the amorphous layers were single crystallized.

【0126】次いで、図21(c)に示すように、CM
Pないしは機械的研磨により研磨停止層50上に形成さ
れている単結晶シリコンを除去し、単結晶シリコンスト
レージノード51及び単結晶シリコン層57を形成し
た。その後、同図(d)に示すように、バリアとなるフ
ッ化カルシウム膜58と下部電極53となる白金膜を順
次基板加熱を行いながらスパッタ法によりエピタキシャ
ル成長させた。そして、強誘電性材料となるPbZrT
iO3 のアモルファス膜を室温でスパッタ法により形成
した後、700℃1分間のランプ加熱により固相成長に
よりエピタキシャル誘電体膜56とした。その後、上部
金属55を形成し、公知のフォトリソグラフィ及びプラ
ズマエッチングにより、キャパシタセル形状に加工し
た。
Next, as shown in FIG. 21C, CM
The single crystal silicon formed on the polishing stopper layer 50 was removed by P or mechanical polishing to form the single crystal silicon storage node 51 and the single crystal silicon layer 57. Thereafter, as shown in FIG. 3D, a calcium fluoride film 58 serving as a barrier and a platinum film serving as the lower electrode 53 were epitaxially grown by a sputtering method while sequentially heating the substrate. Then, PbZrT which is a ferroelectric material
After forming an amorphous film of iO 3 by a sputtering method at room temperature, it is solid-phase grown by lamp heating at 700 ° C. for 1 minute to form an epitaxial dielectric film 56. After that, an upper metal 55 was formed and processed into a capacitor cell shape by known photolithography and plasma etching.

【0127】次いで、図21(e)に示すように、平坦
化用絶縁膜59を形成し、表面をCMP法ないしはエッ
チバック法により平坦化した。その後、同図(f)に示
すように、フォトリソグラフィ及びプラズマエッチング
により単結晶シリコンストレージノード51及びキャパ
シタの上部電極55とのコンタクトホールを開孔し、ア
ルミ配線60を形成した。
Next, as shown in FIG. 21E, a flattening insulating film 59 was formed, and the surface was flattened by the CMP method or the etch back method. Thereafter, as shown in FIG. 6F, contact holes with the single crystal silicon storage node 51 and the upper electrode 55 of the capacitor were opened by photolithography and plasma etching, and an aluminum wiring 60 was formed.

【0128】続いて、ここでのエピタキシャル膜につい
て、θ−2θ法によるX線回折測定を行った結果、(1
00)及びその倍数に相当するピークのみが観察され、
(110),(211),(111)等に対応するピー
クは観測されなかった。 (実施例7)図22は本発明の第7の実施例に係わる半
導体記憶装置の薄膜キャパシタ部分の構成を示す断面図
である。Si単結晶基板71上にマグネトロンスパッタ
を用いて公知の方法により400nmのTiN膜72を
エピタキシャル成長させ、この上に下部電極73として
200nmのCa0.5 0.5 TiO3 膜をマグネトロン
スパッタを用いて成膜する。このときターゲットとして
はCaTiO3 及びYTiO3 を用い、成膜雰囲気はA
r、酸素の混合ガス中、基板温度は200℃である。
Subsequently, the epitaxial film here was subjected to X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method.
00) and peaks corresponding to multiples thereof are observed,
No peaks corresponding to (110), (211), (111), etc. were observed. (Embodiment 7) FIG. 22 is a sectional view showing a structure of a thin film capacitor portion of a semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention. A 400 nm TiN film 72 is epitaxially grown on the Si single crystal substrate 71 by a known method using magnetron sputtering, and a 200 nm Ca 0.5 Y 0.5 TiO 3 film is formed as a lower electrode 73 thereon by magnetron sputtering. . At this time, CaTiO 3 and YTiO 3 are used as targets, and the film forming atmosphere is A
The substrate temperature is 200 ° C. in a mixed gas of r and oxygen.

【0129】さらにこの下部電極73上にBa0.5 Sr
0.5 TiO3 誘電体膜74を200nm、さらにその上
部に上部電極75としてCa0.8 0.2 TiO3 膜を2
00nm、同様の手法を用いて堆積した。この時点では
下部電極73、上部電極75ならびに誘電体膜74の各
層は非晶質である。これを赤外線ランプアニール装置を
用いて700℃1分間のアニールを行い、上下電極7
3,75、誘電体膜74を単結晶化した。このとき、C
a−Y−Ti−O膜は単結晶膜であり、c軸が基板に垂
直に成長していることをX線回折を用いて確認した。
Further, Ba 0.5 Sr is formed on the lower electrode 73.
The 0.5 TiO 3 dielectric film 74 has a thickness of 200 nm, and a Ca 0.8 Y 0.2 TiO 3 film as an upper electrode 75 is further formed on top of it.
00 nm, deposited using a similar procedure. At this point, the lower electrode 73, the upper electrode 75, and the layers of the dielectric film 74 are amorphous. This is annealed at 700 ° C. for 1 minute using an infrared lamp annealing device, and the upper and lower electrodes 7
3, 75 and the dielectric film 74 were single-crystallized. At this time, C
The a-Y-Ti-O film was a single crystal film, and it was confirmed by X-ray diffraction that the c-axis was growing perpendicular to the substrate.

【0130】こうして作成したキャパシタの電流電圧特
性を室温で測定した結果を、図23に示す。図に示すよ
うに電流電圧特性は分極方向によって大きなヒステリシ
ス特性を示し、±1〜3V付近では分極方向によって流
れる電流が1000倍も異なる良好なメモリ機能を有す
ることが分かる。従って、このキャパシタを用いて、抗
電界以上の電圧を印加して分極を反転させることで1ビ
ット情報を書き込み、また抗電界以下のバイアス電圧を
印加して流れる電流値が分極方向により大きく異なるこ
とを利用して非破壊読み出しを行う不揮発性半導体記憶
装置を作成することができる。 (実施例8)実施例7と同様の手法を用いて下部電極に
Ca0.8 0.2 TiO3 200nm、誘電体膜としてB
0.5 Sr0.5 TiO3 100nmを堆積し、同様のア
ニール方法でエピタキシャル膜を作成した。この上部に
上部電極としてPtを堆積して作成したキャパシタの電
流電圧特性を図24に示す。このキャパシタにおいても
実施例7と同様、分極方向によって流れる電流が大きな
変化を示し、これを用いて不揮発性半導体記憶装置を得
ることができる。 (実施例9)実施例7と同様の手法で下部電極としてC
0.5 0.5 TiO3 、誘電体膜にBa0.45La0.05
0.5 TiO3 、上部電極にCa0.8 0.2 TiO3
それぞれ200nmの膜厚で堆積して熱処理によりエピ
タキシャル積層膜を得た。このキャパシタの電流電圧特
性を図25に示す。図に示すように、このキャパシタも
分極方向によって大きく異なる電流値を示し、かつ順方
向の電流値が著しく増大していることが分かる。このよ
うに誘電体膜に不純物を添加して電気伝導度を変化させ
ることにより、大きなリーク電流を得ることができ、こ
のキャパシタを用いて不揮発性半導体記憶装置を構成し
た際には、より高速の読み出しを行うことが可能になる
と共に、耐疲労特性も向上する。 (実施例10)本実施例は、前記図20に示した装置構
造において、誘電体膜におけるリークを動作原理として
不揮発性半導体記憶装置を作成したものである。
FIG. 23 shows the result of measuring the current-voltage characteristics of the capacitor thus manufactured at room temperature. As shown in the figure, the current-voltage characteristics show a large hysteresis characteristic depending on the polarization direction, and it is understood that the current flowing in the vicinity of ± 1 to 3 V has a good memory function which is 1000 times different depending on the polarization direction. Therefore, by using this capacitor, 1-bit information is written by applying a voltage above the coercive electric field to invert the polarization, and the value of the current flowing when a bias voltage below the coercive electric field is applied varies greatly depending on the polarization direction. It is possible to create a non-volatile semiconductor memory device that performs non-destructive reading by utilizing. (Embodiment 8) Using the same method as in Embodiment 7, Ca 0.8 Y 0.2 TiO 3 200 nm is used as the lower electrode and B is used as the dielectric film.
a 0.5 Sr 0.5 TiO 3 100 nm was deposited and an epitaxial film was formed by the same annealing method. FIG. 24 shows the current-voltage characteristics of the capacitor formed by depositing Pt as the upper electrode on this. Also in this capacitor, as in the case of Example 7, the current flowing depending on the polarization direction shows a large change, and by using this, a nonvolatile semiconductor memory device can be obtained. (Example 9) C was used as the lower electrode by the same method as in Example 7.
a 0.5 Y 0.5 TiO 3 , Ba 0.45 La 0.05 S on the dielectric film
r 0.5 TiO 3 and Ca 0.8 Y 0.2 TiO 3 were deposited on the upper electrode to a thickness of 200 nm, respectively, and heat-treated to obtain an epitaxial laminated film. The current-voltage characteristic of this capacitor is shown in FIG. As shown in the figure, it can be seen that this capacitor also shows a current value that greatly differs depending on the polarization direction, and that the current value in the forward direction significantly increases. By adding impurities to the dielectric film to change the electric conductivity in this way, a large leak current can be obtained, and when a nonvolatile semiconductor memory device is constructed using this capacitor, a higher speed Readout can be performed and fatigue resistance is improved. (Embodiment 10) In this embodiment, in the device structure shown in FIG. 20, a non-volatile semiconductor memory device is produced by using a leak in a dielectric film as a principle of operation.

【0131】図20に示すように、スイッチングトラン
ジスタとキャパシタからなるメモリセルを使用すれば、
ワード線とビット線により選択されたスイッチングトラ
ンジスタを通してキャパシタの強誘電体膜の抗電界以上
の電圧を印加することにより、正又は負の方向に分極さ
せて1ビットの情報を書き込むことが可能になる。ま
た、同様にキャパシタ素子に抗電界以下の適当な電圧を
印加すると、分極方向により読み出し電流に大きな差が
生じるために、書き込まれた情報を非破壊で読み出すこ
とが可能になる。 (実施例11)本実施例では、本発明による薄膜キャパ
シタを集積化した誘電体メモリの回路構成について説明
する。
As shown in FIG. 20, if a memory cell composed of a switching transistor and a capacitor is used,
By applying a voltage higher than the coercive electric field of the ferroelectric film of the capacitor through the switching transistor selected by the word line and the bit line, it becomes possible to polarize in the positive or negative direction and write 1-bit information. . Similarly, when an appropriate voltage equal to or lower than the coercive electric field is applied to the capacitor element, a large difference occurs in the read current depending on the polarization direction, so that the written information can be read nondestructively. (Embodiment 11) In this embodiment, a circuit configuration of a dielectric memory in which the thin film capacitor according to the present invention is integrated will be described.

【0132】本実施例においては、前記図7に示したよ
うな構成のメモリセルが、半導体基板上にマトリクス状
に複数配置されている。1つのデジタル信号を記憶する
メモリセルを一つのキャパシタと一つのトランジスタか
ら構成することも可能であるが、ここでは説明を簡単に
するために2つのキャパシタと2つのトランジスタを使
用する場合について記述する。図26にこのような強誘
電体メモリの回路構成を示す。
In this embodiment, a plurality of memory cells having the structure shown in FIG. 7 are arranged in a matrix on a semiconductor substrate. Although it is possible to configure a memory cell for storing one digital signal from one capacitor and one transistor, here, a case where two capacitors and two transistors are used is described for simplification of description. . FIG. 26 shows a circuit configuration of such a ferroelectric memory.

【0133】1つのキャパシタの一方の端子は、MOS
トランジスタのソース,ドレインを介してビット線(B
L)に接続され、もう一方の端子はドライブ線(DL)
に接続される。もう1つのキャパシタについても、同様
に一方の端子をMOSトランジスタのソース,ドレイン
を介してビット線(BL′)に接続され、もう一方の端
子をドライブ線(DL)に接続される。なお、BLとB
L′の2本のビット線は、対となって同一のセンスアン
プ73,74に接続される。また、ドライブ線について
は共通な一本の線で良く、ドライブ線の駆動回路71に
接続される。
One terminal of one capacitor is a MOS
Bit line (B
L) and the other terminal is a drive line (DL)
Connected to. Similarly, for the other capacitor, one terminal is connected to the bit line (BL ') via the source and drain of the MOS transistor, and the other terminal is connected to the drive line (DL). BL and B
The two bit lines L'are paired and connected to the same sense amplifier 73, 74. The drive line may be a single common line and is connected to the drive circuit 71 for the drive line.

【0134】キャパシタの一方の端子に接続されたMO
Sトランジスタのゲートは、ワード線(WL)に接続さ
れる。同一セル内部の2つのMOSトランジスタのゲー
トは同一のワード線WLに接続される。ワード線WL
は、ワード線駆動回路72に接続される。
MO connected to one terminal of the capacitor
The gate of the S transistor is connected to the word line (WL). The gates of the two MOS transistors inside the same cell are connected to the same word line WL. Word line WL
Are connected to the word line drive circuit 72.

【0135】図26に示した回路構成においては、ビッ
ト線対及びドライブ線が平行に配置され、マトリクス状
に配置されている複数のメモリセルのうち、同じ行にあ
る複数のメモリセルによって共有されている。一方、ワ
ード線はビット線,ドライブ線と直交するように配置し
ており、マトリクス状に配置された複数のメモリセルの
うち、同じ列にある複数のメモリセルによって共有され
ている。
In the circuit configuration shown in FIG. 26, the bit line pairs and the drive lines are arranged in parallel and shared by a plurality of memory cells in the same row among a plurality of memory cells arranged in a matrix. ing. On the other hand, the word line is arranged so as to be orthogonal to the bit line and the drive line, and is shared by a plurality of memory cells in the same column among a plurality of memory cells arranged in a matrix.

【0136】それぞれのビット線対に1つずつ、センス
アンプ73,74が接続されており、個々のセンスアン
プ73,74は、センスアンプ活性に信号φact によっ
て制御されている。
Sense amplifiers 73 and 74 are connected to each bit line pair, and the sense amplifiers 73 and 74 are activated by the signal φact.

【0137】さらにビット線対には、入出力(I/O)
接続回路75,76を介して、BLとI/O、BL′と
I/O′がそれぞれ接続される。BLとI/O線の接続
は、I/O接続信号φI/O によって制御される。
Input / output (I / O) is further applied to the bit line pair.
BL and I / O, and BL ′ and I / O ′ are connected via connection circuits 75 and 76, respectively. The connection between BL and the I / O line is controlled by the I / O connection signal φI / O.

【0138】次に、このような構成の強誘電体メモリの
中の1つのメモリセルに、デジタル信号を記憶させるた
めの書込み方法について、図27のタイミングチャート
を用いて説明する。
Next, a writing method for storing a digital signal in one memory cell in the ferroelectric memory having such a structure will be described with reference to the timing chart of FIG.

【0139】入出力線I/O及びI/O′には、予め外
部から書き込むべき信号に対応する相補的な電位が与え
られているものとする。例えば、ここでは、I/O線に
5V、I/O線に0Vの電位が書き込むべき情報に対応
する電位として設定されているものとする。
It is assumed that the input / output lines I / O and I / O 'are previously supplied with a complementary potential corresponding to a signal to be written from the outside. For example, here, it is assumed that the potential of 5 V on the I / O line and the potential of 0 V on the I / O line are set as the potential corresponding to the information to be written.

【0140】ビット線対は、図27には図示しないプリ
チャージ回路によって予め等電位に保たれている。書き
込み動作に入る前に、書き込むべきメモリセルの位置を
示すアドレス情報に対応する特定の行において、プリチ
ャージ信号φpre を解除して、BL及びBL′をあらゆ
る電圧源から切り離された状態(フローティング状態)
にする。なおこのとき他の行のビット線対については、
プレチャージ状態を解除しない。
The bit line pair is kept at the same potential in advance by a precharge circuit (not shown in FIG. 27). Before starting the write operation, the precharge signal φpre is released in a specific row corresponding to the address information indicating the position of the memory cell to be written, and BL and BL 'are separated from all voltage sources (floating state). )
To At this time, for bit line pairs in other rows,
Do not cancel the precharge state.

【0141】しかる後に、BLとI/O及びBL′とI
/O′を接続するために、書き込むべきアドレスに基づ
き特定の行において、φI/O 信号を活性化する。この結
果、この行のBLはI/Oと、BL′はI/O′と、そ
れぞれ等電位になる。即ち、書き込むべき情報に対応す
る電位が、ビット線対に供給される。
Then, BL and I / O and BL 'and I
In order to connect / O ', the φI / O signal is activated in a specific row based on the address to be written. As a result, BL in this row has the same potential as I / O and BL 'has the same potential as I / O'. That is, the potential corresponding to the information to be written is supplied to the bit line pair.

【0142】この段階で導入されたビット線対の電位を
安定化するために、このビット線対に接続するセンスア
ンプを活性化する。このとき、BLの電位は、活性化さ
れたセンスアンプによりキャパシタの分極反転に十分な
高い電圧Vwrite に固定される。
In order to stabilize the potential of the bit line pair introduced at this stage, the sense amplifier connected to this bit line pair is activated. At this time, the potential of BL is fixed to a voltage Vwrite that is high enough to invert the polarization of the capacitor by the activated sense amplifier.

【0143】次に、書き込むべき位置を示すアドレス情
報に対応する特定の列において、ワード線にトランジス
タをonにするために必要な電位を与える。この結果、
この列の該ワード線に接続するMOSトランジスタがo
n状態になり、キャパシタとビット線対とが接続状態に
なる。当然このときに該当しない他の列においては、ワ
ード線に信号を送らないので、キャパシタとビット線は
電気的に切り離されたままの状態にある。
Next, in a specific column corresponding to the address information indicating the writing position, the potential required to turn on the transistor is applied to the word line. As a result,
The MOS transistor connected to the word line in this column is o
The n state is set, and the capacitor and the bit line pair are connected. Naturally, in the other columns that do not correspond at this time, no signal is sent to the word line, so that the capacitor and the bit line remain electrically disconnected.

【0144】ドライブ線(DL)の電位は、先ず0Vに
固定され、次にある時間の経過の後にドライブ線にキャ
パシタの分極反転に十分な高い電圧Vwrite を与える。
0Vに固定されている間に、BL(電位:Vwrite )と
の間に生じた電位差Vwriteにより、BLとDL間に接
続されたキャパシタに書込みが生じるが、このときB
L′(電位:0)とDL(電位:0)は同電位なので、
BL′とDL間に接続されたキャパシタには変化が起こ
らない。次に、DLにVwrite を与えている間に、B
L′(電位:0)との間に生じた電位差−Vwrite によ
り、BL′とDL間に接続されたキャパシタに書込みが
生じるが、このときBL(電位:Vwrite )とDLは等
電位なので、BLとDL間に接続されたキャパシタには
変化が起こらない。この結果、BL線に接続されたキャ
パシタには電位差Vwrite による残留分極、BL′線に
接続されたキャパシタには電位差−Vwrite による残留
分極が蓄えられる。
The potential of the drive line (DL) is first fixed at 0 V, and after a certain time elapses, a voltage Vwrite high enough to invert the polarization of the capacitor is applied to the drive line.
While being fixed at 0 V, the potential difference Vwrite generated between BL (potential: Vwrite) causes writing in the capacitor connected between BL and DL. At this time, B
Since L '(potential: 0) and DL (potential: 0) are the same potential,
No change occurs in the capacitor connected between BL 'and DL. Next, while giving Vwrite to DL, B
The potential difference −Vwrite generated between L ′ (potential: 0) causes writing in the capacitor connected between BL ′ and DL. At this time, BL (potential: Vwrite) and DL are equal potential, so BL No change occurs in the capacitor connected between DL and DL. As a result, the residual polarization due to the potential difference Vwrite is stored in the capacitor connected to the BL line, and the residual polarization due to the potential difference -Vwrite is stored in the capacitor connected to the BL 'line.

【0145】しかる後に、ワード線信号を非選択状態に
戻し、センスアンプの活性化を解除し、ビット線のプレ
チャージを開始することにより、書込みの動作は終了す
る。
Thereafter, the word line signal is returned to the non-selected state, the sense amplifier is deactivated, and the bit line precharge is started to complete the write operation.

【0146】書込み動作終了後の保持状態においては、
BL,BL′はプリチャージ回路により等電位に保持さ
れる。このとき、ビット線対の電位とDL電位も等電位
に保つことが望ましい。また、全てのワード線は非選択
状態に保たれるために、キャパシタはビット線対から電
気的に切り離された状態で保持される。キャパシタに接
続するMOSトランジスタは、電源が供給されない状態
ではOFFであり、従ってキャパシタに残留分極の形と
して書き込まれた情報は、メモリ回路に電源が供給され
ない場合にも、デジタル情報を保持することができる。
In the holding state after completion of the write operation,
BL and BL 'are held at the same potential by the precharge circuit. At this time, it is desirable to keep the potential of the bit line pair and the DL potential at the same potential. Further, since all the word lines are kept in the non-selected state, the capacitors are held in a state of being electrically separated from the bit line pair. The MOS transistor connected to the capacitor is OFF when power is not supplied, so that the information written in the capacitor in the form of remanent polarization can retain digital information even when power is not supplied to the memory circuit. it can.

【0147】次に、このような方法でメモリ回路の中の
1つのメモリセルに記憶された、デジタル情報を読み出
す方法について、図28の読み出しタイミングチャート
を用いて説明する。
Next, a method of reading the digital information stored in one memory cell in the memory circuit by such a method will be described with reference to the read timing chart of FIG.

【0148】まず、ビット線対の電位をプリチャージ回
路を用いて一定の電位に充電する。次に、プリチャージ
を解除して、ビット線をフローティング状態にする。次
いで、アドレスに対応した列の一本のワード線(WL)
を選択して、ワード線に接続するMOSトランジスタを
on状態にする。これにより、メモリセルのキャパシタ
と、ビット線対が電気的に接続される。このとき、これ
以外の選択されないWLに接続するトランジスタについ
ては、offの状態が保たれる。
First, the potential of the bit line pair is charged to a constant potential by using the precharge circuit. Next, the precharge is released and the bit line is set to the floating state. Next, one word line (WL) corresponding to the address
Is selected to turn on the MOS transistor connected to the word line. As a result, the capacitor of the memory cell and the bit line pair are electrically connected. At this time, the other transistors connected to the non-selected WLs are kept off.

【0149】次いで、アドレスに対応した行のドライブ
線を選択し、読み出し用の低い電位Vreadをドライブ線
に与える。これにより、メモリセル内の2つのキャパシ
タにVreadが加わることになる。この2つのキャパシタ
には、互いに異なる方向の残留分極が蓄積されている
が、この残留分極はVreadの低い電圧によって反転する
ことはない。従ってこの読み出しは、キャパシタの分極
の向きを変えることなく、非破壊で読み出すことが可能
である。
Then, the drive line of the row corresponding to the address is selected, and the low potential Vread for reading is applied to the drive line. This adds Vread to the two capacitors in the memory cell. Remnant polarizations in different directions are accumulated in the two capacitors, but the remnant polarizations are not inverted by the low Vread voltage. Therefore, this read can be performed nondestructively without changing the polarization direction of the capacitor.

【0150】また、他の実施例で説明したように、本発
明によるキャパシタは、残留分極の方向によってリーク
電流の値が100〜1000倍異なる。従って、ビット
線BLとBL′に流れ込む電流の値は、キャパシタに書
き込まれた分極の向きにより異なる。結果的にビット線
対に対して若干異なる電位を与える。
As described in the other embodiments, the capacitor according to the present invention has a leakage current value of 100 to 1000 times different depending on the direction of remanent polarization. Therefore, the value of the current flowing into the bit lines BL and BL 'differs depending on the polarization direction written in the capacitor. As a result, a slightly different potential is applied to the bit line pair.

【0151】ビット線対に十分な電位差が生じた段階
で、WLの電位を戻し、キャパシタと、ビット線対を電
気的に切り離す。この後、DL線の電位も元に戻す。セ
ンスアンプを活性化する前にキャパシタとビット線を切
り離しても構わないのは、本発明のキャパシタが非破壊
で情報を読み出すことができるためである。このような
タイミングの取り方は、キャパシタの蓄積電荷量を読み
出す方式の強誘電体メモリにおいては不可能である。
When a sufficient potential difference occurs between the bit line pair, the potential of WL is returned to electrically disconnect the capacitor from the bit line pair. After this, the potential of the DL line is also restored. The capacitor and the bit line may be separated before activating the sense amplifier because the capacitor of the present invention can read information nondestructively. Such timing is not possible in the ferroelectric memory of the type that reads out the amount of charge stored in the capacitor.

【0152】ここで、φact を選択することにより、セ
ンスアンプを活性する。これにより、ビット線対の電位
差を増幅し、さらに固定する。このとき、既にメモリセ
ルのトランジスタがoffになっているため、増幅され
た電位が、キャパシタの分極に影響を与えない。
Here, the sense amplifier is activated by selecting φact. As a result, the potential difference between the bit line pair is amplified and further fixed. At this time, since the transistor of the memory cell is already off, the amplified potential does not affect the polarization of the capacitor.

【0153】ビット線に読み出された電位は、φI/O に
信号を送ることにより、I/O及びI/O′に転送する
ことが可能である。情報がI/O,I/O′に転送され
た後、ビット線対と入出力線対は切り離される。その
後、ビット線対は再びプリチャージ状態に戻され、情報
の保持状態に戻される。
The potential read to the bit line can be transferred to I / O and I / O 'by sending a signal to φI / O. After the information is transferred to I / O and I / O ', the bit line pair and the input / output line pair are disconnected. After that, the bit line pair is returned to the precharged state again to the information holding state.

【0154】[0154]

【発明の効果】以上詳述したように本発明(請求項1〜
11)の第1によれば、誘電体膜の組成の変動等を伴う
ことなく、強誘電体メモリ等に用いられる薄膜キャパシ
タにおいて残留分極及び残留分極の温度依存性を改善す
ることができ、またバルク材としては強誘電性を示さな
い誘電性材料について、誘電性材料の組成によっては強
誘電性の付与された強誘電体薄膜を形成することや、容
量が大きくしかも容量の温度依存性が良好で、例えばD
RAMに好適に用いられ得る薄膜キャパシタを実現する
こと等が可能となり、その工業的価値は大なるものがあ
る。
As described in detail above, the present invention (claims 1 to 3)
According to the first aspect of 11), it is possible to improve the remanent polarization and the temperature dependence of the remanent polarization in a thin film capacitor used for a ferroelectric memory or the like without changing the composition of the dielectric film. For a dielectric material that does not exhibit ferroelectricity as a bulk material, depending on the composition of the dielectric material, it is possible to form a ferroelectric thin film with ferroelectricity and to have a large capacitance and good temperature dependence of the capacitance. And, for example, D
It is possible to realize a thin film capacitor that can be suitably used for RAM, and its industrial value is great.

【0155】また、本発明(請求項12)の第2によれ
ば、エピタキシャル誘電体膜の使用により、蓄積電荷量
の増大、強誘電性の誘起、メモリセル間でのキャパシタ
の容量のばらつきの低減、誘電体膜と下地膜の相互拡散
の低減などを実現することができ、高集積化した半導体
記憶装置を実現が可能になり、本発明の工業的価値は極
めて大きい。
According to the second aspect of the present invention (claim 12), the use of the epitaxial dielectric film causes an increase in the accumulated charge amount, induction of ferroelectricity, and variation in the capacitance of the capacitor between memory cells. It is possible to realize the reduction and the mutual diffusion between the dielectric film and the base film, and it is possible to realize a highly integrated semiconductor memory device, and the industrial value of the present invention is extremely large.

【0156】また、本発明(請求項13)の第3によれ
ば、薄膜キャパシタの抗電界以下の電界を印加して行う
非破壊読み出しが行えること、さらに整合性が良い誘電
体膜・電極接合が得られることにより、強誘電性を示す
誘電体膜の分極方向に応じた情報の書込みが行われる、
いわゆる強誘電体メモリにおいて、情報の書込み,読出
しに伴う薄膜キャパシタの残留分極の低下や抗電界の低
下といった疲労が少ない半導体装置を実現することがで
きる。
According to the third aspect of the present invention (claim 13), non-destructive reading can be performed by applying an electric field equal to or lower than the coercive electric field of the thin film capacitor, and the dielectric film / electrode junction having better matching. As a result, the writing of information according to the polarization direction of the dielectric film exhibiting ferroelectricity is performed.
In a so-called ferroelectric memory, it is possible to realize a semiconductor device with less fatigue such as a decrease in remanent polarization of a thin film capacitor and a decrease in coercive electric field due to writing and reading of information.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の薄膜キャパシタの構造を示す平面図及
び縦断面図。
FIG. 1 is a plan view and a vertical sectional view showing the structure of a thin film capacitor of the present invention.

【図2】実施例1及び比較例1の薄膜キャパシタの容量
の温度依存性を示す特性図。
2 is a characteristic diagram showing temperature dependence of capacitance of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

【図3】実施例1及び比較例1の薄膜キャパシタの分極
対電界(P−E)ヒステリシス曲線を示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing polarization vs. electric field (PE) hysteresis curves of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1.

【図4】実施例1及び比較例1の薄膜キャパシタの残留
分極の温度依存性を示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing temperature dependence of remanent polarization of the thin film capacitors of Example 1 and Comparative Example 1.

【図5】本発明の半導体記憶装置におけるMOSトラン
ジスタの構造を示す平面図と縦断面図。
5A and 5B are a plan view and a vertical sectional view showing the structure of a MOS transistor in the semiconductor memory device of the present invention.

【図6】本発明の半導体記憶装置における薄膜キャパシ
タの構造を示す平面図と縦断面図。
6A and 6B are a plan view and a vertical sectional view showing a structure of a thin film capacitor in a semiconductor memory device of the present invention.

【図7】本発明の半導体記憶装置の構造を部分的に示す
縦断面図。
FIG. 7 is a vertical cross-sectional view partially showing the structure of the semiconductor memory device of the present invention.

【図8】図6に示される半導体記憶装置の等価回路図。8 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor memory device shown in FIG.

【図9】本発明の別の半導体記憶装置の等価回路図。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of another semiconductor memory device of the present invention.

【図10】(Ba0.44Sr0.56)TiO3 の薄膜のX線
回折図。
FIG. 10 is an X-ray diffraction pattern of a thin film of (Ba 0.44 Sr 0.56 ) TiO 3 .

【図11】実施例2の薄膜キャパシタの容量の温度依存
性を示す特性図。
11 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of the capacitance of the thin film capacitor of Example 2. FIG.

【図12】実施例2及び比較例2の薄膜キャパシタの分
極対電界(P−E)ヒステリシス曲線を示す特性図。
12 is a characteristic diagram showing polarization vs. electric field (PE) hysteresis curves of the thin film capacitors of Example 2 and Comparative Example 2. FIG.

【図13】実施例3における(Ba0.44Sr0.56)Ti
3 薄膜のX線回折を示す図。
FIG. 13 (Ba 0.44 Sr 0.56 ) Ti in Example 3
Shows the X-ray diffraction of the O 3 thin film.

【図14】実施例3において作成した薄膜キャパシタの
比誘電率のバイアス電界依存性を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing the bias electric field dependence of the relative permittivity of the thin film capacitor prepared in Example 3;

【図15】実施例3において作成した(Ba0.44Sr
0.56)TiO3 薄膜キャパシタにおける容量の温度依存
性の測定結果を示す図。
FIG. 15 is a graph of Example 3 (Ba 0.44 Sr.
0.56) shows the temperature dependence of the measurement result of capacitance in TiO 3 thin-film capacitor.

【図16】第4の実施例のダイナミックアクセスメモリ
(DRAM)半導体記憶装置の断面図。
FIG. 16 is a sectional view of a dynamic access memory (DRAM) semiconductor memory device according to a fourth embodiment.

【図17】第4の実施例のDRAMの製造方法を示す工
程断面図。
FIG. 17 is a step sectional view showing the method of manufacturing the DRAM of the fourth embodiment.

【図18】第5の実施例に係わる強誘電体メモリを示す
断面図。
FIG. 18 is a sectional view showing a ferroelectric memory according to the fifth embodiment.

【図19】第5の実施例の強誘電体メモリの製造方法を
示す工程断面図。
FIG. 19 is a step sectional view showing the method of manufacturing the ferroelectric memory according to the fifth embodiment.

【図20】第6の実施例に係わる強誘電体メモリを示す
断面図。
FIG. 20 is a sectional view showing a ferroelectric memory according to the sixth embodiment.

【図21】第6の実施例の強誘電体メモリの製造方法を
示す工程断面図。
FIG. 21 is a process sectional view showing the method of manufacturing the ferroelectric memory according to the sixth embodiment.

【図22】第7の実施例に係わる半導体記憶装置の薄膜
キャパシタ部分の構成を示す断面図。
FIG. 22 is a sectional view showing the configuration of a thin film capacitor portion of a semiconductor memory device according to a seventh embodiment.

【図23】第7の実施例におけるキャパシタの電流電圧
特性を示す図。
FIG. 23 is a diagram showing current-voltage characteristics of a capacitor in the seventh embodiment.

【図24】第8の実施例におけるキャパシタの電流電圧
特性を示す図。
FIG. 24 is a diagram showing current-voltage characteristics of a capacitor in the eighth embodiment.

【図25】第9の実施例におけるキャパシタの電流電圧
特性を示す図。
FIG. 25 is a diagram showing current-voltage characteristics of a capacitor in the ninth embodiment.

【図26】第11の実施例に係わる強誘電体メモリの回
路構成を示す図。
FIG. 26 is a diagram showing a circuit configuration of a ferroelectric memory according to the eleventh embodiment.

【図27】第11の実施例における書込み方法を説明す
るためのタイミングチャート。
FIG. 27 is a timing chart for explaining a writing method in the eleventh embodiment.

【図28】第11の実施例における読出し方法を説明す
るためのタイミングチャート。
FIG. 28 is a timing chart for explaining a reading method according to the eleventh embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…単結晶基板 2…下部電極 3…誘電体膜 4…上部電極 5…導電性基板 10…コンタクト部 11…Si基板 13…ワード線 15…ビット線 16…取り出し電極 22…ドライブ線 24…スイッチングトランジスタ 25…薄膜キャパシタ 26…ワード線駆動回路 27…ドライブ線駆動回路 28…センスアンプ 41…第1導電型半導体基板 44…ワード線 46…第2導電型不純物拡散層 48…ビット線 50…研磨停止層 51…単結晶シリコンストレージノード 52…エピタキシャルバリア金属 53…エピタキシャル下部電極 54…エピタキシャル誘電体膜 55…上部電極 56…エピタキシャル誘電体膜 57…単結晶シリコン層 58…フッ化カルシウム膜 60…アルミ配線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single crystal substrate 2 ... Lower electrode 3 ... Dielectric film 4 ... Upper electrode 5 ... Conductive substrate 10 ... Contact part 11 ... Si substrate 13 ... Word line 15 ... Bit line 16 ... Extraction electrode 22 ... Drive line 24 ... Switching Transistor 25 ... Thin film capacitor 26 ... Word line drive circuit 27 ... Drive line drive circuit 28 ... Sense amplifier 41 ... First conductivity type semiconductor substrate 44 ... Word line 46 ... Second conductivity type impurity diffusion layer 48 ... Bit line 50 ... Polishing stop Layer 51 ... Single crystal silicon storage node 52 ... Epitaxial barrier metal 53 ... Epitaxial lower electrode 54 ... Epitaxial dielectric film 55 ... Upper electrode 56 ... Epitaxial dielectric film 57 ... Single crystal silicon layer 58 ... Calcium fluoride film 60 ... Aluminum wiring

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/822 7735−4M H01L 27/10 621 Z (72)発明者 川久保 隆 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 福島 伸 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 佐野 賢也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication location H01L 21/822 7735-4M H01L 27/10 621 Z (72) Inventor Takashi Kawakubo Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Komukai-shi Toshiba-cho 1-share company in Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Shin Fukushima Komukai-shi, Kawasaki-shi Kanagawa-shi 1-house in Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Kenya Sano Kanagawa 1 Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki, Japan Stock company Toshiba Research and Development Center

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも表面が正方晶系の(001)面
及び立方晶系のいずれかに属する結晶構造を有する導電
性材料からなる導電性基板と、この導電性基板の上にエ
ピタキシャル成長した正方晶系及び立方晶系のいずれか
に属するペロブスカイト型結晶構造を有する誘電性材料
からなる誘電体膜と、この誘電体膜の上に形成された上
部電極とを具備した薄膜キャパシタにおいて、 前記誘電性材料本来のキュリー温度が150℃以下で、
ペロブスカイト型結晶構造のa軸長で表される誘電性材
料本来の格子定数ad と正方晶系及び立方晶系のいずれ
かの結晶構造のa軸長で表される導電性材料本来の格子
定数as とが下記関係式を満足することを特徴とする薄
膜キャパシタ。 1.002≦ad /as ≦1.015
1. A conductive substrate made of a conductive material having at least a surface having a crystal structure belonging to either a tetragonal (001) plane or a cubic system, and a tetragonal crystal epitaxially grown on the conductive substrate. A thin film capacitor comprising a dielectric film made of a dielectric material having a perovskite type crystal structure belonging to one of a cubic system and a cubic system, and an upper electrode formed on the dielectric film. When the original Curie temperature is below 150 ℃,
Original lattice constant a d of dielectric material expressed by a-axis length of perovskite type crystal structure and original lattice constant of conductive material expressed by a-axis length of either tetragonal or cubic crystal structure A thin film capacitor, wherein a s and the following relational expression are satisfied. 1.002 ≤ a d / a s ≤ 1.015
【請求項2】少なくとも表面が正方晶系の(001)面
及び立方晶系のいずれかに属する結晶構造を有する導電
性材料からなる導電性基板と、この導電性基板の上にエ
ピタキシャル成長した正方晶系及び立方晶系のいずれか
に属するペロブスカイト型結晶構造を有する誘電性材料
からなる誘電体膜と、この誘電体膜の上に形成された上
部電極とを具備した薄膜キャパシタにおいて、 前記誘電性材料が一般式ABO3 (但し式中、AはB
a,Sr,Caからなる群より選ばれた少なくとも1
種、BはTi,Zr,Hf,Sn,(Mg1/3
2/3 ),(Mg1/3 Ta2/3 ),(Zn1/3
2/3 ),(Zn1/3 Ta2/3 ),(Mg1/2
1/2 ),(Co1/2 1/2 ),(Mg1/2 1/2 ),
(Mn1/2 1/2 ),(Sc1/2 Nb1/2 ),(Mn
1/2 Nb1/2 ),(Sc1/2 Ta1/2 ),(Fe1/2
1/2 ),(In1/2 Nb1/2 ),(Fe1/2
1/2 ),(Cd1/3 Nb2/3 ),(Co1/3
2/3 ),(Ni1/3 Nb2/3 ),(Co1/3
2/3 ),(Ni1/3 Ta2/3 )からなる群より選ばれ
た少なくとも1種)で表されるペロブスカイト組成を有
し、ペロブスカイト型結晶構造のa軸長で表される誘電
性材料本来の格子定数ad と正方晶系及び立方晶系のい
ずれかの結晶構造のa軸長で表される導電性材料本来の
格子定数as とが下記関係式を満足することを特徴とす
る薄膜キャパシタ。 1.002≦ad /as ≦1.015
2. A conductive substrate made of a conductive material having at least a surface having a crystal structure belonging to either a tetragonal (001) plane or a cubic system, and a tetragonal crystal epitaxially grown on the conductive substrate. A thin film capacitor comprising a dielectric film made of a dielectric material having a perovskite type crystal structure belonging to one of a cubic system and a cubic system, and an upper electrode formed on the dielectric film. Is a general formula ABO 3 (where A is B
at least 1 selected from the group consisting of a, Sr, and Ca
Seed, B is Ti, Zr, Hf, Sn, (Mg 1/3 N
b 2/3 ), (Mg 1/3 Ta 2/3 ), (Zn 1/3 N
b 2/3 ), (Zn 1/3 Ta 2/3 ), (Mg 1/2 T
e 1/2 ), (Co 1/2 W 1/2 ), (Mg 1/2 W 1/2 ),
(Mn 1/2 W 1/2 ), (Sc 1/2 Nb 1/2 ), (Mn
1/2 Nb 1/2 ), (Sc 1/2 Ta 1/2 ), (Fe 1/2 N
b 1/2 ), (In 1/2 Nb 1/2 ), (Fe 1/2 T
a 1/2 ), (Cd 1/3 Nb 2/3 ), (Co 1/3 N
b 2/3 ), (Ni 1/3 Nb 2/3 ), (Co 1/3 T
a 2/3 ), (at least one selected from the group consisting of Ni 1/3 Ta 2/3 )), and a dielectric represented by the a-axis length of a perovskite-type crystal structure. The intrinsic lattice constant a d of the conductive material and the intrinsic lattice constant a s of the conductive material represented by the a-axis length of either a tetragonal or cubic crystal structure satisfy the following relational expression: And thin film capacitors. 1.002 ≤ a d / a s ≤ 1.015
【請求項3】誘電性材料本来のキュリー温度が150℃
以下であることを特徴とする請求項2記載の薄膜キャパ
シタ。
3. The original Curie temperature of the dielectric material is 150 ° C.
The thin film capacitor according to claim 2, wherein:
【請求項4】導電性基板が基材とこの基材の上に形成さ
れた導電性材料の薄膜からなることを特徴とする請求項
1又は請求項2記載の薄膜キャパシタ。
4. The thin film capacitor according to claim 1, wherein the conductive substrate comprises a base material and a thin film of a conductive material formed on the base material.
【請求項5】基材の少なくとも表面が正方晶系の(00
1)面及び立方晶系のいずれかに属する結晶構造を有す
ることを特徴とする請求項4記載の薄膜キャパシタ。
5. A (00) tetragonal system at least on the surface of the substrate.
1) The thin film capacitor according to claim 4, which has a crystal structure belonging to one of a plane and a cubic system.
【請求項6】導電性材料の薄膜の膜厚が80nm以下で
あることを特徴とする請求項4記載の薄膜キャパシタ。
6. The thin film capacitor according to claim 4, wherein the thin film of the conductive material has a thickness of 80 nm or less.
【請求項7】第1の電極と、この第1の電極上にエピタ
キシャル成長した正方晶系及び六方晶系のいずれかに属
するペロブスカイト型結晶構造である誘電性材料からな
る誘電体膜と、この誘電体膜の上に形成された第2の電
極とを具備した薄膜キャパシタにおいて、 前記誘電体膜の膜厚が15nm以上であり、エピタキシ
ャル成長後の誘電性材料のC軸長Ce とこのC軸長Ce
と対応するエピタキシャル成長前の誘電性材料本来の正
方晶系のC軸長或いは六方晶系a軸長Co とが、下記関
係式を満足することを特徴とする薄膜キャパシタ。 Ce /Co ≧1.02
7. A first electrode, a dielectric film made of a dielectric material having a perovskite type crystal structure belonging to either a tetragonal system or a hexagonal system epitaxially grown on the first electrode, and the dielectric film. A thin film capacitor comprising a second electrode formed on a body film, wherein the dielectric film has a film thickness of 15 nm or more, and the C-axis length Ce of the dielectric material after epitaxial growth and the C-axis length Ce
And a corresponding tetragonal C-axis length or hexagonal a-axis length Co of the dielectric material before the epitaxial growth satisfying the following relational expression. Ce / Co ≧ 1.02
【請求項8】誘電性材料が一般式(Bax Sr1-x )T
iO3 (0.30≦x≦0.90)で表されるペロブス
カイト組成を有することを特徴とする請求項1,2又は
7記載の薄膜キャパシタ。
8. The dielectric material has the general formula (Ba x Sr 1-x ) T.
The thin film capacitor according to claim 1, wherein the thin film capacitor has a perovskite composition represented by iO 3 (0.30 ≦ x ≦ 0.90).
【請求項9】誘電体膜の膜厚が70nm以上であること
を特徴とする請求項1,2又は7記載の薄膜キャパシ
タ。
9. The thin film capacitor according to claim 1, wherein the film thickness of the dielectric film is 70 nm or more.
【請求項10】誘電性材料本来のキュリー温度が室温以
下で、かつこの誘電性材料からなる誘電体膜が室温で強
誘電性を示すことを特徴とする請求項1,2又は7記載
の薄膜キャパシタ。
10. The thin film according to claim 1, wherein the Curie temperature inherent to the dielectric material is room temperature or lower, and the dielectric film made of this dielectric material exhibits ferroelectricity at room temperature. Capacitors.
【請求項11】請求項1,2又は7記載の薄膜キャパシ
タと、この薄膜キャパシタに接続して設けられたスイッ
チングトランジスタと、を具備したメモリセルがマトリ
ックス状に配置されてなることを特徴とする半導体記憶
装置。
11. A memory cell comprising the thin film capacitor according to claim 1, and a switching transistor connected to the thin film capacitor, the memory cells being arranged in a matrix. Semiconductor memory device.
【請求項12】第1の電極とこの第1の電極上にエピタ
キシャル成長した結晶正の誘電性材料からなる誘電体膜
とこの誘電体膜の上に形成された第2の電極とを備えた
薄膜キャパシタと、この薄膜キャパシタに接続して設け
られたスイッチングトランジスタとを具備したメモリセ
ルがシリコン基板上にマトリックス配置されてなる半導
体記憶装置において、 前記シリコン基板上に一部開口を有する絶縁膜を介して
(100)配向シリコン層が成長され、この(100)
配向シリコン層上に前記薄膜キャパシタの誘電体膜が形
成されてなることを特徴とする半導体記憶装置。
12. A thin film comprising a first electrode, a dielectric film made of a crystal positive dielectric material epitaxially grown on the first electrode, and a second electrode formed on the dielectric film. In a semiconductor memory device in which memory cells each including a capacitor and a switching transistor connected to the thin film capacitor are arranged in a matrix on a silicon substrate, an insulating film having a partial opening on the silicon substrate is provided. A (100) oriented silicon layer is grown and
A semiconductor memory device comprising a dielectric film of the thin film capacitor formed on an oriented silicon layer.
【請求項13】請求項11記載の半導体記憶装置におい
て、 前記薄膜キャパシタの誘電体膜が室温で強誘電性を示
し、この誘電体膜に抗電界以上の電界を印加すること
で、誘電体膜・電極の界面抵抗が誘電体膜の分極方向に
よって変化することを利用して情報の書き込みを行い、
抗電界以下の電界を印加した際のリーク電流値変化を利
用して情報の非破壊読み出しを行うことを特徴とする半
導体記憶装置。
13. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the dielectric film of the thin film capacitor exhibits ferroelectricity at room temperature, and an electric field higher than a coercive electric field is applied to the dielectric film to form a dielectric film.・ Information is written by utilizing the fact that the interface resistance of the electrode changes depending on the polarization direction of the dielectric film,
A semiconductor memory device, wherein nondestructive reading of information is performed by utilizing a change in leak current value when an electric field equal to or less than a coercive electric field is applied.
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