JPH0823073A - 強誘電体薄膜キャパシタおよびその製造方法 - Google Patents
強誘電体薄膜キャパシタおよびその製造方法Info
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- JPH0823073A JPH0823073A JP6153197A JP15319794A JPH0823073A JP H0823073 A JPH0823073 A JP H0823073A JP 6153197 A JP6153197 A JP 6153197A JP 15319794 A JP15319794 A JP 15319794A JP H0823073 A JPH0823073 A JP H0823073A
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Landscapes
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- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 基板面内および基板間の電気的特性のばらつ
きがなく不揮発性半導体記憶回路に適用可能な強誘電体
薄膜キャパシタおよびその製造方法を提供する。 【構成】 主として<105>軸が厚さ方向に配向した
SrBi2 (Tax Nb1-x )2 O9 (x=0〜1)の
薄膜および該薄膜を挟む一対の電極9,11からなるこ
とを特徴とする薄膜キャパシタである。この薄膜10
は、下部電極9上にストロンチウム,ビスマス,タンタ
ル,ニオブのアルコキシドまたは有機金属塩を原料とし
た溶液を塗布後乾燥し、乾燥後の膜厚が20〜80nmの
範囲で600〜850℃で結晶化させることを繰り返す
ことで形成する。
きがなく不揮発性半導体記憶回路に適用可能な強誘電体
薄膜キャパシタおよびその製造方法を提供する。 【構成】 主として<105>軸が厚さ方向に配向した
SrBi2 (Tax Nb1-x )2 O9 (x=0〜1)の
薄膜および該薄膜を挟む一対の電極9,11からなるこ
とを特徴とする薄膜キャパシタである。この薄膜10
は、下部電極9上にストロンチウム,ビスマス,タンタ
ル,ニオブのアルコキシドまたは有機金属塩を原料とし
た溶液を塗布後乾燥し、乾燥後の膜厚が20〜80nmの
範囲で600〜850℃で結晶化させることを繰り返す
ことで形成する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は小型電子回路装置、特に
不揮発性半導体記憶装置に用いる強誘電体薄膜キャパシ
タに関する。
不揮発性半導体記憶装置に用いる強誘電体薄膜キャパシ
タに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より強誘電体薄膜を用いた薄膜キャ
パシタは開発されている。特に強誘電体としてチタン酸
ジルコン酸鉛(PZT)を用いた強誘電体薄膜キャパシ
タは広く研究されている。しかしPZTは分極反転を繰
り返すと特性が劣化する、いわゆる疲労現象が指摘され
ている。したがってPZT薄膜キャパシタを不揮発性半
導体記憶装置に適用した場合、読み出し・書き込み回数
が108 回に制限される(日経マイクロデバイス199
2年6月号P.80)。
パシタは開発されている。特に強誘電体としてチタン酸
ジルコン酸鉛(PZT)を用いた強誘電体薄膜キャパシ
タは広く研究されている。しかしPZTは分極反転を繰
り返すと特性が劣化する、いわゆる疲労現象が指摘され
ている。したがってPZT薄膜キャパシタを不揮発性半
導体記憶装置に適用した場合、読み出し・書き込み回数
が108 回に制限される(日経マイクロデバイス199
2年6月号P.80)。
【0003】PZT以外の強誘電体材料としてビスマス
系酸化物も研究されている。例えばジャパニーズ・ジャ
ーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第32巻、4
086ページ(JAPANESE JOURNAL O
F APPLIED PHYSICS, VOL.3
2,P.4086)にはチタン酸ビスマス薄膜をCVD
法により作製した薄膜キャパシタが述べられている。ま
たインターナショナル・パブリケーション・ナンバーW
O93/12542(INTERNATIONAL P
UBLICATION NUMBER WO93/12
542)にはSrBi2 Ta2 O9 等のビスマス系酸化
物薄膜キャパシタと電荷転送用トランジスタよりなるメ
モリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置が述べられて
おり、ビスマス系酸化物の疲労特性がきわめて優れてい
ることが指摘されている。
系酸化物も研究されている。例えばジャパニーズ・ジャ
ーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第32巻、4
086ページ(JAPANESE JOURNAL O
F APPLIED PHYSICS, VOL.3
2,P.4086)にはチタン酸ビスマス薄膜をCVD
法により作製した薄膜キャパシタが述べられている。ま
たインターナショナル・パブリケーション・ナンバーW
O93/12542(INTERNATIONAL P
UBLICATION NUMBER WO93/12
542)にはSrBi2 Ta2 O9 等のビスマス系酸化
物薄膜キャパシタと電荷転送用トランジスタよりなるメ
モリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置が述べられて
おり、ビスマス系酸化物の疲労特性がきわめて優れてい
ることが指摘されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この従来のビスマス系
酸化物薄膜キャパシタは、ビスマス系酸化物が著しい異
方性を示すため、ビスマス系酸化物薄膜の配向性の不均
一性により薄膜キャパシタの電気的特性がばらついてし
まうという課題がある。すなわちビスマス系酸化物は層
状構造をもちa軸ないしb軸方向には大きな自発分極を
有するが、c軸方向の自発分極は極めて小さい。したが
って薄膜の配向が不均一な場合、自発分極量は薄膜キャ
パシタを作製した基板面内または基板ごとに変化する。
そのため自発分極の量により情報の1,0を記憶する不
揮発メモリを実現するには、重大な障害となる。
酸化物薄膜キャパシタは、ビスマス系酸化物が著しい異
方性を示すため、ビスマス系酸化物薄膜の配向性の不均
一性により薄膜キャパシタの電気的特性がばらついてし
まうという課題がある。すなわちビスマス系酸化物は層
状構造をもちa軸ないしb軸方向には大きな自発分極を
有するが、c軸方向の自発分極は極めて小さい。したが
って薄膜の配向が不均一な場合、自発分極量は薄膜キャ
パシタを作製した基板面内または基板ごとに変化する。
そのため自発分極の量により情報の1,0を記憶する不
揮発メモリを実現するには、重大な障害となる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板面内およ
び基板間の電気的特性のばらつきがなく不揮発性半導体
記憶回路に適用可能な強誘電体薄膜キャパシタおよびそ
の製造方法を提供するものである。このため本発明の薄
膜キャパシタは、主として<105>軸が厚さ方向に配
向したSrBi2 (Tax Nb1-x )2 O9 の薄膜およ
び該薄膜を挟む一対の電極から構成されることにより上
記目的を達成している。
び基板間の電気的特性のばらつきがなく不揮発性半導体
記憶回路に適用可能な強誘電体薄膜キャパシタおよびそ
の製造方法を提供するものである。このため本発明の薄
膜キャパシタは、主として<105>軸が厚さ方向に配
向したSrBi2 (Tax Nb1-x )2 O9 の薄膜およ
び該薄膜を挟む一対の電極から構成されることにより上
記目的を達成している。
【0006】又、その製造方法としては、基板上に下部
電極層を形成し、ストロンチウム,ビスマス,タンタ
ル,ニオブのアルコキシドまたは有機金属塩を原料とし
た溶液を電極上に塗布後乾燥し、乾燥後の膜厚が20〜
80nmの範囲で600〜850℃で結晶化させることを
繰り返してSrBi2 (Tax Nb1-x )2 O9 (x=
0〜1)の薄膜を形成し、さらに上部電極を形成するこ
とを特徴としている。
電極層を形成し、ストロンチウム,ビスマス,タンタ
ル,ニオブのアルコキシドまたは有機金属塩を原料とし
た溶液を電極上に塗布後乾燥し、乾燥後の膜厚が20〜
80nmの範囲で600〜850℃で結晶化させることを
繰り返してSrBi2 (Tax Nb1-x )2 O9 (x=
0〜1)の薄膜を形成し、さらに上部電極を形成するこ
とを特徴としている。
【0007】
【実施例】図1は本発明の薄膜キャパシタの一実施例を
示す半導体記憶装置の断面図である。1はシリコン基
板、2は素子分離用のフィールド酸化膜、3はゲート絶
縁膜、4はポリシリコン等のワード線、5、5′は電荷
転送用トランジスタのソースまたはドレインになる不純
物拡散領域、6は層間絶縁膜、7はポリシリコン、8は
シリコン拡散バリアメタル層となる窒化チタン層、9は
白金層である。白金層はパターニングされて個々の独立
した強誘電体キャパシタの一方の電極となる。
示す半導体記憶装置の断面図である。1はシリコン基
板、2は素子分離用のフィールド酸化膜、3はゲート絶
縁膜、4はポリシリコン等のワード線、5、5′は電荷
転送用トランジスタのソースまたはドレインになる不純
物拡散領域、6は層間絶縁膜、7はポリシリコン、8は
シリコン拡散バリアメタル層となる窒化チタン層、9は
白金層である。白金層はパターニングされて個々の独立
した強誘電体キャパシタの一方の電極となる。
【0008】次にこの基板上にSrBi2 Ta2 O9 の
強誘電体薄膜層10を作製する方法を説明する。ジイソ
プロポキシストロンチウム0.1mol,硝酸ビスマス
0.2mol,テトラエトキシタンタル0.2molを
氷酢酸100mlに溶解し100℃で24時間加熱攪拌
する。この溶液をキシレンで0.1Mに希釈した後、上
記した基板上に3000rpmで1分間スピンコート
し、250℃で10min乾燥する。乾燥後の膜厚は約
30nmである。この膜厚が80nm以下の範囲にあればク
ラック等を生じることなく成膜することができる。また
膜厚が20nm以下では膜が不連続になり実用的でない。
これを乾燥後酸素雰囲気中で800℃で10分間熱処理
する。熱処理の温度としては、600℃以下であると結
晶化せず、850℃以上であると、ビスマスが揮発する
ため(酸化ビスマスの融点は830℃である)、好まし
くない。この熱処理により薄膜は結晶化する。その際基
板との界面より結晶化が起こるため、結晶がエピタキシ
ャルに成長し<105>に配向した膜を得ることができ
る。結晶化の際の膜厚が80nm以上になると膜中で結晶
化がランダムに起こり、配向した膜は得られない。この
塗布および熱処理を繰り返すことにより最初に得られた
配向を維持し、より大きな膜厚をもった膜を得ることが
できる。本実施例では合計6回繰り返し膜厚約200nm
の<105>に配向したSrBi2 Ta2 O9 膜10を
作製した。ビスマスを5%から15%過剰にすることに
より、より緻密に結晶化することができる。このような
通常の熱処理法以外に赤外線ランプによる急速加熱によ
り熱処理を行うこともできる。この上に上部電極白金層
11が形成される。
強誘電体薄膜層10を作製する方法を説明する。ジイソ
プロポキシストロンチウム0.1mol,硝酸ビスマス
0.2mol,テトラエトキシタンタル0.2molを
氷酢酸100mlに溶解し100℃で24時間加熱攪拌
する。この溶液をキシレンで0.1Mに希釈した後、上
記した基板上に3000rpmで1分間スピンコート
し、250℃で10min乾燥する。乾燥後の膜厚は約
30nmである。この膜厚が80nm以下の範囲にあればク
ラック等を生じることなく成膜することができる。また
膜厚が20nm以下では膜が不連続になり実用的でない。
これを乾燥後酸素雰囲気中で800℃で10分間熱処理
する。熱処理の温度としては、600℃以下であると結
晶化せず、850℃以上であると、ビスマスが揮発する
ため(酸化ビスマスの融点は830℃である)、好まし
くない。この熱処理により薄膜は結晶化する。その際基
板との界面より結晶化が起こるため、結晶がエピタキシ
ャルに成長し<105>に配向した膜を得ることができ
る。結晶化の際の膜厚が80nm以上になると膜中で結晶
化がランダムに起こり、配向した膜は得られない。この
塗布および熱処理を繰り返すことにより最初に得られた
配向を維持し、より大きな膜厚をもった膜を得ることが
できる。本実施例では合計6回繰り返し膜厚約200nm
の<105>に配向したSrBi2 Ta2 O9 膜10を
作製した。ビスマスを5%から15%過剰にすることに
より、より緻密に結晶化することができる。このような
通常の熱処理法以外に赤外線ランプによる急速加熱によ
り熱処理を行うこともできる。この上に上部電極白金層
11が形成される。
【0009】図2は上記の方法で得たSrBi2 Ta2
O9 薄膜のX線回折を示す曲線図である。このようにほ
ぼ完全に<105>に配向した膜を得ることができる。
O9 薄膜のX線回折を示す曲線図である。このようにほ
ぼ完全に<105>に配向した膜を得ることができる。
【0010】図3はそれぞれ10枚の8inchシリコ
ンウェハー基板上に作製した本発明による配向膜と従来
の無配向膜による該薄膜キャパシタの自発分極を、基板
1枚につきランダムに選択した10点での測定値、すな
わちそれぞれ計100点での測定値の分布を測定値の平
均を100として示した分布図である。このように本発
明による薄膜キャパシタの基板面内、および基板間での
自発分極の分布は非常に小さい。
ンウェハー基板上に作製した本発明による配向膜と従来
の無配向膜による該薄膜キャパシタの自発分極を、基板
1枚につきランダムに選択した10点での測定値、すな
わちそれぞれ計100点での測定値の分布を測定値の平
均を100として示した分布図である。このように本発
明による薄膜キャパシタの基板面内、および基板間での
自発分極の分布は非常に小さい。
【0011】なお本実施例はSrBi2 Ta2 O9 につ
いて述べたが、SrBi2 Nb2 O9 および両者の固溶
体SrBi2 (Ta,Nb)2 O9 にも全く同様に適用
でき同様の効果を得ることができる。
いて述べたが、SrBi2 Nb2 O9 および両者の固溶
体SrBi2 (Ta,Nb)2 O9 にも全く同様に適用
でき同様の効果を得ることができる。
【0012】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の薄膜キ
ャパシタおよびその製造方法によれば、基板面内および
基板間の電気的特性のばらつきがなく不揮発性半導体記
憶回路に適用可能な薄膜キャパシタを得ることができ
る。
ャパシタおよびその製造方法によれば、基板面内および
基板間の電気的特性のばらつきがなく不揮発性半導体記
憶回路に適用可能な薄膜キャパシタを得ることができ
る。
【図1】本発明の実施例による半導体記憶装置の断面図
である。
である。
【図2】本発明の実施例による強誘電体薄膜のX線回折
像である。
像である。
【図3】本発明の実施例による薄膜キャパシタの自発分
極の測定値の分布を示す分布図である。
極の測定値の分布を示す分布図である。
1 シリコン基板 2 フィールド酸化膜 3 ゲート酸化膜 4 ワード線 5,5′ 不純物拡散領域 6 層間絶縁膜 7 ポリシリコン 8 下部電極バリアメタル層 9 下部電極 10 強誘電体 11 上部電極 12 層間絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── 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 27/108 27/10 451
Claims (2)
- 【請求項1】主として<105>軸が厚さ方向に配向し
たSrBi2 (Tax Nb1-x )2O9 (x=0〜1)
の薄膜および該薄膜を挟む一対の電極からなることを特
徴とする薄膜キャパシタ。 - 【請求項2】基板上に下部電極層を形成し、ストロンチ
ウム,ビスマス,タンタル,ニオブのアルコキシドまた
は有機金属塩を原料とした溶液を電極上に塗布後乾燥
し、乾燥後の膜厚が20〜80nmの範囲で600〜85
0℃で結晶化させることを繰り返してSrBi2 (Ta
x Nb1-x )2 O9 (x=0〜1)の薄膜を形成し、さ
らに上部電極を形成することを特徴とする薄膜キャパシ
タの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6153197A JP2658878B2 (ja) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | 強誘電体薄膜キャパシタおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6153197A JP2658878B2 (ja) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | 強誘電体薄膜キャパシタおよびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0823073A true JPH0823073A (ja) | 1996-01-23 |
JP2658878B2 JP2658878B2 (ja) | 1997-09-30 |
Family
ID=15557170
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6153197A Expired - Fee Related JP2658878B2 (ja) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | 強誘電体薄膜キャパシタおよびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2658878B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1998008255A1 (fr) * | 1996-08-20 | 1998-02-26 | Hitachi, Ltd. | Procede de fabrication de dispositif a oxyde dielectrique et memoire et semi-conducteur utilisant ce dispositif |
KR100321699B1 (ko) * | 1998-12-30 | 2002-03-08 | 박종섭 | 니오비움-탄탈륨합금접착막을이용한강유전체캐패시터형성방법 |
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1994
- 1994-07-05 JP JP6153197A patent/JP2658878B2/ja not_active Expired - Fee Related
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