JPH09252091A - Dielectric thin film device - Google Patents

Dielectric thin film device

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JPH09252091A
JPH09252091A JP8057852A JP5785296A JPH09252091A JP H09252091 A JPH09252091 A JP H09252091A JP 8057852 A JP8057852 A JP 8057852A JP 5785296 A JP5785296 A JP 5785296A JP H09252091 A JPH09252091 A JP H09252091A
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JP
Japan
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thin film
layer
dielectric thin
dielectric
interface
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JP8057852A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshie Sato
利江 佐藤
Shin Fukushima
伸 福島
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a device possessed of a dielectric thin film of perovskite oxide to be effectively enhanced in permittivity, by a method wherein distortions or defects are prevented from occurring in a low-permittivity insulating layer formed at an interface between the dielectric thin film and an electrode layer or the dielectric thin film. SOLUTION: A dielectric thin film device is equipped with an Si electrode 11, a conductive barrier layer 12 formed on the Si electrode 11, and a dielectric thin film 14 of perovskite oxide formed on the conductive barrier layer 12. The dielectric thin film 14 is possessed of a conductive transition region 15 located near its interface with the conductive barrier 12 and so doped with transition metal element or rare earth element as to be gradient in concentration.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ペロブスカイト型
酸化物からなる誘電体薄膜を用いた誘電体薄膜素子に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dielectric thin film element using a dielectric thin film made of a perovskite oxide.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、LSI向けの高誘電性材料や強誘
電性材料の研究が、大容量DRAMや不揮発性RAMヘ
の応用に向けて活発に行われている。1Gビット以上のD
RAM向けメモリーセルでは、高集積化に伴うセル構造
の微細化のために、例えば 0.3μm 2 以下という限られ
たセル面積の中で必要な蓄積電荷量を確保しなければな
らない。蓄積電荷量Qは、以下の式により求まる。
2. Description of the Related Art In recent years, research on high-dielectric materials and ferroelectric materials for LSI has been actively conducted for application to large-capacity DRAMs and nonvolatile RAMs. D of 1 Gbit or more
In the memory cell for RAM, it is necessary to secure a necessary amount of accumulated charge in a limited cell area of, for example, 0.3 μm 2 or less in order to miniaturize the cell structure accompanying high integration. The accumulated charge amount Q is obtained by the following formula.

【0003】Q=CV, C=εS/d (誘電率ε=εr εo 、εr :比誘電率,εo :真空の
誘電率) これらのパラメータのうち、電圧Vは消費電力やトラン
ジスタの信頼性の観点から下げる方向である。従って、
静電容量Cを大きくしないとホールド特性、ソフトエラ
ー耐性を満足することができない。
Q = CV, C = εS / d (dielectric constant ε = ε r ε o , ε r : relative permittivity, ε o : vacuum permittivity) Among these parameters, the voltage V is the power consumption and the transistor. From the viewpoint of the reliability of the Therefore,
If the electrostatic capacitance C is not increased, the hold characteristic and soft error resistance cannot be satisfied.

【0004】これに対応するために、キャパシタ絶縁層
の膜厚dをより薄膜化することや、キャパシタ構造を複
雑化して実効的なセル面積Sを増やすことが行われてき
た。従来からキャパシタ材料に用いられてきたSiO2
で静電容量を確保するためには、 2〜 3nm程度の膜厚に
しなければならないが、リーク電流の増加という問題が
起こり、薄膜化による静電容量の確保は限界に達してい
る。
In order to deal with this, the film thickness d of the capacitor insulating layer has been made thinner, and the effective cell area S has been increased by complicating the capacitor structure. SiO 2 which has been conventionally used as a capacitor material
Therefore, in order to secure the electrostatic capacitance, it is necessary to make the film thickness about 2 to 3 nm, but there is a problem that the leak current increases, and the securing of the electrostatic capacitance by thinning has reached the limit.

【0005】また、1Gビット以下のDRAM向けのキャ
パシタでは、容量を確保するための構造として、スタッ
ク構造から分化した厚膜型、フィン型、円筒型、および
トレンチ構造から発展した基板セルプレート型の大きく
4つの構造が開発されている。これに対して1Gビット以
上のDRAMでも同様な構造が検討されているが、セル
構造がより微細になるため、キャパシタ構造の複雑化は
製造プロセスの工程数と技術的困難を増大させ、コスト
を大幅に引き上げる結果になる。このように、1Gビット
以上のDRAMでは、従来から用いられてきた材料の薄
膜化や構造の複雑化では容量を確保することが困難にな
ってきている。
Further, in a capacitor for a DRAM of 1 Gbit or less, as a structure for ensuring the capacitance, there are a thick film type, a fin type, a cylindrical type differentiated from a stack structure, and a substrate cell plate type developed from a trench structure. big
Four structures have been developed. On the other hand, similar structures are being studied for DRAMs of 1 Gbit or more, but the cell structure becomes finer, and the complexity of the capacitor structure increases the number of manufacturing process steps and technical difficulty, resulting in cost reduction. The result will be a significant increase. As described above, in the DRAM of 1 Gbit or more, it is becoming difficult to secure the capacity by thinning the material and the complicated structure which have been used conventionally.

【0006】そこで、より誘電率の高い材料をキャパシ
タに用いることによって、電荷蓄積量を確保する研究が
行われはじめている。例えば従来から用いられきたSi
2/Si3 4 の比誘電率は 3.9であり、またTa2
5 の比誘電率は20である。これらに対して、ぺロブス
カイト型酸化物は一般に誘電率が高く、例えばSrTi
3 の比誘電率は 400である。従って、高誘電率を有す
るぺロブスカイト型酸化物をキャパシタ絶縁層に用いれ
ば、セル構造の微細化に対応して十分な蓄積電荷量を確
保することができ、なおかつ複雑なキャパシタ構造を用
いることなく容量を確保できることから、プロセスを簡
単化することができ、これによって大幅なコストダウン
が見込まれる。
Therefore, studies have begun to secure the charge storage amount by using a material having a higher dielectric constant for the capacitor. For example, Si that has been conventionally used
The relative permittivity of O 2 / Si 3 N 4 is 3.9, and Ta 2
The relative permittivity of O 5 is 20. On the other hand, perovskite type oxides generally have a high dielectric constant, such as SrTi.
The relative permittivity of O 3 is 400. Therefore, if a perovskite type oxide having a high dielectric constant is used for the capacitor insulating layer, it is possible to secure a sufficient amount of accumulated charge corresponding to the miniaturization of the cell structure, and without using a complicated capacitor structure. Since the capacity can be secured, it is possible to simplify the process, which is expected to significantly reduce the cost.

【0007】1Gビット以上のDRAM向けのキャパシタ
にぺロブスカイト型酸化物からなる高誘電体を用いる場
合には、容量密度、リーク電流、耐圧の 3つの電気特性
を満たす必要がある。まずセル面積 0.3μm 2 、電圧1.
5Vでは、ソフトエラー耐性に関する計算結果から必要な
蓄積電荷量は20fC以上と見積られるので、容量密度は60
fF・μm -2以上が必要になる。60fF・μm -2という値は
SiO2 換算で約 0.5nmに相当する。次に、膜のリーク
電流は電圧印加時の高温動作領域で10-8A/cm2以下であ
る必要がある。耐性に関しては2.5V時に初期耐性不良が
ないこと、寿命は 100年以上であることが要求される。
When a high dielectric material made of a perovskite type oxide is used for a capacitor for DRAM of 1 Gbit or more, it is necessary to satisfy three electrical characteristics, that is, capacity density, leak current and breakdown voltage. First, cell area 0.3 μm 2 , voltage 1.
At 5 V, the required accumulated charge is estimated to be 20 fC or more from the calculation results for soft error tolerance, so the capacitance density is 60
fF · μm -2 or more is required. The value of 60 fF · μm -2 corresponds to about 0.5 nm in terms of SiO 2 . Next, the leak current of the film needs to be 10 −8 A / cm 2 or less in the high temperature operation region when voltage is applied. Regarding resistance, it is required that there be no initial failure at 2.5V and that the life is 100 years or more.

【0008】ところで、ぺロブスカイト型酸化物からな
る誘電体薄膜をキャパシタに用いた場合には、次の 2点
の新たな問題が生じる。まず第1に、誘電体薄膜中に生
じる多数の欠陥により誘電体が導電性を持ち、そのため
にリーク電流が大きくなることである。この問題に対処
するために、仕事関数の大きなPt等の金属電極により
誘電体中に生じたキャリアを吸いとったり、また誘電体
薄膜を多結晶化して高抵抗化することが行われている。
誘電体薄膜の膜質の向上と共に、この問題は解決しつつ
ある。
When a dielectric thin film made of a perovskite type oxide is used for a capacitor, the following two new problems occur. First, a large number of defects in the dielectric thin film make the dielectric conductive, which increases the leakage current. In order to cope with this problem, metal electrodes such as Pt having a large work function absorb the carriers generated in the dielectric, and the dielectric thin film is polycrystallized to increase the resistance.
With the improvement of the film quality of the dielectric thin film, this problem is being solved.

【0009】第2の問題は、例えば図13に示すよう
に、電極1とペロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄
膜(以下、ペロブスカイト型誘電体薄膜と記す)2との
界面に低誘電率層3が形成されることである。この低誘
電率層3が形成される原因は、電極1の構成材料が酸化
して異種絶縁層が形成されることと、電極1近傍の誘電
体薄膜2中に発生する欠陥や歪みのために、電極1界面
近傍の誘電体薄膜2の誘電率が低下することにある。従
来から電極1として用いられてきた多結晶Si上に、直
接ぺロブスカイト型誘電体薄膜2を形成した場合には、
Si表面がプロセス中に酸化されてSiO2 層が界面に
生成してしまう。このため、キャパシタ絶縁層は、ぺロ
ブスカイト型誘電体薄膜2と低誘電率のSiO2 層との
積層膜となり、実効的な誘電率が低下してしまう。
The second problem is that, for example, as shown in FIG. 13, the low dielectric constant layer 3 is formed at the interface between the electrode 1 and a dielectric thin film (hereinafter referred to as a perovskite type dielectric thin film) 2 made of a perovskite type oxide. Is formed. The reason why the low dielectric constant layer 3 is formed is that the constituent material of the electrode 1 is oxidized to form a heterogeneous insulating layer, and that defects and strain are generated in the dielectric thin film 2 near the electrode 1. The dielectric constant of the dielectric thin film 2 near the interface of the electrode 1 is lowered. When the perovskite type dielectric thin film 2 is directly formed on the polycrystalline Si which has been used as the electrode 1 from the past,
The Si surface is oxidized during the process and a SiO 2 layer is generated at the interface. Therefore, the capacitor insulating layer becomes a laminated film of the perovskite type dielectric thin film 2 and the SiO 2 layer having a low dielectric constant, and the effective dielectric constant lowers.

【0010】上述した問題を解決するために、例えば図
14に示すように、Si電極1とぺロブスカイト型誘電
体薄膜2との間に、Pt、Ta、TiN等からなる導電
性バリヤー層4を形成することが検討されている。この
導電性バリヤー層4には、Siの拡散を阻止してぺロブ
スカイト型誘電体薄膜2との界面にSiが析出すること
を防ぐと共に、ぺロブスカイト型誘電体薄膜2との界面
に低誘電率層を生成しないことが必要とされる。
In order to solve the above problem, for example, as shown in FIG. 14, a conductive barrier layer 4 made of Pt, Ta, TiN or the like is provided between the Si electrode 1 and the perovskite type dielectric thin film 2. It is considered to be formed. The conductive barrier layer 4 prevents the diffusion of Si to prevent the precipitation of Si at the interface with the perovskite type dielectric thin film 2 and also has a low dielectric constant at the interface with the perovskite type dielectric thin film 2. It is required not to generate layers.

【0011】しかし、例えばPtを導電性バリヤー層4
として用いた場合には、Siの拡散を十分に防ぐことが
できず、またPt上にはぺロブスカイト型誘電体薄膜2
を良好に形成することが困難であるという問題がある。
また、TaやTiNを導電性バリヤー層4として用いた
場合には、バリヤー層4材料が酸化してぺロブスカイト
型誘電体薄膜2との界面に、それぞれTa2 5 やTi
2 等からなる低誘電率層5が生成してしまう。
However, for example, Pt is used as the conductive barrier layer 4
When used as a material, the diffusion of Si cannot be sufficiently prevented, and the perovskite type dielectric thin film 2 is formed on Pt.
There is a problem in that it is difficult to form satisfactorily.
Further, when Ta or TiN is used as the conductive barrier layer 4, the material of the barrier layer 4 is oxidized and Ta 2 O 5 or Ti is added to the interface with the perovskite type dielectric thin film 2, respectively.
The low dielectric constant layer 5 made of O 2 or the like is generated.

【0012】このように、従来の導電性バリヤー層4材
料では、ぺロブスカイト型誘電体薄膜2との界面に低誘
電率の異種絶縁層が生成することを防ぐことは困難であ
ると共に、導電性バリヤー層4材料とぺロブスカイト型
誘電体薄膜2との格子不整合性により、ぺロブスカイト
型誘電体薄膜2中に歪みや欠陥が生じやすく、これらに
よって実効的な誘電率が低下してしまうという問題は解
決されていない。ぺロブスカイト型誘電体薄膜2の膜厚
を薄くするほど、この問題は顕著になる。Siの拡散と
界面での低誘電率層の形成はプロセス条件にも依存する
が、その発生を抑えて上述したキャパシタとしての必要
条件を満たす高誘電率膜を形成することは非常に困難で
あった。
As described above, with the conventional conductive barrier layer 4 material, it is difficult to prevent the formation of a different dielectric layer having a low dielectric constant at the interface with the perovskite type dielectric thin film 2, and at the same time, the conductivity is reduced. Due to the lattice mismatch between the material of the barrier layer 4 and the perovskite type dielectric thin film 2, distortion and defects are likely to occur in the perovskite type dielectric thin film 2, and the effective dielectric constant is lowered by these. Has not been resolved. This problem becomes more remarkable as the film thickness of the perovskite dielectric thin film 2 is reduced. Although the diffusion of Si and the formation of the low dielectric constant layer at the interface also depend on the process conditions, it is very difficult to suppress the generation and form a high dielectric constant film that satisfies the above-mentioned requirements for a capacitor. It was

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ぺロ
ブスカイト型酸化物は誘電率が高い等の利点を有するも
のの、電極層との界面に形成される低誘電率の絶縁層
や、導電性バリヤー層等の電極層との格子不整合性に起
因して生じる誘電体薄膜中の歪みや欠陥等により、実効
的に高誘電率を得ることが難しく、DRAM等のキャパ
シタへの応用に課題を残している。
As described above, although the perovskite type oxide has advantages such as a high dielectric constant, it has a low dielectric constant insulating layer formed at the interface with the electrode layer and a conductive layer. It is difficult to effectively obtain a high dielectric constant due to strains and defects in the dielectric thin film caused by the lattice mismatch with the electrode layer such as the barrier layer, which poses a problem for application to capacitors such as DRAM. I have left.

【0014】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、電極層との界面に低誘電率の絶縁層
が生成することや誘電体薄膜中に歪みや欠陥等が発生す
ることを防ぐことによって、ぺロブスカイト型酸化物か
らなる誘電体薄膜が有する高誘電率等の特徴を有効に利
用することを可能にした誘電体薄膜素子を提供すること
を目的としている。
The present invention has been made to solve such a problem, and an insulating layer having a low dielectric constant is generated at the interface with the electrode layer, and a distortion or a defect is generated in the dielectric thin film. By preventing this, it is an object of the present invention to provide a dielectric thin film element that makes it possible to effectively utilize the characteristics of the dielectric thin film made of a perovskite type oxide, such as high dielectric constant.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明における第1の誘
電体薄膜素子は、請求項1に記載したように、電極層
と、前記電極層上に形成されたペロブスカイト型酸化物
からなる誘電体薄膜とを具備する誘電体薄膜素子におい
て、前記誘電体薄膜は前記電極層との界面近傍に遷移金
属元素がドーピングされてなる遷移領域を有し、前記遷
移領域は前記電極層側でドーパントの濃度が高濃度とな
るような濃度勾配を有することを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a dielectric thin film element comprising a dielectric body comprising an electrode layer and a perovskite type oxide formed on the electrode layer. In a dielectric thin film element comprising a thin film, the dielectric thin film has a transition region doped with a transition metal element in the vicinity of an interface with the electrode layer, and the transition region has a dopant concentration on the electrode layer side. Is characterized by having a concentration gradient such that the concentration becomes high.

【0016】また、第2の誘電体薄膜素子は、請求項3
に記載したように、電極層と、前記電極層上に形成され
たペロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜とを具備
する誘電体薄膜素子において、前記誘電体薄膜は前記電
極層との界面近傍に希土類元素がドーピングされてなる
遷移領域を有し、前記遷移領域は前記電極層側でドーパ
ントの濃度が高濃度となるような濃度勾配を有すること
を特徴としている。
Further, the second dielectric thin film element is defined by claim 3.
As described above, in a dielectric thin film element comprising an electrode layer and a dielectric thin film formed of a perovskite type oxide formed on the electrode layer, the dielectric thin film is formed near an interface with the electrode layer. It is characterized in that it has a transition region doped with a rare earth element, and the transition region has a concentration gradient such that the concentration of the dopant becomes high on the electrode layer side.

【0017】すなわち本発明では、ペロブスカイト型酸
化物(化学式:ABO3 )のAサイトをLa、Pr、N
d、Sm、Y等の 3価の希土類元素イオンで置換した
り、あるいはBサイトをNb、Ru等の遷移金属で置換
することによって、ペロブスカイト型酸化物は抵抗率が
低下し、導電性が高められる。この導電性が高められた
ペロブスカイト型酸化物と、誘電体として機能するペロ
ブスカイト型酸化物との間では、低誘電率の異種絶縁層
の生成や界面近傍の誘電率の低下が生じない。従って、
ペロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜の電極層と
の界面近傍に、上記したような導電性を有する遷移領域
を形成することによって、ペロブスカイト型酸化物の高
誘電率等の特性を十分に生かすことが可能となる。
That is, in the present invention, the A site of the perovskite type oxide (chemical formula: ABO 3 ) is replaced by La, Pr and N.
By substituting trivalent rare earth element ions such as d, Sm, and Y, or substituting the B site with a transition metal such as Nb and Ru, the perovskite-type oxide has low resistivity and high conductivity. To be Between the perovskite-type oxide having enhanced conductivity and the perovskite-type oxide that functions as a dielectric, formation of a low-dielectric-constant dissimilar insulating layer and reduction of the dielectric constant in the vicinity of the interface do not occur. Therefore,
To make full use of the properties such as high dielectric constant of perovskite oxide by forming the above-mentioned transition region having conductivity in the vicinity of the interface of the dielectric thin film made of perovskite oxide with the electrode layer. Is possible.

【0018】また、電極層との界面近傍に設けた遷移金
属元素あるいは希土類元素の濃度勾配を有する誘電体薄
膜の遷移領域は、後の実施例で詳述するように、誘電体
薄膜に生じる空間電荷領域を電極層との界面近傍のみに
止める。これによって、空間電荷領域損失が減少し、キ
ャパシタンスの高周波特性の劣化を抑制することが可能
となる。
The transition region of the dielectric thin film having a concentration gradient of the transition metal element or the rare earth element provided near the interface with the electrode layer is a space generated in the dielectric thin film, as will be described later in detail. The charge region is stopped only near the interface with the electrode layer. This reduces the space charge region loss and makes it possible to suppress the deterioration of the high frequency characteristics of the capacitance.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0020】図1は、本発明の一実施形態による誘電体
薄膜素子の要部構成を示す断面図である。同図において
11はSi基板等からなる半導体電極(以下、Si電極
と記す)であり、このSi電極11上には導電性バリヤ
ー層12が形成されている。ここで、導電性バリヤー層
12は電極層13の一部として機能するものである。導
電性バリヤー層12上には、ぺロブスカイト型酸化物か
らなる誘電体薄膜14が形成されている。このぺロブス
カイト型酸化物からなる誘電体薄膜14は、電極層13
との界面近傍に遷移金属イオンまたは希土類元素イオン
を濃度勾配を有するようにドープした遷移領域15を有
している。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the main part of a dielectric thin film element according to an embodiment of the present invention. In the figure, 11 is a semiconductor electrode (hereinafter referred to as Si electrode) made of a Si substrate or the like, and a conductive barrier layer 12 is formed on the Si electrode 11. Here, the conductive barrier layer 12 functions as a part of the electrode layer 13. A dielectric thin film 14 made of a perovskite type oxide is formed on the conductive barrier layer 12. The dielectric thin film 14 made of this perovskite type oxide is the electrode layer 13
A transition region 15 doped with a transition metal ion or a rare earth element ion so as to have a concentration gradient is provided in the vicinity of the interface with.

【0021】ここで、例えば代表的なペロブスカイト型
酸化物であるチタン酸ストロンチウム(化学式:SrT
iO3 (ABO3 ))のバンド構造は、図2に模式的に
示すように、 3eV程度のバンドギャップを持っており、
価電子帯が酸素(O)の2p軌道からなり、伝導帯がチ
タン(Ti)の3d軌道からなると考えられ、フェルミ
準位はギャップ中に位置するため、通常は絶縁体であ
る。しかし、非化学量論組成や不純物導入、d電子構造
等によって、Tiの3d軌道からなる伝導帯にキャリア
が生じ、これによって電気伝導性が改変される。
Here, for example, a typical perovskite type oxide, strontium titanate (chemical formula: SrT
The band structure of iO 3 (ABO 3 )) has a band gap of about 3 eV, as schematically shown in FIG.
It is considered that the valence band is composed of the 2p orbit of oxygen (O), the conduction band is composed of the 3d orbit of titanium (Ti), and the Fermi level is located in the gap. Therefore, it is usually an insulator. However, due to the non-stoichiometric composition, the introduction of impurities, the d-electron structure, etc., carriers are generated in the conduction band composed of the 3d orbital of Ti, and the electric conductivity is modified by this.

【0022】ドーピングによってぺロブスカイト型酸化
物に導電性を付与する方法は 2つあり、 1つはSr等の
Aサイト元素をLa、Pr、Nd、Sm、Y等の 3価の
希土類元素イオンで置換する方法であり、もう 1つはT
i等のBサイト元素をNbやRu等の遷移金属で置換す
る方法である。Aサイトを 3価の希土類元素イオンで置
換して、Sr1-x x TiO3 (R: 3価の希土類元
素, x: 0< x< 1)とした場合には、電気的中性を保
つために、Tiの形式電荷がTi4+からTi3+x+とな
り、Tiの3dバンドにキャリアが生じ、抵抗率が低下
して導電性を示すようになる。一方、BサイトをNbや
Ru等の遷移金属イオンで置換して、SrTi1-x x
3 (M:Bサイトの基本元素以外の遷移金属元素,
x: 0< x<1)とした場合にも、伝導帯のすぐ下にドナ
ー準位が生じ、伝導帯に電子が励起されるため、抵抗率
が低下して導電性を示すようになる。
There are two methods for imparting conductivity to the perovskite type oxide by doping. One is to use an A site element such as Sr as a trivalent rare earth element ion such as La, Pr, Nd, Sm or Y. The replacement method is T, and the other is T
In this method, the B site element such as i is replaced with a transition metal such as Nb or Ru. When the A site is replaced with a trivalent rare earth element ion to form Sr 1-x R x TiO 3 (R: trivalent rare earth element, x: 0 <x <1), electrical neutrality is obtained. In order to maintain the Ti, the formal charge of Ti changes from Ti 4+ to Ti 3 + x + , carriers are generated in the 3d band of Ti, and the resistivity decreases to show conductivity. On the other hand, by substituting the B site with a transition metal ion such as Nb or Ru, SrTi 1-x M x
O 3 (M: transition metal element other than basic element of B site,
Even in the case of x: 0 <x <1), a donor level is generated just below the conduction band and electrons are excited in the conduction band, so that the resistivity decreases and the conductivity is exhibited.

【0023】上述したように、本来絶縁体のぺロブスカ
イト型酸化物に遷移金属イオンまたは希土類元素イオン
を濃度勾配を有するようにドープした遷移領域15は、
元のぺロブスカイト型酸化物より抵抗率が小さく、導電
性が高められる。すなわち、ぺロブスカイト型酸化物か
らなる誘電体薄膜14は、導電性バリヤー層12との界
面側に遷移金属イオンまたは希土類元素イオンをドープ
した導電性を有する遷移領域(以下、導電性遷移層と記
す)15を有している。言い換えると、導電性バリヤー
層12上にぺロブスカイト型酸化物の導電性遷移層15
が形成されており、この導電性遷移層15上に本来の誘
電体層16としてのぺロブスカイト型酸化物層が形成さ
れている。
As described above, the transition region 15 in which the perovskite type oxide which is originally an insulator is doped with transition metal ions or rare earth element ions so as to have a concentration gradient,
It has lower resistivity and higher conductivity than the original perovskite oxide. That is, the dielectric thin film 14 made of a perovskite type oxide has a conductive transition region (hereinafter referred to as a conductive transition layer) in which an interface side with the conductive barrier layer 12 is doped with a transition metal ion or a rare earth element ion. ) 15. In other words, the conductive transition layer 15 of perovskite type oxide is formed on the conductive barrier layer 12.
Is formed, and a perovskite type oxide layer as the original dielectric layer 16 is formed on the conductive transition layer 15.

【0024】ぺロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄
膜14には、誘電体としての機能を有する種々のぺロブ
スカイト型酸化物を用いることができ、例えばBaTi
3、SrTiO3 、PbTiO3 、PbZrO3 等の
単純ペロブスカイト型酸化物、 (Ba1-x Srx )Ti
3 、Pb(Zr1-x Tix )O3 (0< x<1)等の固溶
系ペロブスカイト型酸化物等を挙げることができる。こ
れらペロブスカイト型酸化物が誘電体層16として使用
され、かつこれらに遷移金属イオンまたは希土類元素イ
オンを濃度勾配を有するようにドープしたものが導電性
遷移層15として使用される。
For the dielectric thin film 14 made of perovskite type oxide, various perovskite type oxides having a function as a dielectric can be used, for example, BaTi.
Simple perovskite type oxides such as O 3 , SrTiO 3 , PbTiO 3 and PbZrO 3 , (Ba 1-x Sr x ) Ti
Examples thereof include solid solution perovskite type oxides such as O 3 and Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 (0 <x <1). These perovskite type oxides are used as the dielectric layer 16, and those doped with transition metal ions or rare earth element ions so as to have a concentration gradient are used as the conductive transition layer 15.

【0025】上述した実施形態の誘電体薄膜素子におい
ては、導電性バリヤー層12と誘電体層16との間に導
電性遷移層15がバッファ層として形成されており、こ
の誘電体層16と導電性遷移層15との間には低誘電率
の異種絶縁層が生じることはない。また、導電性バリヤ
ー層12と誘電体層16との格子不整合性は、導電性遷
移層15により緩和されるため、誘電体層16中に界面
に歪みや欠陥が生じにくい。これらによって、電極層1
3との界面近傍においても誘電体薄膜14の実効的な誘
電率が低下することはなく、よって膜厚が非常に薄くて
も高い誘電率を得ることが可能となる。さらに、導電性
遷移層15の厚さやドープ量を調整することによって、
電極層13と誘電体薄膜14との界面に形成されるショ
ットキーバリアの高さや形状を変化させることもでき
る。
In the dielectric thin film element of the above-described embodiment, the conductive transition layer 15 is formed as a buffer layer between the conductive barrier layer 12 and the dielectric layer 16, and the dielectric layer 16 and the conductive layer 16 are electrically conductive. The heterogeneous insulating layer having a low dielectric constant is not formed between the transition layer 15 and the oxidative transition layer 15. Further, since the lattice mismatch between the conductive barrier layer 12 and the dielectric layer 16 is mitigated by the conductive transition layer 15, the interface or the strain in the dielectric layer 16 is unlikely to occur. By these, the electrode layer 1
Even in the vicinity of the interface with 3, the effective dielectric constant of the dielectric thin film 14 does not decrease, so that it is possible to obtain a high dielectric constant even if the film thickness is very thin. Furthermore, by adjusting the thickness and the doping amount of the conductive transition layer 15,
The height and shape of the Schottky barrier formed at the interface between the electrode layer 13 and the dielectric thin film 14 can be changed.

【0026】また、上述した導電性遷移層15は、図3
に示すように、遷移金属元素または希土類元素の濃度勾
配を有しているため、空間電荷領域の生成による損失を
低減することができる。すなわち金属とペロブスカイト
型酸化物との界面では、図4に示すように、フェルミ準
位差を補償するために、電子が金属側に移動することに
より誘電体側に空乏層が伸び、正の空間電荷領域ができ
る。誘電体中に誘起された空間電荷は損失の原因にな
り、キャパシタンスの高周波特性を劣化させる。これに
対して、図3に示すように、導電性バリヤー層12と誘
電体層16との界面に、遷移金属元素または希土類元素
を高濃度にドーピングすると、空間電荷領域を導電性バ
リヤー層12との界面近傍のみに止めることができ、こ
のときこうした導電性遷移層15において、ドーピング
濃度に勾配を持たせることによって、空間電荷領域損失
を特に小さくすることが可能となる。また、ドーピング
プロファイルを変えることによって、界面のバンド形状
を調節することもできる。本発明において遷移金属元素
のドーピング濃度は、AB1-x x 3 (A:Aサイト
元素,B:Bサイト元素,M:遷移金属元素)で表した
とき、x= 0〜 0.3の範囲で濃度勾配を持たせることが好
ましい。これは xが 0.3を超えると、ペロブスカイト型
酸化物の導電性がかえって低下することによる。また、
希土類元素のドーピング濃度については特に制限はな
く、A1-x x BO3 (A:Aサイト元素,B:Bサイ
ト元素,R:希土類元素)で表したとき、x= 0〜 1の範
囲で選択することができる。ただし、誘電体層16との
格子整合性を考慮すると、x= 0〜 0.5が好ましい。さら
に、本発明におけるこのような導電性遷移層15の厚さ
は、 1〜20nmに設定されることが好ましく、これは 1nm
未満だと均一な成膜が難しく、20nmを超えると導電性バ
リヤー層12との界面で空間電荷領域が広がることによ
る。
Further, the above-mentioned conductive transition layer 15 has a structure as shown in FIG.
As shown in (1), since it has a concentration gradient of the transition metal element or the rare earth element, it is possible to reduce the loss due to the generation of the space charge region. That is, at the interface between the metal and the perovskite oxide, as shown in FIG. 4, in order to compensate for the Fermi level difference, electrons move to the metal side, the depletion layer extends to the dielectric side, and the positive space charge is increased. Area is created. The space charge induced in the dielectric causes loss and deteriorates the high frequency characteristics of the capacitance. On the other hand, as shown in FIG. 3, when the interface between the conductive barrier layer 12 and the dielectric layer 16 is highly doped with a transition metal element or a rare earth element, the space charge region becomes the conductive barrier layer 12. Can be stopped only in the vicinity of the interface, and at this time, in the conductive transition layer 15, it is possible to particularly reduce the space charge region loss by providing the doping concentration with a gradient. Further, the band shape of the interface can be adjusted by changing the doping profile. In the present invention, the doping concentration of the transition metal element is in the range of x = 0 to 0.3 when expressed as AB 1-x M x O 3 (A: A site element, B: B site element, M: transition metal element). It is preferable to provide a concentration gradient with. This is because when x exceeds 0.3, the conductivity of the perovskite oxide is rather lowered. Also,
There is no particular limitation on the doping concentration of the rare earth element, and when expressed by A 1-x R x BO 3 (A: A site element, B: B site element, R: rare earth element), x = 0 to 1 Can be selected with. However, considering the lattice matching with the dielectric layer 16, x = 0 to 0.5 is preferable. Further, the thickness of such a conductive transition layer 15 in the present invention is preferably set to 1 to 20 nm, which is 1 nm.
If it is less than 20 nm, uniform film formation is difficult, and if it exceeds 20 nm, the space charge region expands at the interface with the conductive barrier layer 12.

【0027】上述したように、導電性バリヤー層12と
誘電体薄膜14との界面近傍に、遷移金属元素または希
土類元素の濃度勾配を有する導電性遷移層15を設ける
ことによって、膜厚が非常に薄くても高い誘電率が得ら
れると共に、空間電荷領域の生成による損失が低減され
てキャパシタンスの良好な高周波特性が得られる。これ
らによって、例えば1Gビット以上のDRAM向けのキャ
パシタ等に好適な誘電体薄膜素子を得ることが可能とな
る。
As described above, by providing the conductive transition layer 15 having the concentration gradient of the transition metal element or the rare earth element in the vicinity of the interface between the conductive barrier layer 12 and the dielectric thin film 14, the film thickness becomes extremely large. A high dielectric constant can be obtained even if it is thin, and the loss due to the generation of the space charge region is reduced, so that a high frequency characteristic with good capacitance can be obtained. As a result, it becomes possible to obtain a dielectric thin film element suitable for, for example, a 1 Gbit or more DRAM capacitor.

【0028】導電性バリヤー層12には、従来のバリヤ
ー層材料を用いることも可能であるが、以下に示すよう
にニオブ窒化物またはルテニウム窒化物を用いることが
好ましい。すなわち、導電性バリヤー層12は、次の条
件を満たすことが望まれる。まずSi電極11との界面
に低誘電率の絶縁層を形成せず、またSiの拡散を防止
することができ、さらにぺロブスカイト型酸化物との界
面に低誘電率の異種絶縁層を形成しないことである。
Although it is possible to use a conventional barrier layer material for the conductive barrier layer 12, it is preferable to use niobium nitride or ruthenium nitride as shown below. That is, the conductive barrier layer 12 is desired to satisfy the following conditions. First, a low dielectric constant insulating layer is not formed at the interface with the Si electrode 11, Si diffusion can be prevented, and a low dielectric constant dissimilar insulating layer is not formed at the interface with the perovskite oxide. That is.

【0029】このような要求特性に対して、NbN等の
ニオブ窒化物やRuN等のルテニウム窒化物は、本質的
に耐酸化性に優れ安定であると共に、Siの拡散防止能
に優れ、かつSi電極11との間に急峻な界面を形成す
る。しかも、ぺロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄
膜14に導電性を付与する元素からなるため、導電性バ
リヤー層12の構成物質の拡散により異種層を形成する
ことがないと共に、たとえ酸化物が形成したとしてもN
bO2 やRuO2 は導電性を有するため、低誘電率の異
種絶縁層の形成に伴う実効的な誘電率の低下を防止する
ことができる。また同様の理由で、ペロブスカイト型酸
化物にドーピングされる遷移金属元素はNbおよびRu
が好ましく、これらのうちでも酸化物がより高い導電性
を示すRuの方が好ましい。
In order to meet such required characteristics, niobium nitrides such as NbN and ruthenium nitrides such as RuN are essentially excellent in oxidation resistance and stable, and have excellent ability to prevent Si from diffusing. A steep interface is formed with the electrode 11. Moreover, since the dielectric thin film 14 made of a perovskite type oxide is made of an element that imparts conductivity, a heterogeneous layer is not formed by diffusion of the constituent material of the conductive barrier layer 12, and even if an oxide is formed. Even if you do N
Since bO 2 and RuO 2 have conductivity, it is possible to prevent the effective reduction of the dielectric constant due to the formation of the different dielectric layer having a low dielectric constant. For the same reason, the transition metal elements doped in the perovskite oxide are Nb and Ru.
Among these, Ru is more preferable because the oxide has higher conductivity.

【0030】なお、TiN等を導電性バリヤー層12と
して用いる場合でも、ぺロブスカイト型酸化物からなる
誘電体薄膜14にドープする元素としてNbやRu等の
遷移金属を選択することによって、TiO2 が形成され
たとしてもTiO2 にNb、Ruが拡散して導電性を示
すようになる。従って、低誘電率の異種絶縁層の形成に
伴う実効的な誘電率の低下を回避することができる。
Even when TiN or the like is used as the conductive barrier layer 12, by selecting a transition metal such as Nb or Ru as an element to be doped in the dielectric thin film 14 made of a perovskite type oxide, TiO 2 can be obtained. Even if formed, Nb and Ru diffuse into TiO 2 and become conductive. Therefore, it is possible to avoid an effective decrease in the dielectric constant that accompanies the formation of the different dielectric layer having a low dielectric constant.

【0031】[0031]

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。
Next, specific examples of the present invention will be described.

【0032】実施例1 まず、ペロブスカイト型酸化物に遷移金属元素をドープ
して導電性遷移層を形成した例について述べる。
Example 1 First, an example of forming a conductive transition layer by doping a perovskite type oxide with a transition metal element will be described.

【0033】すなわち、Si電極11上に導電性バリヤ
ー層12としてNbN層を形成し、その上にSrTiO
3 からなる誘電体薄膜14を形成する際に、その形成当
初にNbを濃度勾配を持たせてドープして導電性遷移層
15とし、その後高誘電率の誘電体層16としてSrT
iΟ3 層を形成した。
That is, an NbN layer is formed as the conductive barrier layer 12 on the Si electrode 11, and SrTiO 3 is formed thereon.
When the dielectric thin film 14 made of 3 is formed, Nb is doped with a concentration gradient at the beginning to form the conductive transition layer 15, and then the SrT as the high dielectric constant dielectric layer 16 is formed.
to form a iΟ 3 layers.

【0034】具体的な成膜は反応性スパッタリング法に
より以下のようにして行った。すなわち、Nb、SrO
およびTiをターゲットとして用い、これら 3つのスパ
ッタソースを独立に制御することによって、導電性バリ
ヤー層12としてNbN層を形成すると共に、SrTi
1-x Nbx 3 とSrTiO3 の組成制御を行った。ま
ずNbN層は、基板温度を 473〜673Kの範囲の一定値に
設定し、N2 ガス5mTorrとArガス5mTorrを導入し、投
入電力dc50〜100W、成膜速度 0.5〜 1nm/sの条件で、膜
厚 100nmで成膜した。
Specific film formation was performed by the reactive sputtering method as follows. That is, Nb, SrO
By using Ti and Ti as targets and controlling these three sputtering sources independently, an NbN layer is formed as the conductive barrier layer 12 and SrTi
The composition of 1-x Nb x O 3 and SrTiO 3 was controlled. First, for the NbN layer, the substrate temperature is set to a constant value in the range of 473 to 673 K, N 2 gas of 5 mTorr and Ar gas of 5 mTorr are introduced, and the input power is dc 50 to 100 W and the film formation rate is 0.5 to 1 nm / s. The film was formed with a film thickness of 100 nm.

【0035】その後、このNbN層上にSrTi1-x
x Ο3 層を成膜した。なお、TiとNbの組成比は、
TiターゲットおよびNbターゲットに投入する電力を
0〜100Wの範囲で調節することによって、x= 0〜 0.1の
範囲の所定値に制御することが可能であった。SrTi
1-x Nbx Ο3 層の成膜は、基板温度を673Kとし、酸素
ガス1mTorrとArガス9mTorrを導入し、成膜速度 0.1nm
/sで20nm成膜した。Nbドープ量 xは、NbN層近傍か
ら20nmの膜厚にわたって、 x=0.1から x=0まで濃度勾配
を持たせた。次に、酸素ガス5mTorrとArガス5mTorrを
導入し、成膜速度 0.1nm/sの条件で、SrTi1-x Nb
x 3 遷移層上にSrTiO3 層を20nm成膜した。
Then, SrTi 1-x N was formed on the NbN layer.
A b x O 3 layer was deposited. The composition ratio of Ti and Nb is
The electric power applied to the Ti target and Nb target
It was possible to control to a predetermined value in the range of x = 0 to 0.1 by adjusting in the range of 0 to 100W. SrTi
The 1-x Nb x O 3 layer is formed at a substrate temperature of 673 K, an oxygen gas of 1 mTorr and an Ar gas of 9 mTorr are introduced, and the film formation rate is 0.1 nm.
A 20 nm film was formed at / s. The Nb doping amount x has a concentration gradient from x = 0.1 to x = 0 over the film thickness of 20 nm from the vicinity of the NbN layer. Then, 5 mTorr of oxygen gas and 5 mTorr of Ar gas were introduced, and SrTi 1-x Nb was formed under the condition of the film forming rate of 0.1 nm / s.
A 20 nm SrTiO 3 layer was formed on the x O 3 transition layer.

【0036】SrTi1-x Nbx 3 の電気特性はNb
ドープ量に応じて変化した。図5にNbドープ量 xによ
るSrTi1-x Nbx 3 の抵抗率の変化を示す。この
抵抗率の変化はキャリア密度の変化に対応することが分
かっている。図6にSrTi1-x Nbx 3 のバンド構
造を模式的に示す。SrTiO3 にドープされたNb
は、形式電荷 4価のイオンまたは 5価のイオンとしてT
iサイトに固溶する。4価としてドープされたNbは、
Tiの3d軌道からなる伝導帯の直ぐ下にNb4d1
道からなるドナー準位を形成する。このドナー準位のd
電子はNb4+に局在せず、Tiの3d軌道からなる伝導
帯に励起され、導電性を示すようになる。Nbが 5価と
してドープされた場合には、電気的中性を保つために、
Nb5+周囲のTi4+がTi3+δ+ になり、伝導帯にキャ
リアが生じて導電性を示すようになる。いずれの場合に
も、SrTi1-x Nbx 3 のNbドープ量が x≦0.3
の範囲内で増すほどTiの3d軌道からなる伝導帯に励
起される電子数が増すため、抵抗率は低下する。実際に
は酸素の化学量論組成からのずれがあるため、Tiの価
数(3+δ)は、雰囲気の酸化還元性にも依存する。
The electrical characteristics of SrTi 1-x Nb x O 3 are Nb
It changed depending on the doping amount. FIG. 5 shows changes in the resistivity of SrTi 1-x Nb x O 3 depending on the Nb doping amount x. It has been found that this change in resistivity corresponds to a change in carrier density. FIG. 6 schematically shows the band structure of SrTi 1-x Nb x O 3 . Nb doped in SrTiO 3
Is T as a formal charge tetravalent ion or pentavalent ion
Dissolve in the i-site. Nb doped as tetravalent is
Immediately below the conduction band of 3d orbital of Ti, a donor level of Nb4d 1 orbital is formed. D of this donor level
The electrons do not localize in Nb 4+ , but are excited in the conduction band consisting of the 3d orbital of Ti and become conductive. When Nb is doped as pentavalent, in order to maintain electrical neutrality,
Ti 4+ around Nb 5+ becomes Ti 3 + δ + , and carriers are generated in the conduction band to show conductivity. In any case, the Nb doping amount of SrTi 1-x Nb x O 3 is x ≦ 0.3.
Since the number of electrons excited in the conduction band composed of the 3d orbital of Ti increases as the ratio increases within the range of, the resistivity decreases. In reality, since there is a deviation from the stoichiometric composition of oxygen, the valence (3 + δ) of Ti also depends on the redox property of the atmosphere.

【0037】次に、断面TEMとEDXによって、Si
/NbN/SrTi1-x Nbx 3/SrTiO3 の界
面を観察した。SiとNbΝとの界面ではSiの拡散は
見られず、急峻な界面が形成されていた。また、NbN
とSrTi1-x Nbx 3 との界面には一部NbΟ2
形成されていたが、この酸化物は導電性を有するため、
誘電特性に影響を及ぼすことはなかった。SrTi1-x
Nbx 3 とSrTiO3 との界面は格子の乱れが少な
く、NbのSrTiO3 中への拡散はほとんど見られな
かった。この膜厚20nmのSrTiO3 層を有する素子の
比誘電率は 250程度で、SrTi1-x Nbx 3 層を負
極側とした場合のリーク電流は、3V印加時で 1×10-8A/
cm2 以下であり、キャパシタとして用いるのに十分な特
性を有していることを確認した。
Next, by a cross-section TEM and EDX, Si
The interface of / NbN / SrTi 1-x Nb x O 3 / SrTiO 3 was observed. No Si diffusion was observed at the interface between Si and NbΝ, and a steep interface was formed. Also, NbN
NbO 2 was partially formed at the interface between SrTi 1-x Nb x O 3 and SrTi 1-x Nb x O 3 , but since this oxide has conductivity,
It did not affect the dielectric properties. SrTi 1-x
At the interface between Nb x O 3 and SrTiO 3 , the disorder of the lattice was small, and the diffusion of Nb into SrTiO 3 was hardly seen. The relative permittivity of the device having the SrTiO 3 layer having a film thickness of 20 nm is about 250, and the leakage current when the SrTi 1-x Nb x O 3 layer is on the negative electrode side is 1 × 10 -8 A when 3 V is applied. /
It was confirmed to have cm 2 or less and sufficient characteristics to be used as a capacitor.

【0038】ここで、SrTi1-x Nbx 3 層を正極
側とした場合のリーク電流は、SrTi1-x Nbx 3
層を負極側とした場合よりも大きく、 10V印加時で 1×
10-7A/cm2 であった。図7にSrTi1-x Nbx 3
を正極側とした場合の電極層/SrTi1-x Nbx 3
/SrTiO3 /電極層の接合界面のバンド構造を模式
的に示す。図7に示すように、リーク電流が大きくなる
原因は、SrTi1-xNbx 3 からSrTiΟ3 への
キャリアの注入が起こるためであると考えられる。従っ
て、Nbドープ層をバッファ層として用いる場合には、
Νbドープ層側を負極として用いる方法が適している。
Here, when the SrTi 1-x Nb x O 3 layer is on the positive electrode side, the leakage current is SrTi 1-x Nb x O 3
Larger than when the layer is on the negative electrode side, 1 × with 10 V applied
It was 10 −7 A / cm 2 . FIG. 7 shows an electrode layer / SrTi 1-x Nb x O 3 when the SrTi 1-x Nb x O 3 layer is the positive electrode side.
/ Shows the band structure of the bonded interface of SrTiO 3 / electrode layer schematically. As shown in FIG. 7, it is considered that the cause of the large leak current is that carrier injection from SrTi 1-x Nb x O 3 into SrTiO 3 occurs. Therefore, when the Nb-doped layer is used as the buffer layer,
A method of using the Νb-doped layer side as the negative electrode is suitable.

【0039】なお、Nbに代えてRuを用いた場合にも
同様な結果が得られた。また、RuやNbに比べては耐
酸化性という点ではやや劣るものの、Re、Os、I
r、Rhの窒化物でも同様な効果が得られる。
Similar results were obtained when Ru was used instead of Nb. Although it is slightly inferior to Ru and Nb in terms of oxidation resistance, Re, Os, I
A similar effect can be obtained with a nitride of r and Rh.

【0040】実施例2 次に、ペロブスカイト型酸化物に希土類元素をドープし
て導電性遷移層を形成した例について述べる。
Example 2 Next, an example in which a perovskite type oxide is doped with a rare earth element to form a conductive transition layer will be described.

【0041】すなわち、Si電極11上に導電性バリヤ
ー層12としてRuN層を形成し、その上にSrTiO
3 からなる誘電体薄膜14を形成する際に、その形成当
初にLaを濃度勾配を持たせてドープして導電性遷移層
15とし、その後高誘電率の誘電体層16としてSrT
iΟ3 層を形成した。
That is, a RuN layer was formed as the conductive barrier layer 12 on the Si electrode 11, and SrTiO 3 was formed thereon.
When the dielectric thin film 14 made of 3 is formed, La is doped with a concentration gradient at the beginning to form the conductive transition layer 15, and then the SrT as the high dielectric constant dielectric layer 16 is formed.
to form a iΟ 3 layers.

【0042】具体的な成膜は、反応性スパッタリング法
により以下のようにして行った。すなわちRu、Sr
O、La2 3 およびTiをターゲットとして用い、こ
れら 4つのスパッタソースを独立に制御することによっ
て、Si基板上に導電性バリヤー層12としてRuN層
を形成し、さらにLaの濃度勾配を持つSr1-x Lax
TiO3 (x= 0.3〜 0)層からなる導電性遷移層とSr
TiO3 層を成膜した。まずRuN層は、基板温度 473
〜673Kの範囲の一定値に設定し、N2 ガス5mTorrとAr
ガス5mTorrを導入し、投入電力100W、成膜速度 0.5nm/s
の条件で膜厚 100nmで成膜した。
Specific film formation was carried out by the reactive sputtering method as follows. That is, Ru, Sr
By using O, La 2 O 3 and Ti as targets and controlling these four sputtering sources independently, a RuN layer is formed as a conductive barrier layer 12 on a Si substrate, and Sr having a La concentration gradient is further formed. 1-x La x
Conductive transition layer composed of TiO 3 (x = 0.3 to 0) layer and Sr
A TiO 3 layer was deposited. First, the RuN layer has a substrate temperature of 473
Set to a constant value in the range of ~ 673K, N 2 gas 5mTorr and Ar
Introduced gas 5mTorr, input power 100W, deposition rate 0.5nm / s
A film having a film thickness of 100 nm was formed under the above conditions.

【0043】その後、このRuN層上にSr1-x Lax
TiO3 を成膜した。なお、SrとLaの組成比は、投
入する電力を 0〜100Wの範囲で調整することによって、
x= 0〜 1の範囲の所定値に制御することが可能であっ
た。Sr1-x Lax TiO3 層の成膜は、基板温度を67
3Kとし、酸素ガス1mTorrとArガス9mTorrを導入し、成
膜速度 0.1nm/sで20nm成膜した。Laドープ量 xは、電
極近傍から20nmの膜厚にわたって、 x=0.3から x=0まで
濃度勾配を持たせた。次に、Ο2 ガス5mTorrとArガス
5mTorrを導入し、成膜速度 0.1nm/sの条件で、Sr1-x
Lax TiO3層上にSrTiO3 層を20nm成膜した。
Then, Sr 1-x La x is formed on the RuN layer.
A TiO 3 film was formed. The composition ratio of Sr and La can be adjusted by adjusting the input power in the range of 0 to 100W.
It was possible to control to a predetermined value in the range of x = 0 to 1. The Sr 1-x La x TiO 3 layer is formed at a substrate temperature of 67
At 3 K, oxygen gas of 1 mTorr and Ar gas of 9 mTorr were introduced, and a film thickness of 20 nm was formed at a film formation rate of 0.1 nm / s. The La doping amount x was made to have a concentration gradient from x = 0.3 to x = 0 over a film thickness of 20 nm from the vicinity of the electrode. Next, 5mTorr of Ο 2 gas and Ar gas
Introducing 5mTorr, Sr 1-x under the condition of film formation rate 0.1nm / s
A 20 nm SrTiO 3 layer was formed on the La x TiO 3 layer.

【0044】Sr1-x Lax TiO3 の電気特性はLa
ドープ量に応じて変化し、 xが0.01〜 0.5の範囲では、
室温で 1×10-3Ω・cm程度の抵抗率であった。一般にペ
ロブスカイト型酸化物の電気特性は、ハバードモデルに
よって表すことができる。図8にペロブスカイト型酸化
物のTi形式電荷とドーピングする希土類元素による電
気特性の変化を示す。横軸はTi 1サイトあたりの電子
数nを表し、縦軸は隣のサイトへの電子の移動積分tと
同一サイトのクーロン反発力Uとの比U/tを表す。希
土類元素のドーピング量を x=0から増加させることは、
電子数nを 0から増加させることに対応する。また、ド
ーピングする希土類元素のイオン半径を大きくすること
は、Tiの3d軌道からなる伝導帯の 1電子バンド幅を
大きくすることになり、tが大きくなることに対応す
る。従って、ドープしようとするペロブスカイト型酸化
物層に応じて、希土類元素の種類とドープ量を適当に調
整することによって、ぺロブスカイト型酸化物に導電性
を付与することができる。
The electrical characteristics of Sr 1-x La x TiO 3 are La
It changes depending on the doping amount, and when x is in the range of 0.01 to 0.5,
The resistivity was about 1 × 10 -3 Ω · cm at room temperature. Generally, the electrical characteristics of perovskite oxide can be represented by the Hubbard model. FIG. 8 shows changes in electrical characteristics of the perovskite type oxide due to the Ti type charge and the rare earth element doped. The horizontal axis represents the number n of electrons per Ti 1 site, and the vertical axis represents the ratio U / t between the electron transfer integral t to the adjacent site and the Coulomb repulsive force U at the same site. Increasing rare earth doping from x = 0
This corresponds to increasing the number of electrons n from 0. Further, increasing the ionic radius of the rare earth element to be doped increases the 1-electron band width of the conduction band consisting of the 3d orbital of Ti, and corresponds to the increase of t. Therefore, conductivity can be imparted to the perovskite oxide by appropriately adjusting the type of rare earth element and the doping amount according to the perovskite oxide layer to be doped.

【0045】ここで、図8に示される通り、本発明で用
いられるペロブスカイト型酸化物におけるTiの価数3+
δの範囲では、希土類元素のイオン半径が大きく、U/
tの値が小さいほどペロブスカイト型酸化物に導電性を
付与する上で便利である。すなわち、ドーピングする希
土類元素としては、イオン半径が大きく価数として 3価
が安定なLaやNd等が好ましいことが分かる。
Here, as shown in FIG. 8, the valence 3+ of Ti in the perovskite type oxide used in the present invention is 3+.
In the range of δ, the ionic radius of the rare earth element is large and U /
The smaller the value of t, the more convenient it is to impart conductivity to the perovskite type oxide. That is, it is found that La or Nd, which has a large ionic radius and a stable valence of 3, is preferable as the rare earth element to be doped.

【0046】次に、断面TEMとEDXによって、Si
/RuN/Sr1-x Lax TiO3/SrTiO3 の界
面を観察した。SiとRuNとの界面ではSiの拡散は
見られず、急峻な界面が形成されていた。また、RuN
とSr1-x Lax TiO3 との界面には一部RuO2
形成されていたが、この酸化物は導電性を有するため、
誘電特性に影響を及ぼすことはなかった。Sr1-x La
x TiO3 とSrTiΟ3 との界面は格子の乱れが少な
く、LaのSrTiO3 中への拡散はほとんど見られな
かった。この膜厚20nmのSrTiO3 層を有する素子の
比誘電率は 250程度で、Sr1-x Lax TiO3 層を正
極側とした場合も負極側とした場合も、リーク電流は3V
印加時で 1×10-8A/cm2 以下であり、キャパシタとして
用いるのに十分な特性を有していることを確認した。
Next, by a cross-section TEM and EDX, Si
The interface of / RuN / Sr 1-x La x TiO 3 / SrTiO 3 was observed. No diffusion of Si was observed at the interface between Si and RuN, and a steep interface was formed. Also, RuN
RuO 2 was partially formed at the interface between Sr 1 -x La x TiO 3 and Sr 1-x La x TiO 3 , but since this oxide has conductivity,
It did not affect the dielectric properties. Sr 1-x La
the interface between the x TiO 3 and SrTiomikuron 3 is less disturbance of the lattice diffusion into the SrTiO 3 of La was hardly observed. The relative permittivity of the element having the SrTiO 3 layer having a film thickness of 20 nm is about 250, and the leakage current is 3 V regardless of whether the Sr 1-x La x TiO 3 layer is the positive electrode side or the negative electrode side.
It was 1 × 10 -8 A / cm 2 or less when applied, confirming that it has sufficient characteristics for use as a capacitor.

【0047】SrTi1-x Nbx 3 の場合と異なり、
Sr1-x Lax TiO3 層を正極側とした場合でもリー
ク電流が小さい原因は、Sr1-x Lax TiO3 のバン
ド構造に由来すると考えられる。電極層/Sr1-x La
x TiO3 /SrTiO3 /電極層の接合のバンド構造
は、図9に示すようになると考えられ、この場合にはS
1-x Lax TiO3 層を正極側とした場合でもキャリ
アの注入が起こらない。従って、La等の希土類元素を
ドープしたバッファ層を用いる場合には印加電圧の向き
によらず、キャパシタとして優れた特性を得ることがで
きる。
Unlike the case of SrTi 1-x Nb x O 3 ,
Even when the Sr 1-x La x TiO 3 layer is on the positive electrode side, the cause of the small leak current is considered to be due to the band structure of Sr 1-x La x TiO 3 . Electrode layer / Sr 1-x La
band structure of the bond x TiO 3 / SrTiO 3 / electrode layer is believed to be as shown in Figure 9, in this case S
Carrier injection does not occur even when the r 1 -x La x TiO 3 layer is on the positive electrode side. Therefore, when a buffer layer doped with a rare earth element such as La is used, excellent characteristics as a capacitor can be obtained regardless of the direction of the applied voltage.

【0048】なお、Laに代えてPr、Nd、Sm、Y
等の他の 3価の希土類元素を用いた場合にも同様な結果
が得られた。
In place of La, Pr, Nd, Sm, Y
Similar results were obtained using other trivalent rare earth elements such as.

【0049】実施例3 次に、Si(100) 基板上にエピタキシャル成長させたN
aCl型のNbNを導電性バリヤー層として用いた例に
ついて説明する。
Example 3 Next, N epitaxially grown on a Si (100) substrate was used.
An example in which aCl type NbN is used as the conductive barrier layer will be described.

【0050】成膜は反応性スパッタリングにより実施例
1と同様にして行った。NbNの成膜条件は、基板温度
を 723〜873Kの範囲に設定し、またN2 ガス圧を 1〜5m
Torr、Arガス圧を 5〜9mTorrの範囲に設定し、成膜速
度 0.1〜 0.5nm/sで50nm成膜した。SrTi1-x Nbx
3 層およびSrTiO3 層は、SrTiO3 層の厚さ
を30nmとしたことを除いて、実施例1と同様な条件で成
膜した。
The film formation was carried out in the same manner as in Example 1 by reactive sputtering. The NbN film forming conditions are as follows: the substrate temperature is set in the range of 723 to 873K, and the N 2 gas pressure is set to 1 to 5 m.
Torr and Ar gas pressures were set in the range of 5 to 9 mTorr, and a film was formed at 50 nm at a film forming rate of 0.1 to 0.5 nm / s. SrTi 1-x Nb x
The O 3 layer and the SrTiO 3 layer were formed under the same conditions as in Example 1 except that the thickness of the SrTiO 3 layer was 30 nm.

【0051】平面型TEMによってSiとNbNの面内
成長方位を観察したところ、図10に示すように、Si
〈001 〉方位に対してNbNの〈001 〉方位が揃い、N
bN(100)面がエピタキシャル成長することが確認され
た。NaCl型のNbNは格子定数 0.515nmであり、S
iの格子定数 0.543nmとのミスマッチは5.4%であるが、
成長表面は平坦であり、良好な単結晶薄膜となった。こ
のエピタキシャル成長したNbN上に成長したSrTi
1-x Nbx 3 /SrTiO3 は、図11に示すよう
に、NbNの〈011 〉方位に対してSrTiO3 /Sr
Ti1-x Nbx 3 の〈001 〉方位が揃って成長し、表
面平坦性は良好であった。
When the in-plane growth orientations of Si and NbN were observed by a planar TEM, as shown in FIG.
The <001> orientation of NbN is aligned with the <001> orientation, and N
It was confirmed that the bN (100) plane was epitaxially grown. NaCl-type NbN has a lattice constant of 0.515 nm and S
The mismatch of i with the lattice constant of 0.543 nm is 5.4%,
The growth surface was flat, resulting in a good single crystal thin film. SrTi grown on this epitaxially grown NbN
As shown in FIG. 11, 1-x Nb x O 3 / SrTiO 3 has a composition of SrTiO 3 / Sr with respect to the <011> orientation of NbN.
The Ti 1-x Nb x O 3 was grown in the <001> orientation, and the surface flatness was good.

【0052】次に、断面TEMおよびEDXにより積層
膜の界面を観察したところ、SiとNbNとの界面では
Siの拡散は起こっておらず、急峻な界面であることが
確認された。また、NbNとSrTi1-x Nbx 3
の界面には一部NbΟ2 が見られたが、NbO2 は導電
性があるため、誘電特性を阻害する要因にはならなかっ
た。さらにNbの濃度勾配を有するSrTi1-x Nbx
3 からなる導電性遷移層上のSrTiO3 層中には、
界面での歪みによる欠陥等がほとんど見られなかった。
これは、SrTi1-x Nbx 3 層がNbN層との格子
不整合性を緩和するバッファ層として作用するため、こ
の上に成長したSrTiO3 層の欠陥や歪みが低減され
たものと考えられる。この膜厚30nmのSrTiO3 層を
有する素子の比誘電率は 300程度で、リーク電流は3V印
加時で 1×10-8A/cm2 以下であり、キャパシタとして用
いるのに十分な特性を得ることができた。
Next, when the interface of the laminated film was observed by the cross-section TEM and EDX, it was confirmed that Si was not diffused at the interface between Si and NbN, and the interface was steep. Although Nbomikuron 2 were observed partially at the interface between the NbN and SrTi 1-x Nb x O 3 , NbO 2 because there is a conductive, did not become a factor inhibiting dielectric properties. Further, SrTi 1-x Nb x having a concentration gradient of Nb
In the SrTiO 3 layer on the conductive transition layer composed of O 3 ,
Almost no defects due to strain at the interface were observed.
It is considered that this is because the SrTi 1-x Nb x O 3 layer acts as a buffer layer that relaxes the lattice mismatch with the NbN layer, and thus the defects and strains of the SrTiO 3 layer grown thereon are reduced. To be The element having the SrTiO 3 layer having a thickness of 30 nm has a relative permittivity of about 300 and a leak current of 1 × 10 −8 A / cm 2 or less at the time of applying 3 V, which is sufficient characteristics for use as a capacitor. I was able to.

【0053】このように、誘電体薄膜素子では、NaC
l型のNbNからなる導電性バリヤー層をSi電極上に
エピタキシャル成長させることで、誘電体薄膜の結晶性
が高められ、誘電特性の向上が期待できる。なお、導電
性バリヤー層としてNaCl型のRuNを用いた場合に
も同様な結果が得られた。
Thus, in the dielectric thin film element, NaC
By epitaxially growing a conductive barrier layer made of l-type NbN on the Si electrode, the crystallinity of the dielectric thin film is enhanced, and the improvement of the dielectric property can be expected. Similar results were obtained when NaCl-type RuN was used as the conductive barrier layer.

【0054】実施例4 次に、従来から用いられているTiNを導電性バリヤー
層として用いた例について説明する。誘電体としてはS
0.5 Ba0.5 TiO3 を用いた。
Example 4 Next, an example in which conventionally used TiN is used as a conductive barrier layer will be described. S as a dielectric
r 0.5 Ba 0.5 TiO 3 was used.

【0055】成膜は反応性スッパリングにより行った。
すなわちTi、SrO、BaOおよびNbをターゲット
として用い、これら各スパッタソースを独立に制御する
ことにより組成を制御し、Si基板上にTiN層、Sr
0.5 Ba0.5 Ti1-x Nbx3 層、Sr0.5 Ba0.5
TiO3 層を順に積層した。まず、TiN層は基板温度
473〜673Kの範囲の所定値に設定し、N2 ガス5mTorrと
Arガス5mTorrを導入し、投入電力50〜100W、成膜速度
0.5〜 1nm/sの条件で膜厚 100nmで成膜した。その後、
TiN層上にSr0.5 Ba0.5 TiO3 を形成する際、
まず膜厚20nmにわたってNbをドープしてSr0.5 Ba
0.5 Ti1-x Nbx 3 を成膜した。TiとNbの組成
比は、TiターゲットおよびNbターゲットに投入する
電力を0〜100Wの範囲で調節することによって、x= 0〜
0.1の範囲の一定値に制御することが可能であった。S
0.5 Ba0.5 Ti1-x Nbx 3 の成膜は、基板温度
を673Kとし、Ο2 ガス1mTorrとArガス9mTorrを導入
し、成膜速度 0.1nm/sで20nm成膜した。Nbドープ量 x
は、電極近傍から20nmの膜厚にわたって、x= 0.1から x
=0まで濃度勾配を持たせた。次に、Ο2 酸素ガス5mTorr
とArガス5mTorrを導入し、成膜速度 0.1nm/sの条件
で、SrTi1-x Nbx 3 層上にSr0.5 Ba0.5
iO3 層を20nm成膜した。
The film formation was performed by reactive spattering.
That is, Ti, SrO, BaO, and Nb are used as targets, and the composition is controlled by controlling each of these sputter sources independently, and the TiN layer and Sr are formed on the Si substrate.
0.5 Ba 0.5 Ti 1-x Nb x O 3 layer, Sr 0.5 Ba 0.5
TiO 3 layers were sequentially stacked. First, the TiN layer is the substrate temperature
Set a predetermined value in the range of 473 to 673K, introduce N 2 gas 5mTorr and Ar gas 5mTorr, input power 50 to 100W, film formation rate
A film having a thickness of 100 nm was formed under the condition of 0.5 to 1 nm / s. afterwards,
When forming Sr 0.5 Ba 0.5 TiO 3 on the TiN layer,
First, Sr 0.5 Ba was doped with Nb to a film thickness of 20 nm.
A film of 0.5 Ti 1-x Nb x O 3 was formed. The composition ratio of Ti and Nb is x = 0 to by adjusting the electric power applied to the Ti target and the Nb target in the range of 0 to 100 W.
It was possible to control to a constant value in the range of 0.1. S
The film formation of r 0.5 Ba 0.5 Ti 1-x Nb x O 3 was performed at a substrate temperature of 673 K, 1 mTorr of O 2 gas and 9 mTorr of Ar gas were introduced, and a film thickness of 20 nm was formed at a film formation rate of 0.1 nm / s. Nb doping amount x
Is from x = 0.1 to x over the thickness of 20 nm from near the electrode.
There was a concentration gradient up to = 0. Next, Ο 2 oxygen gas 5mTorr
And Ar gas of 5 mTorr were introduced, and Sr 0.5 Ba 0.5 T was formed on the SrTi 1-x Nb x O 3 layer under the condition that the film formation rate was 0.1 nm / s.
An iO 3 layer was formed to a thickness of 20 nm.

【0056】ここで、Nbドープ量によるSr0.5 Ba
0.5 Ti1-x Nbx 3 の電気特性の変化は、実施例1
で示したSrTi1-x Nbx 3 の場合とほぼ同じであ
った。断面TEMとΕDXによりSi/TiN/Sr
0.5 Ba0.5 Ti1-x Nbx 3 /Sr0.5 Ba0.5
iO3 の界面を観察したところ、SiとTiNとの界面
ではSiの拡散は見られず、急峻な界面が形成されてい
た。また、TiNとSr0.5 Ba0.5 Ti1-x Nbx
3 との界面には一部TiO2 が形成されていた。通常、
TiΟ2 は比誘電率80程度の絶縁体であるが、ここでは
ΕDXによる元素分析によりTiΟ2 にはNbが拡散し
ていることが分かり、NbがドープされたTi1-x Nb
x 2 は導電性を有するため、誘電特性には影響を及ぼ
すことはなかった。さらに、Sr0.5 Ba0.5 Ti1-x
Nbx 3 とSr0.5 Ba0.5 TiO3 との界面は格子
の乱れが少なく、NbのSr0.5 Ba0.5 TiO3 中へ
の拡散はほとんど見られなかった。この膜厚20nmのSr
0.5 Ba0.5 TiO3 層を有する素子の比誘電率は 300
程度で、Sr0.5 Ba0.5 Ti1-x Nbx 3 層を負極
側とした場合のリーク電流は、 3V印加時で 1×10-8A/
cm2 以下であり、キャパシタとして用いるのに十分な特
性を得ることができた。
Here, Sr 0.5 Ba depending on the Nb doping amount
The change in the electrical characteristics of 0.5 Ti 1-x Nb x O 3 is shown in Example 1.
It was almost the same as the case of SrTi 1-x Nb x O 3 shown in. Si / TiN / Sr by cross-section TEM and EDX
0.5 Ba 0.5 Ti 1-x Nb x O 3 / Sr 0.5 Ba 0.5 T
Observing the interface of iO 3 , no diffusion of Si was observed at the interface between Si and TiN, and a sharp interface was formed. In addition, TiN and Sr 0.5 Ba 0.5 Ti 1-x Nb x O
A part of TiO 2 was formed at the interface with 3 . Normal,
TiO 2 is an insulator with a relative permittivity of about 80, but here it was found by elemental analysis by ΕDX that Nb was diffused into TiO 2, and N 1 -doped Ti 1-x Nb
Since xO 2 has conductivity, it did not affect the dielectric properties. Furthermore, Sr 0.5 Ba 0.5 Ti 1-x
The interface between Nb x O 3 and Sr 0.5 Ba 0.5 TiO 3 had little lattice disorder, and almost no diffusion of Nb into Sr 0.5 Ba 0.5 TiO 3 was observed. Sr with this film thickness of 20 nm
The relative permittivity of a device having a 0.5 Ba 0.5 TiO 3 layer is 300
The leakage current when the Sr 0.5 Ba 0.5 Ti 1-x Nb x O 3 layer is on the negative electrode side is 1 × 10 -8 A /
Since it was cm 2 or less, sufficient characteristics could be obtained for use as a capacitor.

【0057】次に、本発明の誘電体薄膜素子を適用した
DRAMの単純スタック型メモリーセル構成を図12に
示す。ここで、Si基板21と直接接したペロブスカイ
ト型酸化物の導電性遷移層15は、Siがやや拡散して
高抵抗となるため、メモリーセル間のクロストークの問
題はほとんど生じず、良好な特性を得ることができ、D
RAMへの応用が可能であることが確認された。なお図
12において、22は半導体電極に相当するSiプラ
グ、23は上部電極、24は下部ビット線、25は上部
ビット線、26はワード線、27はAl/Cu配線、2
8はイオン注入層、それ以外の部分は絶縁層である。
Next, FIG. 12 shows a simple stack type memory cell structure of a DRAM to which the dielectric thin film element of the present invention is applied. Here, since the perovskite-type oxide conductive transition layer 15 that is in direct contact with the Si substrate 21 has a high resistance due to a slight diffusion of Si, the problem of crosstalk between memory cells hardly occurs, and good characteristics are obtained. Can get D
It was confirmed that the application to RAM is possible. In FIG. 12, 22 is a Si plug corresponding to a semiconductor electrode, 23 is an upper electrode, 24 is a lower bit line, 25 is an upper bit line, 26 is a word line, 27 is Al / Cu wiring, and 2 is.
Reference numeral 8 is an ion implantation layer, and the other portions are insulating layers.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の誘電体薄
膜素子によれば、ペロブスカイト型酸化物からなる誘電
体薄膜と電極層との界面に低誘電率の絶縁層が生成した
り、誘電体薄膜中に歪みや欠陥等が発生することを防ぐ
ことができるため、ぺロブスカイト型酸化物からなる誘
電体薄膜の実効的な誘電率の低下を有効に防止すること
が可能となる。従って、比誘電率が高く、かつリーク電
流の少ない誘電体薄膜素子を提供することができる。
As described above, according to the dielectric thin film element of the present invention, an insulating layer having a low dielectric constant is formed at the interface between the dielectric thin film made of perovskite type oxide and the electrode layer, Since it is possible to prevent distortion and defects from occurring in the body thin film, it is possible to effectively prevent the effective dielectric constant of the dielectric thin film made of the perovskite type oxide from decreasing. Therefore, it is possible to provide a dielectric thin film element having a high relative dielectric constant and a small leak current.

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

【図1】 本発明の一実施形態による誘電体薄膜素子の
要部構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of a dielectric thin film element according to an embodiment of the present invention.

【図2】 SrTiΟ3 のバンド構造を模式的に示す図
である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a band structure of SrTiO 3 .

【図3】 本発明で導電性遷移層を形成した場合の界面
のエネルギーバンドを模式的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an energy band at an interface when a conductive transition layer is formed according to the present invention.

【図4】 金属とペロブスカイト型酸化物との界面のエ
ネルギーバンドを模式的示す図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing an energy band at an interface between a metal and a perovskite oxide.

【図5】 SrTi1-x Nbx Ο3 におけるNbのドー
ピング量 xによる電気抵抗率の変化を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a change in electrical resistivity depending on a doping amount x of Nb in SrTi 1-x Nb x O 3 .

【図6】 SrTi1-x Nbx Ο3 のバンド構造を模式
的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a band structure of SrTi 1-x Nb x O 3 .

【図7】 SrTi1-x Nbx Ο3 層を正極側とした場
合の電極層/SrTi1-x Nbx Ο3 /SrTiO3
電極層の接合のバンド構造を示す図である。
FIG. 7: Electrode layer / SrTi 1-x Nb x O 3 / SrTiO 3 / when the SrTi 1-x Nb x O 3 layer is on the positive electrode side
It is a figure which shows the band structure of junction of an electrode layer.

【図8】 ペロブスカイト型酸化物のハバードモデルの
相図である。
FIG. 8 is a phase diagram of a Hubbard model of a perovskite oxide.

【図9】 電極層/Sr1-x Lax TiΟ3 /SrTi
3 /電極層の接合のバンド構造を示す図である。
FIG. 9: Electrode layer / Sr 1-x La x TiO 3 / SrTi
O 3 is a diagram showing a band structure of a junction / electrode layer.

【図10】 Si(100)面とNbN(100)面の面内成長
方位の関係を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between in-plane growth orientations of a Si (100) plane and an NbN (100) plane.

【図11】 NbN(100)面とSrTi1-x Nbx Ο3
/SrTiΟ3 (100)面の面内成長方位の関係を示す図
である。
FIG. 11: NbN (100) plane and SrTi 1-x Nb x O 3
/ SrTiomikuron is a diagram showing the relationship between the in-plane growth orientation of 3 (100) plane.

【図12】 本発明の誘電体薄膜素子を適用したDRA
Mの単純スタック型メモリーセルの構成を示す図であ
る。
FIG. 12 is a DRA to which the dielectric thin film element of the present invention is applied.
It is a figure which shows the structure of the M simple stack type memory cell.

【図13】 従来の誘電体薄膜素子の一構成例を示す断
面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing one structural example of a conventional dielectric thin film element.

【図14】 従来の誘電体薄膜素子の他の構成例を示す
断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing another configuration example of a conventional dielectric thin film element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11……Si電極 12……導電性バリヤー層 13……電極層 14……ペロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜 15……導電性遷移層 16……誘電体層 11 ... Si electrode 12 ... Conductive barrier layer 13 ... Electrode layer 14 ... Dielectric thin film made of perovskite oxide 15 ... Conductive transition layer 16 ... Dielectric layer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電極層と、前記電極層上に形成されたペ
ロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜とを具備する
誘電体薄膜素子において、 前記誘電体薄膜は、前記電極層との界面近傍に遷移金属
元素がドーピングされてなる遷移領域を有し、前記遷移
領域は前記電極層側でドーパントの濃度が高濃度となる
ような濃度勾配を有することを特徴とする誘電体薄膜素
子。
1. A dielectric thin film element comprising an electrode layer and a dielectric thin film made of a perovskite type oxide formed on the electrode layer, wherein the dielectric thin film is provided near an interface with the electrode layer. A dielectric thin film element having a transition region doped with a transition metal element, wherein the transition region has a concentration gradient such that the concentration of the dopant becomes high on the electrode layer side.
【請求項2】 請求項1記載の誘電体薄膜素子におい
て、 前記電極層は、半導体電極と、前記誘電体薄膜側に形成
されたニオブ窒化物またはルテニウム窒化物からなる導
電性バリヤー層とを有し、かつ前記誘電体薄膜の遷移領
域には、ニオブまたはルテニウムがドーピングされてい
ることを特徴とする誘電体薄膜素子。
2. The dielectric thin film element according to claim 1, wherein the electrode layer has a semiconductor electrode and a conductive barrier layer made of niobium nitride or ruthenium nitride formed on the dielectric thin film side. The dielectric thin film element is characterized in that the transition region of the dielectric thin film is doped with niobium or ruthenium.
【請求項3】 電極層と、前記電極層上に形成されたペ
ロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜とを具備する
誘電体薄膜素子において、 前記誘電体薄膜は、前記電極層との界面近傍に希土類元
素がドーピングされてなる遷移領域を有し、前記遷移領
域は前記電極層側でドーパントの濃度が高濃度となるよ
うな濃度勾配を有することを特徴とする誘電体薄膜素
子。
3. A dielectric thin film element comprising an electrode layer and a dielectric thin film made of a perovskite type oxide formed on the electrode layer, wherein the dielectric thin film is provided near an interface with the electrode layer. A dielectric thin film element having a transition region doped with a rare earth element, the transition region having a concentration gradient such that the concentration of the dopant is high on the electrode layer side.
【請求項4】 請求項3記載の誘電体薄膜素子におい
て、 前記電極層は、半導体電極と、前記誘電体薄膜側に形成
されたニオブ窒化物またはルテニウム窒化物からなる導
電性バリヤー層とを有し、かつ前記誘電体薄膜の遷移領
域には、ランタンまたはネオジウムがドーピングされて
いることを特徴とする誘電体薄膜素子。
4. The dielectric thin film element according to claim 3, wherein the electrode layer has a semiconductor electrode and a conductive barrier layer made of niobium nitride or ruthenium nitride formed on the dielectric thin film side. The dielectric thin film element is characterized in that the transition region of the dielectric thin film is doped with lanthanum or neodymium.
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