JPH0931635A - Bi系強誘電体薄膜形成用ターゲット材及びBi系強誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents

Bi系強誘電体薄膜形成用ターゲット材及びBi系強誘電体薄膜の製造方法

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JPH0931635A
JPH0931635A JP7181780A JP18178095A JPH0931635A JP H0931635 A JPH0931635 A JP H0931635A JP 7181780 A JP7181780 A JP 7181780A JP 18178095 A JP18178095 A JP 18178095A JP H0931635 A JPH0931635 A JP H0931635A
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JP
Japan
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thin film
film
target material
ferroelectric substance
bismuth
Prior art date
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Application number
JP7181780A
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English (en)
Inventor
Tsutomu Atsugi
勉 厚木
Masa Yonezawa
政 米澤
Katsumi Ogi
勝実 小木
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタリング法により、残留分極値が大き
く、膜疲労のない、良好な電気特性を有するBi系強誘
電体薄膜を形成する。 【解決手段】 金属組成比が{Sra (Bab ,Pb
c )}x BiY (Ta及び/又はNb)z (ただし、
0.4≦X<1.0,1.5≦Y≦3.5,Z=2,
0.7X≦a<X,0<b+c≦0.3X)のBi系強
誘電体薄膜形成用ターゲット材。このターゲット材を用
いて、スパッタリング法により成膜を行い、成膜中及び
/又は成膜後に熱処理を行って結晶化させる。 【効果】 0.4≦X<1とすることで、残留分極が大
きく、膜疲労の少ない強誘電体膜が提供される。Srの
Ba置換で抗電界を小さくできる。SrのPb置換で残
留分極を大きくできる。TaのNb置換で残留分極を多
少大きくできる。スパッタリング法により、強誘電性で
残留分極が大きく膜疲労の少ない強誘電体薄膜を製造で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体メモリや光
スイッチ等に用いられるBi系強誘電体薄膜形成用ター
ゲット材及びBi系強誘電体薄膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、Sr,Ba,Pb,Bi,Ta,
Nbを含む誘電体組成としてはSrBi2 Ta29
BaBi2 Ta29 ,PbBi2 Nb29 等が知ら
れている。これらのうち、特に、SrBi2 Ta29
材料は薄膜化した際に、PZTに見られるような分極反
転を繰り返すと分極が小さくなるという膜疲労が少ない
ことから、半導体メモリに組み込むことによって、その
ヒステリシス特性を利用した不揮発性メモリへ応用する
ことが考えられている。
【0003】このSrBi2 Ta29 薄膜の形成方法
として、PCT公開公報WO94/10702には、組
成比をSr:Bi:Ta=1:2.4:2として前駆体
溶液を調製した後、成膜、乾燥、仮焼を繰り返して結晶
化を行う方法(ゾルゲル法)が記載されている。
【0004】なお、従来の(Sr,Ba,Pb)−Bi
−(Ta,Nb)系誘電体形成用組成物の組成は(S
r,Ba,Pb):Bi:(Ta,Nb)=1:1.8
〜4:2であり(即ち、(Sr,Ba,Pb)=1)、
(Sr,Ba,Pb)<1の組成の報告例はない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のSrBi2 Ta
29 の分極値は、バルクの分極値でPr=5.8μC
/cm2 である。将来、強誘電体材料が高集積化された
時に必要とされる残留分極値は256Mbで2Pr=1
5μC/cm2 以上といわれており、従って、膜疲労が
より一層低減された薄膜を得るためにはこの材料の残留
分極値の改善が望まれる。なお、PbBi2 Nb29
はバルクの分極値がSrBi2 Ta29よりも大きい
が、Pbを含むため、良好な疲労特性が得られない。
【0006】本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされ
たものであり、残留分極値が大きく、膜疲労がない、良
好な電気特性を有するBi系強誘電体薄膜をスパッタリ
ング法により形成することができるBi系強誘電体薄膜
形成用ターゲット材及びBi系強誘電体薄膜の形成方法
を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のBi系強誘電体
薄膜形成用ターゲット材は、金属組成比(モル比)が
A:B:C=X:Y:Zで表され(ただし、AはSrと
Ba及び/又はPb,BはBi,CはTa及び/又はN
bを示す。)、0.4≦X<1.0,1.5≦Y≦3.
5,Z=2であり、Sr:Ba:Pb=a:b:cで表
したときに、0.7X≦a<X,0<b+c≦0.3X
となるように金属酸化物粉末を混合し、得られた混合物
を焼結してなることを特徴とする。
【0008】本発明のBi系強誘電体薄膜の形成方法
は、請求項1のターゲット材を用いて、スパッタリング
法により成膜を行い、成膜中及び/又は成膜後に熱処理
を行って結晶化させることを特徴とする。
【0009】本発明に係る金属組成は、従来提供されて
いるSr−Bi−Ta系の強誘電性を向上させるため
に、組成中のSrの一部をBa及び/又はPbで置換す
ると共に、更に場合により、Taの一部又は全部をNb
で置換したものであり、このような組成のターゲット材
を用いることにより、残留分極が大きく、膜疲労の少な
い高特性強誘電性Bi系強誘電体を製造することが可能
とされる。
【0010】即ち、本来、化学量論比は例えばSr−B
i−Ta系ではSr:Bi:Ta=1:2:2である
が、強誘電性を向上させるためターゲット材組成でSr
の組成比Xを1より小さくかつ0.4以上とすること
で、残留分極が大きく、膜疲労の少ない強誘電体膜が提
供される。
【0011】また、Srの一部をBaで置き換えること
により、抗電界を小さくする作用が奏されるが、この割
合がPbとの合計でXに対して0.3を超えると、残留
分極も低下してしまう。Srの一部をPbで置換した場
合は、残留分極を大きくする作用が奏されるが、抗電界
も大きくしてしまう他に、Pb系では膜疲労の問題が発
生する。このため、Pb及び/又はBaの割合はXに対
して0.3以下とする。
【0012】Biは少ないと良好な特性が得られない
が、多くしすぎると膜がリーキーとなる。
【0013】更に、TaをNbで置換した場合には、残
留分極の若干の改善がみられる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
【0015】本発明のBi系強誘電体薄膜形成用ターゲ
ット材において、A:B:C=X:Y:Z(ただし、A
はSrとBa及び/又はPb,BはBi,CはTa及び
/又はNbを示す。)で表される金属組成比(モル比)
で、Xが0.4以上1未満であるため、残留分極が大き
く、膜疲労の少ない強誘電体膜が得られる。Xが0.4
未満であると残留分極が著しく低下する。
【0016】Yが1.5未満では良好な特性が得られ
ず、3.5を超えると膜がリーキーとなるため、1.5
≦Y≦3.5とする。
【0017】ZはSr−Bi−Ta系の化学量論比でZ
=2とする。
【0018】Srの一部をBaで置換することにより抗
電界を小さくする作用が得られるが、この置換割合が過
度に多いと残留分極の低下を引き起こす。また、Srの
一部をPbで置換することにより、残留分極の増大が図
れるが、この置換割合が過度に大きいと抗電界も増大す
る。このため、Ba及び/又はPbの置換割合は、S
r:Ba:Pb=a:b:cで表したときに、0.7X
≦a<X,0<b+c≦0.3Xとなるようにする。
【0019】更に、Taの一部又は全部をNbで置換す
ることにより残留分極を大きくすることができる。この
置換割合は、特に、Ta:Nb=m:1−mで表したと
きに、mは0≦m≦0.7の範囲であることが好まし
い。
【0020】このような本発明のBi系強誘電体薄膜形
成用ターゲット材は、上記金属組成比が得られるよう
に、金属酸化物粉末を混合し、混合物をホットプレス、
HIP等により焼結することにより容易に調製すること
ができる。
【0021】なお、焼結条件としては、例えば、ホット
プレス法の場合、温度800〜1200℃、圧力30〜
400kg/cm2 で、1×10-1〜1×10-5Tor
rの減圧ないし真空雰囲気下、30分〜4時間とするの
が好ましい。
【0022】なお、本発明のBi系強誘電体薄膜形成用
ターゲット材においては、上記金属元素の他、特性向上
のための添加剤として、イオン半径の近い希土類元素、
例えば、La,Ce,Pr,Nd,Eu,Tb,Dy,
Er,Yb等の化合物を含有していても良い。この場
合、これらの添加元素の添加量は、Ta或いはNbに対
して0〜0.15倍モルとするのが好ましい。
【0023】本発明のBi系強誘電体薄膜の製造方法で
は、このようなBi系強誘電体薄膜形成用ターゲット材
を用いて常法に従ってスパッタリング法により基板表面
に成膜を行い、成膜中及び/又は成膜後に熱処理を行っ
て結晶化させる。
【0024】ここで、基板としては、Pt/Ti/Si
2 /Si基板、Pt/Ta/SiO2 /Si基板,P
t/SiO2 /Si基板、Ir/IrO2 /Si基板、
Pt/TiN/SiO2 /Si基板、Pt/Ir/Si
2 /Si基板、(Pt−Ir合金)/IrO2 /Si
基板、Pt/Ir/IrO2 /Si基板等を用いること
ができる。
【0025】スパッタリング条件としては、下記のよう
な条件を採用するのが好ましい。
【0026】成膜温度 :室温〜800℃ RFパワー:20〜500W ガス圧 :1×10-2〜1×10-5Torr また、成膜中及び成膜後の熱処理は600〜900℃で
30分〜3時間程度とするのが好ましい。
【0027】なお、このようにして製造されるBi系強
誘電体薄膜の膜厚は、10nm〜1μm、特に80〜8
00nmであることが好ましい。この膜厚が10nm未
満では薄すぎるため絶縁性を得にくく、1μmを超える
と粒成長が激しく表面が粗れるため、10nm〜1μm
の範囲とするのが好ましい。
【0028】
【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をよ
り具体的に説明する。
【0029】実施例1〜16、比較例1〜20 Ta25 ,Nb25 ,Bi23 ,SrO,Ba
O,PbOの各金属酸化物粉末を表1〜3に示す金属組
成となるように混合し、得られた混合物を下記条件にて
ホットプレス法により焼結して薄膜形成用ターゲット材
を製造した。
【0030】ホットプレス条件 温度 :1100℃ 加圧力:150kg/cm2 雰囲気:10-4Torr 時間 :2時間 得られたターゲット材を用いて、下記スパッタリング条
件にてPt/Ti/SiO2 /Si基板上に成膜を行っ
た。
【0031】スパッタリング条件 成膜温度 :350℃ RFパワー :300W ガス圧 :1〜3×10-2Torr O2 /Ar比:1(体積比) 成膜速度 :120〜150Å/min その後、表1〜3に示す温度で表1に示す時間熱処理し
て結晶化を行った。形成されたBi系強誘電体薄膜の膜
厚は表1〜3に示す通りである。
【0032】得られた薄膜上に上部電極としてPt膜を
スパッタリングにより形成し、その後、800℃で10
分間アニール処理を行って試料とした。
【0033】各試料の残留分極、抗電界及び膜疲労特性
(1010回反転後の残留分極の初期値に対する割合
(%))を調べ、結果を表1〜3に示した。
【0034】表1〜3より、本発明により製造されるB
i系強誘電体薄膜は、残留分極が大きく、抗電界も良好
な値であり、膜疲労が少ないことが明らかである。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】
【表3】
【0038】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、ス
パッタリング法により、強誘電性で残留分極が大きく、
膜疲労の少ない高特性Bi系強誘電体薄膜を形成するこ
とができる。
【0039】本発明のBi系強誘電体薄膜を半導体メモ
リ等に使用した場合には、膜疲労のない優れたデバイス
を作製することが可能である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 27/10 451 C04B 35/00 J 27/108 H01L 27/10 651 21/8242

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属組成比(モル比)がA:B:C=
    X:Y:Zで表され(ただし、AはSrとBa及び/又
    はPb,BはBi,CはTa及び/又はNbを示
    す。)、0.4≦X<1.0,1.5≦Y≦3.5,Z
    =2であり、Sr:Ba:Pb=a:b:cで表したと
    きに、0.7X≦a<X,0<b+c≦0.3Xとなる
    ように金属酸化物粉末を混合し、得られた混合物を焼結
    してなるBi系強誘電体薄膜形成用ターゲット材。
  2. 【請求項2】 請求項1のターゲット材を用いて、スパ
    ッタリング法により成膜を行い、成膜中及び/又は成膜
    後に熱処理を行って結晶化させることを特徴とするBi
    系強誘電体薄膜の形成方法。
JP7181780A 1995-05-22 1995-07-18 Bi系強誘電体薄膜形成用ターゲット材及びBi系強誘電体薄膜の製造方法 Pending JPH0931635A (ja)

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KR1019960017151A KR100381498B1 (ko) 1995-05-22 1996-05-21 비스무스계유전체박막및그의형성방법및그박막형성용조성물
US08/651,593 US5807495A (en) 1995-05-22 1996-05-22 Bi-based dielectric thin films, and compositions and method for forming them

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004077565A1 (ja) * 2003-02-27 2004-09-10 Tdk Corporation 薄膜容量素子ならびにそれを含んだ電子回路および電子機器
WO2004077564A1 (ja) * 2003-02-26 2004-09-10 Tdk Corporation 薄膜容量素子ならびにそれを含んだ電子回路および電子機器

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Effective date: 20030114