JPH09512963A - ハイブリッド電極を用いた多結晶強誘電体コンデンサーヘテロ構造 - Google Patents
ハイブリッド電極を用いた多結晶強誘電体コンデンサーヘテロ構造Info
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Abstract
(57)【要約】
優れた信頼性と疲労や痕跡に対する耐性を有する強誘電体コンデンサーのヘテロ構造は、多結晶性金属酸化物を有する高導電性の白金のハイブリッド電極および結晶配向テンプレートの挿入が必須でないＳｉ−ＣＭＯＳ−適合可能な基板上に堆積した強誘電体材料を具備する。
Description
【発明の詳細な説明】
ハイブリッド電極を用いた多結晶強誘電体コンデンサーヘテロ構造
発明の背景
近年、バッファ層とテンプレート(template)とを適当に組合せることにより、
高品質結晶の強誘電体薄膜をシリコン基板上に成長させて、適切な結晶配向で所
望の物質相の結晶化や形成を開始させることが行われている。例えば、（略称）
ＹＳＺ(yttria-stabilized zirconia)は、化学洗浄された、［１００］Ｓｉウエ
ハー上のバッファ層として用いて、（略称）ＹＢＣＯ(yttrium-barium-cuprate)
のようなキュプレート(cuprate)超伝導体の後続層を成長させるための結晶テン
プレートを提供している。米国特許第５，１５５，６５８号では、高結晶品質の
、Ｃ軸配向された（略称）ＹＢＣＯを、（略称）ＰＺＴ(pseudo-cubic lead zir
conium titanate)ペロブスカイト(perovskite)強誘電体層および被覆としてのＹ
ＢＣＯ電極層を後続成長させるための構造テンプレートとして用いて、強誘電体
記憶素子を形成している。しかし、成長温度が高いので、Ｓｉ−ＣＭＯＳ加工に
おいては問題が生じていた。
改良された低温結晶成長が、酸化ランタン−ストロンチウム−コバルト（ＬＳ
ＣＯ）のような立方晶金属酸化物で後に成し遂げられたが、これは、（米国特許
第５，２７０，２９８号）、例えばビスマスチタン酸塩（ＢＴＯ）、積層ペロブ
スカイトのテンプレート層を用いてＬＳＣＯおよびＰＺＴ強誘電体オーバー層で
Ｃ軸配向を開始させて行ったものである。米国特許第５，２４８，５６４号では
、強誘電体装置の成長をさらに改善しているが、これは積層ＢＴＯまたは類似の
タングステン酸ビスマス（ＢＷＯ）のテンプレートを用いてＣＭＯＳ ＳｉＯ2
／Ｓｉ基板上に適合して形成することができるＬＳＣＯ／ＰＬＺＴ／ＬＳＣＯヘ
テロ構造中にチタン酸鉛−ランタン−ジルコニウム（ＰＬＺＴ）を使用して、実
現したものである。
このように温度限界を克服してＣＭＯＳ適合を達成することができたものの、
ＳｉＯ2／Ｓｉ基板上のヘテロ構造の電気導電率は、実際に集積回路に適用する
ためには不十分であった。１９９４年１０月５日に出願され、本願の譲受人と同
一の譲受人に譲渡された本願と同時係属の米国特許出願第０８／３１８，５８７
号に開示された方法に従って、積層ペロブスカイトテンプレート上に配向した白
金を中間エピタキシャル堆積することによって、この欠陥を取り除いた。しかし
ながら、テンプレートと結晶層成長の操作が追加されるため、デバイス加工が顕
著に長びくこととなった。
発明の概要
本発明で見出されたのは、意外にも、積層ペロブスカイト（例えばＢＴＯ等）
のテンプレート中間層はなくてもよいこと、そして白金等の金属の薄膜は、Ｔｉ
、ＴａまたはＴｉＯ2を下塗りした非晶質ＳｉＯ2表面を有する実用化グレード(c
ommercial-grade)のＳｉウエハー基板上に慣用手順により成長すると、所要の電
気シート導電率が得られ、また任意数の金属酸化物コンデンサー電極材料、例え
ばＬＳＣＯ、ＬａＳｒＣｒＯ3、ＲｕＯx、およびＳｒＲｕＯ3、の多結晶成長も
十分に支持され、その上、例えばＰＬＺＴやＰＺＴのペロブスカイト強誘電体中
間層を少なくとも１層同様に後続成長するのが支持されることである。このよう
な材料の望ましい強誘電体性能、特に、疲労や痕跡(imprint)に対する耐性、に
ついての性能は、多結晶成長によって害されることはなく、ランタンまたはニオ
ブを１％〜１０％ドーピングすることによって、さらに最適化することができる
。
初期に見出された、積層ヘテロ構造加工方法、例えば酸素雰囲気中で操作環境
温度まで成長層を制御冷却することによる方法では、得られた装置の強誘電体性
能に対して、特に、疲労、エージング、保持力および痕跡のような特性に関して
明らかである信頼性に、顕著な正の効果を持ち続ける。
図面の簡単な説明
本発明を、添付図を参照して説明する。
図１は、本発明の強誘電体ヘテロ構造の代表的な立断面図であり、
図２は、本発明によりＳｉ／ＳｉＯ2基板上への成長で得られた強誘電性の高
いヘテロ構造の代表的なＸ線回折パターンであり、
図３は、ＳｉＯ2層を有しない基板上への成長で得られた強誘電性の弱いヘテ
ロ構造の代表的なＸ線回折パターンであり、
図４は、ＬＳＣＯ電極下引き層上への成長で得られた強誘電性の高いヘテロ構
造の代表的なＸ線回折パターンであり、
図５は、ＬＳＣＯ電極下引き層なしでの成長で得られた強誘電性の弱いヘテロ
構造の代表的なＸ線回折パターンであり、
図６は、図２および図３で特徴づけられたヘテロ構造の試験で得られた比較用
ヒステリシスループのグラフであり、そして、
図７は、図４および図５で特徴づけられたヘテロ構造の試験で得られた比較用
ヒステリシスループのグラフである。
発明の詳細な説明
本発明により得られた典型的な強誘電体ヘテロ構造の記憶素子１０を図１に示
すが、これは［００１］に配向した単結晶シリコンウエハー１１を基板として備
え、その表面は熱ウエット酸化されて約１００ｎｍ厚の電子グレードの非晶質Ｓ
ｉＯ2層１２を形成している。圧電装置に特に有用な別のシリコンコーティング
層材料は、窒化珪素、ＳｉＮ4である。約２〜２．５Ｊ／ｃｍ2の範囲のエネルギ
ー密度でエキシマレーザ（２４８ｎｍ）を用いたパルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）
を使用して、約６００〜６８０℃の温度でＳｉＯ2層表面に、約５０ｎｍのチタ
ンの下塗り層１３を成長した。次いで、５０〜１５０ｎｍの白金金属層を同様に
、Ｔｉ層１３上に成長した。他の通常の成長技術、例えばスパッタリング、化学
蒸着（ＣＶＤ）および電子ビーム蒸着を、同様に採用することができ
る。
適切な組成のターゲットで、ＰＬＤ装置を用いて電極と強誘電体層を連続的に
蒸着した。約５５０℃から７００℃の通常の温度範囲で、かつ約１３．３Ｐａの
酸素分圧の雰囲気中で、ＬＳＣＯの第１電極層１５、典型的にはＬ1-xＳｒxＣｏ
Ｏ3（ここで、ｘは約０．１５から０．８５まで、好ましくは約０．５である）
の組成が、約５０〜１５０ｎｍ厚、好ましくは約１００ｎｍ厚、になるまで、Ｐ
ｔ層１４上に成長した。他の公知の金属酸化物電極材料、例えば、ＲｕＯx、Ｓ
ｒＲｕＯ3およびＬａＳｒＣｒＯ3、を同じく使用できる。
次に、ＰＬＺＴの強誘電体層１６を約１００〜５００ｎｍ、典型的には３００
ｎｍになるように設けた。ＰＬＺＴ材料の組成は、本実施例では、Ｐｂ0.9Ｌａ0 .1
Ｚｒ0.2Ｔｉ0.8Ｏ3であるが、何に応用することを意図しているかに応じて、
広い範囲で変化させることができる。また、１％から１０％までの範囲で、好ま
しくは約４％から６％の範囲で、ランタンまたはニオブをドーピングすることは
、強誘電体特性を最適化するのに有用である。他の強誘電体または常誘電(parae
lectric)材料、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、
チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、タンタル酸ビスマスストロンチウム、ニオブ酸
ビスマスストロンチウムおよびタンタル酸ニオブ酸カリウムは、高誘電率コンデ
ンサーへの応用において、また焦電装置および圧電装置において、層１６に同様
に使用できる。次いで、約１００ｎｍのＬＳＣＯの電極最上層１７を成長し、ヘ
テロ構造全体を約１×１０2〜約１×１０5Ｐａの範囲内の酸素分圧を有する雰囲
気中において約５〜２０℃／分の最適速度で周囲温度まで冷却した。完成した多
結晶ヘテロ構造をＸ線回折実験することにより、強誘電スタックがペロブスカイ
ト相中では十分であることを確認した。
通常のホトリソグラフィー法を用いて、直径５０μｍの試験コンデンサー電極
１８を上部ＬＳＣＯ層１７から形成し、その上にＰｔ／Ａｕ電気コンタクト１９
を堆積した。ボトム電極層１５との相補コンタクトが、この構造体のどこか他の
表面上で、大きな導電パッド（図示せず）を介して容量結合することによって実
現された。コンデンサーヘテロ構造の典型的な強誘電体試験を行ったところ、非
常に望ましい、疲労特性、エージング特性、および保持力特性を示し、
これらの特性は、長期持久記憶装置への応用に対して抜群に適している。この装
置によって示される５Ｖで約１５〜２０μＣ／ｃｍ2の残存分極値(remnant pola
rization value)は、この目的に対しては全く十分である。高温かつ直流バイア
スの存在下という、より極端な条件で行った追加試験でも、同様に十分満足な結
果を示した。例えば、約１００℃で装置は少なくとも１０11サイクル以上の優れ
たリードライト耐久性を示した。
さらにヘテロ構造を成長させて、本発明の加工の有効性を試験するためのサン
プルを用意した。このようなサンプルの１セットにおいて、第１ヘテロ構造はＳ
ｉＯ2層１２を含むように上記の如く調製し、一方、第２サンプルではＳｉＯ2を
省略した。図２および図３に描かれているサンプルの各Ｘ線回折パターンは、Ｓ
ｉＯ2中間層１２とともに成長したＰＬＺＴ層（図２）の優先的な強誘電配向と
、ＳｉＯ2層がないために生じた不純物相（図３）の弱い配向と回折ピークとを
示している。それらのパターンの各強度は特に注目に値する。
図４および図５の比較用Ｘ線回折パターンは、第２セットサンプルから得られ
た。この第２セットのサンプルは、ヘテロ構造スタック（図１）のＰＬＺＴ強誘
電体層１６の下にＰｔ層１４を有するハイブリッド金属／金属酸化物電極を形成
するのに必要なＬＳＣＯ層１５を含むか含まないかでそれぞれ異なっている。Ｌ
ＳＣＯ電極層１５の効果は、回折強度のみならず、ＰＬＺＴ強誘電体ペロブスカ
イト相（図４）のＸ線回折ピークに最も顕著に表れている。ＬＳＣＯ電極層なし
では、ＰＬＺＴの非強誘電性黄緑石相(pyro)のみが形成された（図５）。
引き続き強誘電体特性を測定したところ、これらのサンプルの比較用ヒステリ
シスループ（図６）で観察されるように、Ｓｉウエハー基板上に存在するＳｉＯ2
が有意に寄与していることがはっきりと示された。上述の測定法では、また、
ＬＳＣＯ電極層は強誘電体ペロブスカイト相の優先的な核生成と優れた強誘電性
信頼性特性とを可能にする両表面特性を提供するという別の利点が確認された。
ＬＳＣＯ電極層を設けあるいは設けないで製造されたヘテロ構造の比較用ヒステ
リシスループ（図７）は、後者のサンプルにおいては強誘電体特性が実質的に存
在しないことを示している。
本発明の方法と強誘電体ヘテロ構造コンデンサー材料は、ＤＲＡＭコンデン
サー用誘電体、非破壊読み出し用メモリーの強誘電体ＦＥＴ素子および光集積回
路や焦電探知器用のＳｉＯ2／Ｓｉ基板上に成長した電気−光ペロブスカイトの
ような広範囲の装置に適用される。これらの強誘電体の別の重要な面において、
ハイブリッド金属／金属酸化物電極を用いた薄膜は、ＦＲＡＭのような持久記憶
貯蔵装置に適用される。
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）および磁気記録感知素子の形の
追加装置は、本発明によって可能にされた強誘電磁気素子やトランジスタ回路を
集積化することにより実現することができる。このような構造は、強誘電体材料
の圧電特性を利用した集積化超小型電気機械システムへの使用にも特に価値があ
る。これらの応用例や他の応用例は上述の説明からいわゆる当業者にとって明ら
かであり、また添付した請求項で明示される本発明の範囲内のものとして考慮さ
れるべきである。
─────────────────────────────────────────────────────
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
Ｈ０１Ｌ 27/108
29/788
29/792
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １．下塗りされたシリコン化合物表面を有するシリコン基板と、前記表面上に成 長した少なくとも１つの結晶性強誘電体材料層とを具備する強誘電体コンデンサ ーヘテロ構造であって、前記表面上に成長した金属層が前記ヘテロ構造に導電性 を与え、かつ該金属層上に成長した金属酸化物層が前記強誘電体層のためのハイ ブリッドコンデンサー電極基板を形成していることを特徴とする強誘電体コンデ ンサーヘテロ構造。 ２．前記シリコン化合物が二酸化珪素および窒化珪素からなる群から選ばれ、か つチタン、タンタルおよび二酸化チタンからなる群から選ばれる化合物で下塗り されていることを特徴とする請求項１に記載の構造。 ３．前記金属層が本質的に白金からなることを特徴とする請求項１に記載の構造 。 ４．前記金属酸化物層が、酸化ランタンストロンチウムコバルト、酸化ランタン ストロンチウムクロム、酸化ルテニウムおよび酸化ストロンチウムルテニウムか らなる群から選ばれる物質の多結晶成長物を含むことを特徴とする請求項１に記 載の構造。 ５．前記強誘電体層が、チタン酸鉛ランタンジルコニウム、チタン酸バリウム、 チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、タンタル酸 ビスマスストロンチウム、ニオブ酸ビスマスストロンチウムおよびタンタル酸ニ オブ酸カリウムからなる群から選ばれる物質の多結晶成長物を含むことを特徴と する請求項１に記載の構造。 ６．前記強誘電体層材料が、ランタンおよびニオブからなる群から選ばれるドー ピング物質を１％〜１０％含有することを特徴とする請求項４に記載の構造。 ７．下塗りされたシリコン化合物表面層を有するシリコン基板上に少なくとも１ 層の結晶性強誘電体材料層を成長させた強誘電体コンデンサーのヘテロ構造を製 造するための方法であって、前記表面層上に金属層を成長して前記ヘテロ構造に 導電性を与え、かつ前記金属上に金属酸化物層を成長して該金属酸化物で前記強 誘電体層のためにハイブリッドコンデンサー電極基板を形成することを特徴とす る強誘電体コンデンサーヘテロ構造を製造する方法。 ８．前記シリコン化合物が、チタン、タンタルおよび二酸化チタンからなる群か ら選ばれる化合物で下塗りされており、かつ前記金属層が本質的に白金からなる ことを特徴とする請求項７に記載の方法。 ９．前記金属酸化物層が、酸化ランタンストロンチウムコバルト、酸化ランタン ストロンチウムクロム、ルテニウム酸化物および酸化ストロンチウムルテニウム からなる群から選ばれる物質の多結晶成長によって形成されることを特徴とする 請求項７に記載の方法。 １０．前記強誘電体層が、前記金属酸化物層上に多結晶成長させることによって 形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。 １１．前記強誘電体層の物質が、チタン酸鉛ランタンジルコニウム、チタン酸バ リウム、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、タ ンタル酸ビスマスストロンチウム、ニオブ酸ビスマスストロンチウムおよびタン タル酸ニオブ酸カリウムからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１０に 記載の方法。 １２．前記金属酸化物の電極層が前記強誘電体層上に成長することを特徴とする 請求項１０に記載の方法。 １３．前記強誘電体層が、約５５０℃から７００℃の範囲の温度で、前記ハイブ リッドコンデンサー電極基板上に成長し、かつ前記成長温度から操作周囲温度ま で、約１×１０2から１×１０5ａの範囲の酸素分圧を有する雰囲気中で、約５℃ ／分から２５℃／分の速度で冷却されることを特徴とする請求項７に記載の方法 。
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