JPH10144876A - High integration ferroelectric memory - Google Patents

High integration ferroelectric memory

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JPH10144876A
JPH10144876A JP8302701A JP30270196A JPH10144876A JP H10144876 A JPH10144876 A JP H10144876A JP 8302701 A JP8302701 A JP 8302701A JP 30270196 A JP30270196 A JP 30270196A JP H10144876 A JPH10144876 A JP H10144876A
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JP
Japan
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ferroelectric
capacitor
crystalline
memory
particles
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Application number
JP8302701A
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Japanese (ja)
Inventor
Choichiro Okazaki
暢一郎 岡▲崎▼
Masahiko Hiratani
正彦 平谷
Kazumasa Takagi
一正 高木
Keiko Kushida
惠子 櫛田
Kazunari Torii
和功 鳥居
Takeshi Sakata
健 阪田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high integration ferroelectric memory in which relative number of malfunctioning element elements can be decreased even if fine patterning is accelerated by specifying the half-band width of X-ray diffraction and diffraction angle indicative of the ferroelectricity of a crystalline ferroelectric material constituting a ferroelectric capacitor. SOLUTION: The high integration ferroelectric memory comprises a ferroelectric capacitor wherein the half-band width Δωdeg. of the rocking curve of X-ray diffraction from the crystalline structure indicative of ferroelectricity of a crystalline ferroelectric material constituting the capacitor and the diffraction angle θ0 providing a diffraction peak of θ-2θmethod satisfy formula (b) and the degree of integration is 1Gbit or above. In the formula, θ0 degree on θ-axis, S: area of ferroelectric capacitor μm<2> , d: thickness of ferroelectric μm, r: mean radius of ferroelectric particles μm. Since a crystalline ferroelectric layer having arranged orientation is employed, fluctuation can be suppressed in the ferroelectric characteristics of a high integration ferroelectric capacitor.

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、超LSI(Large S
cale Integrated circuit)などの半導体デバイスに好適
な記憶素子(メモリ)に関する。
[0001] The present invention relates to a super LSI (Large S)
The present invention relates to a storage element (memory) suitable for a semiconductor device such as a cale integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイナミック・ランダム・アクセスメモ
リ(DRAM)は3年で4倍の高集積化を達してきた
が、高集積化に伴うキャパシタ面積の縮小と、それに伴
うセル構造の複雑化、コスト上昇等の問題が懸念されて
いる。そのため、これまでキャパシタ絶縁膜として用い
られてきたシリコン酸化物、シリコン窒化物の代わりに
BST((BaxSr1-x)TiO3)、STO(SrTiO3)等の比誘電率
が数百〜数千と非常に大きい高誘電体をキャパシタ絶縁
膜に適用することが検討されている。これに関連する技
術は、例えば特開平7−86514号公報に記載されて
いる。
2. Description of the Related Art A dynamic random access memory (DRAM) has attained a fourfold higher integration in three years. However, the capacitor area has been reduced due to the higher integration, and the cell structure has been complicated and the cost has been increased. There are concerns about such issues as rising prices. Therefore, instead of silicon oxide and silicon nitride, which have been used as capacitor insulating films,
It is being studied to apply a high dielectric substance having a very large relative dielectric constant of several hundreds to several thousands, such as BST ((Ba x Sr 1-x ) TiO 3 ) or STO (SrTiO 3 ), for the capacitor insulating film. . A technique related to this is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-86514.

【0003】これに対し、PZT(Pb(Zrx、Ti1ーx)
O3)、SBT(SrBi2Ta2O9)、PLZT(Pb1ーy、Lay)(Z
rx、Ti1ーx)1-y/4O3)等の強誘電体の、分極反転ヒステリ
シスを不揮発性の原理とする、いわゆる強誘電体メモリ
(もしくは不揮発性DRAM)の研究開発が盛んに行な
われており、1メガビットの集積度のメモリが試作され
るに至っている(日経エレクトロニクス、1996年2
月12日号、No.655、p.115)。PZT又は
PLZTを用いた強誘電体メモリに関しては、例えば特
開平5−226322号公報、特開平6−177347
号公報、特開平7−78944号公報、特開平7−94
681号公報、特開平7−142600号公報、特表平
7−504784号公報、特開平8−51165号公
報、特開平3−110861号公報、特開平5−343
345号公報、及び特開平7−99252号公報に技術
的な開示がある。
On the other hand, PZT (Pb (Zr x , Ti 1-x ))
O 3 ), SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ), PLZT (Pb 1−y , La y ) (Z
Research and development of so-called ferroelectric memories (or non-volatile DRAMs) that use polarization inversion hysteresis as the non-volatile principle for ferroelectrics such as r x , Ti 1-x ) 1-y / 4 O 3 ) (Nikkei Electronics, February 1996).
No. 12, issue No. 655, p. 115). With respect to ferroelectric memories using PZT or PLZT, see, for example, JP-A-5-226322 and JP-A-6-177347.
JP, JP-A-7-78944, JP-A-7-94
681, JP-A-7-142600, JP-T-7-504784, JP-A-8-51165, JP-A-3-110861, and JP-A-5-343.
There are technical disclosures in JP-A-345-345 and JP-A-7-99252.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】強誘電体を用いた不揮
発性DRAMは、強誘電体の自発分極の反転を利用して
おり、この自発分極は強誘電体の配向方向と密接に関係
している。1メガビットの集積度では、キャパシタの大
きさは10〜20μm2程度であるが、将来的には1ギ
ガビットの集積度になり、この際のキャパシタ面積は
0.12μm2程度となる。強誘電体粒子の粒子径を
0.1μmとするとキャパシタ面内方向には10個程度
の強誘電体粒子しか含まれず、これらのうちの1つが別
の配向になったり、あるいは不純物が混在してしまうと
そのキャパシタの残留分極が大きく減少してしまい、メ
モリとして動作しなくなってしまう。
A non-volatile DRAM using a ferroelectric uses inversion of spontaneous polarization of the ferroelectric, and the spontaneous polarization is closely related to the orientation direction of the ferroelectric. I have. At the integration of 1 megabit, the size of the capacitor is about 10 to 20 μm 2 , but it will be 1 gigabit in the future, and the capacitor area at this time will be about 0.12 μm 2 . If the particle diameter of the ferroelectric particles is 0.1 μm, only about 10 ferroelectric particles are included in the in-plane direction of the capacitor, and one of these ferroelectric particles has a different orientation or contains impurities. If this occurs, the remanent polarization of the capacitor will be greatly reduced, and the capacitor will not operate as a memory.

【0005】このように素子の微細化が進行するにつれ
て、1メモリ素子に含まれる強誘電体粒子数は減少し、
特に1ギガビット以上の集積度を有する不揮発性メモリ
においてはキャパシタ内の強誘電体粒子の配向性を高く
しなければ、動作不良素子数が増加してしまう。
As described above, as the device becomes finer, the number of ferroelectric particles contained in one memory device decreases.
In particular, in a nonvolatile memory having an integration degree of 1 gigabit or more, unless the orientation of the ferroelectric particles in the capacitor is increased, the number of malfunctioning elements increases.

【0006】メモリ素子(記憶素子)の容量膜を構成す
る強誘電体の配向性については、上述の特開平7−86
514号公報、特開平5−226322号公報、特開平
6−177347号公報、特開平7−78944号公
報、特開平7−94681号公報、特開平7−1426
00号公報、特表平7−504784号公報、及び特開
平8−51165号公報にコメントがある。特に、特開
平7−142600号公報においては白金(Pt)薄膜
とPZT又はPLZTからなる結晶性強誘電体薄膜との
間にBaTiO3、SrTiO3、BaO、SrO、Ce
2、又はMgOからなる配向制御層を設けることによ
り、当該強誘電体膜がその(111)結晶面iのX線回
折におけるピーク曲線が4.4°の半値幅を持つ配向性
の高い膜として形成されることが教示されている。ま
た、特表平7−504784号公報では単結晶基板上に
伝導性ペロブスカイト薄膜を形成し、この上にPZT又
はPLZTからなる強誘電性膜を形成する技術を開示す
る。この公報では、優れた強誘電性メモリを実現するに
は当該強誘電性膜のc軸配向(膜を構成する結晶のc軸
が膜厚方向に向くこと)が80%以上であるべきで、望
ましくは90%以上と教示した上で、その実現手段とし
て当該強誘電性膜を遷移温度以上で成長させた後、急速
に冷却する技術を開示する。
The orientation of the ferroelectric material constituting the capacitance film of a memory element (memory element) is described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-86.
514, JP-A-5-226322, JP-A-6-177347, JP-A-7-78944, JP-A-7-94681, and JP-A-7-1426.
No. 00, JP-A-7-504784, and JP-A-8-51165 have comments. In particular, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-142600, BaTiO 3 , SrTiO 3 , BaO, SrO, Ce are interposed between a platinum (Pt) thin film and a crystalline ferroelectric thin film made of PZT or PLZT.
By providing an orientation control layer made of O 2 or MgO, the ferroelectric film has a film with high orientation having a peak curve in X-ray diffraction of its (111) crystal plane i having a half width of 4.4 °. It is taught to be formed as Japanese Patent Publication No. 7-504784 discloses a technique in which a conductive perovskite thin film is formed on a single crystal substrate, and a ferroelectric film made of PZT or PLZT is formed thereon. According to this publication, in order to realize an excellent ferroelectric memory, the c-axis orientation of the ferroelectric film (the c-axis of the crystal constituting the film should be oriented in the film thickness direction) should be 80% or more. Preferably, the technique is taught to be 90% or more, and as a means for achieving this, a technique is disclosed in which the ferroelectric film is grown at a transition temperature or higher and then cooled rapidly.

【0007】しかし、上述のいずれの公報においても1
ギガ・ビット以上の集積度を有する強誘電体メモリ素子
において、その容量膜を構成する強誘電体粒子に要請さ
れる配向性を具体的に論じておらず、従って強誘電体メ
モリの生産にあたり、製品の信頼性を保つための条件
(基準)を見出せなかった。即ち、強誘電体の結晶から
なる容量膜の結晶配向が完全に揃っていれば集積度が如
何に増加に対しても残留分極の問題は浮上しないが、現
実には強誘電体粒子の配向性のばらつきを完全に抑える
ことは困難である。このため、メモリ素子の集積度に応
じ許容される配向性のばらつきを明らかにすることが必
要であり、且つその評価がX線回折等のデータにより簡
便にできる(換言すれば、生産ラインにおけるメモリ素
子の非破壊検査でチェックできる)ことが望まれる。こ
の要請は、強誘電体メモリ素子の微細化が進行し又は集
積度が増加するにつれて高まり、この素子を集積した半
導体装置においては不良動作素子数を軽減するために強
誘電体粒子の配向性の下限値を見出すことが不可欠とな
る。
However, in any of the above publications, 1
In a ferroelectric memory device having an integration degree of giga bits or more, the orientation required for the ferroelectric particles constituting the capacitance film is not specifically discussed, and therefore, in producing a ferroelectric memory, No conditions (criteria) for maintaining product reliability could be found. In other words, if the crystal orientation of the capacitor film composed of ferroelectric crystals is perfectly aligned, the problem of remanent polarization does not emerge regardless of the degree of integration, but in reality, the orientation of the ferroelectric particles does not increase. It is difficult to completely suppress the variation of. For this reason, it is necessary to clarify the variation in the orientation that is allowed according to the degree of integration of the memory element, and the evaluation can be simplified by data such as X-ray diffraction (in other words, the memory in the production line). It can be checked by nondestructive inspection of the device). This demand increases as the miniaturization of the ferroelectric memory element progresses or as the degree of integration increases, and in a semiconductor device integrated with this element, the orientation of the ferroelectric particles is reduced in order to reduce the number of defective operation elements. Finding the lower limit is essential.

【0008】本発明が解決しようとする課題は、1ギガ
ビット以上の集積度を有する強誘電体メモリ素子におい
て必要とされるキャパシタ(容量膜)を構成する強誘電
体粒子の配向性の下限値を規定し、高集積強誘電体メモ
リの歩留まりを良くすることにある。
The problem to be solved by the present invention is to set the lower limit of the orientation of ferroelectric particles constituting a capacitor (capacitance film) required in a ferroelectric memory element having an integration degree of 1 gigabit or more. And to improve the yield of the highly integrated ferroelectric memory.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】我々は、前記課題を解決
するための検討を重ねた結果、高集積強誘電体メモリに
おいて、メモリ動作するために必要とされる、キャパシ
タの大きさと配向性との関係を規定し、素子の微細化が
進行しても、動作不良素子の相対数を軽減することを可
能とした。
As a result of repeated studies to solve the above-mentioned problems, we have found that in a highly integrated ferroelectric memory, the size and orientation of a capacitor required for the memory operation are required. And the relative number of malfunctioning elements can be reduced even if the elements are miniaturized.

【0010】すなわち本発明は、配向のばらつきが一定
値以下の強誘電体膜を用いた高集積強誘電体メモリに関
し、強誘電体キャパシタを構成する結晶性強誘電体材料
の強誘電性を示すダイポールモーメントに関与する結晶
構造からのX線回折線(ロッキングカーブ)の半値幅
(Δω(°))とθ−2θ法において回折ピークを与え
る回折角(θ0、θ軸での値(°))とが以下の式
(1)に従うことを特徴とする高集積強誘電体メモリを
提供するものである。
That is, the present invention relates to a highly integrated ferroelectric memory using a ferroelectric film in which the variation in orientation is equal to or less than a certain value, and shows the ferroelectricity of a crystalline ferroelectric material constituting a ferroelectric capacitor. X-ray diffraction line (rocking curve) half width (Δω (°)) from crystal structure related to dipole moment and diffraction angle (θ 0 , θ axis value (°) at which diffraction peak is given in θ-2θ method) ) According to the following equation (1).

【0011】[0011]

【数1】 Δω/2θ0≦0.068×(S・d/((4/3)・π・r3))0.5 …(1) ただし、S:強誘電体キャパシタ面積(μm2)、d:
強誘電体厚さ(μm)、r:強誘電体粒子平均半径(μ
m)と定義する。
Δω / 2θ 0 ≦ 0.068 × (S · d / ((4/3) · π · r 3 )) 0.5 (1) where S: ferroelectric capacitor area (μm 2 ), d:
Ferroelectric thickness (μm), r: average radius of ferroelectric particles (μ
m).

【0012】以下に本発明を説明する。Hereinafter, the present invention will be described.

【0013】まず、強誘電体粒子の配向性と強誘電特性
の関係について説明する。強誘電体膜が強誘電体粒子か
ら構成される場合について考察する。図2(a)は強誘
電体粒子の配向性とX線回折測定(θ−2θ法)の関係
を説明するものである。強誘電体粒子の結晶面間隔を
d、X線入射角をθ、X線の波長をλとすると、図2
(a)のように結晶面が基板と水平である場合には
(2)式を満たす回折角θ=θ0でX線回折線が観測さ
れる(ここで、n:整数、と定義)。
First, the relationship between the orientation of the ferroelectric particles and the ferroelectric properties will be described. Consider the case where the ferroelectric film is composed of ferroelectric particles. FIG. 2A illustrates the relationship between the orientation of ferroelectric particles and X-ray diffraction measurement (θ-2θ method). Assuming that the crystal plane spacing of the ferroelectric particles is d, the X-ray incident angle is θ, and the X-ray wavelength is λ, FIG.
When the crystal plane is horizontal to the substrate as in (a), an X-ray diffraction line is observed at a diffraction angle θ = θ 0 that satisfies Expression (2) (where n is an integer).

【0014】[0014]

【数2】 2d・sinθ0=n・λ …(2) しかし、実際には結晶面が基板に対して傾いている場合
がある。この場合にはロッキングカーブ測定による評価
を行なう。図2(b)のように結晶面が基板に対してα
傾いている場合について説明する。ロッキングカーブ法
ではX線の入射角θを通常(2)式のθ0に固定し、X
線の回折角ωを走査して回折強度を測定する。この場合
(3)式を満たす回折角ωでX線回折線が観測される
(ここでも、n:整数、と定義)。
2d · sin θ 0 = n · λ (2) However, the crystal plane may actually be inclined with respect to the substrate. In this case, evaluation is performed by rocking curve measurement. As shown in FIG. 2B, the crystal plane is α with respect to the substrate.
The case where it is inclined will be described. In the rocking curve method, the incident angle θ of X-rays is usually fixed to θ 0 in equation (2), and X
The diffraction intensity is measured by scanning the diffraction angle ω of the line. In this case, an X-ray diffraction line is observed at a diffraction angle ω that satisfies the expression (3) (also defined as n: an integer).

【0015】[0015]

【数3】 d・(cos(90−θ0+α)+cos(90−ω+θ0−α))=n・λ …(3) 結晶面の方向のばらつきはαのばらつきで表わされ、X
線回折測定においては(3)式の条件下でのωのばらつ
きに反映される。
D · (cos (90−θ 0 + α) + cos (90−ω + θ 0 −α)) = n · λ (3) The variation in the direction of the crystal plane is represented by the variation of α.
In the line diffraction measurement, this is reflected in the variation of ω under the condition of equation (3).

【0016】図3は強誘電体粒子の双極子モーメントの
向きと誘電分極の関係を説明するものである。
FIG. 3 illustrates the relationship between the direction of the dipole moment of the ferroelectric particles and the dielectric polarization.

【0017】強誘電体粒子のもつ双極子モーメント
(μ)の向きが基板に垂直な方向に対して角度β傾いて
いるとすると誘電分極Pは(4)式で示される。
Assuming that the direction of the dipole moment (μ) of the ferroelectric particles is inclined by an angle β with respect to the direction perpendicular to the substrate, the dielectric polarization P is expressed by the following equation (4).

【0018】[0018]

【数4】 P=N・μcosβ (N:単位体積当たりの双極子数) …(4) 双極子モーメントの向き(β)のばらつきが誘電分極P
の値のばらつきに反映されることがわかる。また、αと
βの間には以下の関係が成り立つ(ここで、A:定数、
と定義) 。
P = N · μcosβ (N: number of dipoles per unit volume) (4) Variation of the direction (β) of the dipole moment indicates the dielectric polarization P
It can be seen that this is reflected in the variation in the value of. The following relationship holds between α and β (where A: constant,
Defined).

【0019】[0019]

【数5】 α=β+A …(5) 従って(3)、(5)式より、βとθには以下の関係が
成り立つ(n:整数、A:定数、と定義)。
Α = β + A (5) Therefore, from the expressions (3) and (5), the following relationship holds between β and θ (defined as n: integer, A: constant).

【0020】[0020]

【数6】 d・(cos(90−θ0+β+A)+cos(90−ω+θ0−β−A))=n・λ …(6) この強誘電体粒子からなる強誘電体膜を2電極で挟み込
んだ試料(図4(a))の強誘電特性(ヒステリシスル
ープ)の代表例を図4(b)に示す。残留分極Pr+、
Pr−は一般的に同じ値とは限らないが、代表してPr
で表現すると、Prは(8)式で表される(B:比例定
数、と定義) 。
D · (cos (90−θ 0 + β + A) + cos (90−ω + θ 0 −β−A)) = n · λ (6) The ferroelectric film composed of the ferroelectric particles is formed by two electrodes. FIG. 4B shows a typical example of the ferroelectric characteristic (hysteresis loop) of the sample (FIG. 4A) sandwiched between. Remanent polarization Pr +,
Although Pr- is generally not always the same, Pr-
In the expression, Pr is expressed by the equation (8) (B: defined as a proportional constant).

【0021】[0021]

【数7】 Pr=B・P …(7)## EQU7 ## Pr = B · P (7)

【0022】[0022]

【数8】 Pr=B・N・μ・cosβ …(8) この強誘電体試料を用いた回路(図5(a))のメモリ
特性を図5(b)に示す。出力電圧(V)は(9)、
(10)式で示される(C:キャパシタの静電容量、と
定義)。
## EQU8 ## Pr = B ・ N ・ μ ・ cosβ (8) FIG. 5B shows the memory characteristics of a circuit (FIG. 5A) using this ferroelectric sample. The output voltage (V) is (9),
It is represented by the equation (10) (defined as C: capacitance of a capacitor).

【0023】[0023]

【数9】 V=2・Pr/C …(9)V = 2 · Pr / C (9)

【0024】[0024]

【数10】 V=2・B・N・μ・cosβ/C …(10) 図5(a)の回路を集積化した場合には各回路の検出電
圧(V)(図5(b))にばらつきが存在し、このうち
回路を構成する強誘電体キャパシタを構成する強誘電体
粒子の双極子モーメントの向き(β)に起因するばらつ
きと、X線回折で観測される回折角ωのばらつきとは
(6)式で関連付けられる。
V = 2 · B · N · μ · cos β / C (10) When the circuit of FIG. 5A is integrated, the detection voltage (V) of each circuit (FIG. 5B) Of the ferroelectric particles forming the ferroelectric capacitor forming the circuit, and the fluctuation of the diffraction angle ω observed by X-ray diffraction. And are related by equation (6).

【0025】次に、図6(a)を用いて集積化したメモ
リ素子の出力電圧のばらつきについて考察する。統計学
においては標準偏差σが特性のばらつきを示す指標とな
る。1例として強誘電体粒子の大きさが0.05μmであ
り、強誘電体キャパシタの断面が正方形であると仮定す
る。以下、簡単化するため、キャパシタ面内方向のみに
ついて考察する。1つの強誘電体キャパシタが1(個/
キャパシタ面内)の強誘電体粒子からなる構成されると
すると、例えば、5インチウエハ上には1012個程度の
強誘電体キャパシタが存在し可能であり、個々の強誘電
体キャパシタから構成されるメモリからの出力電圧は平
均値m、標準偏差σの正規分布に従うと考えられる。1
つのメモリがN(個/キャパシタ面内)の強誘電体粒子
から構成される場合には、検出電圧は平均値m、標準偏
差σ/N0.5の正規分布に従う。
Next, the variation of the output voltage of the integrated memory device will be considered with reference to FIG. In statistics, the standard deviation σ is an index indicating the variation in characteristics. As an example, it is assumed that the size of the ferroelectric particles is 0.05 μm and the cross section of the ferroelectric capacitor is a square. Hereinafter, for simplification, only the in-plane direction of the capacitor will be considered. One ferroelectric capacitor is 1 (pcs /
Assuming that the ferroelectric particles are composed of ferroelectric particles (in the plane of the capacitor), for example, about 10 12 ferroelectric capacitors can exist on a 5-inch wafer. It is considered that the output voltage from the memory follows a normal distribution with an average value m and a standard deviation σ. 1
When one memory is composed of N (pieces / capacitor plane) ferroelectric particles, the detection voltage follows a normal distribution with an average value m and a standard deviation σ / N 0.5 .

【0026】図6(b)に一例を示す。1辺1μmの強
誘電体キャパシタ中には約400(個/キャパシタ面
内)の強誘電体粒子が存在する。これに対して強誘電体
キャパシタの1辺が0.1μmとなると1つの強誘電体
キャパシタ中に含まれる強誘電体粒子の数は4(個/キ
ャパシタ面内)となり、キャパシタ面内当たりの粒子数
を考慮しただけでも出力電圧の標準偏差は100倍以上
に増加する。そのため、材料特性が今までのままで、メ
モリの微細化のみが進行するならば、メモリ素子の出力
電圧のばらつきは増加してしまい、メモリとして動作不
可能なキャパシタの相対数が増加してしまう。
FIG. 6B shows an example. Approximately 400 (pieces / capacitor plane) ferroelectric particles are present in a ferroelectric capacitor having a side length of 1 μm. On the other hand, when one side of the ferroelectric capacitor is 0.1 μm, the number of ferroelectric particles contained in one ferroelectric capacitor is 4 (pieces / capacitor plane), and particles per capacitor plane Even considering the number alone, the standard deviation of the output voltage increases more than 100 times. Therefore, if only the miniaturization of the memory proceeds while the material characteristics remain unchanged, the variation in the output voltage of the memory element increases, and the relative number of capacitors that cannot operate as a memory increases. .

【0027】前式(10)、(5)に示したように、メ
モリにおける検出電圧は強誘電体粒子の双極子モーメン
トの向き(β)および強誘電体の配向方向(α)と密接
に関わっており、強誘電体粒子の配向方向のばらつきを
小さくすることでメモリ特性(出力電圧)のばらつきを
抑える事が可能となり、メモリ素子の微細化に伴う動作
不良素子数を減少することが可能である。
As shown in the formulas (10) and (5), the detected voltage in the memory is closely related to the direction (β) of the dipole moment of the ferroelectric particles and the direction (α) of the ferroelectric. By reducing variations in the orientation direction of ferroelectric particles, it is possible to suppress variations in memory characteristics (output voltage), and it is possible to reduce the number of malfunctioning elements due to miniaturization of memory elements. is there.

【0028】強誘電体メモリ素子の出力電圧は(9)式
に示されるように強誘電体の残留分極Prに関係する。
出力電圧(V)の許容値をV(平均値)−10%とする
と、(9)式より1チップ内のPrについては、以下の
(11)式に示される関係が必要となる。
The output voltage of the ferroelectric memory element is related to the remanent polarization Pr of the ferroelectric, as shown in equation (9).
Assuming that the allowable value of the output voltage (V) is V (average value) −10%, the relationship shown in the following expression (11) is necessary for Pr in one chip according to the expression (9).

【0029】[0029]

【数11】 Pr(平均値)×0.9≦Pr(最小値) …(11) 強誘電特性に関して上記の関係を満たすために必要な結
晶学的特性について説明する。
[Equation 11] Pr (average value) × 0.9 ≦ Pr (minimum value) (11) The crystallographic characteristics required to satisfy the above-mentioned relationship with respect to the ferroelectric characteristics will be described.

【0030】結晶の配向性は結晶のX線回折測定により
判定することが可能である。X線回折測定(ロッキング
カーブ)により得られる典型的な回折パターンを図7に
示す。ω0はωの平均値を示し、半値幅(Δω)は回折
角のばらつきを示す。また、半値幅から強誘電体の配向
方向のばらつきおよび、双極子モーメントの方向のばら
つきが判定できる。
The orientation of the crystal can be determined by X-ray diffraction measurement of the crystal. FIG. 7 shows a typical diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement (rocking curve). ω 0 indicates the average value of ω, and the half value width (Δω) indicates the variation of the diffraction angle. Further, the variation in the orientation direction of the ferroelectric and the variation in the direction of the dipole moment can be determined from the half width.

【0031】一方、統計学で用いられる、下式で示され
る正規分布を図8に示す。
On the other hand, FIG. 8 shows a normal distribution used in statistics and represented by the following equation.

【0032】[0032]

【数12】 Y=(2×π)-0.5×exp(−X2/2) …(12) 正規分布においては、その分布は平均値mと標準偏差σ
で特徴づけられ、m−5σ≦X≦m+5σ内には99.
99%以上の標本が含まれる。
Equation 12] Y = (2 × π) -0.5 × exp (-X 2/2) ... (12) In a normal distribution, the distribution is the mean value m and the standard deviation σ
M-5σ ≦ X ≦ m + 5σ within 99.
Contains over 99% of specimens.

【0033】X線回折特性が正規分布で近似できると仮
定すると、下式の関係が得られる。
Assuming that the X-ray diffraction characteristics can be approximated by a normal distribution, the following relationship is obtained.

【0034】[0034]

【数13】 (Δω)/2≒1.1774σ …(13) 強誘電体メモリ素子の出力電圧のばらつきを±10%以
内に収めるために必要なPrのばらつきは±10%であ
り、双極子モーメントの向きが基板に直交している場合
(β=0)に許容されるβのばらつきが最大となること
を考慮すると、その範囲は以下の不等式で示される。
(Δω) /2≒1.1774σ (13) The variation of Pr required to keep the variation of the output voltage of the ferroelectric memory element within ± 10% is ± 10%, and the dipole Considering that the allowable variation in β is maximum when the direction of the moment is orthogonal to the substrate (β = 0), the range is represented by the following inequality.

【0035】[0035]

【数14】 −26°≦Δβ≦26° …(14) また(5)式より、次の関係が成り立つ。-26 ° ≦ Δβ ≦ 26 ° (14) From equation (5), the following relationship holds.

【0036】[0036]

【数15】 Δα=Δβ …(15) 従って、許容されるαの範囲も以下のとおりとなる。Δα = Δβ (15) Accordingly, the allowable range of α is as follows.

【0037】[0037]

【数16】 −26°≦Δα≦26° …(16) ここで、強誘電体の一例として、面間隔(d)が0.2
351nmのPZT(111)面について考察する。測
定X線の波長を0.15418nmとすると(2)式か
らθ−2θ法におけるX線回折ピークをもたらす回折角
θ0は19.1415°と求められる。
-26 ° ≦ Δα ≦ 26 ° (16) Here, as an example of the ferroelectric, the plane distance (d) is 0.2.
Consider a 351 nm PZT (111) plane. Assuming that the wavelength of the measured X-ray is 0.15418 nm, the diffraction angle θ 0 that gives an X-ray diffraction peak in the θ-2θ method is determined to be 19.1415 ° from Expression (2).

【0038】また、強誘電体粒子の向きの許容範囲とし
て(3)式のαに(16)式に示した26°を代入する
とω1=43.85°が求まる。通常、ロッキングカー
ブで回折強度ピークを与える角ω0は、ω0=2θ0であ
り、従ってωのばらつきの許容範囲ωAは以下の値とな
る。
Further, when 26 ° shown in the equation (16) is substituted for α in the equation (3) as an allowable range of the orientation of the ferroelectric particles, ω 1 = 43.85 ° is obtained. Normally, the angle ω 0 at which the diffraction intensity peak is given in the rocking curve is ω 0 = 2θ 0 , and therefore, the allowable range ω A of the variation of ω is as follows.

【0039】[0039]

【数17】 ωA=ω1―ω0=ω1―2θ0=5.57° …(17) 正規分布において99.99%の標本がこの範囲に入る
とすると、ωA=5σより標準偏差は以下の条件を満た
すことが要請される。
Ω A = ω 1 −ω 0 = ω 1 −2θ 0 = 5.57 ° (17) Assuming that 99.99% of samples in the normal distribution fall within this range, the standard is calculated from ω A = 5σ. The deviation is required to satisfy the following conditions.

【0040】[0040]

【数18】 σ≦0.2×5.57=1.114° …(18) これにより、(13)式から要請される半値幅Δωの条
件は以下のとおりとなる。
Σ ≦ 0.2 × 5.57 = 1.114 ° (18) Accordingly, the condition of the half width Δω required from the equation (13) is as follows.

【0041】[0041]

【数19】 (Δω)/2≦1.1774×1.114=1.31° …(19)(Δω) /2≦1.1774×1.114=1.31° (19)

【0042】[0042]

【数20】 Δω≦1.31×2=2.62° …(20) また、回折角の許容値を相対値で表現すると以下の値と
なる。
Δω ≦ 1.31 × 2 = 2.62 ° (20) Further, the allowable value of the diffraction angle is represented by the following value when expressed as a relative value.

【0043】[0043]

【数21】 Δω/(2θ0)≦0.068 …(21) さらに強誘電体キャパシタ内に含まれる強誘電体粒子数
を考慮にいれると、ロッキングカーブにおける半値幅Δ
ω(°)は、(22)または(23)式を満たす必要が
ある。
Δω / (2θ 0 ) ≦ 0.068 (21) Further, when the number of ferroelectric particles included in the ferroelectric capacitor is taken into consideration, the half width Δ in the rocking curve is obtained.
ω (°) needs to satisfy the expression (22) or (23).

【0044】[0044]

【数22】 Δω/(2θ0)≦0.068×(S・d/((4/3)・π・r3))0.5 …(22)Δω / (2θ 0 ) ≦ 0.068 × (S · d / ((4/3) · π · r 3 )) 0.5 (22)

【0045】[0045]

【数23】 Δω≦2.62×(S・d/((4/3)・π・r3))0.5…(23) ただし、(22)及び(23)式において、S:強誘電
体キャパシタ面積(μm2)、d:強誘電体厚さ(μ
m)、r:強誘電体粒子平均半径(μm)、θ0:θ−
2θ法における回折ピークを与える回折角(θ軸での値
(°))、とそれぞれ定義される。
Δω ≦ 2.62 × (S · d / ((4/3) · π · r 3 )) 0.5 (23) where, in the equations (22) and (23), S: ferroelectric substance Capacitor area (μm 2 ), d: ferroelectric thickness (μ
m), r: average radius of ferroelectric particles (μm), θ 0 : θ−
It is defined as a diffraction angle (value (°) on the θ axis) giving a diffraction peak in the 2θ method.

【0046】特に、キャパシタを構成する結晶性強誘電
体層が1強誘電体粒子の厚さからなる場合には、(2
4)、(25)式を満たす必要がある。
In particular, when the crystalline ferroelectric layer constituting the capacitor has a thickness of one ferroelectric particle, (2
It is necessary to satisfy the expressions 4) and (25).

【0047】[0047]

【数24】 Δω/(2θ0)≦0.068×(S/(π・r2))0.5 …(24)Δω / (2θ 0 ) ≦ 0.068 × (S / (π · r 2 )) 0.5 (24)

【0048】[0048]

【数25】 Δω≦2.62×(S/(π・r2))0.5 …(25) ただし、(24)及び(25)式において、S:強誘電
体キャパシタ面積(μm2)、d:強誘電体厚さ(μ
m)、r:強誘電体粒子平均半径(μm)、θ0:θ−
2θ法における回折ピークを与える回折角(θ軸での値
(°))、とそれぞれ定義される。
Δω ≦ 2.62 × (S / (π · r 2 )) 0.5 (25) where, in equations (24) and (25), S: ferroelectric capacitor area (μm 2 ), d : Ferroelectric thickness (μ
m), r: average radius of ferroelectric particles (μm), θ 0 : θ−
It is defined as a diffraction angle (value (°) on the θ axis) giving a diffraction peak in the 2θ method.

【0049】1ギガビットの集積度を有するメモリにお
いては、キャパシタ面積は0.12μm2程度であり、
1例として強誘電体薄膜を構成する強誘電体粒子の平均
直径が0.1μm、1キャパシタが立方体であるとし、
キャパシタ内に含まれる強誘電体粒子数を考慮すると、
実際のX線回折測定での許容される半値幅(Δω)は以
下のように見積もられる。
In a memory having 1 gigabit integration, the capacitor area is about 0.12 μm 2 ,
As an example, suppose that the average diameter of the ferroelectric particles constituting the ferroelectric thin film is 0.1 μm and the capacitor is a cube,
Considering the number of ferroelectric particles contained in the capacitor,
The allowable half width (Δω) in the actual X-ray diffraction measurement is estimated as follows.

【0050】[0050]

【数26】 Δω≦15° …(26) 同様に、4ギガビットで許容される半値幅(Δω)は以
下のように見積もられる。
Δω ≦ 15 ° (26) Similarly, the half width (Δω) allowed at 4 gigabits is estimated as follows.

【0051】[0051]

【数27】 Δω≦8.5° …(27) また、16ギガビットで許容される半値幅(Δω)は以
下のように見積もられる。
Δω ≦ 8.5 ° (27) Further, the half width (Δω) allowed at 16 gigabits is estimated as follows.

【0052】[0052]

【数28】 Δω≦2.6° …(28) 特に、キャパシタを構成する結晶性強誘電体層が1強誘
電体粒子の厚さからなる場合に許容される半値幅(Δ
ω)は、集積度に応じて夫々以下のように見積もられ
る。
Δω ≦ 2.6 ° (28) In particular, the half width (Δ) allowed when the crystalline ferroelectric layer constituting the capacitor has a thickness of one ferroelectric particle.
ω) are estimated as follows according to the degree of integration.

【0053】[0053]

【数29】 1ギガビットの場合: Δω≦8.2° …(29)In the case of 1 gigabit: Δω ≦ 8.2 ° (29)

【0054】[0054]

【数30】 4ギガビットの場合: Δω≦5.8° …(30)In the case of 4 gigabits: Δω ≦ 5.8 ° (30)

【0055】[0055]

【数31】 16ギガビットの場合: Δω≦2.6° …(31) 以上のように、1ギガビット以上の集積度を有する強誘
電体メモリにおいては、動作不良素子の軽減をはかるた
めには、X線回折(ロッキングカーブ)における半値幅
が(22)〜(31)式のいずれかを満たす結晶性強誘
電体膜を用いる必要がある。
In the case of 16 gigabits: Δω ≦ 2.6 ° (31) As described above, in the ferroelectric memory having an integration degree of 1 gigabit or more, in order to reduce the number of malfunctioning elements, It is necessary to use a crystalline ferroelectric film whose half-value width in X-ray diffraction (rocking curve) satisfies any of formulas (22) to (31).

【0056】本発明において、結晶性強誘電体材料とし
ては、Pb(Zrx、Ti1―x)O3、(Pb1―y、La
y)(Zrx、Ti1―x1-y/43、ビスマス層状構造強
誘電体、SrBi2Ta29など広範な材料を用いるこ
とができる。また、これら結晶性強誘電体材料は、パル
スレーザ蒸着法、スパッタ法、ゾル−ゲル法、MOCV
D(metal-organic chemical vapor deposition)法な
どを用いて成膜することが可能であり、Si等の半導体
上、Pt、Pt/Ti、Pt/IrO2、Ir/Ir
2、TiN、RuOx、SrRuO3などの電極上に形
成することが可能である。
In the present invention, as the crystalline ferroelectric material, Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 , (Pb 1-y , La
y ) (Zr x , Ti 1-x ) 1-y / 4 O 3 , bismuth layered structure ferroelectric, SrBi 2 Ta 2 O 9, etc. can be used. In addition, these crystalline ferroelectric materials can be used for pulse laser deposition, sputtering, sol-gel, MOCV
It is possible to form a film using a D (metal-organic chemical vapor deposition) method or the like, and Pt, Pt / Ti, Pt / IrO 2 , Ir / Ir on a semiconductor such as Si.
It can be formed on an electrode made of O 2 , TiN, RuOx, SrRuO 3 or the like.

【0057】これらの電極材料と強誘電体層との間に、
BaOやSrOなどの低誘電体層が介在すると、キャパ
シタの蓄積電荷が低下するため、これらの低誘電体層が
介在する構造は好ましくない。
Between these electrode materials and the ferroelectric layer,
When a low dielectric layer such as BaO or SrO is interposed, the charge stored in the capacitor is reduced. Therefore, a structure in which these low dielectric layers intervene is not preferable.

【0058】また、強誘電体メモリセルとしては、例え
ば図9に示した、2トランジスタ−2キャパシタ構造
(図8(a))、1トランジスタ−1キャパシタ構造
(図9(b))、1トランジスタ構造(図9(c)、
(d))等が利用可能である。
As a ferroelectric memory cell, for example, a two-transistor-two-capacitor structure (FIG. 8A), a one-transistor-one-capacitor structure (FIG. 9B), and one transistor shown in FIG. Structure (FIG. 9 (c),
(D)) etc. can be used.

【0059】以上に例示した種々の強誘電体メモリ素子
やセル構造のいずれも、そのキャパシタ(例えば、容量
膜として形成される)を構成する強誘電体結晶をX線回
折にて評価し、そのロッキングカーブにおける半値幅が
(22)〜(31)式のいずれかを満たすか否かという
基準で良品と不良品を選別することができる。この選別
は、素子の製造工程でも行え、且つ良品を破損すること
なく抽出できるため、1ギガビット以上の強誘電体メモ
リ素子の信頼性を向上するのみならず、生産効率を上げ
る利点をももたらす。
In each of the various ferroelectric memory elements and cell structures exemplified above, the ferroelectric crystal constituting the capacitor (for example, formed as a capacitance film) is evaluated by X-ray diffraction. Non-defective products and defective products can be selected based on whether or not the half width in the rocking curve satisfies any of the expressions (22) to (31). This sorting can be performed in the element manufacturing process, and non-defective products can be extracted without being damaged. Therefore, not only the reliability of the ferroelectric memory element of 1 gigabit or more is improved but also the advantage of increasing the production efficiency is brought.

【0060】[0060]

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、以下の実施
例1乃至9及び関連図面を用いて詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the following Examples 1 to 9 and related drawings.

【0061】(実施例1)以下の方法で図10に示した
試料を作成した。まず、Si基板16を熱酸化し、25
nmのSiO2膜17を形成した。この基板上にマグネ
トロンスパッタ法でPt膜18を基板温度500℃で1
50nm成長した。この試料のX線回折(ロッキングカ
ーブ)を測定したところPt(111)面からの回折の
半値幅は9°であった。このPt薄膜上にパルスレーザ
蒸着(PLD)法により、強誘電体であるPb(Zr,Ti)O
3(PZT)膜19を形成した。ターゲットとしては、組成 P
b(Zr0.52,Ti0.48)O3の焼結体ターゲット(密度90%以
上)を用いた。基板温度550℃、成長雰囲気は200
mTorrであり、175nmのPZT膜を成長した。
この試料のX線回折測定結果(ロッキングカーブ)を測
定したところ、PZTの(001)面からの明瞭な回折
線が観測された。また、その半値幅は8°であった。こ
の試料上にAu電極20を真空蒸着法により200nm
蒸着した。
Example 1 A sample shown in FIG. 10 was prepared by the following method. First, the Si substrate 16 is thermally oxidized to 25
A SiO 2 film 17 of nm was formed. A Pt film 18 is formed on this substrate by magnetron sputtering at a substrate temperature of 500 ° C.
It grew 50 nm. When the X-ray diffraction (rocking curve) of this sample was measured, the half value width of the diffraction from the Pt (111) plane was 9 °. Pb (Zr, Ti) O, which is a ferroelectric, is formed on this Pt thin film by pulsed laser deposition (PLD).
3 (PZT) film 19 was formed. The target is composition P
A sintered target of b (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 (density 90% or more) was used. Substrate temperature 550 ° C, growth atmosphere 200
A 175 nm PZT film was grown at mTorr.
When the X-ray diffraction measurement result (rocking curve) of this sample was measured, a clear diffraction line from the (001) plane of PZT was observed. The half width was 8 °. An Au electrode 20 was formed on this sample by vacuum evaporation to a thickness of 200 nm.
Evaporated.

【0062】次に以下の方法によりAu電極20をパタ
ーニングした。作成したAu/PZT/Pt/SiO2
/Si試料のAu表面にポジ型レジストを4000回転
で30秒間、スピーンコーティングした後、160℃で
10分間乾燥した。この試料を電子線描画により0.3
5μm×0.35μm角にパターンニングした後、Ar
イオンエッチングによりAuのエッチングを行なった。
最後にArイオン+酸素イオンエッチングによりレジス
トを剥離し、2−ブタノン中での超音波洗浄により図9
の試料を作成した。試料中の各キャパシタの強誘電特性
(ヒステリシス特性)の測定を行なった。図11にヒス
テリシス特性の一例を示す。残留分極(Pr)として3
0μC/cm2が得られている。試料中の全てのゲート
についてのPrの測定結果を図12に示す。±10%の
ばらつき内にほぼ全ての試料の特性が含まれ,1ギガビ
ットの集積度の強誘電体メモリへ適用可能であることが
示された。
Next, the Au electrode 20 was patterned by the following method. Au / PZT / Pt / SiO 2 prepared
A positive resist was spin-coated on the Au surface of the / Si sample at 4000 revolutions for 30 seconds, and then dried at 160 ° C. for 10 minutes. This sample was 0.3
After patterning into a 5 μm × 0.35 μm square, Ar
Au was etched by ion etching.
Finally, the resist is peeled off by Ar ion + oxygen ion etching, and ultrasonic cleaning in 2-butanone is performed as shown in FIG.
Was prepared. The ferroelectric characteristics (hysteresis characteristics) of each capacitor in the sample were measured. FIG. 11 shows an example of the hysteresis characteristic. 3 as remanent polarization (Pr)
0 μC / cm 2 is obtained. FIG. 12 shows the measurement results of Pr for all the gates in the sample. The characteristics of almost all the samples were included within the variation of ± 10%, and it was shown that the present invention can be applied to a ferroelectric memory of 1 gigabit integration.

【0063】(実施例2)以下の方法で実施例1と同様
な試料を作成した。実施例1と同様の方法でSiO2
Si基板を作製した。この基板上にマグネトロンスパッ
タ法でPt膜を基板温度650℃で150nm成長し
た。この試料のX線回折(ロッキングカーブ)を測定し
たところPt(111)面からの回折の半値幅は3°で
あった。このPt薄膜上に実施例1と同様な方法で、強
誘電体であるPb(Zr,Ti)O3(PZT)膜を175nm形成し
た。この試料のX線回折測定結果(ロッキングカーブ)
を測定したところ、PZTの(001)面からの明瞭な
回折線が観測された。また、その半値幅は3°であっ
た。引き続き実施例1と同様な方法で0.27μm×
0.27μm角のAu電極を作製した。試料中の各キャ
パシタの強誘電特性(ヒステリシス特性)の測定を行な
ったところ残留分極(Pr)は±10%のばらつき内に
おさまり,4ギガビットの集積度の強誘電体メモリへ適
用可能であることが示された。
Example 2 A sample similar to that of Example 1 was prepared by the following method. In the same manner as in Example 1, SiO 2 /
An Si substrate was manufactured. On this substrate, a Pt film was grown by magnetron sputtering at a substrate temperature of 650 ° C. to a thickness of 150 nm. When the X-ray diffraction (rocking curve) of this sample was measured, the half value width of the diffraction from the Pt (111) plane was 3 °. A Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) film as a ferroelectric material was formed on this Pt thin film in the same manner as in Example 1 to a thickness of 175 nm. X-ray diffraction measurement result (rocking curve) of this sample
As a result, a clear diffraction line from the (001) plane of PZT was observed. Further, its half width was 3 °. Then, the same method as in Example 1 was applied to obtain 0.27 μm ×
A 0.27 μm square Au electrode was produced. When the ferroelectric characteristics (hysteresis characteristics) of each capacitor in the sample were measured, the remanent polarization (Pr) was within ± 10% variation, and it was applicable to a ferroelectric memory with 4 gigabit integration. It has been shown.

【0064】(実施例3)以下の方法で図13に示した
試料を作成した。SrTiO3(STO)を基板21として用い、
この基板上にパルスレーザ蒸着(PLD)法を用いて下
部電極としてのSrRuO3(SRO)電極22を形成した。SRO薄
膜成長に先立ち、ターゲット表面をあらかじめ研磨紙
(#600)で研磨し、真空中または酸素雰囲気中で10分間
前スパッタを行い、ターゲットの初期状態を同一とし
た。薄膜形成条件は、レーザ波長:248nm、スポット面
積:4 mm2、ターゲットと基板間距離:37 mm、エネルギ
密度:1.1 J/cm2、基板温度:500℃、成長雰囲気は100m
Torrの酸素雰囲気中であり、65nmの膜厚のSRO薄膜を
成長した。
Example 3 A sample shown in FIG. 13 was prepared by the following method. Using SrTiO 3 (STO) as the substrate 21,
An SrRuO 3 (SRO) electrode 22 as a lower electrode was formed on this substrate by using a pulse laser deposition (PLD) method. Prior to the growth of the SRO thin film, the target surface was polished in advance with polishing paper (# 600), and pre-sputtered in a vacuum or an oxygen atmosphere for 10 minutes to make the initial state of the target the same. The conditions for forming the thin film are as follows: laser wavelength: 248 nm, spot area: 4 mm 2 , distance between target and substrate: 37 mm, energy density: 1.1 J / cm 2 , substrate temperature: 500 ° C, growth atmosphere 100 m
An SRO thin film having a thickness of 65 nm was grown in an oxygen atmosphere of Torr.

【0065】このSRO薄膜上に実施例1と同様な方法
で、強誘電体であるPb(Zr,Ti)O3(PZT)膜19を175n
m形成した。この試料のX線回折測定結果(ロッキングカ
ーブ)を測定したところ、PZTの(001)面からの
明瞭な回折線が観測された。また、その半値幅は0.5
°であった。引き続き実施例1と同様な方法で0.19
μm×0.19μm角のAu電極20を作製した。試料
中の各キャパシタの強誘電特性(ヒステリシス特性)の
測定を行なったところ残留分極(Pr)は±10%のば
らつき内におさまり,16ギガビットの集積度の強誘電
体メモリへ適用可能であることが示された。
On this SRO thin film, a Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) film 19 which is a
m formed. When the X-ray diffraction measurement result (rocking curve) of this sample was measured, a clear diffraction line from the (001) plane of PZT was observed. The half width is 0.5
°. Subsequently, 0.19 was obtained in the same manner as in Example 1.
An Au electrode 20 of μm × 0.19 μm square was manufactured. When the ferroelectric characteristics (hysteresis characteristics) of each capacitor in the sample were measured, the remanent polarization (Pr) was within ± 10% variation, and it was applicable to a ferroelectric memory with 16 gigabit integration. It has been shown.

【0066】(実施例4)シリコン基板上に、図14の
構造を持った1ギガビットの高集積強誘電体メモリを作
成した。本実施例では、強誘電体薄膜作製法として実施
例1の方法を、その他については通常の半導体プロセス
を用いた。
Example 4 A 1-gigabit highly integrated ferroelectric memory having the structure shown in FIG. 14 was formed on a silicon substrate. In this example, the method of Example 1 was used as a method for producing a ferroelectric thin film, and the other methods used were ordinary semiconductor processes.

【0067】本実施例で作製した1ギガビット高集積強
誘電体メモリの出力電圧を測定した結果を図15に示
す。その結果、ほぼ全てのゲートが100mV以上の出
力電圧が得られており、そのばらつきも±10%内に収
まり、特性のそろった高集積強誘電体メモリが作製でき
た。
FIG. 15 shows the result of measuring the output voltage of the 1-gigabit highly integrated ferroelectric memory manufactured in this example. As a result, almost all of the gates obtained an output voltage of 100 mV or more, the variation was within ± 10%, and a highly integrated ferroelectric memory with uniform characteristics was manufactured.

【0068】(実施例5)実施例4において結晶性強誘
電体薄膜作成法として以下に説明するスパッタ法を用
い、それ以外は実施例4と同じ方法で試料を作成し測定
を行なった。
Example 5 A sample was prepared and measured in the same manner as in Example 4 except that the sputtering method described below was used as a method for forming a crystalline ferroelectric thin film in Example 4.

【0069】ターゲットとしてはPb(Zr0.8
0.2)O3を用い、Ar/O2(混合比50%)雰囲気
中で反応性スパッタを行ない、厚さ150nmの強誘電
体薄膜を形成した。
As a target, Pb (Zr 0.8 T
i 0.2 ) O 3 was subjected to reactive sputtering in an Ar / O 2 (mixing ratio: 50%) atmosphere to form a 150 nm thick ferroelectric thin film.

【0070】この試料のX線回折測定結果は、PZTの
(111)面からの明瞭な回折線が観測された。また、
その半値幅は2.5°であった。
As a result of X-ray diffraction measurement of this sample, a clear diffraction line from the (111) plane of PZT was observed. Also,
Its half width was 2.5 °.

【0071】以上の方法により、実施例4と同様にして
1ギガビットの高集積強誘電体メモリを作成し、その出
力電圧を測定した。その結果、実施例4と同様に、特性
のばらつきの小さい高集積強誘電体メモリが作成でき
た。
A 1-gigabit high-integration ferroelectric memory was fabricated in the same manner as in Example 4, and the output voltage was measured. As a result, similarly to Example 4, a highly integrated ferroelectric memory having small variations in characteristics was able to be produced.

【0072】(実施例6)実施例4において結晶性強誘
電体薄膜作成法として以下に説明するゾル−ゲル法を用
い、それ以外は実施例4と同じ方法で試料を作成し測定
を行なった。
Example 6 A sample was prepared and measured in the same manner as in Example 4 except that the sol-gel method described below was used as a method for forming a crystalline ferroelectric thin film in Example 4. .

【0073】出発原料として、Pb(CH3COO)2
3H2O、Zr(n−OC49)4、Ti(i−OC37
4の混合溶液を用いた。ZrとTiの比としてはZr/
Ti=52/48を選んだ。この混合溶液を3000r
pmでスピンキャストした後、150℃で30分間乾燥
し、乾燥空気雰囲気中で450℃で30分間仮焼成し
た。このスピンキャストと乾燥を繰り返し、厚さ200
nmの膜とした。この後酸素雰囲気中(1気圧)で65
0℃、1分間、RTA(Rapdid Thermal
Annealing)処理を行なった。
As a starting material, Pb (CH 3 COO) 2.
3H 2 O, Zr (n- OC 4 H 9) 4, Ti (i-OC 3 H 7)
The mixed solution of 4 was used. The ratio of Zr to Ti is Zr /
Ti = 52/48 was chosen. 3000 r of this mixed solution
After spin casting at pm, it was dried at 150 ° C. for 30 minutes and calcined at 450 ° C. for 30 minutes in a dry air atmosphere. This spin casting and drying are repeated to a thickness of 200
nm film. After that, 65 in an oxygen atmosphere (1 atm)
0 ° C., 1 minute, RTA (Rapid Thermal
Annealing) treatment.

【0074】この試料のX線回折測定結果は、PZTの
(100)面からの明瞭な回折線が観測された。また、
その半値幅は2.5°であった。
As a result of X-ray diffraction measurement of this sample, a clear diffraction line from the (100) plane of PZT was observed. Also,
Its half width was 2.5 °.

【0075】以上の方法により、実施例4と同様にして
1ギガビットの高集積強誘電体メモリを作成し、その出
力電圧を測定した。その結果、実施例4と同様に、特性
のばらつきの小さい高集積強誘電体メモリが作製でき
た。
In the same manner as in Example 4, a 1-gigabit high-integration ferroelectric memory was fabricated and the output voltage was measured. As a result, as in Example 4, a highly integrated ferroelectric memory with small variations in characteristics was manufactured.

【0076】(実施例7)実施例4において結晶性強誘
電体薄膜作製法として以下に説明するMOCVD(Me
tal −organic chemical vapo
r Deposition)法を用い、それ以外は実施
例4と同じ方法で試料を作成し測定を行なった。
(Example 7) MOCVD (Me) described in Example 4 as a method for producing a crystalline ferroelectric thin film is described below.
tal-organic chemical vapor
r Deposition) method, and a sample was prepared and measured in the same manner as in Example 4 except for the above.

【0077】MOCVD法では、ソース原料としてPb
(C254、Zr(C11192)3、Ti(i−OC3
74を用い、表1に示した合成条件で成膜した。基板温
度は600℃である。
In the MOCVD method, Pb is used as a source material.
(C 2 H 5 ) 4 , Zr (C 11 H 19 O 2 ) 3 , Ti (i-OC 3 H)
7 ) A film was formed using 4 under the synthesis conditions shown in Table 1. The substrate temperature is 600 ° C.

【0078】[0078]

【表1】 [Table 1]

【0079】この試料のX線回折測定結果は、PZTの
(001)面からの明瞭な回折線が観測された。また、
その半値幅は2.5°であった。
As a result of X-ray diffraction measurement of this sample, a clear diffraction line from the (001) plane of PZT was observed. Also,
Its half width was 2.5 °.

【0080】以上の方法により、実施例4と同様にして
1ギガビットの高集積強誘電体メモリを作成し、その出
力電圧を測定した。その結果、実施例4と同様に、特性
のばらつきの小さい高集積強誘電体メモリが作成でき
た。
In the same manner as in Example 4, a 1-gigabit high-integration ferroelectric memory was formed by the above method, and the output voltage was measured. As a result, similarly to Example 4, a highly integrated ferroelectric memory having small variations in characteristics was able to be produced.

【0081】(実施例8)実施例4に示したPLD法に
よりSrBi2Ta29の薄膜を作成した。この試料の
X線回折測定結果は、主回折線の半値幅が3°であっ
た。以上の方法により、実施例4と同様にして1ギガビ
ットの高集積強誘電体メモリを作成し、その出力電圧を
測定した。その結果、実施例2と同様に、特性のばらつ
きの小さい高集積強誘電体メモリが作成できた。
Example 8 A thin film of SrBi 2 Ta 2 O 9 was formed by the PLD method shown in Example 4. As a result of X-ray diffraction measurement of this sample, the half value width of the main diffraction line was 3 °. In the same manner as in Example 4, a 1-gigabit high-integration ferroelectric memory was formed by the above method, and the output voltage was measured. As a result, as in Example 2, a highly integrated ferroelectric memory with small variations in characteristics was able to be produced.

【0082】(実施例9)実施例4において結晶性強誘
電体薄膜作成法として以下に説明するMOCVD(Me
tal −organic chemical vapo
r Deposition)法を用い、(Pb、La)
(Zr、Ti)O3(PLZTと省略して示す)強誘電
体薄膜を作成した。また、それ以外は実施例4と同じ方
法で試料を作成し測定を行なった。
(Embodiment 9) MOCVD (Me) described in Embodiment 4 as a method of forming a crystalline ferroelectric thin film will be described below.
tal-organic chemical vapor
r Deposition) method, and (Pb, La)
A (Zr, Ti) O 3 (abbreviated as PLZT) ferroelectric thin film was prepared. Otherwise, a sample was prepared and measured in the same manner as in Example 4.

【0083】ソース原料として、Pb(C254、Z
r(C11192)3、Ti(i−OC374、La(C
111923を用い、表2に示した合成条件でPLZT
膜を成長した。基板温度は600℃である。
Pb (C 2 H 5 ) 4 , Z
r (C 11 H 19 O 2 ) 3, Ti (i-OC 3 H 7) 4, La (C
11 H 19 O 2 ) 3 and PLZT under the synthesis conditions shown in Table 2.
The film was grown. The substrate temperature is 600 ° C.

【0084】[0084]

【表2】 [Table 2]

【0085】この試料のX線回折測定結果は、PLZT
の(001)面からの明瞭な回折線が観測された。ま
た、その半値幅は2.5°であった。
The result of X-ray diffraction measurement of this sample is PLZT
A clear diffraction line from the (001) plane was observed. The half width was 2.5 °.

【0086】以上の方法により、実施例4と同様にして
1ギガビットの高集積強誘電体メモリを作成し、その出
力電圧を測定した。その結果、実施例4と同様に、特性
のばらつきの小さい高集積強誘電体メモリが作成でき
た。
In the same manner as in Example 4, a 1-gigabit high-integration ferroelectric memory was fabricated by the above method, and the output voltage was measured. As a result, similarly to Example 4, a highly integrated ferroelectric memory having small variations in characteristics was able to be produced.

【0087】強誘電体材料としては、ここに示したPb
(Zrx、Tiy)O3やSrBi2Ta29、(P
1―y、Lay)(Zrx、Ti1―x1-y/43、ビスマ
ス層状構造強誘電体に限らず、他の結晶性強誘電体材料
を用いることも可能である。また、強誘電体膜の作製方
法としては、上記のパルスレーザ蒸着法、スパッタ法、
ゾル−ゲル法、MOCVD法に限らず、一般的な薄膜作
製法を用いることができる。
As the ferroelectric material, Pb shown here was used.
(Zr x , Ti y ) O 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , (P
b 1−y , La y ) (Zr x , Ti 1−x ) 1−y / 4 O 3 , bismuth layered structure ferroelectrics, and other crystalline ferroelectric materials can also be used. . In addition, as a method of manufacturing a ferroelectric film, the pulse laser deposition method, the sputtering method,
Not only the sol-gel method and the MOCVD method, but also a general thin film manufacturing method can be used.

【0088】[0088]

【発明の効果】本発明によれば、配向性の揃った結晶性
強誘電体膜を用いるため、高集積化した強誘電体キャパ
シタの強誘電特性のばらつきを抑えることが可能であ
り、高集積強誘電体メモリにおける歩留まりの向上に寄
与する。
According to the present invention, since a crystalline ferroelectric film having a uniform orientation is used, it is possible to suppress variations in ferroelectric characteristics of a highly integrated ferroelectric capacitor, and to achieve high integration. This contributes to an improvement in the yield of the ferroelectric memory.

【0089】また本発明は、結晶性強誘電体材料全般に
適用可能であり、高集積化の続く半導体メモリ等の開発
において非常に有用かつ画期的な効果を発揮するもので
ある。
The present invention can be applied to crystalline ferroelectric materials in general and exerts a very useful and epoch-making effect in the development of a semiconductor memory or the like which continues to be highly integrated.

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

【図1】本発明による、高集積強誘電体メモリを示す概
略図。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a highly integrated ferroelectric memory according to the present invention.

【図2】強誘電体粒子の配向方向とX線回折測定におけ
る回折角との関係を示す概略図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a relationship between an orientation direction of ferroelectric particles and a diffraction angle in X-ray diffraction measurement.

【図3】強誘電体粒子の双極子モーメントの方向と強誘
電特性との関係を示す概略図。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the direction of the dipole moment of ferroelectric particles and ferroelectric characteristics.

【図4】強誘電特性測定用試料構造および、その強誘電
特性を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a ferroelectric characteristic measurement sample structure and its ferroelectric characteristics.

【図5】強誘電体メモリの等価回路およびそのメモリ特
性を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of a ferroelectric memory and its memory characteristics.

【図6】集積化したメモリ素子の出力電圧のばらつき説
明する概略図。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a variation in output voltage of an integrated memory element.

【図7】X線回折測定(ロッキングカーブ)における典
型的な回折パターンを示す図。
FIG. 7 is a view showing a typical diffraction pattern in X-ray diffraction measurement (rocking curve).

【図8】正規分布を説明する概略図。FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a normal distribution.

【図9】強誘電体メモリの基本回路構成を示す図。FIG. 9 is a diagram showing a basic circuit configuration of a ferroelectric memory.

【図10】強誘電特性測定用の試料構造を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a sample structure for measuring ferroelectric characteristics.

【図11】ヒステリシス特性の一例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing an example of a hysteresis characteristic.

【図12】Prの分布を示す図。FIG. 12 is a diagram showing a distribution of Pr.

【図13】強誘電特性測定用の試料構造を示す図。FIG. 13 shows a sample structure for measuring ferroelectric characteristics.

【図14】高集積強誘電体メモリの断面図。FIG. 14 is a sectional view of a highly integrated ferroelectric memory.

【図15】出力電圧値の分布を示す図。FIG. 15 is a diagram showing a distribution of output voltage values.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基板、2…強誘電体粒子、3…下部電極、4…強誘
電体層、5…上部電極、6…引き出し線、7…強誘電体
キャパシタ、8…キャパシタ、9…電圧計、10…ビッ
ト線、11…ワード線、12…プレート線、13…強誘
電体キャパシタ、14…トランジスタ、15…強誘電体
一体型セル、16…Si基板、17…SiO2膜、18
…Pt膜、19…PZT膜、20…Au電極、21…S
TO基板、22…SRO電極、23…p型シリコン基
板、24…素子間分離膜、25…ゲート酸化膜、26…
ゲート電極(ワード線)、27…リンドープn型不純物
拡散層、28…層間絶縁膜(SiO2)、29…SiO2
層、30…多結晶Si、31…SiO2絶縁膜、32…
ビット線、33…SiO2層、34…サイドウオールス
ペーサ(Si34)、35…絶縁膜、36…多結晶Si
プラグ、37…SRO膜、38…PZT強誘電体薄膜、
39…Au電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Ferroelectric particles, 3 ... Lower electrode, 4 ... Ferroelectric layer, 5 ... Upper electrode, 6 ... Lead wire, 7 ... Ferroelectric capacitor, 8 ... Capacitor, 9 ... Voltmeter, 10 ... Bit line, 11 word line, 12 plate line, 13 ferroelectric capacitor, 14 transistor, 15 ferroelectric integrated cell, 16 Si substrate, 17 SiO 2 film, 18
... Pt film, 19 ... PZT film, 20 ... Au electrode, 21 ... S
TO substrate, 22 SRO electrode, 23 p-type silicon substrate, 24 element isolation film, 25 gate oxide film, 26
Gate electrode (word line), 27: phosphorus-doped n-type impurity diffusion layer, 28: interlayer insulating film (SiO 2 ), 29: SiO 2
Layers, 30: polycrystalline Si, 31: SiO 2 insulating film, 32:
Bit line, 33: SiO 2 layer, 34: sidewall spacer (Si 3 N 4 ), 35: insulating film, 36: polycrystalline Si
Plug, 37: SRO film, 38: PZT ferroelectric thin film,
39 ... Au electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/8247 29/788 29/792 (72)発明者 櫛田 惠子 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 鳥居 和功 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 阪田 健 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 21/8247 29/788 29/792 (72) Inventor Keiko Kushida 1-280 Higashi-Koigabo, Kokubunji-shi, Tokyo Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. In-house (72) Inventor Kazunori Torii 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Hitachi, Ltd.Central Research Laboratories

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】強誘電体キャパシタから構成され、該キャ
パシタを構成する結晶性強誘電体材料の強誘電性を示す
結晶構造からのX線回折線のロッキングカーブの半値幅
(Δω(°))及びθ−2θ法において回折ピークを与
える回折角(θ0、θ軸での値(°))が、 Δω/(2θ0)≦0.068×(S・d/((4/
3)・π・r3))0.5 なる関係(但し、S:強誘電体キャパシタ面積(μ
2)、d:強誘電体厚さ(μm)、r:強誘電体粒子
平均半径(μm))を満たし、かつ1ギガビット以上の
集積度を有することを特徴とする高集積強誘電体メモ
リ。
1. A half-width of a rocking curve of an X-ray diffraction line from a crystal structure showing ferroelectricity of a crystalline ferroelectric material constituting a ferroelectric capacitor (Δω (°)). And the diffraction angle (θ 0 , the value on the θ axis (°)) that gives a diffraction peak in the θ-2θ method is Δω / (2θ 0 ) ≦ 0.068 × (S · d / ((4 /
3) · π · r 3 )) 0.5 (where S: ferroelectric capacitor area (μ
m 2 ), d: thickness of ferroelectric substance (μm), r: average radius of ferroelectric particles (μm)), and high integration of 1 gigabit or more. .
【請求項2】強誘電体キャパシタから構成され、該キャ
パシタを構成する結晶性強誘電体材料の強誘電性を結晶
構造からのX線回折線のロッキングカーブの半値幅(Δ
ω(°))が、 Δω≦2.62×(S・d/((4/3)・π・
3))0.5 なる関係(但し、S:強誘電体キャパシタ面積(μ
2)、d:強誘電体厚さ(μm)、r:強誘電体粒子
平均半径(μm))を満たし、かつ1ギガビット以上の
集積度を有することを特徴とする高集積強誘電体メモ
リ。
2. The method according to claim 1, wherein the ferroelectricity of the crystalline ferroelectric material forming the capacitor is determined by the half width (Δ) of a rocking curve of an X-ray diffraction line from the crystal structure.
ω (°)) is Δω ≦ 2.62 × (S · d / ((4/3) · π ·
r 3 )) 0.5 (where S: ferroelectric capacitor area (μ
m 2 ), d: thickness of ferroelectric substance (μm), r: average radius of ferroelectric particles (μm)), and high integration of 1 gigabit or more. .
【請求項3】強誘電体キャパシタから構成され、該キャ
パシタを構成する結晶性強誘電体層が1強誘電体粒子の
厚さからなり、該キャパシタを構成する結晶性強誘電体
材料の強誘電性を示す結晶構造からのX線回折線のロッ
キングカーブの半値幅(Δω(°))及びθ−2θ法に
おいて回折ピークを与える回折角(θ0、θ軸での値
(°))が、 Δω/(2θ0)≦0.068×(S/(π・r2))
0.5 なる関係(但し、S:強誘電体キャパシタ面積(μ
2)、r:強誘電体粒子平均半径(μm))を満た
し、かつ1ギガビット以上の集積度を有することを特徴
とする高集積強誘電体メモリ。
3. A ferroelectric capacitor comprising a ferroelectric capacitor, wherein a crystalline ferroelectric layer constituting the capacitor has a thickness of one ferroelectric particle, and a ferroelectric material of a crystalline ferroelectric material constituting the capacitor. The half width (Δω (°)) of the rocking curve of the X-ray diffraction line from the crystal structure showing the property and the diffraction angle (θ 0 , the value on the θ axis (°) at which the diffraction peak is obtained in the θ-2θ method) Δω / (2θ 0 ) ≦ 0.068 × (S / (π · r 2 ))
0.5 (however, S: ferroelectric capacitor area (μ
m 2 ), r: average density of ferroelectric particles (μm)) and high integration of 1 gigabit or more.
【請求項4】強誘電体キャパシタから構成され、該キャ
パシタを構成する結晶性強誘電体層が1強誘電体粒子の
厚さからなり、該結晶性強誘電体材料の強誘電性を示す
結晶構造からのX線回折線のロッキングカーブの半値幅
(Δω(°))が Δω≦2.62×(S/(π・r2))0.5 なる関係(但し、S:強誘電体キャパシタ面積(μ
2)、r:強誘電体粒子平均半径(μm))を満た
し、かつ1ギガビット以上の集積度を有することを特徴
とする高集積強誘電体メモリ。
4. A crystal comprising a ferroelectric capacitor, wherein the crystalline ferroelectric layer constituting the capacitor has a thickness of one ferroelectric particle, and exhibits a ferroelectric property of the crystalline ferroelectric material. The relationship that the half width (Δω (°)) of the rocking curve of the X-ray diffraction line from the structure is Δω ≦ 2.62 × (S / (π · r 2 )) 0.5 (where S: ferroelectric capacitor area ( μ
m 2 ), r: average density of ferroelectric particles (μm)) and high integration of 1 gigabit or more.
【請求項5】上記強誘電体キャパシタを構成する結晶性
強誘電体材料がPb(Zrx、Ti1―x)O3(0≦x≦
1)から構成されることを特徴とする請求項1乃至4の
いずれかに記載の高集積強誘電体メモリ。
5. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the crystalline ferroelectric material is Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 (0 ≦ x ≦
5. The highly integrated ferroelectric memory according to claim 1, wherein the memory comprises:
【請求項6】上記強誘電体キャパシタを構成する結晶性
強誘電体材料が(Pb1―y、Lay)(Zrx、T
1―x1-y/43(0≦x≦1、0≦y≦1)から構成
されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記
載の高集積強誘電体メモリ。
6. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein said crystalline ferroelectric material comprises (Pb 1-y , La y ) (Zr x , T
5. The highly integrated ferroelectric according to claim 1, wherein i 1-x ) 1-y / 4 O 3 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). memory.
【請求項7】上記強誘電体材料がビスマス層状構造強誘
電体であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか
に記載の高集積強誘電体メモリ。
7. The highly integrated ferroelectric memory according to claim 1, wherein said ferroelectric material is a bismuth layered structure ferroelectric.
【請求項8】上記強誘電体キャパシタを構成する結晶性
強誘電体材料がSrBi2Ta29から構成されること
を特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の高集積
強誘電体メモリ。
8. The highly integrated ferroelectric according to claim 1, wherein said crystalline ferroelectric material constituting said ferroelectric capacitor is composed of SrBi 2 Ta 2 O 9. Body memory.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030029465A (en) * 2001-10-03 2003-04-14 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 Method for manufacturing an electronic device

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