JPH11233733A - 電子部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】疲労特性及び電気特性が良好で、表面の凹凸が
少ない誘電体膜を有する電子部品を提供する。 【解決手段】Ｓｉ基板１上に絶縁膜２が形成され、この
絶縁膜２上にはＴｉ接合層３が形成され、このＴｉ接合
層上に下地電極となるＰｔ電極４が形成され、その上に
ＰＺＴ膜５が形成される。このＰＺＴ膜５はシード層５
ａ及びその上に形成されたＰＺＴ膜５ｂ本体の２層から
なる。さらにこのＰＺＴ膜５上にＰｔ電極６が形成さ
れ、これらにより強誘電体メモリのキャパシタを構成す
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、薄膜電子部品の機
能性薄膜に関し、特に誘電体薄膜の構造およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ）の絶縁膜、導
体膜の形成技術、液晶ディスプレイに用いる薄膜トラン
ジスタ（ＴＦＴ）、各種センサやアクチュエータに使用
する機能性薄膜、記録媒体用あるいは薄膜ヘッド材料の
磁性体薄膜、超伝導薄膜など、最近の高集積電子部品に
は薄膜形成技術が重要な役割を果たしている。この成膜
技術の急激な進歩は、これまで実現が困難であった高誘
電率薄膜（以下、高誘電体薄膜と称する），強誘電体薄
膜，圧電体薄膜，焦電体薄膜などを用いた新しい電子デ
バイスを実現してきた。

【０００３】例えば、圧電体薄膜を使用した素子はＭＥ
ＭＳ（Microelectromechanical system）と呼ばれ、マ
イクロアクチュエータ，マイクロモータ，超小型圧力セ
ンサ，超小型加速度センサなどが研究されている。ま
た、焦電体薄膜は赤外線センサなどが実用化されてい
る。

【０００４】また、誘電体薄膜は、ＤＲＡＭ（Dynamic
Random Access Memory）の高集積化に伴うキャパシタ容
量が限界に近づくにつれ、注目されつつある。近年、Ｄ
ＲＡＭはその集積度をさらに高め、１セルの面積も縮小
している。セル面積の縮小に伴い、キャパシタに割り当
てられる面積も当然縮小することとなるが、既存のＳｉ
Ｎ，ＳｉＯ₂ 膜の極薄膜化およびトレンチ構造などの面
積増加では、必要とされる容量３０ｆＦをこれ以上保つ
ことができなくなってきている。このことから、これま
でのキャパシタの構造では高集積化を実現できない問題
が生じる。

【０００５】このＤＲＡＭの持つ根本的な問題を解決す
べく、新しい不揮発性メモリとして強誘電体メモリ（Ｆ
ｅＲＡＭ）が開発されている。このＦｅＲＡＭの開発に
伴い、ペロブスカイト構造を持つＢＳＴ（Ｂａ_0.5 Ｓｒ
_0.5 ＴｉＯ₃ ），ＳｒＴｉＯ₃ 誘電体薄膜やＰＺＴ（Ｐ
ｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ_1-x Ｏ₃ ）強誘電体薄膜、ＢＩＴ（Ｂｉ
₄ Ｔｉ₃ Ｏ₁₂）強誘電体薄膜、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ₂ Ｔａ
₂ Ｏ₉ ）強誘電体薄膜が研究開発され、実用化検討され
てきた。

【０００６】このような種々の電子デバイスの中で、特
に強誘電体薄膜の開発を促進しているＦｅＲＡＭは、Ｄ
ＲＡＭのキャパシタ部分を強誘電体で置き換えたもの
で、以下のような利点をもち次世代メモリとして期待さ
れている。

【０００７】第一に、書き込み及び消去が高速であり、
セルを小型化することでＤＲＡＭ並みの１００ｎｓ以下
の書き込み時間が可能である。第二に、不揮発性メモリ
であるため、ＳＲＡＭと異なり電源を必要としない。第
三に、メモリの書き換え可能回数が大きく、ＳＢＴなど
の強誘電体材料や、この強誘電体材料の下地電極として
用いられるＩｒＯ_x ，ＲｕＯ_x ，ＳｒＲｕＯ₃ などの電
極材料を工夫することで１０¹²回以上が可能である。第
四に、高密度高集積化ができ、ＤＲＡＭと同等の集積度
が得られる。第五に、内部の書き込み電圧を２Ｖ程度と
することができ、電力の消費を低く抑えることができ
る。第六に、フラッシュメモリと異なりビット書き換
え、ランダムアクセスが可能である。

【０００８】これらの利点を利用して、ＦｅＲＡＭはエ
アコンの温湿度センサ，各種電子機器の製造プロセスの
モニター用ＴＡＧ，ＴＶゲームのリジューム機能，アー
ケードゲームの記憶装置，ＴＶやビデオの設定記憶，コ
ピー，ＦＡＸ，プリンタの感光ドラムの使用状況モニ
タ，衛星放送，ケーブルＴＶのセットトップボックス，
自動車のエンジンコントロール，ラジオの周波数プリセ
ット，ＲＦＩＤを用いた電子キー，ノイズの多い工業用
製品のラインの製造プロセスモニタ，電力積算計，工業
用液体，気体流量計センサ，大型タンクの液面計，ＡＶ
パソコン，ＰＣカード，ファイルメモリ，携帯端末機器
など、多分野・多方面にわたっての応用が実用化あるい
は検討されている。

【０００９】次に、ＦｅＲＡＭに用いられる強誘電体の
原理を図９を用いて説明する。図９は強誘電体のヒステ
リシス曲線を示す図であり、横軸は印加電圧（Ｖ）を、
縦軸は分極値（μＣ／ｃｍ² ）であり、Ｐｓは飽和分極
値である。図９に示すように、強誘電体は自発分極をも
ち、その自発分極が電界により向きを反転することが可
能である特徴をもつ。自発分極は電界を印加しない状態
でも分極値Ｐｒをもち（残留分極）、その値（分極の向
き）が電界を０とする前の状態に依存する。ここで図９
のヒステリシス曲線において分極０となる時の電界値を
抗電界と呼び、その電圧を抗電圧Ｖｃと呼ぶ。印加する
電界の向きで＋あるいは−の電荷を結晶表面に誘起する
ことができ、この状態をメモリ素子の０，１値に対応さ
せる。

【００１０】図１０は、強誘電体メモリの１セルである
１Ｔ／１Ｃ（１トランジスタ／１キャパシタ）の構造を
示す。ＢＬはビットライン、ＷＬはワードライン、Ｖｐ
はプレート電圧、Ｔｒはパスゲートトランジスタ、ＦＥ
は強誘電体メモリセルを示す。開発された初期のＦｅＲ
ＡＭは、比較するキャパシタをそれぞれ一つのキャパシ
タ毎に作製した２Ｔ／２Ｃ構造をもつが、高集積化の要
求からリファレンスキャパシタを共通とする１Ｔ／１Ｃ
型が開発されている。

【００１１】ＦｅＲＡＭに用いられる強誘電体材料には
次にあげるような特性、仕様が要求される。

【００１２】第一に、反転分極量（スイッチング電荷：
Ｐｒ×２）が大きいことが要求される。これはデバイス
の構造，センシングする際の設定電圧値，分極値の安定
性などにも左右されるが、一般に１０μＣ／ｃｍ² が必
要とされている。

【００１３】第二に、比誘電率が小さいことが要求され
る。比誘電率を小さくすることで、スイッチング電流に
対して非スイッチング電流値が小さく、Ｓ／Ｎ比を低く
抑えることが出来るからである。

【００１４】第三に、分極値の書き換えサイクルによる
減少、すなわち疲労特性が良好であることが要求され
る。疲労特性を良好にするには、強誘電体の材料そのも
のを変え、あるいは電極材料を酸化物系のものとする。
これにより、１０¹²回以上のスイッチング特性が得られ
る。

【００１５】第四に、分極反転速度が速いことが要求さ
れる。キャパシタの小型化により、スイッチング特性が
正味のドメイン反転速度ではなく、電極配線抵抗、浮遊
容量などに主として左右されることが示されている。

【００１６】第五に、リーク電流が１０^-6Ａ／ｃｍ² 以
下であることが要求される。キャパシタに蓄積した電荷
の有無を利用するＤＲＡＭと比較すると、ＦｅＲＡＭで
は残留分極値を利用するため、基準となるリーク電流値
はＤＲＡＭの場合よりも高くて問題ない。

【００１７】第六に、データ保持特性が１０年以上であ
ることが要求される。

【００１８】以上に示した強誘電体材料に要求される特
性、仕様を考慮すると、実際に使用されている強誘電体
材料としては、主にＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ
_1-x Ｏ₃ ）薄膜、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ₂ Ｔａ₂ Ｏ₉ ）薄膜
が挙げられる。

【００１９】ＰＺＴ薄膜には、以下に示す利点がある。
すなわち、結晶化温度が６００℃程度であること、分極
値が大きく残留分極値で２０μＣ／ｃｍ² 程度であるこ
と、抗電界が比較的小さく低電圧で分極反転が可能なこ
と、Ｚｒ／Ｔｉ組成比により結晶化温度の他に、グレイ
ンの大きさや形状などの構造特性，分極量，抗電界，疲
労特性，リーク電流などの強誘電特性が制御可能なこと
などである。さらには、ペロブスカイト構造のもつ元素
許容性からＡサイトと呼ばれるＰｂをＳｒ，Ｂａ，Ｃ
ａ，Ｌａなどの元素で、Ｂサイトと呼ばれるＺｒ及びＴ
ｉをＮｂ，Ｗ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｍｎなどの元
素で置換することが可能であり、例えばこの元素の置換
により構造特性、強誘電特性を広範囲に制御できるする
ことも利点としてあげられる。

【００２０】元来、ＰＺＴはアクチュエータ，超音波振
動子，超音波モータ，ハイドロフォン，圧電トランスな
どのトランスデューサへの応用，積層セラミックコンデ
ンサなど受動部品への応用，赤外線センサなどセンサへ
の応用など、種々の分野において用いられている。ま
た、構造相転移，ドメイン挙動，圧電，焦電，強誘電体
としての基本特性，ミクロな挙動など多くの研究がこれ
までになされており、ＰＺＴの材料設計、特性改善、構
造・電気特性の解明などのデータベースとして豊富であ
ることも一つの利点といえる。

【００２１】さらに、ＰＺＴはその圧電、焦電、強誘電
特性にすぐれることから早くから薄膜化の検討がなされ
てきており、スパッタ法やゾルゲル法などの手法で研究
例も多い。

【００２２】以上のような背景の下、ＰＺＴは最初にＦ
ｅＲＡＭとして実用化された材料である。欠点である書
き込み回数の増加にともなう分極量の減少（疲労特性）
は、疲労特性そのものが電界により加速される特徴をも
つため、最近の動作電圧の低電圧化、当初使用されてい
たＰｔ電極からＩｒＯ_x など酸化物電極の採用による疲
労特性の改善もなされている。

【００２３】このＰＺＴ膜はＭＯＤ（Metalorganic Dec
omposition）法，レーザアブレーション法，イオンビー
ムスパッタ法，熱ＣＶＤ法，ＭＯＣＶＤ法，レーザＣＶ
Ｄ法などにより形成することが可能であるが、ＦｅＲＡ
Ｍ製品としてはゾルゲル法，スパッタ法が中心である。

【００２４】一方、後者のＳＢＴは、ＰＺＴのもつ疲労
特性の改善、膜の低電圧駆動を達成するために開発され
た材料である。ＳＢＴはＢｉ層状化合物（Aurivillius
Phase）の一種で、強誘電性の起源となる酸素八面体か
らなる擬似ペロブスカイト構造層をＢｉ₂ Ｏ₂ 層が挟む
結晶構造をもつ。この構造により主たる分極軸はｃ軸と
垂直な面内にあり、ｃ軸方向の分極は無か、あっても小
さい値となる。擬似ペロブスカイト構造中の酸素八面体
の数によってｃ軸方向の分極が発現する。

【００２５】ＳＢＴ膜は、強い異方性によりこれまでセ
ラミックとしてはほとんど研究がなされていなかったが
ＭＯＤ法で薄膜形成が可能で、形成された多結晶膜が強
誘電性を示すことから開発が開始されている。また、疲
労特性が良好であり、低電圧化が可能であることが確認
されたことにより開発がさらに加速している。

【００２６】ＳＢＴは揮発性元素であるＢｉが欠損して
も電荷を補償する酸素空孔自体はＢｉ酸化物層に形成さ
れるため直接ペロブスカイト構造での影響は少ない。ま
た、価数の変化しやすいＴｉをもたないことも強誘電性
を変化させない要因とされている。

【００２７】ＳＢＴはＰＺＴと比較して分極量が小さい
が、Ｔａの一部をＮｂで置換することで分極量を増大さ
せることも可能である。最近はＳＢＴをキャパシタとし
て集積化したデバイスも試作されている。ＳＢＴはＭＯ
Ｄ法の他、ゾルゲル法、スパッタ法、レーザアブレーシ
ョン法などでも形成されている。

【００２８】次に、強誘電体を形成するプロセスをＰＺ
Ｔ強誘電体膜を用いたＦｅＲＡＭの例により説明する。

【００２９】まず、スパッタ法によりスパッタと同時に
直接結晶化したＰＺＴ膜を形成する方法が考えられる。
この場合、スパッタ時に約５００℃以上の高温が必要で
あるが、低融点元素のＰｂの蒸気圧が高いこと、スパッ
タ率が高いことなどの理由から、高温で容易に基板から
蒸発、再スパッタする。結晶化温度である５００℃以上
ではＰｂはほとんど基板へとどまらず組成制御が困難で
ある。通常はＰｂあるいはＰｂＯのターゲットを別に用
意し、同時にスパッタして過剰量のＰｂを供給するなど
の工夫がなされるが、大きい基板に均一に組成制御して
膜形成することは困難である。

【００３０】これに対して、室温ではＰｂの蒸発、再ス
パッタの影響が小さいため、比較的容易にターゲットに
近い組成のＰＺＴ膜が形成可能である。ただし室温にお
いてもプラズマからのイオン、スパッタ粒子などによる
運動量によって基板やシールド部が高温となりやすく、
蒸発、再スパッタの影響は注意する必要がある。各部の
電位によってもＡｒイオンの衝撃が異なるため組成が変
化する。

【００３１】従って、室温によりＰＺＴ強誘電体膜を形
成する場合を図１１を用いて以下説明する。

【００３２】まず、トランジスタを形成するプロセスを
経たＳｉ基板１にＳｉＯ₂ 膜２を形成し、下地電極とな
る１５０ｎｍ厚のＰｔ電極４をＤＣマグネトロンスパッ
タにより形成する。Ｐｔは酸化膜と密着性が良好ではな
いため、接合層３としてＴｉ（２０ｎｍ）をＰｔ成膜前
に連続スパッタにて形成する。

【００３３】次に、Ｐｔ電極４上にＰＺＴ膜５をＲＦマ
グネトロンスパッタにより形成する。このスパッタは、
Ｐｂの蒸発、再スパッタの影響を抑えるため、基板温度
を上げず室温にて成膜する。

【００３４】スパッタ条件は次の通りである。ターゲッ
ト−基板間距離が６０ｍｍ、均一な膜厚、組成分布を得
るためマグネットをスパッタ中に回転させる。１２イン
チのセラミックＰＺＴターゲットに対して１．０〜１．
５ｋＷでスパッタを行なう。スパッタガスはＡｒで０．
５〜２．０Ｐａの圧力範囲で成膜する。約５分間のスパ
ッタ時間で２５０〜３００ｎｍの膜厚のＰＺＴアモルフ
ァス膜が得られる。

【００３５】また、ＰＺＴ成膜前に約１時間のプレスパ
ッタをＰＺＴ成膜時と同様のスパッタ条件にて行なう。
上記スパッタにより得られたアモルファス状態のＰＺＴ
膜５をＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）プロセスにより
ペロブスカイト相に結晶化する。６００℃以上の温度で
数秒で結晶化が可能である。管状炉などでも結晶化でき
るが、ＲＴＡの方がサーマルバジェットが小さくＰｔ電
極４とＰＺＴ膜５の拡散、反応を抑えることができ、界
面の平滑性に適する。

【００３６】また、ＰＺＴ膜５の結晶化には異相として
非強誘電相のパイロクロア型酸化物があるが、この相は
結晶化の昇温速度を小さくした場合や、Ｚｒ／Ｔｉ比が
大きい場合に形成されやすい。パイロクロア相が第二相
としてできた場合には、分極量が小さくなるだけでな
く、ＰＺＴ膜の信頼性にも影響を及ぼす可能性があるた
め、パイロクロア相を形成しないように昇温温度及びＺ
ｒ／Ｔｉ比を制御する。

【００３７】図１２は、ＲＴＡにより結晶化した後の状
態をＳＥＭで微細構造を観察した結果を示す顕微鏡写真
である。Ａｒ中でスパッタ成膜した試料では厚さ３００
ｎｍのＰＺＴ膜５でクラックは発生しないが、ＰＺＴ／
Ｐｔ，Ｐｔ／Ｔｉの界面で反応、拡散が起こり、Ｐｔ表
面の一部（Ｐｔの粒界部など）や膜内部からペロブスカ
イト相生成が起こるため、表面の凹凸が大きくなる。Ｐ
ＺＴ粒子は横方向で１００〜３００ｎｍ径であり、膜の
表面はその粒子形状を反映して±１００ｎｍ程度の凹凸
が見られた。これは、ＰＺＴ膜５が小さい粒径であるこ
とが原因である。

【００３８】このＰＺＴ膜５形成時のＰＺＴ膜５付近の
断面を模式的に図１３に示す。図１３から分かるよう
に、Ｐｔ粒子１３４からなるＰｔ電極４上にはＰＺＴ膜
５が形成されており、このＰＺＴ膜５を構成する個々の
ＰＺＴ粒子１３５は柱状に成長している。このＰＺＴ粒
子１３５同士の境界面、すなわち粒界部分はリーク電流
のパスとなり、この粒界部分が多いほどリーク電流が大
きくなる。同様に、ＰＺＴ膜５とＰｔ電極４との界面に
はポア１３６が生じるが、これもリーク電流の原因とな
る。

【００３９】さらに、ＸＲＤ（Ｘ線回折）により結晶構
造を観察すると、ＰＺＴペロブスカイト構造の（１０
０）面が基板と平行に配向していることがわかる。Ｐｔ
電極４は、（１１１）面が基板と平行となるように配向
するため、Ｐｔ電極４とＰＺＴ膜５の整合がとれていな
いこととなる。これは、ＰＺＴ膜５とＰｔ電極４との界
面においてＰＺＴ中のＴｉの周囲の酸素が欠損した状態
となるため、酸素八面体構造のペロブスカイト構造に移
行しにくく、また界面でなくＰＺＴ膜５内部又表面から
ペロブスカイト構造が成長しやすくなるため、配向面の
整合がとれなくなるからである。

【００４０】次に、ＰＺＴ結晶膜５上にさらに上部電極
となるＰｔ膜をＤＣマグネトロンスパッタにより堆積し
てＰｔ電極６を形成し、キャパシタ構造が完成する。

【００４１】Ｐｔ電極６のパターンはＲＩＥ（Reactive
Ion Etching）装置を用いて、Ａｒと弗化炭素系のガス
中でエッチングを行い微細パターンを形成するが、本実
施形態では初期強誘電特性をみるためポジレジストにて
ＰＺＴ膜５上にパターンを形成し、リフトオフ法により
Ｐｔ上部電極パターンとした。さらに、電極との密着性
を向上させるために６００℃で酸素中１時間のアニール
処理を行う。

【００４２】このようにして完成したキャパシタ構造の
電気特性を評価すべく、強誘電性を電荷量Ｑ−印加電圧
Ｖでのヒステリシス特性にて調べた結果を図１４に示
す。６インチ径のＳｉウェハの面内でいずれの場所でも
分極量２Ｐｒ（残留分極Ｐｒ×２）が１０μＣ／ｃｍ²
以下と低くヒステリシス形状も悪い。この場合の膜組成
はＰｂ_1.15-1.20 Ｌａ_0.05（Ｚｒ_0.4 Ｔｉ_0.6 ）Ｏ₃ で
あった。

【００４３】この分極特性を改善すべくスパッタ時のス
パッタ電力とガス圧を変えることでＰｂ量を１０％以内
の範囲で変化させることが可能である。従って、膜中の
Ｐｂ量を変えることにより分極量２Ｐｒが一部で３０μ
Ｃ／ｃｍ² 程度のものも得られるが、ウェハ面内全域で
形成することはできない。

【００４４】さらにプラズマ状態、ターゲットの状態、
シールド状態によりＰｂ量が微量変化することでヒステ
リシス特性が大きく変動する。

【００４５】疲労特性評価では５０μｍ角、３００ｎｍ
厚さのＰＺＴキャパシタに５Ｖの膜構造でスイッチング
を繰り返したところ、１０³ サイクル以上で分極量の減
少が始まり、１０⁵ サイクルで分極量は初期の半分以下
となった。

【００４６】ＰＺＴ膜の疲労はＰｔ電極４界面に形成さ
れる酸素空孔が主たる原因とされている。この酸素空孔
の発生理由の一つがＰｂ元素の揮発性、拡散容易性であ
る。すなわち、Ｐｂ欠損により電気的中性を保持するた
めに形成容易な酸素空孔ができる。酸素空孔が形成され
ると空間電荷を形成してドメインをピニングするととも
に、酸素空孔近傍の陽イオンと双極子を形成し、スイッ
チング電荷の減少を引き起こす。

【００４７】そこで、かかる酸素空孔発生を防止するた
め、スパッタ成膜をＡｒ／Ｏ₂ 中で行うことも考えられ
る。しかし、Ｏ₂ を添加してスパッタ成膜したＰＺＴア
モルファス膜では、結晶化プロセスにおいて膜にクラッ
クが生じ、基板一面にＰＺＴ膜が白濁する現象が見られ
る。微細構造を電子顕微鏡により観察した様子を図１５
に示す。図１５より、ＰＺＴ膜に無数のクラックが大き
く生じていることが分かる。この現象は５インチのター
ゲットを用いて他のスパッタ装置で成膜した場合にも同
様に発生した。

【００４８】ＰＺＴ膜５、Ｐｔ電極６のＲＩＥではイオ
ンにより物理的エッチング効果が大きいため膜表面の凹
凸がエッチング後の形状に大きく影響する。本膜では±
１００ｎｍの表面粗さがそのままエッチング後に下地基
板の凹凸となってしまう問題があった。

【００４９】次に、ゾルゲル法やＭＯＤ法などの溶液法
（ＣＳＤ法）にて形成するＰＺＴ成膜プロセスを説明す
る。

【００５０】まず、原料の性状、取り扱い容易性、安定
性や他の物質との混合した時の反応性から、Ｐｂ，Ｔ
ｉ，ＺｒなどのＰＺＴ膜構成元素の原料を選択する。Ｐ
ｂでは酢酸鉛３水和物、Ｚｒにはジルコニウムテトラプ
ロポキシド、Ｔｉにはチタンテトライソプロポキシドを
利用する場合が多く、溶剤に２メトキシエタノールを使
用して約０．２Ｍの溶液をまず調製する。この溶液は水
分を十分に取り除くことで長期保存が可能である。

【００５１】一般には酢酸鉛の水和物の水成分を除去す
る。成膜する時はこの溶液に水を加えて縮重合反応を起
こさせるが、脱水反応および脱アルコール反応によって
Ｍ−Ｏ−Ｍの架橋構造が形成される。この際に加えた水
の量，反応時間（保持時間），ｐＨ，温度，濃度などに
よりこの架橋状態が変化する。

【００５２】スパッタの場合と同様に異なったアモルフ
ァス状態を形成することになるため、ＰＺＴペロブスカ
イト構造に結晶化した後に配向性，結晶粒の性状，強誘
電特性，リーク電流，疲労特性などが変化する。ＭＯＤ
法でも同様である。Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの２エチルヘキサ
ノエートなどを使用し、有機溶剤のキシレンを用いてＰ
ＺＴのＭＯＤ用溶液を調製する。ＭＯＤ法の場合は加水
分解反応は起こさず、その状態（混合状態）にて基板上
に塗布する。基板上に成膜した後に２５０℃程度の低温
で乾燥、脱溶剤を実施し、アモルファス状態のＰＺＴ膜
となる。ＭＯＤ法では原料がＣ，Ｈ，Ｏを多く含む構造
であるため結晶化時の膜の収縮が大きく、数１００ｎｍ
の厚い膜を形成するには塗布と結晶化工程を繰り返すな
どの方法で行なう。

【００５３】結晶化はスパッタによる場合と同様にＲＴ
Ａを使用する場合が多い。７５０℃で５分程度の熱処理
によりペロブスカイト単一相が得られる。しかしなが
ら、このような溶液法を用いたＰＺＴ膜は結晶粒は１０
０〜数１００ｎｍと小さく、スパッタで形成された膜の
ような柱状組織を示さない粒状組織がみられる場合が多
い。

【００５４】また、ＰＺＴペロブスカイト相の配向性で
みると、Ｐｔ（１１１）面上でも配向度の小さい多結晶
膜や、（１００）面からの反射が強い配向膜となったり
することが多く、下地電極との整合性を得ることが困難
である。また、このような膜では小さいＰＺＴ粒子から
構成されることで粒界部が多くなる。従って、リーク電
流の増大，疲労特性，残留分極量の減少，リテンション
特性（電荷の保持特性）の劣化，欠陥や空間電荷による
内部電界の発生などによって悪影響が発生する。

【００５５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の強誘電体薄膜は、成膜時において下地電極との界
面付近に形成される酸素空孔や欠陥により強誘電性、疲
労特性が劣化する。また、形成した粒径が小さく、下地
電極とを構成する結晶の配向面と同一な面が配向してい
ない柱状組織の誘電体膜の電気特性は、リーク電流が大
きい、分極量の小さいものが多い、抗電界が大きいなど
の問題も発生し、形成された誘電体膜表面の凹凸が大き
い。

【００５６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、疲労特性及び電気
特性が良好で、表面の凹凸が少ない誘電体膜を有する電
子部品を提供することにある。

【００５７】また、本発明の別の目的は、上記電子部品
の製造方法を提供することにある。

【００５８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電子部品
は、導電性薄膜と、この導電性薄膜上に該導電性薄膜の
平均粒子径よりも大きい平均粒子径で接して形成され、
前記導電性薄膜と格子定数が整合する材料からなり、前
記導電性薄膜を構成する結晶の配向面と同一な面が最も
高く配向した誘電体膜とを具備してなることを特徴とす
る。

【００５９】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００６０】（１）誘電体薄膜の粒子径Ａが、下地電極
の粒子径Ｂと、Ｂ＜Ａ＜１００Ｂの関係をもつ。

【００６１】（２）導電性薄膜は、半導体層及び該半導
体層の上に形成された絶縁膜の上に形成されており、誘
電体膜上には導電性材料からなる上部電極が形成されて
おり、導電性薄膜，誘電体膜及び上部電極により半導体
メモリのキャパシタを構成する。

【００６２】（３）誘電体薄膜がＡＢＯ₃ を化学式とし
たペロブスカイト構造をもつ。

【００６３】（４）（３）のペロブスカイト構造を構成
する元素ＡはＰｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｌａの少なくと
も一種を含み、元素ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆ
ｅ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一種を含む。

【００６４】（５）下地電極材料がＰｔ，Ｒｕ，Ｉｒ，
ＩｒＯ_x ，ＲｕＯ_x などの貴金属及び貴金属の酸化物あ
るいはＳｒＲｕＯ₃ ，（Ｌａ_0.5 Ｓｒ_0.5 ）ＣｏＯ₃ な
どのペロブスカイト型導電性酸化物、超伝導性薄膜など
を主成分とする。

【００６５】（６）誘電体膜はＰＺＴ膜である。

【００６６】また、本発明に係る薄膜電子部品の製造方
法は、導電性薄膜を形成する工程と、この導電性薄膜の
上に該導電性薄膜と格子定数がほぼ同じ材料からなる誘
電体膜を成膜装置により成膜する工程とを具備し、前記
導電性薄膜及び前記誘電体膜の界面付近の前記誘電体膜
成膜時の前記成膜装置内への導入酸素量を前記界面付近
よりも上面の成膜時よりも多くして前記導電性薄膜を構
成する結晶の配向面と同一な面を最も高く配向させるこ
とを特徴とする。

【００６７】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００６８】（１）誘電体膜の形成はＣＶＤ法，スパッ
タ法，蒸着法，レーザアブレーション法により行う。

【００６９】（２）成膜装置はスパッタ装置であり、成
膜工程はスパッタ装置内に導入する不活性ガスとともに
酸素を導入してスパッタを行い、このスパッタ後に加熱
処理により誘電体膜を結晶化させる工程である。

【００７０】（３）誘電体膜の成膜工程は第１、第２の
膜堆積工程及び結晶化工程からなり、第１の膜堆積工程
は導入酸素量を多くして第１の非晶質膜を１０ｎｍ以下
の膜厚に形成する工程であり、第２の膜堆積工程は第１
の工程に比較して導入酸素量を少なくして第１の非晶質
膜上に第２の非晶質膜を形成する工程であり、結晶化工
程は第１及び第２の非晶質膜を加熱処理により結晶化さ
せる工程であることを特徴とする。

【００７１】（４）（３）の第１及び第２の膜堆積工程
は室温で行う。

【００７２】（５）（２）のスパッタ法による形成で
は、形成すべき誘電体膜の組成に比較してターゲット組
成のＰｂを増加させる。

【００７３】（６）（２）のスパッタ法による形成で
は、ターゲットにＬａを添加する。

【００７４】（７）導電性薄膜をパターニングし、この
パターニングされた基板上にＰＺＴ膜をスパッタにより
成膜し、その後の加熱処理により導電性薄膜上のＰＺＴ
膜のみを結晶化させる。

【００７５】（作用）本発明に係る電子部品では、誘電
体膜の粒子径は導電性薄膜の粒子径よりも大きく、また
誘電体膜と導電性薄膜と格子定数が整合し、かつ導電性
薄膜を構成する結晶の配向面と同一な面が最も高く配向
して誘電体膜が導電性薄膜に接して形成される。

【００７６】これによって、誘電体膜の粒界部分が少な
くかつ誘電体膜内部と導電性薄膜界面付近との組成ずれ
が起こりにくい。従って、分極量が大きく、複数回のス
イッチングを行っても分極量が小さくなりにくく、抗電
圧が低く、リーク電流が小さく、さらに誘電体膜表面の
凹凸を小さく抑えることができる。

【００７７】また、本発明に係る電子部品の製造方法で
は、誘電体膜の形成初期の導電性薄膜界面付近の膜堆積
において酸素添加量を多くする。これによって、導電性
薄膜と誘電体膜との配向面が同一な面で配向して誘電体
膜が堆積する。従って、粒径の大きな誘電体膜を形成す
ることができるため、分極量が大きく、複数回のスイッ
チングを行っても分極量が小さくなりにくく、抗電圧が
低く、リーク電流が小さく、さらに誘電体膜表面の凹凸
を小さく抑えることができる。

【００７８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００７９】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態に係る電子部品を含む半導体装置の全体構成を示
す図であり、Ｐｂ系ペロブスカイト型酸化物であるＰＺ
Ｔ薄膜を誘電体薄膜として用いた強誘電体メモリ（Ｆｅ
ＲＡＭ）のキャパシタを示す。

【００８０】図１に示すように、まずＳｉ基板１に通常
プロセスによりトランジスタを作り込みＣＭＯＳ構造を
形成する。次いで、ＣＶＤ法等によりＳｉ基板１上にＳ
ｉＯ₂ からなる絶縁膜２を堆積する。次いで、絶縁膜２
上にＴｉ等の金属からなる２０ｎｍ厚の接合層３及びＰ
ｔ電極４をＤＣマグネトロンスパッタにより連続スパッ
タにて形成する。Ｔｉ接合層３は、絶縁膜２とＰｔ電極
４との密着性を向上させるために形成する。また、Ｐｔ
電極４の膜厚は２００ｎｍで室温にて成膜する。この成
膜条件において、下地電極のＰｔは、面心立方格子の最
稠密である（１１１）面が基板と平行となるように配向
して形成される。Ｔｉは酸化しないようにＴｉ及びＰｔ
の連続スパッタを用いる。なお、このＰｔ電極４の材料
はＲｕ，Ｉｒ，ＩｒＯ_x ，ＲｕＯ_x からなる金属若しく
は金属の酸化物又はＳｒＲｕＯ₃，（Ｌａ_0.5 Ｓ
ｒ_0.5 ）ＣｏＯ₃ からなるペロブスカイト型導電性酸化
物若しくは超伝導薄膜で置換可能である。

【００８１】次に、Ｐｔ電極４上にＲＦマグネトロンス
パッタ法により誘電体膜であるＰＺＴ膜５を形成する。
ＰＺＴ膜５の形成に用いるターゲットの組成はＰｂ_1.10
Ｌａ_0.05Ｚｒ_0.4 Ｔｉ_0.6 Ｏ₃ とする。この組成から分
かるように、Ｐｂ量を化学量論的なＰＺＴ組成よりも１
０％程度多くしたＰＺＴセラミックターゲットを使用す
る。また、疲労特性を上げるため、Ｌａを微量混入して
いる。例えばこのターゲットにより形成されるＰＺＴ膜
５に相当する誘電体膜の粒子径Ａは、Ｐｔ電極４に相当
する下地電極の粒子径Ｂと、Ｂ＜Ａ＜１００Ｂの関係を
もつようにそれぞれの材料を選択するのが望ましい。

【００８２】結晶構造に関してはＰｔは面心立方構造を
とり格子定数は３．９５×１０^-1ｎｍ程度である。ペロ
ブスカイト構造ＰＺＴはＰｂとＯからなる面心立方格子
の酸素八面体空隙にＴｉ，Ｚｒイオンが入る構造であ
り、Ｚｒ／Ｔｉ比によって若干格子定数が変化するが、
およそ４．０×１０^-1ｎｍであり、Ｐｔの格子定数との
マッチングがよい。このため（１１１）面に配向したＰ
ｔ薄膜上にはＰＺＴ（１１１）面が最も整合した面とな
る。

【００８３】ＰＺＴセラミックターゲットは密度の高い
ものがスパッタ速度が大きく水分などに対する耐環境性
も良好であるため、理論密度９８％のセラミック焼結体
を使用する。スパッタ時にはプラズマにより基板温度の
上昇や飛来粒子による衝撃作用（ボンバードメント）が
あるために、Ｓｉ基板からのＰｂの蒸発や再スパッタが
起こり膜中のＰｂ量の欠損が生じやすい。ターゲット中
の過剰Ｐｂはそれを補償するために加える。Ｚｒ，Ｔ
ｉ，Ｌａなどの元素はターゲット組成とほぼ同じ量で膜
に取り込まれるため、上記に示した組成に限定されず、
望む組成の量比のものを用いればよい。

【００８４】本実施形態では結晶化するＰＺＴ膜５の構
造及び電気特性を改良するために、酸素を導入したスパ
ッタ法を利用し、ＰＺＴ膜５を２段階により成膜する。
すなわち、最初に酸素を導入した雰囲気でスパッタ成膜
してシード層５ａを形成し、後に通常のＡｒ中スパッタ
によりＰＺＴ膜本体５ｂを成膜する。

【００８５】スパッタ条件は、ターゲット−接合層３間
距離が６０ｍｍであり、回転式のマグネットを用いて１
２インチのセラミックＰＺＴターゲットに対し１．０〜
１．５ｋＷでスパッタを行なう。

【００８６】シード層５ａの成膜段階では、ガス圧０．
５〜２．０ＰａでＡｒに酸素を２０％導入した条件で１
５〜３０秒成膜し、２〜５ｎｍ厚さのＰＺＴアモルファ
ス膜を形成する。このシード層５ａの成膜後、ＰＺＴ膜
本体５ｂをこのシード層５ａの上に再度Ａｒガスのみを
使用してガス圧０．５〜２．０Ｐａ、１．０〜１．５ｋ
Ｗの電力にて約５分間ＲＦマグネトロンスパッタを行な
う。膜厚は２５０〜３００ｎｍである。

【００８７】なお、この誘電体膜５の成膜前には、ター
ゲット表面の状態，温度，チャンバ内環境を一定とする
ため約１時間のプレスパッタを同じスパッタ条件にて行
なう。Ｐｂ量および結晶化後の構造・電気特性はこのプ
レスパッタにより大きく変化してしまうのでスパッタ成
膜と同様に厳しい成膜条件の下で行うことが望ましい。

【００８８】シード層５ａ及びＰＺＴ膜本体５ｂを成膜
後、ＲＴＡを用いて酸素気流中７５０℃、５秒の加熱に
よりペロブスカイト相に結晶化させる。なお、ＲＴＡ以
外に管状炉などでも結晶化が可能であるが、ＲＴＡの方
がサーマルバジェットが小さくＰｔ電極４とＰＺＴ膜５
の拡散、反応を抑えることができ、界面の平滑性には適
するのでＲＴＡによるのが望ましい。

【００８９】また、このＲＴＡ後の結晶構造をＸＲＤに
て調べた結果、ペロブスカイト相で（１１１）面からの
非常に強い反射が得られた。従って、Ｐｔ電極４を構成
する結晶の配向面と同一な面が最も高く配向してＰＺＴ
膜５が形成されていることが分かる。これは、シード層
５ａの成膜の際に過剰の酸素を導入しているため、Ｔｉ
の周囲の酸素欠損が起こりにくく、このためＰｔ電極４
とＰＺＴ膜５の界面付近からペロブスカイト構造に移行
しやすいため、界面付近から上層に向けてペロブスカイ
ト構造がＰｔ電極４に、その配向面と同一な面が最も高
く配向して成長するからである。

【００９０】また、この結晶化後のＰＺＴ膜５の微細構
造の顕微鏡写真を図２〜図４に示す。また、図２〜図４
ではシード層５ａ成膜時間を変えて行っており、図２は
１５ｓ、図３は３０ｓ、図４は６０ｓのシード層５ａ成
膜時間をとっており、図２（ａ），図３（ａ），図４
（ａ）は上面からみた顕微鏡写真を、図２（ｂ），図３
（ｂ），図４（ｂ）は横断面を示す顕微鏡写真である。
これら図２〜図４に示すように粒径はシード層５ａ成膜
時間が長いほど大きくなるが、ＰＺＴ膜５自体の表面の
凹凸はシード層５ａ成膜時間３０ｓの場合が最も少な
く、０．５〜１．５μｍ径のＰＺＴ粒子がＰｔ上に形成
されており、膜表面の平滑性も改善されることが分か
る。この成膜時間３０ｓにより形成されるシード層５ａ
の膜厚は１０ｎｍ以下である。

【００９１】また、図３における断面図を模式的に表し
たのが図５である。図５に示すように、Ｐｔ粒子５４か
らなるＰｔ電極４上に形成されるＰＺＴ膜５は、従来の
成膜方法で得られた図１３に示すものに比較してかなり
大きなＰＺＴ粒子５５から構成される。

【００９２】一方シード層５ａの膜厚を厚くする場合に
は１０ｎｍで疲労特性の劣化が起こる。電圧（±）印加
サイクルによる分極値の低下が始まるサイクル数を図６
に示す。横軸はシード層５ａの膜厚を、縦軸は分極値劣
化開始サイクル数を示す。図６に示すように、５ｎｍ程
度のシード層厚で１０⁶ サイクルまで劣化が起こらなか
ったものが１０ｎｍでは１０³ サイクルで劣化が開始す
る。但し、疲労特性は他にもＰＺＴ／Ｐｔ界面のＰｂ
量、Ｚｒ／Ｔｉ比の影響も大きいため、それぞれのスパ
ッタ環境によりシード層厚の最適値にずれが生じる。さ
らに、図１５に示すように、Ａｒ／Ｏ₂ スパッタ時は２
００ｎｍ以上の厚さでは写真に示すように結晶化後にク
ラックを生じる欠点を持つ。このように、Ａｒ／Ｏ₂ 初
期スパッタシード層５ａについては膜厚の制約がある。
数十ｎｍ以下の場合には、ＰＺＴ粒子の結晶化時の成長
も小さく、配向性も悪い。また分極値もシード層を薄く
することで１０μＣ／ｃｍ² 以下に減少する。従って、
シード層５ａの膜厚は１０ｎｍ以下にすることが望まし
い。

【００９３】次にＰＺＴ結晶膜５上に上部電極となるＰ
ｔ電極６をＤＣマグネトロンスパッタにより形成してキ
ャパシタ構造が完成する。Ｐｔ電極６のパターンはＲＩ
Ｅ装置を用いて、Ａｒと弗化炭素系のガス中でエッチン
グを行い微細パターンを形成するが、本実施形態では初
期強誘電特性を測定するためポジレジストにてＰＺＴ膜
５上にパターンを形成し、リフトオフ法によりＰｔ上部
電極パターンとする。また、誘電体膜５とＰｔ電極６と
の密着性を向上させるために６００℃で酸素中１時間の
アニール処理を施す。

【００９４】以上示した工程により形成されたキャパシ
タの強誘電性を電荷量Ｑ−印加電圧Ｖのヒステリシス特
性にて調べた結果を図７に示す。横軸は印加電圧（Ｖ）
を、縦軸は分極量（μＣ／ｃｍ² ）である。図７に示す
ように、分極量２Ｐｒ（残留分極×２）で約４０μＣ／
ｃｍ² を示し、６インチＳｉウェハの全面に同程度の分
極量と抗電界をもつＰＺＴ膜であることが分かる。抗電
圧も１Ｖ程度と低い値が得られる。

【００９５】次に、この試料の疲労特性を評価した。疲
労特性評価は５０μｍ角、３００ｎｍ厚さのＰＺＴキャ
パシタに５Ｖの膜構造でスイッチングを繰り返した１０
⁶ サイクルまで分極量の変化がなく、劣化が始まってか
ら５０％に分極量が減少するまで１０⁹ サイクル以上と
長寿命であった。また、この１０⁹ サイクルスイッチン
グを繰り返した後のリーク電流も５Ｖ印加時で１０^-8Ａ
／ｃｍ² オーダーと低い値であった。また、表面の凹凸
が減少したためにＲＩＥ加工時の悪影響が小さく、Ｐｔ
電極４／ＰＺＴ膜５／Ｐｔ電極６のエッチング後の下地
も平滑なものが得られた。

【００９６】このように、ＰＺＴ膜５の形成において、
Ｐｔ電極４との界面付近における形成時にＡｒガスにＯ
₂ ガスを添加することにより、Ｐｔ電極４を構成する結
晶の配向面と同一な面が最も高く配向してＰＺＴ膜５が
形成することができる。従って、粒径の大きなＰＺＴ膜
が形成されるため、リーク電流が少なくなり、誘電体膜
の分極値が大きくなり、抗電圧も低く、疲労特性が改善
され、膜表面の凹凸を少なくすることができる。また、
このＯ₂ ガスを添加することによるシード層５ａ形成後
はＡｒガスのみでＰＺＴ膜５を形成するため、結晶化後
のＰＺＴ膜５内にクラックが生じない。この方式はＰＺ
Ｔ膜５を大型６インチウェハ基板面内での構造・電気特
性の均一化も達成できる。

【００９７】なお、本実施形態ではＳｉＯ₂ からなる絶
縁膜２上にＴｉ接合層３を形成する場合を示したが、絶
縁膜２上にさらにＴｉＯ₂ 層を形成するものでもよい。

【００９８】（第２実施形態）図４は、本発明の第２実
施形態に係る電子部品を含む半導体装置の全体構成を示
す図であり、第１実施形態と同様にＰｂ系ペロブスカイ
ト型酸化物であるＰＺＴ薄膜を誘電体薄膜として用いた
強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）のキャパシタを示す。な
お、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付す
る。

【００９９】まずＳｉ基板１中に通常プロセスによりト
ランジスタを作り込みＣＭＯＳ構造をもつ集積回路を形
成する。次いで、Ｓｉ基板１上にＣＶＤ法にてＳｉＮ膜
２ａ及びＴｉＯ₂ 膜２ｂからなる絶縁膜２を形成する。
ＳｉＮ膜２ａ上にＴｉＯ₂ 膜２ｂを形成するのは、Ｓｉ
Ｎ膜２ａ上よりもＴｉＯ2 膜２ｂ上のほうが安定してＰ
ＺＴ膜５を形成できるからである。

【０１００】次いで、この絶縁膜２上にＴｉからなるＴ
ｉ接合層３を介して下地電極となるＰｔ電極４をＤＣマ
グネトロンスパッタにより形成する。Ｐｔ電極４の膜厚
は２００ｎｍで室温にて成膜すると面心立方格子の最稠
密である（１１１）面が基板と平行となるように配向し
た膜が形成される。Ｔｉは酸化しないようにＴｉ及びＰ
ｔの連続スパッタを用いる。

【０１０１】次に形成したＰｔ電極４をＲＩＥにより加
工する。Ｐｔの加工にはＡｒとＣＦ₄ ガスを混合したも
のを用いる。まずＰｔ電極４上にポジレジストによりパ
ターンを形成しＲＩＥを行なう。Ｔｉ接合層３のＴｉも
同時にエッチングした後にレジストをアッシングにて除
去し、パターニングした電極とする。これにより、Ｐｔ
電極４パターンはキャパシタ部の下地電極となるエリア
８１とプレート配線部８２に分けられる。

【０１０２】加工したＰｔ電極４及び絶縁膜２上にＲＦ
マグネトロンスパッタ法によりＰＺＴ膜５を形成する。
ターゲットは組成がＰｂ_1.10Ｌａ_0.05Ｚｒ_0.4 Ｔｉ_0.6
Ｏ₃の高密度セラミック焼結体を使用する。スパッタ時
のＳｉ基板１からのＰｂの蒸発や再スパッタが起こり膜
中Ｐｂ量の欠損が生じやすいために過剰Ｐｂをいれてあ
る。

【０１０３】また、結晶化するＰＺＴ膜５の構造・電気
特性を改良するために、酸素を導入したスパッタ法を用
いる。Ａｒ／Ｏ₂ 中でスパッタ成膜したＰＺＴアモルフ
ァス膜が結晶化プロセスで膜にクラックが生じ、Ａｒ中
でのスパッタ膜では問題ないことから、最初に酸素を導
入した雰囲気でスパッタ成膜して２〜５ｎｍ厚のシード
層５ａを形成し、次にＡｒ中スパッタによりＰＺＴ膜本
体５ｂを成膜する２段階スパッタ方法を採用する。

【０１０４】スパッタ条件は、ターゲット−基板間距離
が６０ｍｍ、回転式のマグネットを用いて、１２インチ
のセラミックＰＺＴターゲットに対し１．０〜１．５ｋ
Ｗでスパッタを行なう。第一段階ではガス圧０．５〜
２．０ＰａでＡｒに酸素を２０％導入した条件で１５〜
３０秒成膜する。このＰＺＴアモルファスシード層５ａ
上に再度Ａｒガスのみを使用してガス圧０．５〜２．０
Ｐａ、１．０〜１．５ｋＷの電力にて約５分間ＲＦマグ
ネトロンスパッタを行なう。膜厚は２５０〜３００ｎｍ
である。それぞれＰＺＴ成膜前にターゲット表面状態、
温度、チャンバ内環境を一定とするための約１時間のプ
レスパッタを同スパッタ条件にて実施する。

【０１０５】ＰＺＴ膜５形成後、ＲＴＡにより酸素気流
中７５０℃、５秒の加熱でペロブスカイト相に結晶化さ
せる。

【０１０６】ＲＴＡ後のＰＺＴ膜５をＸＲＤにて結晶構
造を観察したところ、下地がＰｔであるエリア８１及び
プレート配線部８２の部分はペロブスカイト相（１１
１）面からの強い反射が得られたが、それ以外の部分で
はＰＺＴ膜５は結晶化せず、非晶質ＰＺＴ膜８３のまま
であった。従って、下地がＰｔである部分では、シード
層５ａの成膜の際に酸素を過剰に導入したことによりＰ
ｔ電極４とＰＺＴ膜５の界面付近でのペロブスカイト構
造への以降を容易にするため、Ｐｔ電極４を構成する結
晶の配向面と同一な面が最も高く配向してＰＺＴ膜５が
形成されていることが分かる。

【０１０７】微細構造の観察結果では、ミクロンサイズ
のキャパシタ部分のＰＺＴ膜５は１．０μｍ以上の粒径
のＰＺＴ粒子８４が形成された。エリア８１は幅２〜５
μｍであるため、一つのキャパシタには結晶粒界８５が
含まれないか含まれても少量であった。また、膜表面の
平滑性も改善された。

【０１０８】次にＰＺＴ膜５上のエリア８１に上部電極
となるＰｔ電極６をＤＣマグネトロンスパッタにより形
成してキャパシタ構造が完成する。Ｐｔ電極６パターン
もＲＩＥ装置を用いて、Ａｒと弗化炭素系のガス中でエ
ッチングを行い微細パターンを形成する。ドライエッチ
ングのプラズマによるダメージを除去することと電極と
の密着性を向上させるために６００℃で酸素中１時間の
アニール処理をほどこし電気特性を評価した。

【０１０９】強誘電性を電荷量Ｑ−印加電圧Ｖのヒステ
リシス特性にて調べた結果、分極量２Ｐｒ（残留分極×
２）で約４０μＣ／ｃｍ² を示し、６インチＳｉウェハ
の全面に同程度の分極量と抗電界をもつ膜であることが
分かる。抗電圧も１Ｖ程度と低い値が得られる。

【０１１０】この試料の疲労特性を評価したところ、５
Ｖ印加電圧で１０⁶ サイクルまで分極量の変化がなく、
劣化が始まってから５０％に分極量が減少するまで１０
⁹ サイクル以上と長寿命であった。また、この１０⁹ サ
イクルスイッチングを繰り返した後のリーク電流も５Ｖ
印加時で１０^-8Ａ／ｃｍ² オーダーと低い値であった。
また、表面の凹凸が減少したためにＲＩＥ加工時の悪影
響が小さく、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ膜のエッチング後の下
地も平滑なものが得られた。

【０１１１】このように、本実施形態によれば、ＰＺＴ
膜５の形成において、Ｐｔ電極４との界面付近における
形成時にＡｒガスにＯ₂ ガスを添加することにより、キ
ャパシタを構成するエリア８１部分ではＰｔ電極４を構
成する結晶の配向面と同一な面が最も高く配向してＰＺ
Ｔ膜５が形成される。従って、リーク電流が少なくな
り、ＰＺＴ膜５の分極値が大きくなり、抗電圧も低く、
疲労特性が改善され、膜表面の凹凸を少なくすることが
できる。また、このＯ₂ ガスを添加することによるシー
ド層形成後はＡｒガスのみでＰＺＴ膜５を形成するた
め、結晶化後のＰＺＴ膜５内にクラックが生じない。

【０１１２】なお、上記実施形態では誘電体膜本体を形
成する際にＡｒガスのみを導入する場合を示したが、ク
ラックを生じさせない程度のＯ₂ ガスを微量混入する場
合でも本発明を適用できる。

【０１１３】また、ＰＺＴ膜５を強誘電体膜として用い
る場合を示したが、化学式ＡＢＯ₃の誘電体薄膜におい
て、該誘電体薄膜を構成するＡ元素がＰｂ，Ｂａ，Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｌａから少なくとも一種、該誘電体薄膜を構
成するＢ元素がＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｗ，Ｃ
ｏ，Ｎｉから少なくとも一種からなるものと置換可能で
ある。

【０１１４】また、このＰＺＴ膜の置換に対応して、Ｐ
ｔ電極４をＲｕ，Ｉｒ，ＩｒＯ_x ，ＲｕＯ_x などの貴金
属及び貴金属の酸化物あるいはＳｒＲｕＯ₃ ，（Ｌａ
_0.5 Ｓｒ_0.5 ）ＣｏＯ₃ などのペロブスカイト型導電性
酸化物、超伝導性薄膜などを主成分とする材料に置換可
能である。

【０１１５】また、Ｐｔ（１１１）面にＰＺＴ（１１
１）面が配向する場合に限らず、例えば下地電極となる
Ｐｔ（１００）面に誘電体膜となるＭｇＯ（１００）面
が配向する場合等でもよい。

【０１１６】また、強誘電体薄膜を強誘電体メモリのキ
ャパシタに用いる場合に限らず、例えばアクチュエー
タ，超音波振動子，超音波モータ，ハイドロフォン，圧
電トランスなどのトランデューサへ，積層セラミックコ
ンデンサなど受動部品，赤外線センサなどのセンサとし
て用いることもできる。

【０１１７】その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することができる。

【０１１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、誘
電体膜は導電性薄膜を構成する材料の粒子径よりも大き
い粒子径からなるため、従来の粒径の小さい誘電体膜で
生じるリーク電流特性，スイッチング特性及びエージン
グ特性の劣化を抑えることができ、誘電体膜表面が平滑
となる。また、導電性薄膜と誘電体膜の格子定数が整合
し、導電性薄膜を構成する結晶の配向面と同一な面が最
も高く配向して誘電体膜が形成されるため、下地電極上
全域で分極量を大きくすることができ、抗電圧も低く、
疲労特性が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る電子部品を含む強
誘電体メモリのキャパシタ構造を示す横断面図。

【図２】同実施形態における電子部品を含む強誘電体メ
モリのキャパシタ構造を示す顕微鏡写真。

【図３】同実施形態における電子部品を含む強誘電体メ
モリのキャパシタ構造を示す顕微鏡写真。

【図４】同実施形態における電子部品を含む強誘電体メ
モリのキャパシタ構造を示す顕微鏡写真。

【図５】同実施形態におけるキャパシタ構造のＰＺＴ膜
付近の模式断面図。

【図６】シード層膜厚と分極値劣化開始サイクル数の関
係を示す図。

【図７】同実施形態における強誘電体膜のヒステリシス
特性を示す図。

【図８】本発明の第２実施形態に係る電子部品を含む強
誘電体メモリのキャパシタ構造を示す横断面図。

【図９】本発明の対象とする強誘電体のヒステリシス特
性を示す図。

【図１０】本発明の対象とする強誘電体メモリの１単位
の回路構成を示す図。

【図１１】従来の強誘電体メモリのキャパシタ構造を示
す横断面図。

【図１２】従来の電子部品の製造方法により製造された
強誘電体膜を示す顕微鏡写真。

【図１３】従来のキャパシタ構造のＰＺＴ膜付近の模式
断面図。

【図１４】従来の電子部品の製造方法により製造された
強誘電体膜のヒステリシス特性を示す図。

【図１５】酸素雰囲気中でスパッタした強誘電体膜を示
す顕微鏡写真。

【符号の説明】

Ｖｃ，−Ｖｃ…抗電圧 Ｐｓ，−Ｐｓ…飽和分極値 Ｐｒ，−Ｐｒ…残留分極値 ＢＬ…ビットライン ＷＬ…ワードライン Ｖｐ…プレート電圧 Ｔｒ…パスゲートトランジスタ ＦＥ…強誘電体メモリセル １…Ｓｉ基板 ２…絶縁膜 ３…Ｔｉ接合層 ４…Ｐｔ電極 ５…ＰＺＴ膜 ５ａ…シード層 ５ｂ…ＰＺＴ膜本体 ６…Ｐｔ電極 ５４，１３４…Ｐｔ粒子 ５５，１３５…ＰＺＴ粒子 ８１…エリア ８２…プレート配線部 ８３…非晶質ＰＺＴ膜 ８４…ＰＺＴ粒子 ８５…結晶粒界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/8242 Ｈ０１Ｌ 29/78 ３７１ 21/8247 41/18 １０１Ｄ 29/788 41/22 Ａ 29/792 37/02 41/187 41/24

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性薄膜と、この導電性薄膜上に該導
   電性薄膜の平均粒子径よりも大きい平均粒子径で接して
   形成され、前記導電性薄膜と格子定数が整合する材料か
   らなり、前記導電性薄膜を構成する結晶の配向面と同一
   な面が最も高く配向した誘電体膜とを具備してなること
   を特徴とする電子部品。
2. 【請求項２】 導電性薄膜を形成する工程と、 この導電性薄膜の上に該導電性薄膜と格子定数がほぼ同
   じ材料からなる誘電体膜を成膜装置により成膜する工程
   とを具備し、 前記導電性薄膜及び前記誘電体膜の界面付近の前記誘電
   体膜成膜時の前記成膜装置内への導入酸素量を前記界面
   付近よりも上面の成膜時よりも多くして前記導電性薄膜
   を構成する結晶の配向面と同一な面を最も高く配向させ
   ることを特徴とする電子部品の製造方法。
3. 【請求項３】 前記成膜装置はスパッタ装置であり、前
   記成膜工程は前記スパッタ装置内に導入する不活性ガス
   とともに酸素を導入してスパッタを行い、このスパッタ
   後に加熱処理により前記誘電体膜を結晶化させる工程で
   あることを特徴とする請求項２に記載の電子部品の製造
   方法。
4. 【請求項４】 前記誘電体膜の成膜工程は第１、第２の
   膜堆積工程及び結晶化工程からなり、前記第１の膜堆積
   工程は前記導入酸素量を多くして第１の非晶質膜を１０
   ｎｍ以下の膜厚に形成する工程であり、前記第２の膜堆
   積工程は前記第１の工程に比較して前記導入酸素量を少
   なくして前記第１の非晶質膜上に第２の非晶質膜を形成
   する工程であり、前記結晶化工程は前記第１及び第２の
   非晶質膜を加熱処理により結晶化させる工程であること
   を特徴とする請求項２に記載の電子部品の製造方法。