JPH11307733A - Manufacturing ferroelectric integrated circuit - Google Patents

Manufacturing ferroelectric integrated circuit

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Publication number
JPH11307733A
JPH11307733A JP10305359A JP30535998A JPH11307733A JP H11307733 A JPH11307733 A JP H11307733A JP 10305359 A JP10305359 A JP 10305359A JP 30535998 A JP30535998 A JP 30535998A JP H11307733 A JPH11307733 A JP H11307733A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
integrated circuit
hydrogen
ferroelectric
manufacturing
metal oxide
Prior art date
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Pending
Application number
JP10305359A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoichi Miyasaka
洋一 宮坂
Akira Furuya
晃 古谷
Joseph Cuchiaro
クチアロ ジョセフ
Carlos Araujo
アロージョ カルロス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Symetrix Corp
Original Assignee
NEC Corp
Symetrix Corp
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Publication date
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Application filed by NEC Corp, Symetrix Corp filed Critical NEC Corp
Publication of JPH11307733A publication Critical patent/JPH11307733A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the harmful ineffects of hydrogen and hold superior electrical characteristics of a ferroelectric. SOLUTION: This integrated circuit is formed so as to have a ferroelectric material having a metal oxide material having at least two metals, various methods and structures are applied to minimize the performance reduction of ferroelectric characteristics due to hydrogen appearing during the formation of circuits, and oxygen is added during forming of the circuits to an element of the integrated circuit so as to act as an hydrogen getter. To minimize the performance reduction due to hydrogen, the ferroelectric compound is made from a liq. precursor containing at least one of component metals excessively about the stoichiometric concentration and preferably an hydrogen barrier layer containing. TiN is formed to cover the top of the ferroelectric. The hydrogen heat treatment in hydrogen gas at 200-350 deg.C for less than 30 min is executed for the integrated circuit to recover other characteristics of the integrated circuit and minimize the performance reduction of the ferroelectric characteristics. The oxygen recovery anneal at 800 deg.C recovers the ferroelectric characteristics after the high temperature and long time hydrogen process.

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、一般的には、層状
超格子材料とABO3型金属酸化物の製法に関し、特
に、水素によるダメージから強誘電体素子を保護する強
誘電体集積回路の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generally relates to a method for producing a layered superlattice material and an ABO 3 type metal oxide, and more particularly to a ferroelectric integrated circuit for protecting a ferroelectric element from being damaged by hydrogen. It relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体化合物は、アメリカ特許番号.
5,046,043号(ミラー)に記載されているよう
に、不揮発性の集積回路メモリの使用に当たって、好ま
しい特性を有する。コンデンサのような強誘電体デバイ
スは、高残留分極、適度な抗電界、高疲労耐性、それに
低漏洩電流のような所望の電気的特性を有するとき、不
揮発性メモリとして有用である。
2. Description of the Related Art Ferroelectric compounds are disclosed in U.S. Pat.
As described in U.S. Pat. No. 5,046,043 (mirror), it has favorable characteristics in using a nonvolatile integrated circuit memory. Ferroelectric devices such as capacitors are useful as non-volatile memories when they have desired electrical properties such as high remanent polarization, moderate coercive field, high fatigue resistance, and low leakage current.

【0003】PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)、PLZT
(ランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛)のような鉛含有
ABO3型強誘電体酸化物が、集積回路における実用化
のために研究されている。
[0003] PZT (lead zirconate titanate), PLZT
Lead-containing ABO 3 -type ferroelectric oxides such as (lanthanum-added lead zirconate titanate) have been studied for practical use in integrated circuits.

【0004】一方、層状超格子酸化物材料についても、
アメリカ特許番号5,434,102号(ミラー)に記
載されているように、集積回路における実用化のために
研究が行われている。層状超格子材料化合物は、PZT
やPLZT化合物の特性よりも優れた強誘電性メモリー
特性を示している。
On the other hand, for layered superlattice oxide materials,
As described in U.S. Pat. No. 5,434,102 (mirror), research is being conducted for practical use in integrated circuits. The layered superlattice material compound is PZT
And ferroelectric memory characteristics superior to those of PLZT compounds.

【0005】一方、層状超格子材料化合物を使った強誘
電体メモリーの試作品は、製作されてはいるが、ABO
3型金属酸化物及び層状超格子材料化合物のいずれかを
使用して、所望の電気的特性を有し、かつ商業的に見合
う数量のメモリーを経済的に製作する製造プロセスにつ
いては、まだ提案されていないのが現状である。
[0005] On the other hand, although a prototype of a ferroelectric memory using a layered superlattice material compound has been manufactured, ABO has been developed.
Manufacturing processes that use either a type 3 metal oxide and a layered superlattice material compound to economically fabricate a commercially viable quantity of memory with the desired electrical properties have yet to be proposed. It is not at present.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】高品質の強誘電体集積
回路を製造するための経済的かつ商業的プロセスが存在
しない理由の一つとして、金属酸化物化合物が、水素ア
ニール中に水素によって還元され易いことが挙げられ
る。水素アニールは、CMOS集積回路の製造において共通
に行われる工程であり、強誘電体特性の性能低下の原因
になっている。このことは、特に、層状超格子材料化合
物に当てはまる。これは、層状超格子化合物が、水素に
よって性能が低下し易い複雑な層状酸化物だからであ
る。
One reason that there is no economic and commercial process for producing high quality ferroelectric integrated circuits is that metal oxide compounds are reduced by hydrogen during hydrogen annealing. It is easy to be done. Hydrogen annealing is a process commonly performed in the manufacture of CMOS integrated circuits, and causes a reduction in the performance of ferroelectric characteristics. This is especially true for layered superlattice material compounds. This is because the layered superlattice compound is a complex layered oxide whose performance tends to be deteriorated by hydrogen.

【0007】集積回路における典型的な強誘電体メモリ
ーデバイスは、半導体基板と金属酸化物電界効果トラン
ジスター(MOSFET)を含んでいる。このトランジスター
は、通常は、強誘電体コンデンサーのような強誘電体デ
バイスと電気的に接続されている。この強誘電体コンデ
ンサーは、典型的には、第1の下部電極と第2の上部電
極との間に位置する強誘電体薄膜を含み、これらの電極
は、典型的には、プラチナを含んでいる。
A typical ferroelectric memory device in an integrated circuit includes a semiconductor substrate and a metal oxide field effect transistor (MOSFET). This transistor is typically electrically connected to a ferroelectric device such as a ferroelectric capacitor. The ferroelectric capacitor typically includes a ferroelectric thin film located between a first lower electrode and a second upper electrode, and these electrodes typically include platinum. I have.

【0008】集積回路の製造中には、MOSFETは、
シリコン基板の中に欠陥を生じさせるような条件下に置
かれている。例えば、製造プロセスは、普通は、イオン
ミリング・エッチングやプラズマ・エッチングのような
高エネルギー工程を含んでいる。このような欠陥は、比
較的高い温度(多くは、500℃−900℃の範囲内)
で強誘電体薄膜を結晶化する熱処理の間にも生じる。
During the manufacture of integrated circuits, MOSFETs
It is placed under conditions that cause defects in the silicon substrate. For example, manufacturing processes typically include high energy steps such as ion milling etching and plasma etching. Such defects are at relatively high temperatures (often in the range of 500-900C).
Also occurs during the heat treatment for crystallizing the ferroelectric thin film.

【0009】この結果、多くの欠陥が、半導体シリコン
基板の単結晶構造中に発生する。これは、MOSFET
の電気的特性の悪化につながる。MOSFET/CMO
Sのシリコン特性を回復するために、製造工程は、通
常、水素アニール工程を含む。この工程において、ダン
グリングボンドのような欠陥は、水素の還元特性を利用
することにより消失する。水素アニールを実現するため
に、大気圧条件での水素ガス熱処理のような種々の技術
が開発されている。
As a result, many defects occur in the single crystal structure of the semiconductor silicon substrate. This is MOSFET
Leads to the deterioration of the electrical characteristics. MOSFET / CMO
In order to restore the silicon properties of S, the manufacturing process usually includes a hydrogen annealing process. In this step, defects such as dangling bonds are eliminated by utilizing the reduction characteristics of hydrogen. Various techniques have been developed to achieve hydrogen annealing, such as hydrogen gas heat treatment under atmospheric pressure conditions.

【0010】一般的に水素処理は、350℃から550
℃の間、典型的には、400℃近辺で、約30分間、行
われている。さらに、集積回路を水素に曝す集積回路の
製造プロセスがいくつか存在する。このプロセスは、金
属を堆積するためのCVDプロセスやシランあるいはT
EOS源からの酸化シリコンの成長のように高温で行わ
れる処理である。
Generally, the hydrogen treatment is performed at 350 ° C. to 550 ° C.
C., typically around 400.degree. C. for about 30 minutes. In addition, there are several integrated circuit fabrication processes that expose the integrated circuit to hydrogen. This process may be a CVD process for depositing metal or silane or T
This is a process performed at a high temperature such as growth of silicon oxide from an EOS source.

【0011】水素を含むプロセスの間、水素は上部電極
およびコンデンサーの側面を通って、強誘電体薄膜まで
拡散し、強誘電体材料に含まれている酸化物を還元す
る。また、この吸収された水素は、強誘電体薄膜の表面
を金属化する。
During the process involving hydrogen, the hydrogen diffuses through the top electrode and the sides of the capacitor to the ferroelectric thin film, reducing the oxides contained in the ferroelectric material. The absorbed hydrogen metallizes the surface of the ferroelectric thin film.

【0012】上部電極への強誘電体薄膜の付着力は、界
面で生じる化学変化によって弱められる。あるいは、上
部電極は、酸素ガス、水、酸化還元反応による他の生成
物によって、押し上げられる。これらの効果の結果、コ
ンデンサーの電気的特性は低下し、さらに、上部電極と
強誘電体薄膜との間で、「はがれ」が生じ易くなる。
The adhesion of the ferroelectric thin film to the upper electrode is weakened by a chemical change occurring at the interface. Alternatively, the upper electrode is pushed up by oxygen gas, water, and other products of the redox reaction. As a result of these effects, the electrical characteristics of the capacitor are reduced, and "peeling" is more likely to occur between the upper electrode and the ferroelectric thin film.

【0013】さらに、水素が下部電極に到達すると、内
部応力により、コンデンサーが基板から剥がれるように
なる。
Further, when the hydrogen reaches the lower electrode, the internal stress causes the capacitor to peel off from the substrate.

【0014】この問題は、層状超格子材料化合物を含む
強誘電体メモリーにおいて深刻な問題である。なぜな
ら、こられの酸化物は、特に複雑であり、かつ、水素還
元による性能低下を生じやすいからである。
This problem is a serious problem in ferroelectric memories containing a layered superlattice material compound. This is because these oxides are particularly complicated and are liable to deteriorate in performance due to hydrogen reduction.

【0015】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決するためになされたものであり、その目的とする
ところは、水素熱処理の有害な影響を減少させ、かつ強
誘電体の優れた電気的特性を保持するようにすることに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art. It is an object of the present invention to reduce the harmful effects of hydrogen heat treatment and to improve the ferroelectric properties. The purpose is to maintain electrical characteristics.

【0016】[0016]

【解決を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一の実施の形態によれば、強誘電体集積回
路を製造する方法において、金属酸化物材料から成る薄
膜を含む集積回路部分を形成し、集積回路部分を、水素
を含む雰囲気で、かつ350℃以下の温度で熱処理す
る。
According to one embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit, the method comprising the steps of: A circuit portion is formed, and the integrated circuit portion is heat-treated at a temperature of 350 ° C. or lower in an atmosphere containing hydrogen.

【0017】また、前記熱処理工程は、30分未満の時
間で実施されることが望ましい。
Further, it is desirable that the heat treatment step is performed for a period of less than 30 minutes.

【0018】ここで、前記水素は、前記雰囲気の体積
で、0.01パーセントから50パーセント含まれる。
Here, the hydrogen is contained in an amount of 0.01% to 50% by volume of the atmosphere.

【0019】さらに、前記製造方法は、熱処理の前に、
金属酸化物材料の少なくとも一部の上に直接水素バリア
層を形成する工程を有する。
Further, the manufacturing method may further comprise, before the heat treatment,
Forming a hydrogen barrier layer directly on at least a portion of the metal oxide material.

【0020】ここで、水素バリア層は、窒化チタンまた
は窒化シリコンを有する。
Here, the hydrogen barrier layer has titanium nitride or silicon nitride.

【0021】前記熱処理は、30分以下の時間の間行わ
れ、水素雰囲気中の水素の体積百分率は、0.01パー
セントから50パーセントであるのが好ましい。
Preferably, the heat treatment is performed for a period of less than 30 minutes and the volume percentage of hydrogen in the hydrogen atmosphere is between 0.01 percent and 50 percent.

【0022】前記金属酸化物材料は、少なくとも二つの
金属元素を含有した酸化物を有し、前記金属の少なくと
も一つは、前記材料中に過剰量存在することが好まし
い。
It is preferable that the metal oxide material has an oxide containing at least two metal elements, and at least one of the metals is present in an excessive amount in the material.

【0023】また、前記金属酸化物材料は、層状超格子
化合物から成る。
Further, the metal oxide material comprises a layered superlattice compound.

【0024】前記過剰量存在する金属元素は、ニオブあ
るいはビスマスのいずれか一方であることが望ましい。
It is desirable that the excess metal element is either niobium or bismuth.

【0025】前記層状超格子化合物は、ストロンチウム
・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩を有するのが好まし
い。
The layered superlattice compound preferably contains strontium bismuth tantalum niobate.

【0026】前記過剰量存在する金属は、ニオブである
のが好ましい。
The metal present in an excess amount is preferably niobium.

【0027】さらに、前記製造工程は、基板と金属酸化
物材料に対する前駆体液体を準備し、前駆体を基板に付
着させ、それを金属酸化物材料を形成するように処理す
る工程を含み、さらに、金属酸化物材料は、少なくとも
二つの金属元素を含有した酸化物を有し、前記金属元素
の一つは、前駆体中に過剰量存在する。
Further, the manufacturing step includes the steps of providing a precursor liquid for the substrate and the metal oxide material, depositing the precursor on the substrate, and treating it to form the metal oxide material. The metal oxide material has an oxide containing at least two metal elements, and one of the metal elements is present in an excessive amount in the precursor.

【0028】前記過剰量存在する金属元素は、前記製造
工程中に分散する不揮発性化合物を形成しない金属であ
るのが望ましい。
The metal element present in an excessive amount is preferably a metal which does not form a nonvolatile compound dispersed in the manufacturing process.

【0029】前記形成工程は、基板と金属酸化物材料に
対する前駆体液体を含み、前駆体を基板に付着させ、前
駆体を金属酸化物材料を形成するように処理し、さら
に、金属酸化物材料は、ストロンチウム、ビスマス、タ
ンタル、ニオブを有し、前駆体は、化学量論的式SrB
2.18Ta2-XNbX9(0≦X≦2)にほぼ対応した
相対モル比を有する化学元素であるストロンチウム、ビ
スマス、タンタル、ニオブを含有する。
The forming step includes a precursor liquid for the substrate and the metal oxide material, depositing the precursor on the substrate, treating the precursor to form the metal oxide material, Has strontium, bismuth, tantalum, niobium, and the precursor has the stoichiometric formula SrB
i 2.18 Contains strontium, bismuth, tantalum, and niobium as chemical elements having a relative molar ratio substantially corresponding to Ta 2-x Nb x O 9 (0 ≦ X ≦ 2).

【0030】前記前駆体は、前記式SrBi2.18Ta
2-XNbX9(0≦X≦2)によって表わされた化学量
論的量を超えて、ゼロ%と40%との間に対応した添加
量のビスマスを含むのが好ましい。
The precursor has the formula SrBi 2.18 Ta
It is preferable to include a loading of bismuth corresponding to between 0% and 40%, in excess of the stoichiometric amount represented by 2-X Nb X O 9 (0 ≦ X ≦ 2).

【0031】前記前駆体は、前記式SrBi2.18Ta
2-XNbX9にほぼ対応した元素であるストロンチウ
ム、ビスマス、タンタル、ニオブの相対モル比を含有す
る。
The precursor has the formula SrBi 2.18 Ta
It contains the relative molar ratios of strontium, bismuth, tantalum, and niobium, which are elements substantially corresponding to 2-X Nb X O 9 .

【0032】また、前記前駆体は、前記式SrBi2.18
Ta2-XNbX9によって表わされた化学量論的量を超
えて、ゼロ%と40%との間に対応した過剰添加量のニ
オブを含むのが望ましい。
The precursor is represented by the formula SrBi 2.18
It is desirable to include an excess of niobium corresponding to between 0% and 40% beyond the stoichiometric amount represented by Ta 2-X Nb X O 9 .

【0033】さらに、前記製造方法は、水素を含む雰囲
気中で、熱処理工程の後に、酸素回復アニールを実行す
る工程を有し、酸素回復アニールは、300℃から10
00℃の温度範囲で、20分から2時間の間、実施され
る。
Further, the manufacturing method includes a step of performing an oxygen recovery annealing in a hydrogen-containing atmosphere after the heat treatment step.
It is carried out in a temperature range of 00 ° C. for a period of from 20 minutes to 2 hours.

【0034】本発明の他の実施の形態によれば 強誘電
体集積回路を製造する方法において、金属酸化物材料か
ら成る薄膜を含む集積回路部分を形成し、集積回路部分
を、水素を含む雰囲気で、かつ30分以下の時間、熱処
理する。
According to another embodiment of the present invention, in a method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit, an integrated circuit portion including a thin film made of a metal oxide material is formed, and the integrated circuit portion is placed in an atmosphere containing hydrogen. And a heat treatment for 30 minutes or less.

【0035】さらに、前記製造方法は、水素の雰囲気中
で、熱処理工程の後に、酸素回復アニールを実行する工
程を有し、酸素回復アニールは、300℃から1000
℃の温度範囲で、20分から2時間の間、実施される。
Further, the manufacturing method includes a step of performing an oxygen recovery annealing in a hydrogen atmosphere after the heat treatment step.
It is carried out in a temperature range of ° C. for between 20 minutes and 2 hours.

【0036】さらに、前記熱処理の前に、金属酸化物材
料の少なくとも一部の上に直接水素バリア層を形成する
工程を有する。
Further, before the heat treatment, a step of forming a hydrogen barrier layer directly on at least a part of the metal oxide material is provided.

【0037】前記金属酸化物材料は、少なくとも二つの
金属を含有した酸化物を有し、前記金属元素の少なくと
も一つは、前記材料中に過剰量存在することが好まし
い。
Preferably, the metal oxide material has an oxide containing at least two metals, and at least one of the metal elements is present in an excessive amount in the material.

【0038】さらに、本発明の他の実施の形態によれ
ば、金属酸化物材料を含む強誘電体集積回路を製造する
方法において、B−サイト元素を過剰量有する層状超格
子化合物を有する金属酸化物材料の薄膜を含む集積回路
の一部を形成し、集積回路の一部を水素に曝し、集積回
路の構成要素中に金属酸化物材料の薄膜を含むように、
集積回路を完成させる。
Further, according to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit including a metal oxide material, comprising the steps of: forming a metal oxide having a layered superlattice compound having an excess amount of a B-site element; Forming a part of an integrated circuit including a thin film of a material, exposing a part of the integrated circuit to hydrogen, and including a thin film of a metal oxide material in a component of the integrated circuit.
Complete the integrated circuit.

【0039】さらに、前記製造方法は、集積回路が水素
に曝されている間、集積回路部分を熱処理する工程を含
む。
Further, the manufacturing method includes a step of heat-treating the integrated circuit portion while the integrated circuit is exposed to hydrogen.

【0040】さらに、前記製造方法は、集積回路部分を
水素に曝す工程の後に、酸素回復アニールを実行する工
程を有する。
Further, the manufacturing method has a step of performing an oxygen recovery annealing after the step of exposing the integrated circuit portion to hydrogen.

【0041】ここで、酸素回復アニールは、300℃か
ら1000℃の温度範囲で、20分から2時間の間、実
施される。
Here, the oxygen recovery annealing is performed at a temperature range of 300 ° C. to 1000 ° C. for 20 minutes to 2 hours.

【0042】さらに、前記製造方法は、水素に曝す工程
の前に、金属酸化物材料の少なくとも一部の上に直接水
素バリア層を形成する工程を有する。
Further, the manufacturing method has a step of forming a hydrogen barrier layer directly on at least a part of the metal oxide material before the step of exposing to hydrogen.

【0043】前記水素バリア層は、窒化チタンまたは窒
化シリコンを有するのが好ましい。
The hydrogen barrier layer preferably contains titanium nitride or silicon nitride.

【0044】また、前記層状超格子化合物は、ストロン
チウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩を有する。
The layered superlattice compound contains strontium bismuth tantalum niobate.

【0045】前記過剰量存在する金属元素は、ニオブで
あり、前記超格子化合物は、過剰量のビスマスを有す
る。
The excess metal element is niobium, and the superlattice compound has an excess amount of bismuth.

【0046】前記形成工程は、基板と金属酸化物材料に
対する前駆体液体を用意し、前駆体を基板に付着させ、
前駆体を金属酸化物材料の薄膜を形成するように処理す
る工程を含む。
In the forming step, a precursor liquid for the substrate and the metal oxide material is prepared, and the precursor is attached to the substrate.
Treating the precursor to form a thin film of a metal oxide material.

【0047】[0047]

【発明の実施の形態】まず、最初に、理解すべきこと
は,強誘電体集積回路デバイスを示す図1、3及び4
は、実際の集積回路の平面あるいは断面には必ずしも対
応していないことである。つまり、実際のデバイスで
は、層は規則的ではないだろうし、その厚さも、異なる
比率を有するかもしれない。実際のデバイスにおいて
は、種々の層は、多くの場合曲がっていたり、オーバー
ラップする端部を有する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, it should be understood that FIGS. 1, 3 and 4 show a ferroelectric integrated circuit device.
Does not necessarily correspond to the plane or cross section of an actual integrated circuit. That is, in a real device, the layers will not be regular and their thicknesses may also have different proportions. In practical devices, the various layers often have bent or overlapping ends.

【0048】代わりに、図面は、本発明の構造とプロセ
スをより明瞭にかつ十分に記載された理想的な代表例を
示している。また、図面は、本発明の方法を使用して製
造される強誘電体デバイスの多数のバリエーションの中
の一つを示しているに過ぎないことにも注意すべきであ
る。
[0048] Instead, the drawings illustrate an ideal representative, which more clearly and fully describes the structure and process of the present invention. It should also be noted that the drawings show only one of many variations of a ferroelectric device manufactured using the method of the present invention.

【0049】図1は、強誘電体コンデンサーと電気的に
接続される電界効果トランジスター型のスイッチを含む
強誘電体メモリーを示している。しかし、強誘電体素子
をスイッチ素子内に組み込んだ強誘電体FETを製造す
るためにも、本発明の方法を使用できる。このような、
強誘電体FETは、アメリカ特許番号5,523,96
4号(McMillan)に開示されている。同様に、
本発明の方法を使用して製造された他の集積回路は、他
の構成要素および材料組成を有することも可能である。
FIG. 1 shows a ferroelectric memory including a field effect transistor type switch electrically connected to a ferroelectric capacitor. However, the method of the present invention can also be used to manufacture a ferroelectric FET in which a ferroelectric element is incorporated in a switch element. like this,
Ferroelectric FETs are disclosed in US Pat. No. 5,523,96.
No. 4 (McMillan). Similarly,
Other integrated circuits manufactured using the method of the present invention may have other components and material compositions.

【0050】図1を参照すると、本発明の方法によって
製造された典型的な不揮発性強誘電体メモリーの断面図
が示されている。MOSFETと強誘電性コンデンサー
を含む集積回路を製造するための一般的な製造工程は、
アメリカ特許番号5,561,307(Yoshimo
ri)に記載されているので、図1の集積回路について
は、ここでは、簡単に説明するにとどめておく。通常の
製造方法は、他の文献にも開示されている。
Referring to FIG. 1, there is shown a cross-sectional view of a typical nonvolatile ferroelectric memory manufactured by the method of the present invention. A typical manufacturing process for manufacturing integrated circuits including MOSFETs and ferroelectric capacitors is:
U.S. Patent No. 5,561,307 (Yoshimo
ri), the integrated circuit of FIG. 1 will be described only briefly here. Conventional manufacturing methods are also disclosed in other documents.

【0051】図1において、フィールド酸化領域102
が、シリコン基板104の表面に形成されている。ソー
ス領域106およびドレイン領域108が、シリコン基
板104内に、互いに分離された状態で形成されてい
る。また、ゲート絶縁層112が、シリコン基板104
上であって、かつソースおよびドレイン領域106,1
08の間に形成されている。さらに、ゲート電極110
が、ゲート絶縁層112上に形成されている。これらの
ソース領域106、ドレイン領域108、ゲート絶縁層
112、それにゲート電極110によって、MOSFE
T113が構成される。
In FIG. 1, field oxide region 102
Are formed on the surface of the silicon substrate 104. A source region 106 and a drain region 108 are formed in the silicon substrate 104 so as to be separated from each other. Further, the gate insulating layer 112 is
Over the source and drain regions 106, 1
08 is formed. Further, the gate electrode 110
Are formed on the gate insulating layer 112. The source region 106, the drain region 108, the gate insulating layer 112, and the gate electrode 110 form a MOSFE.
T113 is configured.

【0052】さらに、BPSG(ボロンドープド・ホス
ホ・シリケイトガラス)によって形成された第1の層間
誘電体層(ILD)114が、基板104上であって、
かつフィールド酸化領域102の上に形成されている。
さらに、接着層116がILD114の一部分の上に形
成されており、さらに、強誘電体薄膜コンデンサー11
8が接着層116の上に形成されている。
Further, a first interlayer dielectric layer (ILD) 114 formed of BPSG (boron-doped phosphosilicate glass) is provided on the substrate 104,
In addition, it is formed on field oxide region 102.
Further, an adhesive layer 116 is formed on a part of the ILD 114, and furthermore, the ferroelectric thin film capacitor 11
8 is formed on the adhesive layer 116.

【0053】ここで、接着層116は、たとえば、チタ
ンにより形成されており、典型的には、200Åの厚さ
を有する。強誘電体コンデンサー118は、好ましく
は、シリコンやガリウム砒素、他の半導体、あるいはガ
ラス、酸化マグネシウム(MgO)のような絶縁体であ
る一般的なウエハー140の上に形成される。
Here, the adhesive layer 116 is formed of, for example, titanium, and typically has a thickness of 200 °. The ferroelectric capacitor 118 is preferably formed on a common wafer 140 that is an insulator such as silicon, gallium arsenide, other semiconductors, or glass or magnesium oxide (MgO).

【0054】強誘電体コンデンサーの下部および上部電
極は、従来と同様に、プラチナを含んでいる。ここで、
下部電極120は、プラチナ、パラジウム、銀、金のよ
うな酸化されにくい貴金属を含有するのが好ましい。貴
金属に加えて、アルミ、アルミ合金、アルミシリコン、
アルミニッケル、ニッケル合金、銅合金、アルミ銅のよ
うな金属が、強誘電体メモリーの電極として使用されて
も良い。
The lower and upper electrodes of the ferroelectric capacitor contain platinum as before. here,
The lower electrode 120 preferably contains a noble metal that is not easily oxidized, such as platinum, palladium, silver, and gold. In addition to precious metals, aluminum, aluminum alloys, aluminum silicon,
Metals such as aluminum nickel, nickel alloys, copper alloys, and aluminum copper may be used as the electrodes of the ferroelectric memory.

【0055】チタンのような接着層116は、回路の隣
接した下地層あるいは上部層に対する電極の接着性を強
化する。
An adhesive layer 116, such as titanium, enhances the adhesion of the electrode to the adjacent underlying or top layer of the circuit.

【0056】図1において、強誘電体コンデンサー11
8は、下部電極120、強誘電体薄膜122、及び上部
電極124とを含んでいる。ここで、下部電極122
は、プラチナで形成されており、2000Åの厚さを有
する。また、強誘電体薄膜124は、下部電極122の
上に形成されている。また、プラチナで形成された上部
電極124は、強誘電体薄膜122の上に形成されてお
り、2000Åの厚さを有する。さらに、好ましくは、
電気的に導電性を有する水素バリア層126が上部電極
124の上に形成されており、500−2000Åの厚
さを有する。
In FIG. 1, a ferroelectric capacitor 11
8 includes a lower electrode 120, a ferroelectric thin film 122, and an upper electrode 124. Here, the lower electrode 122
Is made of platinum and has a thickness of 2000 mm. The ferroelectric thin film 124 is formed on the lower electrode 122. The upper electrode 124 made of platinum is formed on the ferroelectric thin film 122 and has a thickness of 2000 °. Further, preferably,
An electrically conductive hydrogen barrier layer 126 is formed on top electrode 124 and has a thickness of 500-2000 °.

【0057】水素バリア層126は、単一の膜、例え
ば、窒化チタンあるいは窒化シリコンで構成されても良
い。あるいは、2以上の膜、例えば、チタン膜を底部に
有し、このチタン膜に引続いて窒化チタン膜を含んでも
良い。
The hydrogen barrier layer 126 may be composed of a single film, for example, titanium nitride or silicon nitride. Alternatively, two or more films, for example, a titanium film may be provided at the bottom, and a titanium nitride film may be subsequently provided.

【0058】水素バリア層126が、窒化チタンのよう
な電気的導電性材料で形成されており、導電体として作
用する場合、水素バリア層126と上部電極124とが
自己整合的になるように、水素バリア層126は、上部
電極124と共にパターンニングされる。
When the hydrogen barrier layer 126 is formed of an electrically conductive material such as titanium nitride, and acts as a conductor, the hydrogen barrier layer 126 and the upper electrode 124 are self-aligned. The hydrogen barrier layer 126 is patterned together with the upper electrode 124.

【0059】水素バリア層126は、従来のスパッタリ
ング技術によって堆積される。強誘電体薄膜122の組
成は、以下に、より詳細に説明される。
[0059] The hydrogen barrier layer 126 is deposited by conventional sputtering techniques. The composition of the ferroelectric thin film 122 will be described in more detail below.

【0060】NSG(ノンドープド・シリケイトガラ
ス)から成る第2の層間誘電体層(ILD)128が、
ILD層114の上に形成されている。PSG(ホスホ
・シリケートガラス)膜あるいはBPSG膜がILD層
128として使用可能である。
A second interlayer dielectric layer (ILD) 128 made of NSG (non-doped silicate glass)
It is formed on the ILD layer 114. A PSG (phosphosilicate glass) film or a BPSG film can be used as the ILD layer 128.

【0061】開口114Aが、ソース領域106ドレイ
ン領域108を露出させるために、ILD層128を通
して選択的に形成されている。
An opening 114A is selectively formed through the ILD layer 128 to expose the source region 106 and the drain region 108.

【0062】ソース電極配線130とドレイン電極配線
132とが、開口114Aを埋めるように形成される。
さらに、他の開口128Aが、電気的に導電性の水素バ
リア層126と下部電極120を露出するために、IL
D層128を通して選択的に形成される。
The source electrode wiring 130 and the drain electrode wiring 132 are formed so as to fill the opening 114A.
Further, another opening 128A is provided to expose the electrically conductive hydrogen barrier layer 126 and the lower electrode 120, so that the IL
It is selectively formed through the D layer 128.

【0063】上部電極配線134と下部電極配線136
とが、開口128Aを埋めるように形成される。ドレイ
ン電極配線132は、上部電極配線134と電気的に接
続されている。これらの配線130,132,134,
それに136の各々は、Al−Si−Cu(1%Si,
0.5%Cu)で形成されており、3000Åの厚さを
有する。
The upper electrode wiring 134 and the lower electrode wiring 136
Are formed so as to fill the opening 128A. The drain electrode wiring 132 is electrically connected to the upper electrode wiring 134. These wirings 130, 132, 134,
In addition, each of 136 includes Al-Si-Cu (1% Si,
0.5% Cu) and has a thickness of 3000 °.

【0064】水素バリア層126が非導電性ならば、配
線層134が上部電極124と電気的に接触できるよう
に、水素バリア層126の少なくとも一部が除去される
必要がある。
If the hydrogen barrier layer 126 is non-conductive, at least a portion of the hydrogen barrier layer 126 needs to be removed so that the wiring layer 134 can make electrical contact with the upper electrode 124.

【0065】強誘電体薄膜122の組成は、特に限定は
されないが、好ましい強誘電体材料のグループから選択
されることが可能である。例えば、強誘電体材料は、チ
タン酸塩(BaTiO3,SrTiO3,PbTiO
3(PT),PbZrTiO3(PZT)など),ニオブ
酸塩(KNbO3など)のようなABO3型金属酸化物ペロ
グスカイト構造のもの、好ましくは、層状超格子化合物
によって形成される。
The composition of the ferroelectric thin film 122 is not particularly limited, but can be selected from a preferable group of ferroelectric materials. For example, ferroelectric materials include titanates (BaTiO 3 , SrTiO 3 , PbTiO 3)
3 (PT), PbZrTiO 3 (PZT, etc.), and an ABO 3 type metal oxide having a perovskite structure such as a niobate (KNbO 3, etc.), preferably a layered superlattice compound.

【0066】ABO3型金属酸化物は、公知の強誘電体
及び強誘電率のグループである。このことは、Fran
co Jona and G.Shirane,強誘電
体結晶、ドーバー出版、N.Y.,p.108に記載さ
れている。
ABO 3 type metal oxides are a group of known ferroelectrics and ferroelectric constants. This means that
co Jona and G. Shirane, Ferroelectric Crystal, Dover Publishing, N.M. Y. , P. 108.

【0067】1996,5月21日に発行されたアメリ
カ特許番号5,519,234号には、ストロンチウム
・ビスマス・タンタル酸塩のような層状超格子化合物
が、従来の最良の材料に比べて強誘電体分野において優
れた特性を有すること、さらに、高誘電率および低漏洩
電流を有することが開示されている。
US Pat. No. 5,519,234, issued May 21, 1996, states that layered superlattice compounds, such as strontium bismuth tantalate, are stronger than conventional best materials. It is disclosed that it has excellent properties in the dielectric field, and that it has a high dielectric constant and a low leakage current.

【0068】1995,7月18日に発行されたアメリ
カ特許番号5,434,102号及び1995,11月
21日に発行されたアメリカ特許番号5,468,68
4号には、実際の集積回路にこれらの材料を集積化する
ためのプロセスを開示している。この層状超格子材料
は、一般的には、下記化1の化学式(1)の下に要約さ
れる。
US Pat. No. 5,434,102 issued Jul. 18, 1995 and US Pat. No. 5,468,68 issued Nov. 21, 1995.
No. 4 discloses a process for integrating these materials into a real integrated circuit. This layered superlattice material is generally summarized under the following chemical formula (1).

【0069】[0069]

【化1】 ここで、A1,A2...Ajは、ペロブスカイト状構
造においてA−サイト元素を表わす。このA−サイト元
素は、ストロンチウム、カルシウム、バリウム、ビスマ
ス、鉛、その他の元素であっても良い。
Embedded image Here, A1, A2. . . Aj represents an A-site element in the perovskite-like structure. The A-site element may be strontium, calcium, barium, bismuth, lead and other elements.

【0070】S1,S2...Skは、超格子生成元素
を表わす。ここで、超格子生成元素は、通常は、ビスマ
スであるが、イットリウム、スカンジウム、ランタン、
アンチモン、クロム、タリウム、その他、+3の原子価
を持った他の元素のような材料であっても良い。
S1, S2. . . Sk represents a superlattice forming element. Here, the superlattice forming element is usually bismuth, but yttrium, scandium, lanthanum,
Materials such as antimony, chromium, thallium, and other elements having a valence of +3 may be used.

【0071】ここで、B1,B2...Blは、ペロブ
スカイト状構造においてB−サイト元素を表わす。この
B−サイト元素は、チタン、タンタル、タングステン、
ニオブ、ジルコニウム、さらに他の元素であっても良
い。
Here, B1, B2. . . Bl represents a B-site element in the perovskite-like structure. This B-site element includes titanium, tantalum, tungsten,
Niobium, zirconium, and other elements may be used.

【0072】Qは、アニオン(陰イオン)をあらわす。
アニオンは、一般的には、酸素であるが、フッ素、塩
素、オキシフルーオライド、オキシクロライドのような
これらの元素の複合物のような他の要素であっても良
い。化学式(1)の上付文字は、それぞれの元素の原子
価を示し、下付文字は、化合物の1モルにおける材料の
モル数を示しており、単位セルとの関係で、平均として
の単位セル中の元素の原子数を示している。ここで、下
付文字は、整数あるいは分数を取る。すなわち、化学式
(1)は、単位セルが、材料(平均すると、Sr.75
a.25Bi2Ta29など)の中で変化する場合を含ん
でいる。この例の場合、A−サイトの75%は、ストロ
ンチウム原子によって占有されており、A−サイトの2
5%は、バリウム原子によって占有されている。化合物
において、一つのA−サイトのみが存在するのならば、
それは、A1元素とすべてゼロに等しいw2...wj
によって表わせる。一方、化合物中に、一つのB−サイ
ト元素のみが存在するのならば、それは、B1元素とす
べてゼロに等しいy2...ylとによって表わされ、
超格子生成元素同様に表わせる。
Q represents an anion (anion).
The anion is generally oxygen, but may be another element, such as a complex of these elements, such as fluorine, chlorine, oxyfluoride, oxychloride. The superscript in the chemical formula (1) indicates the valence of each element, and the subscript indicates the number of moles of the material in 1 mole of the compound, and the unit cell as an average in relation to the unit cell. Shows the number of atoms in the element inside. Here, the subscript takes an integer or a fraction. That is, the chemical formula (1) indicates that the unit cell is composed of the material (on average, Sr. 75 B
a. 25 Bi 2 Ta 2 O 9 ). In this example, 75% of the A-site is occupied by strontium atoms and 2% of the A-site
5% is occupied by barium atoms. If only one A-site is present in the compound,
It is equivalent to the A1 element and w2. . . wj
Can be represented by If, on the other hand, only one B-site element is present in the compound, it is y2. . . yl, and
It can be expressed similarly to the superlattice forming element.

【0073】化学式(1)は、より一般的な形式で記載
されているけれども、通常のケースは、一つのA−サイ
ト元素と、一つの超格子生成元素と、一つまたは二つの
B−サイト元素が存在する場合である。化学式(1)の
記述は、上記サイトのいずれかと超格子発生体とが複合
要素を有するより一般的な場合を含むように意図されて
いる。
Although formula (1) is described in a more general form, the usual case is that one A-site element, one superlattice-forming element, and one or two B-sites This is the case when the element is present. The description of formula (1) is intended to include the more general case where any of the above sites and the superlattice generator have a composite element.

【0074】zの値は、次式から求められる。 (2)(a1w1+a2w2...ajwj)+(s1
x1+s2x2...+skxk)+(b1yi+b2
y2...+blyl)=2z 化学式(1)は、1996,5月21日に発行されたア
メリカ特許番号5,519,234号において議論され
ているすべての三つのスモレンスキ型化合物を含んでい
る。層状超格子材料は、化学式(1)に合致する材料を
全て含むわけではなく、明瞭に区別し得る交互層を有す
る結晶構造を自然に形成できる材料のみを含む。
The value of z is obtained from the following equation. (2) (a1w1 + a2w2 ... ajwj) + (s1
x1 + s2x2. . . + Skxk) + (b1yi + b2
y2. . . + Blyl) = 2z Formula (1) includes all three Smolenski-type compounds discussed in U.S. Pat. No. 5,519,234, issued May 21, 1996. Layered superlattice materials do not include all materials that meet chemical formula (1), but only include those that can naturally form a crystalline structure with clearly distinguishable alternating layers.

【0075】ここで、“基板"とは、集積回路が形成さ
れる下地ウエハー104だけでなく、BPSG層114
のような薄膜が堆積される対象物をも意味する。本明細
書では、“基板"とは、関係する層が適用される対象を
意味する。例えば、120のような下部電極を例に取る
と、基板は、電極120がその上に形成される層116
及び114をも意味する。“薄膜"という用語は、集積
回路分野で使われているような意味でここでも使用され
る。普通は、厚さにおいて、ミクロン以下の膜を意味す
る。ここで開示されている薄膜は、すべての場合におい
て、厚さにおいて、0.5ミクロン以下である。強誘電
体薄膜122の場合には、1000Åから3000Åの
厚さが好ましく、もっとも好ましいのは、1200Åか
ら2500Åの厚さである。集積回路技術のこれらの薄
膜は、集積回路技術と関係しないまったく異なるプロセ
スで形成される巨視的コンデンサーのような積層型コン
デンサーと混同されるべきではない。
Here, the “substrate” means not only the base wafer 104 on which the integrated circuit is formed, but also the BPSG layer 114.
Means an object on which a thin film is deposited. As used herein, "substrate" means the object to which the relevant layer applies. For example, taking a lower electrode such as 120 as an example, the substrate may be a layer 116 on which the electrode 120 is formed.
And 114. The term "thin film" is also used herein in the sense as used in the integrated circuit field. It usually means a submicron film in thickness. The thin films disclosed herein are in all cases less than 0.5 microns in thickness. In the case of the ferroelectric thin film 122, the thickness is preferably from 1000 to 3000, and most preferably from 1200 to 2500. These thin films of integrated circuit technology should not be confused with multilayer capacitors, such as macroscopic capacitors, formed in a completely different process unrelated to integrated circuit technology.

【0076】ここでは、“化学量論的"とは、層状超格
子材料のような材料の固相膜、材料を形成するための前
駆体の両方に適用される。それが、固相膜に適用される
とき、最後の固相薄膜の各元素の実際の相対量を示す式
に関係する。前駆体に適用されるときには、前駆体にお
いて、金属のモル比を示す。“つり合った"化学量論的
式は、占められた結晶格子のすべてのサイトで、各元素
が材料の完全な結晶構造を形成するようにすべてのサイ
トを占有するに十分な元素が存在する状態である。しか
し、現実には、室温で、必ず格子欠陥は存在するであろ
う。例えば、SrBi2TaNbO9とSrBi2Ta
1.44Nb0.569は、つり合った化学量論的式である。
対照的に、ストロンチウム、ビスマス、タンタル、ニオ
ブのモル比が、それぞれ、1,2.18,1.44,
0.56であるストロンチウム−ビスマス−タンタル−
ニオベイトの前駆体は、不均一な化学量論的式SrBi
2.18Ta1.44Nb0.569 によって表わされる。これ
は、完全なる結晶材料を形成するために必要とされるも
のを超える過剰のビスマスを含んでいるからである。
As used herein, "stoichiometric" applies to both solid phase films of materials such as layered superlattice materials and precursors for forming the material. When it is applied to a solid phase film, it relates to a formula that indicates the actual relative amounts of each element of the last solid film. When applied to a precursor, it indicates the molar ratio of the metal in the precursor. A "balanced" stoichiometric formula states that at every site of the occupied crystal lattice, there are enough elements to occupy all sites so that each element forms the complete crystal structure of the material State. However, in reality, at room temperature, there will always be lattice defects. For example, SrBi 2 TaNbO 9 and SrBi 2 Ta
1.44 Nb 0.56 O 9 is a balanced stoichiometric formula.
In contrast, the molar ratios of strontium, bismuth, tantalum, and niobium are 1, 2.18, 1.44,
Strontium-bismuth-tantalum-0.56
The niobate precursor has a heterogeneous stoichiometric formula SrBi
2.18 represented by Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 . This is because it contains an excess of bismuth beyond that required to form a perfect crystalline material.

【0077】本明細書では、金属元素の過剰量とは、す
べての原子サイトが占有されかつ金属が全く残らない状
態で、所望の材料を形成するために存在する他の金属と
結合するのに必要な量より多い量を意味する。しかし、
知られているように、本発明における電子デバイスを製
作するに当たって、ビスマス酸化物は高揮発性で、かな
りの熱が使用されるので、本発明のプロセスで作成され
る固相の強誘電体層122,422のビスマスのモル比
は、前駆体の化学量論的式におけるそれよりも一般的に
は小さくなるであろう。しかし、本発明のプロセスによ
って作成される強誘電体層122,124におけるスト
ロンチウム、タンタル、ニオブのモル比は、前駆体に対
する化学量論的式で与えられるモル比に非常に近いかあ
るいは等しいものと考えられる。このことは、アメリカ
特許番号5,434,102(ワタナベ)にも記載され
ている。
[0077] As used herein, an excess of a metal element is defined as binding to other metals that are present to form the desired material, with all atomic sites occupied and no metal remaining. Means more than required. But,
As is known, in fabricating the electronic devices of the present invention, the solid phase ferroelectric layer created by the process of the present invention because bismuth oxide is highly volatile and uses considerable heat The molar ratio of bismuth at 122,422 will generally be lower than that in the stoichiometric formula of the precursor. However, the molar ratios of strontium, tantalum, and niobium in the ferroelectric layers 122, 124 produced by the process of the present invention may be very close to or equal to the molar ratio given by the stoichiometric formula for the precursor. Conceivable. This is also described in US Pat. No. 5,434,102 (Watanabe).

【0078】上記アメリカ特許(5,434,102)
と関連技術に基づいて、当業者にとって好ましい層状超
格子材料を形成するための前駆体は、化学量論的式Sr
Bi2.18Ta1.44Nb0.569を現時点では有する。こ
の式の前駆体は、均一化された化学量論的式SrBi
2.18Ta1.44Nb0.569を有する最終の固相ストロン
チウム、タンタル、ニオブ酸塩を生成すると信じて良
い。すなわち、最終の薄膜は、過剰のビスマスを含まな
い。これは、前駆体における過剰のビスマスは、製造プ
ロセスにおいて、ビスマス酸化ガスとして排除されるか
らである。
The above US Patent (5,434,102)
Based on and related art, precursors for forming layered superlattice materials preferred by those skilled in the art have the stoichiometric formula Sr
It currently has Bi 2.18 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 . The precursor of this formula has the homogenized stoichiometric formula SrBi
It may be believed that a final solid phase strontium, tantalum, niobate with 2.18 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 will be produced. That is, the final film does not contain excess bismuth. This is because excess bismuth in the precursor is eliminated as bismuth oxidizing gas in the manufacturing process.

【0079】以下に例示されている強誘電体層422
は、ヒューズ・エアークラフト・カンパニー・製品番号
HAC10475−47から商業的に入手可能なストロ
ンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩溶液から製
造された。
The ferroelectric layer 422 exemplified below
Was made from a strontium bismuth tantalum niobate solution commercially available from Hughes Aircraft Company, product number HAC10475-47.

【0080】前駆体溶液は、化学量論的比率SrBi
2.18Ta1.44Nb0.569に対応した化学前駆体の内容
量を含む。この化学量論的式は、本明細書において標準
的なニオブとタンタルの比率を有する標準組成として扱
う。この標準化学量論的式を有する前駆体は、約9%の
過剰ビスマスを含有する。すなわち、標準の化学量論的
式は、結晶のすべての原子サイトが占有されて、層状超
格子化合物を形成するために、ストロンチウム・タンタ
ル・ニオブと結合するのに必要とされる量を超えるビス
マスの含有量を有する。
The precursor solution has a stoichiometric ratio SrBi
2.18 Includes the content of chemical precursor corresponding to Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 . This stoichiometric formula is treated herein as a standard composition having a standard niobium to tantalum ratio. Precursors having this standard stoichiometric formula contain about 9% excess bismuth. That is, the standard stoichiometric formula states that all atomic sites in the crystal are occupied, and that bismuth exceeds the amount required to combine with strontium-tantalum-niobium to form a layered superlattice compound. Having a content of

【0081】本発明の特徴の一つは、ビスマス、ニオブ
などのうち少なくとも一つの元素含有量が、標準式に示
されたものに比べて過剰の量を有する最終の層状超格子
化合物が、標準式の組成を有する前駆体から形成された
材料よりも水素による性能低下に対するより大きな耐性
を有しているということである。
One of the features of the present invention is that the final layered superlattice compound in which the content of at least one element of bismuth, niobium and the like is excessive as compared with that shown in the standard formula, It has greater resistance to performance degradation due to hydrogen than materials formed from precursors having the formula composition.

【0082】関連する特徴は、層状超格子材料におい
て、ニオブのようなB−サイト元素の過剰含有量が、水
素に曝されることによる電気的特性の低下を防止するの
に効果的であるということである。
A related feature is that in layered superlattice materials, the excess content of B-site elements, such as niobium, is effective in preventing the degradation of electrical properties due to exposure to hydrogen. That is.

【0083】図2は、強誘電体メモリーを作成するため
に本発明で使用される製造工程のフローチャートを示
す。
FIG. 2 shows a flow chart of the manufacturing process used in the present invention to make a ferroelectric memory.

【0084】ステップ212では、半導体基板104が
用意され、その上に、スイッチがステップ214で形成
される。このスイッチは、典型的には、MOSFETで
ある。ステップ216で、絶縁層が、スイッチを形成さ
れるべき強誘電体から分離するために形成される。ステ
ップ218では、下部電極120が形成される。好まし
くは、この電極は、プラチナで形成され、かつ約200
0Åの厚さを有する層を形成するようにスパッタリング
で堆積される。
In step 212, the semiconductor substrate 104 is prepared, and a switch is formed thereon in step 214. This switch is typically a MOSFET. At step 216, an insulating layer is formed to separate the switch from the ferroelectric to be formed. In step 218, the lower electrode 120 is formed. Preferably, the electrode is formed of platinum and has a thickness of about 200
Sputter deposited to form a layer having a thickness of 0 °.

【0085】本ステップでは、約200Åのチタンまた
は窒化チタンで形成された接着層116が、電極を堆積
する前に形成される。
In this step, an adhesive layer 116 of about 200 ° of titanium or titanium nitride is formed before depositing the electrodes.

【0086】ステップ222において、強誘電体薄膜1
22が、下部電極120に付着される。好ましくは、強
誘電体薄膜122は、層状超格子化合物を含む。この強
誘電体薄膜122は、アメリカ特許番号5,546,9
45に記載されているように、望ましくは、スピンコー
ティングあるいは噴霧堆積方法のような液体堆積技術を
使って付着される。もっとも好適な方法では、スピン・
オン技術が薄膜を形成するために使用される。
In step 222, the ferroelectric thin film 1
22 is attached to the lower electrode 120. Preferably, the ferroelectric thin film 122 includes a layered superlattice compound. This ferroelectric thin film 122 is disclosed in US Pat. No. 5,546,9.
As described at 45, it is desirably applied using liquid deposition techniques such as spin coating or spray deposition methods. The most preferred method is spin
On technology is used to form thin films.

【0087】ステップ220において、所望の強誘電体
薄膜122を形成する層状超格子化合物の化学的前駆体
が準備される。通常は、最終の前駆体溶液は、化学的前
駆体化合物を含有する商業的に入手可能な溶液から準備
される。
In step 220, a chemical precursor of the layered superlattice compound to form the desired ferroelectric thin film 122 is prepared. Usually, the final precursor solution is prepared from a commercially available solution containing the chemical precursor compound.

【0088】好ましくは、商業的に市販されている溶液
中の種々の前駆体の濃度は、個別の製造条件あるいは動
作条件に適合するように、ステップ220において調整
される。例えば、層状超格子薄膜に対する典型的な市販
されている溶液の種々の元素の化学量論的含有量は、S
rBi2.18Ta1.44Nb0.569であるかもしれない。
しかし、水素アニールによる性能低下から強誘電体化合
物を保護するための他の酸化物を発生させるためには、
この溶液中にニオブあるいはビスマスを添加するのが好
ましいことが多い。
Preferably, the concentrations of the various precursors in the commercially available solutions are adjusted in step 220 to suit individual manufacturing or operating conditions. For example, the stoichiometric content of various elements in a typical commercially available solution for a layered superlattice thin film is
rBi 2.18 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 .
However, in order to generate other oxides to protect the ferroelectric compound from performance degradation due to hydrogen annealing,
It is often preferable to add niobium or bismuth to this solution.

【0089】付着工程222は、好ましくは、ドライ工
程と急速熱プロセスのような高温での結晶化ステップで
ある処理ステップ224の前に行われる。付着工程22
2は、付着処理222の間あるいは後に、紫外線照射を
伴った処理を含むかもしれない。
The deposition step 222 is preferably performed before the processing step 224, which is a crystallization step at high temperatures such as a dry step and a rapid thermal process. Attachment step 22
2 may include a treatment with ultraviolet radiation during or after the deposition process 222.

【0090】例えば、典型的なスピン・オン処理では、
前駆体の層が付着されて乾燥される。それから、次の前
駆体層が、付着されて乾燥されるかもしれない。そし
て、処理された膜は、ステップ226において、結果物
である強誘電体薄膜を形成するために、酸素中でアニー
ルされる。
For example, in a typical spin-on process,
A layer of the precursor is deposited and dried. Then, the next precursor layer may be deposited and dried. The processed film is then annealed in step 226 in oxygen to form the resulting ferroelectric thin film.

【0091】付着及び処理工程222と224は、数回
繰り返されるかもしれない。
The deposition and processing steps 222 and 224 may be repeated several times.

【0092】ステップ222−226に続いて、上部電
極124がステップ228で形成される。ステップ22
8と他のステップは、イオンエッチングやアッシングの
ようなサブステップを含んでも良い。
Following steps 222-226, upper electrode 124 is formed at step 228. Step 22
8 and other steps may include sub-steps such as ion etching and ashing.

【0093】好ましくは、水素バリア層126が、ステ
ップ230において、コンデンサーの少なくとも上部電
極124を覆うように形成される。典型的には、水素バ
リア層126は窒化チタンであり、強誘電体への水素の
拡散を防止すると共に、電気的に導電性でもある。
Preferably, a hydrogen barrier layer 126 is formed at step 230 over at least the upper electrode 124 of the capacitor. Typically, the hydrogen barrier layer 126 is titanium nitride, which prevents diffusion of hydrogen into the ferroelectric and is also electrically conductive.

【0094】また、水素バリア層126のスパッター堆
積の際のスパッター雰囲気に、少量の酸素ガスを含ませ
ることによって、少量の酸素をバリア膜に添加するのが
望ましい。水素バリア層126中に形成される結果物で
ある酸化物は、種々の製造プロセス工程で存在する水素
と反応することによってメモリデバイス中の強誘電体化
合物を保護する。
Further, it is desirable to add a small amount of oxygen to the barrier film by including a small amount of oxygen gas in the sputtering atmosphere at the time of sputter deposition of the hydrogen barrier layer 126. The resulting oxide formed in the hydrogen barrier layer 126 protects the ferroelectric compound in the memory device by reacting with hydrogen present in various manufacturing process steps.

【0095】ステップ232において、強誘電体メモリ
ーの水素アニールが、酸化によってシリコン基板に生じ
た欠陥を十分に消失させ、かつ強誘電体化合物の水素に
よる性能低下を最小限にするように選ばれた温度とアニ
ーリング時間の下で行われる。水素アニール工程は、好
ましくは、水素ガス雰囲気において行われる。なぜな
ら、水素プラズマ・アニールのような他の代替物より、
それほど複雑でないからである。
In step 232, a hydrogen anneal of the ferroelectric memory was selected to sufficiently eliminate defects created in the silicon substrate by oxidation and to minimize performance degradation due to hydrogen in the ferroelectric compound. It is performed under temperature and annealing time. The hydrogen annealing step is preferably performed in a hydrogen gas atmosphere. Because other alternatives like hydrogen plasma anneal,
Because it is not so complicated.

【0096】ステップ234において、酸素回復アニー
ルが、水素アニールと水素化あるいは還元条件を生じさ
せる他の処理工程の結果として低下した強誘電体の電気
的特性を修復するために実施される。
At step 234, an oxygen recovery anneal is performed to restore the reduced ferroelectric electrical properties as a result of the hydrogen anneal and other processing steps that produce hydrogenation or reduction conditions.

【0097】集積回路は、次のステップ236で完成す
る。このステップは、多くのサブステップ、例えば、I
LD層の堆積、パターンニング及びイオンミリング、そ
れに配線層の堆積を含む。
The integrated circuit is completed in the next step 236. This step consists of a number of sub-steps, for example, I
Including deposition of LD layers, patterning and ion milling, and deposition of wiring layers.

【0098】実験によれば、200℃で約10分間の水
素(H2)ガスアニールが、より高温で、かつより長い
期間での水素アニールにより受けたダメージに比べて、
強誘電体元素中の電気的特性の性能低下を非常に効果的
に防止する。それにもかかわらず、水素熱処理の目的、
すなわち、酸素によってダメージを受けたトランジスタ
ーの表面状態の回復を達成するような条件が必ずしも可
能とは限らない。
Experiments have shown that hydrogen (H 2 ) gas anneal at 200 ° C. for about 10 minutes, compared to the damage caused by hydrogen anneal at higher temperature and for a longer period of time,
It very effectively prevents the performance degradation of the electrical characteristics in the ferroelectric element. Nevertheless, the purpose of hydrogen heat treatment,
That is, conditions for achieving the recovery of the surface state of the transistor damaged by oxygen are not always possible.

【0099】さらに、そのような条件は、それ単独で
は、水素による性能低下から強誘電体化合物を適切に保
護するのに十分でないかもしれない。このため、本発明
では、水素のダメージからメモリーデバイスを保護する
ために、種々の工程を使用する。これらの工程は、関連
して、あるいは、低温・短時間水素熱処理に変わって使
用できる。
Furthermore, such conditions alone may not be sufficient to adequately protect the ferroelectric compound from performance degradation due to hydrogen. For this reason, the present invention uses various processes to protect the memory device from hydrogen damage. These steps can be used in conjunction with or instead of low temperature, short time hydrogen heat treatment.

【0100】本発明の好適な方法では、集積回路の水素
の熱処理は、1−5%のH2濃度のH2−N2の混合ガス
を用いて大気圧で、200℃の温度で10分間行われ
る。低温度、短時間水素熱処理の有益な効果は、350
℃の温度及び30分の期間まで意義がある。本発明の水
素熱処理は、水素ガスの体積パーセントが0.01−5
0%の範囲にある水素雰囲気で行われることが可能であ
る。これは、集積回路中の水素の拡散が、拡散が律速す
る工程だからである。
In a preferred method of the present invention, the heat treatment of hydrogen in the integrated circuit is performed at a temperature of 200 ° C. for 10 minutes at a atmospheric pressure using a mixed gas of H 2 —N 2 having a H 2 concentration of 1-5%. Done. The beneficial effect of low temperature, short duration hydrogen heat treatment is 350
Significant up to a temperature of ° C. and a period of 30 minutes. In the hydrogen heat treatment of the present invention, the volume percentage of hydrogen gas is 0.01-5%.
It can be performed in a hydrogen atmosphere in the range of 0%. This is because the diffusion of hydrogen in an integrated circuit is a step in which diffusion is rate-determining.

【0101】本発明の低温、短時間水素アニールは、強
誘電体薄膜122が、一般式SrBi2.18Ta2-xNbx
(0≦X≦2)にほぼ対応した組成を有する前駆体から
形成されたBi−層状超格子材料を含む不揮発性強誘電
体コンデンサーの電気的特性を保護するのに効果的であ
る。実験によれば、低温・短時間水素処理は、前駆体の
モル比Nb/Taが約0.4である一般的化学量論的式
SrBi2.18Ta1.44Nb0.569にほぼ対応した組成
を有する前駆体溶液から成る超格子化合物を保護するの
に最も効果的である。
In the low-temperature, short-time hydrogen annealing according to the present invention, the ferroelectric thin film 122 is made of a general formula SrBi 2.18 Ta 2-x Nb x
This is effective for protecting the electrical characteristics of a nonvolatile ferroelectric capacitor including a Bi-layered superlattice material formed from a precursor having a composition substantially corresponding to (0 ≦ X ≦ 2). Experiments show that low-temperature, short-term hydrotreatment has a composition that roughly corresponds to the general stoichiometric formula SrBi 2.18 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 with a precursor molar ratio Nb / Ta of about 0.4. It is most effective in protecting the superlattice compound consisting of the precursor solution.

【0102】さらに、実験によれば、式SrBi2.18
1.44Nb0.569に対応した相対含有量の前駆体への
過剰のビスマスあるいはニオブの添加は、水素による性
能低下から所望の電気的特性を保護するのに効果的であ
る。
Further, according to experiments, it was found that the expression SrBi 2.18 T
The addition of excess bismuth or niobium to the precursor having a relative content corresponding to a 1.44 Nb 0.56 O 9 is effective in protecting the desired electrical properties from performance degradation due to hydrogen.

【0103】本発明の強誘電体コンデンサーでは、上部
電極124は水素バリア層126、好ましくは、窒化チ
タンによって覆われている。強誘電体特性の水素による
性能低下は、酸素回復アニールによって優れた電気的特
性を再び得るために、部分的にあるいは十分に元に戻さ
れる。
In the ferroelectric capacitor of the present invention, the upper electrode 124 is covered with a hydrogen barrier layer 126, preferably, titanium nitride. The performance degradation due to hydrogen in the ferroelectric properties is partially or fully restored to regain excellent electrical properties by oxygen recovery annealing.

【0104】また、実験によると、水素の横方向の拡
散、すなわち、強誘電体膜の平面に平行方向の拡散は、
強誘電体膜の平面に対し法線方向の拡散に比べて、それ
ほど重用ではない。強誘電体層122,422の横端部
での強誘電体材料の小部分は、横方向の侵入する水素に
対するゲッターとして作用し、強誘電体材料の残部を水
素から保護する。
According to experiments, the lateral diffusion of hydrogen, ie, the diffusion in the direction parallel to the plane of the ferroelectric film,
Compared to diffusion in the direction normal to the plane of the ferroelectric film, it is not so important. A small portion of the ferroelectric material at the lateral ends of the ferroelectric layers 122, 422 acts as a getter for laterally invading hydrogen, protecting the remainder of the ferroelectric material from hydrogen.

【0105】典型的な製造手順では、水素熱処理は、回
路配線が堆積されてパターニングされる前に実施され
る。さらに、他のプロセス手順と工程も使用可能であ
る。例えば、MOSFETのコンタクト配線の開口は、
水素処理の前に開けられることができ、一方、強誘電体
の電極にILD層を通して開ける開口は、水素熱処理工
程の後に行われることも可能である。
In a typical manufacturing procedure, a hydrogen heat treatment is performed before circuit wiring is deposited and patterned. In addition, other process procedures and steps can be used. For example, the opening of the contact wiring of the MOSFET is
The opening that opens before the hydrogen treatment, while opening the ferroelectric electrode through the ILD layer can also be made after the hydrogen heat treatment step.

【0106】図3は、本発明に応じて基板300上に製
作された薄膜コンデンサー396,398,400が、
その上に形成された代表的ウエハーの上面図を、大きく
拡大して示してある。図4は、本発明に応じて製作され
た薄膜コンデンサー素子を示し、図3のライン4−4に
沿って切り取られた断面の一部である。シリコン酸化膜
402が、シリコン結晶基板404の上に形成されてい
る。チタン接着層416が、シリコン酸化層402の上
に形成されている。プラチナから成る下部電極420が
接着層416の上にスパッタリングにより堆積されてい
る。層422は、強誘電体薄膜であり、層424は、プ
ラチナから成る上部電極を表わす。
FIG. 3 shows a thin film capacitor 396, 398, 400 fabricated on a substrate 300 according to the present invention.
A top view of a representative wafer formed thereon is shown in a greatly enlarged manner. FIG. 4 shows a thin film capacitor element made in accordance with the present invention, and is a portion of a cross section taken along line 4-4 of FIG. A silicon oxide film 402 is formed on a silicon crystal substrate 404. A titanium adhesive layer 416 is formed on the silicon oxide layer 402. A lower electrode 420 of platinum is deposited on the adhesive layer 416 by sputtering. Layer 422 is a ferroelectric thin film, and layer 424 represents a platinum top electrode.

【0107】(実施例1)ストロンチウム・ビスマス・
タンタル・ニオブ酸塩・コンデンサーの電気的特性が、
200℃、250℃、300℃の温度で、10分,30
分,60分間、水素ガス中のアニールの前後に、調査さ
れた。
(Example 1) Strontium bismuth
The electrical characteristics of tantalum, niobate and capacitors are
200 ° C, 250 ° C, 300 ° C for 10 minutes, 30
And 60 minutes before and after annealing in hydrogen gas.

【0108】コンデンサーは、ヒューズ・エアークラフ
ト・カンパニーから商業的に入手可能なストロンチウム
・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩溶液・製品番号HA
C10475−47から製造された。溶液は、化学量論
的式SrBi2.18Ta1.44Nb0.569に対応する組成
の化学前駆体を含む。この化学量論的式は、このあるい
は他の実施例において、“標準"の濃度としてみなされ
る。しかし、この式は、単に、商業的に入手可能な前駆
体溶液における種々の化学種の相対比を表わしているに
すぎないと理解されるべきである。
The condenser is a strontium bismuth tantalum niobate solution commercially available from Hughes Aircraft Company, product number HA
Manufactured from C10475-47. The solution contains a chemical precursor having a composition corresponding to the stoichiometric formula SrBi 2.18 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 . This stoichiometric formula is regarded as the "standard" concentration in this or other examples. However, it should be understood that this formula merely represents the relative ratios of the various species in the commercially available precursor solution.

【0109】この例では、0.2mol/l前駆体溶液
は、タンタル2−エチルヘキサン酸、ビスマス2−エチ
ルヘキサン酸、ストロンチウム2−エチルヘキサン酸、
ニオブ2−エチルヘキサン酸、2−エチルヘキサン酸、
それにキシレンを含有する。層状超格子化合物を含む強
誘電体コンデンサーは、アメリカ特許番号5,434,
102(ワタナベ)に記載された方法に従ってこの前駆
体溶液から形成される。コンデンサーにおける残留分極
(2Pr)、抗電界(Ec)、漏洩電流が、水素処理の
前後に測定された。
In this example, the 0.2 mol / l precursor solution was tantalum 2-ethylhexanoic acid, bismuth 2-ethylhexanoic acid, strontium 2-ethylhexanoic acid,
Niobium 2-ethylhexanoic acid, 2-ethylhexanoic acid,
It contains xylene. A ferroelectric capacitor containing a layered superlattice compound is disclosed in U.S. Pat.
102 (Watanabe) is formed from this precursor solution. Remanent polarization (2Pr), coercive electric field (Ec), and leakage current in the capacitor were measured before and after hydrogen treatment.

【0110】一連のp型100シリコンウエハー基板4
04が、シリコン酸化膜402の層を形成するために酸
化された。200Åの厚さを有するチタン接着層416
が基板上にスパッターされ、それから、3000Åの厚
さを有する下部プラチナ電極420が、接着層416の
上にスパッター堆積された。これらは、650℃で酸素
中で、30分間アニールされ、低真空中で180℃で3
0分間脱水処理された。ストロンチウム・ビスマス・ニ
オブ酸塩化合物の0.2モル溶液のスピンコートが、3
0秒間、1500rpmで、下部電極420の上に堆積
された。この層は、160℃で1分間熱分解され、26
0℃まで昇温して4分間熱処理された。このスピンコー
トと熱分解の手順は、繰り返し行われた。
A series of p-type 100 silicon wafer substrates 4
04 was oxidized to form a layer of silicon oxide film 402. Titanium adhesive layer 416 having a thickness of 200 °
Was sputtered onto the substrate, and then a lower platinum electrode 420 having a thickness of 3000 ° was sputter deposited on the adhesive layer 416. These are annealed at 650 ° C. in oxygen for 30 minutes, and at 180 ° C. in a low vacuum for 3 minutes.
It was dehydrated for 0 minutes. Spin coating of a 0.2 molar solution of strontium bismuth niobate compound
Deposited on bottom electrode 420 at 1500 rpm for 0 seconds. This layer was pyrolyzed at 160 ° C. for 1 minute,
The temperature was raised to 0 ° C. and heat-treated for 4 minutes. This spin coating and pyrolysis procedure was repeated.

【0111】強誘電体膜は、ラピッド・サーマル・アニ
−ル(RTA 725℃ 30sec,100℃/se
c)を使って結晶化された。
The ferroelectric film is formed by rapid thermal annealing (RTA: 725 ° C., 30 sec, 100 ° C./sec).
Crystallized using c).

【0112】これらの工程によって、2100±150
Åの厚さを有する強誘電体薄膜422が形成された。こ
のウエハーおよび堆積層は、60分間、800℃で、第
1のアニールを受けた。プラチナが、2000Åの厚さ
の上部電極層424を形成するためにスパッターによっ
て堆積され、続いて、ホトレジストを使用したパターン
ニング(PR処理)が行われた。プラチナとストロンチ
ウム ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩層が、コンデン
サーを形成するためにイオンによってエッチング(ミリ
ング)され、それから、アッシングが行われ、続いて、
第2の酸素アニールが800℃で30分間行われた。
By these steps, 2100 ± 150
A ferroelectric thin film 422 having a thickness of Å was formed. The wafer and the deposited layer underwent a first anneal at 800 ° C. for 60 minutes. Platinum was sputter deposited to form a 2000 ° thick top electrode layer 424, followed by patterning using photoresist (PR process). The platinum and strontium bismuth tantalum niobate layers are etched (milled) by ions to form a capacitor, and then ashed, followed by
A second oxygen anneal was performed at 800 ° C. for 30 minutes.

【0113】コンデンサーが、水素ガスでアニールされ
る前に、各々、7854μm2の面積を有する5つのコ
ンデンサーの電気的特性が、測定された。コンデンサー
の漏洩電流は、5Vで、約10-7A/cm2ボルトであ
った。5ボルトでの残留分極(2Pr)は、約23μC
/cm2であった。コンデンサーの一つに対して実施さ
れた疲労テストでは、2Pr値は、1010サイクルの後
に、約5パーセント減少した。
Before the capacitors were annealed with hydrogen gas, the electrical properties of five capacitors, each having an area of 7854 μm 2 , were measured. The leakage current of the capacitor was about 10 -7 A / cm 2 volt at 5V. The remanent polarization (2Pr) at 5 volts is about 23 μC
/ Cm 2 . In a fatigue test performed on one of the capacitors, the 2Pr value decreased about 5 percent after 10 10 cycles.

【0114】それから、水素アニールは、H2−N2(H
21%)の混合ガス雰囲気中で、200℃,250℃,
300℃の温度で、10,30,60分間、コンデンサ
ーに対して行われた。試料の表面面積は、通常は、78
54μm2であった。しかし、残留分極に対する水素熱
処理の効果が、異なった表面面積のコンデンサーにおい
て測定されて比較された。
Then, hydrogen annealing is performed by using H 2 -N 2 (H
2 1%) at 200 ° C, 250 ° C,
Performed on the condenser at a temperature of 300 ° C. for 10, 30, 60 minutes. The surface area of the sample is typically 78
It was 54 μm 2 . However, the effect of hydrogen heat treatment on remanent polarization was measured and compared on capacitors with different surface areas.

【0115】図5は、200℃,250℃,300℃の
温度でアニールされたコンデンサーについて、5ボルト
での残留分極2Prのグラフをアニール時間の関数とし
て示す。図5は、最低の温度200℃及び最短時間10
分での水素熱処理により、最も少ない2Pr値の低下と
なることを示している。
FIG. 5 shows a graph of the remanent polarization 2Pr at 5 volts as a function of annealing time for capacitors annealed at temperatures of 200 ° C., 250 ° C. and 300 ° C. FIG. 5 shows a minimum temperature of 200 ° C. and a minimum time of 10 ° C.
It is shown that the hydrogen heat treatment in 2 min results in the lowest decrease of the 2Pr value.

【0116】残留分極が、1963から196300μ
2の範囲の表面面積を有するコンデンサーにおいて測
定された。このデータは、図6のグラフにおいてプロッ
トされている。図6において、垂直軸は、1963μm
2の2Prに標準化されている。このデータは、2Pr
の性能低下が、コンデンサーのサイズに依存しないこと
を示している。それゆえ、コンデンサーの端部からの水
素の拡散は、実験的条件の下では、性能低下の支配的要
素ではない。このことは、水素の横方向の拡散が、重要
でなく、あるいは存在しないということを意味しない。
むしろ、集積回路における強誘電体の上部表面が水素の
拡散から保護されていれば、強誘電体の側面が電極間の
強誘電体薄膜中の横方向の水素拡散に対して保護されて
いなくても、強誘電体の特性を保持するのにかなり効果
的である。下記の実施例6での実験では、横方向の水素
の拡散に対する側面に対する保護がされていないコンデ
ンサーにおいて、強誘電体薄膜上に堆積された窒化チタ
ン層の効果がテストされた。
The remanent polarization is from 1963 to 196300 μm.
It was measured in capacitors with a surface area in the range of m 2. This data is plotted in the graph of FIG. In FIG. 6, the vertical axis is 1963 μm
It has been standardized to 2 Pr. This data is 2Pr
Shows that the performance degradation does not depend on the size of the capacitor. Therefore, diffusion of hydrogen from the end of the capacitor is not a dominant factor in performance degradation under experimental conditions. This does not mean that the lateral diffusion of hydrogen is insignificant or non-existent.
Rather, if the top surface of the ferroelectric in the integrated circuit is protected from hydrogen diffusion, the sides of the ferroelectric are not protected against lateral hydrogen diffusion in the ferroelectric thin film between the electrodes. Are also very effective in retaining the properties of ferroelectrics. The experiment in Example 6 below tested the effect of a titanium nitride layer deposited on a ferroelectric thin film in a capacitor without lateral protection against lateral hydrogen diffusion.

【0117】200℃及び10分間アニールされた試料
の電流密度は、5ボルトで約10-7A/cm2であり、
アニール前の値に等しく、メモリーデバイスとして十分
に満足できる。しかし、他の試料の漏洩電流は、高く不
満足な値だった。水素で熱処理されたコンデンサーを光
学的に観察すると、上部電極の部分的な剥がれが、20
0℃と250℃で10分間アニールされた試料以外のす
べての試料において生じた。
The current density of the sample annealed at 200 ° C. for 10 minutes is about 10 −7 A / cm 2 at 5 volts,
It is equal to the value before annealing, and is sufficiently satisfactory as a memory device. However, the leakage currents of the other samples were high and unsatisfactory. When the condenser heat-treated with hydrogen was optically observed, partial peeling of the upper electrode was found to be 20%.
Occurred in all samples except those annealed at 0 ° C. and 250 ° C. for 10 minutes.

【0118】(実施例2)酸素アニールが、実施例1で
水素熱処理に曝されたコンデンサー試料に対して実施さ
れた。
Example 2 An oxygen anneal was performed on the capacitor samples that were exposed to the hydrogen heat treatment in Example 1.

【0119】試料は、5l/mの流量のO2ガス中で、
200℃,300℃,400℃及び800℃の温度で、
1時間アニールされた。測定は、各実験条件に対して三
つの試料に対して実施された。残留分極と抗電界とが5
Vで測定され、それに、電流密度が0ボルトと10ボル
トの間で測定された。酸素回復アニールが800℃で実
施された試料では、ストロンチウム・ビスマス・タンタ
ル・ニオブ酸塩・コンデンサーの電気的特性は、水素処
理によってより早期に生じた性能低下から実際に完全に
回復した。200℃,300℃,400℃での酸素中で
アニールされた試料の電気的特性は、ある程度の回復を
示したけれども、集積回路に使用するのに望ましいとい
えるほどは回復しなかった。
The sample was prepared in O 2 gas at a flow rate of 5 l / m.
At temperatures of 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C and 800 ° C,
Annealed for 1 hour. Measurements were performed on three samples for each experimental condition. Remanent polarization and coercive field are 5
V, and the current density was measured between 0 and 10 volts. In the sample where the oxygen recovery anneal was performed at 800 ° C., the electrical properties of the strontium bismuth tantalum niobate capacitor actually recovered completely from the earlier performance degradation caused by the hydrogen treatment. Although the electrical properties of the samples annealed in oxygen at 200 ° C., 300 ° C. and 400 ° C. showed some recovery, they did not recover as much as would be desirable for use in integrated circuits.

【0120】(実施例3)ストロンチウム・ビスマス・
タンタル・ニオブ酸塩・前駆体溶液におけるNb/Ta
モル比が、200℃の温度で10分、30分及び60分
と、水素(H2)ガスアニール前後のコンデンサーの電
気的特性に与える影響を調査するために、変化された。
株式会社高純度化学研究所により生産されたストロンチ
ウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・前駆体溶液
が、最終の前駆体を作成するために混合された。それぞ
れの製品番号は、34611Fと950234であっ
た。この溶液は、最終の前駆体溶液において、特別の化
学量論組成とNb/Taモル比を作成するために、表1
に示されているように混合された。
Example 3 Strontium Bismuth
Nb / Ta in tantalum niobate precursor solution
The molar ratio was varied at a temperature of 200 ° C. for 10 minutes, 30 minutes and 60 minutes to investigate the effect on the electrical properties of the capacitor before and after hydrogen (H 2 ) gas annealing.
Strontium, bismuth, tantalum, niobate precursor solutions produced by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. were mixed to make the final precursor. The respective product numbers were 34611F and 950234. This solution was prepared according to Table 1 in order to create the specific stoichiometry and Nb / Ta molar ratio in the final precursor solution.
Were mixed as shown in Table 1.

【0121】[0121]

【表1】 測定は、各実験条件に対して、三つの試料について実施
された。コンデンサーは、7845μm2の面積を有し
た。表1中の組成で、前駆体から作成されたコンデンサ
ーの電気的特性の値が、水素(H2)アニールの前に測
定され、図7−図9のグラフ中にプロットされた。
[Table 1] Measurements were performed on three samples for each experimental condition. The condenser had an area of 7845 μm 2 . The values of the electrical properties of the capacitors made from the precursors with the compositions in Table 1 were measured before hydrogen (H 2 ) annealing and plotted in the graphs of FIGS.

【0122】図7は、前駆体のNb/Ta比を変えた場
合の、ストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸
塩・コンデンサーの残留分極のグラフである。このグラ
フは、Nb=1付近で、2Prが最大値であることを示
している。それにもかかわらず、Nb=2での2Prの
値は、図8に示されているように、高Nb値で抗電界が
大きく増加しているので問題である。
FIG. 7 is a graph of the remanent polarization of strontium bismuth tantalum niobate capacitors when the Nb / Ta ratio of the precursor was changed. This graph shows that 2Pr is the maximum value near Nb = 1. Nevertheless, the value of 2Pr at Nb = 2 is problematic because the coercive field increases significantly at high Nb values, as shown in FIG.

【0123】図8は、前駆体のNb/Ta比を変えた場
合の抗電界ECのグラフを表わしている。図8は、EC
Nb濃度と共に、大きく増加していることを示してい
る。
FIG. 8 shows a graph of the coercive electric field E C when the Nb / Ta ratio of the precursor was changed. Figure 8 shows that E C along with Nb concentration is greatly increased.

【0124】図9は、前駆体のNb/Ta比を変えた場
合の5ボルトで測定された漏洩電流のグラフを表わして
いる。図9は、Nb=0.56近辺で、漏洩電流が最小
値であることを示している。Nb濃度≧1.6の場合の
漏洩電流は、たいていの回路への適用に対しては、あま
りにも大きすぎる。
FIG. 9 shows a graph of leakage current measured at 5 volts with varying precursor Nb / Ta ratios. FIG. 9 shows that the leakage current has a minimum value near Nb = 0.56. The leakage current for Nb concentrations ≥ 1.6 is too high for most circuit applications.

【0125】水素アニールの効果は、図10−図12に
示されている。
The effect of the hydrogen annealing is shown in FIGS.

【0126】試料は、H2(5%)−N2雰囲気中で、2
00℃で,10,30,60分間、アニールされた。
The sample was placed in an atmosphere of H 2 (5%)-N 2 for 2 hours.
Annealed at 00 ° C. for 10, 30, 60 minutes.

【0127】図10は、200℃の温度の水素アニール
時間の関数として3ボルトで測定された、規格化された
残留分極、2Pr/[2Pr(アニール前)]をプロッ
トしたグラフを示す。10分間アニールされたNb≧
0.56の試料では、2Pr値は、約45%低下した。
この低下は、Nb=0の試料、またはより長い時間アニ
ールされた試料中で、より大きかった。例えば、残留分
極の低下は、10分間アニールされたNb=0の試料で
は、約60%であった。30分又は60分間アニールさ
れたすべての試料中では、ほぼ完全な劣化が生じた。
FIG. 10 shows a plot of normalized remanent polarization, 2Pr / [2Pr (before annealing)], measured at 3 volts, as a function of hydrogen annealing time at a temperature of 200 ° C. Nb annealed for 10 minutes ≧
For the 0.56 sample, the 2Pr value was reduced by about 45%.
This reduction was greater in the samples with Nb = 0 or in the samples annealed for a longer time. For example, the decrease in remanent polarization was about 60% for the Nb = 0 sample annealed for 10 minutes. Nearly complete degradation occurred in all samples annealed for 30 or 60 minutes.

【0128】図11は、200℃の温度での水素アニー
ル時間の関数として3ボルトで測定された規格化された
抗電界、EC/EC(アニール前)をプロットしたグラフ
を示す。このグラフは、強誘電体前駆体中のニオブの存
在が、EC値の低下を防止していることを示している。
FIG. 11 shows a graph plotting the normalized coercive field, E C / E C (before annealing), measured at 3 volts as a function of hydrogen annealing time at a temperature of 200 ° C. This graph, the presence of niobium in the ferroelectric precursor have shown that to prevent the lowering of E C value.

【0129】図12は、異なったNb/Ta比の前駆体
から形成されたコンデンサーにおける1ボルトで測定さ
れた漏洩電流の水素アニール時間の関数としてプロット
したグラフである。
FIG. 12 is a graph plotting leakage current measured at 1 volt as a function of hydrogen anneal time in capacitors formed from precursors of different Nb / Ta ratios.

【0130】Nb=0とNb=0.56の場合の漏洩電
流は、約10-7A/cm2であった。この値は、多くの
回路に十分に適用可能である。Nb≧1.0のコンデン
サーの漏洩電流は、たいていの適用に対しては、あまり
にも高い。
The leakage current when Nb = 0 and Nb = 0.56 was about 10 -7 A / cm 2 . This value is fully applicable to many circuits. The leakage current of capacitors with Nb ≧ 1.0 is too high for most applications.

【0131】種々のデータを比較すると、ストロンチウ
ム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデンサーの
電気的特性を最大にするための最善の前駆体のNb濃度
は、Nb=0.56で、この時、Ta=1.44ある。
これは、Nb/Taモル比が約0.4に対応する。
Comparing the various data, the best precursor Nb concentration for maximizing the electrical properties of the strontium bismuth tantalum niobate capacitor is Nb = 0.56, where Ta = 1.44.
This corresponds to a Nb / Ta molar ratio of about 0.4.

【0132】(実施例4)標準的ストロンチウム・ビス
マス・タンタル・ニオブ酸塩・強誘電体・前駆体溶液に
過剰のビスマスを添加したときの影響が調査された。標
準式における量を超えて添加されたビスマスを含むスト
ロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩コンデン
サーが、同じストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニ
オブ酸塩溶液及び実施例1での手順を使用して準備され
た。それ以外は、オルトキシレン中のBi−エチルヘキ
サン酸0.5mol/l溶液が準備され、ストロンチウ
ム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・前駆体溶液にビ
スマスが添加されて使用された。表2は、それぞれの前
駆体溶液の化学量論を示す。
Example 4 The effect of adding excess bismuth to a standard strontium bismuth tantalum niobate ferroelectric precursor solution was investigated. Strontium bismuth tantalum niobate capacitors containing bismuth added in excess of the standard formula were prepared using the same strontium bismuth tantalum niobate solution and the procedure in Example 1. . Otherwise, a 0.5 mol / l solution of Bi-ethylhexanoic acid in ortho-xylene was prepared, and bismuth was added to a strontium-bismuth-tantalum-niobate-precursor solution and used. Table 2 shows the stoichiometry of each precursor solution.

【0133】[0133]

【表2】 コンデンサーは、H2−N2(H21%)の水素雰囲気
に、200℃の温度で、10分、30分及び60分間、
曝された。残留分極、抗電界、それに、I−V測定が、
各実験条件に対して、三つのコンデンサーに対して実施
された。図13は、変化された各ビスマス濃度に対して
200℃の温度での水素アニール時間の関数として5ボ
ルトでの規格化された残留分極、2Pr/[2Pr(ア
ニール前)]をプロットしたグラフを示す。
[Table 2] The condenser was placed in a hydrogen atmosphere of H 2 -N 2 (H 2 1%) at a temperature of 200 ° C. for 10 minutes, 30 minutes and 60 minutes.
Was exposed. The remanent polarization, coercive electric field, and IV measurement
For each experimental condition, three capacitors were run. FIG. 13 shows a plot of normalized remanent polarization at 5 volts, 2Pr / [2Pr (pre-anneal)] as a function of hydrogen anneal time at a temperature of 200 ° C. for each varied bismuth concentration. Show.

【0134】図14は、変化された各ビスマス濃度に対
して200℃の温度での水素アニール時間の関数として
5ボルトでの規格化された抗電界Ec/[Ec(アニー
ル前)]をプロットしたグラフを示す。添加されたBi
は、2Prの性能低下を防止する。添加されたBiは、
比較的小さい範囲内で、抗電界が増加するようにする。
60分間、水素でアニールされたデータは、示されてい
ない。これは、それらが、大変漏洩し易く、ヒステリシ
ス曲線が得られないからである。
FIG. 14 plots the normalized coercive field Ec / [Ec (before annealing)] at 5 volts as a function of hydrogen annealing time at a temperature of 200 ° C. for each varied bismuth concentration. The graph is shown. Bi added
Prevents a decrease in performance of 2Pr. The added Bi is
In a relatively small range, the coercive electric field is increased.
Data annealed with hydrogen for 60 minutes are not shown. This is because they are very leaky and no hysteresis curve can be obtained.

【0135】電流−電圧(I−V)特性、即ち、10分
間水素中でアニールされたBi=2.18及び2.58
の試料の印加電圧(ボルト)対電流密度(アンペア・パ
ー・センチメーター)のグラフが図15−図16に示さ
れている。
The current-voltage (IV) characteristics, ie Bi = 2.18 and 2.58 annealed in hydrogen for 10 minutes
Graphs of applied voltage (volts) versus current density (amps per centimeter) for the samples of FIG.

【0136】30分間アニールされたBi=2.18に
対するデータに対応するグラフが、図17に示されてい
る。30分間アニールされたBi=2.58のコンデン
サー試料のデータは、ショートしていたためプロットし
ていない。
A graph corresponding to the data for Bi = 2.18 annealed for 30 minutes is shown in FIG. Data for the capacitor sample with Bi = 2.58 annealed for 30 minutes is not plotted due to the short.

【0137】図15及び図16は、標準式を超えて添加
されたBiが、10分間試料の漏洩電流を改善すること
を示している。対照的に、30分間アニールされたBi
=2.58を有する試料で測定された高電流は、添加さ
れたビスマスが、水素による漏洩電流増加をより深刻に
していることを示している。
FIGS. 15 and 16 show that Bi added beyond the standard formula improves the leakage current of the sample for 10 minutes. In contrast, Bi annealed for 30 minutes
The high current measured in the sample with = 2.58 indicates that the added bismuth makes the leakage current increase due to hydrogen more severe.

【0138】このデータは、二つのことを示している。
最初に、強誘電体が形成された前駆体中に過剰のビスマ
スを有することは、有利であるということである。しか
し、集積回路が、10分以上のかなり長い時間の間、水
素アニールを必要とするならば、過剰のビスマスは、漏
洩電流に対して消極的な効果を有するかもしれない。長
いアニール時間が必要ならば、本発明に含まれる他の工
程が、過剰ビスマスを使用する代わりに適用されるべき
である。たとえば、水素バリア層を形成し、あるいは、
酸素回復アニールを実施する工程が、適用されるかもし
れない。
This data shows two things.
First, it is advantageous to have an excess of bismuth in the precursor from which the ferroelectric was formed. However, if the integrated circuit requires a hydrogen anneal for a significant period of time, such as 10 minutes or more, excess bismuth may have a negative effect on leakage current. If long annealing times are required, other steps included in the present invention should be applied instead of using excess bismuth. For example, forming a hydrogen barrier layer, or
A step of performing an oxygen recovery anneal may be applied.

【0139】第二に、式SrBi2.58Ta1.44Nb0.56
9により表わされた元素比を有する前駆体からの最終
のストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩
は、過剰のビスマスを含まなければならないことは明ら
かである。これは、この過剰のビスマス量が、製造工程
中に分散することができないからである。このことは、
式SrBi2.38Ta1.44Nb0.569により表わされた
元素比を有する前駆体に対しても同じように、ほとんど
当てはまる。このように、これらの結果は、最終の薄膜
(単なる前駆体ではなく)中の過剰の金属が、製造プロ
セスの特別の条件に応じて、望ましい特徴であることを
示している。
Second, the formula SrBi 2.58 Ta 1.44 Nb 0.56
It is clear that the final strontium bismuth tantalum niobate from the precursor having the element ratio represented by O 9 must contain an excess of bismuth. This is because this excess amount of bismuth cannot be dispersed during the manufacturing process. This means
The same is almost true for precursors having an element ratio represented by the formula SrBi 2.38 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 . Thus, these results indicate that excess metal in the final film (rather than just a precursor) is a desirable feature, depending on the particular conditions of the manufacturing process.

【0140】(実施例5)標準的ストロンチウム・ビス
マス・タンタル・ニオブ酸塩・強誘電体・前駆体溶液に
過剰のニオブを添加したときの影響が調査された。コン
デンサーは、ヒューズ・エアークラフト・カンパニイか
ら商業的に入手可能なストロンチウム・ビスマス・タン
タル・ニオブ酸塩溶液から製作された。標準溶液は、式
SrBi2.18Ta1.44Nb0.569により表現された化
学量論比における化学前駆体を含んだ。この例では、
0.2mol/l溶液は、タンタル2−エチルヘキサン
酸、ビスマス2−エチルヘキサン酸、ストロンチウム2
−エチルヘキサン酸、ニオブ2−エチルヘキサン酸、2
−エチルヘキサン酸、それにキシレンを含有する。
Example 5 The effect of adding excess niobium to a standard strontium / bismuth / tantalum / niobate / ferroelectric / precursor solution was investigated. The condenser was made from a strontium bismuth tantalum niobate solution commercially available from Hughes Aircraft Company. The standard solution contained the chemical precursor at the stoichiometric ratio expressed by the formula SrBi 2.18 Ta 1.44 Nb 0.56 O 9 . In this example,
The 0.2 mol / l solution is tantalum 2-ethylhexanoic acid, bismuth 2-ethylhexanoic acid, strontium 2
-Ethylhexanoic acid, niobium 2-ethylhexanoic acid, 2
-Contains ethylhexanoic acid and xylene.

【0141】ストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニ
オブ酸塩コンデンサーが、実施例1の手順に応じて準備
された。それ以外は、オルトキシレン中のNb−エチル
ヘキサン酸の0.04mol/l溶液が準備され、強誘
電体前駆体に過剰のニオブを添加するように使用され
た。表3は、前駆体の組成を示す。
A strontium bismuth tantalum niobate capacitor was prepared according to the procedure of Example 1. Otherwise, a 0.04 mol / l solution of Nb-ethylhexanoic acid in ortho-xylene was prepared and used to add excess niobium to the ferroelectric precursor. Table 3 shows the composition of the precursor.

【0142】[0142]

【表3】 コンデンサーは、実施例4と同じ条件の下で、水素中で
アニールされた。測定は、各実験条件に対してコンデン
サーに対して実施された。水素アニール時間に対して5
Vでの残留分極(2Pr)と抗電界(Ec)とが、図1
8及び図19のグラフにそれぞれ示されている。
[Table 3] The capacitor was annealed in hydrogen under the same conditions as in Example 4. Measurements were performed on the capacitors for each experimental condition. 5 for hydrogen annealing time
The remanent polarization (2Pr) and coercive electric field (Ec) at V are shown in FIG.
8 and FIG. 19, respectively.

【0143】図18は、変化された各ニオブ濃度を有す
る前駆体から形成されたコンデンサーの5ボルトでの規
格化された残留分極、2Pr/[2Pr(アニール
前)]を200℃の温度での水素アニール時間の関数と
してプロットしたグラフを示す。
FIG. 18 shows the normalized remanent polarization at 5 volts, 2Pr / [2Pr (prior to annealing)] of a capacitor formed from a precursor having varied niobium concentrations at a temperature of 200 ° C. 4 shows a graph plotted as a function of hydrogen anneal time.

【0144】図19は、変化された各ニオブ濃度におい
て5ボルトでの規格化された抗電界Ec/[Ec(アニ
ール前)]を200℃の温度での水素アニール時間の関
数としてプロットとしたグラフを示す。過剰のNbは、
2Prの性能低下を防止する。すなわち、Nbの量が大
きくなればなるほど、残留分極で示される性能低下がよ
り少なくなる。Nb=0.66に対して、残留分極は、
短いアニール時間の間に、実際に、わずかに増加する。
同様に、図19は、過剰のニオブが、抗電界値の減少を
防止するようにする。ニオブは、製造中に逃れる不揮発
性ガスを形成しないので、最終の固体のストロンチウム
・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩薄膜は、過剰のニオ
ブを含有しなければならない。このことは、ビスマスに
加えて他の金属を過剰量含ませることが望ましいことを
示している。特に、B−サイト元素を過剰量含ませるこ
とは、水素の露出に基づく層状超格子材料において、電
気的特性の低下を防止するのに特別に効果的であるのは
明らかである。
FIG. 19 is a graph plotting normalized coercive field Ec / [Ec (before annealing)] at 5 volts as a function of hydrogen anneal time at a temperature of 200 ° C. at each varied niobium concentration. Is shown. The excess Nb is
Prevents a decrease in performance of 2Pr. That is, the greater the amount of Nb, the less the performance degradation indicated by remanent polarization. For Nb = 0.66, the remanent polarization is
During the short annealing time, it actually increases slightly.
Similarly, FIG. 19 shows that excess niobium prevents the coercive field value from decreasing. The final solid strontium bismuth tantalum niobate thin film must contain an excess of niobium, since niobium does not form non-volatile gases that escape during manufacturing. This indicates that it is desirable to include other metals in excess in addition to bismuth. In particular, it is clear that including an excessive amount of the B-site element is particularly effective in preventing a decrease in electrical characteristics in a layered superlattice material based on exposure of hydrogen.

【0145】Nb=0.56と0.66の場合の10分
間及び20分間アニールされた試料のI−V特性が、図
22−図23に示されている。三つのコンデンサーが各
実験条件に対して測定された。
The IV characteristics of the samples annealed for 10 minutes and 20 minutes when Nb = 0.56 and 0.66 are shown in FIGS. Three capacitors were measured for each experimental condition.

【0146】図20は、200℃の温度で、10分間の
水素アニール時間後に、標準量のニオブ(前駆体 Nb
=0.56)を有するストロンチウム・ビスマス・タン
タル・ニオブ酸塩・コンデンサーにおける、印加電圧
(ボルト)対電流密度(A/cm2)のグラフを示す。
このグラフは、3−5ボルトの範囲内の漏洩電流が、多
くの適用に対して、あまりにも高すぎるかもしれないこ
とを示している。
FIG. 20 shows that after a hydrogen annealing time of 10 minutes at a temperature of 200 ° C., a standard amount of niobium (precursor Nb
2 shows a graph of applied voltage (volts) versus current density (A / cm 2 ) for a strontium bismuth tantalum niobate capacitor having (= 0.56).
This graph shows that leakage currents in the range of 3-5 volts may be too high for many applications.

【0147】図21は、200℃の温度で、10分間の
水素アニール時間後に、ニオブ含有量が、前駆体 Nb
=0.56に相当するストロンチウム・ビスマス・タン
タル・ニオブ酸塩・コンデンサーにおける、印加電圧
(ボルト)対電流密度(A/cm2)のグラフを示す。
3−5ボルトの範囲内の漏洩電流は、約10-7/cm2
であり多くの適用に対して満足できる。図20と図21
のグラフの比較の結果、層状超格子化合物中でニオブ濃
度が増加することが、短い水素アニール時間の間電流密
度に関して、層状超格子化合物を保護することを示して
いる。
FIG. 21 shows that after a hydrogen annealing time of 10 minutes at a temperature of 200 ° C., the niobium content was reduced to the precursor Nb.
4 shows a graph of applied voltage (volts) versus current density (A / cm 2 ) for a strontium bismuth tantalum niobate capacitor corresponding to = 0.56.
Leakage current in the range of 3-5 volts is about 10 -7 / cm 2
And is satisfactory for many applications. 20 and 21
The comparison of the graphs in Figure 2 shows that increasing the niobium concentration in the layered superlattice compound protects the layered superlattice compound with respect to current density during short hydrogen anneal times.

【0148】図22は、200℃の温度で、30分間の
水素アニール時間後に、標準量のニオブを有するストロ
ンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデン
サーにおける、印加電圧(ボルト)対電流密度(A/c
2)のグラフを示す。
FIG. 22 shows the applied voltage (volts) versus current density (A) in a strontium bismuth tantalum niobate capacitor having a standard amount of niobium at a temperature of 200 ° C. and a hydrogen anneal time of 30 minutes. / C
m 2 ) is shown.

【0149】図23は、200℃の温度で、30分間の
水素アニール時間後に、ニオブ含有量が前駆体 Nb=
0.66に相当するストロンチウム・ビスマス・タンタ
ル・ニオブ酸塩・コンデンサーにおける、印加電圧(ボ
ルト)対電流密度(A/cm2)のグラフを示す。図2
2と図23の比較の結果、水素アニール時間が30分以
上のときに、過剰のニオブが、電流密度に関して層状超
格子化合物を保護しないことが示されている。要する
に、漏洩電流は、10分間アニールされた添加Nbを有
する試料において減少する。しかし、アニール時間が3
0分の場合、添加Nbは、標準式に比べて漏洩電流にお
いて本質的な相違を示していない。
FIG. 23 shows that after a hydrogen annealing time of 30 minutes at a temperature of 200 ° C., the niobium content of the precursor Nb =
4 shows a graph of applied voltage (volts) versus current density (A / cm 2 ) for a strontium bismuth tantalum niobate capacitor corresponding to 0.66. FIG.
23 and FIG. 23 show that excess hydrogen does not protect the layered superlattice compound with respect to current density when the hydrogen anneal time is 30 minutes or longer. In short, leakage current is reduced in samples with added Nb annealed for 10 minutes. However, the annealing time is 3
At 0 minutes, the added Nb shows no substantial difference in leakage current compared to the standard formula.

【0150】実施例4及び実施例5は、添加Biあるい
はNbが、水素アニールによる性能低下に反して、スト
ロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデ
ンサーを保護することを示している。これらの添加元素
は、余分の酸化物を形成し、活性のストロンチウム・ビ
スマス・タンタル・ニオブ酸塩酸化物を還元させる水素
を代わりに消費することによって、水素による性能低下
を防止する。
Examples 4 and 5 show that added Bi or Nb protects strontium, bismuth, tantalum, niobate and capacitors against performance degradation due to hydrogen annealing. These additional elements prevent performance degradation due to hydrogen by forming excess oxide and instead consuming hydrogen to reduce active strontium bismuth tantalum niobate oxide.

【0151】長時間アニールされたコンデンサーの高漏
洩は、水素によって消費された余分の酸化物によって生
じるように思われる。水素アニールによる還元に応じ
て、余分の酸化物は、強誘電体コンデンサーにおいて元
素金属を形成する。それから、導電性金属は、リーク・
パスとして作用する。このことは、好ましい製造方法
は、大量の水素を消費する過剰の金属酸化物を形成する
ために金属元素を添加すること、それが水素によって還
元されるときリーク・パスを供給するため十分でないこ
とを示唆している。
High leakage of capacitors annealed for a long time appears to be caused by extra oxide consumed by hydrogen. Excess oxides form elemental metals in ferroelectric capacitors in response to reduction by hydrogen annealing. Then, the conductive metal leaks
Act as a path. This means that the preferred manufacturing method does not add metal elements to form excess metal oxides that consume large amounts of hydrogen and is not enough to provide a leak path when it is reduced by hydrogen. It suggests.

【0152】代わりに、金属を再び酸化し、絶縁物を形
成するよう実施例2に示されたように、酸素回復アニー
ルが、絶縁物を形成するよう実施されても良い。チタ
ン、タンタル、ハフニウム、タングステン、それにジル
コニウムのような他のB−サイト材料を有する予備の結
果は、他のB−サイト材料の過剰量が水素の露出から起
因する性能低下を防止であるうことを示している。
Alternatively, an oxygen recovery anneal may be performed to form the insulator, as shown in Example 2 to oxidize the metal again and form the insulator. Preliminary results with other B-site materials, such as titanium, tantalum, hafnium, tungsten, and zirconium, indicate that excess amounts of other B-site materials can prevent performance degradation from exposure to hydrogen. Is shown.

【0153】(実施例6)窒化チタンから成る水素バリ
アによりストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ
酸塩・コンデンサーのプラチナ上部電極を覆うことの効
果が調査された。ストロンチウム・ビスマス・タンタル
・ニオブ酸塩・コンデンサーが、ヒューズ・エアークラ
フト・カンパニー、HAC10709−30から得られ
た前駆体溶液から実施例1で使用された手順に応じて再
び準備された。それから、窒化チタンの薄膜が、ストロ
ンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデン
サー上に、種々の堆積条件で、1800Åの厚さで、ス
パッタリングにより堆積され、4l/mの流量で、H2
−N2(H25%)混合雰囲気中で、400℃の温度で、
10,30,60分間、アニールされた。コンデンサー
は、7854μm2の面積を有した。窒化チタン膜は、
NH4OH:H22:H2O(1:3:1)の溶液によっ
て、60℃の温度で、除去された。真空オーブンの中
で、コンデンサーを乾燥させた後、1から10ボルトの
範囲を超えるヒステリシス測定とI−Vテストとが実施
された。
Example 6 The effect of covering a platinum upper electrode of strontium, bismuth, tantalum, niobate and a capacitor with a hydrogen barrier made of titanium nitride was investigated. Strontium bismuth tantalum niobate capacitors were again prepared according to the procedure used in Example 1 from the precursor solution obtained from Hughes Aircraft Company, HAC10709-30. Then, a thin film of titanium nitride was sputter deposited on the strontium bismuth tantalum niobate capacitor at a thickness of 1800 ° under various deposition conditions and H 2 at a flow rate of 4 l / m.
-N 2 (H 2 5%) mixed atmosphere at a temperature of 400 ° C.
Annealed for 10, 30, 60 minutes. The condenser had an area of 7854 μm 2 . The titanium nitride film is
Removed by a solution of NH 4 OH: H 2 O 2 : H 2 O (1: 3: 1) at a temperature of 60 ° C. After drying the condenser in a vacuum oven, hysteresis measurements and IV tests over the range of 1 to 10 volts were performed.

【0154】窒化チタンは、窒化チタンスパッター・タ
ーゲットを使用して、5,8,12mTorrのガス圧
のアルゴン・ガスで、25、50、100Wのパワー、
ベース圧力5×10-7Torrで、コンデンサーの上部
電極上に堆積された。
Titanium nitride was produced using a titanium nitride sputter target at a power of 25, 50 and 100 W with argon gas at a gas pressure of 5, 8, and 12 mTorr.
Deposited on the top electrode of the capacitor at a base pressure of 5 × 10 −7 Torr.

【0155】水素による性能低下に反してストロンチウ
ム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデンサーを
保護するのに最も効果的な窒化チタンは、高密度を有す
る膜である。すなわち、膜は、100Wと5mTorr
で製作された。これらの膜は、4.19グラム・パー・
キュービック・センチメーター(g/cm3)の密度
と、約0.50ミリオーム・センチメーター(mΩc
m)の電気抵抗を有した。この場合、コンデンサーの側
面は、バリア層で覆われていなかった。
The most effective titanium nitride to protect strontium, bismuth, tantalum, niobate and capacitors against performance degradation due to hydrogen is a film having a high density. That is, the film is 100 W and 5 mTorr.
Made in. These membranes have 4.19 grams per
Cubic centimeter (g / cm 3 ) density and approximately 0.50 milliohm centimeter (mΩc
m). In this case, the sides of the capacitor were not covered with the barrier layer.

【0156】窒化チタンが100Wと5mTorrでス
パッタリングされた試料のヒステリシス曲線が、水素ア
ニール前後に、10分、30分、60分で測定された。
曲線は、アニールの前とアニールの60分後とでほとん
ど等しかった。
The hysteresis curves of the samples obtained by sputtering titanium nitride at 100 W and 5 mTorr were measured before, after, and after hydrogen annealing at 10, 30, and 60 minutes.
The curves were almost equal before annealing and 60 minutes after annealing.

【0157】100Wと5mTorrでスパッタリング
された窒化チタンの場合、コンデンサーにおける残留分
極(2Pr)が、5ボルトで、水素アニール前後に、1
0分、30分、60分で測定された。すべての水素(H
2)アニールされた試料の2Prの値は、水素(H2)処
理の前の値から10%だけ低下した。
In the case of titanium nitride sputtered at 100 W and 5 mTorr, the remanent polarization (2Pr) in the capacitor was 5 volts and was 1 volt before and after hydrogen annealing.
Measurements were taken at 0, 30, and 60 minutes. All hydrogen (H
2 ) The value of 2Pr in the annealed sample was reduced by 10% from the value before hydrogen (H 2 ) treatment.

【0158】窒化チタンが100Wと5mTorrでス
パッタリングされたコンデンサーの漏洩電流が、水素ア
ニール前後に、10分、30分、60分で測定された。
3ボルトで測定された漏洩電流は、水素アニールを実施
したすべての試料において、ほぼ等しかった。その値
は、たったの約10-6A/cm2であった。これらの結
果は、本発明の方法において、窒化チタン水素バリアを
供給することの利点を示している。また、水素による性
能低下に対する強誘電体薄膜の望ましい電気的特性が、
強誘電体の底部及び側面を必要に保護しないでも、強誘
電体薄膜上を垂直に水素バリア層を付着することによっ
て保護されることも証明された。
The leakage current of a capacitor in which titanium nitride was sputtered at 100 W and 5 mTorr was measured at 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes before and after hydrogen annealing.
Leakage current measured at 3 volts was approximately equal for all samples that underwent hydrogen annealing. Its value was only about 10 -6 A / cm 2 . These results show the advantages of providing a titanium hydrogen nitride barrier in the method of the present invention. Also, the desirable electrical characteristics of the ferroelectric thin film against the performance degradation due to hydrogen are
It has also been demonstrated that the bottom and sides of the ferroelectric, while unnecessarily protected, are protected by depositing a hydrogen barrier layer vertically on the ferroelectric thin film.

【0159】実施例1では、水素の横方向の拡散が、垂
直方向の拡散より比較的重要でないことが、結果的に示
された。多くの場合、強誘電体層の下層が、強誘電体へ
の水素の拡散を防止するのに十分厚いので、最も重要な
水素バリアは、強誘電体薄膜上に直接堆積されたバリア
層である。
In Example 1, the results showed that the lateral diffusion of hydrogen was relatively less important than the vertical diffusion. In most cases, the most important hydrogen barrier is the barrier layer deposited directly on the ferroelectric thin film, since the underlying layer of the ferroelectric layer is often thick enough to prevent diffusion of hydrogen into the ferroelectric .

【0160】“直接上"とは、図1及び図4において、
バリア層が強誘電体層上に垂直に存在し、かつ水平方向
に強誘電体層を伸ばすことを意味する。この表現は、バ
リア層が強誘電体層と直接に接触していることを意味し
ない。バリア層は、強誘電体層と接触しているかもしれ
ないし、接触していないかもしれない。バリア層が、強
誘電体層の一部上に直接に存在しさえすれば、バリア層
は、水素の拡散からその部分を保護する。
"Directly above" means that in FIGS. 1 and 4,
It means that the barrier layer is present vertically on the ferroelectric layer and extends the ferroelectric layer in the horizontal direction. This expression does not mean that the barrier layer is in direct contact with the ferroelectric layer. The barrier layer may or may not be in contact with the ferroelectric layer. As long as the barrier layer is present directly on a portion of the ferroelectric layer, the barrier layer protects that portion from hydrogen diffusion.

【0161】一方、上部バリア層のみでは、強誘電体特
性を完全に保護できないことも、結果的に明らかに示さ
れている。より完全に保護するための一つの可能なアプ
ローチは、横方向拡散に対して強誘電体薄膜の側面を保
護する対策を取ることである。
On the other hand, it is clearly shown as a result that the ferroelectric characteristics cannot be completely protected only by the upper barrier layer. One possible approach for more complete protection is to take measures to protect the sides of the ferroelectric thin film against lateral diffusion.

【0162】上述のように、本発明の特徴は、水素への
露出を小さく維持することである。これは、水素熱処理
条件を350℃下の温度で、かつ30分以下の時間とす
ることを含む。ある集積回路では、水素を有する低温、
短時間処理が、優れた結果を得るのに十分であろう。し
かし、他のケースでは、優れた電気的特性を有するMO
SFETを得るために、あるいは他の理由で、より大き
い水素への露出は、必要的であろう。それは、より長い
時間、あるいはより高温だからである。そのようなケー
スでは、優れた強誘電体特性が、過剰ビスマス酸化物、
あるいは過剰ニオブ酸化物のような過剰金属酸化物を有
する前駆体を使用することらよって、得られることがで
きる。
As mentioned above, a feature of the present invention is that exposure to hydrogen is kept small. This includes setting the hydrogen heat treatment conditions at a temperature of 350 ° C. and a time of 30 minutes or less. In some integrated circuits, low temperatures with hydrogen,
Short processing times will be sufficient to get excellent results. However, in other cases, MOs with excellent electrical properties
Exposure to greater hydrogen may be necessary to obtain SFETs or for other reasons. Because it is longer time or higher temperature. In such cases, the superior ferroelectric properties can be attributed to excess bismuth oxide,
Alternatively, it can be obtained by using a precursor having excess metal oxide such as excess niobium oxide.

【0163】あるいは、他のケースでは、水素処理の間
の水素バリアの使用、それ単独又は上述の対策の組合わ
せが、効果的である。水素バリアの使用の場合、集積回
路の一部を形成する強誘電体材料上に直接存在する集積
回路部分のみを覆うバリアは、効果的である。これは、
横方向拡散が、垂直方向拡散よりもほとんど重要でない
からである。さらに、強誘電体層の製造に引続いてその
下に存在する絶縁層のような集積回路層へ酸素の添加
も、それ単独で、あるいは上記対策の一つ以上との組み
合わせにおいて効果的である。ここで、酸素は、後続の
水素処理の間に、水素に対するゲッターとして作用す
る。
Alternatively, in other cases, the use of a hydrogen barrier during hydroprocessing, alone or in combination with the measures described above, is effective. In the case of the use of a hydrogen barrier, a barrier covering only those parts of the integrated circuit that are directly on the ferroelectric material forming part of the integrated circuit is effective. this is,
This is because lateral diffusion is less important than vertical diffusion. Furthermore, the addition of oxygen to an integrated circuit layer, such as an underlying insulating layer, following the fabrication of the ferroelectric layer is also effective alone or in combination with one or more of the above measures. . Here, the oxygen acts as a getter for hydrogen during the subsequent hydrogen treatment.

【0164】このように、本発明は、集積回路の他の部
分を作成し完全にするのに必要な水素への露出との組み
合わせにおいて、強誘電体の性能低下を防止することの
可能なプロセスあるいは構造を提供する。
Thus, the present invention provides a process capable of preventing degradation of ferroelectric performance in combination with exposure to hydrogen necessary to create and complete other portions of an integrated circuit. Or provide the structure.

【0165】水素への露出を許容し、さらに、優れた電
気的特性を有する強誘電体集積回路を製作するための方
法が述べられてきた。図面に示され、本明細書に記載さ
れた特別の実施例は、例示であり、下記の「特許請求の
範囲」に記載された本発明を限定するように解釈しては
ならない。例えば、本発明では、図1及び図4中の層1
22、422は、層状超格子材料あるいはABO3型金
属酸化物から形成されていても良い。
Methods have been described for fabricating ferroelectric integrated circuits that allow exposure to hydrogen and have excellent electrical properties. The specific embodiments shown in the drawings and described herein are illustrative and should not be construed as limiting the invention described in the following claims. For example, in the present invention, the layer 1 in FIGS.
22 and 422 may be formed from a layered superlattice material or an ABO 3 type metal oxide.

【0166】さらに、当業者ならば、本発明の思想から
逸脱しない範囲で、記載された実施例から数多くの使用
例および修正例を作成できることは明らかである。例え
ば、集積回路の低温、短時間水素処理は、強誘電体メモ
リー素子を製作するためのプロセスの重要な部分として
認識されているが、この方法は、記述された方法にバリ
エーションを与えるように、他のプロセスと組み合わさ
れることもできる。また、記載された工程は例示であ
り、異なった順序で実施されてもよい。
Further, it will be apparent to those skilled in the art that many uses and modifications can be made from the described embodiments without departing from the spirit of the invention. For example, while low-temperature, short-time hydrogenation of integrated circuits has been identified as an important part of the process for fabricating ferroelectric memory devices, this method, as a variation on the described method, It can also be combined with other processes. Also, the steps described are exemplary and may be performed in a different order.

【0167】さらに、均等構造あるいはプロセスが、記
載された種々の構造およびプロセスに取って代わるかも
しれない。この結果、本発明は、それぞれの新規な特
徴、あるいは製造プロセス、電子的デバイス、電子デバ
イス製造方法により処理される特徴の新規な組み合わせ
を含むように解釈されるべきである。
In addition, equivalent structures or processes may replace the various structures and processes described. As a result, the invention should be construed to include each novel feature or novel combination of features that are processed by a manufacturing process, an electronic device, or an electronic device manufacturing method.

【0168】[0168]

【発明の効果】本発明によれば、水素熱処理の有害な影
響を減少させ、かつ強誘電体元素の優れた電気的特性を
保持することができる。
According to the present invention, it is possible to reduce the harmful effects of the hydrogen heat treatment and to maintain the excellent electrical characteristics of the ferroelectric element.

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

【図1】本発明の方法によって製作された集積回路の一
部分の断面図であり、不揮発性強誘電体メモリーセルを
示す。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion of an integrated circuit made by the method of the present invention, illustrating a non-volatile ferroelectric memory cell.

【図2】本発明による不揮発性強誘電体メモリーデバイ
スを製造するためのプロセスの好適な実施例を示すフロ
ーチャートである。
FIG. 2 is a flowchart illustrating a preferred embodiment of a process for manufacturing a nonvolatile ferroelectric memory device according to the present invention.

【図3】本発明に応じて製作された薄膜コンデンサーが
その上に形成された典型的なウエハーを拡大した上面図
である。
FIG. 3 is an enlarged top view of a typical wafer having a thin film capacitor fabricated in accordance with the present invention formed thereon.

【図4】本発明に応じて製作された薄膜コンデンサーデ
バイスを示す、図3の4−4線に沿って切り取られた断
面図の一部である。
FIG. 4 is a portion of a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG. 3, illustrating a thin film capacitor device made in accordance with the present invention.

【図5】200℃,250℃,300℃の温度でアニー
ルされたコンデンサーについて、5ボルトでの残留分極
2Prをアニール時間の関数として示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing remanent polarization 2Pr at 5 volts as a function of annealing time for capacitors annealed at temperatures of 200 ° C., 250 ° C., and 300 ° C.

【図6】1963から196300μm2の範囲の表面
面積を有するコンデンサーにおいて、残留分極が測定さ
れたデータをプロットしたグラフである。
FIG. 6 is a graph plotting data obtained by measuring remanent polarization in a capacitor having a surface area ranging from 1963 to 196300 μm 2 .

【図7】前駆体のNb/Ta比を変た場合の、ストロン
チウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデンサ
ーの残留分極のグラフである。
FIG. 7 is a graph of the remanent polarization of strontium bismuth tantalum niobate capacitors when the Nb / Ta ratio of the precursor is changed.

【図8】前駆体のNb/Ta比を変えた場合の抗電界E
Cのグラフである。
FIG. 8 shows the coercive electric field E when the Nb / Ta ratio of the precursor is changed.
It is a graph of C.

【図9】前駆体のNb/Ta比を変えた場合の5ボルト
で測定された漏洩電流のグラフである。
FIG. 9 is a graph of leakage current measured at 5 volts with varying precursor Nb / Ta ratios.

【図10】200℃の温度の水素アニール時間の関数と
して3ボルトで測定された、規格化された残留分極、2
Pr/[2Pr(アニール前)]をプロットしたグラフ
である。
FIG. 10: Normalized remanent polarization, 2 measured at 3 volts as a function of hydrogen anneal time at a temperature of 200 ° C.
It is the graph which plotted Pr / [2Pr (before annealing)].

【図11】200℃の温度での水素アニール時間の関数
として3ボルトで測定された規格化された抗電界、EC
/EC(アニール前)をプロットしたグラフである。
FIG. 11: Normalized coercive field, E C , measured at 3 volts as a function of hydrogen anneal time at a temperature of 200 ° C.
5 is a graph plotting / E C (before annealing).

【図12】異なったNb/Ta比の前駆体から形成され
たコンデンサーにおける1ボルトで測定された漏洩電流
の水素アニール時間の関数としてプロットしたグラフで
ある。
FIG. 12 is a graph plotting leakage current measured at 1 volt as a function of hydrogen anneal time for capacitors formed from precursors of different Nb / Ta ratios.

【図13】変化された各ビスマス濃度に対して200℃
の温度での水素アニール時間の関数として5ボルトでの
規格化された残留分極、2Pr/[2Pr(アニール
前)]をプロットしたグラフである。
FIG. 13: 200 ° C. for each varied bismuth concentration
5 is a graph plotting normalized remanent polarization at 5 volts, 2Pr / [2Pr (before annealing)] as a function of hydrogen anneal time at a temperature of.

【図14】変化された各ビスマス濃度に対して200℃
の温度での水素アニール時間の関数として5ボルトでの
規格化された抗電界Ec/[Ec(アニール前)]をプ
ロットしたグラフである。
FIG. 14: 200 ° C. for each varied bismuth concentration
5 is a graph plotting normalized coercive field Ec / [Ec (before annealing)] at 5 volts as a function of hydrogen anneal time at a temperature of.

【図15】電流−電圧(I−V)特性、即ち、10分間
水素中でアニールされたBi=2.18及び2.58の
試料の印加電圧(ボルト)対電流密度(アンペア・パー
・センチメーター)のグラフを示す。
FIG. 15 shows current-voltage (IV) characteristics, ie, applied voltage (volts) versus current density (amps per centimeter) for Bi = 2.18 and 2.58 samples annealed in hydrogen for 10 minutes. Meter).

【図16】電流−電圧(I−V)特性、即ち、10分間
水素中でアニールされたBi=2.18及び2.58の
試料の印加電圧(ボルト)対電流密度(アンペア・パー
・センチメーター)のグラフを示す。
FIG. 16: Current-voltage (IV) characteristics, ie, applied voltage (volts) versus current density (amps per centimeter) for Bi = 2.18 and 2.58 samples annealed in hydrogen for 10 minutes. Meter).

【図17】200℃での30分間の水素アニール時間後
の、ビスマスの標準量を有するストロンチウム・ビスマ
ス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデンサーにおける、電
流密度(A/cm2)対印加電圧(ボルト)のグラフで
ある。
FIG. 17: Current density (A / cm 2 ) versus applied voltage (volts) in a strontium bismuth tantalum niobate capacitor with a standard amount of bismuth after a hydrogen annealing time of 30 minutes at 200 ° C. It is a graph of.

【図18】変化された各ニオブ濃度を有する前駆体から
形成されたコンデンサーの5ボルトでの規格化された残
留分極、2Pr/[2Pr(アニール前)]を200℃
の温度での水素アニール時間の関数としてプロットした
グラフである。
FIG. 18 shows normalized remanent polarization at 5 volts, 2Pr / [2Pr (prior to annealing)] of a capacitor formed from a precursor having varied niobium concentrations at 200 ° C.
5 is a graph plotted as a function of hydrogen anneal time at a given temperature.

【図19】変化された各ニオブ濃度において5ボルトで
の規格化された抗電界Ec/[Ec(アニール前)]を
200℃の温度での水素アニール時間の関数としてプロ
ットとしたグラフである。
FIG. 19 is a graph plotting normalized coercive electric field Ec / [Ec (before annealing)] at 5 volts as a function of hydrogen anneal time at a temperature of 200 ° C. at each varied niobium concentration.

【図20】200℃の温度で、10分間の水素アニール
時間後に、標準量のニオブ(前駆体 Nb=0.56)
を有するストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ
酸塩・コンデンサーにおける、印加電圧(ボルト)対電
流密度(A/cm2)のグラフである。
FIG. 20 shows a standard amount of niobium (precursor Nb = 0.56) after a hydrogen annealing time of 10 minutes at a temperature of 200 ° C.
4 is a graph of applied voltage (volts) versus current density (A / cm 2 ) for a strontium bismuth tantalum niobate capacitor having

【図21】200℃の温度で、10分間の水素アニール
時間後に、ニオブ含有量が、前駆体 Nb=0.56に
相当するストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ
酸塩・コンデンサーにおける、印加電圧(ボルト)対電
流密度(A/cm2)のグラフである。
FIG. 21 shows that after a hydrogen annealing time of 10 minutes at a temperature of 200 ° C., the applied voltage (in volts) on a strontium bismuth tantalum niobate capacitor whose niobium content corresponds to the precursor Nb = 0.56 4) is a graph of current density (A / cm 2 ).

【図22】200℃の温度で、30分間の水素アニール
時間後に、標準量のニオブを有するストロンチウム・ビ
スマス・タンタル・ニオブ酸塩・コンデンサーにおけ
る、印加電圧(ボルト)対電流密度(A/cm2)のグ
ラフである。
FIG. 22. Applied voltage (volts) versus current density (A / cm 2 ) in a strontium bismuth tantalum niobate capacitor with a standard amount of niobium after a hydrogen anneal time of 30 minutes at a temperature of 200 ° C. ) Is a graph.

【図23】200℃の温度で、30分間の水素アニール
時間後に、ニオブ含有量が前駆体Nb=0.66に相当
するストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩
・コンデンサーにおける、印加電圧(ボルト)対電流密
度(A/cm2)のグラフを示す。
FIG. 23: Applied voltage (volts) on a strontium bismuth tantalum niobate capacitor whose niobium content corresponds to the precursor Nb = 0.66 after a hydrogen annealing time of 30 minutes at a temperature of 200 ° C. 3 shows a graph of current density (A / cm 2 ).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

104 シリコン基板 102 フィールド酸化領域 106 ソース領域 108 ドレイン領域 112 ゲート絶縁膜 113 MOSFET 114 第1の層間絶縁膜 116 接着層 118 強誘電体薄膜コンデンサー 120 下部電極 122 強誘電体薄膜 124 上部電極 126 水素バリア層 Reference Signs List 104 silicon substrate 102 field oxide region 106 source region 108 drain region 112 gate insulating film 113 MOSFET 114 first interlayer insulating film 116 adhesive layer 118 ferroelectric thin film capacitor 120 lower electrode 122 ferroelectric thin film 124 upper electrode 126 hydrogen barrier layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/8242 (72)発明者 古谷 晃 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 ジョセフ クチアロ アメリカ合衆国,コロラド 80918,コロ ラド スプリングス,ロスミア ストリー ト 2545 (72)発明者 カルロス アロージョ アメリカ合衆国,コロラド 80919,コロ ラド スプリングス,ダブリュ.サンバー ド クリフス レーン 317──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 21/8242 (72) Inventor Akira Furuya 5-7-1 Shiba, Minato-ku, Tokyo NEC Corporation (72) Invention Author Joseph Cuciaro United States of America, Colorado 80918, Colorado Springs, Rossmere Street 2545 (72) Inventor Carlos Arrogio United States of America, Colorado 80919, Colorado Springs, W.W. Sambar de Cliffs Lane 317

Claims (32)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強誘電体集積回路を製造する方法におい
て、 金属酸化物材料から成る薄膜を含む集積回路部分を形成
し、前記集積回路部分を、水素を含む雰囲気で、かつ3
50℃以下の温度で熱処理することを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
1. A method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit, comprising: forming an integrated circuit portion including a thin film made of a metal oxide material;
A method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit, comprising performing heat treatment at a temperature of 50 ° C. or less.
【請求項2】 請求項1において、前記熱処理工程は、
30分未満の時間で実施されることを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment step comprises:
A method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit, wherein the method is performed in less than 30 minutes.
【請求項3】 請求項2において、前記水素は、前記雰
囲気中に、0.01パーセントから50パーセントの体
積分率で含まれることを特徴とする強誘電体集積回路の
製造方法。
3. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 2, wherein said hydrogen is contained in said atmosphere at a volume fraction of 0.01% to 50%.
【請求項4】 請求項2において、さらに、前記熱処理
の前に、前記金属酸化物材料の少なくとも一部の上に直
接水素バリア層を形成する工程を有することを特徴とす
る強誘電体集積回路の製造方法。
4. The ferroelectric integrated circuit according to claim 2, further comprising a step of forming a hydrogen barrier layer directly on at least a part of the metal oxide material before the heat treatment. Manufacturing method.
【請求項5】 請求項4において、前記水素バリア層
は、窒化チタンまたは窒化シリコンから成ること特徴と
する強誘電体集積回路の製造方法。
5. The method according to claim 4, wherein the hydrogen barrier layer is made of titanium nitride or silicon nitride.
【請求項6】 請求項5において、前記熱処理は、30
分以下の時間の間行われ、前記水素雰囲気中の水素の体
積百分率は、0.01パーセントから50パーセントで
あること特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
6. The heat treatment according to claim 5, wherein
The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit, wherein the method is performed for a period of time equal to or less than minutes, and wherein a volume percentage of hydrogen in the hydrogen atmosphere is 0.01 to 50%.
【請求項7】 請求項1において、前記金属酸化物材料
は、少なくとも二つの金属元素を含有した酸化物を有
し、前記金属元素の少なくとも一つは、前記材料中に過
剰量存在することを特徴とする強誘電体集積回路の製造
方法。
7. The metal oxide material according to claim 1, wherein the metal oxide material has an oxide containing at least two metal elements, and at least one of the metal elements is present in an excess amount in the material. A method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit.
【請求項8】 請求項7において、前記金属酸化物材料
は、層状超格子化合物から成ることを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
8. The method according to claim 7, wherein the metal oxide material comprises a layered superlattice compound.
【請求項9】 請求項8において、前記過剰量存在する
金属元素は、ニオブあるいはビスマスのいずれか一方で
あることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
9. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 8, wherein the metal element present in an excess amount is one of niobium and bismuth.
【請求項10】 請求項9において、前記層状超格子化
合物は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオブ
酸塩を有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造
方法。
10. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 9, wherein said layered superlattice compound comprises strontium bismuth tantalum niobate.
【請求項11】 請求項10において、前記過剰量存在
する金属元素は、ニオブであることを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
11. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 10, wherein said metal element present in an excess amount is niobium.
【請求項12】 請求項1において、さらに、基板と前
記金属酸化物材料に対する前駆体液体を準備し、前記前
駆体を前記基板に付着させ、それを前記金属酸化材料を
形成するように処理する工程を含み、 さらに、前記金属酸化物材料は、少なくとも二つの金属
元素を含有した酸化物を有し、前記金属の一つは、前記
前駆体中に過剰量存在することを特徴とする強誘電体集
積回路の製造方法。
12. The method of claim 1, further comprising providing a substrate and a precursor liquid for the metal oxide material, depositing the precursor on the substrate, and treating it to form the metal oxide material. And wherein the metal oxide material comprises an oxide containing at least two metal elements, wherein one of the metals is present in an excess amount in the precursor. Manufacturing method of body integrated circuit.
【請求項13】 請求項12において、前記過剰量存在
する金属は、前記製造工程中に分散する不揮発性化合物
を形成しない金属であることを特徴とする強誘電体集積
回路の製造方法。
13. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 12, wherein the metal present in an excess amount is a metal that does not form a nonvolatile compound dispersed in the manufacturing process.
【請求項14】 請求項1において、前記形成工程は、
基板と前記金属酸化物材料に対する前駆体液体を含み、 前記前駆体を前記基板に付着させ、 前記前駆体を前記金属酸化物材料を形成するように処理
し、 さらに、前記金属酸化物材料は、ストロンチウム、ビス
マス、タンタル、ニオブを含有し、 前記前駆体は、化学量論的式SrBi2.18Ta2-XNbX
9(0≦X≦2)にほぼ対応した相対モル比を有する
化学元素であるストロンチウム、ビスマス、タンタル、
ニオブを含有することを特徴とする強誘電体集積回路の
製造方法。
14. The method according to claim 1, wherein:
Comprising a substrate and a precursor liquid for the metal oxide material, depositing the precursor on the substrate, treating the precursor to form the metal oxide material, further comprising: Strontium, bismuth, tantalum, niobium, wherein the precursor has the stoichiometric formula SrBi 2.18 Ta 2-x Nb x
Chemical elements strontium, bismuth, tantalum having a relative molar ratio substantially corresponding to O 9 (0 ≦ X ≦ 2);
A method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit, comprising niobium.
【請求項15】 請求項14において、前記前駆体は、
前記式SrBi2.18Ta2-XNbX9(0≦X≦2)に
よって表わされた化学量論的量を超えて、ゼロ%と40
%との間の過剰添加量のビスマスを含むことを特徴とす
る強誘電体集積回路の製造方法。
15. The method according to claim 14, wherein the precursor is:
Beyond the stoichiometric amount represented by the formula SrBi 2.18 Ta 2-x Nb X O 9 (0 ≦ X ≦ 2), zero percent and 40
% Of bismuth in an excess amount between 0.1% and 2.0%.
【請求項16】 請求項14において、前記前駆体は、
前記式SrBi2.18Ta2-XNbX9にほぼ対応した元
素であるストロンチウム、ビスマス、タンタル、ニオブ
を含有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造方
法。
16. The method according to claim 14, wherein the precursor is
A method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit, comprising strontium, bismuth, tantalum, and niobium, which are elements substantially corresponding to the formula SrBi 2.18 Ta 2-x Nb x O 9 .
【請求項17】 請求項16において、前記前駆体は、
前記式SrBi2.18Ta2-XNbX9によって表わされ
た化学量論的量を超えて、ゼロ%と40%との間の添加
量のニオブを含むことを特徴とする強誘電体集積回路の
製造方法。
17. The method according to claim 16, wherein the precursor is
Ferroelectric integration characterized in that it contains niobium in a loading of between 0% and 40% in excess of the stoichiometric amount represented by the formula SrBi 2.18 Ta 2-x Nb x O 9 . Circuit manufacturing method.
【請求項18】 請求項2において、さらに、水素を含
む雰囲気中での熱処理工程の後に、酸素回復アニールを
実行する工程を有し、 前記酸素回復アニールは、300℃から1000℃の温
度範囲で、20分から2時間の間、実施されることを特
徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
18. The method according to claim 2, further comprising a step of performing an oxygen recovery annealing after the heat treatment step in an atmosphere containing hydrogen, wherein the oxygen recovery annealing is performed in a temperature range of 300 ° C. to 1000 ° C. , For 20 minutes to 2 hours.
【請求項19】 強誘電体集積回路を製造する方法にお
いて、 金属酸化物材料から成る薄膜を含む集積回路部分を形成
し、 前記集積回路部分を、水素を含む雰囲気で、かつ30分
以下の時間、熱処理することを特徴とする強誘電体集積
回路の製造方法。
19. A method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit, comprising: forming an integrated circuit portion including a thin film made of a metal oxide material, wherein the integrated circuit portion is placed in an atmosphere containing hydrogen for a time of 30 minutes or less. And a method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit.
【請求項20】 請求項19において、さらに、水素を
含む雰囲気中での熱処理工程の後に、酸素回復アニール
を実行する工程を有し、 前記酸素回復アニールは、300℃から1000℃の温
度範囲で、20分から2時間の間、実施されることを特
徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
20. The method according to claim 19, further comprising a step of performing an oxygen recovery annealing after the heat treatment step in an atmosphere containing hydrogen, wherein the oxygen recovery annealing is performed in a temperature range of 300 ° C. to 1000 ° C. , For 20 minutes to 2 hours.
【請求項21】 請求項19において、さらに、前記熱
処理の前に、前記金属酸化物材料の少なくとも一部の上
に直接水素バリア層を形成する工程を有することを特徴
とする強誘電体集積回路の製造方法。
21. The ferroelectric integrated circuit according to claim 19, further comprising a step of forming a hydrogen barrier layer directly on at least a part of the metal oxide material before the heat treatment. Manufacturing method.
【請求項22】 請求項19において、前記金属酸化物
材料は、少なくとも二つの金属元素を含有した酸化物を
有し、前記金属元素の少なくとも一つは、前記材料中に
過剰量存在することを特徴とする強誘電体集積回路の製
造方法。
22. The method according to claim 19, wherein the metal oxide material has an oxide containing at least two metal elements, and at least one of the metal elements is present in an excess amount in the material. A method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit.
【請求項23】 金属酸化物材料を含む強誘電体集積回
路を製造する方法において、 B−サイト元素を過剰量有する層状超格子化合物を有す
る前記金属酸化物材料の薄膜を含む前記集積回路の一部
を形成し、 前記集積回路の一部を水素に曝し、 前記集積回路の構成要素中に前記金属酸化物材料の薄膜
を含むように、前記集積回路を完成させることを特徴と
する強誘電体集積回路の製造方法。
23. A method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit including a metal oxide material, wherein the integrated circuit includes a thin film of the metal oxide material having a layered superlattice compound having an excess amount of a B-site element. Forming a portion, exposing a part of the integrated circuit to hydrogen, and completing the integrated circuit so as to include a thin film of the metal oxide material in a component of the integrated circuit. An integrated circuit manufacturing method.
【請求項24】 請求項23において、さらに、集積回
路が水素に曝されている間、前記集積回路部分を熱処理
する工程を含むことを特徴とする強誘電体集積回路の製
造方法。
24. The method of claim 23, further comprising the step of heat treating the integrated circuit portion while the integrated circuit is exposed to hydrogen.
【請求項25】 請求項23において、さらに、前記集
積回路部分を水素に曝す工程の後に、酸素回復アニール
を実行する工程を有することを特徴とする強誘電体集積
回路の製造方法。
25. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 23, further comprising a step of performing an oxygen recovery annealing after the step of exposing the integrated circuit portion to hydrogen.
【請求項26】 請求項25において、前記酸素回復ア
ニールは、300℃から1000℃の温度範囲で、20
分から2時間の間、実施されることを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
26. The oxygen recovery anneal according to claim 25, wherein the oxygen recovery anneal is performed in a temperature range of 300 ° C. to 1000 ° C.
A method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit, wherein the method is performed for a period from minutes to two hours.
【請求項27】 請求項23において、さらに、前記水
素に曝す工程の前に、前記金属酸化物材料の少なくとも
一部の上に直接水素バリア層を形成する工程を有するこ
とを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
27. The ferroelectric device according to claim 23, further comprising a step of forming a hydrogen barrier layer directly on at least a part of the metal oxide material before the step of exposing to hydrogen. Manufacturing method of body integrated circuit.
【請求項28】 請求項27において、前記水素バリア
層は、窒化チタンまたは窒化シリコンを有すること特徴
とする強誘電体集積回路の製造方法。
28. The method according to claim 27, wherein the hydrogen barrier layer comprises titanium nitride or silicon nitride.
【請求項29】 請求項23において、前記層状超格子
化合物は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル・ニオ
ブ酸塩を有することを特徴とする強誘電体集積回路の製
造方法。
29. The method for manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 23, wherein the layered superlattice compound comprises strontium bismuth tantalum niobate.
【請求項30】 請求項29において、前記過剰量存在
する金属元素は、ニオブであることを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
30. The method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit according to claim 29, wherein the excess amount of the metal element is niobium.
【請求項31】 請求項30において、前記超格子化合
物は、過剰量のビスマスを有することを特徴とする強誘
電体集積回路の製造方法。
31. The method according to claim 30, wherein the superlattice compound has an excessive amount of bismuth.
【請求項32】 請求項23において、前記形成工程
は、基板と前記金属酸化材料に対する前駆体液体を用意
し、 前記前駆体を前記基板に付着させ、 前記前駆体を前記金属酸化材料の薄膜を形成するように
処理する工程を含むことを特徴とする強誘電体集積回路
の製造方法。
32. The method according to claim 23, wherein, in the forming step, a precursor liquid for the substrate and the metal oxide material is prepared, the precursor is attached to the substrate, and the precursor is deposited on the thin film of the metal oxide material. A method of manufacturing a ferroelectric integrated circuit, comprising a step of performing processing to form a ferroelectric integrated circuit.
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