KR20010075336A - Ferroelectric thin films of reduced tetragonality - Google Patents

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KR20010075336A
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라마무르티 라메쉬
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엔, 마이클 그로브
텔코디아 테크놀로지스, 인코포레이티드
제임스 에이. 폴로스, 3세
유니버시티 오브 매릴랜드
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Abstract

강유전성 물질, 특히 결정학적 방향성 적층적 강유전성 셀로 일체화됨에 따라, Pb1-xLaxZryTi1-yO3또는 Pb1-xNbxZryTi1-yO3는 적당하게 많은 La 또는 Nb 함유물을 갖고 있어, 상기 단위 셀이 거의 입방에 가까운 사각형이 되어 스트레스 효과를 감소시킨다. 더 바람직한 c/a 상수값은 약 1.01이다. x의 예시적인 합성 범위는 y가 20% 일 때, La가 6에서 20%, 그리고 Nb가 3에서 15% 이다. 감소된 편광전압은 3.0V 이하에서 동작하는 집적된 강유전성 메모리와 일치한다.As integrated into the ferroelectric material, in particular the crystallographically oriented stacked ferroelectric cell, Pb 1-x La x Zr y Ti 1-y O 3 or Pb 1-x Nb x Zr y Ti 1-y O 3 is suitably a large number of La or Having Nb content, the unit cell becomes a nearly cubic rectangle, reducing the stress effect. More preferred c / a constant value is about 1.01. Exemplary synthetic ranges of x are La at 6 to 20% and Nb at 3 to 15% when y is 20%. The reduced polarization voltage is consistent with integrated ferroelectric memory operating below 3.0V.

Description

정방성이 감소된 강유전성 박막 필름 {FERROELECTRIC THIN FILMS OF REDUCED TETRAGONALITY}Ferroelectric thin film with reduced tetragonality {FERROELECTRIC THIN FILMS OF REDUCED TETRAGONALITY}

강유전성 램(FRAM)들은 그들의 전기적으로 인가된 편광상태를 유지하기 위한 에너지를 필요로 하지 않아서, 상기 강유전성 램은 실리콘 메모리를 대신할 비휘발성 메모리로서의 가능성을 제공한다. 강유전성 램(10)의 도식화된 일반적인 구조는 도 1에 도시되어 있듯이, 몸체(16)를 사이에 두고 두 캐패시터(12, 14) 판들을 포함한다. 상기 강유전성 물질(16)은 실질적으로 단위원을 초과하는 절연체 상수를 가질 뿐만 아니라, 상기 강유전성은 쌍안정의 적절한 조건을 갖는다. 상기 캐패시터 판들(12, 14)이 상기 강유전체를 상향 또는 하향의 편광상태로 지지하고 있으며, 상기 강유전성 몸체(16)는 폴링(poling) 전압이 제거된 후 조차 상기 상태를 유지한다. 이것은 일반적으로 인가된 어떠한 전력 없이도, 전하(charge)(또는 전압)가 상기 셀(10) 위에 남아 있다는 것이다. 때때로, 후에 상기 전하가 측정될 수 있다. 따라서, 상기 강유전성 램(10)은 비휘발성 메모리이다.Ferroelectric RAMs (FRAMs) do not require energy to maintain their electrically applied polarization state, so the ferroelectric RAMs offer the potential as non-volatile memory to replace silicon memory. The schematic general structure of the ferroelectric ram 10 includes two capacitor 12, 14 plates with a body 16 interposed therebetween, as shown in FIG. 1. The ferroelectric material 16 not only has an insulator constant that substantially exceeds the unit source, but the ferroelectric has appropriate conditions of bistable. The capacitor plates 12, 14 support the ferroelectric in an upward or downward polarization state, and the ferroelectric body 16 remains in this state even after the polling voltage is removed. This is generally that no charge (or voltage) remains above the cell 10 without any applied power applied. Sometimes, the charge can be measured later. Thus, the ferroelectric RAM 10 is a nonvolatile memory.

종래에, 상기 강유전성 램(10)은 캐패시터 구조인 두 금속 전극들 사이에 낀다결정질의 강유전성 물질을 포함하고 있다. 그러나, 이런 설계는 신뢰도가 낮아지며, 노화 문제가 발생한다.Conventionally, the ferroelectric ram 10 is sandwiched between two metal electrodes having a capacitor structure. The ferroelectric ram 10 includes a crystalline ferroelectric material. However, this design is less reliable and aging problems arise.

보다 최근에, 라마쉬(Ramesh) 및 그 동료들은 산화금속 전극들을 이용하여 결정학으로 방향지워진 강유전성 셀들 개발해왔다. 도트(Dhote) 등은 1995년 12월 26일에 출원된 미국특허출원 출원번호 제08/578,499호와 또한 1997년 7월 3일자로 PCT 공개번호 97/23886 호에서 백금에 기초한 하부 전극을 공개하고 있다.More recently, Ramesh and colleagues have developed crystallographically oriented ferroelectric cells using metal oxide electrodes. Dote et al. Disclose a lower electrode based on platinum in US patent application Ser. No. 08 / 578,499, filed Dec. 26, 1995, and also PCT Publication No. 97/23886, filed Jul. 3, 1997. have.

실리콘 다이나믹 램과 유사한 강유전성 램(20)을 위하여 도트 등이 예시적으로 제시한 구조의 단면이 도 2에 도시되어 있다. 상기 강유전성 램 구조는 대량의 강유전성 램 집적회로를 형성하기 위하여 여러 번 복제되어야하며, 다른 지지 회로소자는 상기 동일한 칩에서 형성되어질 필요가 있다. 상기 전체 강유전성 램 구조는 몇몇의 예외는 있지만, 이미 인용된 미국 특허 출원 및 출원서에서, 라마쉬 에 의하여 공개되어서 알려져 있다. Kinney 는 강유전성 집적 회로의 좋은 개요를 "Signal magnitudes in high density ferroelectric memories" Intergrated Ferroelectrics, vol.4, 1994, 131 ~ 144 페이지에서 제공하고 있다. 상기 강유전성 램(20)은 (001)-방향성 결정체 실리콘 기판(22) 위에 형성되어서, 다른 실리콘 회로소자가 쉽게 편입될 수 있다. 금속-산화-반도체(Metal-oxide-semiconductor, MOS) 트랜지스터는 소스 및 드레인 웰(source and drain well, 24, 26) 속에 상기 기판(22)과는 반대인 전도성 타입의 불순물(dopant)을 확산(diffusing) 또는 주입(implant) 함으로써 형성된다. 개입되는 게이트 영역은, 상기 게이트를 제어하기 위하여, 하부의 산화 게이트 및 예를 들어 알루미늄같은 상부의 메탈 게이트 라인을 포함하는 게이트 구조(28) 위에 덮인다.A cross section of an exemplary structure of dots or the like for a ferroelectric ram 20 similar to a silicon dynamic ram is shown in FIG. 2. The ferroelectric ram structure must be duplicated several times to form a large amount of ferroelectric ram integrated circuits, and other support circuitry needs to be formed on the same chip. The entire ferroelectric ram structure is known from Lamarsh, in the already cited US patent applications and applications, with a few exceptions. Kinney provides a good overview of ferroelectric integrated circuits in "Signal magnitudes in high density ferroelectric memories" Intergrated Ferroelectrics, vol. 4, 1994, pages 131-144. The ferroelectric ram 20 is formed on the (001) -directional crystalline silicon substrate 22, so that other silicon circuit elements can be easily incorporated. Metal-oxide-semiconductor (MOS) transistors diffuse dopants of a conductive type opposite to the substrate 22 in source and drain wells 24 and 26. formed by diffusing or implanting. The intervening gate region is covered over a gate structure 28 that includes a lower oxide gate and an upper metal gate line, for example aluminum, to control the gate.

예를 들어 실리콘 제2 산화물같은 제1 내부-레벨 절연층(30)은 상기 기판(22) 및 상기 트랜지스터 구조 위에 도포된다. 접촉홀(contact hole, 32)은 상기 소스 웰(source well, 24) 위로 상기 제1 내부-레벨 절연층(30)을 통과하여, 포토리소그래피(photolithographically)로 에칭되고, 상기 트랜지스터 소스(24)에 폴리실리콘 접촉 플러그를 형성하기 위하여, 폴리실리콘이 그 안에 채워진다. 메탈 소스 라인(34)은 상기 제1 내부-레벨 절연층(30)의 윗면에 포토리소그래피로 윤곽을 그리며, 전기적으로 상기 폴리실리콘 플러그(32)와 접촉한다.A first inner-level insulating layer 30, for example silicon second oxide, is applied over the substrate 22 and the transistor structure. A contact hole 32 passes through the first inner-level insulating layer 30 over the source well 24, is photolithographically etched, and into the transistor source 24. To form a polysilicon contact plug, polysilicon is filled therein. A metal source line 34 is photolithographically outlined on top of the first inner-level insulating layer 30 and is in electrical contact with the polysilicon plug 32.

그리고 나서, 제2 내부-레벨 절연층(36)은 상기 제1 내부-레벨 절연층(30) 위에 도포된다. 다른 접촉홀(38)은 드레인 웰(drain well, 26) 위로, 제1 및 제2 내부-레벨 절연층들(30, 36)을 통과하며 에칭한다. 그리고 상기 트랜지스터 드레인(26)과 접촉하도록 그 안에 폴리실리콘을 꽉 채운다. 상기 처리과정은 실리콘 기술에서 매우 표준이다.A second inner-level insulating layer 36 is then applied over the first inner-level insulating layer 30. The other contact hole 38 etches through the first and second inner-level insulating layers 30 and 36, over the drain well 26. And polysilicon is filled in contact with the transistor drain 26. The process is very standard in silicon technology.

그 다음, 비록 상업적 제조상 마스크가 씌워진 드라이 플리즈마 에칭이 일반적으로 수행된다고 하더라도, 리프트-오프(lift-off) 마스크는 캐패시터의 바람직한 사이즈에 대하여 보다 큰 영역의 구멍이 상기 드레인 접촉 홀(38) 위에 부착되고 정의된다. 상기 마스크 위, 및 상기 구멍 안은 일련의 층들로 도포되어 있다. 폴리실리콘 층(40)은 상기 폴리실리콘 플러그(38)에 좋은 전기적 접촉을 제공한다. TiN 층(42) 및 백금 층(44)은 상기 폴리실리콘 및 상기 산화된 금속-산화 접촉 사이에서 전도 방해 층을 형성한다. 폴리실리콘은 반도체적 성질을 띄지만, 만일 그표면이 SiO2로 산화된다면, 안정적으로 절연된 층은 전기적 접촉을 막기 위하여 형성되어 진다. 비록, 다른 산화 금속이 사용될 수도 있지만, 특히 회티탄석을 층으로 형성한다 하더라도, 상기 백금 층(44) 위로 전도성 산화 금속층(46), 바람직하게는 란탄 스트론튬 코발트 옥사이드(lanthanum strontium cobalt oxide, LSCO)같은 회티탄석 층을 도포한다. 비록, 개략적인 La1-XSrXCoO3의 합성물이 0.15≥x≥0.85에서 가능하다고 하더라도, 상기 물질은 La0.5Sr0.5CoO3에 의하여 명목상으로 주어진 합성물을 갖는다. LSCO는 수용가능한 전기적 접촉을 형성하고, 회티탄석 강유전체 물질의 방향성 성장을 더 촉진시킨다.Then, although commercial manufacturing masked dry plasma etching is generally performed, the lift-off mask has a larger area of holes above the drain contact hole 38 for the desired size of the capacitor. Attached and defined. On the mask and in the hole are applied in a series of layers. Polysilicon layer 40 provides good electrical contact to the polysilicon plug 38. TiN layer 42 and platinum layer 44 form a conductive barrier layer between the polysilicon and the oxidized metal-oxidized contact. Polysilicon has semiconducting properties, but if its surface is oxidized to SiO 2 , a stably insulated layer is formed to prevent electrical contact. Although other metal oxides may be used, in particular the formation of gray titaniumite as a layer, a conductive metal oxide layer 46, preferably lanthanum strontium cobalt oxide (LSCO), over the platinum layer 44 Apply the same ash titanite layer. Although the approximate composition of La 1-X Sr X CoO 3 is possible at 0.15 ≧ x ≧ 0.85, the material has a composition nominally given by La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 . LSCO forms an acceptable electrical contact and further promotes directional growth of the gray titanium ferroelectric material.

상기 포토마스크는 도 2에 도시된 하부 적재층들(40, 42, 44, 46)을 남기고 제거된다. 다른 포토마스크는 Z모양의 필드-산화 층(48)의 등각의 도포를 허락하도록 정의되어진다. 상기 Z모양의 필드-산화 층(48)은 미리 정의된 하부 적재층의 옆면들을 커버하고, 상기 하부 적재층의 상부표면의 가장자리를 확대하는 테두리를 갖으며, 상기 하부 적재층의 바닥으로부터 바깥쪽으로 확장되는 발(foot)을 갖지만, 나중에 강유전성 적재 상부에 도포하기 위하여 중앙 구멍을 남긴다. 상기 필드-산화층(48)은 뒤에 도포된 강유전체를 하부 전극의 사이드 부분으로부터 전기적으로 절연시킨다.The photomask is removed leaving the lower loading layers 40, 42, 44, 46 shown in FIG. 2. Another photomask is defined to allow conformal application of the Z-shaped field-oxidation layer 48. The Z-shaped field-oxidation layer 48 covers the sides of the predefined lower loading layer, has an edge that enlarges the edge of the upper surface of the lower loading layer, and extends outward from the bottom of the lower loading layer. It has an extended foot, but leaves a central hole for later application on top of the ferroelectric load. The field-oxide layer 48 electrically insulates the ferroelectric applied later from the side portion of the lower electrode.

과거에는, 상기 필드-산화층(48)은 SiO2또는 TiO2로 형성되어졌다. 하지만, 이들 물질 중 어느 것도 이상적이지 않다. 회티탄석 강유전체는 이들 물질들 위에 도포될 때, 신뢰할 수 없는 에칭 결과로 다르게 에칭되는 회티탄석 및 피로클로르위상들의 혼합물 속에서 형성되는 경향이 있다. 상기 필드 산화층(48)을 위한 더 나은 물질은 비스무트 티타네이트(bismuth titanate) (근접한 화학량적 복합물 Bi4Ti3O12)이며, 이는 회티탄석이고 다른 회티탄석층에 따라 동일한 성장 과정에 의하여 성장되어질 수 있다. 라마쉬는 미국 특허출원 제 5,248,564호에서 비방향성의 기판 위에, 결정학적으로 방향성의 회티탄석의 성장을 촉진시키기 위하여 상기 Bi4Ti3O12이 강력한 형판층임을 공개한다. 그래서, Bi4Ti3O12필드 산화층(48)은 양질의 강유전체가 그 위에 성장된다는 것을 확신한다. 다른 회티탄석 물질들은 그들이 높은 전도율이 없고, 예를 들어 강유전성이 없는 낮은 절연상수를 드러내는 한, 상기 비스무트 티타네이트(bismuth titanate)대용으로 사용되어질 수 있다. 더 효과적인 형판을 위하여, Bi4Ti3O12을 형성하는 상기 회티탄석은 계층화된 구조, 즉, a 및 b 축들의 최고 두배인 c축 격자를 갖는다.In the past, the field-oxide layer 48 was formed of SiO 2 or TiO 2 . However, none of these materials are ideal. The ash titanium ferroelectric tends to form in a mixture of ash and pyrochlor phases that are etched differently as a result of unreliable etching when applied over these materials. A better material for the field oxide layer 48 is bismuth titanate (close stoichiometric composite Bi 4 Ti 3 O 12 ), which is ash titanium and grown by the same growth process along the other ash titanium layer. Can be done. Lamarsh, in US Patent Application No. 5,248,564, discloses that Bi 4 Ti 3 O 12 is a strong template layer to promote the growth of crystallographically scented gray titanium stones on non-oriented substrates. Thus, the Bi 4 Ti 3 O 12 field oxide layer 48 is assured that a good ferroelectric is grown thereon. Other gray titanium materials may be used as a substitute for the bismuth titanate as long as they exhibit a low dielectric constant without high conductivity and, for example, no ferroelectricity. For a more effective template, the gray titaniumite forming Bi 4 Ti 3 O 12 has a layered structure, ie a c-axis lattice up to twice the a and b axes.

필드 산화층(48)의 형성 뒤에, 상기 하부 적재(40, 42, 44, 46) 주위에 구멍을 포함하는 상기 필드 산화층(48)의 다른 포토마스크가 도포되고 정의되지만, 바닥의 바깥 주변은 상기 필드-옥사이드 층(48)의 발들(59)에 겹쳐서 놓인다. 그리고나서, 강유전성 층(50)은 결정학적으로 방향성 성장에 형편이 맞는 조건하에서 도포된다. 바람직하게는, 상기 강유전성 층(50)은 리드 란탄 지르코늄 티탄산염(lead lanthanum zirconium titanate, PLZT) 또는 리드 란탄 지르코늄 티탄산염(lead niobium zirconium titanate, PNZT)이다. LSCO 또는 다른 유사한 회티탄석 전도성 전극들 위에 상기 회티탄석 강유전성 층의 도포는 상기 강유전성이 상대적으로 낮은 온도에서 도포되어질 수 있음을 인정하는 것이나, 여전히 적절한 결정체를 명시하고 있다. 상기 강유전성 층(50) 위에 상부의 전도성 산화-금속 층(52)을 도포하며, 바람직하게는 LSCO와 같은 회티탄석의 상기 상부 전도성 금속-산화 층(44)을 대칭적으로 형성된다. 상부의 백금층(54)은 상기 상부 전도성 금속-산화 층(52) 위에 도포되어진다. 상기 층(54)는 결정적인 기술을 포함하리라고 생각되지 않으며, 그것의 백금 합성물은 임시 해결책으로서 단지 선택되었다. 상기 합성물이 TiW 또는 실리콘 기술에서 흔한 다른 금속으로 변경될 것이다. 상기 상부 백금층(54)이 도포된 후에, 상기 포토마스크는 도 2에 도시된 상단 전개 구조를 남기고 제거된다.After the formation of the field oxide layer 48, another photomask of the field oxide layer 48 including holes around the bottom stacks 40, 42, 44, 46 is applied and defined, but the outer periphery of the bottom is covered by the field. Overlying the feet 59 of the oxide layer 48. The ferroelectric layer 50 is then applied under conditions that are crystallographically suitable for directional growth. Preferably, the ferroelectric layer 50 is lead lanthanum zirconium titanate (PLZT) or lead lanthanum zirconium titanate (PNZT). Application of the succinate ferroelectric layer on LSCO or other similar sitrite conductive electrodes admits that the ferroelectricity can be applied at relatively low temperatures, but still specifies suitable crystals. An upper conductive oxide-metal layer 52 is applied over the ferroelectric layer 50, and preferably the upper conductive metal-oxide layer 44 of gray titanium, such as LSCO, is symmetrically formed. An upper platinum layer 54 is applied over the upper conductive metal oxide layer 52. The layer 54 is not believed to include critical technology, and its platinum composite has been chosen only as a temporary solution. The composite will be changed to TiW or other metals common in silicon technology. After the upper platinum layer 54 is applied, the photomask is removed leaving the top deployment structure shown in FIG.

제3 내부-레벨 절연층(56)을 도포하고, 상기 강유전성 적재를 커버하기 위하여 에칭된다. 상기 층(56)은 내부-레벨 절연으로써 보다 패시베이션층으로서 더 의도되어진다.A third inner-level insulating layer 56 is applied and etched to cover the ferroelectric loading. The layer 56 is more intended as a passivation layer than with inner-level insulation.

상기 상부 전극(54)은 통로(60)를 상기 강유전성 층 위에 놓인 제3 내부-레벨 절연층(56)을 관통하여 에칭하고, Ti/W로 상기 통로(60)를 채우며, 상기 Ti/W 플러그와 전기적으로 접촉하는 알루미늄의 금속 캐패시터 라인(62)의 윤곽을 그리므로써 전기적으로 접촉되어 있다.The upper electrode 54 etches the passage 60 through a third inner-level insulating layer 56 overlying the ferroelectric layer, fills the passage 60 with Ti / W, and the Ti / W plug. It is in electrical contact by delineating a metal capacitor line 62 of aluminum in electrical contact with it.

Dhote 등은 상대적으로 높은 온도인 500~550℃ 주변에서 상기 하부의 백금층(44)을 도포하는 것은 더 높은 열적 버짓(budget)에서 상기 강유전성 적재물(상기 강유전성 층 및 두 개의 사이에 낀 금속-산화 층들)의 도포를 인정하는 것으로 (℃로 측정된)온도의 집적 및 그 온도에서 상기 샘플의 시간으로서 정의된다. 상기 세 개의 층 즉, 상기 PNZT 층(50), 상기 상부 LSCO 전극(52), 및 상기 상단 백금층(54)는 일반적으로 단일 온도에서 단일 챔버에서 도포되어지기 때문에, 상기 열적 버짓(budget)이 도포 온도 및 총 도포 시간의 생산물이 된다.Dhote et al. Described the application of the lower platinum layer 44 at a relatively high temperature around 500-550 ° C. to the ferroelectric load (the ferroelectric layer and the metal-oxide sandwiched between the two at a higher thermal budget). Acknowledgment of the application of the layers) is defined as the integration of temperature (measured in degrees C.) and the time of the sample at that temperature. Since the three layers, the PNZT layer 50, the upper LSCO electrode 52, and the upper platinum layer 54 are generally applied in a single chamber at a single temperature, the thermal budget Product of application temperature and total application time.

PNZT는 잘 알려진 강유전성 매질이다. Dhote 등은 PNZT의 합성물의 특별한 예를 Pb0.04Nb0.18Zr0.78TiO3및 Pb0.04Nb0.28Zr0.68TiO3로 들로 있다. 즉 PNZT는 한편으로는 납 성분이 부족하고, 다른 한편으로는 납 성분 및 지르코늄(zirconium)성분이 풍부하다.PNZT is a well known ferroelectric medium. Dhote et al. Present particular examples of PNZT composites as Pb 0.04 Nb 0.18 Zr 0.78 TiO 3 and Pb 0.04 Nb 0.28 Zr 0.68 TiO 3 . In other words, PNZT lacks lead on the one hand and rich in lead and zirconium on the other.

어떤 종류의 강유전성 메모리에서 제기되는 문제는 그들의 피로파괴 작용이다. 강유전성 셀의 상기 강유전성 또는 편광 특성은 수많은 독출-기록 사이클을 변쇠시킨다. 다결정 셀들이 피로파괴로부터 굉장히 나빠지는 반면, 상기 결정학적 방향성 셀들은 피로파괴에 대한 더 큰 저항성을 느러낸다. 그럼에도 불구하고, 피로파괴는 결정학적 방향성 셀들에게 있어서 문제된다고 여전히 믿고 있다.The problem that arises with some types of ferroelectric memory is their fatigue failure. The ferroelectric or polarization properties of ferroelectric cells change many read-write cycles. While polycrystalline cells are extremely bad from fatigue failure, the crystallographically oriented cells slow down their greater resistance to fatigue failure. Nevertheless, it is still believed that fatigue failure is a problem for crystallographic directional cells.

강유전체 셀들에 있어서, 피로파괴 및 다른 작동 특성들을 양자화하기 위하여 강유전체 셀의 편광 특성을 이해하는 것이 필요하다. 강유전성 히스테리시스 루프(64)가 도 3에 도시되어 있다. 수평축은 셀을 가로지르는 전압을 나타낸다. 순간적으로 인가되거나 잔류(잔류자기의)의 여부, 즉, 전압이 적용됨없이 상기 수직축은 상기 물질의 편광을 나타낸다. 상기 편광은 흘러드는 전하의 시간 집적 또는 상기 셀의 형태와 비례적으로 관련된다. 상기 히스테리시스 곡선은 고도로 비선형적이다. 상기 특성들은 비록 실제론 진실이 아니어도, 대칭적이라는 것을 가정한다.In ferroelectric cells, it is necessary to understand the polarization characteristics of ferroelectric cells in order to quantify fatigue failure and other operating characteristics. Ferroelectric hysteresis loop 64 is shown in FIG. 3. The horizontal axis represents the voltage across the cell. The vertical axis represents the polarization of the material, whether instantaneously applied or residual (residual magnetic), ie without voltage applied. The polarization is proportionally related to the time integration of the flowing charge or the shape of the cell. The hysteresis curve is highly nonlinear. These properties are assumed to be symmetric, although not in fact true.

상기 도시된 히스테리시스 곡선은 상기 인가된 전압이 포화전압(Saturation voltage, Vsat)에 접근함에 따라, 상기 히스테리시스 곡선은 최대 편광 값Psat에 접근한다. 그러나, 상기 폴링(poling)은 Psat의 약 90% 인 Pmax를 산출하는 Vmax로 전압 방향을 따라 일반적으로 형성된다. ±Vmax의 폴링 사이의 편광에서 차이값은 대칭적인 히스테리시스 곡선에서, P* 즉, P*=2Pmax 에 의하여 지시된다. 상기 셀이 편광 Pmax를 수반하는 Vmax로 펄스되지만, 그 후에 상기 전압이 V=0으로 감소되는 경우, 상기 편광은 그럼에도 불구하고, 잔류 편광 Pr로 남는다. 만일, 상기 셀이 음으로 폴링되었다면, 상기 편광은 대칭적인 히스테리시스 곡선 등가 -Pr로 음의 잔류 편광을 남긴다. 독출이 인가된 전압 Vmax와 함께 양의 폴링에 의하여 형성된다고 가정하면, 폴링 위의 측정된 전하는 스위칭 되지 않은 편광 P^ 또는 스위칭된 편광 P* 중 하나에 대응한다. 독출 회로소자는 펄스된 편광 ΔP=P*-P^ 의 차이를 구별해야만 한다. 대칭적인 히스테리시스 곡선에 대해 상기 펄스된 편광 ΔP은 2Pr과 같다.The hysteresis curve shown approaches the maximum polarization value Psat as the applied voltage approaches a saturation voltage (Vsat). However, the polling is generally formed along the voltage direction with Vmax yielding Pmax which is about 90% of Psat. The difference in polarization between polls of ± Vmax is indicated by P *, ie P * = 2Pmax, in the symmetric hysteresis curve. If the cell is pulsed with Vmax followed by polarization Pmax, but then the voltage is reduced to V = 0, the polarization nevertheless remains as residual polarization Pr. If the cell is negatively polled, the polarization leaves a negative residual polarization with a symmetric hysteresis curve equivalent -Pr. Assuming that the read is formed by positive polling with the applied voltage Vmax, the measured charge on the polling corresponds to either unswitched polarized light P or switched polarized light P *. The readout circuitry must distinguish the difference in the pulsed polarization ΔP = P * -P ^. For a symmetric hysteresis curve the pulsed polarization ΔP is equal to 2Pr.

일반적으로, 다수의 실행에 있어서, 상기 히스테리시스 곡선은 가능한한 직사각형이 되어야 한다. 상기 고압 전압 Vc는 주어진 Vmax의 최대치여야 한다. 이것은 자류 편광 Pr이 가능한한 크게 만들어져야 한다는 것과 상기 잔류 편광이 상기 고압 전압과 함께 증가해야 한다는 사실에 근거한다. 그러나, 몇가지 상쇄하는 조건들이 있다.In general, in many implementations, the hysteresis curve should be as rectangular as possible. The high voltage Vc should be the maximum of a given Vmax. This is based on the fact that the magnetic polarization Pr should be made as large as possible and that the residual polarization should increase with the high voltage. However, there are some tradeoffs.

다른 조건은 만일 강유전성 메모리들이 상업화되려고 한다면, 그들은 예를 들어 개인용 컴퓨터들, 컴퓨터 워크 스테이션, 및 다른 컴퓨터 제어 어플리케이션들에서 사용되는 다른 실리콘 집적 회로들과 호환성이 있어야 한다. 수년동안, 디지털 실리콘 집적회로들은, 로직이든 메모리이든, 5VDC의 DC 전압 Vcc에 의하여 전력이 공급되었다. 그러나, 최근에 개선된 집적 회로들은 더 낮은 전압들, 예를 들어, 3.0 VDC, 2.3 VDC, 그리고 1.8 VDC 에 의하여 전력이 공급되도록 설계되었다. 감소된 전압들은 극도의 밀도 집적 회로에 있어서 열적 소모와 관련된 문제 및 휴대용 컴퓨터들의 배터리 용량을 늘이는 문제를 둘 다 감소시킨다.Another condition is that if ferroelectric memories are to be commercialized, they must be compatible with other silicon integrated circuits used in, for example, personal computers, computer workstations, and other computer control applications. For many years, digital silicon integrated circuits, whether logic or memory, have been powered by a 5 VDC DC voltage Vcc. However, recently improved integrated circuits have been designed to be powered by lower voltages, for example 3.0 VDC, 2.3 VDC, and 1.8 VDC. Reduced voltages reduce both the problems associated with thermal consumption in extreme density integrated circuits and the increase in battery capacity of portable computers.

강유전성 셀(10)과 관련된 결정적인 독출 회로소자의 예가 도 4의 회로 블록도에 도시되어 있다. 본 실시예는 Kinney 등에 의한 명세서를 따른다. 각 강유전성 셀(10)은 독출 트랜지스터(66)와 관련되어, 도 2의 MOS 트랜지스터에 대응한다. 워드라인(68)은 메모리 셀(10)들의 열(column)에 위치한 상기 독출 트랜지스터(66)를 제어하는데, 상기 워드라인(68)에 수직한 방향은 제외한다. 상기 독출 트랜지스터(66)는 선택적으로 상기 강유전성 셀(10)을 비트라인(70)과 연결하며, 이는 메모리 셀(10)의 행과 같은 모양으로 연결되어진다. 상기 상기 워드 라인(68) 및 비트 라인(70)들은 메모리 셀들(10)의 직사각형 배열 위에 수직으로 작용한다. 강유전성 매질에서 히스테리시스 효과로 인하여, 워드라인(68)에 평행한 플레이트 라인(72)을 통화하는 상기 강유전성 셀(10)의 다른 전극의 선택적인 바이어싱(biasing)을 독출과정동안 제공하는 것이 중요하다.An example of the critical readout circuitry associated with the ferroelectric cell 10 is shown in the circuit block diagram of FIG. This embodiment follows the specification by Kinney et al. Each ferroelectric cell 10 is associated with a read transistor 66 and corresponds to the MOS transistor of FIG. 2. The word line 68 controls the read transistor 66 located in the column of memory cells 10 except for a direction perpendicular to the word line 68. The read transistor 66 selectively connects the ferroelectric cell 10 to the bit line 70, which is connected in the form of a row of memory cells 10. The word line 68 and bit line 70 act vertically on a rectangular array of memory cells 10. Due to the hysteresis effect in the ferroelectric medium, it is important to provide selective biasing of the other electrode of the ferroelectric cell 10 through the plate line 72 parallel to the word line 68 during the readout process. .

독출 과정 동안, 상기 강유전체 셀(10)은 임시적으로 상기 비트 라인(70) 및 상기 셀(10) 위에 저장된 상기 전하에 연결되어진다. 양의 상태이든 음의 상태이든 상기 비트라인(70) 과 관련된 더 큰 와류(parasitic) 캐패시터(74)롸 공유된다. 센스 증폭기(76)은 상기 전압과 기준 전압을 비교하여, 라인(79)의 상기 센스 증폭기(76)에 입력한다. 상기 센스 증폭기(76)은 상기 강유전체 메모리 셀(10)의 충전 상태를 나타내는 디지털 신호 OUT을 출력한다.During the readout process, the ferroelectric cell 10 is temporarily connected to the bit line 70 and the charge stored above the cell 10. The larger parasitic capacitor 74 associated with the bitline 70, whether positive or negative, is shared. The sense amplifier 76 compares the voltage with a reference voltage and inputs it to the sense amplifier 76 of line 79. The sense amplifier 76 outputs a digital signal OUT indicating the state of charge of the ferroelectric memory cell 10.

전형적으로, 상기 참조 커패시터(78)는 현재의 독출 사이클에서 사용되지 않은 상보형 비트 라인-BL(79)과 연관된 기생 커패시턴스이다. 상기 감지 증폭기(76)는 그 두 개의 입력 라인들(70, 79)상의 전압들중 어떤 전압이 가장 높은지에 의존하여 두 개의 상태중 하나의 상태로 래치되는 크로스-커플 쌍안정 래치 회로로서 가장 자주 구현된다. 따라서, 상기 참조 커패시터(78)상의 또는 비트 라인(79)와 연관된 상기 전압을 상기 긴 광원 셀(10)의 상보적 상태들에 의해 상기 액티브 비트 라인(70)상에 유도된 상기 상보적 전압들을 중개하는 전압으로 설정하는 것이 바람직하다. 위에서 설명한 모든 동작들은 접지 및 상기 DC 파워 공급 전압 Vcc에서 두 개의 파워 공급 입력들을 갖는 논리 회로(80)에 의해 제어, 사전-충전 및 방전된다. 결과적으로, 복합 전압 다중화 곱셈 회로 회로를 제외한, 상기 메모리 회로내의 모든 동작들은 Vcc의 최대 전압 스윙에 제한된다.Typically, the reference capacitor 78 is a parasitic capacitance associated with the complementary bit line-BL 79 that is not used in the current read cycle. The sense amplifier 76 is most often a cross-coupled bistable latch circuit latched to one of two states depending on which of the voltages on its two input lines 70, 79 is the highest. Is implemented. Accordingly, the voltage on the reference capacitor 78 or associated with the bit line 79 may be converted into the complementary voltages induced on the active bit line 70 by the complementary states of the long light source cell 10. It is desirable to set the voltage to be mediated. All of the operations described above are controlled, pre-charged and discharged by logic circuit 80 having two power supply inputs at ground and the DC power supply voltage V cc . As a result, all operations in the memory circuit except for the complex voltage multiplex multiplication circuit circuit are limited to the maximum voltage swing of V cc .

그러나, 긴 광원 메모리들에 대한 대부분의 설계들은 5VDC인 상기 파워 공급 전압 Vcc를 기초로 했었다. 일반적이지만 그러나 느슨한 규칙으로서, 긴 광원 커패시터 메모리 셀에 대한, 상기 인가된 폴링 전압 Vmax은 단지 상기 파워 공급 전압 Vcc의 대략 1/2로 제한된다. 긴 광원 셀의 독출은 전형적으로 상기 긴 광원 상에 저장된 전하를 상기 비트 라인과 연관된 보다 큰 커패시턴스로 나눔으로써 이행된다. 상기 독출 및 기록 회로에서의 다양한 커퍼시터들에서 이러한 전압 강하 및 그 밖의 전압 손실들로 인해, Vmax또는 Vsat은 항 전압 Vc의 5배가 공통적이다. 어떠한 경우에도, 항 전압 Vc의 낮은 값들은 포화 전압 Vsat에 반영된다. 파워 공급 전압 Vcc을 1.8VDC로 가정하면, 0.9VDC에서 모두 스위칭되도록, 상기 항 전압 Vc이 0.5내지 0.6VDC가 되게 하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 만일 상기 항 전압 Vc이 낮다면, 상기 포화 전압 Vsat또한 낮다.However, most designs for long light source memories have been based on the power supply voltage V cc which is 5 VDC. As a general but loose rule, for long light source capacitor memory cells, the applied polling voltage V max is only limited to approximately one half of the power supply voltage V cc . Reading of the long light source cell is typically accomplished by dividing the charge stored on the long light source by the larger capacitance associated with the bit line. Due to this voltage drop and other voltage losses in the various capacitors in the read and write circuit, V max or V sat is five times the constant voltage V c . In any case, lower values of the constant voltage V c are reflected in the saturation voltage V sat . Assuming the power supply voltage V cc is 1.8 VDC, it is desirable to make the constant voltage V c between 0.5 and 0.6 VDC so that it is all switched at 0.9 VDC. In general, if the constant voltage V c is low, the saturation voltage V sat is also low.

이론적으로, 감소된 전압 구동 범위의 관점에서, 상기 강유전성 효과들이 상기 인가된 전기장 즉, 상기 강유전체 층의 두께에 의해 분할된 상기 인가된 포텐셜에 의존하므로, 상기 강유전체 셀내의 상기 강유전체 층의 두께를 줄이는 것은 가능하다. 따라서, Vmax또는 Vsat은 상기 강유전체의 두께에 의해 축소될 것이다. 그러나, 현재 강유전성 재료들은 불완전한 전기 절연체들이며, 수용할 수 없는 높은 전도성은 상기 강유전체 셀이 실제의 시스템에서 동작할 수 없게 할 것이다. 문제는 예컨대, 전자 양자 호핑(electronic quantum hopping)에 의한 선형이며 즉, 오옴(ohmic)이 아니다. 결과적으로, 국부 유효 전기장에서의 작은 증가는 전류의 매우 높은 증가를 발생시킬 수 있다. 이러한 효과들은 상기 강유전체 층이 0.23㎛ 또는 적어도 0.15㎛ 이상의 최소 두께를 갖는다는 공통적으로 받아지는 한계에 귀착된다. 레이저 두께들에서, 상기 강유전체를 가로지는 상기 누설 전류는 과도하다. 상기 최소 두께의 결과로서, 상기 강유전체 층에 인가되는 전압은 적절한 용량성 전하 저장을 발생시키는 최소 값을 초과해야 한다.Theoretically, in terms of reduced voltage drive range, the ferroelectric effects depend on the applied electric field divided by the applied potential divided by the thickness of the ferroelectric layer, thus reducing the thickness of the ferroelectric layer in the ferroelectric cell. It is possible. Thus, V max or V sat will be reduced by the thickness of the ferroelectric. However, current ferroelectric materials are incomplete electrical insulators, and unacceptably high conductivity will render the ferroelectric cell inoperable in an actual system. The problem is linear, for example by electronic quantum hopping, i.e. not ohmic. As a result, small increases in the local effective electric field can result in very high increases in current. These effects result in a commonly accepted limitation that the ferroelectric layer has a minimum thickness of at least 0.23 μm or at least 0.15 μm. At laser thicknesses, the leakage current across the ferroelectric is excessive. As a result of the minimum thickness, the voltage applied to the ferroelectric layer must exceed the minimum value that results in proper capacitive charge storage.

강유전체 셀의 물리적인 작동은 PZT(PbZrTiO3), PLZT(PbLaZrTiO3), 및 그밖에 잘 알려진 물질들과 같은 단순한 강유전체 물질에 대한 도 5에 도시된 메커니즘을 따르는 것으로 믿어진다. 이들 첫 번째 세 물질들은 PLZT의 경우에 있어서, PbZrO3, PbTiO3, LaZrO3, 및 LaNbO3조성물들의 합금으로서 최상의 특성을 나타낸다. PNZT(PbNbZrTiO3)에 대해서 유사한 특성들이 있어야 한다. 이들 물질들에 대한 단위 셀은 일반적으로 정방정계 즉, 그 하나가 값 c 및 그 나머지 두 개가 동일한 값 a를 갖는 3개의 수직 단위 벡터들을 갖는 직사각형 셀이다. 대부분의 강유전체 재료들에 대해, c는 a보다 크다. c/a 비율은 상기 강유전체 물질의 정방정계 인자로 정의될 것이다. 상기 단위 셀은 납(Pb)의 그 모서리들에 란탄(La), 또는 니오븀(Nb)중의 8개의 희토류 원소들(82), 그 6개의 직사각형 면에 6개의 산소(O) 원소들(84), 및 일반적으로 상기 정방정계 셀의 중심에 위치하는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr)등중의 하나의 카티온 원소로 구성된다. 그러나, 상기 큐리 온도(Curie) 미만에서, 저에너지 카티온 위치는 오프셋 위치들(86a, 86b)중 하나에서 상기 셀 중심의 위 및 아래중 하나에 위치한다. 상기 셀로부터 상기 카티온의 변위는 쌍안정 강유전체 성질을 제공한다. 상기 카티온이 취하는 상기 두 개의 오프셋 위치들(86a, 86b)중 어느 한 위치는 상기 셀의 분극 상태를 결정한다.The physical operation of ferroelectric cells is believed to follow the mechanism shown in FIG. 5 for simple ferroelectric materials such as PZT (PbZrTiO 3 ), PLZT (PbLaZrTiO 3 ), and other well known materials. These first three materials show the best properties as alloys of PbZrO 3 , PbTiO 3 , LaZrO 3 , and LaNbO 3 compositions in the case of PLZT. Similar properties should be present for PNZT (PbNbZrTiO 3 ). The unit cell for these materials is generally a tetragonal system, ie a rectangular cell with three vertical unit vectors, one of which has the value c and the other two having the same value a. For most ferroelectric materials, c is greater than a. The c / a ratio will be defined as the tetragonal factor of the ferroelectric material. The unit cell comprises eight rare earth elements 82 in lanthanum (La) or niobium (Nb) at its corners of lead (Pb), and six oxygen (O) elements (84) in its six rectangular planes. And generally a cation element such as titanium (Ti), zirconium (Zr), or the like located at the center of the tetragonal cell. However, below the Curie temperature, the low energy cation position is located one of the top and bottom of the cell center at one of the offset positions 86a, 86b. The displacement of the cation from the cell provides bistable ferroelectric properties. Any one of the two offset positions 86a, 86b that the cation takes determines the polarization state of the cell.

저전압 동작에 특히 유익한 셀의 설계를 제공하기 위해 강유전체 메모리 셀들의 알려진 특성들, 강점들, 및 약점들을 이용하는 것이 바람직하다.It is desirable to use known characteristics, strengths, and weaknesses of ferroelectric memory cells to provide a design of a cell that is particularly beneficial for low voltage operation.

본 발명은 일반적으로 회티탄석 물질에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 강유전성 메모리 셀에서 사용되는 강유전성 물질에 관련된 것이다.The present invention relates generally to ash titanium material. In particular, the present invention relates to ferroelectric materials used in ferroelectric memory cells.

도 1은 강유전체 메모리 셀의 대표적인 개략도이다.1 is a representative schematic diagram of a ferroelectric memory cell.

도 2는 본 발명에서 실시할 수 있는 강유전성 메모리 셀의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a ferroelectric memory cell that can be implemented in the present invention.

도 3은 강유전성 셀의 중요한 상유전성 파라미터를 도시한 그래프이다.FIG. 3 is a graph depicting important phase dielectric parameters of ferroelectric cells.

도 4는 강유전성 메모리 셀과 관련된 독출/기록 회로소자를 도시한 전기적 개략 블록도이다.4 is an electrical schematic block diagram illustrating read / write circuitry associated with ferroelectric memory cells.

도 5는 PZT, PLZT, 및 다른 회티탄석같은 강유전성 물질의 결정 구조의 개략적인 정사형을 도시한 것이다.FIG. 5 shows a schematic square of the crystal structure of ferroelectric materials, such as PZT, PLZT, and other grayitite.

도 6은 납 란탄 지토티타네이트의 두 합성물에 대한 히스테리시스 곡선들의그래프이다.6 is a graph of hysteresis curves for two compounds of lead lanthanum zitotitanate.

도 7은 본 발명의 PLZT 합성물에 대한 상이한 폴링 전압에 대한 히스테리시스 곡선들의 그래프이다.7 is a graph of hysteresis curves for different polling voltages for the PLZT composite of the present invention.

도 8은 납 니오븀 지토티타네이트의 세 합성물에 대한 히스테리시스 곡선들의 그래프이다.8 is a graph of hysteresis curves for three compounds of lead niobium zitotitanate.

도 9는 3가지 값의 니오븀 함유량을 갖는 PNZT로 구성된 셀들을 위한 폴링 전압의 기증으로서 스위치된 편광의 그래프이다.9 is a graph of polarized light switched as a donation of polling voltage for cells composed of PNZT with three values of niobium content.

도 10은 세 가지 PNZT 셀들의 폴링 전압의 기능으로서 고압 전압의 그래프이다.10 is a graph of high voltage as a function of polling voltage of three PNZT cells.

도 11은 세 PNZT 셀들을 위한 피로파괴 주기의 기능으로서 바이폴라 스위치된 편광의 그래프이다.11 is a graph of bipolar switched polarization as a function of fatigue break cycle for three PNZT cells.

일 실시예에 따라서, 본 발명은 금속-산화 전극 층상에 형성되는 결정학정으로 지향된 강유전체 층을 갖는 강유전체 커패시터 셀로서 요약될 수 있다. 상기 강유전체 물질은 낮은 정방정계 인자 즉, 정방정계의 회티탄석(perovskite)에 대한 저 c/a 비율을 갖는 조성물을 갖도록 선택된다. 특히, 상기 정방정계 인자는 최적의 유전체 특성들보다 열등한 특성을 제공하는 복합 강유전체 합금의 조성물을 지적한다. 그럼에도 불구하고, 강유전체 셀은 보다 낮은 정방정계 인자로 인해 보다 좋은 피로 특성들 나타낼 수 있으며, 보다 좋은 특성들은 집적화된 메모리들에서 사용되는 전압 레벨들에 의해 폴링될 수 없을 수 있다. 그 효과는 납 란탄 지르코늄 티타네이트(PLZT) 및 납 니오브 지르코늄 티타네이트(PNZT)에 대해 증명했다.According to one embodiment, the present invention can be summarized as a ferroelectric capacitor cell having a ferroelectric layer directed to crystallization formed on a metal-oxide electrode layer. The ferroelectric material is selected to have a composition having a low tetragonal factor, ie a low c / a ratio for tetragonal perovskite. In particular, the tetragonal factor points to compositions of composite ferroelectric alloys that provide properties inferior to optimal dielectric properties. Nevertheless, ferroelectric cells may exhibit better fatigue characteristics due to lower tetragonal factor, and better characteristics may not be polled by the voltage levels used in integrated memories. The effect was demonstrated for lead lanthanum zirconium titanate (PLZT) and lead niobium zirconium titanate (PNZT).

개선된 강유전성 집적회로들에 대하여, 상기 고압 전압 Vc과 최대 동작 전압 Vmax은 상기 고압 전압이 가능한 한 높아야 한다고 믿었던 종래기술과는 대조적으로, 단지 사용가능한 고가(high value)이여야 한다.For improved ferroelectric integrated circuits, the high voltage Vc and the maximum operating voltage Vmax should be only high value available, in contrast to the prior art which believed that the high voltage should be as high as possible.

본 발명은 poor 피로파괴 특성 및 지나친 높은 동작 전압을 제외한 good 강유전성 작용을 촉진하는 큰 정방성과, good 피로파괴 특성 및 낮은 동작 전압을 제외한 poor 강유전성 특성을 드러내는 작은 정방성 사이의 조건들을 상쇄하는데 대한 이익을 시도한다.The present invention benefits from offsetting the conditions between large tetragonality that promotes good ferroelectric behavior excluding poor fatigue failure characteristics and excessive high operating voltages, and small tetragonality that exhibits poor ferroelectric characteristics except good fatigue fracture characteristics and low operating voltages. Try.

도 5에서 도시한 강유전성 물질의 c/a 요소는 상기 강유전성 작용 및 피로파괴 특성에 대한 중요한 관계를 갖는다. 적은 c/a 비율은 상기 단위 셀이 입방 대칭에 가까운 반면, 더 큰 비율은 상기 셀의 더 큰 정방성의 결과라는 것을 의미한다. 일반적으로, 상기 c/a 비율이 더 커질수록, 최대 편광 Pmax의 큰 값들에 의하여 증명된 물질의 편광성 및 잔존하는 편광 Pr의 편광성은 더 커진다. 큰 c/a 비율은 좀 더 직사각형의 히스테리시스 루프(70)를 발생시켜서, 큰 고압의 전압 Vc에 기여함을 또한 나타낸다. 그러나, 전에 설명하였듯이, 큰 고압 전압 Vc가 항상 바람직한 것은 아니다.The c / a element of the ferroelectric material shown in FIG. 5 has an important relationship to the ferroelectric action and fatigue failure characteristics. A small c / a ratio means that the unit cell is close to cubic symmetry, while a larger ratio is the result of greater tetragonality of the cell. In general, the greater the c / a ratio, the greater the polarization of the material and the polarization of the remaining polarization Pr as evidenced by the large values of the maximum polarization Pmax. The large c / a ratio also results in a more rectangular hysteresis loop 70, which also contributes to the large high voltage Vc. However, as explained before, a large high voltage Vc is not always desirable.

큰 c/a 비율은 피로파괴 특성에 기여하고, 결과로서 상기 히스테리시스의 네모짐을 더 감소시킬 수 있음을 나타낸다. 이들 회티탄석 물질들은 거의 항상 퀴리(Curie)온도 이상에서 성장되어, 성장한 상기 물질은 단일 격자 치수가 a´인 정방형 격자 구조를 갖는다. 개선된 강유전성 집적 회로를 위해 필요한 결정학적으로 방향성 물질들에 있어서, 상기 성장된 정방형 물질은 적층적으로 방향지워진 몇 도예를 들면, LSCO가 있다. 상기 물질이 퀴리(Curie)온도 미만으로 차가와짐에 따라, 상기 물질은 도 5의 정방 구조로 변환한다. 상기 물질이 위상 변화(transition)와 교차하여 차가와짐에 따라, 상기 변화(transition)으로부터 멀리 떨어진 온도에서 열적 팽창 영향을 무시하면, 격자 상수는 다른 치수에 있어서 상기 격자 상수가 a´에서 c로 증가하는 동안, 두 치수에 있어서 a´에서 a로 감소한다. 그럼에도 불구하고, 새로운 정방성 물질이 그런 변화(transition)를 수행하지 않은 기판에 극소로 가까이 모여있는 상태로 남는다. 결과로서, 변화(transition)는 상기 강유전성 물질에서 많은 양의 스트레스를 인가하며, 특히, 형판 층과의 경계면에 가까울수록 더 많은 양의 스트레스를 인가하고, 상기 스트레스는 c/a 비율을 얻기 위하여 더 크다. 그런 스트레스의 높은 레벨들은 결정학적으로 방향성 강유전체들에서 피로파괴 및 누른 자국에 공헌하는 몇 개의 메커니즘을 구동하도록 기대된다. 종래기술에서 종래의 다결정 강유전체들에서, 원자의 형판은 없으며, 상기 정방성 단결정질은 상기 단결정질 면 위에 더 높은 격자의 부적당한 짝을 수용할 수 있다. 따라서, 특히, 결정학적으로 방향성 정방성 회티탄석에 대해, 큰 c/a 비율은 심각하게 피로파괴를 증가시킬 수 있는 야기된 스트레스의 더 많은 양을 포함한다. 그것은 또한, 큰 c/a 비율이 상기 강유전체 편광의 더 느린 스위칭에 이르게 한다 믿어진다.Large c / a ratios contribute to fatigue fracture properties, indicating that the squareness of the hysteresis can be further reduced. These gray titanium materials are almost always grown above the Curie temperature, so that the grown material has a square lattice structure with a single lattice dimension a '. In the crystallographically directional materials required for improved ferroelectric integrated circuits, the grown square material is in several layers, for example LSCO, stacked in direction. As the material cools below the Curie temperature, the material converts to the tetragonal structure of FIG. As the material crosses over a phase transition and neglects the effect of thermal expansion at temperatures far from the transition, the lattice constant is changed from a 'to c in other dimensions. While increasing, decreases from a 'to a in both dimensions. Nevertheless, the new tetragonal material remains extremely close to the substrate that did not make such a transition. As a result, transitions apply a large amount of stress in the ferroelectric material, in particular, the closer to the interface with the template layer, the greater the amount of stress, and the stress is more to obtain a c / a ratio. Big. Such high levels of stress are expected to drive several mechanisms that crystallographically contribute to fatigue fracture and depression in directional ferroelectrics. In conventional polycrystalline ferroelectrics in the prior art, there is no template of atoms, and the tetragonal monocrystalline can accommodate an inadequate pair of higher lattice on the monocrystalline face. Thus, especially for crystallographically oriented tetragonal gray titanite, a large c / a ratio includes a greater amount of stress caused which can seriously increase fatigue failure. It is also believed that a large c / a ratio leads to slower switching of the ferroelectric polarization.

제2 효과는 상기 물질이 상기 성장 온도로부터 상기 퀴리 온도 이하까지 냉각됨에 따라, 정방성 구조에 대해 세 가지 가능한 배향이 있다는 것이다. 도 5의 상기 구조는 일반적으로 c축이 상기 형판층(templating layer)의 평편에 수직한 바람직한 방향이다. 이것은 c영역이다. 그러나, 국부적인 스케일에서, 두 개의 a축들의 하나 또는 그 다른 것은 상기 평면에 놓인 상기 c축과 상기 형판층에 수직한 것이 또한 가능하다. 이들 배향들은 a 영역들이다. a 및 c 배향들의 존재는 두 개의 다른 방향성 영역 사이의 영역 벽들을 발생시킨다. 일정한 c 영역들이 바람직하며, 일반적으로 a 영역들은 이웃하는 c 영역들의 배향을 어닐링(anneal)할 것이며, 더 큰 영역들을 형성할 것이다. 그러나, c/a의 값이 크다면, 더 낮은 온도에서의 어떠한 어닐링(annealing)도 존재하는 결정구조로부터 중요한 왜곡을 포함하며, 전이는 순조롭다 할 지라도 활성화되기는 어렵다. 상기 다중 배향들은 준안정일 수 있다.송 등은 "Activation field of ferroelectric (Pb,La)(Zr,Ti)O3capacitors" Applied Physics Letters, vol.71, no.15, October 1997, pp.2211-2213"에서 그 효과를 설명하고 있다.The second effect is that as the material cools from the growth temperature to below the Curie temperature, there are three possible orientations for the tetragonal structure. The structure of FIG. 5 is generally the preferred direction in which the c-axis is perpendicular to the plane of the template layer. This is area c. However, on a local scale, it is also possible that one or the other of the two a axes is perpendicular to the c axis and the template layer lying in the plane. These orientations are a regions. The presence of a and c orientations results in region walls between two different directional regions. Constant c regions are preferred, and generally a regions will anneal the orientation of neighboring c regions and form larger regions. However, if the value of c / a is large, it involves significant distortion from the crystal structure where any annealing at lower temperatures exists, and the transition is difficult to activate even if smooth. The multiple orientations may be metastable. Song et al., "Activation field of ferroelectric (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 capacitors" Applied Physics Letters, vol. 71, no. 15, October 1997, pp. 2221- The effect is described in 2213 ".

게다가, 강유전성 셀의 동작은 편광 영역의 스위칭에 결국 의존한다. 그들 사이에 90°의 영역 벽들과 함께 다수의 영역들을 포함하는 강유전체가 오직 180°영역 벽들을 갖는 것들과 비교하여 스위치하기 위하여 더 높은 필드를 요구한다는 것은 주지된 사실이다. 여기서, 우세하게 c축으로 배향된 강유전성 물질에 있어서, c영역으로부터 상기 다수의 배향 발생을 억압하는 것이 바람직하다.In addition, the operation of the ferroelectric cell eventually depends on the switching of the polarization region. It is well known that ferroelectrics containing multiple zones with 90 ° zone walls between them require a higher field to switch as compared to those with only 180 ° zone walls. Here, in the ferroelectric material oriented predominantly in the c-axis, it is preferable to suppress the occurrence of the plurality of alignments from the c region.

상기 고찰에 근거하여, 더 낮은 전압에서 작동되어질 필요가 있는 강유전성 집적회로는 더 낮은 정방성의 강유전성 물질을 포함하여야 한다. 즉, 비록 상기 unity 이상의 값을 갖더라도 c/a비율을 감소해야 한다. 상기 c/a비율은 두 방향에 있어서, 동일하거나 거의 동일한 a축 격자 벡터들을 갖는 물질들을 위한 정방성 요소로서 기술되어질 수 있다. 비록, 배향 효과가 더 낮은 c/a비율에 의하여 떨어질 수 있다 하더라도, 그들은 정말 여전히 적당하다. 동시에, 상기 피로파괴 특성은 감소된 스트레인(strain)으로 인하여 향상된다. 게다가, 상기 물질은 순수하게 c축 배향성 물질로 어닐링 하는 것이 더 쉬워졌다. 또, 더 낮은 정방성의 상기 강유전성 셀들은 더 쉽게 스위칭되도록 기대된다. 즉, 상기 스위칭 속도가 증가된다.Based on the above considerations, ferroelectric integrated circuits that need to be operated at lower voltages should include lower tetragonal ferroelectric materials. That is, the c / a ratio should be reduced even though the value is greater than the unity. The c / a ratio can be described as a tetragonal element for materials with the same or nearly identical a-axis lattice vectors in two directions. Although the orientation effect can be dropped by lower c / a ratios, they are still really suitable. At the same time, the fatigue failure properties are improved due to the reduced strain. In addition, the material became easier to anneal purely to c-axis oriented material. In addition, lower tetragonal ferroelectric cells are expected to switch more easily. That is, the switching speed is increased.

이하, 실험에 기초하여, 약 0.01의 c/a비율은 가장 바람직하고, 영향력있는 결과들은 1.005로 될 때까지 확장하는 정방성 요소의 값들과 함께 획득된다.Based on the experiments below, a c / a ratio of about 0.01 is most preferred, and influential results are obtained with the values of the tetragonal element extending until 1.005.

강유전성 물질의 바람직한 분류는 PLZT 즉, Pb1-xLaxZryTi1-y이다. 더 완전한 지정은 예를 들어, 7/36/35 즉, x=7%, y=65%, 그리고, 1-y=35%이다. 따라서, 지정량은 x/y/1-y이다. 일반적으로 x의 큰 값은 강유전성 효과를 감소시키지만, 감소된 정방성 때문에 결정체의 품질은 부여받는다. x가 약 65%로 고가인 PLZT는 광전자 장치에 사용되어지지만, 상기 x값들에서 상기 물질은 비정방성이다. 감소된 전압 작동에 대하여 PLZT가 6과 12% 사이의 x를 함유하는 La를 가져야 한다.A preferred classification of ferroelectric material is PLZT, ie Pb 1-x La x Zr y Ti 1-y . A more complete designation is, for example, 7/36/35, ie x = 7%, y = 65%, and 1-y = 35%. Therefore, the specified amount is x / y / 1-y. In general, a large value of x reduces the ferroelectric effect, but the quality of the crystal is given because of the reduced tetragonality. PLZT, where x is about 65% expensive, is used in optoelectronic devices, but at the x values the material is non-square. For reduced voltage operation the PLZT should have La containing between 6 and 12% x.

미국특허 제 5,270,298호에서 라마쉬에 의한 본 발명의 실시예 중 하나는 x=10%, y=20% 즉, 10/20/80의 조성을 갖는 PLZT와 함께 강유전성 셀 구조를 포함한다. 두 기본형 캐패시터 구조들은 인용된 특허의 방법에 따라 조성되어진다. 한 조성은 (0/20/80)이고, 다른 것은 (10/20/80)으로, x는 0% 와 10%를 교차시킨다. 표 1에서 이들 물질들의 박막 필름을 위한 결정학적인 파라미터들이 주어진다. Yang 등은 "Low voltage performance of Pb(Zr, Ti)O capacitors through donor doping" Applied Physics Letters, vol.71, no.25, 12월 1997, 3578~3580페이지에서 유사한 결과를 보고하고 있다.One embodiment of the present invention by Lamarsh in US Pat. No. 5,270,298 includes a ferroelectric cell structure with PLZT having a composition of x = 10%, y = 20%, ie 10/20/80. Two basic capacitor structures are constructed according to the method of the cited patent. One composition is (0/20/80), the other is (10/20/80), where x crosses 0% and 10%. In Table 1 the crystallographic parameters for thin films of these materials are given. Yang et al. Reported similar results in "Low voltage performance of Pb (Zr, Ti) O capacitors through donor doping" Applied Physics Letters, vol. 71, no.25, December 1997, pages 3578-3580.

x(%)x (%) c(nm)c (nm) a(nm)a (nm) c/ac / a 00 0.4110.411 0.3950.395 1.0341.034 33 0.4100.410 0.3960.396 1.0301.030 1010 0.40250.4025 0.3960.396 1.0161.016

펄스된 히스테리시스 곡선들은 두 개의 샘플들을 측정한 것이다. 상기 결과는 도 6에 도시되어 있다. 루프(90)에서 상기 PZT 샘플(x=0) 은 매우 정사각형 특성을 보이는 반면, 루프(92)에서 x=10%를 갖는 PLZT 샘플은 정사각형 모양을 덜 띤다. 뒤에, x=0.3인 PLZT 캐패시터에 대한 히스테리시스 곡선을 측정하면 도 6의 그래프들의 중간에 위치하는 결과를 보인다.Pulsed hysteresis curves measure two samples. The results are shown in FIG. The PZT sample (x = 0) in loop 90 is very square in nature, while the PLZT sample with x = 10% in loop 92 is less square in shape. Later, measuring the hysteresis curve for a PLZT capacitor with x = 0.3 shows a result located in the middle of the graphs of FIG.

x=0.1인 PLZT 샘플은 많은 펄스 폴링 전압(Pulsed poling voltage)들을 위해 테스트되었다. 상기 히스테리시스 루프들은 도 7에 도시되어 있다. : 5V 폴링을 위한 루프 94; 2.3V 폴링을 위한 루프 96; 그리고 2V 폴링을 위한 루프 98. x=0.1인 PLZT 샘플에 대하여, 포화 편광은 5V에서 약 35μC/㎠이고, 고압적인 전압 Vc는 모두 약 0.6V이다.PLZT samples with x = 0.1 were tested for many pulsed poling voltages. The hysteresis loops are shown in FIG. Loop 94 for 5V polling; Loop 96 for 2.3V polling; And Loop 98 for 2 V polling. For PLZT samples with x = 0.1, the saturation polarization is about 35 μC / cm 2 at 5 V and the high-voltage voltage Vc is all about 0.6 V.

상기 x=0.1인 PLZT 캐패시터는 실내온도 및 100℃ 둘 다에서 피로파괴에 대하여 테스트된다. 상기 피로파괴 및 테스트 펄스들은 둘다 약 2V였다. 상기 샘플들은 본질적으로 1011사이클까지는 피로파괴가 없음을 보였다. x=0.3인 PLZT 캐패시터로 한 다른 테스트는 더 좋은 초기 편광을 보이지만, 109사이클이 넘는 피로파괴는 x=0.1인 PLZT에 대하여 그것 이하로 편광성을 감소시킨다.The PLZT capacitor with x = 0.1 is tested for fatigue failure at both room temperature and 100 ° C. The fatigue breakdown and test pulses were both about 2V. The samples showed essentially no fatigue failure up to 10 11 cycles. Other tests with PLZT capacitors with x = 0.3 show better initial polarization, but fatigue breaks over 10 9 cycles reduce the polarization below that for PLZT with x = 0.1.

미리 제안하였듯이, a축 영역의 더욱 적은 발생으로 인하여, 더 높은-란탄 강유전체는 더 높게 편광된 더 낮은-란탄 강유전체 보다 더 낮은 에너지를 갖으며 스위칭 될 것이다. 동작 셀에 있어서, 상기 장점은 ...As previously suggested, due to less generation of the a-axis region, higher-lanthanum ferroelectrics will switch with lower energy than higher polarized lower-lanthanum ferroelectrics. In operating cells, the advantages are ...

실험적 결과는 다른 정방성의 강유전체를 갖는 유사하게 제작된 셀들 사이에서 직접 비교하는 것은 가능하지 않다. 그러나, 펄스-폭 측정은 아마도 PLZT가 PZT보다 더 낮은 정방성 요소를 갖기 때문에, PLZT 캐패시터들이 PZT 캐패시터 보다 더 긴 펄스 폭에서 다소 스위칭할 수 있는 편광을 덜 가질 수 있다. 그러나 상기펄스 폭이 100ns를 향하여 감소됨에 따라, PZT의 상기 스위칭할 수 있는 편광은 실질적으로 감소하는 반면, PLZT는 더욱 적게 감소된다. 따라서, 더 높은-란탄 PLZT가 매우 짧은 펄스 폭을 갖고서 더 잘 동작하리라 기대된다.Experimental results are not directly comparable between similarly fabricated cells with different tetragonal ferroelectrics. However, pulse-width measurements may have less polarization that PLZT capacitors can switch somewhat at longer pulse widths than PZT capacitors, since PLZT has lower tetragonal elements than PZT capacitors. However, as the pulse width is reduced towards 100 ns, the switchable polarization of PZT is substantially reduced while PLZT is less reduced. Thus, it is expected that higher-lanthanum PLZTs will work better with very short pulse widths.

PLZT에 대한 결과들은 정방성 요소 c/a 값이 1.030보다 적은 1.016에서 우월한 결과를 얻을 수 있음을 나타낸다. 1.01의 정방성 요소값은 상기 강유전성 셀의 낮은 전압 동작에 더 좋은 결과를 제공해야하며, 1.005의 정방성 요소값은 유익할 것이다.The results for PLZT indicate that superior results can be obtained at 1.016 where the square element c / a value is less than 1.030. A square element value of 1.01 should provide better results for low voltage operation of the ferroelectric cell, and a square element value of 1.005 would be beneficial.

다른 바람직한 강유전성 물질은 PNZT, Pb1-xNbxZryTi1-yO3이다. 비록, 편광 효과면에서 덜 극적이더라도 상기 물질은 PLZT와 유사하게 반응한다. 그러나, 상기 피로파괴 및 시간 효과는 실질적이다.Another preferred ferroelectric material is PNZT, Pb 1-x Nb x Zr y Ti 1-y O 3 . Although less dramatic in polarization effects, the material reacts similarly to PLZT. However, the fatigue failure and time effects are substantial.

기본형 테스트 캐패시터 구조들의 시리즈들은 종래의 펄스 제거 증착(PLD)기술을 사용하여 제조되어진다. (100) 방향성을 갖는 실리콘 기판은 먼저 TiN 장벽층으로 커버된다. 상기 TiN 으로 커버된 기판은 PLD 처리를 하여 백금 절연층으로 커버되어진다. 상기 강유전체층들은 600℃의 산화 환경에서 PLD에 의하여 성장되어진다. 상기 강유전성 적재층은 LSCO의 더 낮은 접촉/형판 레이어, PNZT 강유전체층, 및 LSCO의 상단 접속 레이어로 구성되어 있다.Series of basic test capacitor structures are fabricated using conventional pulse removal deposition (PLD) techniques. The (100) oriented silicon substrate is first covered with a TiN barrier layer. The substrate covered with TiN is covered with a platinum insulating layer by a PLD process. The ferroelectric layers are grown by PLD in an oxidizing environment at 600 ° C. The ferroelectric loading layer is comprised of a lower contact / template layer of LSCO, a PNZT ferroelectric layer, and a top connection layer of LSCO.

Pb1-xNbxZr0.2Ti0.8O3의 박막 필름의 결정학적 파라미터 즉, (x/80/20)PNZT 는 표 2에서 주어진다.The crystallographic parameters of the thin film of Pb 1-x Nb x Zr 0.2 Ti 0.8 O 3 , namely (x / 80/20) PNZT, are given in Table 2.

x(%)x (%) c(nm)c (nm) a(nm)a (nm) c/ac / a 00 0.41030.4103 0.39680.3968 1.0341.034 66 0.40880.4088 0.39750.3975 1.02841.0284 1010 0.40830.4083 0.39910.3991 1.02331.0233

도 8에 도시되었듯이, 상기 세 가지 조합에 대한 캐패시터 구조들의 히스테리시스 곡선들은 4.5V의 폴링 전압을 갖는 것으로 측정되어진다. 루프(100)는 x=0인 히스테리시스를 보이고 있다. 즉, PZT; x=6% 인 루프(102); 및 x=10% 인 루프(104) 이다. 상기 편광 특성은 x=6% 인 경우 좀 감소되며, x=10% 인 경우 더 실질적이 된다. 그럼에도 불구하고, 니오븀-리치 샘플은 좋은 히스테리시스 특성을 나타낸다.As shown in Fig. 8, the hysteresis curves of the capacitor structures for the three combinations are measured to have a falling voltage of 4.5V. Loop 100 exhibits hysteresis with x = 0. That is, PZT; loop 102 with x = 6%; And loop 104 with x = 10%. The polarization characteristic is slightly reduced when x = 6%, and becomes more substantial when x = 10%. Nevertheless, niobium-rich samples exhibit good hysteresis characteristics.

유사한 히스테리시스 특성들은 다양한 니오븀이 포함된 (Ti0.9Al0.1)N의 장벽층을 사용하여 얻어진다. 이들 커브들의 근접한 해석은 최대 인가 전압이 감소되고 장치들이 약화됨에 따라 흥미로운 결과를 보인다. 도 9에서, 최대 인가 전압 Vmax의 함수로써, 스위칭된 편광 ΔP=P*-P^에 대한 곡선들을 도시하고 있다. 곡선(110)은 x=0%인 경우 Nb 포함에 대한 스위칭 편광을 나타낸다. ; 곡선(112)은 x=6%인 경우; 및 곡선(114)은 x=10% 인 경우이다. Nb를 포함하지 않는 샘플 즉, PZT는 5V의 가장 높은 스위칭 전압에서, 가장 큰 스위칭된 편광을 드러낸다. x=6%를 갖는 상기 샘플은 다소 감소되어지고, 니오븀을 가장 많이 포함하는 것은 최소한의 스위칭된 편광을 드러낸다. 4V에서, 차이점은 훨씬 더 크다. 그러나, 상기 최대 전압들이 3V이하로 감소됨에 따라, 상기 상황은 변한다. 2V에서, 결과들은 6% 및 10%와 동일하다. 도 10에서 Nb 내용물의 동일한 세 가지 값들에 대한 최대 인가 전압 Vmax의 기능으로써 고압적인 전압 Vc를 보이고 있다. 제1 곡선(120)은 x=0인경우; 제2 곡선(122)은 x=6%; 및 제3 곡선(124)은 x=10% 인 경우에 대한 값을 준다. Vc의 낮은 값들은 Vsat의 낮은 값들 및 더 낮은 전압 특성에 대응한다.Similar hysteresis characteristics are obtained using a barrier layer of (Ti 0.9 Al 0.1 ) N containing various niobium. Close interpretation of these curves shows interesting results as the maximum applied voltage is reduced and the devices are weakened. In Fig. 9 the curves for the switched polarized light ΔP = P * −P ^ are shown as a function of the maximum applied voltage Vmax. Curve 110 shows the switching polarization for Nb inclusion when x = 0%. ; Curve 112 is x = 6%; And curve 114 when x = 10%. A sample that does not contain Nb, PZT, exhibits the largest switched polarization at the highest switching voltage of 5V. The sample with x = 6% is somewhat reduced, with the most containing niobium reveals minimal switched polarization. At 4V, the difference is much larger. However, as the maximum voltages decrease below 3V, the situation changes. At 2V, the results are equal to 6% and 10%. 10 shows the high voltage Vc as a function of the maximum applied voltage Vmax for the same three values of the Nb content. The first curve 120 is x = 0; Second curve 122 is x = 6%; And the third curve 124 gives a value for the case where x = 10%. Lower values of Vc correspond to lower values of Vsat and lower voltage characteristics.

상기 피로파괴 결과들은 더욱 더 흥미롭다. 상기 메모리 셀들은 1MHz에서 ±3V 의 바이폴로 펄스들로 지친다. 그들의 바이폴라의 스위칭된 편광 ±P는 피로파괴 주기동안 여러번 측정되어, 그 결과들은 도 11에 도시되어 있다. 제1 곡선들(130)은 x=0 일 경우에 상기 스위칭된 편광을 제공한다; 제2 곡선들(132)은 x=6%인 경우; 및 곡선들(134)은 x=10%인 경우이다. 피로파괴 없이, 더 낮은 Nb 포함물을 갖는 상기 셀들은 x=10%를 갖는 상기 셀보다 더 잘 스위칭된 편광을 제시한다. 그러나, 확장된 피로파괴 후에 x=0인 상기 셀들은 심각하게 가치가 떨어지며, 6%의 함유량 Nb와 함께 더 좋은 전체 결과를 보인다.The fatigue failure results are even more interesting. The memory cells are tired with bipolar pulses of ± 3V at 1MHz. The switched polarizations ± P of their bipolars were measured several times during the fatigue failure cycle, and the results are shown in FIG. First curves 130 provide the switched polarization when x = 0; The second curves 132 are x = 6%; And curves 134 when x = 10%. Without fatigue failure, the cells with lower Nb inclusions show better switched polarization than the cells with x = 10%. However, after extended fatigue failure the cells with x = 0 are significantly less valuable, with better overall results with a content of Nb of 6%.

따라서, La 또는 Nb 내용물은 상업적으로 다양한 강유전성 메모리 셀들을 일반적으로 추천된 것들 위에 레벨을 올려야만 한다. PLZT에서, Zr 분율이 약 20% 일 때, 란탄 분율 최소 3% 이어야 하며, 바람직하게는 6% 이상 12% 이하이어야 한다. 만일 타당한 편광성이 수행되어진다면, 15%는 바람직한 La 분율의 최대치이다. 상기 La 분율의 가장 큰 값은 비강유전성 상에서 PLZT가 형성함에 의하여 제한된다. 상기 La분율이 훨씬 적어서, 바람직하게는 약 2%이면, 상기 Zr 분극은 50% 까지 증가될 수 있다.Thus, the La or Nb content must level commercially various ferroelectric memory cells above those generally recommended. In PLZT, when the Zr fraction is about 20%, the lanthanum fraction should be at least 3%, preferably at least 6% and at most 12%. If reasonable polarization is performed, 15% is the maximum of the desired La fraction. The largest value of the La fraction is limited by the formation of PLZT in the non-ferroelectric phase. If the La fraction is much less, preferably about 2%, the Zr polarization can be increased by 50%.

PNZT에서 동일한 수들이 Zr 및 Nb 분극들에 적용된다. 정방성 요소 c/a에 의하여 표현하자면, PNZT에서 1.029 미만으로 감소되어야 하며, 바람직하게는 1.025 미만이다. PNZT 정방성 요소와 함께 1.020까지 감소되도록 범위를 확장하는 유익한결과들을 기대한다.The same numbers in PNZT apply to Zr and Nb polarizations. Expressed by the tetragonal element c / a, it should be reduced to less than 1.029 in the PNZT, preferably less than 1.025. With the PNZT tetragonal component, we expect the beneficial results to extend the range to be reduced to 1.020.

도 1에서 표시된 현재 메모리 셀은 상기 예들에서 사용된 정밀한 구조를 설명하기 위하여 제시된다. 결정학적으로 방향성 강유전체들의 다른 구조들도 사용될 수 있다. 보다 바람직하게 도트 등에 의한 1996년 1월 3일자로 출원된 미국특허출원 08/582,545 및 1997년 6월 19일자로 출원된 미국특허출원 08/871,059에 의하여 공개된 내부 금속 장벽을 통합시키는 것 같은 어떠한 백금도 요구하지 않는다. 전자는 PCT 출원 WO97/25745에 대응한다.The current memory cell indicated in FIG. 1 is presented to illustrate the precise structure used in the examples above. Crystallographically other structures of directional ferroelectrics can also be used. More preferably any such as incorporating an internal metal barrier disclosed by U.S. Patent Application 08 / 582,545 filed Jan. 3, 1996, and U.S. Patent Application 08 / 871,059, filed June 19,1997 by Dot et al. Platinum is not required either. The former corresponds to PCT application WO97 / 25745.

비록 본 발명이 특별한 PLZT 및 PNZT의 복합물에 대하여 기술하였다 하더라도, 여기에 한정되지 않는다. 란탄 및 니오븀과는 다른 희토류는 더 높은 편광 효과를 발생하는 분율과 관련한 정방성을 감소시키는 분율들로 사용되어 질 수 있다.Although the present invention has been described with respect to particular composites of PLZT and PNZT, it is not limited thereto. Rare earths other than lanthanum and niobium can be used with fractions that reduce tetragonality with respect to fractions that produce higher polarization effects.

따라서, 본 발명은 불필요한 편광을 필요한 스트레스 감소로 교환하여, 더 적은 피로파괴 및 더 높은 스위칭 속도를 갖는 강유전성 셀을 제공한다.Thus, the present invention exchanges unnecessary polarization with the required stress reduction, providing a ferroelectric cell with less fatigue breakdown and higher switching speed.

Claims (16)

산화금속 제1 전극;A metal oxide first electrode; 회티탄석 결정 구조를 갖으며, Pb, Zr, Ti, O와 적어도 하나의 추가적인 희토류 원소로 구성된 상기 제1 전극 위에 형성된 강유전체층;A ferroelectric layer having a gray titaniumite crystal structure and formed on the first electrode composed of Pb, Zr, Ti, O and at least one additional rare earth element; 상기 강유전체층 위에 형성된 제2 전극; 및A second electrode formed on the ferroelectric layer; And 3V 미만의 최대 DC 전력 공급 전압을 갖으며, 상기 강유전체층 위에 저장된 전하를 전력, 제어, 및 독출을 위하여 상기 두 전극들에 연결된 회로소자를 포함하며,A circuit device having a maximum DC power supply voltage of less than 3V and connected to the two electrodes for power, control, and reading of charge stored on the ferroelectric layer, 상기 강유전체층은 상기 최대 DC 전력 공급 전압에서 상기 회로소자가 동작하도록 충분한 분율의 적어도 하나의 희토류 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 셀.And the ferroelectric layer comprises at least one rare earth element in a fraction sufficient for the circuitry to operate at the maximum DC power supply voltage. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 희토류 원소는 La인 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 셀.The ferroelectric memory cell of claim 1, wherein the at least one rare earth element is La. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 희토류 원소는 Nb인 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 셀.The ferroelectric memory cell of claim 1, wherein the at least one rare earth element is Nb. 제 1 항에 있어서, 상기 희토류 원소의 분율 x 대 납의 분율 1-x는 3% 이상인 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 셀.2. The ferroelectric memory cell of claim 1, wherein the fraction x of the rare earth element versus the fraction 1-x of lead is at least 3%. 제 4 항에 있어서, 상기 분율 x는 6% 이상인 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 셀.5. The ferroelectric memory cell of claim 4, wherein the fraction x is at least 6%. 제 4 항에 있어서, 상기 분율 x는 30% 미만인 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 셀.5. The ferroelectric memory cell of claim 4, wherein the fraction x is less than 30%. 산화금속을 포함하는 제1 전극;A first electrode comprising a metal oxide; 회티탄석 결정구조를 갖으며, Pb1-xNbxZryTi1-yO3으로 구성되고, 여기서 x는 3% 이상인 상기 제1 전극 위에 형성된 강유전체층; 및A ferroelectric layer having a gray titanium crystal structure and composed of Pb 1-x Nb x Zr y Ti 1-y O 3 , wherein x is 3% or more; And 상기 강유전체층 위에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.And a second electrode formed on the ferroelectric layer. 제 5 항에 있어서, y는 15% 내지 30% 사이인 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.6. The ferroelectric cell of claim 5, wherein y is between 15% and 30%. 제 2 항에 있어서, y는 약 20%인 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.3. The ferroelectric cell of claim 2, wherein y is about 20%. 제 9 항에 있어서, x는 6% 이상인 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.10. The ferroelectric cell of claim 9, wherein x is at least 6%. 제 10 항에 있어서, x는 15% 보다 적은 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.The ferroelectric cell of claim 10, wherein x is less than 15%. 산화금속을 포함하는 제1 전극;A first electrode comprising a metal oxide; 상기 제1 전극 위에 형성되며, 제1 양의 제1 희토류 원소, 제2 양의 제2 희토류 원소, 적어도 하나의 카티온 원소, 및 산소를 포함하며, 제1 정방성 요소와 함께 제1 회티탄석 결정 구조를 형성하는 강유전체층; 및A first gray titanium formed on the first electrode and including a first positive first rare earth element, a second positive second rare earth element, at least one cation element, and oxygen, together with the first tetragonal element A ferroelectric layer forming a stone crystal structure; And 상기 강유전체층 위에 형성된 제2 전극을 포함하며,A second electrode formed on the ferroelectric layer, 상기 제1 양 및 제2 양들은, 상기 강유전체층이 상기 제1 희토류 원소가 조금도 없이 제2 회티탄석 결정 구조 속에 형성되어지는 경우, 상기 제1 정방성 요소가 제2 정방성 요소보다 적은 값을 갖도록 선택되며, 상기 제1 회티탄석 결정 구조의 제1 편광 특성은 상기 제2 의 적어도 하나의 대응하는 제2 편광 특성들보다 적은 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.The first and second quantities are values in which the first tetragonal element is less than the second tetragonal element when the ferroelectric layer is formed in the second ashite crystal structure without any of the first rare earth elements. And wherein the first polarization characteristic of the first ashite crystal structure is less than the second at least one corresponding second polarization characteristics. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 양 및 제2 양들은, 상기 강유전체층이 상기 제2 희토류 원소가 조금도 없이 제3 회티탄석 결정 구조 속에 형성되어지는 경우, 상기 제1 정방성 요소가 제3 정방성 요소보다 적은 값을 갖도록 선택되며, 상기 제1 회티탄석 결정 구조의 제1 편광은 상기 제2 의 적어도 하나의 대응하는 제3 편광 특성들보다 적은 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.13. The method of claim 12, wherein the first amount and the second amount, the first tetragonal element is a third when the ferroelectric layer is formed in the third ashite crystal structure without any second rare earth element A ferroelectric cell, selected to have a value less than a tetragonal element, wherein the first polarization of the first tartanite crystal structure is less than the second at least one corresponding third polarization characteristics. 제12 항에 있어서, 3V 미만의 최대 DC 전력 공급 전압을 갖으며, 상기 강유전체층 위에 저장된 전하에 전력공급, 전하 제어, 및 전하 독출을 위해 상기 두 전극들과 연결된 회로소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.13. The circuit of claim 12, further comprising circuitry having a maximum DC power supply voltage of less than 3V and connected to the two electrodes for powering, charge control, and readout charges stored on the ferroelectric layer. Ferroelectric cell. 제 12 항에 있어서, 상기 강유전체층은 Pb, La, Zr, Ti, 및 O를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.13. The ferroelectric cell of claim 12, wherein the ferroelectric layer comprises Pb, La, Zr, Ti, and O. 제 12 항에 있어서, 상기 강유전체층은 Pb, Nb, Zr, Ti, 및 O를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 셀.13. The ferroelectric cell of claim 12, wherein the ferroelectric layer comprises Pb, Nb, Zr, Ti, and O.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210073701A (en) * 2019-12-10 2021-06-21 브이메모리 주식회사 Variable low resistance line based electronic device and controlling thereof

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3791614B2 (en) * 2002-10-24 2006-06-28 セイコーエプソン株式会社 Ferroelectric film, ferroelectric memory device, piezoelectric element, semiconductor element, piezoelectric actuator, liquid ejecting head, and printer
JP2006024748A (en) * 2004-07-08 2006-01-26 Fujitsu Ltd Semiconductor device with ferroelectric capacitor and its manufacturing method
JP5103706B2 (en) * 2004-07-30 2012-12-19 富士通株式会社 Semiconductor device having ferroelectric capacitor and manufacturing method thereof
JP4303209B2 (en) 2005-02-04 2009-07-29 富士通株式会社 Ferroelectric element and method for manufacturing ferroelectric element
JP4257537B2 (en) 2005-06-02 2009-04-22 セイコーエプソン株式会社 Ferroelectric layer manufacturing method, electronic device manufacturing method, ferroelectric memory device manufacturing method, piezoelectric element manufacturing method, and ink jet recording head manufacturing method
JP6036460B2 (en) * 2013-03-26 2016-11-30 三菱マテリアル株式会社 Method for forming PNbZT ferroelectric thin film
TWI739051B (en) 2018-12-13 2021-09-11 財團法人工業技術研究院 Ferroelectric memories
TWI744784B (en) 2020-02-03 2021-11-01 財團法人工業技術研究院 Ferroelectric memories and method for fabricating the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5270298A (en) * 1992-03-05 1993-12-14 Bell Communications Research, Inc. Cubic metal oxide thin film epitaxially grown on silicon
US5248564A (en) * 1992-12-09 1993-09-28 Bell Communications Research, Inc. C-axis perovskite thin films grown on silicon dioxide
US5777356A (en) * 1996-01-03 1998-07-07 Bell Communications Research, Inc. Platinum-free ferroelectric memory cell with intermetallic barrier layer and method of making same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210073701A (en) * 2019-12-10 2021-06-21 브이메모리 주식회사 Variable low resistance line based electronic device and controlling thereof

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