JP3275335B2 - Icにおける強誘電性キャパシタおよびその製造方法 - Google Patents
Icにおける強誘電性キャパシタおよびその製造方法Info
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Description
ものであり、特に導電性酸化物からなる層を有する強誘
電性キャパシタおよびその製造方法に関する。
は、今日では注目を浴びている。これは強誘電性キャパ
シタが強誘電性記憶装置に使用できること、および個別
の薄膜状であることに起因している(米国特許4,87
3,664;4,809,225;4,853,89
3;4,918,654;4,910,708;4,9
14,627;4,893,272;4,888,73
3;これら全ての特許は米国、コロラドのRamtron Corp
oration of Colorado Springsによって出願されてい
る。)。
ャパシタの製造に使用される。しかし残念ながら、今日
では白金電極を強誘電性キャパシタに使用するに際して
は多くの問題が生じている。これらの問題の中の一つ
は、USSN−368,668を基本にしているEPO
−404,295(Al)、米国特許No.5,500
5,102(ICキャパシタ用多分子層電極)に開示さ
れている。
称されている酸化物を使用して製造されている。この”
PZT”は鉛、ジルコニウム、そしてチタンの酸化物を
含有するものであり、一般にその形状は溶液もしくは混
合物である。PZTは一般的には貴金属からなる下部電
極と上部電極とに挟まれて使用されている。そして下部
電極は、酸化シリコンまたは他の適当な誘電体上に直接
積層されている。強誘電性キャパシタの製造に白金(も
しくは他の貴金属)を使用すると、白金または他の貴金
属と誘電体との界面の粘着力が不十分となる。界面の粘
着力が不十分であると、電極と誘電体との間に亀裂が生
じるという不安がある。
一つの手段として、白金の下に”接着剤”の役割を有す
る層をチタン(Ti)またはクロム(Cr)により形成
することが検討されている。しかしながら、チタンとク
ロムの両方とも容易に白金に拡散してしまう。チタンま
たはクロムが白金に拡散し、PZTとの界面にまでその
拡散が及ぶのであれば、チタンまたはクロムは酸化さ
れ、そして結果的にはそのキャパシタの電気的な特性は
低下してしまうであろう。
合には、白金はミラー指数が(111)で示される結晶
面が基板と平行となるように原子配向する傾向がある。
しかしながら、これら従来の技術を使用すると、白金の
原子配向を制御または変化させることができなかった。
それ故、基板に平行な原子配向を制御する層が必要とな
る。
タ用の電極として使用することは従来から考えられてい
た。例えば、インジウムスズ酸化物(ITO)は研究の
分野では電極として一般に使用可能であろうとされてい
た。しかしながら、ITOの導電率はICに使用するに
は余りに小さすぎた。さらに、ITOとエピタクシーの
可能性は研究の分野において検討されていない。アルミ
ニウムは強誘電性キャパシタの上部電極として従来から
使用されている金属の一つである。(Ramtron's EPO 40
4,295(A1), supraを参照。)酸化アルミニウムはPZT
とアルミニウム界面を形成するが、残念ながら薄膜(1
ミクロン以下)の電気的特性に対して明かに悪影響を及
ぼしていた。
で、上記従来のデバイスが有していた欠点を有すること
のない導電性電極層を備えた強誘電性キャパシタおよび
その製造方法を提供することを目的とする。
シタでは、貴金属からなる第1層と、上記第1層上に形
成され導電性酸化物層からなる第2層と、上記第2層上
に形成され強誘電性酸化物からなる第3層と、上記第3
層上に形成され導電性酸化物層からなる第4層と、上記
第4層上に形成され貴金属層からなる第5層とから構成
し、前記第2層が酸化レニウムを含有することにより前
記問題の解決を図った。
は、貴金属からなる第1層を形成し、前記第1層上に導
電性酸化物からなる第2層を形成し、前記第2層上に強
誘電性物質からなる第3層を形成し、前記第3層上に導
電性酸化物からなる第4層を形成し、前記第4層上に貴
金属からなる第5層を形成し、前記第2層を酸化レニウ
ムを含有する材料を用いて形成することにより前記問題
の解決を図った。
界面の粘着力に関する問題を解決するための貴金属から
なる層(以下、貴金属層と略称する。)と導電性酸化物
からなる層(以下、導電性酸化物層と略称する。)との
使用方法に関する。
る。まず、強誘電性キャパシタの第1層は貴金属からな
り、その上には導電性酸化層が形成されている。さら
に、強誘電性物質が上記導電性酸化物層上に(キャパシ
タ誘電体として)載置され、この強誘電性物質層上には
導電性酸化物からなる他の層と、貴金属からなる他の層
とが形成されている。
シタの第1層が導電性酸化物によって構成されている。
そしてこの第1層は成長SiO2 層の上に形成されてい
る。前記導電性酸化物層上には貴金属層が形成されてい
る。さらに、貴金属層と導電性酸化物層との間には混合
物が存在するであろう。また、他の導電性酸化物層は接
着剤の役割をなす層として貴金属層上に形成されてい
る。この接着剤の役割をなす層は、最小限の量であるな
ら混合物が拡散してもなんら支障はきたさない。しか
し、上記強誘電性層の界面に存在する混合物は好ましい
ものではない。なぜならこの混合物は強誘電性に対して
悪影響を及ぼすからである。強誘電性層は導電性酸化物
層上に形成されている。導電性酸化物層の界面は機械的
にも、そして強誘電性物質に対しても優れた電気的性質
を有する。導電性酸化物層に挟まれた貴金属層はキャパ
シタに対して必要な導電性を有する層である。そのた
め、これらの層はインターコネクトとして使用されるで
あろう。強誘電体の上部には同じ様な構造からなる導電
性酸化物層、貴金属層、他の導電性酸化物層が形成され
ている。
造方法にも関する。一般に、強誘電性キャパシタの製造
方法は基板上に層を形成し、その層を焼鈍する工程から
構成されている。
強誘電性キャパシタの導電性電極層およびその製造方法
を詳しく説明する。
性キャパシタの導電性酸化物層を示す断面図である。図
1中10aは貴金属層を示す。この貴金属層10aは第
1層を形成するものであり、白金、パラジウムもしくは
金のいずれかの貴金属によって形成されている。本実施
例では白金を使用した場合に付いて例示する。ついで、
導電性酸化物層20aを前記貴金属層10a上に形成す
る。この時の形成方法としては、例えば蒸着法を例示で
きる。導電性酸化物層20aをなす素材としては酸化レ
ニウムを例示できる。ついで例えば、レッドジルコネイ
トチタネイト(Lead zirconate titanate)からなる強
誘電性物質層30を上記導電性酸化物層20a上に形成
する。この強誘電性物質層30はキャパシタの誘電体の
機能を有する。加えて、PZTのドーパントとしては、
例えばランタン(La)、スズ(Sn)、またはニオブ
(Nb)等を例示できる。これらは導電体として使用さ
れるものである。ついで、強誘電性物質層30上に前記
導電性酸化物層20aではない他の導電性酸化物層20
bを形成し、さらにその上に貴金属層10bを形成す
る。
性キャパシタの導電性酸化物層を示す断面図である。こ
の導電性酸化物層を形成するにはまず、導電性酸化物か
らなる追加層20cを上記第2層である貴金属層10b
の上(最上部でもある)に形成する。さらに、導電性酸
化物層20dを上記第1層である貴金属層10aの下に
形成する。強誘電性物質層30に隣接する位置に導電性
酸化物層20a、20bを形成したことにより、この導
電性酸化物層20a、20bは粘着層として機能する。
さらに、これら導電性酸化物層20a、20bは導電性
を有するので、絶縁性酸化物と同様に、キャパシタの電
気的特性を低下させることはないであろう。また、白金
または他の貴金属に拡散することは、これらの導電性酸
化物層20a、20bにとっては不都合である。導電性
酸化物層20a、20bを他の導電性を有する層に積層
することは重要なことである。なぜなら、それ自体が充
分導電体として機能するからである。しかし、白金から
なる貴金属層10a、10bは優れた導体なので、この
貴金属層10a、10bを使用することによって上記問
題は解決できる。
20a、20b、そして追加層20c,20dの厚さ
は、好ましくは各々200オングストローム以上200
0オングストローム以下がよい。これら導電性酸化物層
20a,20bおよび追加層20c,20dは薄膜とし
て使用するので、薄膜として充分な厚さを有する方がよ
い。もし、該膜厚が上記厚さの範囲内に形成されない
と、不都合が確実に生じるであろう。貴金属層10a,
10bの厚さは、好ましくは、500オングストローム
以上3000オングストローム以下がよい。上記強誘電
性物質層30の厚さは500オングストローム以上10
000オングストローム以下がよい。強誘電性物質層3
0の厚さは使用する電圧に依存している。さらに、強誘
電性キャパシタを最小限の大きさにするためには、全て
の層ができるだけ薄く形成される必要がある。
Oを形成する場合、導電性酸化物を使用する有用性は、
例えばITOを例示して説明すると、ITOの格子構造
がPZTおよび白金の格子構造と非常に相性がよいこと
である。従って、エピタクシャル成長が起こる。表1
は、白金、ITO、そしてPZTの空間を比較したもの
である。表1中、(hkl)は結晶面のミラー指数を示
す。例えば、(111)はh=1、k=1、l=1を示
す。
1)である白金の結晶面は基板や積層物に平行になるよ
うに形成されているので、白金は一般に配向し易い傾向
がある。例えば、被覆したり、成長させたりすることに
より形成し酸化シリコンを電極層の素材として使用する
ときには、ミラー指数が(111)を示す白金は(10
0)を示すシリコンの基板に配向し易い傾向がある。し
かし、特別な積層工程によれば、(111)を示す白金
からなる面を有するITO層の(411)面に配向する
ことも可能であるし、さらに(411)を示すITO層
上に(111)を示すPZT誘電体に配向することも可
能である。この現象はキャパシタの電気的特性が証明し
ている。
好ましい製造方法は焼鈍工程と、形成工程とによって構
成されている。本発明の特徴的な層は、例えば積層によ
って形成することができるが、より好ましい形成方法は
イオンクラスタービーム(ICB)法であり、この方法
は全ての層に適用可能である。
の制御は可能である。さらにイオンクラスタービーム法
によれば、密度の改善、加えて配向制御も可能となる。
この方法によれば長期間に渡って信頼性を維持できる等
の優れた電気的特性を有する強誘電性キャパシタを提供
することができる。スパッタリング、蒸着、分子線エピ
タキシ法、そしてイオンプレーティング法等の他の積層
方法は他の層の形成時にも使用することができる。イオ
ンプレーティングまたは分子線エピタキシ法を使用する
ことは可能なので、これらの方法は蒸着法またはスパッ
タリング法より優れている。層の形成は各々の位置関係
を変えることなく行われることが望ましい。さらに、予
め洗浄工程がなされているなら、積層工程において真空
に引く作業を数回行うことも可能である。
ことのない積層工程では、ICBを使用した場合、約0
kVから6.0kVまでの範囲の加速度ポテンシャル
(Vm)、約0mAから200mAまでの範囲のイオン
電流(Ic )、そして基板を約25℃から900℃の範
囲で加熱すること等の条件が必要である。実施例1にお
けるより好ましい積層工程は以下の通りである。
(Vm )、イオン電流(Ic )を使用し、さらに配向を
制御するための基板を加熱して、貴金属層10aを積層
する。 (2) 必要な場合は上記貴金属層10aを焼鈍する。 (3) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、さらに配向
を制御するために基板を加熱して導電性酸化物層20a
を積層する。 (4) 必要であるなら上記導電性酸化物層20aを焼
鈍する。 (5) Vm 、Ic を使用し、さらに基板を加熱し、そ
して最も配向し易いオゾンガス雰囲気下で 強誘電性物
質層30を形成する。 (6) 必要であるなら強誘電性物質層30を焼鈍す
る。 (7) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、さらに基板
を加熱して導電性酸化物からなる他の導電性酸化物層2
0bを形成し、必要であるなら焼鈍する。 (8) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、さらに基板
を加熱して貴金属からなる他の貴金属層10bを形成
し、ついで焼鈍する。より好ましくはこれらの作業は一
度の工程で行う。
た典型的な各々の層の位置関係を変えることのない積層
工程は、約0kVから約6.0までの範囲の加速度ポテ
ンシャル(Vm )、約0mAから200mAまでの範囲
のイオン電流(Ic )、そして基板を約25℃から90
0℃の範囲で加熱すること等の条件が必要である。実施
例2におけるより好ましい積層工程は以下の通りであ
る。
(Vm )、イオン電流(Ic )を使用し、同時に配向を
制御するために基板を加熱して、導電性酸化物層20d
を積層する。 (2) 必要であるなら上記導電性酸化物層20dを各
々の位置関係を変えることなく焼鈍する。 (3) 真空破壊なしに、最も効果的なVm 、Ic を使
用し、さらに配向を制御するために基板を加熱して、上
記導電性酸化物層20d上に貴金属層10aを積層す
る。 (4) 必要であるなら上記貴金属層10aを焼鈍す
る。 (5) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、同時に基板
を加熱して他の導電性酸化物層20aを上記貴金属層1
0a上に形成する。 (6) 必要であるなら上記導電性酸化物層20aを焼
鈍する。 (7) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、同時に基板
を加熱し、さらにオゾンガス雰囲気下であり最も配向し
易い状況で強誘電性層30を形成する。 (8) 必要であるなら上記強誘電性物質層30を焼鈍
する。 (9) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、さらに基板
を加熱して他の導電性酸化物層20bを上記強誘電性物
質層30上に形成し、ついで焼鈍する。 (10) 最も効果的なVm 、Ic を使用し、さらに基
板を加熱して他の貴金属層10bを形成し、次に必要で
あるなら焼鈍する。 (11) 最も効果的なVm 、Ic により、さらに基板
を加熱して他の導電性酸化物層20cを形成し、ついで
必要であるなら焼鈍する。より好ましくはこの工程は1
工程で行うことが望ましい。
ことなく形成されることが望ましい。これによって界面
をよりコントロールできるし、さらに界面を最小限に形
成することが可能となる。真空破壊を避けることが特に
必要な工程がある。例えば、もし導電性酸化物と強誘電
性物質とが真空を維持した状態でかつ1工程で形成でき
るなら、その界面は最小限となり、不純物も除去でき
る。しかしながら、全ての層を各々の位置関係を変える
ことなく積層することが不可能なケースもいくつかあ
る。予め洗浄工程を行いさえすれば、数種の工程に渡っ
ても層を形成することができる。
されないということは言うまでもない。
属からなる第1層と、上記第1層上に形成され導電性酸
化物層からなる第2層と、上記第2層上に形成され強誘
電性酸化物からなる第3層と、上記第3層上に形成され
導電性酸化物層からなる第4層と、上記第4層上に形成
され貴金属層からなる第5層とから構成し、前記第2層
が酸化レニウムを含有するので、第1層の貴金属の拡散
を第2層である導電性酸化物層によって制御することが
できる。従って本発明の強誘電性キャパシタの導電性電
極を用いれば、信頼性等の優れた電気的特性を有する強
誘電性キャパシタを提供することができる。
の製造方法では、貴金属からなる第1層を形成し、前記
第1層上に導電性酸化物からなる第2層を形成し、前記
第2層上に強誘電性物質からなる第3層を形成し、前記
第3層上に導電性酸化物からなる第4層を形成し、前記
第4層上に貴金属からなる第5層を形成し、前記第2層
を酸化レニウムを含有する材料を用いて形成するので、
第1層の貴金属の拡散を第2層である導電性酸化物層を
形成することによって制御することができる。従って本
発明の強誘電性キャパシタの導電性電極の製造方法によ
れば、信頼性等の優れた電気的特性を有する強誘電性キ
ャパシタを提供することができる。
面図。
面図。
Claims (33)
- 【請求項1】 貴金属からなる第1層と、前記第1層上
に形成され導電性酸化物からなる第2層と、前記第2層
上に形成され強誘電性物質からなる第3層と、前記第3
層上に形成され導電性酸化物からなる第4層と、前記第
4層上に形成され貴金属からなる第5層とから構成さ
れ、前記第2層が酸化レニウムを含有することを特徴と
する強誘電性キャパシタ。 - 【請求項2】 前記第1層と第5層との厚さが約500
オングストローム以上3000オングストローム以下で
あることを特徴とする請求項1記載の強誘電性キャパシ
タ。 - 【請求項3】 前記第2層と第4層との厚さが約200
オングストローム以上2000オングストローム以下で
あることを特徴とする請求項1記載の強誘電性キャパシ
タ。 - 【請求項4】 前記第3層の厚さが約500オングスト
ローム以上約10000オングストローム以下であるこ
とを特徴とする請求項1記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項5】 前記貴金属が白金、パラジウム、または
金を含有することを特徴とする請求項1記載の強誘電性
キャパシタ。 - 【請求項6】 前記貴金属がパラジウムを含有している
ことを特徴とする請求項1記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項7】 前記強誘電性物質がレッドジルコネイト
チタネイト(lead zirconate titanate )であることを
特徴とする請求項1記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項8】 前記レッドジルコネイトチタネイト(le
ad zirconate titanate )がランタン、スズ、またはニ
オブをドーパントとして含有していることを特徴とする
請求項7記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項9】 前記第4層を構成する導電性酸化物がイ
ンジウムスズ酸化物、酸化ルテニウム、または酸化レニ
ウムを含有することを特徴とする請求項1記載の強誘電
性キャパシタ。 - 【請求項10】 前記第4層を構成する導電性酸化物が
インジウムスズ酸化物を含有することを特徴とする請求
項1記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項11】 前記層が各々接触していることを特徴
とする請求項1記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項12】 導電性酸化物からなる第1層と、前記
第1層上に形成され貴金属からなる第2層と、前記第2
層上に形成され導電性酸化物からなる第3層と、前記第
3層上に形成され強誘電性物質からなる第4層と、前記
第4層上に形成されかつ導電性酸化物からなる第5層
と、前記第5層上に形成されかつ貴金属からなる第6層
とから構成され、前記第3層が酸化レニウムを含有する
ことを特徴とする強誘電性キャパシタ。 - 【請求項13】 前記第1層が成長SiO2 からなるこ
とを特徴とする請求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項14】 前記第1層、第3層、第5層の厚さが
約200オングストローム以上2000オングストロー
ム以下であることを特徴とする請求項12記載の強誘電
性キャパシタ。 - 【請求項15】 前記第二層と第六層との厚さが約50
0オングストローム以上3000オングストローム以下
であることを特徴とする請求項12記載の強誘電性キャ
パシタ。 - 【請求項16】 前記第四層の厚さが約500オングス
トローム以上10000オングストローム以下であるこ
とを特徴とする請求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項17】 前記貴金属が白金、パラジウム、また
は金を含有することを特徴とする請求項12記載の強誘
電性キャパシタ。 - 【請求項18】 前記貴金属が白金を含有することを特
徴とする請求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項19】 前記強誘電性物質がレッドジルコネイ
トチタネイト(leadzirconate titanate) であること
を特徴とする請求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項20】 前記レッドジルコネイトチタネイト
(lead zirconate titanate) がランタン、スズまたは
ニオブをドーパントとして含有することを特徴とする請
求項19記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項21】 前記第1層および前記第5層を構成す
る導電性酸化物がインジウムスズ酸化物、酸化ルテニウ
ム、または酸化レニウムを含有することを特徴とする請
求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項22】 前記第1層および前記第5層を構成す
る導電性酸化物がインジウムスズ酸化物を含有すること
を特徴とする請求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項23】 前記層が各々接触していることを特徴
とする請求項12記載の強誘電性キャパシタ。 - 【請求項24】 強誘電性キャパシタを製造する方法で
あって、貴金属からなる第1層を形成し、前記第1層上
に導電性酸化物からなる第2層を形成し、前記第2層上
に強誘電性物質からなる第3層を形成し、前記第3層上
に導電性酸化物からなる第4層を形成し、前記第4層上
に貴金属からなる第5層を形成し、前記第2層を酸化レ
ニウムを含有する材料を用いて形成することを特徴とす
る強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項25】 前記層が蒸着によって形成されている
ことを特徴とする請求項24記載の強誘電性キャパシタ
の製造方法。 - 【請求項26】 前記層が各々の位置関係を変えること
のない蒸着法によって形成されていることを特徴とする
請求項25記載の強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項27】 前記層がイオンクラスタービームによ
って蒸着されていることを特徴とする請求項25記載の
強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項28】 約0kV以上約6.0kV以下の加速
度ポテンシャル、約0mA以上200mA以下のイオン
電流、そして約25℃以上900℃以下の範囲で基板を
加熱するという条件下で前記層を蒸着することを特徴と
する請求項25記載の強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項29】 強誘電性キャパシタを製造する方法で
あって、導電性酸化物からなる第1層を形成し、前記第
1層上に貴金属を含有する第二層を形成し、前記第二層
上に導電性酸化物を含有する第三層を形成し、前記第三
層上に強誘電性物質を含有する第四層を形成し、前記第
四層上に導電性酸化物を含有する第五層を形成し、前記
第五層上に貴金属を含有する第六層を形成し、前記第三
層を酸化レニウムを含有する材料を用いて形成すること
を特徴とする強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項30】 前記層を蒸着によって形成することを
特徴とする請求項29記載の強誘電性キャパシタの製造
方法。 - 【請求項31】 前記層が各々の位置関係を変えること
のない蒸着法によって形成されることを特徴とする請求
項30記載の強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項32】 前記層がイオンクラスタービームによ
って蒸着されていることを特徴とする請求項30記載の
強誘電性キャパシタの製造方法。 - 【請求項33】 約0kV以上約6.0kV以下の加速
度ポテンシャル、約0mA以上200mA以下のイオン
電流、そして約25℃以上900℃以下の範囲で基板を
加熱するという条件下で前記層を蒸着することを特徴と
する請求項30記載の強誘電性キャパシタの製造方法。
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