JP3461398B2

JP3461398B2 - 誘電体キャパシタおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3461398B2
Application number: JP00446395A
Authority: JP
Inventors: 孝中村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 2003-10-27
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: JPH07245237A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は誘電体キャパシタに関
するものであり、特にその強誘電性の向上に関するもの
である。

【０００２】従来の強誘電体キャパシタを、図２９に示
す。シリコン基板２の上に、酸化シリコン層４が形成さ
れている。その上に、白金からなる下部電極６が設けら
れている。下部電極６の上には、強誘電体層であるＰＺ
Ｔ(PbZr_XTi_1-XO₃)膜８が設けられ、さらにその上には、
白金からなる上部電極１０が設けられている。このよう
にして、下部電極６、ＰＺＴ膜８、上部電極１０によ
り、強誘電体キャパシタが形成される。

【０００３】なお、ここで、下部電極６として白金を用
いているのは、次のような理由によるものである。ＰＺ
Ｔ膜８は、配向膜の上に形成しなければならない。アモ
ルファス膜の上に形成すると、配向しないため強誘電性
が損なわれてしまうからである。一方、下部電極６は、
シリコン基板２から絶縁した状態で形成しなければなら
ない。このため、シリコン基板２上に酸化シリコン層４
を形成している。この酸化シリコン層４はアモルファス
である。一般に、アモルファスの上に形成した膜は無配
向膜となるが、白金はアモルファスの上においても、配
向膜となる性質を有している。このような理由から、下
部電極として白金が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の強誘電体キャパシタには、次のような問題
点があった。

【０００５】白金は酸素を透過しやすいため、強誘電体
（ＰＺＴ）内の酸素の抜け出し、経年変化および分極反
転の繰り返しによって強誘電性が低下するという問題が
あった。つまり、図３０に示すように、白金の柱状結晶
の間から、強誘電体中の酸素が抜け出すおそれがあっ
た。

【０００６】また、このような問題は高誘電率を有する
誘電体を用いたキャパシタにおいても同様に生じてい
た。

【０００７】この発明は、上記の問題点を解決して、経
年劣化および分極反転の繰り返しによる劣化の少ない強
誘電体キャパシタまたは高誘電率を有する誘電体キャパ
シタを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】なお、この発明におい
て、「キャパシタ」とは絶縁体の両側に電極が設けられ
た構造を指すものであり、電気の蓄積に用いられると否
とにかかわらず、この構造を有するものを含む概念であ
る。

【０００９】本発明の誘電体キャパシタは、基板と、前
記基板の上に酸化シリコン層を介して形成され、少なく
とも酸化イリジウム層とその上に形成されたイリジウム
層とを有する下部電極と、下部電極の上に形成され、強
誘電体または高誘電率を有する誘電体によって構成され
る誘電体層と、誘電体層の上に形成された上部電極と、
を備えている。

【００１０】また、本発明は、前記誘電体キャパシタに
おいて、前記下部電極は、スパッタリングによって形成
された酸化イリジウム層によって構成されている。

【００１１】また、本発明の誘電体キャパシタは、基板
と、前記基板の上に酸化シリコン層を介して形成され、
少なくとも酸化イリジウム層とその上に形成された白金
とイリジウムの合金層とを有する下部電極と、下部電極
の上に形成され、強誘電体または高誘電率を有する誘電
体によって構成される誘電体層と、誘電体層の上に形成
された上部電極とを備えている。

【００１２】また、本発明は、上記誘電体キャパシタに
おいて、前記下部電極は、前記酸化シリコン層に接する
接合層を有している。

【００１３】また、本発明の誘電体キャパシタは、基板
と、前記基板の上に酸化シリコン膜を介して形成された
イリジウム層と、前記イリジウム層の上に結晶配向性の
良い導電性薄膜として白金とイリジウムの合金層を形成
した状態で前記イリジウム層を酸化することによって形
成された酸化イリジウム層とを含む下部電極と、前記下
部電極の前記導電性薄膜上に形成され、強誘電体または
高誘電率を有する誘電体によって構成される誘電体層
と、前記誘電体層上に形成された上部電極とを備えてい
る。

【００１４】また、本発明の誘電体キャパシタは、下部
電極、下部電極の上に形成され、強誘電体または高誘電
率を有する誘電体によって構成される誘電体層、誘電体
層の上に形成された上部電極、を備えた誘電体キャパシ
タにおいて、前記下部電極は、イリジウム層の表面に結
晶配向性の良い導電性薄膜として白金とイリジウムの合
金層を形成した状態で前記イリジウム層を酸化して形成
したものであることを特徴とする。

【００１５】また、本発明の誘電体キャパシタの製造方
法は、基板上にスパッタリングによってイリジウム層を
形成するステップ、前記イリジウム層の表面に結晶配向
性が良く、酸化しにくい導電性薄膜を形成するステッ
プ、表面に前記導電性薄膜が形成されたイリジウム層を
酸化するステップ、前記導電性薄膜の上に強誘電体膜ま
たは高誘電率を有する誘電体膜を誘電体層として形成す
るステップ、前記誘電体層の上に上部電極を形成するス
テップ、を備えている。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】本発明の誘電体キャパシタは、下部電極に
酸化イリジウム層とこの上に形成されたイリジウム層と
を有している。したがって、誘電体層からの酸素の抜け
出しを防止することができ、誘電特性の経年変化を抑え
ることができる。すなわち、酸化イリジウム層は下地層
が配向しているか否かにかかわらず配向性を有しない
が、この酸化イリジウム層上に更にイリジウム層を設け
て形成した場合、イリジウム層が配向性をもつため、こ
の上層に形成される誘電体層は良好に配向し、電流積分
値がほとんど変化せず良好な特性を得ることが出来る。
また、酸化イリジウム層上にイリジウムを形成している
ため、酸素の抜け出しを防止しつつ、強誘電体層の配向
性を良好にすることができる。さらにまた、強誘電体層
中の鉛成分が下部電極の方に浸透することがないため、
インプリント特性が向上する。

【００３２】また本発明の誘電体キャパシタは、イリジ
ウム層の上に結晶配向性の良い導電層を設け、この導電
層の上に誘電体層を設けている。したがって、誘電体層
の配向性が良くなり、誘電特性の経年変化を抑えること
ができる。すなわち、前記イリジウム層の上に結晶配向
性の良い導電体層を形成した状態で酸化することによっ
て形成された酸化イリジウム層を含むように下部電極が
構成されている。このため、表面の良導電体層は酸素と
反応しないので酸化されず、イリジウム層の結晶間のみ
が酸化されて結晶間を塞ぎ、誘電体層からの酸素の透過
を良好に防止することが可能となる。また誘電体層が形
成される表面は配向性の良好な導電体であるため、この
上層に形成される誘電体層は極めて配向性よく形成され
る。

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】すなわち、強誘電性、高誘電性の良好な誘
電体キャパシタを提供することができる。

【００３８】

【実施例】図１に、この発明の一実施例による強誘電体
キャパシタの構図を示す。シリコン基板２の上に、酸化
シリコン層４、下部電極１２、強誘電体膜（強誘電体
層）８、上部電極１５が設けられている。下部電極１２
は酸化イリジウムによって形成されており、上部電極１
５も酸化イリジウムによって形成されている。

【００３９】図２に、白金とイリジウムの物性を比較し
て掲げる。この表からも明らかなように、酸化イリジウ
ムの抵抗率は、４９×１０^-6Ωcmであって、電極材料と
して問題はない。

【００４０】従来例の図３０に示すように、白金は柱状
の結晶であるため、強誘電体膜８中の酸素を透過してし
まう。この実施例では、酸化イリジウムを下部電極１２
として用いている。この酸化イリジウム層１２は、柱状
結晶でないため酸素を透過しにくい。したがって、強誘
電体膜８の酸素の欠乏を防ぐことができる。上部電極１
５についても同様である。これにより、強誘電体膜８の
強誘電性が向上した。この点については、後に実験デー
タとともに詳述する。

【００４１】なお、上記実施例では、下部電極１２、上
部電極１５の双方を酸化イリジウムによって形成してい
るので、酸素の透過を確実に防止することができる。し
かし、何れか一方だけでも、ある程度の効果を得ること
ができる。この点についても、後述する。

【００４２】上記のような強誘電体キャパシタは、たと
えば、図３に示すように、トランジスタ２４と組み合わ
せて、不揮発性メモリとして用いることができる。

【００４３】図４に、この発明の一実施例による強誘電
体キャパシタの製造工程を示す。シリコン基板２の表面
を熱酸化し、酸化シリコン層４を形成する（図４Ａ）。
ここでは、酸化シリコン層４の厚さを６００ｎｍとし
た。次に、イリジウムをターゲットとして用いて、反応
性スパッタリングにより酸化イリジウムを、酸化シリコ
ン層４の上に形成し、これを下部電極１２とする（図４
Ｂ）。ここでは、２００ｎｍの厚さに形成した。

【００４４】次に、この下部電極１２の上に、ゾルゲル
法によって、強誘電体層８としてＰＺＴ膜を形成する
（図４Ｃ）。出発原料として、Pb(CH₃COO)₂・3H₂O,Zr(tー
OC₄H₉)4、Ti(i-OC₃H₇)₄の混合溶液を用いた。この混合溶
液をスピンコートした後、１５０度（摂氏、以下同じ）
で乾燥させ、ドライエアー雰囲気において４００度で３
０秒の仮焼成を行った。これを５回繰り返した後、Ｏ₂
雰囲気中で、７００度以上の熱処理を施した。このよう
にして、２５０ｎｍの強誘電体層８を形成した。なお、
ここでは、PbZr_xTi_1-xO₃において、ｘを０．５２として
（以下ＰＺＴ（５２・４８）と表わす）、ＰＺＴ膜を形
成している。

【００４５】さらに、強誘電体層８の上に、反応性スパ
ッタリングにより酸化イリジウムを形成し、上部電極１
５とする（図４Ｄ）。ここでは、２００ｎｍの厚さに形
成した。このようにして、強誘電体キャパシタを得るこ
とができる。

【００４６】図５および図６に、強誘電体膜８としてＰ
ＺＴ（５２／４８）を用いて、強誘電体キャパシタを形
成した場合の、残留分極Ｐｒの疲労を示す。試験は、図
８のような構造で、ａ点とｂ点間に電圧を印加すること
によって行った。図７に示すような５Ｖと−５Ｖの電圧
を、上部電極１５と下部電極１２の間に印加して、残留
分極Ｐｒの劣化を測定した。なお、５Ｖと−５Ｖの電圧
の印加を１サイクルとした。また、電圧は、５００ＫＨ
ｚの周波数で印加した。

【００４７】図５および図６の縦軸は、最初の残留分極
をＰｏとし、疲労後の残留分極をＰｒとしたとき、Ｐｒ
／Ｐｏの値を表わしている。つまり、この値が大きいほ
ど劣化が著しいことになる。横軸は、図７の電圧を、何
サイクル繰り返して印加したかを表わしている。図中、
曲線５０は、上部電極１５、下部電極１２ともに酸化イ
リジウムで構成した場合、曲線５２は上部電極１５を白
金で、下部電極１２を酸化イリジウムで構成した場合、
曲線５４は上部電極１５を酸化イリジウムで、下部電極
１２を白金で構成した場合、上部電極１５、下部電極１
２ともに白金で構成した場合の特性変化である。

【００４８】この図からも明らかなように、上部電極１
５または下部電極１２のいずれかを酸化イリジウムで構
成すると、残留分極Ｐｒの劣化がかなり改善されること
が明らかである。特に、上部電極１５および下部電極１
２の双方を酸化イリジウムで構成すると、１０¹⁰サイク
ルまで劣化がほとんど生じないことが明らかである。

【００４９】ところで、酸化イリジウムは、下地層が配
向しているか否かにかかわらず配向性を有しない。この
ため、酸化イリジウムの上に形成される強誘電体膜８
も、配向しないこととなる。

【００５０】酸化イリジウムが下地層の配向いかんにか
かわらず、配向性をもたないことを検証するため、次の
ような試験を行った。シリコン基板２上に、直接、酸化
イリジウムを下部電極１２として形成した強誘電体キャ
パシタと、酸化シリコン層４上に酸化イリジウムを下部
電極１２として形成した強誘電体キャパシタとの特性の
比較を行った。図９に、そのヒステリシス特性を示す。
図９Ａが、酸化シリコン層４上に下部電極１２を形成し
た場合であり、図９Ｂがシリコン基板２上に、直接、酸
化イリジウムを下部電極１２として形成した場合であ
る。このグラフから明らかなように、酸化イリジウムの
下地層が、シリコンであるか酸化シリコンであるかにか
かわらず、強誘電体膜８の特性が同じであることが示さ
れている。これは、酸化イリジウムが、下地層が配向し
ているか否かにかかわらず、配向性を持たないためであ
ると思われる。

【００５１】下部電極１２の酸化イリジウム層が配向し
ていないと、その上に形成される強誘電体膜８の配向性
も悪くなる。したがって、酸化イリジウム層を用いつ
つ、強誘電体層８の配向性を向上させれば、さらに残留
分極Ｐｒの疲労特性が向上する。

【００５２】このためには、酸化イリジウム層の上に白
金層を形成して下部電極１２を構成すればよい。このよ
うにした場合の、特性の変化を図１０Ａに示す。このグ
ラフは、縦軸が分極の大きさを表わしており、横軸が図
６と同じ電圧の印加サイクルを表わしている。また、こ
のグラフでは、図１０Ｂに示すヒステリシス特性の特徴
量Ｐｒ、Ｐｍａｘ、Ｐ、Ｎの変化を示している。グラフ
から明らかなように、酸化イリジウム層の上に白金層を
設けることにより、特性の劣化がさらに改善されてい
る。つまり、１０11サイクルまで、劣化がほとんど生じ
ていない。

【００５３】なお、白金層に代えて、イリジウム層や白
金とイリジウムの合金等の、配向性の良い導電体層を設
けてもよい（後述のように、図２７の構造のものを用い
てもよい）。特に、白金とイリジウムの合金は、配合比
を変えることで格子定数を選択することができ、強誘電
体層との格子定数のマッチングをとりやすい。

【００５４】図１１に、強誘電体層８としてＰＺＴ（５
２／４８）を用い、下部電極１２としてPt_xIr_1-xを用い
て、白金とイリジウムの組成比ｘを変化させた場合の、
残留分極Ｐｒと抗電界Ｅｃの変化をグラフで示す。この
図からも明らかなように、下部電極１２として、白金の
みを用いた場合（ｘ＝１．０の場合）に比べて、イリジ
ウムとの合金を用いた場合の方が、残留分極Ｐｒが高い
値を示すことが明らかである。すなわち、強誘電性が向
上しているといえる。白金０％〜５０％の範囲において
顕著な特性の改善が得られており、特に白金２５％程度
をピークとして、２０％〜３０％の混合比において、極
めて優れた特性が得られている。したがって、酸化イリ
ジウム層の上に上記合金を形成すれば、優れた特性の強
誘電体膜８を得ることができる。

【００５５】なお、酸化イリジウム層の上に導電層を形
成して電極として用いる場合においても、図５、図６の
場合と同様に、上下双方の電極１５、１２に酸化イリジ
ウム層を有するように形成するのが好ましい。

【００５６】図１２、図１３に、上部電極１５に酸化イ
リジウム層とイリジウム層を用いた場合のヒステリシス
特性（図１２Ａ、図１３Ａ）と、上部電極１５にイリジ
ウム層のみを用いた場合のヒステリシス特性（図１２
Ｂ、図１３Ｂ）を示す。なお、下部電極は、両方の場合
ともに、酸化イリジウム層とイリジウム層によって形成
した。初期特性（図１２Ａ、図１２Ｂ）は双方とも変わ
らないが、１０⁸回（サイクル）にわたってパルスを印
加した後の特性（図１３Ａ、図１３Ｂ）は、明らかに、
上部電極１５にも酸化イリジウム層とイリジウム層を用
いた場合の方が優れている。これも、やはり、酸化イリ
ジウム層による酸素の抜け出しの防止による効果である
と思われる。

【００５７】なお、酸化イリジウム層の上に、白金を設
けた場合と、イリジウムを設けた場合とでは、上記のよ
うな残留分極Ｐｒ、抗電界Ｅｃの経年変化特性に違いは
なかった。しかしながら、強誘電体層８に一定方向のパ
ルスを連続的に印加したり、一定方向の分極状態のまま
長時間保持すると分極特性がかたよってしまうインプリ
ント特性において差が生じた。

【００５８】図１４に、酸化イリジウム層の上に白金を
設けて下部電極１２を形成した場合の、強誘電体キャパ
シタの特性を示す。このグラフは、分極状態にある強誘
電体キャパシタ（強誘電体膜８）に、分極方向とは異な
る電圧を印加した場合（図１５Ａに示す反転モード）
と、分極方向と同じ電圧を印加した場合（図１５Ｂに示
す非反転モード）の電流（単位面積当りの電流）の時間
的変化を示したものである。反転モードとなった場合の
ほうが大きな電流が流れることがわかる。

【００５９】この特性は、強誘電体キャパシタをメモリ
として用いたときに利用される。つまり、電圧を印加し
たときの電流の積分値をしきい値と比べて大小を判断
し、記録されていた情報を読み出すのに用いられる。し
たがって、使用期間の経過とともに、反転モードＱPの
場合の電流積分値が減少したり（つまり、しきい値に近
づく）、非反転モードの場合の電流積分値が増加したり
（つまり、しきい値に近づく）すると、誤読み出しを生
じるおそれがある。

【００６０】図１６に、強誘電体膜８（上部電極１５、
下部電極１２ともに、酸化イリジウム層の上に白金を設
けて形成した場合）に、同方向のパルスを３×１０⁹回
印加した後の、反転、非反転モードにおける電流を示
す。この実験結果からも明らかなように、反転モードＱ
P⁺の際の電流積分値が減少し、ほとんど、最初の非反転
モードＱU^-の積分値に等しくなるところまで近づいてい
る。

【００６１】図１７に、上記の場合の電流積分値の変化
を示す。横軸はパルスの印加サイクル（回数）であり、
縦軸は電流積分値である。グラフからもわかるように、
１０4回を越えたあたりから、電流積分値が大きく変化
しているのがわかる。

【００６２】図１８に、上部電極１５、下部電極１２と
もに、酸化イリジウム層の上にイリジウム層を設けて形
成した場合の、強誘電体膜８の電流積分値の変化を示
す。グラフからも明らかなように、電流積分値がほとん
ど変化せず、良好な特性が選られている。つまり、上記
のようなインプリント特性に関して、酸化イリジウムの
上に白金を形成した電極よりも、酸化イリジウムの上に
イリジウムを形成した電極の方が優れていることが明ら
かとなった。

【００６３】図１９に、上記の実験に用いた強誘電体キ
ャパシタの各層における元素の含有量を分析した結果を
示す。図１９Ａが酸化イリジウムの上に白金を形成した
場合であり、図１９Ｂが酸化イリジウムの上にイリジウ
ムを形成した場合である。横軸は上部電極の表面からの
深さを示し、縦軸は各元素の含有量を示している。

【００６４】このグラフから明らかなことは、図１９Ａ
の場合には、強誘電体層８中の鉛（Ｐｂ）成分が、下部
電極の白金（Ｐｔ）のところまで浸透していることであ
る。これに対し、図１９Ｂの場合には、強誘電体中８の
鉛（Ｐｂ）成分は、ほとんど下部電極のほうに浸透して
いない。これが、上記のような、インプリント特性に影
響を与えているものと思われる。

【００６５】図２０に、この発明の他の実施例による強
誘電体キャパシタの構造を示す。この実施例では、下部
電極１２と酸化シリコン層４との間に、チタン層（５ｎ
ｍ）を接合層３０として設けている。一般に、酸化イリ
ジウムと酸化シリコンとの密着性はあまり良くない。こ
のため、部分的に合金層がはがれ、強誘電特性を劣化さ
せるおそれがある。特に、合金中のイリジウムの比率が
高くなるほど、このことが顕著となる。そこで、この実
施例では、酸化シリコン層４と密着性のよいチタン層を
接合層３０として設けている。これにより、強誘電特性
を改善している。なお、チタン層は、スパッタリングに
よって形成すればよい。

【００６６】なお、上記実施例では、接合層３０として
チタン層を用いたが、接合性を改善する材料であれば、
どのようなものでもよい。例えば、白金層を用いてもよ
い。

【００６７】上記各実施例では、強誘電体膜８としてＰ
ＺＴを用いているが、酸化物強誘電体であれば、どのよ
うなものを用いてもよい。たとえば、Ba₄Ti₃O₁₂を用い
てもよい。

【００６８】この発明の他の実施例によるキャパシタを
図２１に示す。この実施例では、強誘電体層８に代え
て、高誘電率を有する誘電体層９０を用いている。酸化
シリコン層４の上に、酸化イリジウムの下部電極１２を
設け、その上にSrTiO₃,(Sr,Ba)TiO₃のペロブスカイト構
造を有する高誘電率薄膜を誘電体層９０として形成し
た。この場合も、強誘電体の場合と同様、誘電性の改善
が図られた。つまり、強誘電体層について述べたこと
が、高誘電率を有する誘電体層にも適用できることが明
らかとなった。

【００６９】図２２に、この発明の他の実施例による強
誘電体キャパシタの構造を示す。シリコン基板２の上
に、酸化シリコン層４、下部電極１２、強誘電体膜（強
誘電体層）８、上部電極１５が設けられている。下部電
極１２は、イリジウム層１１とその上に形成された酸化
イリジウム層によって形成されている。また、上部電極
１５は、イリジウム層７とその上に形成された酸化イリ
ジウム層９によって形成されている。

【００７０】下部電極１２近傍の拡大図を、図２３に示
す。イリジウム層１１は、柱状の結晶であるため、強誘
電体膜８中の酸素を透過してしまう。この実施例では、
イリジウム層１１の上部表面に酸化イリジウム層１３を
形成している。前述のように、この酸化イリジウム層１
３によって強誘電体膜８の酸素の欠乏を防ぐことができ
る。上部電極１５についても同様である。

【００７１】上記実施例では、下部電極１２、上部電極
１５の双方に酸化イリジウム層を形成しているので、経
年変化の少ない優れた特性の強誘電体キャパシタを得る
ことができる。なお、下部電極１２、上部電極１５の何
れか一方を、上記の構造にしても、ある程度の効果は得
られる。この点についても、後述する。

【００７２】図２４に、この強誘電体キャパシタの製造
工程を示す。シリコン基板２の表面を熱酸化し、酸化シ
リコン層４を形成する（図２４Ａ）。ここでは、酸化シ
リコン層４の厚さを６００ｎｍとした。次に、イリジウ
ムをターゲットとして用いて、イリジウム層１１を、酸
化シリコン層４の上に形成する（図２４Ｂ）。次に、Ｏ
2雰囲気中で８００度、１分の熱処理を行い、イリジウ
ム層１１の表面に酸化イリジウム層１３を形成する。こ
のイリジウム層１１と酸化イリジウム層１３を、下部電
極１２とする。ここでは、下部電極を、２００ｎｍの厚
さに形成した。

【００７３】次に、この下部電極１２の上に、ゾルゲル
法によって、強誘電体層８としてＰＺＴ膜を形成する
（図２４Ｃ）。出発原料として、Pb(CH₃COO)₂・3H₂O,Zr
(tーOC₄H9)₄、Ti(i-OC₃H₇)₄の混合溶液を用いた。この混
合溶液をスピンコートした後、１５０度（摂氏、以下同
じ）で乾燥させ、ドライエアー雰囲気において４００度
で３０秒の仮焼成を行った。これを５回繰り返した後、
Ｏ₂雰囲気中で、７００度以上の熱処理を施した。この
ようにして、２５０ｎｍの強誘電体層８を形成した。な
お、ここでは、PbZr_XTi_1-XO₃において、ｘを０．５２と
して（以下ＰＺＴ（５２・４８）と表わす）、ＰＺＴ膜
を形成している。

【００７４】さらに、強誘電体層８の上に、スパッタリ
ングによりイリジウム層７を形成する。次に、Ｏ₂雰囲
気中で８００度、１分の熱処理を行い、イリジウム層７
の表面に酸化イリジウム層９を形成する（図２４Ｄ）。
このイリジウム層７と酸化イリジウム層９を、上部電極
１５とする。ここでは、上部電極１５を、２００ｎｍの
厚さに形成した。このようにして、強誘電体キャパシタ
を得ることができる。

【００７５】図２５、図２６に、このようにして得られ
た強誘電体キャパシタの残留分極Ｐｒの疲労特性を示
す。このグラフの測定は、図５、図６と同様の方法によ
って行った。

【００７６】図２５、図２６の縦軸は、最初の残留分極
をＰｏとし、疲労後の残留分極をＰｒとしたとき、Ｐｒ
／Ｐｏの値を表わしている。横軸は、図７の電圧を、何
サイクル繰り返して印加したかを表わしている。図中、
曲線αは、下部電極１２のみを、上記実施例のように製
造した場合である。ここでは、酸化シリコン層４を６０
０ｎｍとし、下部電極１２（イリジウム層１１の表面を
酸化したもの）を２００ｎｍとし、強誘電体膜８（ＰＺ
Ｔ（５２／４８））を２５０ｎｍとし、上部電極を白金
で構成した。曲線βは、下部電極１２のイリジウム層の
表面を酸化しなかった場合である（他の条件は曲線αと
同じ）。また、曲線γは、下部電極１２を白金によって
形成した場合である（他の条件は曲線αと同じ）。

【００７７】この図からも明らかなように、イリジウム
層１１の表面を酸化して酸化イリジウム層１３を形成し
た場合には、残留分極Ｐｒの劣化はかなり改善されてい
る。なお、白金（曲線γ）に比べて、イリジウム（酸化
しない場合）（曲線β）の方が優れているのは、特別に
酸化処理をしなくとも、他の工程等でイリジウムが酸化
されるためであると考えられる。

【００７８】なお、この実施例についても、図２０で説
明したような接合層３０を設けることが好ましい。

【００７９】また、ここで説明したイリジウムの表面を
酸化するという実施例は、強誘電体膜だけでなく前述の
高誘電率を有する誘電体膜にも適用でき、同様の効果を
得ることができる。

【００８０】上記のように、イリジウム層の表面を酸化
することにより強誘電体膜の酸素の抜け出しを防止でき
るが、表面に酸化イリジウムが形成されて、強誘電体膜
の配向性が悪くなる。これは、既に述べたように、酸化
イリジウム層１３の上に、イリジウム層、白金層、これ
らの合金層等を設けることにより解決できる（図１０参
照）。しかし、次のようにして、下部電極を形成しても
解決できる。

【００８１】まず、図２７に示すように、イリジウム層
１１の上に白金層８０（薄膜導電体）をごく薄く設け
る。ここでは、３０ｎｍとした。次に、この状態で熱処
理を行う。表面の白金層８０は酸素と反応しないので、
酸化されない。また、白金層８０は、薄く形成されてい
るので、その下のイリジウム層１１の結晶間が酸化さ
れ、酸化イリジウムが形成されて酸素の透過を防ぐ。し
たがって、表面は配向性に優れたままでありながら、酸
素の透過を防ぐことのできる下部電極１２を形成するこ
とができる。なお、薄膜導電体としては、配向性が良
く、酸化しにくい導電体であれば、どのようなものを使
用してもよい。

【００８２】なお、このような薄膜白金層８０を形成し
たのち酸化したイリジウム層１１は、単独で下部電極１
２として使用できる。しかし、スパッタリングで形成し
た酸化イリジウム層の上に配向性の良い導電層（イリジ
ウム層、白金層等）を設けて配向性を改善した実施例
（図１０参照）においての、配向性の良い導電層として
用いることもできる。

【００８３】図２８Ｂに、酸化イリジウム（５０ｎｍ）
の上に、図２７の構造のイリジウム層（２００ｎｍ）お
よび白金層（３０ｎｍ）を設けて酸化処理したものを下
部電極１２とした場合の、強誘電体８のヒステリシス特
性を示す。また、図２８Ａに、酸化イリジウム層（５０
ｎｍ）の上にイリジウム層（２００ｎｍ）を設けて酸化
処理した場合の、強誘電体８のヒステリシス特性を示
す。図から明らかなように、図２７の構造のものを用い
た場合のほうが、ヒステリシス特性が優れている。

【００８４】また、ここで説明した実施例は、強誘電体
膜だけでなく前述の高誘電率を有する誘電体膜にも適用
でき、同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による強誘電体キャパシタ
の構図を示す図である。

【図２】白金とイリジウムの物性を表わす図である。

【図３】強誘電体キャパシタ２２を用いた不揮発性メモ
リを示す図である。

【図４】強誘電体キャパシタの製造工程を示す図であ
る。

【図５】電極材料を変えた場合の残留分極の経年変化を
示すグラフである。

【図６】電極材料を変えた場合の残留分極の経年変化を
示すグラフである。

【図７】疲労試験を行う際に、印加した電圧を示す図で
ある。

【図８】疲労試験のための構造を示す図である。

【図９】酸化イリジウムが下地層の影響を受けないこと
を検証した結果を表わすグラフである。

【図１０】酸化イリジウムの上に白金を設けた場合の残
留分極Ｐｒの変化を示すグラフである。

【図１１】白金とイリジウムの合金の混合比を変えた場
合の残留分極Ｐｒと抗電界Ｅｃの変化を示す図である。

【図１２】下部電極と上部電極の双方に酸化イリジウム
層を設けた場合と、下部電極のみに設けた場合とを比較
するグラフである。

【図１３】下部電極と上部電極の双方に酸化イリジウム
層を設けた場合と、下部電極のみに設けた場合とを比較
するグラフである。

【図１４】強誘電体に電圧を印加した場合に生じる電流
の時間的変化を示すグラフである。

【図１５】図１４のグラフにおいて、電圧の印加方向を
示す図である。

【図１６】インプリント特性によって図１４の特性が変
化した状態を示すグラフである。

【図１７】インプリント特性を示すグラフである。

【図１８】インプリント特性を示すグラフである。

【図１９】インプリント特性に差が生じることの原因を
説明するための図である。

【図２０】接合層３０を設けた実施例を示す図である。

【図２１】高誘電率を有する誘電体９０を用いた場合の
実施例を示す図である。

【図２２】他の実施例による強誘電体キャパシタの構造
を示す図である。

【図２３】酸化イリジウム層が酸素の抜け出しを防止す
るメカニズムを示す図である。

【図２４】図２２の強誘電体キャパシタの製造工程を示
す図である。

【図２５】残留分極の経年変化を比較して示す図であ
る。

【図２６】残留分極の経年変化を比較して示す図であ
る。

【図２７】イリジウムの表面に薄膜白金を設けて酸化を
行う実施例を示す図である。

【図２８】図２７の電極を用いた場合の効果を比較して
示すグラフである。

【図２９】従来の強誘電体キャパシタの構造を示す図で
ある。

【図３０】白金による下部電極６から酸素が抜け出す状
態を示す図である。

【符号の説明】

２．．．シリコン基板４．．．酸化シリコン層８．．．強誘電体層１２．．．下部電極１５．．．上部電極９０．．．高誘電率を有する誘電体層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板の上に酸化シリコン層を介して形成され、少な
くとも酸化イリジウム層とその上に形成されたイリジウ
ム層とを有する下部電極と、下部電極の上に形成され、強誘電体または高誘電率を有
する誘電体によって構成される誘電体層と、誘電体層の上に形成された上部電極と、を備えた誘電体キャパシタ。
【請求項２】請求項１記載の誘電体キャパシタにおい
て、前記下部電極は、スパッタリングによって形成された酸
化イリジウム層によって構成されていることを特徴とす
る誘電体キャパシタ。
【請求項３】基板と、前記基板の上に酸化シリコン層を介して形成され、少な
くとも酸化イリジウム層とその上に形成された白金とイ
リジウムの合金層とを有する下部電極と、下部電極の上に形成され、強誘電体または高誘電率を有
する誘電体によって構成される誘電体層と、誘電体層の上に形成された上部電極と、を備えた誘電体キャパシタ。
【請求項４】請求項１、２、または３記載の誘電体キャ
パシタにおいて、前記下部電極は、前記酸化シリコン層に接する接合層を
有していることを特徴とする誘電体キャパシタ。
【請求項５】基板と、前記基板の上に酸化シリコン膜を介して形成されたイリ
ジウム層と、前記イリジウム層の上に結晶配向性の良い導電性薄膜と
して白金とイリジウムの合金層を形成した状態で前記イ
リジウム層を酸化することによって形成された酸化イリ
ジウム層とを含む下部電極と、前記下部電極の前記導電性薄膜上に形成され、強誘電体
または高誘電率を有する誘電体によって構成される誘電
体層と、前記誘電体層上に形成された上部電極とを備えたことを
特徴とする誘電体キャパシタ。
【請求項６】下部電極、下部電極の上に形成され、強誘電体または高誘電率を有
する誘電体によって構成される誘電体層、誘電体層の上に形成された上部電極、を備えた誘電体キャパシタにおいて、前記下部電極は、イリジウム層の表面に結晶配向性の良
い導電性薄膜として白金とイリジウムの合金層を形成し
た状態で前記イリジウム層を酸化して形成したものであ
ることを特徴とする誘電体キャパシタ。
【請求項７】基板上にスパッタリングによってイリジウ
ム層を形成するステップ、前記イリジウム層の表面に結晶配向性が良く、酸化しに
くい導電性薄膜を形成するステップ、表面に前記導電性薄膜が形成されたイリジウム層を酸化
するステップ、前記導電性薄膜の上に強誘電体膜または高誘電率を有す
る誘電体膜を誘電体層として形成するステップ、前記誘電体層の上に上部電極を形成するステップ、を備えた誘電体キャパシタの製造方法。