JPH09129827A - 強誘電体キャパシタ - Google Patents

強誘電体キャパシタ

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JPH09129827A
JPH09129827A JP7286084A JP28608495A JPH09129827A JP H09129827 A JPH09129827 A JP H09129827A JP 7286084 A JP7286084 A JP 7286084A JP 28608495 A JP28608495 A JP 28608495A JP H09129827 A JPH09129827 A JP H09129827A
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JP
Japan
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ferroelectric capacitor
zro
platinum
ferroelectric
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JP7286084A
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English (en)
Inventor
Akio Machida
暁夫 町田
Koji Watabe
浩司 渡部
Naohiro Tanaka
均洋 田中
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 白金を含有する金属電極とその電極形成面と
の密着性を改善し、膜の剥離や成分元素の拡散等の問題
の解決をはかる。 【解決手段】 強誘電体キャパシタの形成面上にZrO
2 層21を介してキャパシタの電極として白金を含有す
る金属電極層8が形成されてなる強誘電体キャパシタ2
2を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばDRAM
(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)、FR
AM(フェロエレクトリック・ランダム・アクセス・メ
モリ)等の半導体メモリ、特に強誘電体メモリに適用し
て好適な強誘電体キャパシタに係わる。
【0002】
【従来の技術】従来の強誘電体キャパシタを用いた半導
体メモリでは、この強誘電体キャパシタの形成面が、例
えば多結晶シリコン層や、あるいはSiO2 からなる層
間絶縁層上であり、この上に下部電極が形成され、この
下部電極上に強誘電体層を介して上部電極が形成され、
下部及び上部電極間に大きな容量を有する強誘電体キャ
パシタが構成される。
【0003】このとき、強誘電体キャパシタに用いる強
誘電体材料としては、SrTiO3,Bax Sr1-x
iO3 ,PbZrx Ti1-x 3 ,SrBi2 Ta2
9 等の酸化物等が考えられている。
【0004】ところでこれらの酸化物材料の形成には、
酸化雰囲気中での熱処理工程を必要とするが、通常の金
属を電極材料として用いると、この酸化物の熱処理の際
に電極金属の表面が酸化される。この結果、誘電体膜と
電極材料との間に低誘電体層が生成したり、常誘電体層
が生成したりするために、DRAMやFRAMのデバイ
ス特性が劣化してしまう。
【0005】従って、この種のデバイスの強誘電体キャ
パシタの電極材料としては、化学的に安定な白金を一般
に用いている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
白金Ptによる下部電極を、強誘電体キャパシタの形成
面のシリコンSi上に形成した場合には、上述の酸化物
の熱処理工程において、400℃以上で帯状組織のβ−
Pt2 Si、網目状組織のα−Pt3 Si、島状組織の
PtSi等が混在する白金−シリコンの合金層が形成さ
れ、これによりシリコン表面が荒れてしまう。このと
き、抵抗値も増加して、電極としての機能に問題が生じ
る。
【0007】従って、一般にはシリコン面と白金電極と
の間にバッファー層としてSiO2を介在させている。
このようにすれば、比較的高温の700℃〜800℃の
熱処理によってもシリコンと白金との合金化反応を防止
し、表面の平滑化を保ち、なおかつ電気特性の劣化等の
問題が生じない。
【0008】ところが、下部電極を形成し熱処理した後
に、例えばCVD(化学的気相成長)法等のように、成
膜時に膜に応力がかかるような成膜法により強誘電体酸
化物を形成した場合には、白金とSiO2 とは密着性が
悪いために、この部分で膜の剥離が生じてしまう。
【0009】このとき、密着性を改善するために、Si
2 の代わりにチタンを用いると、密着性は改善される
が、白金とチタンの拡散および白金の柱状結晶界面へ拡
散したチタンの酸化に伴う歪みによって白金電極の表面
に面荒れが生じる。チタンの他に、タンタルやIrO2
等を用いた場合にも、同様の現象が生じるとされてい
る。
【0010】さらに、Ti/TiN/SiやIr/Ir
2 /Si等良好な電気特性を有するとされている電極
についても、650℃を越えると上述のような問題が生
じることが報告されている。
【0011】本発明は、白金を含む金属電極とその電極
形成面との密着性を改善し、上述した問題の解決をはか
るものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明による強誘電体キ
ャパシタは、強誘電体キャパシタの形成面上にZrO 2
層を介して強誘電体キャパシタの電極として白金を含有
する金属電極層が形成されてなるものである。
【0013】上述の本発明の構成によれば、強誘電体キ
ャパシタの形成面と白金を含有する金属電極層との間に
ZrO2 層を介在させることにより、この形成面と金属
電極層との間の成分の拡散による合金化反応を抑止する
ことができる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の強誘電体キャパシタは、
その白金を含有する金属による電極層と強誘電体キャパ
シタの形成面、すなわち電極形成面との間にZrO2
を形成するものである。
【0015】この本発明による強誘電体キャパシタの概
要について説明する。
【0016】本発明の強誘電体キャパシタは、この強誘
電体キャパシタの形成面上に、ZrO2 層を介して白金
を含有する金属からなる下部電極が形成され、その上に
強誘電体層が形成され、これの上に白金を含有する金属
からなる上部電極が形成されてなる。このときZrO2
層は、下部電極とキャパシタの形成面とのバッファー層
となる。
【0017】強誘電体キャパシタの形成面としては、シ
リコン基板や多結晶シリコン層、SiO2 等の絶縁層等
を用いることができる。
【0018】ZrO2 (ジルコニア)層は、例えばゾル
ゲル法、スパッタ法、MOCVD法、RF(高周波)ス
パッタ法等により薄膜の作製を行うことができる。ゾル
ゲル法の場合のソース材料としては、例えば、テトラメ
トキシジルコニウム、テトラ−i−プロポキシジルコニ
ウム、テトラ−n−プロポキシジルコニウム、テトラ−
t−ブトキシジルコニウム等のジルコニアアルコキシド
すなわちジルコニアの有機金属化合物材料を用いる。そ
して、例えば2−メトキシエタノールを溶媒とし、アセ
チルアセトンを触媒として用いて成膜を行うことができ
る。
【0019】また、Zr金属層を蒸着により形成し、こ
れを熱酸化することによってもZrO 2 層を形成するこ
とができる。
【0020】ZrO2 は、その結晶構造が正方晶あるい
は単斜晶からなり、その単晶またはこれらを主相とする
混晶として形成される。
【0021】またZrO2 を部分安定化させるために、
ZrO2 中に、Y2 3 ,CaO,MgO,Al2 3
をxモル%(0<x≦10)添加することもできる。こ
のとき部分安定化されたZrO2 の結晶構造は、正方
晶、あるいは正方晶と単斜晶、正方晶と立方晶との混晶
となる。異なる結晶構造からなる混晶を形成することに
より、緻密に充填することができ、これによりZrO2
の強度が向上する。
【0022】このZrO2 層を構成する粒子の粒径は、
電極形成面を平坦とするために、より細かい方が好まし
い。
【0023】下部電極および上部電極を構成する白金を
含有する金属電極層は、白金あるいは、白金と白金族の
金属との白金合金等により構成する。そして、蒸着例え
ば電子ビーム真空蒸着法、DCスパッタ法、RFスパッ
タ法等の方法により形成することができる。白金合金の
場合は、各合金成分の層を順次積層して、その後合金化
させる工程とすることもできる。金属電極層の形成後
は、酸素雰囲気で熱処理して、電極層を安定化させる。
【0024】強誘電体層の材料としては、例えばPb
(Zr,Ti)O3 (PZT)、ビスマス層状化合物S
rBi2 (Ta,Nb)2 9 等、強誘電体キャパシタ
に通常用いられている強誘電体材料を用いることができ
る。
【0025】Pb(Zr,Ti)O3 は、それぞれ酢酸
鉛三水和物、テトラプロポキシジルコニウム、テトライ
ソプロポキシチタン等をソース材料として、2−メトキ
シエタノールを溶媒として用いてゾルゲル法等により成
膜することができる。
【0026】ビスマス層状化合物SrBi2 (Ta,N
b)2 9 は、例えばジピバロイルストロンチウム、ト
リフェニルビスマス、Ta(OCH3 5 、Nb(OC
35 等をソース材料として、CVD(化学的気相成
長)法やMOD(有機金属成長)法等により成膜するこ
とができる。
【0027】強誘電体の熱処理の温度は、使用する誘電
体材料に合わせて選択する。例えばPZTでは650〜
700℃、SrBi2 Ta2 9 では650〜800℃
で熱処理を行うことが好ましい。
【0028】続いて、本発明の強誘電体キャパシタの具
体的な実施例を、その製法と共に示す。
【0029】(実施例1)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面のシリコン基板上に、バッファー層のZ
rO2 層をゾルゲル法にて形成し、強誘電体としてSr
Bi2 Ta2 9を用いた場合である。
【0030】まず、充分に洗浄した高抵抗のシリコン基
板上に、ジルコニアアルコキシドからなるゾルゲル溶液
を使って、ゾルゲル法によりZrO2 層を成膜した。こ
れを800℃にて30分間の熱処理を行った。
【0031】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
M(Atomic Force Microscope ;原子間力顕微鏡)によ
る表面の観察から、このときのZrO2 の粒径は約30
nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約50nmと
した。
【0032】これの上に電子ビーム真空蒸着法により、
基板を400℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気
中800℃にて30分の熱処理を行った。
【0033】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。
【0034】さらにこれの上に、電子ビーム真空蒸着法
により、基板を400℃に保ちながら上部電極として白
金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気中800℃にて
30分間の熱処理を行った。
【0035】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0036】(実施例2)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面のシリコン基板上に、バッファー層のZ
rO2 層をゾルゲル法にて形成し、強誘電体としてPZ
Tを用いた場合である。
【0037】まず、充分に洗浄した高抵抗シリコン基板
に、ジルコニアアルコキシドからなるゾルゲル溶液を使
って、ゾルゲル法によりZrO2 層を成膜した。これを
800℃にて30分間の熱処理を行った。
【0038】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
Mによる表面の観察から、このときのZrO2 膜の粒径
は約50nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約9
0nmとした。
【0039】これの上に電子ビーム真空蒸着法により、
基板を400℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気
中700℃にて30分の熱処理を行った。
【0040】白金下部電極の上にゾルゲル法によって、
Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 を約300nmの厚さに
成膜した。
【0041】さらにこれの上に、RFスパッタリング法
により、室温にて上部電極として白金をスパッタした。
スパッタの後に、酸素雰囲気中700℃にて30分の熱
処理を行った。
【0042】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0043】(実施例3)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2 膜を
形成し、その上にバッファー層のZrO2 層をゾルゲル
法にて形成し、強誘電体としてSrBi2 Ta2 9
用いた場合である。
【0044】まず、基板表面に熱酸化膜のSiO2 膜を
約90nm成膜し、充分に洗浄した高抵抗シリコン基板
上に、ジルコニアアルコキシドからなるゾルゲル溶液を
使って、ゾルゲル法によりZrO2 層を成膜した。これ
を800℃にて30分間の熱処理を行った。
【0045】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
Mによる表面の観察から、このときのZrO2 膜の粒径
は約30nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約7
0nmとした。
【0046】これの上に電子ビーム真空蒸着法により、
基板を400℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気
中800℃にて30分の熱処理を行った。
【0047】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。
【0048】さらにこれの上に、電子ビーム真空蒸着法
により、基板を400℃に保ちながら上部電極として白
金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気中800℃にて
30分の熱処理を行った。
【0049】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0050】(実施例4)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2 膜を
形成し、その上にバッファー層のZrO2 層をゾルゲル
法にて形成し、強誘電体としてSrBi2 Ta2 9
用いた場合である。
【0051】まず、基板表面に熱酸化膜のSiO2 膜を
約300nm成膜し、充分に洗浄した高抵抗シリコン基
板上に、ジルコニアアルコキシドからなるゾルゲル溶液
を使って、ゾルゲル法によりZrO2 層を成膜した。こ
れを800℃にて30分間の熱処理を行った。
【0052】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
Mによる表面の観察から、このときのZrO2 膜の粒径
は約30nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約7
0nmとした。
【0053】これの上にRFスパッタリング法により、
基板を300℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金をスパッタした。スパッタの後に、酸
素雰囲気中800℃にて30分の熱処理を行った。
【0054】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。
【0055】さらにこれの上に、RFスパッタリング法
により、室温にて上部電極として白金をスパッタした。
スパッタの後に、酸素雰囲気中800℃にて30分の熱
処理を行った。
【0056】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0057】(実施例5)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2 膜を
形成し、その上にバッファー層のZrO2 層をゾルゲル
法にて形成し、強誘電体としてSrBi2 Nb2 9
用いた場合である。
【0058】ビスマス層状化合物をSrBi2 Nb2
9 とした他は、実施例4と同様にして強誘電体キャパシ
タを形成した。
【0059】(実施例6)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2 膜を
形成し、その上にバッファー層のZrO2 層をゾルゲル
法にて形成し、強誘電体としてPZTを用いた場合であ
る。
【0060】まず、基板表面に熱酸化膜のSiO2 膜を
約300nm成膜し、充分に洗浄した高抵抗シリコン基
板上に、ジルコニアアルコキシドからなるゾルゲル溶液
を使って、ゾルゲル法によりZrO2 層を成膜した。こ
れを800℃にて30分間の熱処理を行った。
【0061】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
Mによる表面の観察から、このときのZrO2 膜の粒径
は約30nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約7
0nmとした。
【0062】これの上にRFスパッタリング法により、
基板を300℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金をスパッタした。スパッタの後に、酸
素雰囲気中700℃にて30分の熱処理を行った。
【0063】白金下部電極の上にゾルゲル法によって、
Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 誘電体化合物を約300
nmの厚さ成膜した。
【0064】さらにこれの上に、RFスパッタリング法
により、室温にて上部電極として白金をスパッタした。
スパッタの後に、酸素雰囲気中700℃にて30分の熱
処理を行った。
【0065】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0066】(実施例7)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面のシリコン基板上に、バッファー層のZ
rO2 層をRFスパッタ法にて形成し、強誘電体として
SrBi2 Ta29 を用いて、またZrO2 の部分安
定化のためにY2 3 を添加した場合である。
【0067】まず、充分に洗浄した高抵抗のシリコン基
板に、RFスパッタリング法によりZrO2 層を成膜し
た。このとき、ターゲットとして用いるZrO2 基板に
は、Y2 3 を3モル%添加した部分安定化ZrO2
板を用いた。これを800℃にて30分間の熱処理を行
った。
【0068】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
Mによる表面の観察からこのときのZrO2 膜の粒径は
約50nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約10
0nmとした。
【0069】これの上に電子ビーム真空蒸着法により、
基板を400℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気
中800℃にて30分の熱処理を行った。
【0070】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。
【0071】さらにこれの上に、電子ビーム真空蒸着法
により、基板を400℃に保ちながら上部電極として白
金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気中800℃にて
30分の熱処理を行った。
【0072】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0073】(実施例8)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2 膜を
形成し、バッファー層のZrO2 層をスパッタリング法
にて形成し、強誘電体としてSrBi2 Ta2 9 を用
いて、またZrO2 の部分安定化のためにY2 3 を添
加した場合である。
【0074】基板表面に熱酸化膜のSiO2 膜を約90
nm成膜し、充分に洗浄した高抵抗シリコン基板上に、
スパッタリング法によりZrO2 層を成膜した。このと
き、ターゲットとして用いるZrO2 基板には、Y2
3 を3モル%添加した部分安定化ZrO2 基板を用い
た。これを800℃にて30分間の熱処理を行った。
【0075】この膜をX線回折により分析したところ、
正方晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。AF
Mによる表面の観察から、このときのZrO2 膜の粒径
は約50nmであった。またZrO2 層の膜厚は、約1
00nmとした。
【0076】これの上に電子ビーム真空蒸着法により、
基板を400℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金を蒸着した。スパッタの後に、酸素雰
囲気中800℃にて30分の熱処理を行った。
【0077】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。
【0078】さらにこれの上に、電子ビーム真空蒸着法
により、基板を400℃に保ちながら、上部電極として
白金を蒸着した。蒸着の後に、酸素雰囲気中800℃に
て30分の熱処理を行った。
【0079】その後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0080】(実施例9)この実施例は、強誘電体キャ
パシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2 膜を
形成し、バッファー層のZrO2 層をスパッタリング法
にて形成し、強誘電体としてSrBi2 Ta2 9 を用
いて、またZrO2 の部分安定化のためにY2 3 を添
加した場合である。
【0081】強誘電体としてのSrBi2 Ta2 9
ビスマス層状強誘電体化合物を成膜をCVD(Chemical
Vapor Deposision ;化学的気相成長)法によって行う
他は実施例8と同様にして強誘電体キャパシタを形成し
た。
【0082】(実施例10)この実施例は、強誘電体キ
ャパシタの形成面として、シリコン基板上にSiO 2
を形成し、その上にZrを蒸着した後、熱酸化によりバ
ッファー層のZrO 2 層を形成し、強誘電体としてSr
Bi2 Ta2 9 を用いた場合である。
【0083】高抵抗シリコン基板上に熱酸化膜のSiO
2 膜を約300nm成膜し、充分に洗浄した基板上に、
蒸着によりZr金属の膜を100nmの厚さに成膜し
た。蒸着の後に、酸素雰囲気中800℃にて60分間の
加熱酸化処理を行い、Zr膜を酸化させた。
【0084】この膜をX線回折により分析したところ、
単斜晶のZrO2 相がメインピークとなっていた。
【0085】これの上にRFスパッタリング法により、
基板を300℃に保ちながら、約200nmの厚さに下
部電極として白金をスパッタした。スパッタの後に、酸
素雰囲気中800℃にて30分の熱処理を行った。
【0086】白金下部電極の上にCVD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。
【0087】さらにこれの上に、RFスパッタリング法
により、室温にて上部電極として白金をスパッタした。
スパッタの後に、酸素雰囲気中800℃にて30分の熱
処理を行った。
【0088】この後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0089】さらに、本発明による強誘電体キャパシタ
との特徴を明確にするために、下地層として本発明構成
によらない強誘電体キャパシタを比較例として、次に示
す。
【0090】(比較例1)この例は、強誘電体キャパシ
タの形成面として、シリコン基板上にSiO2 膜を形成
し、強誘電体としてSrBi2 Ta2 9 を用い、Si
2 膜と白金下部電極との間にチタンの下地膜を形成し
た場合である。
【0091】高抵抗シリコン基板上に熱酸化膜のSiO
2 膜を約300nm成膜し、充分に洗浄した基板上に、
RFスパッタリング法により、基板を300℃に保ちな
がらTi金属の膜を100nmの厚さにスパッタした。
【0092】チャンバー内に保持したまま、これの上に
RFスパッタリング法により、基板を300℃に保ちな
がら、下部電極として白金を約200nmの厚さにスパ
ッタした。スパッタの後に、酸素雰囲気中800℃にて
30分の熱処理を行った。
【0093】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。さらにこれの上に、RF
スパッタリング法により、室温にて上部電極として白金
をスパッタした。スパッタの後に、酸素雰囲気中800
℃にて30分の熱処理を行う。
【0094】この後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0095】(比較例2)この例は、強誘電体キャパシ
タの形成面のシリコン基板上に、直接白金下部電極を形
成した場合である。
【0096】充分に洗浄した高抵抗シリコン基板上に、
RFスパッタリング法により、基板を300℃に保ちな
がら、下部電極として白金を約200nmの厚さにスパ
ッタした。スパッタの後に、酸素雰囲気中800℃にて
30分の熱処理を行った。
【0097】白金下部電極の上にMOD法によって、S
rBi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約
300nmの厚さに成膜した。さらにこれの上に、RF
スパッタリング法により、室温にて上部電極として白金
をスパッタした。スパッタの後に、酸素雰囲気中800
℃にて30分の熱処理を行った。
【0098】この後、イオンミリング法により下地電極
を取り出し、強誘電体キャパシタを形成した。
【0099】(比較例3)この例は、強誘電体キャパシ
タの形成面として、シリコン基板上にSiO2 膜を形成
し、その上に直接白金下部電極を形成した場合である。
【0100】高抵抗シリコン基板上に熱酸化膜のSiO
2 膜を約300nm成膜した。これの上にRFスパッタ
リング法により、基板を300℃に保ちながら下部電極
として白金を約200nmの厚さにスパッタした。スパ
ッタの後に、酸素雰囲気中800℃にて30分の熱処理
を行った。
【0101】白金下部電極上にMOD法によって、Sr
Bi2 Ta2 9 のビスマス層状強誘電体化合物を約3
00nmの厚さに成膜した。
【0102】さらにこれの上に、RFスパッタリング法
により、室温にて上部電極として白金をスパッタした。
スパッタの後に、酸素雰囲気中800℃にて30分の熱
処理を行った。
【0103】この後、イオンミリング法により下地電極
を取り出したが、この際に下部電極に膜剥がれが発生し
たため、キャパシタを形成することができなかった。
【0104】電気的特性の評価は次のようにして行っ
た。 装置:RADIANT社製RT66A 測定モード:Virtual Ground Mode これにより強誘電体キャパシタのヒステリシスループを
測定した。
【0105】尚、比較例3の膜はPtとSiO2 の密着
性が悪いために、膜の剥離が発生し、キャパシタを形成
することができなかったので、測定を行うことができな
かった。
【0106】上述の各例(実施例1〜12、比較例1お
よび比較例2)のキャパシタのそれぞれ分極の最大値+
Ps、自発分極値+Prおよび−Pr、抗電界値+Vc
および−Vcの測定値を表1に示す。また、実施例1と
比較例1の場合について、ヒステリシスループの曲線を
それぞれ図1、図2に示す。
【0107】
【表1】
【0108】表1より、比較例1および比較例2におい
ては、自発分極Prの値が各実施例より小さくなってい
る。また抗電界値+Vcおよび−Vcの非対称性や図2
に見られるようなヒステリシス曲線の角形比の低下等
の、電気的特性として好ましくない現象が発生している
ことがわかる。
【0109】これらの現象は、バッファー層としてZr
2 を形成した各実施例においては観察されず、ZrO
2 がバッファー層として有効に機能していることがわか
る。
【0110】このようなキャパシターの作製において問
題となる諸現象は、その原因として電極基板表面のモル
フォロジーの悪化、基板と強誘電体界面での低誘電層の
生成などが考えられる。
【0111】実際に、実施例1〜10の表面は、比較例
1および比較例2の表面と比較してはるかに平滑性がよ
く、金属光沢を保っている。比較例1および比較例2で
はPtの表面に白濁等が観察され、光学顕微鏡によれ
ば、この表面に無数の凹凸が発生していることが観察さ
れた。
【0112】さらに、実施例1、比較例1、比較例2の
それぞれのキャパシタについて、オージエ電子分光法に
よる深さ方向の分析を行った。各キャパシタの強誘電体
を除去した後に、白金下部電極層からキャパシタの形成
面へ向かって、表面をスパッタで削りながら、表面の各
元素の分析を行った。
【0113】測定結果をそれぞれ、実施例1の場合を図
3、比較例1の場合を図4、比較例2の場合を図5に示
す。各図において、左端のスパッタ時間0の部分が電極
層上部表面で、右にいくに従い、順次バッファー層ある
いは下地層、シリコン基板部分の測定値となる。また、
図の範囲に入り比較がしやすいように、酸素Oは実際の
1/4、チタンTiは実際の1/2の値を示している。
【0114】図4より、比較例1の場合には、TiとP
tとが相互に拡散し、下地層表面すなわち下部電極との
界面に析出したTiが酸素Oとともに酸化物となって存
在していることがわかる。また図5より、比較例2の場
合には、シリコンがPt中を拡散して表面に析出し、T
iの場合と同様に酸化物としてPt表面に存在している
ことがわかる。
【0115】これに対して、図3より、実施例1のよう
にバッファー層としてZrO2 層を形成した場合は、Z
rのPt中への拡散が発生しないだけでなく、シリコン
のPt中への拡散も抑止していることがわかる。このよ
うなバッファー層としてのZrO2 層の性質が、電気特
性に与える外的影響を排除するのに極めて有効であるこ
とがわかる。
【0116】従って、白金を含有する金属電極層とシリ
コンやSiO2 等による強誘電体キャパシタの形成面と
の界面にバッファー層としてZrO2 層を形成すること
により、界面からのシリコンイオンの拡散を防ぎ、これ
により表面の平滑性を保ち、かつ金属電極層と強誘電体
キャパシタの形成面との密着性を高めることができる。
【0117】次に、この本発明の強誘電体キャパシタを
不揮発メモリ等の半導体メモリに適用した例を示す。
【0118】図6は、本発明による強誘電体キャパシタ
を適用したプレーナー型構造の不揮発性メモリの一例の
断面図を示す。この不揮発メモリは、半導体基板1に局
部的酸化いわゆるLOCOSによって形成した素子分離
絶縁層2が形成され、これによって分離された領域に、
ソース領域5およびドレイン領域6が形成され、これら
ソースおよびドレイン領域5および6間上にSiO2
どのゲート絶縁膜3を介してゲート電極4が形成された
MISトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジス
タ)が形成される。さらに、このMISトランジスタ上
に例えばSiO 2 やBPSG(ボロン・リン・シリケー
トガラス)等による層間絶縁層7が形成される。
【0119】そして、素子分離絶縁層2の上の層間絶縁
層7上に、白金を含有する金属による下部電極8を形成
するものであるが、本発明においては、この下部電極8
の形成部にバッファー層21を介在させる。このバッフ
ァー層21は、ZrO2 層によって構成する。そして、
この下部電極8上に、強誘電体層9を形成し、これの上
に同様の例えば白金合金による上部電極10を形成す
る。これにより、下部電極8と強誘電体層9と上部電極
10による大容量の強誘電体キャパシタ22が構成され
る。
【0120】さらに上部電極10上を含んで全面的に上
層絶縁層11が形成され、この上層絶縁層11の、例え
ば上部電極10上と層間絶縁層7のソース領域5上とに
コンタクトホール12が穿設され、これらコンタクトホ
ール12を通じて上部電極10とソース領域5とが配線
13によってコンタクトされた構成とされる。
【0121】次に、本発明の強誘電体キャパシタを他の
型の半導体メモリに適用した例について説明する。
【0122】図7は、本発明による強誘電体キャパシタ
を適用したスタック型構造の不揮発メモリの一例の断面
図を示す。図7では、図6の各対応する部分に同一の記
号を付している。この不揮発メモリは、半導体基板1に
局部的酸化いわゆるLOCOSにより素子分離絶縁層2
が形成され、これによって分離された領域に、MISト
ランジスタが形成される。すなわち、この場合において
も図6において説明したと同様に、ソース領域5および
ドレイン領域6が形成され、これらソースおよびドレイ
ン領域5および6間上にSiO2 などのゲート絶縁膜3
を介してゲート電極4が形成されたMISトランジスタ
が形成されて、さらにこれの上にSiO2 等の層間絶縁
層7が形成される。
【0123】そして、層間絶縁層7のソース領域5上に
穿設したコンタクトホール12に、多結晶シリコン、タ
ングステン等よりなるプラグ電極20を形成し、プラグ
電極20の上に導電性のZrO2 からなるバッファー層
21を介在させて、白金を含有する金属層からなる下部
電極8を形成する。
【0124】次に、この下部電極8の上に強誘電体層9
を形成し、これの上に白金を含有する金属層による上部
電極10を形成する。これにより、下部電極8と強誘電
体層9と上部電極10による大容量の強誘電体キャパシ
タ22が構成される。
【0125】そして上部電極10の上を含んで全面的に
上層絶縁層11が形成され、この上層絶縁層11に開け
られたコンタクトホールとを通して上部電極10上にコ
ンタクトした配線13が形成された構成になっている。
【0126】本発明の強誘電体キャパシタを適用するこ
とにより、強誘電体キャパシタの形成面とキャパシタの
金属電極層との密着性を改善できることから、電極層の
膜剥がれや電極層への隣接する層の材料の拡散等の問題
を解決することができ、キャパシタを構成する強誘電体
の特性を最大限に引き出すことができる。
【0127】従って、特性の良い強誘電体キャパシタを
形成することができ、このような半導体メモリを良好な
電気的特性を有する半導体メモリとすることができる。
さらに、半導体メモリの製造上の歩留まりが向上し、安
定して生産性よくこれらの半導体メモリを製造できる。
【0128】本発明の強誘電体キャパシタは、上述の実
施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0129】本発明の強誘電体キャパシタは、前述の強
誘電体メモリの他、キャパシタ単体、圧電素子、光スイ
ッチ等の各種の素子に適用することができる。これによ
り、これらの素子を特性よく形成することができる。
【0130】
【発明の効果】上述の本発明によれば、白金を含有する
金属電極層とシリコンやSiO2 等による強誘電体キャ
パシタの形成面との界面にバッファー層としてZrO2
層を形成することにより、界面からのシリコンイオンの
拡散を防ぎ表面の平滑性を保ち、金属電極層と強誘電体
キャパシタの形成面との密着性を高めることができる。
【0131】電極形成面と金属電極層との密着性を改善
できることから、電極層の膜剥がれや電極層への隣接す
る層の材料の拡散等の問題を解決することができる。こ
れにより、結果的にキャパシタを構成する強誘電体の特
性を最大限に引き出すことができる。
【0132】膜剥がれが低減することにより、特性の良
い強誘電体キャパシタを形成することができ、さらにこ
の強誘電体キャパシタを用いた素子の歩留まりが良くな
り、安定して生産性よくこれらの素子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の強誘電体キャパシタのヒステリシス
曲線である。
【図2】比較例1の強誘電体キャパシタのヒステリシス
曲線である。
【図3】実施例1の強誘電体キャパシタの深さ方向の分
析結果である。
【図4】比較例1の強誘電体キャパシタの深さ方向の分
析結果である。
【図5】比較例2の強誘電体キャパシタの深さ方向の分
析結果である。
【図6】本発明の強誘電体キャパシタを適用したプレー
ナー型構造の不揮発性メモリの一例の断面図である。
【図7】本発明の強誘電体キャパシタを適用したスタッ
ク型構造の不揮発性メモリの一例の断面図である。
【符号の説明】
1 基板 2 素子分離絶縁層 3 ゲート絶縁膜 4 ゲート電極 5 ソース領域 6 ドレイン領域 7 層間絶縁層 8 下部電極 9 強誘電体層 10 上部電極 11 上層絶縁層 12 コンタクトホール 13 配線 21 バッファー層 22 強誘電体キャパシタ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強誘電体キャパシタの形成面上にZrO
    2 層を介して該強誘電体キャパシタの電極として白金を
    含有する金属電極層が形成されてなることを特徴とする
    強誘電体キャパシタ。
  2. 【請求項2】 上記金属電極層が白金よりなり、 該金属電極層が上記強誘電体キャパシタの形成面上にZ
    rO2 層、あるいは該ZrO2 層下にSiO2 層が形成
    された積層構造であることを特徴とする請求項1に記載
    の強誘電体キャパシタ。
  3. 【請求項3】 上記強誘電体キャパシタの形成面がシリ
    コン面であり、 上記金属電極層がZrO2 層、あるいはZrO2 層とこ
    れの下に形成されたSiO2 層との積層構造を介して形
    成されたことを特徴とする請求項1に記載の強誘電体キ
    ャパシタ。
  4. 【請求項4】 強誘電体キャパシタを構成する強誘電体
    が、ビスマス層状化合物であることを特徴とする請求項
    1に記載の強誘電体キャパシタ。
  5. 【請求項5】 強誘電体キャパシタを構成する強誘電体
    が、ビスマス層状化合物である不揮発性メモリ用に供す
    ることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体キャパシ
    タ。
  6. 【請求項6】 上記ZrO2 層の結晶構造が、 正方晶または単斜晶の単晶またはこれらを主とする混晶
    構造であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体
    キャパシタ。
  7. 【請求項7】 上記ZrO2 層の結晶構造が、 ZrO2 中に、Y2 3 ,CaO,MgO,Al2 3
    をxモル%(0<x≦10)添加してある正方晶、ある
    いは正方晶と単斜晶、正方晶と立方晶との混晶構造であ
    ることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体キャパシ
    タ。
  8. 【請求項8】 上記ZrO2 層が、Zr金属の熱酸化膜
    からなることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体キ
    ャパシタ。
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