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JP2000031399A - 誘電体素子及び半導体記憶装置 - Google Patents

誘電体素子及び半導体記憶装置

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Publication number
JP2000031399A
JP2000031399A JP11162684A JP16268499A JP2000031399A JP 2000031399 A JP2000031399 A JP 2000031399A JP 11162684 A JP11162684 A JP 11162684A JP 16268499 A JP16268499 A JP 16268499A JP 2000031399 A JP2000031399 A JP 2000031399A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
dielectric
electrodes
composition ratio
film
mixed crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11162684A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasushi Haga
泰 芳賀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP11162684A priority Critical patent/JP2000031399A/ja
Publication of JP2000031399A publication Critical patent/JP2000031399A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 一般式ABO3で表わされるペロブスカイト
結晶構造を有する酸化物誘電体が2つの電極によって挟
まれた構造を有する誘電体素子に於て、残留分極Prを
向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体構造を提供する。 【構成】 例えばPbZrXTi1ーX3のようにA、B
格子の少なくとも一方の格子を占める元素が2元素以上
の混晶であり、前記混晶の組成比Xが前記2つの電極の
少なくとも一方の電極の近くで前記誘電体中央部と異な
ることを特徴とする。例えば前記誘電体としてPbZr
XTi1ーX3を用いた場合、前記誘電体中央部では前記
混晶組成比X=0.8とし、電極付近ではX=0.5と
した3層構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は誘電体装置あるいはDR
AMのキャパシタ、強誘電体キャパシタを用いた不揮発
性メモリの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】図4に示すように、一般式ABO3で表
わされるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物誘電体
が2つの電極によって挟まれた構造を有する誘電体素子
に於て、従来は例えばジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス(J.Appl.Phys)、1991
年、第70巻、第1号、382項〜388項に記載され
ていたように、前記A、B格子が各々1種類の元素から
構成されているか、あるいは少なくとも一方の格子を占
める元素が2元素以上の混晶であっても、前記混晶の組
成比は前記誘電体中に於て一定であり、その特性は例え
ば前記誘電体にPZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)を
用いた場合、Zrの組成比x=0.5、誘電体膜厚0.
5μmで残留分極Prは約15μC/cm2程度であっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記誘
電体の半導体基板への集積など微細加工化を考えると、
この残留分極の値では不十分であった。この残留分極向
上のためにはZrの組成比を減少させることが効果的で
あることが知られている。しかし、Zrの組成比を減少
させることによって誘電体の格子定数が変化するため、
電極との格子マッチングが劣化して誘電体膜と電極との
密着性が悪くなり、結果的に内部応力による膜剥がれ等
を引き起こしていた。
【0004】そこで本発明はかかる問題を解決するもの
で、その目的とするところは前記誘電体に於て残留分極
Prを向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体構造を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の誘電体装置は、
一般式ABO3で表わされるペロブスカイト結晶構造を
有する酸化物誘電体が2つの電極によって挟まれた構造
を有する誘電体素子に於て、前記A、B格子の少なくと
も一方の格子を占める元素が2元素以上の混晶であり、
前記混晶の組成比が前記2つの電極の少なくとも一方の
電極の近くで前記誘電体中央部と異なることを特徴とす
る。
【0006】さらに、前記誘電体素子に於て、前記混晶
組成比が前記2つの電極の近くで前記誘電体中央部と異
なることも好ましい。
【0007】その一つの例として、例えば前記誘電体が
チタン酸ジルコン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3である
場合、Zrの組成比xが前記電極近くで前記誘電体中央
部より大きいことを特徴とする
【0008】
【作用】本発明に於ける誘電体装置の構成によれば、電
極付近に於いては格子マッチングに優れた組成、誘電体
中央部に於いては分極特性に優れた組成とすることで、
残留分極Prを向上させ、かつ膜剥がれのない誘電体を
実現することができる。
【0009】
【実施例】以下に本発明に於ける実施例を図に従って説
明する。
【0010】図1は本発明の誘電体装置を半導体基板上
に形成した場合の第1の実施例の工程断面図である。能
動素子の形成された半導体基板101上に形成された第
1の層間絶縁膜102上に、白金(Pt)0.2μmを
DCスパッタ法にて成膜し、フォトレジストをマスクと
したフォト・リソグラフィとドライエッチング法を用い
て下部電極を形成する。次にPZT(x=0.5)0.
1μmを成膜した後、PZT(x=0.8)0.3μ
m、続いてPZT(x=0.5)0.1μmを各々RF
スパッタ法で成膜する。そして前記上部電極と同様にフ
ォト・リソグラフィとドライエッチング法を用いて誘電
体膜とした後、DCスパッタ法でPt膜を0.2μm成
膜して、フォト〜ドライエッチング工程を経て、上部電
極107とする。この後、気相成長法(CVD法)によ
り二酸化珪素膜を成膜して第2の層間絶縁膜108と
し、次いでAl配線層109の成膜、フォトリソグラフ
ィ、エッチングを経た後、CVD法によって保護膜11
0を形成して図1(e)に示すような断面構造を得た。
本実施例において作成した誘電体装置において、その残
留分極Prを測定したところ印加電圧5Vで約30μC
/cm2と従来に比べて大幅に向上した。また膜剥がれ
が無いだけでなく、膜疲労特性も改善され、印加電圧5
Vにおいて1010回の分極反転を繰り返しても残留分極
の劣化は10%程度であった。
【0011】図2は本発明の誘電体としてBaXSr1-X
TiO3を半導体基板上に形成した場合の工程断面図で
ある。能動素子の形成された半導体基板201上に形成
された第1の層間絶縁膜202上に、白金(Pt)0.
2μmをDCスパッタ法にて成膜し、フォトレジストを
マスクとしたフォト・リソグラフィとドライエッチング
法を用いて下部電極を形成する。次にBaXSr1-XTi
3をRFスパッタ法にて0.1μm成膜する。但し、
BaとSrの混晶組成比Xはスパッタ時のガス圧を変化
させることによって、図3のような勾配を描くように制
御した。その後、DCスパッタ法でPt膜を0.2μm
成膜して、前記下部電極と同様にフォト〜ドライエッチ
ング工程を経て、上部電極205とする。この後、気相
成長法(CVD法)により二酸化珪素膜を成膜して第2
の層間絶縁膜206とし、次いでAl配線層207の成
膜、フォトリソグラフィ、エッチングを経た後、CVD
法によって保護膜208を形成して図2(d)に示すよ
うな断面構造を得た。本実施例において作成した誘電体
装置において誘電体膜として使用したBaXSr1-XTi
3は自発分極を持たないため、容量密度を測定したと
ころ約60fF/μm2と従来に比べて大幅に向上し
た。また、本実施例においてはリーク電流も1.5Vで
10-9A/cm2程度と低い。
【0012】以上で述べた実施例においては誘電体材料
としてPb(ZrTi)O3、(BaSr)TiO3を用
いたが、その他の前記誘電体材料として(PbLa)
(ZrTi)O3、Pb(MnNb)O3、(PbBa)
TiO3等を用いても効果的である。
【0013】また、前記誘電体の混晶組成比を一方の電
極付近においてのみ変化させても有効であり、前記混晶
組成比の変化は第1の実施例のように段階的でも第2の
実施例のように連続的でもよい。さらにまた、前記誘電
体の成膜方法は、スパッタ法以外に、気相成長(CV
D)法、ゾル・ゲル法等を用いてもよい。
【0014】
【発明の効果】以上述べたように、本発明による誘電体
装置においては格子マッチングを犠牲にすることがない
ため膜剥がれもなく、且つ誘電体中央部においては分極
特性に優れた組成比であるため、残留分極Pr、容量密
度を大きく向上させることができた。またリーク電流も
少なく、信頼性に優れたDRAMあるいは強誘電体を用
いた不揮発性メモリのキャパシタを実現できるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における第1の実施例の工程断面図。
【図2】 本発明における第2の実施例の工程断面図。
【図3】 本発明における第2の実施例の誘電体中での
混晶組成比変化の図。
【図4】 従来技術における誘電体素子の断面図。
【符号の説明】
半導体基板 101、201、40
1 第1の層間絶縁膜 102、20
2、402 下部電極 103、203、403 誘電体膜1(PZT(x=0.5)) 104、404 誘電体膜2(PZT(x=0.8)) 105 誘電体膜3(PZT(x=0.5)) 106 誘電体膜(BaXSr1-XTiO3) 204 上部電極 107、205、405 第2の層間絶縁膜 108、206、406 Al配線層 109、207、407 保護膜 110、208、408
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年6月25日(1999.6.2
5)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 誘電体素子及び半導体記憶装置
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0005
【補正方法】変更
【補正内容】
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の誘電体素子は、
一般式ABO3で表わされるペロブスカイト結晶構造を
有する酸化物誘電体が2つの電極によって挟まれた構造
を有する誘電体素子であって、前記A格子点または前記
B格子点の少なくとも一方の格子点を2元素以上のいず
れかで占める誘電体であり、前記誘電体における前記2
元素以上で占められる格子点を構成する元素の比が前記
2つの電極の少なくとも一方の電極の近くで前記誘電体
中央部と異なることを特徴とする。また、上記に加え
て、前記誘電体の組成が前記2つの電極の近くで前記誘
電体中央部と異なることを特徴とする。また、更に上記
のいずれかに加えて、前記酸化物誘電体がチタン酸ジル
コン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3であり、Zrの組成
比xが前記電極近くで前記酸化物誘電体中央部より小さ
いことを特徴とする。また、更に上記のいずれかに加え
て、前記2つの電極の近くにおける前記誘電体の組成が
同じであることを特徴とする。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】また、本発明における他の誘電体素子とし
ては、一般式ABO3で表わされるペロブスカイト結晶
構造を有する酸化物誘電体が2つの電極によって挟まれ
た構造を有する誘電体素子であって、前記A格子点また
は前記B格子点の少なくとも一方の格子点を2元素以上
のいずれかで占める誘電体であり、前記2つの電極の近
くの前記誘電体の組成が同一であり、且つ前記誘電体中
央部と異なることを特徴とする。もしくは、本発明にお
ける更に他の誘電体素子としては、一般式ABO3で表
わされるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物誘電体
が2つの電極によって挟まれた構造を有する誘電体素子
であって、前記A格子点または前記B格子点の少なくと
も一方の格子点を2元素以上のいずれかで占める誘電体
であり、前記誘電体の組成が前記2つの電極の近くで前
記誘電体中央部と異なることを特徴とする。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正内容】
【0007】また、本発明における半導体記憶装置は、
上記のいずれかに記載の誘電体素子を用いた事を特徴と
する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/792 // G11C 11/22

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式ABO3で表わされるペロブスカ
    イト結晶構造を有する酸化物誘電体が2つの電極によっ
    て挟まれた構造を有する誘電体素子に於て、前記A、B
    格子の少なくとも一方の格子を占める元素が2元素以上
    の混晶であり、前記混晶の組成比が前記2つの電極の少
    なくとも一方の電極の近くで前記誘電体中央部と異なる
    ことを特徴とする誘電体素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の誘電体素子に於て、前記
    混晶組成比が前記2つの電極の近くで前記誘電体中央部
    と異なることを特徴とする誘電体素子。
  3. 【請求項3】 請求項1及び2記載の誘電体がチタン酸
    ジルコン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3であり、Zrの
    組成比xが前記電極近くで前記誘電体中央部より大きい
    ことを特徴とする誘電体素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6841817B2 (en) 2001-11-01 2005-01-11 Fujitsu Limited Ferroelectric capacitor and a semiconductor device
US7026674B2 (en) 2002-12-26 2006-04-11 Nec Electronics Corporation Semiconductor memory device and manufacturing method thereof

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US7423308B2 (en) 2001-11-01 2008-09-09 Fujitsu Limited Ferroelectric capacitor
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