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JP2000260955A - Capacitor - Google Patents

Capacitor

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Publication number
JP2000260955A
JP2000260955A JP11062013A JP6201399A JP2000260955A JP 2000260955 A JP2000260955 A JP 2000260955A JP 11062013 A JP11062013 A JP 11062013A JP 6201399 A JP6201399 A JP 6201399A JP 2000260955 A JP2000260955 A JP 2000260955A
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JP
Japan
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thin film
chemically stable
thermally
ferroelectric thin
ferroelectric
Prior art date
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Application number
JP11062013A
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Japanese (ja)
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JP3879308B2 (en
Inventor
Setsuya Iwashita
節也 岩下
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のチタン酸ジルコン酸鉛系強誘電体薄膜
は、薄膜化が難しく、メモリー動作において低電圧化が
困難であった。また、還元雰囲気に曝した後の特性はキ
ャパシター形成後と比較して劣化し、電極材料を変えて
も十分とは言えない。 【解決手段】 強誘電体薄膜5と上部電極6の間および
前記強誘電体薄膜5と下部電極3の間に熱的および化学
的に安定な材料からなる薄膜4を形成する。さらには、
上部電極26および下部電極23で挟まれた強誘電体薄
膜25の膜厚方向に該強誘電体薄膜と熱的および化学的
に安定な材料からなる薄膜24を交互に積層する。
(57) [Problem] It is difficult to reduce the thickness of a conventional lead zirconate titanate-based ferroelectric thin film, and it has been difficult to reduce the voltage in memory operation. Further, the characteristics after exposure to a reducing atmosphere are deteriorated as compared with those after forming the capacitor, and it cannot be said that changing the electrode material is sufficient. A thin film made of a thermally and chemically stable material is formed between a ferroelectric thin film and an upper electrode and between the ferroelectric thin film and a lower electrode. Moreover,
In the film thickness direction of the ferroelectric thin film 25 sandwiched between the upper electrode 26 and the lower electrode 23, the ferroelectric thin film and the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material are alternately laminated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体メモリー
のキャパシター、さらに詳しく言えばチタン酸ジルコン
酸鉛系強誘電体薄膜を用いたキャパシターの構造に関す
るものである。
The present invention relates to a capacitor for a ferroelectric memory, and more particularly, to a structure of a capacitor using a lead zirconate titanate-based ferroelectric thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体メモリーは高速性、低消費電
力、高集積性に優れた不揮発性メモリーとして注目さ
れ、近年応用開発が精力的に行われている。キャパシタ
ーの強誘電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(以
下PZT)系とY1とよばれるSrBi2Ta29などの
ビスマス層状ぺロブスカイト系の開発が進んでいる。し
かし、Y1は残留分極が小さい、結晶化温度が高い、良好
なモフォロジーが得られにくいなどの多くの問題点を有
するため、現在のところPZT系材料の方が有力視され
ている。
2. Description of the Related Art Ferroelectric memories have attracted attention as non-volatile memories which are excellent in high speed, low power consumption and high integration, and have been vigorously developed in recent years. As ferroelectric materials for capacitors, lead zirconate titanate (PZT) and bismuth layered perovskite such as SrBi 2 Ta 2 O 9 called Y1 have been developed. However, since Y1 has many problems such as low remanent polarization, high crystallization temperature, and difficulty in obtaining good morphology, PZT-based materials are considered to be more promising at present.

【0003】PZT系材料は書き換え特性の劣化、いわ
ゆるファティーグという実用化における最大の技術的課
題を有していたが、例えばIntegrated Ferroelectroni
cs11、161(1995)に記載されているように、
電極材料をPt/TiからIrO2などの酸化物電極に
換えることにより、酸素欠損や主成分である鉛の電極へ
の拡散が防止され、ファティーグが改善されている。ま
た、半導体との集積化プロセス、すなわち還元プロセス
に対してもIr系電極の効果が示されている。これによ
り、強誘電体メモリーの実用化に大きく前進した。
[0003] PZT-based materials have the greatest technical problem in the practical use of deterioration of rewriting characteristics, so-called “fatigue”.
cs11, 161 (1995),
By changing the electrode material from Pt / Ti to an oxide electrode such as IrO 2 , oxygen deficiency and diffusion of lead, which is a main component, to the electrode are prevented, and the fatigue is improved. In addition, the effect of the Ir-based electrode on the integration process with the semiconductor, that is, the reduction process is also shown. This has greatly advanced the practical use of ferroelectric memories.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の強誘電
体メモリーのキャパシターに用いられるPZT系強誘電
体薄膜には、まだ以下のような問題点がある。
However, the PZT-based ferroelectric thin film used for the capacitor of the conventional ferroelectric memory still has the following problems.

【0005】まず、PZT系薄膜はY1系薄膜と比較し
て分極飽和電圧が高いという問題点を有する。すなわ
ち、メモリー動作において低電圧化が困難である。低電
圧分極反転を可能にするためには膜を薄くすればよい
が、PZT系薄膜は膜厚が200nm以下になると分極
量が著しく低下し、薄膜化が難しい。その原因について
はまだ十分に解明されているわけではないが、電極界面
の影響が薄膜内部にまでおよぶためと考えられている。
First, the PZT thin film has a problem that the polarization saturation voltage is higher than that of the Y1 thin film. That is, it is difficult to lower the voltage in the memory operation. To make low voltage polarization reversal possible, the film may be thinned. However, when the thickness of the PZT-based thin film is 200 nm or less, the amount of polarization is remarkably reduced, and it is difficult to reduce the thickness. Although the cause has not been fully elucidated yet, it is considered that the influence of the electrode interface extends to the inside of the thin film.

【0006】また、前述したように還元プロセスに関し
てもIr電極などを用いることによりPt/Ti電極の
場合と比べ特性の劣化は改善されているものの、薄膜中
の酸素欠損が無くなるわけではなく、プロセス後の分極
量はキャパシター形成後と比較すると低下し還元防止も
十分とは言えない。これはファティーグに影響を与える
だけでなく、もう一つの信頼性の指標であるインプリン
ト特性にも影響を与え誤読み出しの原因となる。したが
って、さらなる分極量のマージンが必要である。
As described above, in the reduction process, the use of an Ir electrode or the like also improves the deterioration of characteristics as compared with the case of a Pt / Ti electrode, but does not eliminate oxygen deficiency in the thin film. The amount of polarization after that is lower than that after the formation of the capacitor, and the prevention of reduction is not sufficient. This not only affects fating, but also affects imprint characteristics, which is another indicator of reliability, and causes erroneous reading. Therefore, a further margin for the amount of polarization is required.

【0007】本発明は以上述べた問題点を解決するもの
であり、低電圧分極反転のための薄膜化を可能とし、さ
らには還元プロセス中の酸素欠損を従来よりも抑え、か
つ分極量も増加させる強誘電体薄膜を用いたキャパシタ
ー、特にPZT系強誘電体薄膜を用いたキャパシターを
提供するものである。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and enables thinning for low-voltage polarization reversal, further suppresses oxygen deficiency during the reduction process, and increases the amount of polarization. It is an object of the present invention to provide a capacitor using a ferroelectric thin film, particularly a capacitor using a PZT-based ferroelectric thin film.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明のキャパシターは
上記課題を解決するものであり、強誘電体薄膜を上部電
極および下部電極で挟んだ強誘電体メモリーのキャパシ
ターにおいて、強誘電体薄膜と上部電極の間および前記
強誘電体薄膜と下部電極の間それぞれに熱的および化学
的に安定な材料からなる薄膜を形成したこと、さらに熱
的および化学的に安定な材料からなる薄膜の膜厚は50
オングストローム以下であることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The capacitor of the present invention solves the above-mentioned problems. In a capacitor of a ferroelectric memory in which a ferroelectric thin film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, a ferroelectric thin film and an upper capacitor are provided. A thin film made of a thermally and chemically stable material was formed between the electrodes and between the ferroelectric thin film and the lower electrode, and the thickness of the thin film made of the thermally and chemically stable material was 50
Angstroms or less.

【0009】また、本発明のキャパシターは、強誘電体
薄膜を上部電極および下部電極で挟んだ強誘電体メモリ
ーのキャパシターにおいて、強誘電体薄膜の膜厚方向に
該強誘電体薄膜と熱的および化学的に安定な材料からな
る薄膜を交互に少なくとも5層以上積層し、該熱的およ
び化学的に安定な材料からなる薄膜が前記上部電極およ
び前記下部電極に接するよう形成したこと、さらには熱
的および化学的に安定な材料からなる薄膜の各膜厚はす
べて同じ、かつ50オングストローム以下であり、さら
に強誘電体薄膜の各膜厚もすべて同じであることを特徴
とする。
Further, according to the present invention, there is provided a capacitor for a ferroelectric memory in which a ferroelectric thin film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. At least five or more thin films made of chemically stable materials are alternately stacked, and the thin films made of thermally and chemically stable materials are formed so as to be in contact with the upper electrode and the lower electrode. The film thicknesses of the thin films made of chemically and chemically stable materials are all the same and are not more than 50 angstroms, and the film thicknesses of the ferroelectric thin films are all the same.

【0010】また、本発明のキャパシターは、熱的およ
び化学的に安定な材料からなる薄膜の実質の格子定数が
強誘電体薄膜の実質の格子定数より小さいこと、熱的お
よび化学的に安定な材料からなる薄膜の強誘電体薄膜お
よび上部電極材料、下部電極材料それぞれに対する格子
のミスマッチが10%以内であること、さらには、強誘
電体薄膜材料はチタン酸ジルコン酸鉛系であり、熱的お
よび化学的に安定な材料からなる薄膜は酸化セリウム、
あるいは酸化ジルコニウム、あるいはイットリア安定化
ジルコニアからなり、さらに上部電極および下部電極は
少なくとも酸化物を含むことを特徴とする。
Further, the capacitor of the present invention is characterized in that the thin film made of a thermally and chemically stable material has a substantial lattice constant smaller than that of the ferroelectric thin film, and that the thermally and chemically stable thin film has a substantial lattice constant. The lattice mismatch between the ferroelectric thin film, the upper electrode material, and the lower electrode material of the thin film made of the material is within 10%, and the ferroelectric thin film material is a lead zirconate titanate-based material. And a thin film made of a chemically stable material is cerium oxide,
Alternatively, it is made of zirconium oxide or yttria-stabilized zirconia, and the upper electrode and the lower electrode contain at least an oxide.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例にしたがっ
て詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments.

【0012】[0012]

【実施例】(実施例1)図1は本発明の実施例1におけ
るキャパシターの断面構造を示す図である。基板1、バ
ッファー層2、下部電極3、熱的および化学的に安定な
材料からなる薄膜4、強誘電体薄膜5、および上部電極
6で構成される。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a view showing a sectional structure of a capacitor according to Embodiment 1 of the present invention. It comprises a substrate 1, a buffer layer 2, a lower electrode 3, a thin film 4 made of a thermally and chemically stable material, a ferroelectric thin film 5, and an upper electrode 6.

【0013】具体的な構成は以下の通りである。基板1
には一般的に用いられているSi(100)を用いる。
また、強誘電体薄膜5には強誘電体メモリーの実用化と
して有力視されているチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)
を用いる。良好なキャパシター特性を得るためには、少
なくとも強誘電体薄膜5は結晶方位が揃ったエピタキシ
ャル膜で高品質であることが望ましい。それには、下部
電極3もPZTと同様な結晶構造、すなわちペロブスカ
イト構造であることが望ましく、かつ当然エピタキシャ
ル膜である必要がある。そこで、ここでは下部電極3に
SrRuO薄膜を用いる。ペロブスカイト構造以外で
もルチル構造のIrOやRuOでも結晶方位がコン
トロールできればよい。さて、Si基板上に直接SrR
uO薄膜を作製しようとすると、界面にアモルファス
の酸化シリコンが形成されるため、高品質のSrRuO
薄膜が得られない。したがって、バッファー層2を形
成する必要がある。ここではバッファー層2として、T
0.7Al0.3N/Ptのダブルバッファーを用い
た。Ti0.7Al0.3Nは耐酸化性に優れた材料で
あり、Siの酸化防止として用いられている。ただし、
Ti0.7Al0.3NとSrRuOは格子のミスマ
ッチが大きいため、その間にさらにPtを形成する。T
0.7Al0.3NとPtの格子ミスマッチは6.6
%であるが、この程度の値ならPtをエピタキシャル成
長させることは可能である。一方、PtとSrRuO
の格子ミスマッチは0.43%と非常に良好な値を示
し、高品質のSrRuO薄膜成長が期待できる。ま
た、ここでは、熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜4として、酸化セリウム(CeO)を用いる。P
ZT薄膜をエピ成長させるには、これもまたエピ成長膜
である必要がある。CeOはCaF構造のキュービ
ックであり、SrRuO、PZT両者との相性もよい
と考えられる。CeO上にPZT薄膜をキューブ・オ
ン・キューブ、すなわちCeO<100>//PZT<
100>となるように成長させようとすると、CeO
の方が格子定数が大きくかつ格子ミスマッチも大きいの
で、このようなエピ成長はしないと考えられる。CeO
上でPZTを45°回転、すなわちCeO<100
>//PZT<110>とした場合、実質の格子定数はP
ZTよりCeOの方が小さくなり、また格子ミスマッ
チも2%以下と小さい値を示す。すなわち、PZT薄膜
のエピ成長が期待できる。さらに上部電極6材料は下部
電極3材料と同じSrRuOとした。
The specific configuration is as follows. Substrate 1
Is generally used Si (100).
The ferroelectric thin film 5 includes lead zirconate titanate (PZT), which is considered to be a promising practical application of ferroelectric memory.
Is used. In order to obtain good capacitor characteristics, it is desirable that at least the ferroelectric thin film 5 is an epitaxial film having a uniform crystal orientation and of high quality. To this end, the lower electrode 3 also desirably has a crystal structure similar to that of PZT, that is, a perovskite structure, and naturally needs to be an epitaxial film. Therefore, here, a SrRuO 3 thin film is used for the lower electrode 3. Other than the perovskite structure, a rutile structure of IrO 2 or RuO 2 may be used as long as the crystal orientation can be controlled. Now, SrR directly on Si substrate
When an attempt is made to produce a uO 3 thin film, amorphous silicon oxide is formed at the interface, so that high quality SrRuO 3
3 No thin film is obtained. Therefore, it is necessary to form the buffer layer 2. Here, as the buffer layer 2, T
A double buffer of i 0.7 Al 0.3 N / Pt was used. Ti 0.7 Al 0.3 N is a material having excellent oxidation resistance, and is used for preventing oxidation of Si. However,
Since Ti 0.7 Al 0.3 N and SrRuO 3 have a large lattice mismatch, Pt is further formed between them. T
The lattice mismatch between i 0.7 Al 0.3 N and Pt is 6.6.
%, It is possible to epitaxially grow Pt at such a value. On the other hand, Pt and SrRuO 3
Shows a very good lattice mismatch of 0.43%, and high-quality SrRuO 3 thin film growth can be expected. Here, cerium oxide (CeO 2 ) is used as the thin film 4 made of a thermally and chemically stable material. P
In order to epitaxially grow a ZT thin film, it must also be an epi-grown film. CeO 2 is a cubic having a CaF 2 structure and is considered to be compatible with both SrRuO 3 and PZT. PZT thin film on CuO 2 is cube-on-cube, ie, CeO 2 <100> // PZT <
100>, CeO 2
Is larger in lattice constant and lattice mismatch, so it is considered that such epi growth does not occur. CeO
45 ° rotation of the PZT on 2, i.e. CeO 2 <100
>> // PZT <110>, the actual lattice constant is P
CeO 2 is smaller than ZT, and the lattice mismatch shows a small value of 2% or less. That is, epi growth of the PZT thin film can be expected. Further, the material of the upper electrode 6 was SrRuO 3 which was the same as the material of the lower electrode 3.

【0014】以下に上記構成からなる本発明のキャパシ
ターの作製プロセスを具体的に示す。まず、Si(10
0)基板上にTi0.7Al0.3Nを形成する。
Hereinafter, a process for producing the capacitor of the present invention having the above-described structure will be specifically described. First, Si (10
0) to form a Ti 0.7 Al 0.3 N on the substrate.

【0015】Ti0.7Al0.3Nの形成は、Tiお
よびAlの各金属を蒸着源として用い窒素プラズマ中で
反応性電子ビーム蒸着法により行う。基板温度600℃
で蒸着したところ(100)配向したTi0.7Al
0.3Nのエピタキシャル膜が得られた。この時、膜厚
は1000オングストロームとした。次にその上に、ス
パッタ法を用いてPtを500オングストローム成膜し
たところ(100)配向のエピタキシャル膜が得られ
た。さらにその後、Pt上にSrRuO薄膜をSrR
uOの単一ターゲットを用いたレーザーアブレーショ
ン法により作製する。アブレーションを開始してから酸
素プラズマの基板への照射を開始することにより、基板
温度650℃で(010)配向のSrRuOエピタキ
シャル膜が得られた。X線回折の極図形より、面内配向
はPtに対して45°回転して配向していた。すなわ
ち、Pt<110>//SrRuO<100>であっ
た。Si基板上に直接形成した場合より、結晶性および
特性ともかなり良好な膜であった。続いてその上に、C
eO膜を同様にレーザーアブレーション法を用いて形
成する。酸素プラズマを照射することにより、基板温度
650℃で(100)配向のCeOエピタキシャル膜
が得られた。X線回折の極図形からSrRuO上にC
eOはキューブ・オン・キューブで成長していた。こ
れは、SrRuOとCeOは格子定数が近いためで
ある。すなわちこの場合、実際の格子定数、言い換えれ
ば文献に載っている値がそれぞれの実質の格子定数にな
り、格子のミスマッチは3%以内である。この時の膜厚
は50オングストローム弱であった。膜厚のコントロー
ルはRHEED振動により行った。CeOの膜厚を5
0オングストロームより厚くすると、キャパシター形成
後特性に悪影響をおよぼすため好ましくない。次にCe
上に、やはりレーザーアブレーション法によりPZ
T膜を形成する。この時、ターゲットの組成比はPbを
過剰にし、Zr:Ti=30:70とした。これにより
膜組成をPb0.95〜1.05(Zr0.3Ti
0.7)Oを得る。酸素プラズマを照射しながら、基
板温度600℃で成膜することにより、(100)配向
のPZTエピタキシャル膜が得られた。膜厚は1500
〜3000オングストロームとした。X線回折の極図形
から面内はCeOに対して45°回転して配向してい
た。すなわち、前に述べたようにPZT<110>がC
eO<100>に重なるように成長するため、PZT
の実質の格子定数は文献値の√2倍となり、CeO
り約3.5%大きくなる。言い換えれば格子のミスマッ
チが約3.5%となる。さらにこの上に、前述した方法
で、CeO、SrRuOを続けて成膜し、すべてエ
ピタキシャル膜からなる図1に示すようなキャパシター
を作製した。なお、PZT上のCeOの膜厚もPZT
の下のCeOの膜厚と同様キャパシター特性劣化防止
のため50オングストロームとした。ここでは各薄膜形
成後、その都度X線回折による評価を行っているように
述べているが、これらは成膜の条件だしの段階で予め確
認した結果であり、実際は下部電極3のSrRuO
ら上部電極6のSrRuOまで、同一チャンバー中で
連続成膜して形成している。
The formation of Ti 0.7 Al 0.3 N is performed by reactive electron beam evaporation in nitrogen plasma using each metal of Ti and Al as an evaporation source. Substrate temperature 600 ° C
(100) oriented Ti 0.7 Al
A 0.3 N epitaxial film was obtained. At this time, the film thickness was set to 1000 angstroms. Next, Pt was formed thereon by sputtering to a thickness of 500 angstroms to obtain a (100) oriented epitaxial film. After that, a SrRuO 3 thin film is formed on Pt by SrR
It is produced by a laser ablation method using a single uO 3 target. By starting irradiation of the oxygen plasma to the substrate after the start of the ablation, a (010) -oriented SrRuO 3 epitaxial film was obtained at a substrate temperature of 650 ° C. According to the polar figure of the X-ray diffraction, the in-plane orientation was rotated by 45 ° with respect to Pt. That is, Pt <110> // SrRuO 3 <100>. The film was much better in crystallinity and properties than when formed directly on a Si substrate. Then, on top of it, C
An eO 2 film is similarly formed by using a laser ablation method. By irradiation with oxygen plasma, a (100) oriented CeO 2 epitaxial film was obtained at a substrate temperature of 650 ° C. From the polar figure of X-ray diffraction, C on SrRuO 3
eO 2 was growing on a cube-on-cube. This is because SrRuO 3 and CeO 2 have similar lattice constants. That is, in this case, the actual lattice constant, in other words, the value described in the literature becomes the respective actual lattice constant, and the lattice mismatch is within 3%. At this time, the film thickness was less than 50 angstroms. The film thickness was controlled by RHEED vibration. CeO 2 film thickness of 5
If the thickness is larger than 0 Å, the characteristics after forming the capacitor are adversely affected, which is not preferable. Next, Ce
PZ on O 2 also by laser ablation method
A T film is formed. At this time, the composition ratio of the target was such that Pb was excessive and Zr: Ti = 30: 70. As a result, the film composition was changed from Pb 0.95 to 1.05 (Zr 0.3 Ti
0.7) to obtain a O y. By forming the film at a substrate temperature of 600 ° C. while irradiating with oxygen plasma, a (100) -oriented PZT epitaxial film was obtained. The film thickness is 1500
〜3000 Å. From the polar figure of the X-ray diffraction, the in-plane orientation was rotated by 45 ° with respect to CeO 2 . That is, as described above, PZT <110> is
PZT to grow so as to overlap eO 2 <100>
Is √2 times the literature value, which is about 3.5% larger than CeO 2 . In other words, the lattice mismatch is about 3.5%. Further, CeO 2 and SrRuO 3 were successively formed thereon by the above-described method, thereby producing a capacitor as shown in FIG. The film thickness of CeO 2 on PZT is also PZT
The thickness was set to 50 angstroms in order to prevent deterioration of the capacitor characteristics as in the case of the film thickness of CeO 2 below. Here, it is described that evaluation by X-ray diffraction is performed each time after each thin film is formed. However, these are the results confirmed in advance at the stage of forming the film forming conditions, and in fact, the SrRuO 3 of the lower electrode 3 The layers up to SrRuO 3 of the upper electrode 6 are continuously formed in the same chamber.

【0016】以上の方法で作製したキャパシターの特性
を評価した。まず、残留分極の値Prであるが、PZT
の膜厚が1500〜3000オングストロームでほとん
ど変化は見られず、同程度の値を示した。すなわち、こ
れまでの課題であった薄膜化が可能になった。これによ
り、分極反転電圧が従来と比べ低くなり、Y1系材料と
同程度になった。さらにスイッチング回数1015まで
ファティーグもほとんど見られなかった。さらに、配線
工程後および最終保護膜SiN形成時の還元雰囲気にさ
らした後でもスイッチング電荷量の減少はキャパシター
形成後の5%以内と従来に比べ改善された。これらは、
下部電極3と強誘電体膜5の界面および前記強誘電体膜
5と上部電極6界面に存在する熱的および化学的に安定
な材料からなる薄膜4の効果と考えられる。すなわち、
従来のSrRuOなどの電極材料だけの場合と比較し
て、熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜4のC
eOがPbの拡散と酸素欠損の防止にさらに有効な役
割を果たし、さらには電極界面の影響が薄膜内部に及ぶ
のを防ぐために薄膜化も可能になったと考えられる。こ
の時、熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜4を
厚く形成すると逆に特性を劣化させるので注意する必要
がある。ただし、以上の結果は多層のエピタキシャル成
長技術が可能となってはじめて得られたものである。格
子のミスマッチはエピ成長には重要なポイントであり、
特に熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜4の強
誘電体薄膜5および上部電極6材料、下部電極3材料そ
れぞれに対する格子のミスマッチは10%以内でなけれ
ばならない。それ以上だと強誘電体薄膜5のエピ成長は
難しい。
The characteristics of the capacitor manufactured by the above method were evaluated. First, the value of the remanent polarization Pr is expressed as PZT
Showed little change when the film thickness was 1500 to 3000 angstroms, and showed a similar value. That is, thinning, which has been an issue to date, has become possible. As a result, the polarization inversion voltage was lower than that of the related art, and was almost the same as that of the Y1-based material. Fatigue was hardly observed until the number of switching was 10 15 . Further, even after the wiring process and after the exposure to the reducing atmosphere at the time of forming the final protective film SiN, the reduction of the switching charge was improved to within 5% after the formation of the capacitor as compared with the conventional case. They are,
It is considered that the thin film 4 made of a thermally and chemically stable material exists at the interface between the lower electrode 3 and the ferroelectric film 5 and at the interface between the ferroelectric film 5 and the upper electrode 6. That is,
Compared with the case of using only the conventional electrode material such as SrRuO 3 , the C of the thin film 4 made of a thermally and chemically stable material is
It is considered that eO 2 plays a more effective role in diffusion of Pb and prevention of oxygen deficiency, and further, it has become possible to reduce the thickness of the thin film in order to prevent the influence of the electrode interface from reaching the inside of the thin film. At this time, it should be noted that forming the thin film 4 made of a thermally and chemically stable material thickly deteriorates the characteristics. However, the above results were obtained only when a multilayer epitaxial growth technique became possible. Lattice mismatch is an important point in epi growth,
In particular, the lattice mismatch of the thin film 4 made of a thermally and chemically stable material to the ferroelectric thin film 5, the material of the upper electrode 6, and the material of the lower electrode 3 must be within 10%. Above that, epi-growth of the ferroelectric thin film 5 is difficult.

【0017】なお、ここでは熱的および化学的に安定な
材料からなる薄膜4にCeOを用いたが、酸化ジルコ
ニウムZrOやイットリア安定化ジルコニアYSZで
も同様な効果が得られる。ただし、その時の強誘電体薄
膜5および上部電極6材料、下部電極3材料それぞれに
対する格子のミスマッチはやはり10%以内でなければ
ならない。またバッファー層2としてTi0.7Al
0.3N/Ptのダブルバッファー層を用いたが、これ
以外の材料でも問題ない。また、各材料の成膜法は上記
以外でもエピタキシャル膜が得られるものであればよ
い。
Here, CeO 2 is used for the thin film 4 made of a thermally and chemically stable material, but the same effect can be obtained with zirconium oxide ZrO 2 or yttria stabilized zirconia YSZ. However, the lattice mismatch between the ferroelectric thin film 5, the material of the upper electrode 6, and the material of the lower electrode 3 at that time must also be within 10%. Ti 0.7 Al is used as the buffer layer 2.
Although a 0.3 N / Pt double buffer layer was used, other materials may be used. The method of forming each material may be any method other than the above as long as an epitaxial film can be obtained.

【0018】(実施例2)図2は本発明の実施例2にお
けるキャパシターの断面構造を示す図である。基板2
1、バッファー層22、下部電極23、熱的および化学
的に安定な材料からなる薄膜24、強誘電体薄膜25、
および上部電極26で構成される。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a view showing a sectional structure of a capacitor according to Embodiment 2 of the present invention. Substrate 2
1, a buffer layer 22, a lower electrode 23, a thin film 24 made of a thermally and chemically stable material, a ferroelectric thin film 25,
And the upper electrode 26.

【0019】具体的な構成は、実施例1と同様である。
すなわち、基板21にSi(100)、バッファー層2
2にTi0.7Al0.3N/Ptのダブルバッファ
ー、下部電極23および上部電極26にSrRuO
強誘電体薄膜5にPZTを用いた。ただし、熱的および
化学的に安定な材料からなる薄膜24としてここではY
SZを用いた。
The specific configuration is the same as in the first embodiment.
That is, Si (100) and buffer layer 2
2 is a double buffer of Ti 0.7 Al 0.3 N / Pt, SrRuO 3 is used for the lower electrode 23 and the upper electrode 26,
PZT was used for the ferroelectric thin film 5. However, the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material is Y here.
SZ was used.

【0020】上記構成からなる本発明のキャパシターの
作製プロセスを具体的に示す。バッファー層22Ti
0.7Al0.3N/Ptおよび下部電極23および上
部電極26SrRuOの作製方法は実施例1と同様で
ある。下部電極23と上部電極26の間の熱的および化
学的に安定な材料からなる薄膜24YSZと強誘電体薄
膜25PZTの積層構造の作製方法を以下に示す。YS
ZとPZTの成膜は、レーザーアブレーション法を用
い、SrRuO薄膜作製と同一チャンバー中で連続的
に行う。ここで用いるYSZはイットリアの置換量が9
mol%で、キュービック構造である。SrRuO
のYSZは(100)配向であり、面内配向は極図形よ
りSrRuOに対して45°回転している。すなわ
ち、SrRuO<100>//YSZ<110>とな
る。したがって、格子のミスマッチは3%以下、言い換
えれば実質の格子定数はSrRuOの方がYSZより
3%程度大きい。YSZの文献上の格子定数は5.13
オングストロームであるが、膜厚が50オングストロー
ム以下と薄い場合はSrRuOの影響を受けて引っ張
り応力がかかるため、a,b軸長は長く、c軸長は短く
なる。一方、YSZ上のPZTも(100)配向であ
り、面内配向は極図形よりYSZに対して45°回転し
ている。すなわち、YSZ<100>//PZT<110
>である。したがって、文献上の格子定数はPZTより
YSZの方が大きいが、実質の格子定数はPZTよりY
SZの方が小さくなり、格子のミスマッチは数%程度と
なる。これより、YSZ/SrRuO上のPZTは膜
厚が200オングストロームまでは下地の影響を受け、
圧縮応力がかかり、a,b軸長は短く、c軸長は長くな
る。以上を予め確かめ、以下のような積層構造の連続成
膜を行った。
The manufacturing process of the capacitor of the present invention having the above-described structure will be specifically described. Buffer layer 22Ti
The manufacturing method of 0.7 Al 0.3 N / Pt and the lower electrode 23 and the upper electrode 26 SrRuO 3 is the same as that of the first embodiment. A method of manufacturing a laminated structure of a thin film 24YSZ and a ferroelectric thin film 25PZT made of a thermally and chemically stable material between the lower electrode 23 and the upper electrode 26 will be described below. YS
The Z and PZT films are continuously formed in the same chamber as the SrRuO 3 thin film using a laser ablation method. The YSZ used here has a substitution amount of yttria of 9
It has a cubic structure in mol%. YSZ on SrRuO 3 has a (100) orientation, and the in-plane orientation is rotated by 45 ° with respect to SrRuO 3 from the polar figure. That is, SrRuO 3 <100> // YSZ <110>. Therefore, the lattice mismatch is 3% or less, in other words, the actual lattice constant of SrRuO 3 is about 3% larger than that of YSZ. The lattice constant in the YSZ literature is 5.13.
If the film thickness is as thin as 50 Å or less, a tensile stress is applied under the influence of SrRuO 3 , so that the a and b axis lengths are long and the c axis length is short. On the other hand, PZT on YSZ is also (100) -oriented, and the in-plane orientation is rotated by 45 ° with respect to YSZ from the polar figure. That is, YSZ <100> // PZT <110
>. Therefore, the lattice constant in the literature is larger in YSZ than in PZT, but the actual lattice constant is Y in comparison with PZT.
SZ is smaller and the lattice mismatch is on the order of a few percent. Thus, PZT on YSZ / SrRuO 3 is affected by the underlayer up to a film thickness of 200 Å,
A compressive stress is applied, and the a- and b-axis lengths are short, and the c-axis length is long. After confirming the above in advance, continuous film formation of the following laminated structure was performed.

【0021】まず、SrRuO上にYSZ薄膜をRH
EED振動を見ながら46オングストローム形成する。
RHEED振動の強度が回復するのを待ってから、続い
てPZTを同様にRHEED振動を見ながら約200オ
ングストローム形成する。さらに、その上に同様な方法
でYSZを46オングストローム堆積し、さらにその上
にPZTを約200オングストローム形成する。これを
繰り返し行い、最上層はYSZとする。ここで重要なの
は各YSZの膜厚はすべて同じとし、また各PZTの膜
厚もすべて同じとする。同じでない場合は、キャパシタ
ー作製後電荷の偏りなどが生じ特性が劣化してしまう。
そして最後に上部電極26であるSrRuOを形成し
て図2のキャパシターを得る。
First, a YSZ thin film is deposited on SrRuO 3 by RH.
46 Å is formed while observing the EED oscillation.
After waiting for the intensity of the RHEED vibration to recover, PZT is formed to about 200 angstroms while watching the RHEED vibration in the same manner. Further, YSZ is deposited thereon in a similar manner by 46 angstroms, and PZT is further formed thereon by about 200 angstroms. This is repeated, and the uppermost layer is YSZ. What is important here is that the thickness of each YSZ is the same, and the thickness of each PZT is the same. If they are not the same, the charge will be biased after the production of the capacitor, and the characteristics will be degraded.
Finally, SrRuO 3 as the upper electrode 26 is formed to obtain the capacitor shown in FIG.

【0022】以上の方法で作製したPZT5層、YSZ
6層のキャパシターの特性を評価した。ここで、PZT
5層合わせた膜厚は1000オングストローム程度であ
る。まず、残留分極の値Prであるが、PZTの膜厚が
全体で1000オングストロームと薄いにもかかわら
ず、実施例1のPZTの膜厚が1500オングストロー
ムの場合より10%程度増加した。すなわち、さらに薄
膜化が可能になった。これは、BaTiO/SrTi
の歪み超格子の場合と同様に、PZTに圧縮応力が
かかり比誘電率が増加したためと考えられる。また、こ
れによって分極反転電圧が実施例1と比べさらに5%程
度低くなった。さらにスイッチング回数1018までフ
ァティーグもほとんど見られなかった。さらに、配線工
程後および最終保護膜SiN形成時の還元雰囲気にさら
した後でもスイッチング電荷量の減少はほとんど見られ
なかった。これらの結果は、実施例1の特性をさらに上
回るものである。これらは、電極界面だけではなく、強
誘電体膜25の間に積層された熱的および化学的に安定
な材料からなる薄膜24の効果が加わったことによるも
のと考えられる。すなわち、電極界面だけでなく膜中に
おいても、熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜
24のYSZがPbの拡散と酸素欠損の防止にさらに有
効な役割を果たし、さらには電極界面の影響が薄膜内部
に及ぶのを防ぐためにより薄膜化も可能になったと考え
られる。この時、熱的および化学的に安定な材料からな
る薄膜24を厚く形成すると逆に特性を劣化させるので
注意する必要がある。ただし、以上の結果は多層のエピ
タキシャル成長技術が可能となってはじめて得られたも
のである。格子のミスマッチはエピ成長には重要なポイ
ントであり、特に熱的および化学的に安定な材料からな
る薄膜24の強誘電体薄膜25および上部電極26材
料、下部電極23材料それぞれに対する格子のミスマッ
チは10%以内でなければならない。それ以上だと強誘
電体薄膜25のエピ成長は難しい。また、強誘電体薄膜
25に圧縮応力を加えるために、実質の格子定数は強誘
電体薄膜25より熱的および化学的に安定な材料からな
る薄膜24の方が小さいことが重要である。
The PZT 5 layer and YSZ prepared by the above method
The characteristics of the six-layer capacitor were evaluated. Where PZT
The total film thickness of the five layers is about 1000 Å. First, regarding the value Pr of remanent polarization, although the PZT film thickness is as thin as 1000 Å as a whole, it is increased by about 10% from the case where the PZT film thickness of Example 1 is 1500 Å. That is, it is possible to further reduce the thickness. This is because BaTiO 3 / SrTi
It is considered that, as in the case of the O 3 strained superlattice, compressive stress was applied to PZT and the relative dielectric constant increased. In addition, the polarization inversion voltage was further lowered by about 5% as compared with Example 1. Fatigue was hardly observed until the number of switching times was 10 18 . Further, even after the wiring step and after the exposure to the reducing atmosphere at the time of forming the final protective film SiN, the switching charge amount was hardly reduced. These results are even better than those of Example 1. These are considered to be due to the effect of the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material laminated between the ferroelectric films 25 as well as the electrode interface. That is, not only at the electrode interface but also in the film, the YSZ of the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material plays a more effective role in diffusion of Pb and prevention of oxygen deficiency. It is considered that the film can be made thinner in order to prevent the inside of the thin film from reaching the inside. At this time, it should be noted that if the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material is formed thickly, the characteristics will be deteriorated. However, the above results were obtained only when a multilayer epitaxial growth technique became possible. Lattice mismatch is an important point in epi growth. In particular, the mismatch between the lattice of the ferroelectric thin film 25 and the material of the upper electrode 26 and the material of the lower electrode 23 of the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material is as follows. Must be within 10%. Above that, it is difficult to epitaxially grow the ferroelectric thin film 25. In order to apply a compressive stress to the ferroelectric thin film 25, it is important that the substantial lattice constant of the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material is smaller than that of the ferroelectric thin film 25.

【0023】なお、ここでは、PZTとYSZ合わせて
11層としたが、合わせて5層以上であればこれに限る
ものではない。また、YSZの各層の膜厚も50オング
ストローム以下であればいくらでもよい。PZTの各層
の膜厚は400オングストローム以下であればよい。熱
的および化学的に安定な材料からなる薄膜24にYSZ
を用いたが、CeOやZrOでも同様な効果が得ら
れる。ただし、その時の強誘電体薄膜25および上部電
極26材料、下部電極23材料それぞれに対する格子の
ミスマッチはやはり10%以内でなければならない。ま
たバッファー層2としてTi0.7Al0.3N/Pt
のダブルバッファー層を用いたが、これ以外の材料でも
問題ない。また、各材料の成膜法は上記以外でもエピタ
キシャル膜が得られるものであればよい。
Here, the PZT and YSZ have a total of 11 layers, but the present invention is not limited to this as long as the total is 5 layers or more. The thickness of each layer of YSZ may be any value as long as it is 50 Å or less. The thickness of each layer of PZT may be 400 Å or less. YSZ is applied to the thin film 24 made of a thermally and chemically stable material.
Was used, but similar effects can be obtained with CeO 2 or ZrO 2 . However, the lattice mismatch between the ferroelectric thin film 25, the material of the upper electrode 26, and the material of the lower electrode 23 at that time must also be within 10%. Further, Ti 0.7 Al 0.3 N / Pt is used as the buffer layer 2.
Although a double buffer layer was used, other materials may be used. The method of forming each material may be any method other than the above as long as an epitaxial film can be obtained.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、強誘
電体薄膜を上部電極および下部電極で挟んだ強誘電体メ
モリーのキャパシターにおいて、強誘電体薄膜と上部電
極の間および前記強誘電体薄膜と下部電極の間それぞれ
に熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜を形成す
ること、さらに熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜の膜厚を50オングストローム以下にすること、ま
た熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜の強誘電
体薄膜および上部電極材料、下部電極材料それぞれに対
する格子のミスマッチは10%以内であることにより、
強誘電体薄膜の薄膜化を可能とし、さらに従来よりもフ
ァティーグが抑制され、還元雰囲気中でも特性の劣化が
抑えられるチタン酸ジルコン酸鉛系強誘電体薄膜を用い
たキャパシターを提供できるという効果を有する。
As described above, according to the present invention, in a capacitor of a ferroelectric memory in which a ferroelectric thin film is interposed between an upper electrode and a lower electrode, the ferroelectric thin film and the upper electrode and the ferroelectric Forming a thin film made of a thermally and chemically stable material between the body thin film and the lower electrode, and further reducing the thickness of the thin film made of the thermally and chemically stable material to 50 angstroms or less; Also, since the lattice mismatch between the ferroelectric thin film and the upper electrode material and the lower electrode material of the thin film made of a thermally and chemically stable material is within 10%,
It has the effect of providing a capacitor using a lead zirconate titanate-based ferroelectric thin film that enables thinning of the ferroelectric thin film, further suppresses fatigue and suppresses deterioration of characteristics even in a reducing atmosphere. .

【0025】また,本発明によれば、強誘電体薄膜を上
部電極および下部電極で挟んだ強誘電体メモリーのキャ
パシターにおいて、強誘電体薄膜の膜厚方向に該強誘電
体薄膜と熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜を
交互に少なくとも5層以上積層し、該熱的および化学的
に安定な材料からなる薄膜が前記上部電極および前記下
部電極に接するよう形成すること、さらに熱的および化
学的に安定な材料からなる薄膜の各膜厚はすべて同じ、
かつ50オングストローム以下であり、さらに強誘電体
薄膜の各膜厚もすべて同じであること、また熱的および
化学的に安定な材料からなる薄膜の実質の格子定数は強
誘電体薄膜の実質の格子定数より小さいこと、また熱的
および化学的に安定な材料からなる薄膜の強誘電体薄膜
および上部電極材料、下部電極材料それぞれに対する格
子のミスマッチは10%以内であることにより、残留分
極を増加させると同時に強誘電体薄膜のさらなる薄膜化
を可能とし、またさらなるファティーグの抑制および還
元雰囲気中での特性の劣化防止が達成されるチタン酸ジ
ルコン酸鉛系強誘電体薄膜を用いたキャパシターを提供
できるという効果を有する。
Further, according to the present invention, in a capacitor of a ferroelectric memory in which a ferroelectric thin film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, the ferroelectric thin film and the ferroelectric thin film are thermally and thermally connected in the thickness direction of the ferroelectric thin film. Alternately laminating at least five or more thin films made of a chemically stable material, and forming the thin film made of the thermally and chemically stable material so as to be in contact with the upper electrode and the lower electrode; And the thickness of each thin film made of chemically stable material is the same,
And the thickness of each of the ferroelectric thin films is the same, and the substantial lattice constant of the thin film made of a thermally and chemically stable material is substantially the same as that of the ferroelectric thin film. The remanent polarization is increased by being smaller than the constant and having a lattice mismatch of 10% or less with respect to the ferroelectric thin film and the upper electrode material and the lower electrode material of the thin film made of a thermally and chemically stable material. At the same time, it is possible to provide a capacitor using a lead zirconate titanate-based ferroelectric thin film capable of further reducing the thickness of the ferroelectric thin film, and achieving further suppression of fatigue and prevention of deterioration of characteristics in a reducing atmosphere. It has the effect of.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例1におけるキャパシターの断面
構造を示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a capacitor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例2におけるキャパシターの断面
構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a capacitor according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21 基板 2、22 バッファー層 3、23 下部電極 4、24 熱的および化学的に安定な材料からなる薄膜 5、25 強誘電体薄膜 6、26 上部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21 Substrate 2, 22 Buffer layer 3, 23 Lower electrode 4, 24 Thin film made of thermally and chemically stable material 5, 25 Ferroelectric thin film 6, 26 Upper electrode

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/8247 29/788 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 21/8247 29/788 29/792

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強誘電体薄膜を上部電極および下部電極
で挟んだ強誘電体メモリーのキャパシターにおいて、強
誘電体薄膜と上部電極の間および前記強誘電体薄膜と下
部電極の間それぞれに熱的および化学的に安定な材料か
らなる薄膜を形成したことを特徴とするキャパシター。
In a capacitor of a ferroelectric memory in which a ferroelectric thin film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, thermal conduction is provided between the ferroelectric thin film and the upper electrode and between the ferroelectric thin film and the lower electrode. And a thin film formed of a chemically stable material.
【請求項2】 熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜の膜厚は50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記載のキャパシター。
2. The capacitor according to claim 1, wherein the thin film made of a thermally and chemically stable material has a thickness of 50 Å or less.
【請求項3】 強誘電体薄膜を上部電極および下部電極
で挟んだ強誘電体メモリーのキャパシターにおいて、強
誘電体薄膜の膜厚方向に該強誘電体薄膜と熱的および化
学的に安定な材料からなる薄膜を交互に少なくとも5層
以上積層し、該熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜が前記上部電極および前記下部電極に接するよう形
成したことを特徴とするキャパシター。
3. A ferroelectric memory capacitor comprising a ferroelectric thin film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, wherein the ferroelectric thin film is thermally and chemically stable in a thickness direction of the ferroelectric thin film. A thin film made of a thermally and chemically stable material is formed so as to be in contact with the upper electrode and the lower electrode.
【請求項4】 熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜の各膜厚はすべて同じ、かつ50オングストローム
以下であり、さらに強誘電体薄膜の各膜厚もすべて同じ
であることを特徴とする請求項3記載のキャパシター。
4. The thin film made of a thermally and chemically stable material has the same thickness and is not more than 50 angstroms, and the ferroelectric thin film also has the same thickness. 4. The capacitor according to claim 3, wherein
【請求項5】 熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜の実質の格子定数は、強誘電体薄膜の実質の格子定
数より小さいことを特徴とする請求項3記載のキャパシ
ター。
5. The capacitor according to claim 3, wherein a substantial lattice constant of the thin film made of a thermally and chemically stable material is smaller than a substantial lattice constant of the ferroelectric thin film.
【請求項6】 熱的および化学的に安定な材料からなる
薄膜の強誘電体薄膜および上部電極材料、下部電極材料
それぞれに対する格子のミスマッチは10%以内である
ことを特徴とする請求項1または3記載のキャパシタ
ー。
6. A lattice mismatch between a ferroelectric thin film, a thin film made of a thermally and chemically stable material, and an upper electrode material and a lower electrode material, respectively, is within 10%. 3. The capacitor according to 3.
【請求項7】 強誘電体薄膜材料はチタン酸ジルコン酸
鉛系であり、熱的および化学的に安定な材料からなる薄
膜は酸化セリウム、あるいは酸化ジルコニウム、あるい
はイットリア安定化ジルコニアからなり、さらに上部電
極および下部電極は少なくとも酸化物を含むことを特徴
とする請求項1または3記載のキャパシター。
7. The ferroelectric thin film material is a lead zirconate titanate-based material, and the thin film made of a thermally and chemically stable material is made of cerium oxide, zirconium oxide, or yttria-stabilized zirconia. The capacitor according to claim 1, wherein the electrode and the lower electrode include at least an oxide.
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