JP2003142659A - Semiconductor storage device - Google Patents
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体容量素子
を有する半導体記憶装置、特に強誘電体としてチタン酸
ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3、以下「PZ
T」と呼ぶ)を用いた半導体記憶装置に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor element, and in particular, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 as a ferroelectric substance, hereinafter referred to as "PZ."
(Referred to as “T”).
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、強誘電体容量を利用した不揮発性
記憶装置の研究開発が活発化している。この不揮発性記
憶装置は選択トランジスタを備えており、選択トランジ
スタの一方の拡散層に接続された強誘電体容量をメモリ
セルとして情報を蓄える仕組みになっている。強誘電体
容量の材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等
の強誘電体薄膜が用いられており、強誘電体薄膜が分極
することにより不揮発性の情報が蓄えられる。2. Description of the Related Art In recent years, research and development of a non-volatile memory device using a ferroelectric capacitor has become active. This non-volatile memory device includes a selection transistor, and has a mechanism for storing information by using a ferroelectric capacitor connected to one diffusion layer of the selection transistor as a memory cell. A ferroelectric thin film such as lead zirconate titanate (PZT) is used as the material of the ferroelectric capacitor, and nonvolatile information is stored by polarization of the ferroelectric thin film.
【0003】強誘電体薄膜の堆積方法としては、化学的
気相成長法(CVD法)が大口径ウエハにおける均一性
および表面段差に対する被覆性に優れ、ULSIに適用
する場合の量産化技術として有望であると考えられてい
る。一般にPZT等のセラミックスの構成元素である金
属の水素化物や塩化物は蒸気圧が低いため、CVD法の
中でも、有機金属原料を用いた有機金属気相成長法(M
OCVD法)が、これらの強誘電体薄膜の堆積方法とし
て多く用いられる。MOCVD法に用いる有機金属原料
は室温では固体もしくは液体のものが多いため、通常
は、これら原料を加熱し気化し、キャリアガスと混合し
て基板を設置した成長槽まで輸送し、基板上に堆積する
方法がとられる。As a method of depositing a ferroelectric thin film, a chemical vapor deposition method (CVD method) is excellent in uniformity in a large-diameter wafer and coverage with a surface step, and is promising as a mass-production technique when applied to ULSI. Is believed to be. In general, metal hydrides and chlorides, which are constituent elements of ceramics such as PZT, have a low vapor pressure. Therefore, among the CVD methods, metal-organic vapor phase epitaxy (M
The OCVD method) is often used as a method for depositing these ferroelectric thin films. Since many organic metal raw materials used in the MOCVD method are solid or liquid at room temperature, they are usually heated and vaporized, mixed with a carrier gas, transported to a growth tank in which the substrate is installed, and deposited on the substrate. How to do it.
【0004】例えば特開平11−317500号公報
に、MOCVD法によって強誘電体薄膜が形成されてい
る半導体記憶装置のデバイス構造が開示されている。こ
のデバイス構造においては、多層メタル配線形成後のデ
バイス最上部に強誘電体容量素子が最後に設置されるた
め、強誘電体容量素子の高低差に起因して多層メタル配
線の形成が妨げられるという事態が発生することなく、
CMOSプロセスとの優れた整合性が維持される。しか
しながら、このデバイス構造を実現するためには、強誘
電体容量素子形成に先だって形成されたメタル配線の断
線や高抵抗化を回避するために、強誘電体薄膜を450
℃以下の低温で形成する必要性がある。このような低温
におけるMOCVD法による強誘電体薄膜の成膜技術
が、特開2000−58525号公報に開示されてい
る。同公報によれば、まず最初にPbの有機金属原料だ
けが下部電極表面に流され、次いでZr/Ti比の小さ
なPZT成長核層が形成され、しかる後に、その成長核
層の上に成長核層よりもZr/Ti比の大きなPZT薄
膜が強誘電体層として堆積される。このような手法によ
り、配向性が制御された結晶性の良好なPZT薄膜の低
温下での成長が可能となる。For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-317500 discloses a device structure of a semiconductor memory device in which a ferroelectric thin film is formed by MOCVD. In this device structure, since the ferroelectric capacitance element is installed at the top of the device after the formation of the multilayer metal wiring, the formation of the multilayer metal wiring is hindered due to the height difference of the ferroelectric capacitance element. Without a situation happening
Excellent compatibility with CMOS processes is maintained. However, in order to realize this device structure, in order to avoid disconnection and increase in resistance of the metal wiring formed prior to the formation of the ferroelectric capacitor element, the ferroelectric thin film is used as a thin film.
It is necessary to form at a low temperature of ℃ or less. A technique for forming a ferroelectric thin film by the MOCVD method at such a low temperature is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-58525. According to the publication, first, only the Pb organometallic raw material is flowed on the surface of the lower electrode, and then a PZT growth nucleus layer having a small Zr / Ti ratio is formed, and thereafter, growth nuclei are grown on the growth nucleus layer. A PZT thin film having a larger Zr / Ti ratio than the layer is deposited as a ferroelectric layer. By such a method, it becomes possible to grow a PZT thin film having a controlled orientation and good crystallinity at a low temperature.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】前述した従来の成膜方
法においては、Zr/Ti比の小さなPZT成長核層の
上に成長核層よりもZr/Ti比の大きなPZT強誘電
体層が形成されるが、Zr/Ti比を大きくしすぎる
と、その界面近傍に、格子定数差による歪みが発生しや
すい。この歪みは界面から遠ざかるにつれて急激に減衰
していく。歪みの存在する界面には荷電層が発生しやす
いので、界面近傍のみに荷電層が形成されることにな
る。この荷電層は、強誘電体層に電極を形成して強誘電
体容量素子を作製したとき、その初期状態における強誘
電ヒステリシス特性に、電圧オフセットを発生させる。
強誘電体容量の強誘電ヒステリシス特性における電圧オ
フセットは、書き込み極性による保持特性のアンバラン
スを引き起こすので好ましくない。In the conventional film forming method described above, the PZT ferroelectric layer having a larger Zr / Ti ratio than the growth nucleus layer is formed on the PZT growth nucleus layer having a small Zr / Ti ratio. However, if the Zr / Ti ratio is made too large, distortion due to the difference in lattice constant is likely to occur near the interface. This strain rapidly attenuates as the distance from the interface increases. Since a charged layer is likely to be generated at the interface where strain exists, the charged layer is formed only near the interface. This charge layer causes a voltage offset in the ferroelectric hysteresis characteristic in the initial state when an electrode is formed on the ferroelectric layer to manufacture a ferroelectric capacitor.
The voltage offset in the ferroelectric hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor causes an imbalance in the retention characteristic due to the write polarity, which is not preferable.
【0006】このような現象を避けるためには、Zr/
Ti比を減少させればよいが、Zr/Ti比を減少させ
ると、抗電界が大きくなる。一般に強誘電体薄膜の上部
表面と上部電極との界面には上部電極形成プロセスに伴
うダメージや歪みが導入されるため、界面の原子の運動
が妨げられるが、PZT薄膜の抗電界が大きいと、そう
した歪の影響が助長され、この界面付近においては、分
極反転が起こりにくい状態になる。また、PZT薄膜の
成膜直後においてa軸に配向していた領域が電界印加に
よって分極軸であるc軸に配向する90°ドメイン回転
も妨げられ、最初の書き込み動作時において完了するこ
とができなくなり、その後の電界印加によって徐々に起
こることとなる。これらの結果が相乗して、分極反転繰
り返しにおいて、読み出し電荷の変動が発生する。強誘
電体容量素子を用いた不揮発性記憶装置において、この
読出し電荷の変動は記憶装置内部の信号電圧変動の直接
的な原因となり、装置の動作信頼性を低下させてしま
う。In order to avoid such a phenomenon, Zr /
The Ti ratio should be reduced, but the coercive electric field increases when the Zr / Ti ratio is reduced. In general, damage and strain accompanying the upper electrode formation process are introduced at the interface between the upper surface of the ferroelectric thin film and the upper electrode, so that movement of atoms at the interface is hindered, but if the coercive electric field of the PZT thin film is large, The influence of such strain is promoted, and in the vicinity of this interface, polarization inversion hardly occurs. Further, the 90 ° domain rotation in which the region that was oriented to the a-axis immediately after the PZT thin film was oriented to the c-axis, which is the polarization axis, is also blocked by the application of the electric field, and it cannot be completed in the first writing operation. However, it will gradually occur by the subsequent application of the electric field. These results synergistically cause a change in the read charge during repeated polarization inversion. In a non-volatile memory device using a ferroelectric capacitor element, this fluctuation of the read charge directly causes the fluctuation of the signal voltage inside the memory device, which lowers the operational reliability of the device.
【0007】本発明はこの点に鑑みてなされたものであ
って、その目的は、450℃以下の温度で成膜を行って
も、初期状態における強誘電ヒステリシス特性に電圧オ
フセットを発生させることがなく、また、分極反転繰り
返しにおける読み出し電荷の変動を発生することもな
く、併せて、初期状態における残留分極値が大きく、強
誘電ヒステリシスの形状も良好な強誘電体容量を有す
る、高い動作信頼性の高い半導体記憶装置を提供するこ
とである。The present invention has been made in view of this point, and an object thereof is to generate a voltage offset in the ferroelectric hysteresis characteristics in the initial state even when a film is formed at a temperature of 450 ° C. or lower. In addition, there is no fluctuation in the read charge due to repeated polarization inversion, and at the same time, the remanent polarization value in the initial state is large, and the ferroelectric hysteresis shape is good. It is to provide a semiconductor memory device having high cost.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、PZT層が上下電極間に挟まれた
構造を有する強誘電体容量素子を有する半導体記憶装置
において、PZT層のZr/Ti比を下部電極側から上
部電極側の間で変化させたことを特徴とする半導体記憶
装置、が提供される。そして、好ましくは、Zr/Ti
比が下部電極側から上部電極側へ単調に増加するように
なされる。また、一層好ましくは、下部電極および上部
電極と前記PZT層との界面にチタン酸鉛(PTO)層
が形成されている。To achieve the above object, according to the present invention, in a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor having a structure in which a PZT layer is sandwiched between upper and lower electrodes, a PZT layer There is provided a semiconductor memory device characterized in that the Zr / Ti ratio is changed from the lower electrode side to the upper electrode side. And, preferably, Zr / Ti
The ratio is monotonically increased from the lower electrode side to the upper electrode side. Further, more preferably, a lead titanate (PTO) layer is formed at the interface between the lower electrode and the upper electrode and the PZT layer.
【0009】また、本発明によれば、PZT層が上下電
極間に挟まれた構造を有する強誘電体容量素子を有する
半導体記憶装置において、下部電極と前記PZT層との
界面、および、上部電極と前記PZT層との界面にそれ
ぞれPTO層が形成されていることを特徴とする半導体
記憶装置、が提供される。そして、好ましくは、前記下
部電極側に形成されたPTO層と前記上部電極側に形成
されたPTO層との膜厚がほぼ等しくなされる。Further, according to the present invention, in a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor having a structure in which a PZT layer is sandwiched between upper and lower electrodes, an interface between the lower electrode and the PZT layer and an upper electrode. A PTO layer is formed at each interface between the PZT layer and the PZT layer. And, preferably, the PTO layer formed on the lower electrode side and the PTO layer formed on the upper electrode side have substantially the same film thickness.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
〔第1の実施の形態〕図1は、本発明の第1の実施の形
態の強誘電体装置の断面図〔(a)〕と、膜厚方向の組
成比分布図〔(b)〕である。図2は、図1の強誘電体
装置の初期状態における強誘電ヒステリシス特性図
〔(a)〕と、疲労特性図〔(b)〕と、疲労特性測定
後における強誘電ヒステリシス特性図〔(c)〕であ
る。図1(a)に示すように、本実施の形態の強誘電体
装置は、下部電極101上に、チタン酸鉛(PTO)成
長核層102と、Zr/Ti比の異なる第一、第二、第
三のPZT層103、104、105と、上部電極側の
PTO層106と、が積層され、PTO層106の上に
上部電極107が形成されたものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. [First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view [(a)] of a ferroelectric device according to a first embodiment of the present invention and a composition ratio distribution diagram [(b)] in the film thickness direction. is there. 2 is a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(a)] in the initial state of the ferroelectric device of FIG. 1, a fatigue characteristic diagram [(b)], and a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(c) after the fatigue characteristic measurement. )]. As shown in FIG. 1A, in the ferroelectric device of the present embodiment, a lead titanate (PTO) growth nucleus layer 102 and first and second Zr / Ti ratios different from each other are formed on a lower electrode 101. , The third PZT layers 103, 104 and 105 and the PTO layer 106 on the upper electrode side are laminated, and the upper electrode 107 is formed on the PTO layer 106.
【0011】PZT薄膜の成長、特にMOCVD法を用
いた450℃以下の低温成膜においては、成膜初期にお
いて可能な限り結晶性の良好な成長核を形成することが
重要である。成膜初期において成長核を形成する土台と
なるのが成長核層である。PbとTiとの反応性は、P
bとZrとの反応性より高いため、Ti量の多い成長核
層を用いると、低温でも良質の結晶核を形成できる。
[Zr]/([Zr]+[Ti])比が0.15以下の
PZT膜であれば結晶核層として働くが、Zrを全く含
まないPTO膜の結晶性が最も良好になるので、成長核
層としては、PTO単独のPTO成長核層が最も好まし
い。ここで、[A]は、PZT中の成分Aのモル%濃度
を表している。Aに該当するPb、ZrあるいはTiの
モル%濃度は、蛍光X線分析や二次イオン質量分析(S
IMS)等の手段により容易に測定することができる。
また、この成長核層は下部電極全体を覆った連続膜とし
てもよいが、島状とする方がより好ましい。成長核層が
連続膜であると、組成および誘電率の異なる2つの誘電
体層が下部電極との界面に形成され、電界の偏りや誘電
率の低下を招くためである。また、成長核層が島状であ
る方が、配向性や結晶粒径の制御が容易となる。In the growth of a PZT thin film, particularly in the low temperature film formation at 450 ° C. or lower using the MOCVD method, it is important to form growth nuclei having crystallinity as good as possible at the initial stage of film formation. The growth nucleus layer is the basis for forming growth nuclei in the initial stage of film formation. The reactivity between Pb and Ti is P
Since the reactivity between b and Zr is higher, if a growth nucleus layer having a large amount of Ti is used, good quality crystal nuclei can be formed even at a low temperature.
A PZT film having a [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of 0.15 or less acts as a crystal nucleus layer, but a PTO film containing no Zr has the best crystallinity, so that the growth As the nucleus layer, a PTO grown nucleus layer of PTO alone is most preferable. Here, [A] represents the mol% concentration of the component A in PZT. The mol% concentration of Pb, Zr or Ti corresponding to A can be determined by fluorescent X-ray analysis or secondary ion mass spectrometry (S
It can be easily measured by means such as IMS).
The growth nucleus layer may be a continuous film that covers the entire lower electrode, but it is more preferable that the growth nucleus layer has an island shape. This is because when the growth nucleus layer is a continuous film, two dielectric layers having different compositions and different dielectric constants are formed at the interface with the lower electrode, which causes bias of the electric field and lowering of the dielectric constant. In addition, when the growth nucleus layer has an island shape, it becomes easier to control the orientation and the crystal grain size.
【0012】図1(b)に示すように、第一のPZT層
103、第二のPZT層104、第三のPZT層105
の[Zr]/([Zr]+[Ti])比は、それぞれ、
0.2、0.35、0.55の程度である。第一、第
二、第三のPZT層103、104、105の膜厚は、
それぞれ、20〜30nm、200nm、10〜20n
mの程度となるように調整される。PTO層106の膜
厚は5nm程度である。As shown in FIG. 1B, the first PZT layer 103, the second PZT layer 104, and the third PZT layer 105.
[Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of
It is about 0.2, 0.35, and 0.55. The film thickness of the first, second and third PZT layers 103, 104 and 105 is
20-30 nm, 200 nm, 10-20 n, respectively
It is adjusted to be in the order of m. The film thickness of the PTO layer 106 is about 5 nm.
【0013】次に、本実施の形態の強誘電体装置を、そ
の製造方法とともに、より詳細に説明する。本実施の形
態においては、下部電極101としてルテニウム(R
u)を用いた。MOCVD原料としては、Pb用にビス
ジピバロイルメタナート鉛〔Pb(DPM)2〕、Ti
用にチタンイソプロポキシド〔Ti(OiPr)4〕、
Zr用にジルコニウムブトキシド〔Zr(OtB
u)4〕を用い、酸化剤として二酸化窒素(NO2)を
用いた。PTO層ならびにPZT層の成膜中、真空容器
内のガスの全圧は100mTorr(13.33P
a)、基板温度は430℃に保たれた。最初にPb(D
PM)2を流量0.2SCCMで2秒間供給し、次い
で、Pb(DPM)2を流した状態のままNO2を流量
3.0SCCMの条件で10秒間供給し、次に、そのま
まの状態でTi(OiPr)4の供給を始める。Pb
(DPM)2の流量0.2SCCM、Ti(OiPr)
4の流量0.25SCCM、NO2の流量3.0SCC
Mという成膜条件を30秒間保持し、島状構造のPTO
成長核層102を形成する。次に、原料ガス供給条件を
変更し、Pb(DPM)2の流量0.25SCCM、Z
r(OtBu)4の流量0.2SCCM、Ti(OiP
r)4の流量0.4SCCM、NO2の流量3.0SC
CMという成膜条件を200秒間保持し、膜厚30nm
を有する[Zr]/([Zr]+[Ti])比が約0.
2の第一のPZT層103を得る。次に、Pb(DP
M)2の流量0.25SCCM、Zr(OtBu)4の
流量0.3SCCM、Ti(OiPr)4の流量0.3
2SCCM、NO2の流量3.0SCCMという成膜条
件を1100秒間保持し、膜中央部に膜厚200nmを
有する[Zr]/([Zr]+[Ti])比が約0.3
5の第二のPZT層104を形成する。その後、Pb
(DPM)2の流量0.25SCCM、Zr(OtB
u)4の流量0.4SCCM、Ti(OiPr)4の流
量0.2SCCM、NO2の流量3.0SCCMという
成膜条件を100秒間保持し、膜厚20nmを有する
[Zr]/([Zr]+[Ti])比が約0.55の第
三のPZT層105を形成する。さらに、Pb(DP
M)2の流量0.2SCCM、Ti(OiPr)4の流
量0.25SCCM、NO2の流量3.0SCCMとい
う成膜条件を30秒間保持し、PTO層106を形成す
る。最後に、上部電極107として、上部電極形成中の
膜構造への加熱効果を回避するために、真空蒸着にてA
uを堆積して、本実施の形態の強誘電体容量素子の製造
工程を完了する。電極としてAuを使用した場合には、
分極反転の繰り返しにおいて、早期に反転電荷に変化が
現れるということはよく知られた事実であるが、上部電
極形成中の膜構造への加熱効果の影響を排除するため
に、上部電極として真空蒸着法によるAuをあえて使用
した。Next, the ferroelectric device of the present embodiment will be described in more detail together with its manufacturing method. In the present embodiment, ruthenium (R
u) was used. As MOCVD raw materials, for Pb, bisdipivaloyl methanate lead [Pb (DPM) 2 ], Ti
Titanium isopropoxide [Ti (OiPr) 4 ],
Zirconium butoxide [Zr (OtB
u) 4 ], and nitrogen dioxide (NO 2 ) was used as an oxidant. During the formation of the PTO layer and the PZT layer, the total gas pressure in the vacuum chamber is 100 mTorr (13.33P).
a), the substrate temperature was kept at 430 ° C. First, Pb (D
PM) 2 is supplied for 2 seconds at a flow rate of 0.2 SCCM, then NO 2 is supplied for 10 seconds at a flow rate of 3.0 SCCM while Pb (DPM) 2 is being flown, and then Ti The supply of (OiPr) 4 is started. Pb
(DPM) 2 flow rate 0.2 SCCM, Ti (OiPr)
4 flow rate 0.25SCCM, NO 2 flow rate 3.0SCC
The film formation condition of M is maintained for 30 seconds and the island-shaped PTO
The growth nucleus layer 102 is formed. Next, the source gas supply conditions were changed, and the flow rate of Pb (DPM) 2 was 0.25 SCCM, Z.
Flow rate of r (OtBu) 4 0.2SCCM, Ti (OiP)
r) 4 flow rate 0.4SCCM, NO 2 flow rate 3.0SC
The film forming condition of CM is maintained for 200 seconds and the film thickness is 30 nm.
With a [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of about 0.
2 to obtain the first PZT layer 103. Next, Pb (DP
M) 2 flow rate 0.25 SCCM, Zr (OtBu) 4 flow rate 0.3 SCCM, Ti (OiPr) 4 flow rate 0.3
The film formation condition of 2 SCCM and NO 2 flow rate of 3.0 SCCM is maintained for 1100 seconds, and the [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio having a film thickness of 200 nm at the film central portion is about 0.3.
The second PZT layer 104 of No. 5 is formed. Then Pb
(DPM) 2 flow rate 0.25 SCCM, Zr (OtB
u) 4 flow rate 0.4 SCCM, Ti (OiPr) 4 flow rate 0.2 SCCM, NO 2 flow rate 3.0 SCCM are held for 100 seconds, and the film thickness is 20 nm. [Zr] / ([Zr] A third PZT layer 105 having a + [Ti]) ratio of about 0.55 is formed. Furthermore, Pb (DP
M) 2 flow rate 0.2 SCCM, Ti (OiPr) 4 flow rate 0.25 SCCM, and NO 2 flow rate 3.0 SCCM are held for 30 seconds to form the PTO layer 106. Lastly, as the upper electrode 107, in order to avoid a heating effect on the film structure during the formation of the upper electrode, A is formed by vacuum evaporation.
After depositing u, the manufacturing process of the ferroelectric capacitor according to the present embodiment is completed. When Au is used as the electrode,
It is a well-known fact that the change in the inversion charge appears early in repeated polarization inversion, but in order to eliminate the effect of the heating effect on the film structure during the formation of the upper electrode, vacuum deposition is used as the upper electrode. Au by the method was intentionally used.
【0014】図2(a)に示すように、上述のように作
製した本実施の形態の強誘電体容量素子は、その初期状
態における強誘電ヒステリシス特性において左右対称で
あり、電圧シフトを示さない。なお、図2(a)は、±
2V、±3V、±4V、±5Vの両極性の単発電圧掃引
で得られた初期状態のヒステリシス(シングルショット
ヒステリシス)を重ね合わせて示したものである。図2
(b)に示すように、本実施の形態の強誘電体装置は、
±3Vの両極性電圧パルスを繰り返し印加して分極反転
を行ったところ、上部電極としてよく知られたRuを用
いた場合に比して、予期されるように、早期に反転電荷
に変化が現れる。しかしながら、106〜107回程度
の分極反転回数までは、その反転電荷および非反転電荷
はほとんど変化を示さない。また、図2(c)は、図2
(b)に示す各点における疲労特性実験後に測定したシ
ングルショットヒステリシスを重ね合わせて示してい
る。残留分極が反転開始初期からほとんど変動がなく、
また、ヒステリシス形状も全く重なっている。なお、図
2(c)においては、印加電圧零の場合の残留電荷を零
にしている。As shown in FIG. 2A, the ferroelectric capacitor element of the present embodiment manufactured as described above is bilaterally symmetric in the ferroelectric hysteresis characteristics in its initial state, and does not show a voltage shift. . In addition, FIG.
It is shown by superimposing the initial-state hysteresis (single-shot hysteresis) obtained by a single-shot voltage sweep of bipolar voltages of 2V, ± 3V, ± 4V, and ± 5V. Figure 2
As shown in (b), the ferroelectric device of the present embodiment is
When polarization reversal is performed by repeatedly applying bipolar voltage pulses of ± 3 V, the change in the inversion charge appears earlier as expected as compared with the case where Ru, which is well known as the upper electrode, is used. . However, the inversion charges and the non-inversion charges show almost no change until the number of polarization inversions of about 10 6 to 10 7 . In addition, FIG.
The single shot hysteresis measured after the fatigue characteristic experiment at each point shown in (b) is shown in an overlapping manner. Remanent polarization has hardly changed from the beginning of inversion,
Also, the hysteresis shapes are completely overlapped. In FIG. 2C, the residual charge when the applied voltage is zero is zero.
【0015】〔比較例〕図3は、比較例の強誘電体容量
素子の断面図〔(a)〕と、膜厚方向の組成比分布図
〔(b)〕である。図4は、図3の強誘電体容量素子の
初期状態における強誘電ヒステリシス特性図〔(a)〕
と、疲労特性図〔(b)〕と、疲労特性測定後における
強誘電ヒステリシス特性図〔(c)〕である。図3
(a)に示すように、本実施の形態の強誘電体容量素子
は、下部電極201上に、PTO成長核層202と、P
ZT層204と、上部電極側PTO層206と、が積層
され、PTO層206の上に上部電極207が形成され
ている。図3(b)に示すように、PZT層204は、
その[Zr]/([Zr]+[Ti])比が0.35程
度である単一の強誘電体薄膜層である。PZT層204
の膜厚は250nm、PTO層206の膜厚は5nm程
度である。[Comparative Example] FIG. 3 is a sectional view [(a)] of a ferroelectric capacitor element of a comparative example and a composition ratio distribution diagram [(b)] in the film thickness direction. FIG. 4 is a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(a)] of the ferroelectric capacitor of FIG. 3 in an initial state.
FIG. 4 is a fatigue characteristic diagram [(b)] and a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(c)] after the fatigue characteristic measurement. Figure 3
As shown in (a), the ferroelectric capacitor of the present embodiment has a PTO growth nucleus layer 202 and a PTO growth nucleus layer 202 on the lower electrode 201.
The ZT layer 204 and the upper electrode side PTO layer 206 are laminated, and the upper electrode 207 is formed on the PTO layer 206. As shown in FIG. 3B, the PZT layer 204 is
It is a single ferroelectric thin film layer having a [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of about 0.35. PZT layer 204
Has a thickness of 250 nm, and the PTO layer 206 has a thickness of about 5 nm.
【0016】次に、本比較例の強誘電体容量素子を、そ
の製造方法とともに、より詳細に説明する。本比較例に
おける下部電極、MOCVD原料、酸化剤は、第1の実
施の形態と同じである。PTO層ならびにPZT層の成
膜中を通して、真空容器内のガスの全圧は100mTo
rr(13.33Pa)、基板温度は430℃に保たれ
た。最初にPb(DPM)2を流量0.2SCCMで2
秒間供給し、次いで、Pb(DPM)2を流した状態の
ままNO2を流量3.0SCCMの条件で10秒間供給
し、次に、そのままの状態でTi(OiPr)4の供給
を始める。Pb(DPM)2の流量0.2SCCM、T
i(OiPr)4の流量0.25SCCM、NO2の流
量3.0SCCMという成膜条件を30秒間保持し、島
状構造のPTO成長核層202を形成する。次に、原料
ガス供給条件を変更し、Pb(DPM) 2の流量0.2
5SCCM、Zr(OtBu)4の流量0.3SCC
M、Ti(OiPr)4の流量0.32SCCM、NO
2の流量3.0SCCMという成膜条件を1500秒間
保持し、膜厚250nmを有する[Zr]/([Zr]
+[Ti])比が約0.35のPZT層204を形成す
る。さらに、Pb(DPM) 2の流量0.2SCCM、
Ti(OiPr)4の流量0.25SCCM、NO2の
流量3.0SCCMという成膜条件を30秒間保持し、
膜厚5nmを有するPTO層206を形成する。最後
に、上部電極207として真空蒸着法にてAuを堆積し
て、本比較例の強誘電体容量素子の製造工程を完了す
る。Next, the ferroelectric capacitor of this comparative example was prepared.
The manufacturing method will be described in more detail. In this comparative example
The lower electrode, MOCVD raw material, and oxidizer in the first
It is the same as the embodiment. Formation of PTO and PZT layers
Throughout the membrane, the total pressure of the gas in the vacuum vessel is 100 mTo
rr (13.33 Pa), substrate temperature kept at 430 ° C
It was First Pb (DPM)Two2 at a flow rate of 0.2 SCCM
Seconds, then Pb (DPM)TwoIn the condition
No NOTwoIs supplied for 10 seconds at a flow rate of 3.0 SCCM
Then, as it is, Ti (OiPr)FourSupply of
To start. Pb (DPM)TwoFlow rate of 0.2 SCCM, T
i (OiPr)FourFlow rate of 0.25 SCCM, NOTwoFlow of
The film formation condition of 3.0 SCCM was maintained for 30 seconds
A PTO growth nucleus layer 202 having a layered structure is formed. Next, the raw material
Change the gas supply condition, Pb (DPM) TwoFlow rate of 0.2
5SCCM, Zr (OtBu)FourFlow rate of 0.3 SCC
M, Ti (OiPr)FourFlow rate of 0.32 SCCM, NO
TwoFlow rate of 3.0 SCCM for 1500 seconds
[Zr] / ([Zr] which holds and has a film thickness of 250 nm
Forming a PZT layer 204 having a + [Ti] ratio of about 0.35
It Furthermore, Pb (DPM) TwoFlow rate of 0.2 SCCM,
Ti (OiPr)FourFlow rate of 0.25 SCCM, NOTwoof
Hold the film forming condition of flow rate 3.0 SCCM for 30 seconds,
A PTO layer 206 having a film thickness of 5 nm is formed. last
Then, Au is deposited as the upper electrode 207 by a vacuum evaporation method.
Complete the manufacturing process of the ferroelectric capacitor of this comparative example.
It
【0017】図4(a)に示すように、上述のように作
製した本比較例の強誘電体記憶素子は、その初期状態に
おける強誘電ヒステリシス(シングルショットヒステリ
シス)において左右非対称であり、明らかな電圧シフト
を示す。図4(a)は、第1の実施の形態の図2(a)
と同様に、±2V、±3V、±4V、±5Vの両極性の
単発電圧掃引で得られた初期状態のヒステリシス(シン
グルショットヒステリシス)を重ね合わせて示したもの
である。また、図4(b)に示すように、本比較例の強
誘電体容量素子は、±3Vの両極性電圧パルスを繰り返
し印加して分極反転を行う際、初期における分極反転に
おいて既に、特に反転電荷に、大きな変動を示す。さら
に、図4(c)に示すように、本比較例の強誘電体容量
素子においては、残留分極が反転開始初期において既に
大きく変動し、また、ヒステリシス形状も大きく変化す
る。図4(c)は、第1の実施の形態の図2(c)と同
様に、図4(b)に示す各点における疲労特性実験後に
測定したシングルショットヒステリシスを重ね合わせて
示してものである。As shown in FIG. 4A, the ferroelectric memory element of this comparative example manufactured as described above is asymmetric in left and right in the ferroelectric hysteresis (single shot hysteresis) in its initial state, which is obvious. Indicates voltage shift. FIG. 4A is a diagram of FIG. 2A of the first embodiment.
In the same manner as the above, the hysteresis in the initial state (single shot hysteresis) obtained by the single-shot voltage sweep of both polarities of ± 2V, ± 3V, ± 4V, and ± 5V is superimposed and shown. In addition, as shown in FIG. 4B, the ferroelectric capacitor of this comparative example is already subjected to polarization reversal by repeatedly applying a bipolar voltage pulse of ± 3 V, and in particular, in the initial polarization reversal, The charge shows a large fluctuation. Further, as shown in FIG. 4C, in the ferroelectric capacitor of this comparative example, the remanent polarization is already largely changed at the beginning of inversion, and the hysteresis shape is also greatly changed. Similarly to FIG. 2C of the first embodiment, FIG. 4C shows the single shot hysteresis measured after the fatigue characteristic experiment at each point shown in FIG. is there.
【0018】図2(a)〜(c)に示す第1の実施の形
態の強誘電体容量素子の強誘電ヒステリシス特性や疲労
特性と、図4(a)〜(c)に示す比較例の強誘電体容
量素子の強誘電ヒステリシス特性や疲労特性との間の顕
著な差は、第1の実施の形態の強誘電体容量素子におけ
る、PTO成長核層102と第二のPZT層104との
間に存在する第一のPZT層103、および、第二のP
ZT層104と上部電極側PTO層106との間に存在
する第三のPZT層105の効果を物語るものである。Ferroelectric hysteresis characteristics and fatigue characteristics of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment shown in FIGS. 2A to 2C and the comparative example shown in FIGS. 4A to 4C. A significant difference between the ferroelectric hysteresis characteristic and the fatigue characteristic of the ferroelectric capacitor is that the PTO grown nucleus layer 102 and the second PZT layer 104 in the ferroelectric capacitor of the first embodiment are different. The first PZT layer 103 and the second P that are present between
This shows the effect of the third PZT layer 105 existing between the ZT layer 104 and the upper electrode side PTO layer 106.
【0019】以下に、第一のPZT層103と第三のP
ZT層105との効果について考察する。従来の技術に
おいて述べたように、Zr/Ti比の小さな、あるいは
PTOよりなる成長核層上にZr/Ti比の大きなPZ
T強誘電体層を成長させると、その界面に格子定数差に
伴う歪みが発生する。この歪みは界面から遠ざかるにつ
れて急激に減衰していくので、界面近傍のみに荷電層を
形成することになる。この荷電層は、作製した強誘電体
容量素子の初期状態における強誘電ヒステリシス特性
に、電圧オフセットを発生させる。Below, the first PZT layer 103 and the third PZT layer 103
The effect with the ZT layer 105 will be considered. As described in the prior art, PZ having a small Zr / Ti ratio or a large Zr / Ti ratio on the growth nucleus layer made of PTO.
When the T ferroelectric layer is grown, strain is generated at the interface due to the difference in lattice constant. This strain is rapidly attenuated as the distance from the interface is increased, so that the charged layer is formed only near the interface. This charged layer causes a voltage offset in the ferroelectric hysteresis characteristics in the initial state of the manufactured ferroelectric capacitor.
【0020】これに対して、第1の実施の形態において
は、PTO成長核層102と、Zr/Ti比の比較的大
きな、[Zr]/([Zr]+[Ti])比が約0.3
5の第二のPZT層104との間に、[Zr]/([Z
r]+[Ti])比が0.35より小さな0.2である
第一のPZT層103を20〜30nm形成することに
よって、この第一のPZT層103が歪みの緩衝層とし
て働き、発生する界面電荷量を抑制する効果を有する。
ただし、この第一のPZT層103の[Zr]/([Z
r]+[Ti])比を0.15よりも小さくすると、P
ZT層全体としての抗電界が大きくなりすぎ、かつ分極
値が減少してしまうことを確認している。一方、[Z
r]/([Zr]+[Ti])比を0.25より大きく
すると、第一のPZT層103の上に堆積する第二のP
ZT層104とのZr/Ti比の差が小さくなるため、
第一のPZT層103の緩衝層としての効果が現れなく
なることも確認している。したがって、第一のPZT層
103の[Zr]/([Zr]+[Ti])比は、0.
15以上、0.25以下とすることが好ましく、約0.
2とすることが最も好ましい。また、第一のPZT層1
03の膜厚は、20〜30nmにすることが好ましい。
第一のPZT層103の膜厚を20nmよりも薄くする
と、第一のPZT層103に緩衝層としての効果が見ら
れなくなる。一方、第一のPZT層103の膜厚を30
nmよりも厚くすると、第一のPZT層103のZr/
Ti比の小さな強誘電体層としての効果が大きくなり、
PZT層全体としての抗電圧を大きくするように働く。On the other hand, in the first embodiment, the PTO grown nucleus layer 102 and the [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio having a relatively large Zr / Ti ratio are about 0. .3
5 between the second PZT layer 104 and [Zr] / ([Z
By forming the first PZT layer 103 having a ratio of [r] + [Ti] of 0.2 smaller than 0.35 of 20 to 30 nm, the first PZT layer 103 acts as a strain buffer layer and is generated. This has the effect of suppressing the amount of interfacial charge that occurs.
However, [Zr] / ([Zr of the first PZT layer 103
r] + [Ti]) ratio is smaller than 0.15, P
It has been confirmed that the coercive electric field of the entire ZT layer becomes too large and the polarization value decreases. On the other hand, [Z
When the r] / ([Zr] + [Ti]) ratio is larger than 0.25, the second P deposited on the first PZT layer 103 is deposited.
Since the difference in the Zr / Ti ratio from the ZT layer 104 becomes small,
It has also been confirmed that the effect of the first PZT layer 103 as a buffer layer does not appear. Therefore, the [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of the first PZT layer 103 is 0.
It is preferably not less than 15 and not more than 0.25, and is about 0.
Most preferably, it is 2. Also, the first PZT layer 1
The film thickness of 03 is preferably 20 to 30 nm.
When the film thickness of the first PZT layer 103 is thinner than 20 nm, the effect of the first PZT layer 103 as a buffer layer cannot be seen. On the other hand, the film thickness of the first PZT layer 103 is set to 30
If it is thicker than nm, Zr / of the first PZT layer 103
The effect as a ferroelectric layer with a small Ti ratio becomes large,
It works to increase the coercive voltage of the PZT layer as a whole.
【0021】次に、第三のPZT膜105の効果につい
て説明する。PZT層の上部表面と上部電極との界面に
は、上部電極形成プロセスによりダメージや歪みが導入
される。ダメージによって発生した電荷に加えて、PZ
T層に加えられる応力も、強誘電ドメインの挙動に影響
を与える。このような作用によって、上部電極との界面
付近のPZT層は分極反転しにくくなり、また、初期状
態における強誘電ヒステリシスに電圧オフセットが発生
する。さらに、強誘電性を示す正方晶構造のPZTにお
いては、電界印加によってa軸と分極軸であるc軸とが入
れ替わる90°ドメイン回転が分極反転中に起こると、
読出し電荷が変動する。上部電極との界面付近に歪みが
導入されていると、その歪み効果によって90°ドメイ
ン回転が最初の書き込み動作時において完了することが
困難になっていき、その後の電界印加によって徐々に起
こるという現象が生じやすくなる。特に、上部電極との
界面付近に存在するPZT層の抗電界が大きい、即ち、
Zr/Ti比の小さい組成においては、a軸長とc軸長
との差が大きいので、90°ドメイン回転が歪みを増加
させる方向に働き、その傾向が顕著になる。Next, the effect of the third PZT film 105 will be described. Damage and strain are introduced into the interface between the upper surface of the PZT layer and the upper electrode by the upper electrode forming process. In addition to the charge generated by damage, PZ
The stress applied to the T layer also affects the behavior of the ferroelectric domain. Due to such an action, the PZT layer near the interface with the upper electrode is less likely to undergo polarization reversal, and a voltage offset occurs in the ferroelectric hysteresis in the initial state. Furthermore, in a tetragonal structure PZT exhibiting ferroelectricity, when a 90 ° domain rotation in which the a axis and the c axis, which is the polarization axis, are switched by application of an electric field occurs during polarization reversal,
The read charge fluctuates. When strain is introduced near the interface with the upper electrode, it is difficult for the 90 ° domain rotation to be completed at the time of the first writing operation due to the strain effect, and gradually occurs by the subsequent application of an electric field. Is likely to occur. In particular, the coercive electric field of the PZT layer existing near the interface with the upper electrode is large, that is,
In the composition having a small Zr / Ti ratio, the difference between the a-axis length and the c-axis length is large, and therefore the 90 ° domain rotation works in the direction of increasing the strain, and this tendency becomes remarkable.
【0022】PZT中のZr/Ti比の増加に伴い、抗
電界が小さくなる傾向があることが一般的に認められて
いる。これはイオン半径の大きなZrがランダムにBサ
イト、即ち、ZrやTiのはいるサイトを占めることに
より、Bサイト空間が拡大され、同じBサイトを占める
イオン半径の小さなTiが比較的自由に動けるようにな
るためであると理解されている。Tiイオンが自由に動
けるようになると、Tiイオンの移動に伴い分極反転が
おこるわけであるから、分極反転が起こり易くなる。第
1の実施の形態のように、[Zr]/([Zr]+[T
i])比が約0.35の第二のPZT層104の上に、
[Zr]/([Zr]+[Ti])比が0.35より大
きな0.55である第三のPZT層105を成長させる
ことは、上部電極との界面付近に抗電界の小さなPZT
層を形成することになり、上部電極との界面付近の分極
反転を容易にする作用をもたらす。それに加え、[Z
r]/([Zr]+[Ti])比、したがって、Zr/
Ti比を大きくすると、正方晶PZT分子におけるa軸
長とc軸長との比が1に近づくので、90°ドメイン回転
に伴って発生する膜中歪みが小さくなり、90°ドメイ
ン回転が容易となる。この効果により最初の書き込み動
作時に90°ドメイン回転を完了させることができ、そ
れ以降の分極反転繰り返しによる読出し電荷変動を抑制
することができる。It is generally accepted that the coercive electric field tends to decrease with increasing Zr / Ti ratio in PZT. This is because Zr having a large ionic radius randomly occupies B sites, that is, sites containing Zr and Ti, so that the B site space is expanded and Ti having a small ionic radius occupying the same B site can move relatively freely. It is understood that this is because When the Ti ions are allowed to move freely, polarization inversion occurs with the movement of Ti ions, and therefore polarization inversion easily occurs. As in the first embodiment, [Zr] / ([Zr] + [T
i]) on the second PZT layer 104 having a ratio of about 0.35,
The growth of the third PZT layer 105 having a [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of 0.55, which is larger than 0.35, means that the PZT having a small coercive electric field is formed near the interface with the upper electrode.
As a layer is formed, it has the effect of facilitating polarization reversal near the interface with the upper electrode. In addition to that, [Z
r] / ([Zr] + [Ti]) ratio, thus Zr /
When the Ti ratio is increased, the ratio of the a-axis length and the c-axis length in the tetragonal PZT molecule approaches 1, so that the strain in the film generated by the 90 ° domain rotation becomes small, and the 90 ° domain rotation becomes easy. Become. Due to this effect, the 90 ° domain rotation can be completed in the first write operation, and the read charge fluctuation due to the repetition of polarization inversion thereafter can be suppressed.
【0023】このような効果は、第三のPZT層105
の[Zr]/([Zr]+[Ti])比を0.43より
よりも小さくすると薄れてしまう。また、第三のPZT
層105の[Zr]/([Zr]+[Ti])比を0.
58よりも大きくすると、結晶相が正方晶から菱面晶に
変化し分極軸が変化してしまうため、所望の分極値を得
られなくなる。したがって、第三のPZT層105の
[Zr]/([Zr]+[Ti])比は、0.43以上
で0.58以下とするのが好ましい。また、第三のPZ
T層105の膜厚は、10〜20nmにするのが好まし
い。第三のPZT層105の膜厚を20nmよりも厚く
すると、全体としての強誘電体容量素子に常誘電成分を
増加させ、そのヒステリシス形状を悪化させる。一方、
第三のPZT層105の膜厚を10nmよりも薄くする
と、上述の効果が現れなくなる。なお、上述の実験を通
じて、第二のPZT層104の[Zr]/([Zr]+
[Ti])比は、0.3以上で0.4以下であることが
好ましく、0.35であるのが最も好ましいことが見出
された。その膜厚は、100〜200nmであることが
好ましい。Such an effect is obtained by the third PZT layer 105.
If the [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of is smaller than 0.43, it becomes thin. Also, the third PZT
The [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of the layer 105 is 0.
When it is larger than 58, the crystal phase changes from tetragonal to rhombohedral and the polarization axis changes, so that a desired polarization value cannot be obtained. Therefore, the [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of the third PZT layer 105 is preferably 0.43 or more and 0.58 or less. Also, the third PZ
The thickness of the T layer 105 is preferably 10 to 20 nm. When the film thickness of the third PZT layer 105 is made thicker than 20 nm, the paraelectric component is increased in the ferroelectric capacitor element as a whole, and its hysteresis shape is deteriorated. on the other hand,
If the film thickness of the third PZT layer 105 is made thinner than 10 nm, the above-mentioned effect does not appear. In addition, through the above experiment, [Zr] / ([Zr] + of the second PZT layer 104 is obtained.
It has been found that the [Ti] ratio is preferably 0.3 or more and 0.4 or less, and most preferably 0.35. The film thickness is preferably 100 to 200 nm.
【0024】〔確認実験1〕図5は、本発明の効果を確
認するための、確認実験1の強誘電体容量素子の膜厚方
向の組成比分布図〔(a)および(b)〕と、それぞれ
の強誘電体容量素子の強誘電ヒステリシス特性図
〔(c)および(d)〕である。本実験においては、上
部電極と強誘電体層との界面に設けられた上部電極側の
PTO層の効果が調べられた。まず、基板温度を430
℃に設定し、第1の実施の形態と同じ条件で島状構造の
PTO成長核層を5nm形成した後、第1の実施の形態
における第二のPZT層104と同じ組成のPZT層を
220nm形成し、次いで、PTO層を15nm形成し
た後、再度、同じ組成のPZT層を15nm形成して、
試料Aを作製した。次に、試料Aと同じ条件で島状構造
のPTO成長核層、PZT層、PTO層、PZT層を形
成した後、PTO層を15nm形成して、試料Bを作製
した。ただし、最初のPZT層の膜厚だけは205nm
と、試料Aと異なる厚さとした。また、いずれの試料に
おいても、最後に上部電極を作製したが、上部電極作製
中に熱処理効果が発生しないように、真空蒸着法によっ
てAuを堆積して上部電極を形成した。[Confirmation Experiment 1] FIGS. 5A and 5B are composition ratio distribution diagrams [(a) and (b)] in the film thickness direction of the ferroelectric capacitor element of confirmation experiment 1 for confirming the effect of the present invention. FIG. 3 is a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(c) and (d)] of each ferroelectric capacitor. In this experiment, the effect of the PTO layer on the upper electrode side provided at the interface between the upper electrode and the ferroelectric layer was examined. First, the substrate temperature is set to 430
After setting the temperature to 50 ° C. and forming an island-shaped PTO growth nucleus layer of 5 nm under the same conditions as in the first embodiment, a PZT layer of the same composition as the second PZT layer 104 in the first embodiment of 220 nm is formed. Then, a PTO layer having a thickness of 15 nm is formed, and then a PZT layer having the same composition is formed to have a thickness of 15 nm.
Sample A was prepared. Next, a PTO growth nucleus layer, a PZT layer, a PTO layer, and a PZT layer having an island structure were formed under the same conditions as the sample A, and then the PTO layer was formed to a thickness of 15 nm to prepare a sample B. However, the thickness of the first PZT layer is 205 nm.
And a thickness different from that of the sample A. Further, in any of the samples, the upper electrode was finally manufactured, but Au was deposited by the vacuum deposition method to form the upper electrode so that the heat treatment effect did not occur during the manufacture of the upper electrode.
【0025】図5(a)、図5(b)は、それぞれ、試
料A、試料Bの膜厚方向の組成比分布を示している。試
料Aと試料Bとの総膜厚は、同じである。総膜厚に対す
るPZT層の割合は、試料Aの方が高い。図5(c)、
図5(d)は、それぞれ、試料A、試料Bに±2V、±
3V、±4V、±5Vの両極性の単発電圧を掃引したと
きに得られた初期状態の強誘電ヒステリシス(シングル
ショットヒステリシス)を重ね合わせて示したものであ
る。図5(c)と図5(d)とを比較すると、残留分極
の大きさ、強誘電ヒステリシスの角型性などから見て、
試料Bの図5(d)の方が良好な特性を有している。総
膜厚に対するPZT層の割合の高い試料Aよりも、総膜
厚に対するPZT層の割合の低い試料Bの方が良好な強
誘電ヒステリシスを示すということは、試料Bの上部電
極との界面に形成されているPTO層が、強誘電ヒステ
リシス特性の向上に大きな効果を有しているということ
を示している。5 (a) and 5 (b) show the composition ratio distributions in the film thickness direction of Sample A and Sample B, respectively. The total film thickness of sample A and sample B is the same. Sample A has a higher ratio of the PZT layer to the total film thickness. FIG. 5 (c),
FIG. 5D shows ± 2 V and ± for sample A and sample B, respectively.
It is shown by superimposing ferroelectric hysteresis (single shot hysteresis) in an initial state obtained when sweeping a single-shot voltage of both polarities of 3 V, ± 4 V, and ± 5 V. Comparing FIG. 5 (c) and FIG. 5 (d), the size of remanent polarization, the squareness of ferroelectric hysteresis, etc.
The sample B shown in FIG. 5D has better characteristics. Sample B having a lower proportion of the PZT layer to the total film thickness exhibits better ferroelectric hysteresis than sample A having a higher proportion of the PZT layer to the total film thickness means that the interface of the sample B with the upper electrode is higher. It is shown that the formed PTO layer has a great effect on the improvement of the ferroelectric hysteresis characteristic.
【0026】〔確認実験2〕図6は、本発明の効果を確
認するために用いられた、確認実験2の強誘電体容量素
子の膜厚方向の組成比分布図〔(a)〕と、強誘電ヒス
テリシス特性図〔(b)〕である。本実験においては、
上部電極と強誘電体層との界面に設けたPTO層の膜厚
の強誘電ヒステリシス特性に対する効果が調べられた。
まず、基板温度を430℃に設定し、第1の実施の形態
と同じ条件で島状構造のPTO成長核層を5nm形成し
た後、第1の実施の形態における第二のPZT層104
と同じ組成のPZT層を220nm形成し、次いで、種
々の膜厚のPTO層を形成した後、真空蒸着法によって
Auを堆積して上部電極を形成して、本例の強誘電体容
量素子の製造工程を完了した。[Confirmation Experiment 2] FIG. 6 is a composition ratio distribution diagram [(a)] in the film thickness direction of the ferroelectric capacitor element of Confirmation Experiment 2 used for confirming the effect of the present invention. It is a ferroelectric hysteresis characteristic figure [(b)]. In this experiment,
The effect of the film thickness of the PTO layer provided at the interface between the upper electrode and the ferroelectric layer on the ferroelectric hysteresis characteristics was investigated.
First, after setting the substrate temperature to 430 ° C. and forming the island-shaped PTO growth nucleus layer of 5 nm under the same conditions as in the first embodiment, the second PZT layer 104 in the first embodiment is formed.
After forming a PZT layer having the same composition as that of 220 nm and then forming PTO layers of various thicknesses, Au was deposited by a vacuum deposition method to form an upper electrode, and the ferroelectric capacitor element of this example was formed. The manufacturing process is completed.
【0027】図6(a)は、このようにして作製した本
実験の強誘電体記憶素子の膜厚方向の組成比分布を示し
ている。上部電極とPZTとの界面に作製したPTO層
の膜厚xの値は、0、5、10、20、33nmであ
る。図6(b)は、それらの膜厚xを有する試料に、そ
れぞれ、±2V、±3V、±4V、±5Vの両極性の単
発電圧を掃引したときに得られた初期状態の強誘電ヒス
テリシス(シングルショットヒステリシス)を重ね合わ
せて示したものである。x=0nm、即ち、上部電極と
PZTとの界面にPTO層を形成しなかった場合と、x
=5nmの場合とを比較すると、残留分極の大きさ、強
誘電ヒステリシス特性の角型性から見て、x=5nmの
場合の強誘電ヒステリシス特性の方が優れている。特
に、掃引電圧が小さい場合に、その差が顕著である。一
方、x=10、20、33nmとPTO層の膜厚を厚く
していくと、抗電圧値が大きくなり、残留分極値が小さ
くなる。これは、PTO層の膜厚が厚くなるにつれて、
PZT層に比して誘電率の低いPTO層に印加される電
圧が大きくなり、PZT層にかかる電圧の割合が低下し
ていくためである。本発明者は、詳細な評価から、この
PTO層の膜厚は3〜7nmの極薄でよく、約5nmで
あるのが最も好ましいことを見出した。即ち、このPT
O層の膜厚を、PTO成長核層の膜厚と同じにした場合
に、最も優れた強誘電ヒステリシス特性が得られる。こ
の結果から、得られる効果はPTO結晶そのものの効果
(バルク効果)ではなく、電極界面の効果であることが
確認された。上下の電極との界面に同じPTO層を形成
することによって、両界面におけるPZTも同じ状態に
なり、分極反転のきっかけとなる反転核形成が上下界面
ともに同じ条件でおこるようになるからであると判断さ
れる。なお、本実施例においては、PZT層の膜厚方向
にPZT層のZr/Ti比が一定の場合について記した
が、第1の実施の形態のように、膜厚方向にPZT層の
Zr/Ti比が変化する場合においても、同様の効果が
得られている。FIG. 6A shows the composition ratio distribution in the film thickness direction of the ferroelectric memory element of the present experiment manufactured in this way. The value of the film thickness x of the PTO layer formed at the interface between the upper electrode and PZT is 0, 5, 10, 20, 33 nm. FIG. 6B is a ferroelectric hysteresis in an initial state obtained when sweeping a single-shot voltage of both polarities of ± 2 V, ± 3 V, ± 4 V, and ± 5 V to a sample having the film thickness x. (Single shot hysteresis) is shown in an overlapping manner. x = 0 nm, that is, when the PTO layer is not formed at the interface between the upper electrode and PZT, x
= 5 nm, the ferroelectric hysteresis characteristic in the case of x = 5 nm is superior in view of the magnitude of the residual polarization and the squareness of the ferroelectric hysteresis characteristic. Especially, when the sweep voltage is small, the difference is remarkable. On the other hand, when the film thickness of the PTO layer is increased as x = 10, 20, 33 nm, the coercive voltage value increases and the remanent polarization value decreases. This is because as the thickness of the PTO layer increases,
This is because the voltage applied to the PTO layer, which has a lower dielectric constant than that of the PZT layer, increases and the ratio of the voltage applied to the PZT layer decreases. The present inventor has found from the detailed evaluation that the film thickness of this PTO layer may be as thin as 3 to 7 nm, and is most preferably about 5 nm. That is, this PT
When the film thickness of the O layer is the same as the film thickness of the PTO growth nucleus layer, the most excellent ferroelectric hysteresis characteristic is obtained. From this result, it was confirmed that the obtained effect is not the effect of the PTO crystal itself (bulk effect) but the effect of the electrode interface. By forming the same PTO layer at the interfaces with the upper and lower electrodes, the PZTs at both interfaces will also be in the same state, and inversion nucleation that triggers polarization reversal will occur under the same conditions on both the upper and lower interfaces. To be judged. In this example, the case where the Zr / Ti ratio of the PZT layer was constant in the film thickness direction of the PZT layer was described, but as in the first embodiment, the Zr / Ti ratio of the PZT layer is changed in the film thickness direction. Similar effects are obtained even when the Ti ratio changes.
【0028】以上説明したように、本発明の強誘電体容
量素子においては、(1)PTO成長核層の上にPTO
成長核層との格子定数差を緩和するZr/Ti比の小さ
なPZT層を形成することにより、PTO成長核層とP
ZT強誘電体層との界面における電荷層の形成を防ぎ、
(2)上部電極とPZT層との界面にZr/Ti比の大
きなPZT層を形成して抗電界の小さなPZT層を配置
することにより、上部電極との界面付近の分極反転およ
び90°ドメイン回転を容易にし、(3)上部電極とZ
r/Ti比の大きなPZT層との間にPTO成長核層と
同じPTO層を形成することにより、分極反転のきっか
けとなる反転核形成が上下界面ともに同じ条件でおこる
ようにしている。これらのPZT膜内部の構造改善と界
面状態の改善効果とによって、初期状態の強誘電ヒステ
リシスの電圧シフト、分極反転繰り返し中の読み出し電
荷変動が、大幅に抑制される。As described above, in the ferroelectric capacitor of the present invention, (1) PTO is formed on the PTO growth nucleus layer.
By forming a PZT layer having a small Zr / Ti ratio for relaxing the lattice constant difference from the growth nucleus layer, the PTO growth nucleus layer and P
Prevents the formation of a charge layer at the interface with the ZT ferroelectric layer,
(2) By forming a PZT layer having a large Zr / Ti ratio at the interface between the upper electrode and the PZT layer and disposing a PZT layer having a small coercive electric field, polarization reversal near the interface with the upper electrode and 90 ° domain rotation are achieved. (3) upper electrode and Z
By forming the same PTO layer as the PTO growth nucleus layer between the PZT layer having a large r / Ti ratio, the inversion nucleation that triggers the polarization inversion occurs under the same conditions on the upper and lower interfaces. Due to the structural improvement inside the PZT film and the effect of improving the interface state, the voltage shift of the ferroelectric hysteresis in the initial state and the fluctuation of the read charge during repeated polarization inversion are significantly suppressed.
【0029】〔第2の実施の形態〕図7は、本発明の第
2の実施の形態の強誘電体容量素子の断面図〔(a)〕
と、膜厚方向の組成比分布図〔(b)〕である。図7
(a)に示すように、本実施の形態の強誘電体容量素子
は、下部電極301上に、PTO成長核層302と、Z
r/Ti比の異なる5層のPZT層308、309、3
04、310、311と、上部電極側のPTO層306
と、が積層され、PTO層306の上に上部電極307
が形成されたものである。第1の実施の形態の第一のP
ZT層103を2層のPZT層308、309に、第三
のPZT層105を2層のPZT層310、311に、
それぞれ、置き換えたものである。本実施の形態の強誘
電体容量素子は、第1の実施の形態の強誘電体容量素子
よりもZr/Ti比の異なるPZT層の界面の数が増え
るが、隣接するPZT層間の格子定数差が小さくなるの
で、界面歪みをよりいっそう抑制できるという利点があ
る。[Second Embodiment] FIG. 7 is a sectional view of a ferroelectric capacitor according to a second embodiment of the present invention [(a)].
And (b) of the composition ratio distribution in the film thickness direction. Figure 7
As shown in (a), the ferroelectric capacitor of the present embodiment has a PTO growth nucleus layer 302 and a Z
Five layers of PZT layers 308, 309, 3 having different r / Ti ratios
04, 310, 311 and the PTO layer 306 on the upper electrode side
And are stacked, and the upper electrode 307 is formed on the PTO layer 306.
Are formed. First P of the first embodiment
The ZT layer 103 is formed of two PZT layers 308 and 309, the third PZT layer 105 is formed of two PZT layers 310 and 311 and
Each is a replacement. The ferroelectric capacitance element of the present embodiment has a larger number of interfaces of PZT layers having different Zr / Ti ratios than the ferroelectric capacitance element of the first embodiment, but the lattice constant difference between adjacent PZT layers is large. Has a merit that the interface strain can be further suppressed.
【0030】本発明者は、鋭意研究の結果、PZT層3
08の[Zr]/([Zr]+[Ti])比は0.1以
上で0.2以下、PZT層309の[Zr]/([Z
r]+[Ti])比は約0.2とすることが好ましいこ
とを見出した。また、それぞれの膜厚は、PZT層30
8の膜厚がPZT層309の膜厚より薄く、かつ、PZ
T層308とPZT層309との膜厚の和が、20〜4
0nmであることが好ましく、30nmとなるようにす
ることがより好ましく、PZT層308の膜厚を10n
m、PZT層309の膜厚を20nmとすることが最も
好ましい。PZT層308をPZT層309に比して薄
くすることによって、Zr/Ti比の小さな層を薄く
し、PZT層全体としての抗電圧が増大することを抑制
することができる。PZT層310の[Zr]/([Z
r]+[Ti])比は0.4以上で0.55以下、PZ
T層311の[Zr]/([Zr]+[Ti])比は約
0.55とすることが好ましい。PZT層310の[Z
r]/([Zr]+[Ti])比は0.4以上にしない
と、上部電極との界面付近の分極反転および90°ドメ
イン回転を容易にする効果が弱くなる。それぞれの膜厚
は、PZT層310の膜厚がPZT層311の膜厚より
薄く、PZT層310とPZT層311との膜厚の和
は、15〜30nmが好ましく、20nmとなるように
することがより好ましく、PZT層310の膜厚を8n
m、PZT層311の膜厚を12nmとすることが最も
好ましい。PZT層310をPZT層311に比して薄
くしないと、上部電極との界面付近の分極反転および9
0°ドメイン回転を容易にする効果が弱くなる。As a result of earnest research, the present inventor has found that the PZT layer 3
The [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of 08 is 0.1 or more and 0.2 or less, and the [Zr] / ([Z
It has been found that the ratio [r] + [Ti]) is preferably about 0.2. Further, the respective film thicknesses are the same as the PZT layer 30
8 is thinner than that of the PZT layer 309, and
The sum of the film thicknesses of the T layer 308 and the PZT layer 309 is 20 to 4
The thickness is preferably 0 nm, more preferably 30 nm, and the film thickness of the PZT layer 308 is 10 n.
Most preferably, the thickness of the PZT layer 309 is 20 nm. By making the PZT layer 308 thinner than the PZT layer 309, a layer having a small Zr / Ti ratio can be thinned and an increase in coercive voltage of the entire PZT layer can be suppressed. [Zr] / ([Zr of the PZT layer 310
r] + [Ti]) ratio is 0.4 or more and 0.55 or less, PZ
The [Zr] / ([Zr] + [Ti]) ratio of the T layer 311 is preferably about 0.55. [Z of the PZT layer 310
Unless the r] / ([Zr] + [Ti]) ratio is 0.4 or more, the effect of facilitating polarization reversal and 90 ° domain rotation near the interface with the upper electrode becomes weak. The film thickness of the PZT layer 310 is smaller than the film thickness of the PZT layer 311, and the sum of the film thicknesses of the PZT layer 310 and the PZT layer 311 is preferably 15 to 30 nm, and is 20 nm. Is more preferable, and the film thickness of the PZT layer 310 is 8n.
Most preferably, the thickness of the PZT layer 311 is 12 nm. Unless the PZT layer 310 is made thinner than the PZT layer 311, polarization inversion near the interface with the upper electrode and 9
The effect of facilitating 0 ° domain rotation is weakened.
【0031】〔第3の実施の形態〕図8は、本発明の第
3の実施の形態の強誘電体容量素子の断面図〔(a)〕
と、膜厚方向の組成比分布図〔(b)〕である。図8
(a)に示すように、本実施の形態の強誘電体容量素子
は、下部電極401上に、PTO成長核層402と、Z
r/Ti比が連続的に変化するPZT層412と、上部
電極側のPTO層406と、が積層され、PTO層40
6の上に上部電極407が形成されものである。第1の
実施の形態の第一のPZT層103と第二のPZT層1
04との界面、および、第二のPZT層104と第三の
PZT層105との界面を、それぞれ、Zr/Ti比が
連続的に滑らかに変化するようにしたものである。成膜
法としてMOCVD法を使用する場合には、MOCVD
原料の供給量を細かいステップで制御することによっ
て、このような連続的にZr/Ti比が変化する界面を
実現することが可能である。このような界面の方が、図
1や図7に示す階段状にZr/Ti比が変化する界面よ
りも、電荷のトラップサイトとなりやすい結晶粒界が発
生しにくくなり、強誘電ヒステリシスへの電圧オフセッ
トの発生を抑える効果が大きくなる。組成変調を施す領
域の厚さは、下部電極側で20〜30nm、上部電極側
で10〜20nmと、それぞれ、第1の実施の形態の第
一のPZT層103、第三のPZT層105と同じ厚さ
とされることが好ましい。また、PZT膜の中央部のZ
r/Ti比の変化しない領域の[Zr]/([Zr]+
[Ti])比は約0.35、その膜厚は100〜200
nmとされることが好ましい。なお、第1の実施の形態
から第3の実施の形態にいたるまで、成膜温度が450
℃以上であっても、上述した本発明の強誘電構造の効果
は維持されることが確認された。さらに、第1の実施の
形態から第3の実施の形態において、強誘電体としてP
ZTが用いられたが、本発明の半導体記憶装置は、PZ
Tに限定されず、少なくとも陰性元素としてZrおよび
Tiを有する強誘電体を用いて構成できる。このような
強誘電体として、(Pb,La)(Zr,Ti)O3、
(Pb,Nb)(Zr,Ti)O3、La2(Zr,T
i)O7、(Pr,Ce)Pbn(Zr,Ti)nO
3n+1等の、単純ペロブスカイト型結晶構造あるいは
層状ペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体が挙げ
られる。さらに、MOCVD法における原料の供給手段
はキャリアガスによる搬送を用いても、液体原料搬送を
用いてもよく、また、成膜方法をゾルゲル法、スパッタ
リング法、もしくはレーザーアブレーション法にして
も、同様の効果を再現できた。[Third Embodiment] FIG. 8 is a sectional view of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment of the present invention [(a)].
And (b) of the composition ratio distribution in the film thickness direction. Figure 8
As shown in (a), the ferroelectric capacitor of the present embodiment has a PTO growth nucleus layer 402 and a Z layer on the lower electrode 401.
The PZT layer 412 in which the r / Ti ratio continuously changes and the PTO layer 406 on the upper electrode side are stacked to form the PTO layer 40.
6 has an upper electrode 407 formed thereon. The first PZT layer 103 and the second PZT layer 1 of the first embodiment
04 and the interface between the second PZT layer 104 and the third PZT layer 105 are such that the Zr / Ti ratio changes continuously and smoothly. When the MOCVD method is used as the film forming method, the MOCVD method is used.
It is possible to realize such an interface in which the Zr / Ti ratio changes continuously by controlling the supply amount of the raw material in fine steps. Compared with the interface where the Zr / Ti ratio changes stepwise as shown in FIGS. 1 and 7, such an interface is less likely to generate a crystal grain boundary that is more likely to be a charge trap site, and the voltage to the ferroelectric hysteresis is increased. The effect of suppressing the occurrence of offset is increased. The thicknesses of the regions to be composition-modulated are 20 to 30 nm on the lower electrode side and 10 to 20 nm on the upper electrode side, and are the same as those of the first PZT layer 103 and the third PZT layer 105 of the first embodiment, respectively. It is preferable that they have the same thickness. In addition, Z in the central portion of the PZT film
[Zr] / ([Zr] + in the region where the r / Ti ratio does not change
[Ti]) ratio is about 0.35, and its film thickness is 100-200.
nm is preferable. In addition, from the first embodiment to the third embodiment, the film forming temperature is 450.
It was confirmed that the effect of the ferroelectric structure of the present invention described above is maintained even at a temperature of not less than ° C. Further, in the first to third embodiments, P is used as the ferroelectric substance.
Although ZT is used, the semiconductor memory device of the present invention is
It is not limited to T, but can be configured using a ferroelectric having at least Zr and Ti as negative elements. As such a ferroelectric, (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ,
(Pb, Nb) (Zr, Ti) O 3 , La 2 (Zr, T
i) O 7 , (Pr, Ce) Pb n (Zr, Ti) n O
Ferroelectric materials having a simple perovskite crystal structure or a layered perovskite crystal structure, such as 3n + 1 , can be given. Further, as the means for supplying the raw material in the MOCVD method, carrier gas transportation or liquid material transportation may be used, and the film formation method may be the sol-gel method, the sputtering method, or the laser ablation method. I was able to reproduce the effect.
【0032】〔第4の実施の形態〕図9は、本発明の第
4の実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法を説明
するための工程順の断面図である。まず、LOCOS法
によりシリコン基板に分離用酸化膜606を形成して素
子形成領域を画定した後、必要に応じて、リン、ボロン
等を不純物としてイオン注入することによりnウェル
(図示せず)、あるいは/および、pウェル(図示せ
ず)を形成する。次に、ゲート酸化膜601をウエット
酸化により形成した後、全面にポリシリコン膜を成膜
し、成膜したポリシリコン膜を通常のフォトエッチング
技術によりエッチングすることによって、ゲートポリシ
リコン層602を形成する。このゲートポリシリコン層
602の周囲にシリコン酸化膜を成膜した後、エッチン
グして、側壁酸化膜603を形成する。次に、不純物を
イオン注入することにより拡散層605を形成する。n
型拡散層を形成するためには例えば砒素が、p型拡散層
を形成するためには例えばボロンが、不純物として使用
される。さらに、全面にTi膜を成膜し、熱処理を行っ
た後、シリコンと未反応のTi膜をエッチングにより除
去することにより、ゲートポリシリコン層602および
拡散層605の上に、それぞれ、Tiシリサイド膜60
4を形成する。以上の工程により、図9(a)に示すよ
うに、シリコン基板上において分離用酸化膜606によ
って画定された領域内にnチャネルあるいはpチャネル
のMOS型トランジスタが形成される。[Fourth Embodiment] FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views in order of the processes, for explaining the method for manufacturing the ferroelectric memory device according to the fourth embodiment of the present invention. First, an isolation oxide film 606 is formed on a silicon substrate by the LOCOS method to define an element formation region, and then, if necessary, phosphorus, boron or the like is ion-implanted as impurities to form an n-well (not shown), Alternatively and / or form a p-well (not shown). Next, a gate oxide film 601 is formed by wet oxidation, a polysilicon film is formed on the entire surface, and the formed polysilicon film is etched by a normal photoetching technique to form a gate polysilicon layer 602. To do. After forming a silicon oxide film around the gate polysilicon layer 602, etching is performed to form a sidewall oxide film 603. Next, the diffusion layer 605 is formed by ion-implanting impurities. n
For example, arsenic is used as an impurity for forming the type diffusion layer, and boron is used as an impurity for forming the p type diffusion layer. Further, after forming a Ti film on the entire surface and performing a heat treatment, the Ti film that has not reacted with silicon is removed by etching, so that the Ti silicide film is formed on the gate polysilicon layer 602 and the diffusion layer 605, respectively. 60
4 is formed. Through the above steps, as shown in FIG. 9A, an n-channel or p-channel MOS transistor is formed in the region defined by the isolation oxide film 606 on the silicon substrate.
【0033】次に、第一層間絶縁膜607aとしてシリ
コン酸化膜又はボロンの酸化物とリンの酸化物を添加し
たシリコン酸化膜(BPSG膜)を全面に成膜した後、
化学機械研磨法(CMP法)やエッチバック法を用い
て、その表面を平坦化する。次いで、拡散層605への
接続を形成するためのコンタクトホールをエッチングに
より第一層間絶縁膜607aに形成した後、拡散層60
5に対してn型またはp型の不純物を注入し、750℃
で10秒間の熱処理を行う。この後、拡散層605への
バリア層となるTi膜とTiN膜を連続して成膜する。
さらに、タングステンをCVD法により成膜した後、C
MP法により表面を平坦化して、第一プラグ608aを
形成する。この上に、下部電極のバリア層となるTi膜
609、TiN膜610およびTi膜611を連続して
スパッタ法にて成膜し、さらに、強誘電体容量素子の下
部電極を形成するために、膜厚100nmのRu膜61
2を成膜する〔図9(b)〕。Next, after a silicon oxide film or a silicon oxide film (BPSG film) to which a boron oxide and a phosphorus oxide are added is formed on the entire surface as the first interlayer insulating film 607a,
The surface is flattened by using a chemical mechanical polishing method (CMP method) or an etch back method. Next, a contact hole for forming a connection to the diffusion layer 605 is formed in the first interlayer insulating film 607a by etching, and then the diffusion layer 60 is formed.
Injecting n-type or p-type impurities into 5 at 750 ° C.
Heat treatment for 10 seconds. After that, a Ti film and a TiN film, which will be a barrier layer to the diffusion layer 605, are continuously formed.
Further, after depositing tungsten by the CVD method, C
The surface is flattened by the MP method to form the first plug 608a. A Ti film 609, a TiN film 610, and a Ti film 611, which will be a barrier layer of the lower electrode, are successively formed thereon by a sputtering method, and further, in order to form a lower electrode of the ferroelectric capacitor, Ru film 61 having a film thickness of 100 nm
2 is deposited (FIG. 9B).
【0034】次に、第1の実施の形態から第3の実施の
形態のいずれかに記載された構造を有する、PTO成長
核層とPZT層と上部電極側PTO層とよりなる積層膜
を膜厚が200nmになるように形成する。続いて、強
誘電体容量素子の上部電極を形成するために、スパッタ
リング法によりRu膜を成膜する。さらに、ドライエッ
チングによって、強誘電体容量素子上部電極を形成する
ためのRu膜、PTO成長核層とPZT層と上部電極側
PTO層とよりなる積層膜、および、Ru膜614、T
i膜611とTiN膜610とTi膜609をパターニ
ングすることによって、それぞれ、上部電極614、P
TO成長核層とPZT層と上部電極側PTO層とよりな
る強誘電体薄膜構造層613、Ru膜612とバリアメ
タル層(609〜611)からなる下部電極615を形
成する。以上の工程により、図9(c)に示すように、
上部電極614、強誘電体薄膜構造層613および下部
電極615よりなるPZT強誘電体容量素子が形成され
る。Next, a laminated film composed of the PTO growth nucleus layer, the PZT layer, and the upper electrode side PTO layer having the structure described in any of the first to third embodiments is formed into a film. It is formed to have a thickness of 200 nm. Then, a Ru film is formed by a sputtering method in order to form an upper electrode of the ferroelectric capacitor. Further, a Ru film for forming an upper electrode of the ferroelectric capacitor by dry etching, a laminated film including a PTO growth nucleus layer, a PZT layer, and an upper electrode side PTO layer, and Ru films 614 and T.
By patterning the i film 611, the TiN film 610, and the Ti film 609, the upper electrodes 614 and P are respectively formed.
A ferroelectric thin film structure layer 613 including a TO growth nucleus layer, a PZT layer, and an upper electrode side PTO layer, and a lower electrode 615 including a Ru film 612 and barrier metal layers (609 to 611) are formed. Through the above steps, as shown in FIG.
A PZT ferroelectric capacitor element including the upper electrode 614, the ferroelectric thin film structure layer 613 and the lower electrode 615 is formed.
【0035】次に、図9(d)に示すように、第二層間
絶縁膜607bとしてシリコン酸化膜をプラズマCVD
法により全面に形成した後、PZT強誘電体容量素子の
上に開口を設け、第一プラグと同様な方法で第二プラグ
608bを形成する。次いで、WSi、TiN、Al、
Cu、TiNを、この順にスパッタ法にて成膜した後、
エッチングにより加工して、第二プラグ608bの上
に、紙面前方から後方に延びるメタル配線616を形成
する。メタル配線616は、メモリセルのプレート線と
なる。さらに、シリコン酸化膜およびシリコン窒化酸化
膜(SiOxNy膜)よりなるパッシベーション膜61
7を形成して、本実施の形態の第1の製造方法により強
誘電体メモリ装置を製造する工程を終了する。なお、メ
モリセルのプレート線は、通常、セルアレイの末端にお
いて、プレート線駆動回路のインバータに接続される。Next, as shown in FIG. 9D, a silicon oxide film is formed by plasma CVD as a second interlayer insulating film 607b.
After being formed on the entire surface by the method, an opening is provided on the PZT ferroelectric capacitor element, and the second plug 608b is formed by the same method as the first plug. Then, WSi, TiN, Al,
After depositing Cu and TiN by sputtering in this order,
By processing by etching, a metal wiring 616 extending from the front side to the rear side of the drawing is formed on the second plug 608b. The metal wiring 616 becomes a plate line of the memory cell. Furthermore, a passivation film 61 made of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film (SiO x N y film).
7 is formed, and the process of manufacturing the ferroelectric memory device by the first manufacturing method of the present embodiment is completed. The plate line of the memory cell is usually connected to the inverter of the plate line driving circuit at the end of the cell array.
【0036】次に、上述の製造方法によって製造された
強誘電体メモリ装置の電気特性が評価された。まず、初
期状態における強誘電ヒステリシス特性から、反転電荷
量と非反転電荷量とが算出された。算出された反転電荷
量と非反転電荷量との差として、30μC/cm2以上
の値が得られ、初期状態における電圧オフセットはない
と結論された。また分極反転繰り返しによる読出し電荷
変動も抑制され、疲労特性及び保持特性等も良好であっ
た。リーク電流は、10V印加時において、10−4A
/cm2以下と良好であった。また、強誘電体容量素子
の下に形成されたMOS型FETの特性を評価したとこ
ろ、ゲートを0.26μmのゲート長に形成した場合、
pチャネルFET、nチャネルFETともに、しきい値
電圧Vtのばらつきがウエハー全面で10%以下であ
り、良好であった。さらに、0.4μm角の第一プラグ
608aの抵抗を、プラグ・チェーンにより測定したと
ころ、プラグ1個当たりの抵抗は10Ωcm以下であ
り、良好であった。Next, the electrical characteristics of the ferroelectric memory device manufactured by the above manufacturing method were evaluated. First, the inversion charge amount and the non-inversion charge amount were calculated from the ferroelectric hysteresis characteristics in the initial state. A value of 30 μC / cm 2 or more was obtained as the difference between the calculated inversion charge amount and non-inversion charge amount, and it was concluded that there is no voltage offset in the initial state. In addition, fluctuations in the read charge due to repeated polarization inversion were suppressed, and fatigue characteristics and retention characteristics were good. The leak current is 10 −4 A when 10 V is applied.
/ Cm 2 or less was good. In addition, when the characteristics of the MOS type FET formed under the ferroelectric capacitance element were evaluated, when the gate was formed to have a gate length of 0.26 μm,
In both the p-channel FET and the n-channel FET, the variation in the threshold voltage Vt was 10% or less over the entire surface of the wafer, which was good. Furthermore, when the resistance of the 0.4 μm square first plug 608a was measured by a plug chain, the resistance per plug was 10 Ωcm or less, which was good.
【0037】〔第5の実施の形態〕図10は、本発明の
第5の実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法を説
明するための工程順の断面図である。本実施の形態の製
造方法において、下部電極を形成するためのRu膜を成
膜する工程までは、第4の実施の形態の製造方法におけ
るそれと同じである。即ち、まず、図10(a)に示す
ように、シリコン基板701の分離用酸化膜706によ
って画定される素子形成領域内に、ゲート酸化膜701
と、ゲート酸化膜701の上にゲートポリシリコン層7
02と、ゲートポリシリコン層702の側壁に側壁酸化
膜703と、拡散層705と、ゲートポリシリコン層7
02と拡散層705との表面に、それぞれ、Tiシリサ
イド膜704が形成される。次に、第4の実施の形態の
製造方法と同様に、第一層間絶縁膜707aと、拡散層
705の上に第一プラグ708aと、Ti膜709、T
iN膜710およびTi膜711と、Ru膜712と、
が形成される。次いで、ドライエッチングによって、R
u膜、および、Ti膜とTiN膜とTi膜と、を加工す
ることによって、下部電極715を形成する。以上の工
程により、図10(b)に示すように、第一プラグ70
8aおよび下部電極715が形成される。[Fifth Embodiment] FIGS. 10A to 10D are cross-sectional views in order of the processes, for illustrating a method for manufacturing a ferroelectric memory device according to a fifth embodiment of the present invention. In the manufacturing method of the present embodiment, the steps up to the step of forming the Ru film for forming the lower electrode are the same as those in the manufacturing method of the fourth embodiment. That is, first, as shown in FIG. 10A, the gate oxide film 701 is formed in the element formation region defined by the isolation oxide film 706 of the silicon substrate 701.
And the gate polysilicon layer 7 on the gate oxide film 701.
02, a sidewall oxide film 703 on the sidewall of the gate polysilicon layer 702, a diffusion layer 705, and a gate polysilicon layer 7
02 and the diffusion layer 705, a Ti silicide film 704 is formed on each of the surfaces. Next, similar to the manufacturing method according to the fourth embodiment, the first interlayer insulating film 707a, the first plug 708a on the diffusion layer 705, the Ti film 709, and T film.
an iN film 710 and a Ti film 711, a Ru film 712,
Is formed. Then, by dry etching, R
The lower electrode 715 is formed by processing the u film, the Ti film, the TiN film, and the Ti film. Through the above steps, as shown in FIG. 10B, the first plug 70
8a and the lower electrode 715 are formed.
【0038】次に、第1の実施の形態から第3の実施の
形態のいずれかに記載された構造を有する、PTO成長
核層とPZT層と上部電極側PTO層とよりなる積層か
らなる強誘電体薄膜構造層713を膜厚が200nmに
なるように形成する。以上の工程により、図10(c)
に示すように、強誘電体薄膜構造層713が形成され
る。Next, a strong layer composed of a PTO growth nucleus layer, a PZT layer and an upper electrode side PTO layer having the structure described in any of the first to third embodiments. The dielectric thin film structure layer 713 is formed to have a film thickness of 200 nm. Through the above steps, FIG.
A ferroelectric thin film structure layer 713 is formed as shown in FIG.
【0039】次に、図10(d)に示すように、上部電
極を形成するために、スパッタリング法によりRu膜を
成膜し、ドライエッチングによってそのRu膜をパター
ニングすることによって、Ru膜よりなる上部電極71
4を形成する。次いで、第1の製造方法と同様に、第二
層間絶縁膜707bと、PZT強誘電体容量素子の上に
第二プラグ708bと、第二プラグ708bの上にメモ
リセルのプレート線となる紙面前方から後方に延びるメ
タル配線716と、パッシベーション膜717と、を形
成して、本実施の形態の強誘電体メモリ装置を製造する
工程を終了する。Next, as shown in FIG. 10D, in order to form the upper electrode, a Ru film is formed by a sputtering method, and the Ru film is patterned by dry etching to form the Ru film. Upper electrode 71
4 is formed. Then, similarly to the first manufacturing method, the second interlayer insulating film 707b, the second plug 708b on the PZT ferroelectric capacitor, and the front side of the paper which becomes the plate line of the memory cell on the second plug 708b. After that, a metal wiring 716 extending rearward from and a passivation film 717 are formed, and the process of manufacturing the ferroelectric memory device of the present embodiment is completed.
【0040】本実施の形態の製造方法においては、1回
のドライエッチングにおいてエッチングされる層の層厚
が薄く、第4の実施の形態の製造方法に比して、より微
細なパターンの形成が可能である。また、強誘電体薄膜
構造層713がエッチイングされることなく、したがっ
て、強誘電体薄膜構造層713の側面が、いずれのドラ
イエッチング中にもプラズマにさらされることがないの
で、強誘電体薄膜構造層713中への欠陥の導入も軽減
される。本実施の形態の製造方法によって製造された強
誘電体メモリ装置も、第4の実施の形態の製造方法によ
って製造された強誘電体メモリ装置と同様の優れた電気
特性を示した。In the manufacturing method of the present embodiment, the layer thickness of the layer that is etched in one dry etching is thin, so that a finer pattern can be formed as compared with the manufacturing method of the fourth embodiment. It is possible. Further, the ferroelectric thin film structure layer 713 is not etched, and therefore, the side surface of the ferroelectric thin film structure layer 713 is not exposed to plasma during any dry etching. The introduction of defects into the structure layer 713 is also reduced. The ferroelectric memory device manufactured by the manufacturing method of the present embodiment also showed excellent electrical characteristics similar to those of the ferroelectric memory device manufactured by the manufacturing method of the fourth embodiment.
【0041】〔第6の実施の形態〕図11は、本発明の
第5の実施の形態の強誘電体メモリ装置の一部の製造方
法を説明するための工程順の断面図である。本実施の形
態の強誘電体メモリ装置は、メモリ部とロジック回路部
とが同一の基板上に集積されている。図11を用いて、
本実施の形態の強誘電体薄膜デバイスのメモリ部の製造
方法について説明する。本実施の形態の製造方法におい
て、タングステンよりなる第一プラグ808aを作製す
る工程までは、第4、第5の実施の形態の製造方法にお
けるそれと同じである。次いで、第一層間絶縁膜807
a上の全面にTiおよびTiNよりなるバリアメタル、
AlCu合金が、それぞれ、スパッタリング法やCVD
法によって成膜された後、ドライエッチングにより加工
され、第一プラグ808aの上に第一のメタル配線81
6a、816a′が形成される。第一のメタル配線81
6a′は、紙面左右方向に延びて、紙面左右にある第一
のメタル配線816aの奥に形成されており、メモリセ
ルのビット線を形成している。[Sixth Embodiment] FIGS. 11A to 11D are cross-sectional views in order of the processes, for illustrating a method for manufacturing a part of the ferroelectric memory device according to the fifth embodiment of the present invention. In the ferroelectric memory device of this embodiment, the memory section and the logic circuit section are integrated on the same substrate. Using FIG. 11,
A method of manufacturing the memory portion of the ferroelectric thin film device of this embodiment will be described. In the manufacturing method of the present embodiment, the steps up to the step of manufacturing the first plug 808a made of tungsten are the same as those in the manufacturing methods of the fourth and fifth embodiments. Next, the first interlayer insulating film 807
barrier metal composed of Ti and TiN on the entire surface of a,
AlCu alloys are used for sputtering and CVD
After being formed by the method, it is processed by dry etching, and the first metal wiring 81 is formed on the first plug 808a.
6a and 816a 'are formed. First metal wiring 81
6a 'extends in the left-right direction of the paper and is formed in the back of the first metal wiring 816a on the left-right of the paper, and forms the bit line of the memory cell.
【0042】次に、第二層間絶縁膜807bとしてシリ
コン酸化膜又はBPSG膜を全面に成膜した後、CMP
法を用いて、その表面を平坦化する。次いで、ビアホー
ルをエッチングにより開口した後、バリア層となるTi
膜とTiN膜を連続して成膜する。この後、タングステ
ンをCVD法により成膜した後、CMP法により表面を
平坦化して、第二プラグ808bを形成する。平坦化の
方法としては、CMP法に代えて、エッチバック法を用
いてもよい。次いで、第一のメタル配線816a、81
6a′を形成する工程と同様の工程によって、第二のメ
タル配線816bを形成する。このとき同時に、図示さ
れた第二のメタル配線816bの奥にあって紙面左右方
向に延びる配線(図示せず)をも形成する。第二のメタ
ル配線816bの奥にあって紙面左右方向に延びる第二
のメタル配線は、ロジック回路における配線として利用
される。第一のメタル配線はメモリセルのビット配線と
してのみ用いることができ、セル面積を縮小させること
ができる。Next, a silicon oxide film or a BPSG film is formed on the entire surface as a second interlayer insulating film 807b, and then CMP is performed.
Method is used to planarize the surface. Then, after forming a via hole by etching, Ti that becomes a barrier layer is formed.
A film and a TiN film are continuously formed. After that, a tungsten film is formed by the CVD method, and then the surface is flattened by the CMP method to form the second plug 808b. As a planarization method, an etch back method may be used instead of the CMP method. Next, the first metal wirings 816a and 81
The second metal wiring 816b is formed by the same step as the step of forming 6a '. At this time, at the same time, a wiring (not shown) is formed behind the illustrated second metal wiring 816b and extends in the left-right direction of the paper. The second metal wiring, which is deep inside the second metal wiring 816b and extends in the left-right direction of the paper, is used as a wiring in the logic circuit. The first metal wiring can be used only as the bit wiring of the memory cell, and the cell area can be reduced.
【0043】次に、第三層間絶縁膜807cとしてシリ
コン酸化膜またはBPSG膜を成膜し、CMP法により
平坦化した後ビアホールを開口し、第一プラグ808a
と同様に、タングステンプラグ等により、第二のメタル
配線816b上に、第三プラグ808cを形成する。以
下、同様の手法を用いてさらに層間絶縁膜とメタル配線
を形成してもよい。次いで、第三層間絶縁膜807c上
に、Ti膜809、TiN膜810およびTi膜811
を連続してスパッタ法にて成膜し、その上に100nm
厚のRu膜812を形成する。以上の工程によって、図
9(b)に示すように、複数のプラグおよび下部電極を
形成するためのRu膜812とバリアメタル(809〜
811)が形成される。Next, a silicon oxide film or a BPSG film is formed as a third interlayer insulating film 807c, planarized by a CMP method, and then a via hole is opened, and a first plug 808a is formed.
Similarly, the third plug 808c is formed on the second metal wiring 816b by using a tungsten plug or the like. Hereinafter, the interlayer insulating film and the metal wiring may be further formed by using the same method. Then, a Ti film 809, a TiN film 810, and a Ti film 811 are formed on the third interlayer insulating film 807c.
Is continuously sputtered to form a film with a thickness of 100 nm.
A thick Ru film 812 is formed. Through the above steps, as shown in FIG. 9B, the Ru film 812 and the barrier metal (809-) for forming the plurality of plugs and the lower electrodes are formed.
811) is formed.
【0044】次に、第4の実施の形態の第1の製造方法
と同様に、第1の実施の形態から第3の実施の形態のい
ずれかに記載された構造を有する、PTO成長核層とP
ZT層と上部電極側PTO層とよりなる積層膜を膜厚が
200nmになるように形成し、続いて、上部電極を形
成するために、スパッタリング法によりRu膜を成膜す
る。さらに、ドライエッチングによって、上部電極を形
成するためのRu膜、PTO成長核層とPZT層と上部
電極側PTO層とよりなる積層膜、Ru膜812、およ
び、Ti膜811とTiN膜810とTi膜809とを
加工することによって、それぞれ、上部電極814、P
TO成長核層とPZT層と上部電極側PTO層とよりな
る強誘電体薄膜構造層813、下部電極815を形成す
る。以上の工程により、図11(c)に示すように、上
部電極814、強誘電体薄膜構造層813および下部電
極815よりなるPZT強誘電体容量素子が形成され
る。Next, similarly to the first manufacturing method of the fourth embodiment, the PTO grown nucleus layer having the structure described in any of the first to third embodiments. And P
A laminated film including a ZT layer and a PTO layer on the upper electrode side is formed to have a film thickness of 200 nm, and subsequently, a Ru film is formed by a sputtering method to form an upper electrode. Further, by dry etching, a Ru film for forming an upper electrode, a laminated film including a PTO growth nucleus layer, a PZT layer, and an upper electrode side PTO layer, a Ru film 812, and a Ti film 811, a TiN film 810, and a Ti film. By processing the film 809 and the upper electrode 814, P respectively.
A ferroelectric thin film structure layer 813 including a TO growth nucleus layer, a PZT layer, and a PTO layer on the upper electrode side, and a lower electrode 815 are formed. Through the above steps, as shown in FIG. 11C, a PZT ferroelectric capacitor element including the upper electrode 814, the ferroelectric thin film structure layer 813 and the lower electrode 815 is formed.
【0045】次に、図9(d)に示すように、第四層間
絶縁膜807dとしてシリコン酸化膜をプラズマCVD
法により全面に形成した後、PZT強誘電体容量素子の
上に開口を設け、第一プラグ808aと同様な方法で第
四プラグ808dを形成する。次いで、WSi、Ti
N、Al、Cu、TiNを、この順にスパッタ法にて成
膜した後、エッチングにより加工して、第四プラグ80
8dの上に、紙面前方から後方に延びる第三のメタル配
線816cを形成する。第三のメタル配線816cは、
メモリセルのプレート線となる。さらに、シリコン酸化
膜およびSiOxNy膜よりなるパッシベーション膜8
17を形成して、本実施の形態の製造方法により強誘電
体メモリ装置を製造する工程を終了する。Next, as shown in FIG. 9D, a silicon oxide film is plasma-enhanced as the fourth interlayer insulating film 807d.
Then, an opening is provided on the PZT ferroelectric capacitor element, and a fourth plug 808d is formed by the same method as the first plug 808a. Then WSi, Ti
N, Al, Cu, and TiN are formed in this order by a sputtering method and then processed by etching to form a fourth plug 80.
A third metal wiring 816c extending from the front to the rear of the drawing is formed on 8d. The third metal wiring 816c is
It becomes the plate line of the memory cell. Further, the passivation film 8 made of a silicon oxide film and a SiO x N y film.
17 is formed, and the process of manufacturing the ferroelectric memory device by the manufacturing method of the present embodiment is completed.
【0046】次に、上述の製造方法によって製造された
強誘電体メモリ装置の電気特性が評価された。まず、初
期状態における強誘電ヒステリシス特性から、初期状態
における強誘電ヒステリシス特性から、反転電荷量と非
反転電荷量とが算出された。算出された反転電荷量と非
反転電荷量との差として、30μC/cm2以上の値が
得られ、初期状態における電圧オフセットはないと結論
された。また分極反転繰り返しによる読出し電荷変動も
抑制され、疲労特性及び保持特性等も良好であった。リ
ーク電流は、10V印加時において、10−4A/cm
2以下と良好であった。また、強誘電体容量素子の下に
形成したMOSFETの特性を評価したところ、ゲート
を0.26μmのゲート長に形成した場合、pチャネル
FET、nチャネルFETともに、しきい値電圧Vtの
ばらつきがウエハー全面で10%以下であり、良好であ
った。さらに、0.4μm角の第三プラグ808cの抵
抗をコンタクト・チェーンにより測定したところ、コン
タクト1個当たりの比抵抗は10Ωcm以下であり、良
好であった。Next, the electrical characteristics of the ferroelectric memory device manufactured by the above manufacturing method were evaluated. First, the inversion charge amount and the non-inversion charge amount were calculated from the ferroelectric hysteresis characteristic in the initial state and the ferroelectric hysteresis characteristic in the initial state. A value of 30 μC / cm 2 or more was obtained as the difference between the calculated inversion charge amount and non-inversion charge amount, and it was concluded that there is no voltage offset in the initial state. In addition, fluctuations in the read charge due to repeated polarization inversion were suppressed, and fatigue characteristics and retention characteristics were good. Leak current is 10 −4 A / cm when 10 V is applied
It was as good as 2 or less. In addition, when the characteristics of the MOSFET formed under the ferroelectric capacitance element were evaluated, when the gate was formed to have a gate length of 0.26 μm, there was a variation in the threshold voltage Vt of both the p-channel FET and the n-channel FET. It was 10% or less on the entire surface of the wafer, which was good. Furthermore, when the resistance of the 0.4 μm square third plug 808c was measured by a contact chain, the specific resistance per contact was 10 Ωcm or less, which was good.
【0047】本実施の形態の製造方法においても、図1
0に示す第5の実施の形態の製造方法と同様に、強誘電
体容量素子作製に当って、Ru膜812、および、Ti
膜811とTiN膜810とTi膜809とを加工して
下部電極を形成してから、全面に誘電体薄膜構造層を形
成し、その上に成膜したRu膜を加工することによって
強誘電体容量素子上部電極を形成してもよい。この場合
には、1回のドライエッチングにおいてエッチングされ
る層の層厚が薄く、より微細なパターンの形成が可能で
ある。また、誘電体薄膜構造層がエッチイングされるこ
となく、したがって、誘電体薄膜構造層の側面が、いず
れのドライエッチング中にもプラズマにさらされること
がないので、誘電体薄膜構造層中への欠陥の導入も軽減
される。Also in the manufacturing method of the present embodiment, FIG.
Similarly to the manufacturing method of the fifth embodiment shown in FIG. 0, in manufacturing the ferroelectric capacitor, the Ru film 812 and Ti are used.
The film 811, the TiN film 810, and the Ti film 809 are processed to form a lower electrode, a dielectric thin film structure layer is formed on the entire surface, and the Ru film formed thereon is processed to form a ferroelectric film. You may form a capacitive element upper electrode. In this case, the layer thickness of the layer etched in one dry etching is small, and a finer pattern can be formed. In addition, since the dielectric thin film structure layer is not etched, and therefore the side surface of the dielectric thin film structure layer is not exposed to plasma during any dry etching, the dielectric thin film structure layer is not exposed to the plasma. The introduction of defects is also reduced.
【0048】以上、本発明をその好適な実施の形態に基
づいて説明したが、本発明の強誘電体容量素子は、上述
した実施の形態のみに制限されるものではなく、本願発
明の要旨を変更しない範囲で種々の変化を施した強誘電
体容量素子も、本発明の範囲に含まれる。例えば、下部
電極および上部電極は、Ruに限られず、Ru、Pt、
Ir等の純金属、それらの酸化物、あるいはそれらを含
む積層構造を用いて形成されてもよい。また、プラグ
は、タングステンプラグに限られず、ポリシリコンを用
いて形成されてもよい。Although the present invention has been described based on the preferred embodiments thereof, the ferroelectric capacitor element of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and the gist of the present invention is not limited thereto. Ferroelectric capacitance elements that have undergone various changes within the range not changed are also included in the scope of the present invention. For example, the lower electrode and the upper electrode are not limited to Ru, but Ru, Pt,
It may be formed using a pure metal such as Ir, an oxide thereof, or a laminated structure including them. Further, the plug is not limited to the tungsten plug and may be formed using polysilicon.
【0049】[0049]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体記
憶装置は、PZT強誘電体薄膜のZr/Ti比を膜厚方
向に変化させることによりPZT強誘電体薄膜中の歪み
を緩和し、かつ内部電界の発生を防止するものであるか
ら、強誘電体薄膜を用いた不揮発性記憶装置の性能に直
接影響する初期状態の電圧オフセットを抑制することが
可能である。また、本発明の半導体記憶装置は、成長核
層とPZT強誘電体薄膜との界面における歪みの緩和、
および上部電極形成による歪み効果の緩和を可能にする
ものであるから、初期状態の強誘電ヒステリシス特性を
良好にし、かつ分極反転(スイッチング)繰り返しによ
る読出し電荷変動を抑制することが可能である。As described above, the semiconductor memory device of the present invention relaxes the strain in the PZT ferroelectric thin film by changing the Zr / Ti ratio of the PZT ferroelectric thin film in the film thickness direction, Moreover, since the generation of the internal electric field is prevented, it is possible to suppress the voltage offset in the initial state, which directly affects the performance of the nonvolatile memory device using the ferroelectric thin film. In addition, the semiconductor memory device of the present invention can reduce strain at the interface between the growth nucleus layer and the PZT ferroelectric thin film,
Further, since the strain effect due to the formation of the upper electrode can be relaxed, it is possible to improve the ferroelectric hysteresis characteristic in the initial state and suppress the fluctuation of the read charge due to repeated polarization inversion (switching).
【図1】 本発明の第1の実施の形態の強誘電体容量素
子の断面図〔(a)〕と、膜厚方向の組成比分布図
〔(b)〕。FIG. 1 is a sectional view [(a)] of a ferroelectric capacitor according to a first embodiment of the present invention and a composition ratio distribution diagram [(b)] in a film thickness direction.
【図2】 図1の強誘電体容量素子の初期状態における
強誘電ヒステリシス特性図〔(a)〕と、疲労特性図
〔(b)〕と、疲労特性測定後における強誘電ヒステリ
シス特性図〔(c)〕。FIG. 2 is a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(a)] in the initial state of the ferroelectric capacitor of FIG. 1, a fatigue characteristic diagram [(b)], and a ferroelectric hysteresis characteristic diagram after the fatigue characteristic measurement [( c)].
【図3】 比較例の強誘電体容量素子の断面図
〔(a)〕と、膜厚方向の組成比分布図〔(b)〕。3A and 3B are a sectional view [(a)] and a composition ratio distribution diagram [(b)] of a ferroelectric capacitor of a comparative example.
【図4】 図3の強誘電体容量素子の初期状態における
強誘電ヒステリシス特性図〔(a)〕と、疲労特性図
〔(b)〕と、疲労特性測定後における強誘電ヒステリ
シス特性図〔(c)〕。4 is a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(a)] in an initial state of the ferroelectric capacitor of FIG. 3, a fatigue characteristic diagram [(b)], and a ferroelectric hysteresis characteristic diagram after the fatigue characteristic measurement [( c)].
【図5】 本発明の効果を確認するために作製された強
誘電体容量素子の膜厚方向の組成比分布図〔(a)およ
び(b)〕と、それぞれの強誘電体容量素子の強誘電ヒ
ステリシス特性図〔(c)および(d)〕。FIG. 5 is a composition ratio distribution diagram [(a) and (b)] in the film thickness direction of a ferroelectric capacitor manufactured to confirm the effect of the present invention, and a ferroelectric capacitor of each ferroelectric capacitor. Dielectric hysteresis characteristic diagram [(c) and (d)].
【図6】 本発明の効果を確認するために作製された強
誘電体容量素子の膜厚方向の組成比分布図〔(a)〕
と、強誘電ヒステリシス特性図〔(b)〕。FIG. 6 is a composition ratio distribution diagram [(a)] in the film thickness direction of a ferroelectric capacitor manufactured to confirm the effect of the present invention.
And a ferroelectric hysteresis characteristic diagram [(b)].
【図7】 本発明の第2の実施の形態の強誘電体容量素
子の断面図〔(a)〕と、膜厚方向の組成比分布図
〔(b)〕。FIG. 7 is a sectional view [(a)] of a ferroelectric capacitor according to a second embodiment of the present invention and a composition ratio distribution diagram [(b)] in a film thickness direction.
【図8】 本発明の第3の実施の形態の強誘電体容量素
子の断面図〔(a)〕と、膜厚方向の組成比分布図
〔(b)〕。FIG. 8 is a sectional view [(a)] of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment of the present invention and a composition ratio distribution diagram [(b)] in a film thickness direction.
【図9】 本発明の第4の実施の形態の強誘電体メモリ
装置の製造方法を説明するための工程順の断面図。9A to 9C are sectional views in order of the steps, for explaining the manufacturing method of the ferroelectric memory device according to the fourth embodiment of the present invention.
【図10】 本発明の第5の実施の形態の強誘電体メモ
リ装置の製造方法を説明するための工程順の断面図。FIG. 10 is a sectional view in order of the steps, for explaining the manufacturing method of the ferroelectric memory device according to the fifth embodiment of the present invention.
【図11】 本発明の第6の実施の形態の強誘電体メモ
リ装置の一部の製造方法を説明するための工程順の断面
図。11A to 11D are sectional views in order of the processes, for explaining the method for manufacturing the part of the ferroelectric memory device according to the sixth embodiment of the present invention.
101、201、301、401 下部電極
102、202、302、402 PTO成長核層
103 第一のPZT層
104 第二のPZT層
105 第三のPZT層
106、206、306、406 PTO層
107、207、307、407 上部電極
204、304、308、309、310、311、4
12 PZT層
601、701 ゲート酸化膜
602、702 ゲートポリシリコン層
603、703 側壁酸化膜
604、704 Tiシリサイド膜
605、705 拡散層
606、706 分離用酸化膜
607a、707a、807a 第一層間絶縁膜
607b、707b、807b 第二層間絶縁膜
807c 第三層間絶縁膜
807d 第四層間絶縁膜
608a、708a、808a 第一プラグ
608b、708b、808b 第二プラグ
808c 第三プラグ
808d 第四プラグ
609、611、709、711、809、811 T
i膜
610、710、810 TiN膜
612、712、812 Ru膜
613、713、813 強誘電体薄膜構造層
614、714、814 上部電極
615、715、815 下部電極
616、716 メタル配線
816a、816a′ 第一のメタル配線
816b 第二のメタル配線
816c 第三のメタル配線
617、717、817 パッシベーション膜101, 201, 301, 401 Lower electrode 102, 202, 302, 402 PTO growth nucleus layer 103 First PZT layer 104 Second PZT layer 105 Third PZT layer 106, 206, 306, 406 PTO layer 107, 207 , 307, 407 upper electrodes 204, 304, 308, 309, 310, 311, 4
12 PZT layers 601, 701 Gate oxide films 602, 702 Gate polysilicon layers 603, 703 Side wall oxide films 604, 704 Ti silicide films 605, 705 Diffusion layers 606, 706 Separation oxide films 607a, 707a, 807a First interlayer insulating film Films 607b, 707b, 807b Second interlayer insulating film 807c Third interlayer insulating film 807d Fourth interlayer insulating film 608a, 708a, 808a First plug 608b, 708b, 808b Second plug 808c Third plug 808d Fourth plug 609, 611 , 709, 711, 809, 811 T
i film 610, 710, 810 TiN film 612, 712, 812 Ru film 613, 713, 813 ferroelectric thin film structure layer 614, 714, 814 upper electrode 615, 715, 815 lower electrode 616, 716 metal wiring 816a, 816a ' First metal wiring 816b Second metal wiring 816c Third metal wiring 617, 717, 817 Passivation film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F058 BA11 BD02 BD05 BF06 5F083 FR01 FR02 GA21 GA29 JA15 JA35 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 JA53 JA56 MA06 MA16 MA17 PR21 PR40 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F term (reference) 5F058 BA11 BD02 BD05 BF06 5F083 FR01 FR02 GA21 GA29 JA15 JA35 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 JA53 JA56 MA06 MA16 MA17 PR21 PR40
Claims (20)
よびチタン(Ti)を含む単純ペロブスカイト型結晶構
造あるいは層状ペロブスカイト型結晶構造を有する強誘
電体が上下電極間に挟まれた構造を有する強誘電体容量
素子を有する半導体記憶装置において、強誘電体層のZ
r/Ti比を下部電極側から上部電極側の間で変化さ
せ、前記強誘電体層と前記下部電極との界面に成長核層
を形成させたことを特徴とする半導体記憶装置。1. A ferroelectric capacitor having a structure in which a ferroelectric having a simple perovskite crystal structure or a layered perovskite crystal structure containing zirconium (Zr) and titanium (Ti) as negative elements is sandwiched between upper and lower electrodes. Z of a ferroelectric layer in a semiconductor memory device having an element
A semiconductor memory device characterized in that a growth nucleus layer is formed at an interface between the ferroelectric layer and the lower electrode by changing an r / Ti ratio between the lower electrode side and the upper electrode side.
素の一部を除去して構成されることを特徴とする請求項
1に記載の半導体記憶装置。2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the growth nucleus layer is formed by removing a part of the negative element of the ferroelectric layer.
およびチタン(Ti)を含む単純ペロブスカイト型結晶
構造あるいは層状ペロブスカイト型結晶構造を有する強
誘電体が上下電極間に挟まれた構造を有する強誘電体容
量素子を有する半導体記憶装置において、前記強誘電体
層の陰性元素の一部を除去して構成される層が、前記強
誘電体層と前記上下電極との界面にほぼ等しい膜厚で形
成されることを特徴とする半導体記憶装置。3. Zirconium (Zr) as a negative element
In a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor having a structure in which a ferroelectric having a simple perovskite type crystal structure containing titanium and titanium (Ti) or a layered perovskite type crystal structure is sandwiched between upper and lower electrodes, A semiconductor memory device, wherein a layer formed by removing a part of a negative element of the layer is formed with a film thickness substantially equal to an interface between the ferroelectric layer and the upper and lower electrodes.
する強誘電体がチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,T
i)O3、以下「PZT」と呼ぶ)であることを特徴と
する請求項1〜3のいずれかに記載の半導体記憶装置。4. A ferroelectric having a simple perovskite type crystal structure is lead zirconate titanate (Pb (Zr, T
i) O 3 , hereinafter referred to as “PZT”), The semiconductor memory device according to claim 1.
陰性元素の一部を除去して構成される層がチタン酸鉛
(以下「PTO」と呼ぶ)であることを特徴とする請求
項1〜4のいずれかに記載の半導体記憶装置。5. The layer formed by removing a part of the negative element of the growth nucleus layer or the ferroelectric layer is lead titanate (hereinafter referred to as “PTO”). 5. The semiconductor memory device according to any one of 1 to 4.
部電極上に島状に形成されていることを特徴とする請求
項5に記載の半導体記憶装置。6. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein the PTO layer is formed in an island shape on the lower electrode or the upper electrode.
側へ単調に増加していることを特徴とする請求項1〜6
のいずれかに記載の半導体記憶装置。7. The Zr / Ti ratio monotonically increases from the lower electrode side to the upper electrode side.
The semiconductor memory device according to any one of 1.
とを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置。8. The semiconductor memory device according to claim 7, wherein the Zr / Ti ratio changes stepwise.
有し、最下層のPZT層のZr/Ti比が0.17〜
0.33、中間のPZT層のZr/Ti比が0.43〜
0.67、最上層のPZT層のZr/Ti比が0.75
〜1.4であることを特徴とする請求項8に記載の半導
体記憶装置。9. A PZT layer of three layers having different Zr / Ti ratios, and the Zr / Ti ratio of the lowermost PZT layer is 0.17 to 0.17.
0.33, the Zr / Ti ratio of the intermediate PZT layer is 0.43 to
0.67, the Zr / Ti ratio of the uppermost PZT layer is 0.75
9. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein:
30nm、前記中間のPZT層の膜厚が100〜200
nm、前記最上層のPZT層の膜厚が10〜20nmで
あることを特徴とする請求項9に記載の半導体記憶装
置。10. The film thickness of the lowermost PZT layer is 20 to
30 nm, the thickness of the intermediate PZT layer is 100 to 200
10. The semiconductor memory device according to claim 9, wherein the uppermost PZT layer has a thickness of 10 to 20 nm.
を有し、最下層のPZT層のZr/Ti比が0.11〜
0.25、中間のPZT層のZr/Ti比が0.43〜
0.67、下から第4層のPZT層のZr/Ti比が
0.67〜1.22であることを特徴とする請求項8に
記載の半導体記憶装置。11. A PZT layer having five layers having different Zr / Ti ratios, and the Zr / Ti ratio of the lowermost PZT layer is 0.11 to 0.11.
0.25, the Zr / Ti ratio of the intermediate PZT layer is 0.43 to
9. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the Zr / Ti ratio of the PZT layer from the bottom to the fourth layer is 0.67 to 1.22.
第2層のPZT層の膜厚より薄く、前記下から第4層の
PZT層の膜厚が最上層のPZT層の膜厚より薄いこと
を特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置。12. The film thickness of the lowermost PZT layer is smaller than the film thickness of the second to second PZT layers, and the film thickness of the lower to fourth PZT layers is the film thickness of the uppermost PZT layer. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the semiconductor memory device is thinner.
のPZT層との膜厚の合計が20〜40nm、前記下か
ら第4層のPZT層と最上層のPZT層との膜厚の合計
が15〜30nmであることを特徴とする請求項11ま
たは12に記載の半導体記憶装置。13. The total thickness of the lowermost PZT layer and the lowermost second PZT layer is 20 to 40 nm, and the thickness of the lowermost fourth PZT layer and the uppermost PZT layer. 13. The semiconductor memory device according to claim 11 or 12, wherein the total is 15 to 30 nm.
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置。14. The semiconductor memory device according to claim 7, wherein the Zr / Ti ratio continuously changes.
層を有することを特徴とする請求項14に記載の半導体
記憶装置。15. A PZT having a constant Zr / Ti ratio in the middle portion.
15. The semiconductor memory device according to claim 14, which has a layer.
ZT層の膜厚が100〜200nmであることを特徴と
する請求項15に記載の半導体記憶装置。16. A Pr having a constant Zr / Ti ratio in the intermediate portion.
16. The semiconductor memory device according to claim 15, wherein the ZT layer has a thickness of 100 to 200 nm.
が0.43〜0.67であることを特徴とする請求項1
5または16に記載の半導体記憶装置。17. The Zr / Ti ratio of the PZT layer in the middle portion is 0.43 to 0.67.
17. The semiconductor memory device according to 5 or 16.
TO層が形成されていることを特徴とする請求項5〜1
7のいずれかに記載の半導体記憶装置。18. P at the interface between the upper electrode and the PZT layer
A TO layer is formed, and the TO layer is formed.
7. The semiconductor memory device according to any one of 7.
と前記上部電極側に形成されたPTO層との膜厚がほぼ
等しいことを特徴とする請求項18に記載の半導体記憶
装置。19. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein the PTO layer formed on the lower electrode side and the PTO layer formed on the upper electrode side have substantially the same film thickness.
気相成長法で形成されていることを請求項1〜19のい
ずれかに記載の半導体記憶装置。20. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein at least the ferroelectric layer is formed by a metal organic chemical vapor deposition method.
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