【発明の詳細な説明】
基板および配線層を備え、基板と配線層との間にバッファ層を有する集積回路
発明の背景
1.発明の分野
本発明は、集積回路装置の配線層、より詳細には、層間不適合の問題を補償す
るバッファ層を含む電極、ならびにこれらのバッファ層の作製方法の分野に関す
る。より具体的には、バッファ層が、強誘電性コンデンサの電極に好適に用いら
れる。
2.従来技術の説明
材料不適合の問題によって、集積回路装置は、欠陥あるいは性能低下を生じ得
る。表面凹凸の問題は、連続的に積み重ねられた層において欠陥を引き起こし得
る。薄膜層は、隣接する層からの拡散によって汚染され得る。製造中に装置を加
熱する必要がしばしば生じるため、各層毎に異なる熱膨張係数または他の成長に
起因して、クラッキング、剥離(peeling)および表面凹凸の問題が生じ得る。回
路層の極薄厚の性質のために、これらの問題が増大し得る。なぜなら、その層を
形成する基板についても考慮しなければ、所与の層の熱特性を予想することがで
きないからである。従って、回路設計者は、各薄膜層を形成する材料を慎重に選
択しなければならない。
一般的な回路欠陥メカニズムには短絡が含まれ、短絡は、隣接層間の弱い結合
に起因するクラッキング、または、ある薄膜層が他の層から剥離することによっ
て引き起こされる。シリコン技術を用いた装置の場合、白金の配線層あるいは電
極は、白金電極をシリコンウェハから分離する二酸化シリコンあるいは二酸化チ
タンの分離層と弱く結合し得る。研究者らは、白金電極をスパッタリングする前
にチタン金属接着層を分離層に付与することによって、クラッキングの発生率を
低下させることに成功したが、チタン金属の付与には問題が有ることが分かって
いる。付加されたチタンには、チタンの拡散によって他の層を汚染する作用があ
った。拡散チタン汚染は、集積回路において特に問題がある。なぜなら、チタン
陽イオンは典型的に、対応する格子欠陥を引き起こす様々な原子価状態(即ち、
+2、+3、および+4)を示すからである。接着層金属を分離する試みとして
、窒化金属拡散バリア層の形成が行われている。例えば、Larsonの米国特許第5、
005、102号、およびGarceauらの"TiN As A Diffusion Barrier Layer In The Ti-
Pt-Au Beam Less Metal System"、60 Thin Solid Films、237-247、No.2、(197
9)を参照。これらは共に、窒化チタン拡散バリア層の使用を教示している。窒化
金属のアニーリングは、誘電性あるいは強誘電性コンデンサの短絡を引き起こす
表面凹凸(例えばヒロック(hillock))を引き起こし得る。
薄膜強誘電性材料から利用可能な分極の大きさは、所与の電圧に対してメモリ
密度を制御する限定要因である。より大きな分極は、より密度の高いメモリを形
成するために用いられ得る。やはり、強誘電体が基板に十分に接着することもま
た必要であり、分極の低下は、2つの異なる層の隣接面間の接着を促進する拡散
性材料を加える必要性から得られ得る。従って、材料選択の衝突が、接着性に対
する必要性と、高い分極に対する必要性との間で生じる。
接着度が高く、短絡を引き起こす表面凹凸が無く、かつ、高い分極を有する有
効な底部電極構造が依然必要とされている。
問題の解決方法
本発明は、シリコン基板上に配線層を設け、電極と基板との間にバッファ層を
設け、バッファ層により、電極が実質的に表面凹凸を有さなくなることにより、
先に概説した問題点を克服する。任意で、電極は、接着金属を含有し得る。好適
な実施形態においては、配線層は、コンデンサの底部電極である。バッファ層の
付加により、バッファ層を有さない、同じように処理された強誘電性コンデンサ
と比べて、強誘電性コンデンサの分極性能において、100%以上の実質的な改
善が提供される。
概して、電極構造は、基板と、金属電極または配線層と、基板と配線層との間
に挟まれた材料から成る層連続体とを含む集積回路装置に関する。層連続体は、
層状の超格子材料から成る少なくとも1つのバッファ層を包含し、本質的に追加
の配線層を有さない。
電極構造の特に好適な形態は、ストロンチウムビスマスタンタレートである層
状超格子材料を含む。他の好適な層状超格子材料は、ストロンチウムビスマスニ
オブ酸塩と、ストロンチウムビスマスニオブタンタレートとを包含する。基板は
、好ましくは、層連続体に隣接して一番上のシリコンベース層、すなわち、二酸
化シリコンを含む。最も好適な基板は、シリコンウェハを含む。配線層は、好ま
しくは、チタンまたはタンタルなどの接着金属成分を含む。この接着金属は、好
ましくは、貴金属との組み合わせで利用され、この貴金属は、最も好適には白金
である。
強誘電性コンデンサは、電極構造の頂上に強誘電性層を形成することにより作
成され得る。この強誘電性層は、好ましくは、ストロンチウムビスマスタンタレ
ート、ストロンチウムビスマスニオブ酸塩、またはその組み合わせ等の層状超格
子材料を含む。コンデンサは、好ましくは、強誘電性層上に第2の電極を形成す
ることにより完成される。
好適な方法を用いて、上記の電極構造を有する集積回路装置が作成される。こ
の方法は、非金属最上表面を有する基板を設ける工程と、基板の上に層状超格子
材料を形成する工程と、層状超格子材料上に電極を堆積する工程とを包含する。
特に好適な方法は、形成工程が、液体前駆体を基板上に付与することにより薄
い前駆体膜を形成する工程を包含する。前駆体は、好ましくは、前駆体の熱処理
の際に層状超格子材料を生成するために有効な量のポリオキシアルキル化金属成
分を含む。前駆体膜は、層状超格子材料を生成するために、該膜を熱処理してい
る。
この処理工程は、好ましくは、少なくとも450℃の温度、より好ましくは、
少なくとも約600℃の温度で前駆体をアニールすることを含む。さらに、処理
工程は、前駆体を、約450℃までの温度で、薄い前駆体膜から実質的に全ての
揮発性有機成分を取り除くために十分な時間乾燥させることを含み得る。
この方法を用いて、電極の頂上に第2の層状超格子材料を作成するさらなる工
程によってコンデンサ装置が形成される。この場合もやはり、液体堆積技術が、
好ましくは、層の堆積に用いられる。層状超格子材料は、前駆体溶液を加熱する
際に、超格子形成成分の液体前駆体溶液から自然発生的に発生する。
上記のように、強誘電性材料は、好ましくは、ペロブスカイト状の層状超格子
材料である。「ペロブスカイト状」という用語は、ビスマス等の三価金属を含む
、超格子生成層によって分離された酸素八面体層から形成される格子を指す。こ
れらの材料は、強誘電性材料の広い意味での1分類であると認められているが、
歴史的には、装置の信頼性の問題から、集積回路装置への適用は成功していない
。層状超格子材料のペロブスカイト状部は、ビスマス酸化物層によって分離され
る離散的な層として形成される。ペロブスカイト状層は、各頂点にある大きなA
サイト金属によって規定される立方体の中に位置する酸素八面体を有するプライ
マリセル(primary cell)を含む。酸素原子は、立方体の平坦面(planar face)の
中心を占め、小さなBサイト元素は、立方体の中心を占める。Aサイト元素が無
い場合に酸素八面体構造が維持される場合もある。
最も好適な層状超格子材料は、平均実験式SrBi2Ta2O9を有するストロ
ンチウムビスマスタンタレート材料である。最も好適には、超格子生成層は、(
Bi2O2)2+材料から形成されるが、金属としてタリウム(III)も含有し得
る。従って、最も好適な酸素八面体構造層は、平均実験式(SrTa2O7)2-を
有する。有機金属前駆体溶液のアニーリングを行うと、上記各層は、自発的に層
状超格子を生成する。酸素八面体層は強誘電性であり、全体の結晶電荷のバラン
スをとるために超格子生成層によって相殺されるイオン電荷1の平均実験式を有
する。バッファ層には、分極を低下させ得る点欠陥を本質的に有さない層状超格
子材料を保つ働きがある。
他の特徴、目的、および利点は、以下の記載および図面を読むことにより当業
者に明らかとなるであろう。
図面の簡単な説明
図1は、底部電極と下にある基板との間に挟まれた層状超格子材料から成るバ
ッファ層を含む薄膜強誘電性コンデンサ装置を示す。
図2は、図1のコンデンサを作製するのに用いられるフローチャートプロセス
図を示す。
図3は、図2のプロセスにおいて用いられ得る液体前駆体溶液を作るのに用い
られるフローチャートプロセス図を示す。
図4は、大きなヒロック構造を最上表面に有する欠陥底部電極構造を示す。
図5は、異なる条件下で処理されたコンデンサから得られた平均分極値を比較
する棒グラフである。
好適な実施形態の詳細な説明
図1は、基板22、バッファ層24、底部電極26、金属酸化物層28、およ
び上部電極30を含むコンデンサ20を示す。好適には、基板22は、分離層3
4によってキャッピングされた従来のシリコン層32を有する。シリコン層32
は、単結晶あるいは多結晶シリコンのいずれであってもよく、シリコンウェハと
して様々な提供元から市販されている。層32は、ガリウムヒ素、インジウムア
ンチモナイド、酸化マグネシウム、ストロンチウムチタネート、サファイア、水
晶、および上記の化合物、ならびに他の材料等の、他の公知の基板材料から形成
されていてもよい。分離層34は、拡散炉内における酸素中での層32のスピン
オングラス(「SOG」)堆積あるいは焼成等の周知のプロセスによって層32
上に形成された厚い二酸化シリコンでできていることが好ましい。本明細書中で
用いられる用語「基板」は、具体的には、他のあらゆる層に対して支えを提供す
る層を意味する。基板22は、他の全ての層を支持する働きがあるが、用語とし
ての基板は、他の層と組み合せられた状態の基板22のことも意味し得る。従っ
て、基板22と、バッファ層24と、底部電極26との組合せは、金属酸化物層
28にとっての基板即ち支えとなり、また、金属酸化物層28は上部電極30に
とっての支えとなる。
バッファ層24は、基板22の上にある。層24は、好適には、ペロブスカイ
ト状の層状超格子材料である。特に好適な層状超格子材料は、ストロンチウムビ
スマスタンタレート、ストロンチウムビスマスニオブ酸塩、およびストロンチウ
ムビスマスニオブタンタレートを含む。最も好適なストロンチウムビスマスタン
タレートは、SrBi2Ta2O9の平均実験式を有する。ペロブスカイト状の層
状超格子強誘電体の多くは、高誘電体でもある。
バッファ層24の使用により、強誘電性コンデンサ、特に、層状超格子強誘電
体を利用するコンデンサに対して、顕著な分極改善がもたらされる。層状超格子
材料は、少なくとも、スモレンスキー(Smolenskii)型強誘電性層状超格子材料
、つまり、平均実験式が
(1) Am-1S2BmO3m+3、
(2) Am+1BmO3m+1、および
(3) AmBmO3m+2、
である3種類全てが含まれる。但し、Aは、ペロブスカイト状超格子におけるA
サイト金属であり、Bは、ペロブスカイト状超格子におけるBサイト金属であり
、Sは、ビスマスあるいはタリウム等の三価超格子生成金属であり、mは、式全
体の電荷のバランスをとるために十分な数である。式全体の中では、mは、分数
(fractional)であるが、典型的にこの式は、それぞれ異なる整数値を持つ、複
数の異なるあるいは混ざったペロブスカイト状層を与える。Aサイト金属および
Bサイト金属は、同様のイオン半径を持つ陽イオンの混合物を含み得る。
式(1)の層状超格子材料の場合、熱力学は、以下の式に従うm個の八面体の
厚みを有する複数の層の酸素八面体構造の形成に好都合に作用する。
(4) (Am-1BmO3m+1)2-
但し、mは、1より大きい整数であり、他の変数は上に規定した通りである。こ
れらの層は、以下の式のビスマス酸化物層によって分離される。
(5) (Bi2O2)2+
但し、Biは、式(1)のSである。
超格子生成層Sは、好適には、ビスマス(III)の酸化物を含み、タリウム
(III)等の他の同様の大きさの三価金属陽イオンも含み得る。式(1)の層
状超格子材料を生成するために化学量論的に必要な量を上回る量のビスマスが存
在する場合、ビスマスはペロブスカイト状格子においてAサイト金属としても機
能する。
底部電極26は、接着金属部36および貴金属部38を含む。接着金属部36
は、好適には、スパッタリングされたチタンまたはタンタルから成り、最も好適
には、チタンである。部分36は、好適には、約50Åから250Åの範囲の好
適な厚み、最も好適には200Åの厚みにスパッタリングされる。第1の貴金属
部38は、好適には白金であるが、金、銀、パラジウム、イリジウム、レニウム
、ルテニウム、およびオスミウム、ならびにこれらの金属の導電性酸化物等の他
の貴金属であってもよい。好適には、接着金属部36の厚みの3倍から15倍の
厚みになるように、接着金属部36の頂上に、白金をスパッタリングすることに
よって、第1の貴金属部38を堆積させる。接着金属部が100Åから200Å
の厚みである場合、最も好適な厚みは約2000Åである。上記好適な範囲外の
値の厚みを用いることも有用であるが、第1の貴金属部38が薄くなると、部分
38の上の層へ拡散する接着金属成分が増加する。部分38が厚くなると、貴金
属材料の浪費量が増加する。
層28は、好適には、強誘電性ペロブスカイト状の層状超格子材料である。特
に好適な層状超格子材料は、ストロンチウムビスマスタンタレート、ストロンチ
ウムビスマスニオブ酸塩、およびストロンチウムビスマスニオブタンタレートを
含む。最も好適なストロンチウムビスマスタンタレートは、SrBi2Ta2O9
の平均実験式を有する。
上部配線層または電極30は、好適には、金属酸化物層30上にスパッタリン
グされる貴金属である。上部電極28の厚みは、典型的には、約1000Åから
約2000Åの範囲であるが、この厚みは、この範囲外の値でもよい。電極30
は、最も好適には、白金から成る。
図2は、コンデンサ20を作製するプロセスのフローチャートを示す。このプ
ロセスを、図1の実施形態に関して説明するが、当業者であれば、他の実施形態
に適用することが可能であることを理解するであろう。
工程P40において、シリコン層32と二酸化シリコン層34とを有する基板
22としてシリコンウェハを調製する。シリコン層32は、約500℃から約1
100℃の範囲内の温度で、拡散炉において酸素中で焼成することができる。こ
の焼成により、表面上の不純物および水を排除して酸化物コーティング34が形
成される。ウェハまたは層32は、従来のスピンオングラスでもコーティングさ
れ得、それによって酸化物層34が形成される。一般に、工程P40は、作製し
ようとする装置の性質に応じて、トランジスタあるいはメモリ回路用のコンタク
トホール(図示せず)のエッチングおよび層32(広義には、基板22)のドー
ピング等の従来の手順をも含み得る。
工程P42は、前駆体溶液を乾燥およびアニールした際に、バッファ層24お
よび/または強誘電性層28を生成するのに有効な量の複数の金属成分を有する
1つ以上の液体前駆体溶液の調製を含む。前駆体溶液の調製に関するさらなる詳
細を以下に示す。
工程P44において、工程P42の前駆体溶液を工程P42の基板に付与する
。これにより、液体前駆体を受ける酸化物層34の最上表面ができる。好適には
、外気温度および外気圧で酸化物層34(広義には、基板22)の最上表面上に
液体前駆体溶液を滴下して、その後、過剰な溶液を除去して薄膜液体残留分を残
すように、約1500RPMから2000RPMで約30秒間、基板をスピンさ
せることによって、上記付与が行われる。最も好適なスピン速度は1500RP
Mである。あるいは、米国特許第5、456、945号に記載されている技術のようなミ
スティッド堆積技術(misted deposition technique)によって液体前駆体を付与
してもよい。最も好適な前駆体溶液は、ストロンチウムビスマスタンタレート等
の層状超格子材料を生成することのできるものである。
好適には、工程P46において、工程P44の液体前駆体膜を加熱板上、乾燥
空気雰囲気中、約200℃から500℃の温度で乾燥させる。乾燥時間および乾
燥温度は、液体薄膜から実質的に全ての有機材料を除去して乾燥金属酸化物残留
分を残すのに十分であるべきである。好適には、乾燥時間は約1分から約30分
の範囲内である。一段階乾燥の場合は、空気中で、乾燥温度400℃、約2分か
ら10分間行うのが最も好適である。しかし、段階的に間隔をおいて液体膜を乾
燥させる方がより好適である。例えば、260℃で5分間、そして400℃で5
分間、膜を乾燥させることが可能である。さらに、700℃を越える温度で短い
急速な処理間隔で乾燥サイクルを完了するのが好ましい。例えば、タングステン
−ニッケルランプを用いて30秒間、725℃で基板を加熱する。乾燥工程P4
6は、最終的な金属酸化物結晶組成における予測可能または再生可能な電子的特
性を得るために必要不可欠である。
バッファ層24全体の厚みを増加させることが望ましい場合には、工程P44
と工程P46とが繰り返され得るが、通常、前駆体液体の1回のコーティングか
ら得られ得る厚みより多く、層24の厚みを増加させることが必要または望まし
いことはない。
任意の工程P48は、バッファ層24の頂上に、当該分野において公知のよう
な従来型のプロトコルに従って、チタン接着金属層36を約50Åから250Å
の範囲の好適な厚みにスパッタリングすることを含む。層36をスパッタリング
することは、好適には、層24に対してより高い接着を与える目的で行われる。
このスパッタリングにより、コンデンサ20において短絡を引き起こし得る隣接
層の剥離およびクラッキングが防止されるが、接着金属(好適にはチタン)は、
拡散により他の層を汚染し得る。工程P50は、部分36の頂上に、貴金属部3
8を約1000Åから2000Åの範囲の好適な厚みにスパッタリングすること
を含む。好適な原子スパッタリングプロトコルの例には、高周波スパッタリング
および直流マグネトロンスパッタリングが含まれる。
工程P52においては、工程P50の基板22がアニールされて、バッファ層
24の金属酸化物を形成する。他のアニール工程と区別するために、工程P52
を、「第1のアニール」と呼ぶが、他のアニール工程をこの「第1のアニール」
よりも前に行ってもよいことが理解されるべきである。工程P52においては、
好適には、拡散炉において、酸素雰囲気下で、450℃から1000℃の範囲の
温度にまで、30分から2時間の範囲内の時間だけ、層36および層38を含む
基板を加熱する。より好適には、600℃から800℃の範囲の温度で、工程P
52を行う。最も好適なアニール温度は、約600℃、80分間である。好適に
は、工程P52の第1のアニールは、5分間の炉への「炉入れ(push)」と5分間
の炉からの「炉出し(pull)」を含むプッシュ/プルプロセス(push/pull process
)で行われる。記載されたアニール時間は、炉入れおよび炉出しの際に熱的ラン
プ(thermal ramp)を形成するために使われる時間を含んでいる。このアニール工
程は、他のアニール工程と区別するために第1のアニールと呼ばれる。
工程P54は、貴金属層38の上に工程P42の層状超格子前駆体を堆積させ
ることを含む。好適には、この前駆体は液体前駆体であるが、固体のターゲット
を用いてスパッタリングすることも可能である。好適には、外気温度および外気
圧で底部電極26の最上表面上に液体前駆体溶液を滴下して、その後、過剰な溶
液を除去して薄膜液体残留分を残すように、約1500RPMから2000RP
Mで約30秒間、基板をスピンさせることによって、上記付与が行われる。最も
好適なスピン速度は1500RPMである。好適な前駆体溶液は、層状超格子材
料を生成するのに有効な量の金属成分を有するものを含む。最も好適な層状超格
子材料は、ストロンチウムビスマスタンタレートである。
好適には、工程P56においては、工程P54の液体前駆体膜を加熱板上、乾
燥空気雰囲気中、約200℃から500℃の温度で乾燥させる。乾燥時間および
乾燥温度は、液体薄膜から実質的に全ての有機材料を除去して乾燥金属酸化物残
留分を残すのに十分であるべきである。好適には、乾燥時間は約1分から約30
分の範囲内である。一段階乾燥の場合は、空気中で、乾燥温度400℃、約2分
から10分間行うのが最も好適である。しかし、段階的に間隔をおいて液体膜を
乾燥させる方がより好適である。例えば、260℃で5分間、そして400℃で
5分間、膜を乾燥させることが可能である。さらに、700℃を越える温度で短
い加熱間隔で乾燥サイクルを完了するのが好ましい。例えば、タングステン−ニ
ッケルランプを用いて30秒間、725℃で基板を加熱する。乾燥工程P56は
、最終的な金属酸化物結晶組成における予測可能または再生可能な電子的特性を
得るために必要不可欠である。
工程P58においては、工程P56で得られた乾燥膜が所望の厚みでなかった
場合、所望の厚みが得られるまで、工程P54、P56およびP58を繰り返す
。典型的に、約1800Åから2000Åの厚みを得るには、本明細書中に開示
されるパラメータを用いて、0.130Mから0.200Mの前駆体溶液を2回
コーティングする必要がある。
工程P60において、工程P54およびP56の乾燥前駆体残留分をアニール
して、層26の層状超格子材料を形成する。他のアニーリング工程と区別するた
めに、このアニーリング工程を第2のアニールと呼ぶ。好適には、この第2のア
ニールは、工程P52における第1のアニールの条件と同一の条件下で行われる
。
工程P62において、好適には、層状超格子材料層26の上に白金をスパッタ
リングすることによって上部電極28を堆積させる。コンデンサ20は、好適に
は、工程P52の条件と同一の条件下でこの時に任意にアニールされ得る。
その後、従来のフォトエッチングプロセス(例えば、工程P64のイオンエッ
チングリトグラフィの後に、フォトレジストを付与することを含む)によって、
装置のパターニングを行う。好適には、このパターニングは、第3のアニールが
コンデンサ20のパターニング応力を除去してパターニング手順によって生じた
全ての欠陥を修正するように、工程P66における第3のアニールの前に行われ
る。
好適には、第3のアニール、工程P66は、工程P52における第1のアニー
ルと同様にして行われる。
最後に、工程P68において装置を完成し、これを評価する。当業者には理解
されるように、この完成工程は、付加的な層の堆積、コンタクトホールのイオン
エッチング、および他の手順を伴う場合がある。基板即ちウェハ22を別々のユ
ニットに切断することにより、その基板上に同時に製造された複数の集積回路装
置を分離し得る。
工程P42のポリオキシアルキル化金属前駆体(polyoxyalkylated metal prec
ursors)を調製する好適な一般プロセスは、米国特許第5、514、822号に提供されて
いる。好適には、このプロセスは、金属をアルコキシド(例えば、2−メトキシ
エタノール)と反応させて金属アルコキシドを形成することと、金属アルコキシ
ドをカルボキシレート(例えば、2−エチルヘキサノエート(2-ethylhexanoate)
)と反応させて、次の一般式のいずれかの金属アルコキシカルボキシレート(met
al alkoxycarboxylate)を形成することとを含む。
(6) (R’−COO−)aM(−O−R)n、あるいは、
(7) (R’−C−O−)aM(−O−M’−(O−C−R’’)b-1)n、
但し、Mは、外側原子価が(a+n)の金属陽イオンであり、M’は、外側原子
価がbの金属陽イオンであり、MおよびM’は、好適には、タンタル、カルシウ
ム、ビスマス、鉛、イットリウム、スカンジウム、ランタン、アンチモン、クロ
ム、タリウム、ハフニウム、タングステン、ニオブ、バナジウム、ジルコニウム
、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム、モリブデン、ストロンチ
ウ
ム、バリウム、チタン、および亜鉛からなる群から互いに独立して選択され、R
およびR’はそれぞれ、好適には4から9個の炭素原子を有するアルキル基であ
り、R’’は、好適には3から8個の炭素原子を有するアルキル基である。中央
の−O−M−O−M’−O−構造を有する後者の式は、最終的な固体金属酸化物
生成物中に存在する少なくとも50%の金属−酸素結合の溶液内生成のために、
特に好適である。
好適には、液体前駆体は金属アルコキシドあるいは金属カルボキシレートであ
り、最も好適には、キシレンあるいはオクタン溶媒によって所望の濃度に希釈さ
れた金属アルコキシカルボキシレートである。実質的に無水である金属アルコキ
シカルボキシレートの使用は、アルコキシドリガンドを含有する溶液の寿命(sh
elf life)を大幅に低減し得る水誘発重合あるいはゲル化を回避する回避性のた
めに、特に好適である。溶液中における加水分解誘発成分の存在は、好適には、
回避あるいは最小化される。従来のソルゲル等の加水分解前駆体を用いることも
可能であるが、増大した溶液粘度は好適なスピンオン付与プロセス(spin-on app
lication process)によって生じた厚さの均一性を損ねる傾向があり、加水分解
溶液の質は、時間とともに急速に低下する傾向がある。結果的に、用意した加水
分解ゲルは、時間とともに、質の不安定な低質金属酸化物膜をますます生成する
。上記好適な方法によれば、それが必要になるときから十分前もって前駆体溶液
を調製することができる。
可能な場合において酸素八面体構造の形成が熱力学的に有利であることを理解
して、前駆体溶液は、対応する層状超格子材料を生成するように設計され得る。
一般に、ペロブスカイト状八面体構造あるいはペロブスカイト八面体構造のいず
れにおいても、実質的に類似のイオン半径(即ち、それぞれの格子サイトにおい
て約20%も違わない半径)を有する金属陽イオン同士の間で等価な置換が行わ
れることが可能である。これらの置換は、前駆体溶液に別の金属成分を添加する
ことによって行われる。
前駆体溶液の好適な原料には、実験式に基づいて化学量論的に均衡がとれた化
合物における所望の層状超格子材料の好適な金属が含まれる。Aサイト部は、好
適には、Ba,Bi.Sr,Pb、La,Ca、およびその混合物からなるAサ
イト群から選択される少なくとも1つのAサイト元素を、アルコールあるいはカ
ルボン酸と反応させることによって形成される。Bサイト部は、好適には、アル
コールあるいはカルボン酸を、Zr,Ta.Mo,W、V,Nb、およびその混
合物からなるBサイト群から選択される少なくとも1つのBサイト元素と反応さ
せることによって誘導される。等価半径Bサイト元素としてのチタンの使用は、
可能ではあるが、他の集積回路部品へのチタンの拡散から生じる問題ならびにチ
タンイオン間の異なる原子価状態によって生じる点電荷欠陥のために実用上あま
り好ましくない。層状超格子材料の場合、好適にはビスマスである、三価超格子
生成金属も添加される。加熱を行うと、そのビスマス含有量によって、層状超格
子材料中にビスマス酸化物層が自発的に生成されるが、過剰なビスマス部分によ
って、ペロブスカイト状格子のAサイト元素も提供され得る。
図3は、工程P42で調製される液体前駆体溶液を提供するための、本発明に
よる一般化されたプロセスのフローチャートを示す。「前駆体」という言葉は、
当該分野においてしばしば曖昧に用いられる。他の材料と混合して最終的な溶液
を作るための1つの金属を含有する溶液を意味する場合もあれば、基板に付与で
きるように用意した数種類の金属を含有する溶液を意味する場合もある。本論に
おいて我々は、文脈から他の意味であることが明らかである場合を除いて、用意
された型の前駆体を「前駆体」と呼ぶ。中間段階においては、溶液のことを、「
プレ前駆体」と呼ぶ場合がある。
初期金属前駆体部の生成に使用される、金属アルコキシドの液体溶液、金属カ
ルボキシレート、および金属アルコキシカルボキシレートの生成の好適な一般化
された化学反応は以下の通りである。
(8)アルコキシド− M+n+nR−OH→M(−O−R)n+n/2H2
(9)カルボキシレート− M+n+n(R−COOH)→M(−OOC−R)n
+n/2H2
(10)アルコキシカルボキシレート− M(−O−R’)n+bR−COO
H+熱→(R’−O−)n-bM(−OOC−R)b+bHOR
但し、Mは、n個の電荷を持つ金属陽イオンであり、bは、0からnの範囲内の
カルボン酸のモル数(number of moles)であり、R’は、好適には、4から15
個の炭素原子を有するアルキル基であり、Rは、好適には、3から9個の炭素原
子を有するアルキル基である。
工程P70において、上記式の項Mによって示される第1の金属を、アルコー
ルおよびカルボン酸と反応させて金属アルコキシカルボキシレートプレ前駆体を
形成する。好適には、このプロセスは、金属をアルコール(例えば、2−メトキ
シエタノール)と反応させて、式(8)の金属アルコキシドを形成することと、
金属アルコキシドをカルボン酸(例えば、2−エチルヘキサン酸)と反応させて
、式(10)の金属アルコキシカルボキシレートを形成することとを含む。未反
応金属をアルコールおよびカルボン酸と同時に化合させた場合、好適な態様にお
いて式(9)の反応も見られる。上記並発反応は、好適には、カルボキシレート
リガンドによってアルコキシド成分が置換されるように、1〜2日間にわたって
約120℃から約200℃の範囲内の温度を有する加熱板によって加熱された還
流凝縮器(reflux condenser)内で行われる。好適には、1〜2日の初期反応期間
の終わりには、還流凝縮器を外気に開通し、溶液から水およびアルコール分が実
質的に全て除去されたことを示す分留プラトー(fractional distillation plate
au)、即ち、少なくとも約100℃を越えるプラトーが認められるまで溶液温度
をモニタして、この時、溶液を熱源から取り出す。外気圧での蒸留は、より好適
には少なくとも115℃の温度で行われ、最も好適には約123℃から127℃
の温度で行われる。
上記式において、金属は、好適には、タンタル、カルシウム、ビスマス、鉛、
イットリウム、スカンジウム、ランタン、アンチモン、クロム、タリウム、ハフ
ニウム、タングステン、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、マンガン、鉄、コ
バルト、ニッケル、マグネシウム、モリブデン、ストロンチウム、バリウム、チ
タン、バナジウム、および亜鉛からなる群から選択される。好適に使用され得る
アルコールには、2−メトキシエタノール、1−ブタノール、1−ペンタノール
、2−ペンタノール、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノール
、2−エチル−1−ブタノール、2−エトキシエタノール、および2−メチル−
1−ペンタノールが含まれ、好適には、2−メトキシエタノールである。好適に
使用され得るカルボン酸には、2−エチルヘキサン酸、オクタン酸、およびネオ
デ
カン酸(neodecanoic acid)が含まれ、好適には、2−エチルヘキサン酸である。
好適には、工程P70および後続の工程における反応は、相溶性の溶媒(compa
tible solvent)の使用によって促進される。使用され得る溶媒には、キシレン、
2−メトキシエタノール、n−ブチルアセテート、n−ジメチルホルムアミド、
2−メトキシエチルアセテート、メチルイソブチルケトン、メチルイソアミルケ
トン、イソアミルアルコール、シクロヘキサノン、2−エトキシエタノール、2
−メトキシエチルエーテル、メチルブチルケトン、ヘキシルアルコール、2−ペ
ンタノール、エチルブチレート、ニトロエタン、ピリミジン、1,3,5トリオキサ
ン、イソブチルイソブチレート、イソブチルプロピオネート、プロピルプロピオ
ネート、エチルラクテート、n−ブタノール、n−ペンタノール、3−ペンタノ
ール、トルエン、エチルベンゼン、およびオクタン、ならびに他の多数の溶媒が
含まれる。好適には、これらの溶媒は、前駆体を蒸留して、前駆体を基板に付与
する前にそこから水を除去する目的で、水の沸点を上回る沸点を有する。共溶媒
は互いに混和性であるべきであり、前駆体原料を完全に可溶性にする必要がある
場合に、特に極性溶媒と無極性溶媒との間で、異なる比率で相溶的に(compatibl
y)混合され得る。キシレンおよびオクタンは特に好適な無極性溶媒であり、n−
ブチルアセテートは特に好適な極性共溶媒である。
中間金属試剤が研究用等級の純度で得られ得る場合、工程P70の一部を省略
してもよい。例えば、タンタルイソブトキシド(tantalum isobutoxide)が入手可
能である場合、好適には、金属アルコキシドを、式(10)の2−エチルヘキサ
ン酸等のカルボン酸と反応させることによって、イソブトキシド成分を許容可能
なカルボキシレートリガンドで置換するだけでよい。
典型的な第2の工程であるP72においては、層26の固体金属酸化物を生成
することができる超格子生成金属成分の化学量論的に均衡がとれた混合物を有す
る中間前駆体を生成する有効量の金属カルボキシレート、金属アルコキシドある
いはその両方を、金属アルコキシカルボキシレートに添加し得る。このとき、好
適には、上記混合物は、相対的な熱的不安定性さのために、もし必要な場合には
後から添加されるビスマス化合物を含まない。上記金属は全て、上記カルボン酸
のいずれとでも反応させて金属カルボキシレートを形成することが可能であり、
一方、上記金属は全て、上記アルコールのいずれとでも反応させてアルコキシド
を形成することが可能である。上記反応は、アルコキシドリガンドを部分的にカ
ルボキシレートリガンドで置換する目的で、やや過剰量のカルボン酸の存在下で
行うのが特に好ましい。
工程P74において、金属アルコキシカルボキシレート、金属カルボキシレー
トおよび/または金属アルコキシドの混合物を、必要に応じて加熱および撹拌し
て金属−酸素−金属結合を形成し、反応によって生成した全ての低沸点有機物を
蒸発させる。一般化された反応理論によれば、金属アルコキシドを金属アルコキ
シカルボキシレートに添加して、その溶液を加熱した場合、以下の反応が起こる
。
(11)(R−COO−)xM(−O−C−R’)a+M’(−O−C−R’’
)b→(R−COO−)xM−O−M’(−O−C−R’’)b-1)a+aR’−C
−O−C−R’’
(12)(R−COO−)xM(−O−C−R’)a+xM’(−O−C−R’
’)b→(R’−C−O−)aM(−O−M’(−O−C−R’’)b-1)x+xR
−COO−C−R’’
但し、MおよびM’は金属であり、RおよびR’は上に規定した通りであり、R
’’は、好適には約0から16個の炭素を有するアルキル基であり、a,bおよ
びxはMおよびM’のそれぞれの原子価状態に対応する対応置換基の相対的な分
量を示す整数である。一般に、金属アルコキシドは金属カルボキシレートよりも
容易に反応するので、先ず、式(11)の反応が起こる。従って、概して、沸点
の低いエーテルが生成される。これらのエーテルはプレ前駆体から蒸発し、低減
した有機物含有量を有する最終生成物が残され、最終的な所望の金属酸化物の金
属−酸素−金属結合がすでに部分的に形成されている。加熱が十分であれば、反
応(12)も部分的に起こり、金属−酸素−金属結合およびエステルを生成する
。一般に、エステルは、沸点が比較的高く、溶液内に残る。これらの高沸点有機
物は、最終的な前駆体を基板に付与した後の乾燥プロセスを抑制し、クラッキン
グおよび欠陥を低減させる傾向がある。従って、いずれの場合も、金属−酸素−
金属結合が形成されて、最終前駆体の特性が改善される。
工程P74は、本質的に、式(11)および式(12)の反応が進む際に溶液
から揮発性成分を除去する蒸留である。溶液から揮発性成分を除去すると、反応
を完結させる、即ち、効率を高くする。溶液からの揮発性成分の除去には、膜の
クラッキングおよび他の欠陥を防止する働きもある。上記膜のクラッキングおよ
び他の欠陥は、防止されなかった場合、溶液中の揮発性成分の存在に関連付けら
れ得る。従って、反応(11)および反応(12)の進行は、溶液の加熱速度な
らびに溶液中に存在する流体の容積によってモニタされ得る。好適には少なくと
も115℃、より好適には120℃、そして、最も好適には123℃から127
℃の沸点プラトーにまで溶液を加熱する。
金属カルボキシレートを金属アルコキシカルボキシレートに添加し、混合液を
加熱した場合、以下の反応が起こる。
(13) (R−COO−)xM(−O−C−R’)a+xM’(−OOC−R
’’)b→(R’−C−O−)aM(−O−M’(−OOC−R’’)b-1)x+x
R−COOOC−R’
但し、R−COOOC−R’は無水酸であり、各項は上に規定した通りである。
この反応は、上記反応(11)および反応(12)と比較して非常により多くの
熱を必要とし、ずっと遅い速度で進行する。
金属アルコキシカルボキシレートを生成する上記反応に加えて、以下のような
反応が起こる。
(14) M(−OR)a+aHO2C8H15+熱→M(−O2C8H15)a+aH
OR
但し、各項は上に規定した通りである。過剰量のカルボン酸の存在下での加熱に
より、この反応は、中間金属アルコキシカルボキシレートのアルコキシド分を置
換して実質的に完全なカルボキシレートを形成する。しかし、現時点では、本明
細書中に開示されているパラメータでは、カルボキシレートによるアルコキシド
の完全な置換は起こらないと考えられている。カルボキシレートの完全な置換を
行うには、かなりの、より多量の加熱が必要であり、それでも容易には起こらな
いかもしれない。
工程P74の終わりには、溶液中に、金属酸化物層26の金属−酸素結合の少
なくとも50%が形成されているのが好ましい。溶液温度をモニタして、水、ア
ルコール、エーテル、および他の反応副生成物分が実質的に全て溶液から除去さ
れたことを示す分留プラトー、即ち、少なくとも100℃を越えるプラトーが認
められるまで、約120℃から約200℃の範囲内の温度を有する加熱板によっ
て加熱された、外気圧に通じている容器中にて上記反応が行われるのが好ましい
。この時、延長された還流(extended refluxing)によって、潜在的に望ましくな
い量のエステルあるいは無水酸副生成物が生成される場合があり、これを、分留
によって溶液から除去することはしばしば困難である。工程P72において金属
カルボキシレートのみを添加して、溶液の還流を行う必要が生じる可能性を排除
することによって、過剰な無水酸濃度による潜在的な複雑化は完全に回避され得
る。
工程P76は、任意の溶媒交換工程である。様々な前駆体溶液中における一般
的な溶媒の使用は、基板への付与後の液体前駆体膜の厚さに影響する粘度および
接着張力等の流体パラメータの予測性の点で有利である。これらの流体パラメー
タは、乾燥前駆体残留分をアニールした後の対応金属酸化物膜の質および電気的
特性にも影響する。工程P76において、好適にはキシレンあるいはn−オクタ
ンである標準溶媒を、中間前駆体を所望の超格子原料モル濃度(molarity)に調節
するのに適切な量だけ添加する。好適には、このモル濃度は、金属酸化物材料の
実験式の場合、約0.100Mから約0.400Mの範囲内であり、最も好適に
は、溶液1リットルから形成できる金属酸化物材料のモル数で約0.130Mか
ら0.200Mである。標準溶媒を添加した後、全ての非標準溶媒を蒸留して所
望のモル濃度の溶液を残すのに十分な温度まで、溶液を加熱する。
好適には、工程P78は、ビスマスを含む層状超格子材料の前駆体の場合にの
み使用される。ビスマス(Bi3+)は最も好適な超格子生成元素であり、最も好
適なビスマスプレ前駆体は、ビスマストリ−2−エチルヘキサノエート(bismuth
tri-2-ethylhexanoate)である。工程P74の加熱工程に引き続いて行われるビ
スマスプレ前駆体の添加は、これらのプレ前駆体の相対的な不安定さの点で、好
適である。即ち、大幅な加熱は、優れた薄膜金属酸化物を生成する溶液の能力に
悪影響を与え得る配位結合の分裂を招き得る。ビスマスプレ前駆体が多くの場合
工程P70およびP74のいずれの工程にも問題なく追加でき得るという意味に
おいて、工程P78は任意であると理解されるべきである。
所望の化学量論的比率を有する層状超格子材料の形成において、前駆体溶液を
加熱する際、および、特に、乾燥前駆体残留分の高温アニーリングを行う際のビ
スマス揮発の可能性に関して、特別な問題がある。従って、工程P78において
、予想されるビスマス損失のために前駆体溶液を補償する目的で、約5%から約
15%の過剰ビスマスを添加することが望ましい。約600℃から約850℃の
範囲内のアニーリング温度で約1時間処理した場合、前駆体溶液中の上記過剰ビ
スマス成分は、典型的には、化学量論的に均衡がとれた層状超格子生成物に必要
な量の5%から15%の範囲内である。金属酸化物生成物の生成の際に過剰ビス
マスが完全に揮発しなかった場合、残った過剰なビスマス成分がAサイト材料と
して作用して、得られる層状超格子結晶中に点欠陥を引き起こし得る。
工程P80において、溶液を撹拌して実質的に均質にし、そして、最終的な溶
液が数日あるいは数週間中に消費されない場合には、乾燥させた窒素あるいはア
ルゴンの不活性雰囲気下で保存するのが好ましい。この保存の際の予防策には、
溶液が実質的に無水状態に保たれることを確実にする役割を果たし、水誘発重合
、粘性ゲル化、およびアルコキシドリガンド中で水が誘発し得る金属成分の沈澱
の悪影響を回避する。それでも、前駆体が、好適にはそうであるように、カルボ
キシレートリガンドおよびアルコキシカルボキシレートに結合した金属で主に構
成される場合、上記乾燥不活性保存の予防策は厳密に必要なものではない。
上記のような反応プロセスの例示的な説明は、一般化されたものであり、従っ
て、限定的なものではない。発生する特定の反応は、使用される金属、アルコー
ルおよびカルボン酸、ならびに、付与される熱量に依存する。詳細な例を以下に
示す。
以下の非限定的な例は、本発明を実施するための好適な材料および方法を示す
ものである。
実施例1
層状超格子前駆体溶液の調製
表1の前駆体原料を、記載される販売元(commercial sources)から入手し、さ
らに分離して、以下に示す成分を得た。
表1において、「FW」は式量を示し、「g」はグラムを示し、「mmole
s」はミリモルを示し、「Equiv.」は溶液中の等価モル数を示す。
キシレン40mlが入った250mlのエルレンマイヤーフラスコ中にタンタ
ルペンタブトキシドおよび2−エチルヘキサン酸の252.85mmol部を入
れた(即ち、タンタル100mmol毎に約50mlのキシレン)。還流を促進
して、大気水(atmospheric water)から内容物を単離するために、このフラスコ
を50mlのビーカで覆った。160℃の加熱板上で、48時間、磁気撹拌を用
いて混合液を還流させ、ブタノールおよびタンタル2−エチルヘキサノエートを
有する実質的に均質の溶液を形成した。溶液中のブトキシド成分は、ほぼ完全に
2−エチルヘキサン酸によって置換されたが、本実施例における加熱パラメータ
では完全な置換は起こらなかったことを理解されたい。48時間が終了した時点
で50mlビーカーを除去し、その後、加熱板温度を200℃に上げ、ブタノー
ル画分および水を蒸留してこれらを溶液から排除した。ブタノールおよび水が実
質的に全て溶液から出ていったことを示す温度指標としての124℃に溶液が最
初に達したときに、フラスコを加熱板から外した。フラスコとその内容物を室温
にまで冷ました。
ストロンチウムと50mlの2−メトキシエタノール溶媒とを冷ました混合液
に加え、これを反応させて、ストロンチウムジ−2−エチルヘキサノエートを生
成する。100ml分のキシレンを上記ストロンチウム混合液に加え、フラスコ
およびその内容物を200℃の加熱板に戻し、50mlビーカーを再び用いて5
時間還流させ、反応させて、式(6)の優れたタンタル−ストロンチウムアルコ
キシカルボキシレート生成物を生成した。ビーカーを外し、溶液温度を125℃
まで上げて、溶液から2−メトキシエタノール溶媒ならびに溶液中の全てのエー
テル、アルコール、あるいは水を排除した。熱源から取り出した後、フラスコを
室温まで冷ました。ビスマストリ−2−エチルヘキサノエートを冷ました溶液に
加え、これを、キシレンでさらに200mlに希釈して、ビスマスの揮発が無い
場合に、0.200モルのSrBi2.18Ta2O9.27を生成し得る前駆体溶液を
形成した。
従って、本実施例は、工程P70、即ち、ストロンチウム金属、アルコールお
よびカルボン酸の反応が、タンタルペンタブトキシドおよび2−エチルヘキサン
酸から誘導したタンタルアルコキシカルボキシレートが入った溶液中で起こり得
ることを示している。従って、工程P70および工程P72は、単一溶液中で、
また、図3の順序の逆で行うことができる。
液体前駆体から固体金属酸化物を製造するプロセスにおけるビスマスの揮発を
補償するように、前駆体のフォーミュレーションを設計した。具体的には、Bi2.18
成分には、約9パーセントの過剰(0.18)ビスマス分が含まれていた。
その後のアニーリング工程において予想されるビスマスの揮発を考慮した上で、
前駆体溶液は、式(3)の化学量論的なm=2の材料、即ち、溶液1リットル当
たり0.2モルのSrBi2Ta2O9、を生成するものと予測された。
実施例2
層状超格子材料バッファ層を有し、
接着金属層を有さない強誘電性コンデンサの形成
図1に示される概略的な層状連続体を有する、多数の正方形の強誘電性コンデ
ンサを含むウェハを、図2の方法に従って作製した。工程P48は行わず、その
結果、コンデンサは、接着金属層36(図1)を含まなかった。従来の直径4イ
ンチの多結晶ウェハ即ち基板32を、実施例1のSrBi2Ta2O9溶液を受け
るように調製した。調製プロセスは、シリコン酸化物34の厚い層を生成するた
めの、従来のプロトコルによる、1100℃、酸素中での拡散炉焼成を含んだ(
図1参照)。
実施例1に従って調製した0.2MのSrBi2Ta2O9前駆体の容積2ml
分を、1.08mlのn−ブチルアセテートの添加により濃度0.13Mに調節
し、これを、0.2μmのフィルタに通した。スポイトを用いて基板に2mlの
前駆体溶液を付与し、その後、これを従来のスピンコーティング機を用いて15
00rpmでスピンさせた。前駆体をコーティングした基板を、加熱板上、空気
中、30分間、400℃で乾燥させた。
バッファ層24を含む基板を室温まで冷却し、従来の直流マグネトロンスパッ
タリングを行うために真空チャンバ内に入れた。130ボルトの放電電圧および
0.53アンペアの電流を用いて、チタン金属の頂上に、厚さ2000Åの白金
をスパッタリングした。このスパッタリングにより、任意の工程P48をとばし
て、図2の工程P50を完了した。
液体薄膜を含む基板を、拡散炉内、酸素雰囲気下で30分間、温度600℃で
アニールした。上記時間は、5分間の炉入れおよび5分間の炉出しを含んだ。得
られた構造は、図1に示されるようにバッファ層24を含んだ。これらの作業に
よって、図2に示されるプロセスの工程P52までを完了した。
実施例2による0.2MのSrBi2Ta2O9前駆体の容積2ml分を1.0
8mlのn−ブチルアセテートの添加により濃度0.13Mに調節し、これを、
0.2μmのフィルタに通した。スポイトを用いて基板に2mlの前駆体溶液を
付与し、その後、前回同様、従来のスピンコーティング機を用いて1500rp
mでスピンさせた。前駆体でコーティングされた基板をスピンコーティング機か
ら取り外し、140℃の加熱板上で2分間、空気中で乾燥させた。第2の加熱板
上でさらに4分間、基板を260℃で乾燥させた。1200Wのタングステン−
ハロゲンランプ(可視スペクトル;Ushio of JapanのJ208Vバルブを用いたAG As
sociates,Inc.によるHeatpulse 410)を用いて、酸素中、725℃でさらに3
0秒間基板を乾燥させた。スピンコーティングおよび乾燥手順をもう1度繰り返
して、層28全体の厚さを約1800Åまで増大させた。
乾燥前駆体残留分のコーティングを2層含む基板22を、拡散炉内において酸
素雰囲気下、800℃の温度で、5分間の炉入れと5分間の炉出しを含めて70
分間アニールした。これらの作業により、図2のプロセスを工程P58まで完了
した。
上部電極28として白金金属をスパッタリングして、層26の上に厚さ200
0Åの白金を形成した。フォトレジストを付与して、レジストの除去を含めて従
来のプロトコルに従ってイオンエッチングを行った。パターニングされた装置を
、拡散炉内において酸素雰囲気下、800℃で、5分間の炉入れと5分間の炉出
しを含めて30分間アニールした。これらの作業によって、図2のプロセスを工
程P68まで完了し、層26としてストロンチウムビスマスタンタレートを有す
る図1に示される型の強誘電性コンデンサ20を提供した。バッファ層24は、
500Åの厚みを有し、2000Åの厚みを有する白金層38が上に重ねられた
。
実施例3
層状超格子材料バッファ層および接着金属層を有する
強誘電性コンデンサの形成
図1に示される層状連続体を有するストロンチウムビスマスタンタレートコン
デンサを含むウェハを、図2の工程P48を含む方法に従って作製した。この手
順は、工程P50が行われなかったことを除いては、実施例2の手順と同一で、
コンデンサは、接着金属層36を含んでいた。スパッタ圧0.0081Torr
にて、95ボルトの放電電圧および0.53アンペアの電流を用いて、バッファ
層24上の接着金属部36として厚さ200Åのチタン金属をスパッタリングし
た。接着金属のスパッタリングは、工程P52における白金層38のスパッタリ
ングの直前に行った。バッファ層24は、500Åの厚みを有し、チタン接着金
属層36(200Å)および白金層38(2000Å)が上に重ねられた。
実施例4
接着金属層を有し、層状超格子材料バッファ層を有さない
強誘電性コンデンサの形成
バッファ層24(図1)を有さない強誘電性コンデンサを含むウェハを、図2
の概略的な方法に従って作製した。この手順は、工程P44と工程P46とが行
われなかったことを除いては、実施例3の手順と同一であった。その結果生じた
コンデンサ20は、層24を有さなかったが、200Åの接着金属層36と、2
000Åの白金層38とを含んでいた。このウェハにおいては、底部電極26は
、工程P52の第1のアニールに供されなかった。
実施例5
接着金属層を有し、層状超格子材料バッファ層を有さず、
底部電極のアニールを行わない場合の
強誘電性コンデンサの形成
バッファ層24(図1)を有さない強誘電性コンデンサを含むウェハを、実施
例4の方法に従って作製したが、工程52は行わなかった。その結果生じたコン
デンサ20は、実施例4の装置と同じ層連続体を有していたが、工程P54が行
われる前に、電極は、工程P52の第1のアニールに供されなかった。結果的に
生じたコンデンサ20は、層24を有さなかったが、200Åの接着金属層36
と、2000Åの白金層38とを含んでいた。
実施例6
接着金属層を有し、層状超格子材料バッファ層を有さず、
底部電極のアニールを行わない場合の強誘電性コンデンサの形成
バッファ層24(図1)を有さない強誘電性コンデンサを含むウェハが、10
0Å(200Åではなく)の厚みを有する接着金属が、工程P48でスパッタリ
ングされたことのみを除いては、実施例5の方法に従って作製された。その結果
生じたコンデンサ20は、層24を有していなかったが、200Åの接着金属層
36と、2000Åの白金層38とを含んでいた。
実施例7
底部電極表面凹凸形状の走査型電子顕微鏡比較
実施例4のウェハ上のコンデンサ正方形体(capacitor squares)において、
いくらかの短絡が観測された。従って、第2の装置が、工程P52までの実施例
4に従って、(すなわち、工程P44と工程P46とを省略して)作製された。
電極構造を、約40、000×の倍率で、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。
図4は、SEMの観測を示す。電極24は、チタン接着金属層36と白金層38
とを含んでいた。電極26は、尖った、不規則に間隔が空いた、上向きのヒロッ
ク(例えば、ヒロック84および86)で覆われた最上表面82を呈し、これら
のヒロックは、表面82から約900Å盛り上がっていた。底部電極26と、層
32および34を含んだその下の基板との間の異なる熱収縮相対率によってこれ
らのヒロックが生じた。各層は加熱の際に膨張した。冷却の際の、シリコンベー
ス層32および34の収縮は、金属被膜加工層36および38の収縮よりも大き
かった。層36は層34に接着し、その結果生じた層間応力はヒロックの形成を
引き起こした。
表面82上に、層24として、薄膜強誘電性層を液層成長させることが意図さ
れている。これらの膜の厚さは、好適には、500Åから3000Åの範囲内に
なるであろう。ヒロック82および84のようなヒロックは、層28の短絡によ
ってプロセス歩留まりを低下させ、さらに、長期的な装置の信頼性に関する問題
を生じさせる。
工程P52の第1のアニールまで各実施例2および3に従って作製された他の
装置サンプルに対して、同様のSEM観測を行った。他のサンプルの電極には、
尖ったヒロックは認められなかった。多少の表面凹凸、即ち小さな丸い形状、は
認められたが、これらの形状は、表面82から約50Åから80Å未満の盛り上
がりであると推定された。装置の性能を重大に脅かすものではないので、これら
の比較的小さな起伏構造は無視できる。即ち、実施例2および3の電極には、実
質的にヒロックが無い。
実施例8
コンデンサ装置の比較評価
実施例2、3、4、5および6のウェハは、それぞれ、厚さ約1800Åの強
誘電性のSrBi2Ta2O9材料を有していた。Hewlitt Packard 3314Aファンク
ションジェネレーター(function generator)およびHewlitt Packard 54502Aデジ
タル化オシロスコープ(digitizing oscilloscope)を含む、非補償型Sawye
r−Tower回路を用いて、各ウェハから選択されたコンデンサについて、分
極ヒステリシス測定を行った。10、000Hzの周波数ならびに0.25、0
.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、および7.
0Vの電圧振幅を有する正弦波関数を用いて、20℃で測定値を得た。
図5は、3Vスイッチング測定から得られた2Pr分極値(単位μC/cm2
)の棒グラフを示す。各棒線は、所与のウェハ上の選択されたコンデンサから得
られたデータの三点平均を表している。各棒線は、記述的な情報とともに、A、
B,C,D、およびEの対応する文字でラベル表示され、サンプルを特定するた
めの分かり易い参照とした。
棒線Aと棒線Bとの差は、200Åチタン接着金属層36をバッファ付きの底
部電極24に加えることにより、棒線Bに対して測定された2Pr分極を5.6
%を低減したことを示す。棒線Cを生じさせた短絡していないコンデンサ(バッ
ファ層を有さない)は、棒線Bに対して測定された2Pr分極において、30%
の低減を受けた。従って、バッファ層26の付加は、棒線Cに対する分極の観測
された増加の原因である。
チタン接着金属の付加は、それに対応した分極の低減を引き起こす。棒線Dお
よびEは、棒線Dのコンデンサが200Åの厚みの接着金属を含み、棒線Eのコ
ンデンサが100Åの厚みを含むことを除いては同一のコンデンサから得られた
分極測定値を表す。チタン接着金属(棒線D)の100Åの厚みの追加は、棒線
Eに対して測定された分極において43%の低下を引き起こした。バッファ層2
6の使用(棒線AおよびB)により、チタンの悪影響が克服される。
上記検討に基づいて、本発明の比較的好ましくない改変例を提供することが可
能である。例えば、接着金属には、チタン酸化物、タンタル、タンタル酸化物、
あるいは他の公知の接着金属が含まれ得る。実際には、層26は、複数の異なる
層から形成されており、そのような層の全てが同じ型の層状超格子材料である必
要はない。さらに、図1および図4に示した幾何学形状および相対的な厚みは、
例示目的でのみ示される。これらの図は、幾何学形状および厚みが大幅に変化し
得る実際の材料のスケールモデルを反映するようには意図されていない。
本発明の本来の範囲および主旨から逸脱することなく、上記のような好適な実
施形態に自明な改変をなすことが可能であることが、当業者には理解されるであ
ろう。よって、本発明者らはここに、本発明の完全な権利を保護する目的におい
て、均等論に依存する意向であることを記す。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Integrated circuit including a substrate and a wiring layer, and having a buffer layer between the substrate and the wiring layer
Background of the Invention
1. Field of the invention
The present invention compensates for the problem of interconnect layers in integrated circuit devices, and more particularly, interlayer mismatch.
Electrodes containing buffer layers, and methods of making these buffer layers.
You. More specifically, the buffer layer is preferably used for an electrode of a ferroelectric capacitor.
It is.
2. Description of the prior art
Material mismatch issues can cause integrated circuit devices to fail or degrade.
You. Surface unevenness problems can cause defects in continuously stacked layers
You. Thin film layers can be contaminated by diffusion from adjacent layers. Add equipment during manufacturing
The need to heat often arises, so different layers have different coefficients of thermal expansion or other growth.
Due to cracking, peeling and surface irregularities problems can occur. Times
These problems can be exacerbated due to the very thin nature of the track layers. Because that layer
Without considering the substrate being formed, it is possible to predict the thermal properties of a given layer.
Because you can't. Therefore, circuit designers must carefully select the material for forming each thin film layer.
Must choose.
Common circuit defect mechanisms include shorts, which are weak bonds between adjacent layers
Cracking caused by the
Caused. In the case of equipment using silicon technology, a platinum wiring layer or
The poles are silicon dioxide or titanium dioxide separating the platinum electrode from the silicon wafer.
Can bond weakly with the tongue separation layer. Researchers before sputtering the platinum electrode
By applying a titanium metal adhesive layer to the separation layer, the incidence of cracking can be reduced.
Although it succeeded in lowering it, it turned out that there was a problem with the application of titanium metal
I have. The added titanium has the effect of contaminating other layers by diffusion of titanium.
Was. Diffusion titanium contamination is particularly problematic in integrated circuits. Because titanium
The cations typically have different valence states (ie,
+2, +3, and +4). As an attempt to separate the adhesive layer metal
In addition, a metal nitride diffusion barrier layer is formed. For example, Larson U.S. Pat.
Nos. 005, 102 and Garceau et al., "TiN As A Diffusion Barrier Layer In The Ti-
Pt-Au Beam Less Metal System ", 60Thin Solid Films237-247, No. 2, (197
See 9). Both teach the use of a titanium nitride diffusion barrier layer. Nitriding
Metal annealing causes short circuit in dielectric or ferroelectric capacitors
Surface irregularities (eg, hillocks) can be caused.
The magnitude of polarization available from thin-film ferroelectric materials depends on the memory for a given voltage.
It is the limiting factor that controls density. Larger polarization forms more dense memory
Can be used to achieve Again, the ferroelectric may not adhere well to the substrate.
Polarization reduction is necessary to promote diffusion between adjacent surfaces of two different layers.
Can be obtained from the need to add a conductive material. Therefore, the collision of material selection affects adhesion.
And the need for high polarization.
High adhesion, no surface irregularities causing short circuit, and high polarization
There is still a need for an efficient bottom electrode structure.
How to solve the problem
The present invention provides a wiring layer on a silicon substrate, and a buffer layer between the electrode and the substrate.
Provided, the buffer layer allows the electrode to have substantially no surface irregularities,
Overcome the problems outlined above. Optionally, the electrodes can contain an adhesive metal. Suitable
In one embodiment, the wiring layer is a bottom electrode of the capacitor. Buffer layer
Same processed ferroelectric capacitor without buffer layer due to addition
In comparison with the polarization performance of ferroelectric capacitors, a substantial improvement of 100% or more
Good is provided.
Generally, the electrode structure is formed between the substrate, the metal electrode or wiring layer, and the substrate and the wiring layer.
And a layer continuum made of a material interposed between the integrated circuit devices. The layer continuum is
Includes at least one buffer layer of layered superlattice material, essentially adding
No wiring layer.
A particularly preferred form of electrode structure is a layer that is strontium bismuth tantalate.
-Like superlattice material. Another suitable layered superlattice material is strontium bismuth
Includes oblate and strontium bismuth niobium tantalate. The substrate is
, Preferably the top silicon base layer adjacent to the layer sequence, i.e., the diacid
Silicon nitride. Most preferred substrates include silicon wafers. Wiring layer is preferred
Alternatively, it contains an adhesive metal component such as titanium or tantalum. This bonded metal is good
Preferably, it is used in combination with a precious metal, which is most preferably platinum
It is.
Ferroelectric capacitors are made by forming a ferroelectric layer on top of the electrode structure.
Can be achieved. This ferroelectric layer is preferably made of strontium bismuth
Layered strontium bismuth niobate or a combination thereof
Including child material. The capacitor preferably forms a second electrode on the ferroelectric layer
It is completed by doing.
Using a suitable method, an integrated circuit device having the above-described electrode structure is manufactured. This
Providing a substrate having a non-metallic top surface, and providing a layered superlattice over the substrate.
Forming a material and depositing an electrode on the layered superlattice material.
A particularly preferred method is that the forming step is performed by applying a liquid precursor on a substrate.
Forming a precursor film. The precursor is preferably a heat treatment of the precursor
Effective amount of polyoxyalkylated metal compound to produce a layered superlattice material during
Including minutes. The precursor film is heat treated to produce a layered superlattice material.
You.
This processing step is preferably performed at a temperature of at least 450 ° C., more preferably
Annealing the precursor at a temperature of at least about 600 ° C. Further processing
The process comprises removing substantially all of the precursor from the thin precursor film at a temperature up to about 450 ° C.
It may include drying for a time sufficient to remove volatile organic components.
Using this method, a further step is to create a second layered superlattice material on top of the electrode.
The process forms a capacitor device. Again, the liquid deposition technology
Preferably, it is used for layer deposition. Layered superlattice material heats precursor solution
At this time, it is spontaneously generated from the liquid precursor solution of the superlattice forming component.
As mentioned above, the ferroelectric material is preferably a perovskite-like layered superlattice.
Material. The term "perovskite-like" includes trivalent metals such as bismuth
, A lattice formed from oxygen octahedral layers separated by a superlattice generating layer. This
While these materials are recognized as a broad class of ferroelectric materials,
Historically, application to integrated circuit devices has not been successful due to device reliability issues
. The perovskite-like portions of the layered superlattice material are separated by a bismuth oxide layer
Formed as discrete layers. The perovskite-like layer has a large A at each apex.
Ply with oxygen octahedra located in a cube defined by site metal
Including maricell (primary cell). Oxygen atoms are located on the planar face of the cube.
Occupy the center, small B-site elements occupy the center of the cube. No A-site element
In some cases, the oxygen octahedral structure may be maintained.
The most preferred layered superlattice material is the average empirical formula SrBiTwoTaTwoO9Straw with
It is an Nb bismuth tantalate material. Most preferably, the superlattice generating layer comprises (
BiTwoOTwo)2+Formed from material, but may also contain thallium (III) as a metal
You. Therefore, the most preferred oxygen octahedral structure layer is the average empirical formula (SrTaTwoO7)2-To
Have. When the annealing of the organometallic precursor solution is performed, each of the above layers spontaneously forms a layer.
A superlattice. The oxygen octahedral layer is ferroelectric and has a balun of overall crystal charge.
The average empirical formula for the ionic charge 1 offset by the superlattice generation layer
I do. The buffer layer has a layered superstructure that has essentially no point defects that can reduce polarization.
Works to keep child material.
Other features, objects, and advantages will be apparent to those skilled in the art from reading the following description and drawings.
Will be apparent to those.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 shows a layer of layered superlattice material sandwiched between a bottom electrode and an underlying substrate.
2 shows a thin film ferroelectric capacitor device including a buffer layer.
FIG. 2 is a flow chart process used to make the capacitor of FIG.
The figure is shown.
FIG. 3 is used to make a liquid precursor solution that can be used in the process of FIG.
FIG.
FIG. 4 shows a defect bottom electrode structure having a large hillock structure on the top surface.
Figure 5 compares the average polarization values obtained from capacitors treated under different conditions
FIG.
Detailed Description of the Preferred Embodiment
FIG. 1 shows a substrate 22, a buffer layer 24, a bottom electrode 26, a metal oxide layer 28,
2 shows the capacitor 20 including the upper electrode 30. Preferably, the substrate 22 comprises the separation layer 3
4 with a conventional silicon layer 32 capped. Silicon layer 32
May be either single crystal or polycrystalline silicon,
And are commercially available from various sources. Layer 32 is made of gallium arsenide, indium
Ntimonide, magnesium oxide, strontium titanate, sapphire, water
Formed from other known substrate materials, such as crystals and the above compounds, and other materials
It may be. The separation layer 34 is formed by spinning the layer 32 in oxygen in a diffusion furnace.
Layer 32 may be formed by known processes such as on-glass ("SOG") deposition or firing.
Preferably, it is made of thick silicon dioxide formed thereon. In this specification
The term "substrate" as used specifically provides support for any other layer.
Layer. Substrate 22 serves to support all other layers, but in terms of
All substrates can also refer to the substrate 22 in combination with other layers. Follow
The combination of the substrate 22, the buffer layer 24, and the bottom electrode 26 is a metal oxide layer.
The metal oxide layer 28 serves as a substrate or support for the upper electrode 30.
It is very supportive.
The buffer layer 24 is on the substrate 22. Layer 24 is preferably a perovskite
It is a layered superlattice material in the shape of. A particularly preferred layered superlattice material is strontium bi
Sumastantalate, strontium bismuth niobate, and strontium
Including mbismuth niobium tantalate. Most preferred strontium bismuthane
Tarate is SrBiTwoTaTwoO9Has an average empirical formula of Perovskite-like layer
Many ferroelectric ferroelectrics are also high dielectrics.
The use of the buffer layer 24 allows for ferroelectric capacitors, particularly layered superlattice ferroelectrics.
Significant polarization improvements are provided for body-based capacitors. Layered superlattice
The material is at least a Smolenskii type ferroelectric layered superlattice material
In other words, the average empirical formula is
(1) Am-1STwoBmO3m + 3,
(2) Am + 1BmO3m + 1,and
(3) AmBmO3m + 2,
All three types are included. Here, A is A in the perovskite-like superlattice.
B is a B site metal in the perovskite-like superlattice.
, S is a trivalent superlattice forming metal such as bismuth or thallium, and m is
A sufficient number to balance body charge. In the whole equation, m is a fraction
(Fractional), but typically this expression has multiple integer values.
Providing different or mixed perovskite-like layers. A-site metal and
The B-site metal may include a mixture of cations having similar ionic radii.
For the layered superlattice material of equation (1), the thermodynamics are m octahedral according to the following equation:
It favors the formation of an oxygen octahedral structure of a plurality of layers having a thickness.
(4) (Am-1BmO3m + 1)2-
Where m is an integer greater than 1, and the other variables are as defined above. This
These layers are separated by a bismuth oxide layer of the formula:
(5) (BiTwoOTwo)2+
Here, Bi is S in equation (1).
The superlattice generation layer S preferably contains an oxide of bismuth (III),
Other similarly sized trivalent metal cations such as (III) may also be included. Layer of formula (1)
Of bismuth in excess of the stoichiometrically required to produce a fibrous superlattice material
Bismuth, when present, also acts as an A-site metal in the perovskite-like lattice.
Works.
The bottom electrode 26 includes an adhesive metal part 36 and a noble metal part 38. Adhesive metal part 36
Preferably consists of sputtered titanium or tantalum, most preferably
Is titanium. Portion 36 preferably has a height in the range of about 50 ° to 250 °.
Sputtered to a suitable thickness, most preferably 200 °. First precious metal
Portion 38 is preferably platinum, but may be gold, silver, palladium, iridium, rhenium.
, Ruthenium, and osmium, and conductive oxides of these metals
May be a noble metal. Preferably, the thickness of the adhesive metal part 36 is 3 to 15 times.
Sputtering platinum on the top of the adhesive metal part 36 to make it thick
Therefore, the first noble metal portion 38 is deposited. Adhesive metal part is 100Å to 200Å
The most preferred thickness is about 2000 mm. Outside the above preferred range
It is useful to use the thickness of the value, but when the first noble metal portion 38 becomes thin,
The adhesive metal component that diffuses into the layer above 38 increases. When the part 38 becomes thicker,
The amount of waste of metal materials increases.
Layer 28 is preferably a ferroelectric perovskite-like layered superlattice material. Special
Suitable layered superlattice materials include strontium bismuth tantalate, strontium
Um bismuth niobate and strontium bismuth niobium tantalate
Including. The most preferred strontium bismuth tantalate is SrBiTwoTaTwoO9
Has an average empirical formula of
The upper wiring layer or electrode 30 is preferably formed by sputtering on the metal oxide layer 30.
Is a precious metal that is The thickness of the upper electrode 28 is typically from about 1000 °
Although it is in the range of about 2000 °, the thickness may be outside this range. Electrode 30
Consists most preferably of platinum.
FIG. 2 shows a flowchart of a process for manufacturing the capacitor 20. This
Although the process is described with respect to the embodiment of FIG. 1, those skilled in the art will recognize other embodiments.
Will be understood to be applicable.
In step P40, a substrate having a silicon layer 32 and a silicon dioxide layer 34
As 22, a silicon wafer is prepared. The silicon layer 32 is formed from about 500 ° C. to about 1 ° C.
It can be fired in oxygen in a diffusion furnace at a temperature in the range of 100 ° C. This
Firing removes impurities and water on the surface to form oxide coating 34.
Is done. The wafer or layer 32 is also coated with a conventional spin-on-glass.
And thereby form oxide layer 34. In general, step P40 comprises fabricating
Depending on the nature of the device being sought, contactors for transistors or memory circuits
Etching of the through hole (not shown) and doping of layer 32 (substrate 22 in a broad sense).
Conventional procedures such as pinging may also be included.
In step P42, when the precursor solution is dried and annealed, the buffer layer 24 and the
And / or has an effective amount of a plurality of metal components to produce ferroelectric layer 28
Including preparing one or more liquid precursor solutions. Further details on the preparation of precursor solutions
Details are shown below.
In Step P44, the precursor solution in Step P42 is applied to the substrate in Step P42.
. This creates an uppermost surface of the oxide layer 34 that receives the liquid precursor. Preferably
At ambient temperature and pressure, the top surface of oxide layer 34 (substrate 22 in a broad sense)
The liquid precursor solution is added dropwise, and then the excess solution is removed to leave a thin film liquid residue.
Spin the substrate at about 1500-2000 RPM for about 30 seconds.
By doing so, the above-described assignment is performed. The most preferred spin speed is 1500RP
M. Alternately, a device such as the technology described in U.S. Patent No. 5,456,945.
Applying liquid precursors by the misted deposition technique
May be. The most preferred precursor solution is strontium bismuth tantalate or the like
Can be produced.
Preferably, in step P46, the liquid precursor film of step P44 is dried on a heating plate.
Dry at a temperature of about 200 ° C. to 500 ° C. in an air atmosphere. Drying time and drying
The drying temperature removes substantially all organic materials from the liquid thin film and leaves dry metal oxides.
Should be enough to leave a minute. Preferably, the drying time is from about 1 minute to about 30 minutes
Is within the range. In the case of single-stage drying, in air, the drying temperature is 400 ° C for about 2 minutes.
It is most preferable to carry out for 10 minutes. However, the liquid film is allowed to dry
Drying is more preferred. For example, 5 minutes at 260 ° C. and 5 minutes at 400 ° C.
It is possible to dry the membrane for minutes. Furthermore, it is short at a temperature exceeding 700 ° C.
Preferably, the drying cycle is completed at rapid processing intervals. For example, tungsten
Heating the substrate at 725 ° C. for 30 seconds using a nickel lamp; Drying process P4
6 are predictable or reproducible electronic features in the final metal oxide crystal composition.
It is indispensable to get sex.
If it is desired to increase the thickness of the entire buffer layer 24, Step P44
And step P46 can be repeated, but usually with one coating of the precursor liquid.
It is necessary or desirable to increase the thickness of layer 24 more than is possible to obtain.
There is nothing wrong.
An optional step P48 is performed on top of the buffer layer 24, as is known in the art.
According to a conventional protocol, the titanium adhesive metal layer 36 may be formed from about 50 ° to 250 °.
Sputtering to a suitable thickness in the range of Sputter layer 36
Doing is preferably done for the purpose of providing higher adhesion to the layer 24.
This sputtering may cause a short circuit in capacitor 20
While delamination and cracking are prevented, the bonding metal (preferably titanium)
Diffusion can contaminate other layers. Step P50 is a process in which the noble metal part 3
8 to a suitable thickness in the range of about 1000 ° to 2000 °
including. Examples of suitable atomic sputtering protocols include RF sputtering
And DC magnetron sputtering.
In step P52, the substrate 22 in step P50 is annealed to
24 metal oxides are formed. To distinguish it from other annealing steps, the process P52
Is referred to as “first annealing”, and other annealing steps are referred to as “first annealing”.
It should be understood that this may be done before. In step P52,
Preferably, in a diffusion furnace under an oxygen atmosphere, a temperature in the range of 450 ° C. to 1000 ° C.
Include layers 36 and 38 for a time in the range of 30 minutes to 2 hours to temperature
Heat the substrate. More preferably, at a temperature in the range of 600 ° C. to 800 ° C., the process P
Perform 52. The most preferred annealing temperature is about 600 ° C. for 80 minutes. Suitably
The first anneal of step P52 is to "push" into the furnace for 5 minutes and 5 minutes
Push / pull process including "pull" from the furnace
). The annealing time stated is the thermal run time during furnace entry and removal.
Includes the time used to form the thermal ramp. This annealing process
The process is referred to as a first anneal to distinguish it from other anneal steps.
Step P54 deposits the layered superlattice precursor of Step P42 on the noble metal layer 38.
Including Preferably, the precursor is a liquid precursor, but a solid target
Sputtering is also possible. Preferably, the outside air temperature and the outside air
The liquid precursor solution is dropped on the top surface of the bottom electrode 26 with pressure and then the excess solution
Approximately 1500 RPM to 2000 RP to remove the liquid and leave a thin film liquid residue
The application is performed by spinning the substrate at M for about 30 seconds. most
A preferred spin speed is 1500 RPM. A preferred precursor solution is a layered superlattice material
Including those having an effective amount of a metal component to produce a charge. Most suitable layered super case
The child material is strontium bismuth tantalate.
Preferably, in step P56, the liquid precursor film of step P54 is dried on a heating plate.
Dry at a temperature of about 200 ° C. to 500 ° C. in a dry air atmosphere. Drying time and
The drying temperature is such that substantially all of the organic material is removed from the liquid film and the dried metal oxide residue is removed.
Should be enough to leave a fraction. Preferably, the drying time is from about 1 minute to about 30
Within minutes. In the case of one-stage drying, in air, drying temperature 400 ° C, about 2 minutes
It is most preferable to carry out for 10 minutes. However, the liquid film is
Drying is more preferred. For example, at 260 ° C. for 5 minutes, and at 400 ° C.
It is possible to dry the membrane for 5 minutes. Furthermore, at temperatures exceeding 700 ° C.,
Preferably, the drying cycle is completed at a slow heating interval. For example, tungsten-d
The substrate is heated at 725 ° C. for 30 seconds using a hacker lamp. Drying process P56
Predictable or reproducible electronic properties in the final metal oxide crystal composition
Indispensable to get.
In step P58, the dried film obtained in step P56 did not have the desired thickness.
In this case, steps P54, P56 and P58 are repeated until a desired thickness is obtained.
. Typically, to obtain a thickness of about 1800 ° to 2000 °, the disclosure disclosed herein
Twice with 0.130M to 0.200M precursor solution using the parameters given
Need to be coated.
In Step P60, the dried precursor residues in Steps P54 and P56 are annealed.
Thus, a layered superlattice material of the layer 26 is formed. To distinguish it from other annealing processes
For this reason, this annealing step is referred to as second annealing. Preferably, this second
Neal is performed under the same conditions as those of the first annealing in step P52.
.
In step P62, preferably, platinum is sputtered on the layered superlattice material layer 26.
The upper electrode 28 is deposited by ringing. The capacitor 20 is preferably
Can be optionally annealed at this time under the same conditions as in step P52.
Thereafter, a conventional photo-etching process (for example, ion etching in step P64) is performed.
(Including applying photoresist after chinglitography)
The apparatus is patterned. Preferably, the patterning is such that the third anneal is
Generated by the patterning procedure by removing the patterning stress of the capacitor 20
Performed before the third anneal in step P66 to correct any defects
You.
Preferably, the third anneal, step P66, comprises the first anneal in step P52.
This is done in the same way as
Finally, in a process P68, the apparatus is completed and evaluated. Understood by those skilled in the art
This complete process involves additional layer deposition, contact hole ion
It may involve etching, and other procedures. The substrate or wafer 22 is
By cutting into knits, multiple integrated circuit devices manufactured simultaneously on the substrate
Can be separated.
Step P42: polyoxyalkylated metal precursor
A suitable general process for preparing ursors is provided in U.S. Patent No. 5,514,822.
I have. Preferably, the process involves converting the metal to an alkoxide (eg, 2-methoxy
Ethanol) to form a metal alkoxide;
Carboxylate (eg, 2-ethylhexanoate)
) And reacting with a metal alkoxycarboxylate (met
al alkoxycarboxylate).
(6) (R'-COO-)aM (-OR)nOr
(7) (R'-CO-)aM (-O-M '-(OCR-R ")b-1)n,
Here, M is a metal cation having an outer valence of (a + n), and M ′ is an outer atom.
A metal cation with a valency of b, M and M 'are preferably tantalum, calcium
, Bismuth, lead, yttrium, scandium, lanthanum, antimony, black
, Thallium, hafnium, tungsten, niobium, vanadium, zirconium
, Manganese, iron, cobalt, nickel, magnesium, molybdenum, stront
C
Independently selected from the group consisting of R, barium, titanium, and zinc;
And R 'are each preferably an alkyl group having 4 to 9 carbon atoms.
R '' is preferably an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms. Center
The latter formula having the structure -O-M-O-M'-O- of the final solid metal oxide
For in-solution production of at least 50% of the metal-oxygen bonds present in the product,
Particularly preferred.
Preferably, the liquid precursor is a metal alkoxide or metal carboxylate.
Most preferably diluted to the desired concentration with xylene or octane solvent.
Metal alkoxycarboxylate. Metal alkoxide that is substantially anhydrous
The use of cycarboxylates is critical for the longevity of solutions containing alkoxide ligands (sh
elf life) can avoid water-induced polymerization or gelation.
For this reason, it is particularly suitable. The presence of the hydrolysis-inducing component in the solution is preferably
Avoided or minimized. Use of conventional hydrolysis precursors such as sol gel
Although possible, increased solution viscosities are favored by suitable spin-on application processes (spin-on app
lication process) tends to compromise the thickness uniformity and
Solution quality tends to decrease rapidly over time. As a result, the prepared water
Degraded gels increasingly produce unstable metal oxide films of poor quality over time
. According to the preferred method, the precursor solution is provided well in advance of when it is needed.
Can be prepared.
Understand that the formation of oxygen octahedral structures is thermodynamically advantageous where possible
Thus, the precursor solution can be designed to produce a corresponding layered superlattice material.
In general, either perovskite-like octahedral structure or perovskite octahedral structure
Again, substantially similar ionic radii (ie, at each lattice site
Equivalent displacement between metal cations having a radius of about 20%
It is possible to be. These substitutions add another metal component to the precursor solution
This is done by:
Suitable raw materials for the precursor solution are stoichiometrically balanced based on empirical formulas.
Suitable metals of the desired layered superlattice material in the compound are included. A site department is good
Suitably, Ba, Bi. Asa consisting of Sr, Pb, La, Ca, and a mixture thereof
At least one A-site element selected from the group of
It is formed by reacting with rubonic acid. The B site section is preferably
Chole or a carboxylic acid, Zr, Ta. Mo, W, V, Nb, and mixtures thereof
Reacts with at least one B-site element selected from the group of B-sites
Induced by letting The use of titanium as an equivalent radius B site element is:
Although possible, problems and problems arising from the diffusion of titanium into other integrated circuit components
Practical advantages due to point charge defects caused by different valence states between tan ions
Is not preferred. In the case of a layered superlattice material, a trivalent superlattice, preferably bismuth
The resulting metal is also added. When heating, depending on its bismuth content,
Although a bismuth oxide layer is spontaneously formed in the secondary material, excess bismuth
Thus, the A-site element of the perovskite lattice can be provided.
FIG. 3 illustrates the present invention for providing a liquid precursor solution prepared in step P42.
2 shows a flowchart of a generalized process according to the invention. The word "precursor"
Often used vaguely in the art. Final solution mixed with other materials
Can mean a solution containing one metal to make
In some cases, it may mean a solution containing several kinds of metals prepared as needed. In this paper
In our preparation, unless the context clearly indicates otherwise
This type of precursor is called a “precursor”. In the intermediate stage, we refer to the solution as "
It may be referred to as "pre-precursor."
A liquid solution of metal alkoxide used to generate the initial metal precursor
Preferred generalization of the production of ruboxylates and metal alkoxycarboxylates
The chemical reactions performed are as follows.
(8) Alkoxide-M+ n+ NR-OH → M (-OR)n+ N / 2HTwo
(9) Carboxylate-M+ n+ N (R-COOH) → M (-OOC-R)n
+ N / 2HTwo
(10) alkoxycarboxylate-M (-O-R ')n+ BR-COO
H + heat → (R'-O-)nbM (-OOC-R)b+ BHOR
Here, M is a metal cation having n charges, and b is in the range of 0 to n.
Is the number of moles of carboxylic acid and R 'is preferably from 4 to 15
R is preferably an alkyl group having 3 to 9 carbon atoms.
It is an alkyl group having a child.
In step P70, the first metal represented by the term M
To form a metal alkoxycarboxylate pre-precursor.
Form. Preferably, the process involves converting the metal to an alcohol (eg, 2-methoxy).
Reacting with (ethanol) to form a metal alkoxide of formula (8)
Reacting the metal alkoxide with a carboxylic acid (eg, 2-ethylhexanoic acid)
, Forming a metal alkoxycarboxylate of formula (10). Unreasonable
When the reactive metal is combined with the alcohol and carboxylic acid at the same time,
Thus, the reaction of the formula (9) is also observed. The parallel reaction is preferably carried out by carboxylate
Over a period of one to two days so that the alkoxide component is displaced by the ligand.
A return heated by a hotplate having a temperature in the range of about 120 ° C to about 200 ° C
It takes place in a reflux condenser. Preferably, an initial reaction period of 1-2 days
At the end of the process, the reflux condenser is opened to the outside air and water and alcohol
Fractional distillation plateau (fractional distillation plate)
au), ie the solution temperature until a plateau at least above about 100 ° C. is observed
Is monitored, and at this time, the solution is removed from the heat source. Distillation at ambient pressure is more preferred
At a temperature of at least 115 ° C, most preferably from about 123 ° C to 127 ° C.
At a temperature of
In the above formula, the metal is preferably tantalum, calcium, bismuth, lead,
Yttrium, scandium, lanthanum, antimony, chromium, thallium, Huff
, Tungsten, vanadium, niobium, zirconium, manganese, iron, iron
Baltic, nickel, magnesium, molybdenum, strontium, barium, titanium
It is selected from the group consisting of tan, vanadium, and zinc. Can be suitably used
Alcohols include 2-methoxyethanol, 1-butanol, 1-pentanol
, 2-pentanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol
, 2-ethyl-1-butanol, 2-ethoxyethanol, and 2-methyl-
It contains 1-pentanol, preferably 2-methoxyethanol. Suitably
The carboxylic acids that can be used include 2-ethylhexanoic acid, octanoic acid, and neoic acid.
De
Neodecanoic acid is included, preferably 2-ethylhexanoic acid.
Preferably, the reaction in step P70 and the subsequent steps is carried out in a compatible solvent (compa
(ible solvent). Solvents that can be used include xylene,
2-methoxyethanol, n-butyl acetate, n-dimethylformamide,
2-methoxyethyl acetate, methyl isobutyl ketone, methyl isoamylke
Ton, isoamyl alcohol, cyclohexanone, 2-ethoxyethanol, 2
-Methoxyethyl ether, methyl butyl ketone, hexyl alcohol, 2-pe
Nthanol, ethyl butyrate, nitroethane, pyrimidine, 1,3,5 trioxa
, Isobutyl isobutyrate, isobutyl propionate, propyl propionate
Nate, ethyl lactate, n-butanol, n-pentanol, 3-pentano
, Toluene, ethylbenzene, and octane, and many other solvents
included. Preferably, these solvents distill the precursor and apply the precursor to the substrate.
It has a boiling point above the boiling point of water for the purpose of removing water therefrom before Co-solvent
Should be miscible with each other and the precursor materials must be completely soluble
In some cases, especially in polar and non-polar solvents, different ratios are compatible (compatibl
y) can be mixed. Xylene and octane are particularly preferred non-polar solvents, n-
Butyl acetate is a particularly preferred polar co-solvent.
If intermediate metal reagents can be obtained in research grade purity, omit part of step P70
May be. For example, tantalum isobutoxide is available
Preferably, the metal alkoxide is converted to 2-ethylhexa of formula (10)
Isobutoxide component is acceptable by reacting with carboxylic acid such as acid
Need only be replaced with a suitable carboxylate ligand.
In a typical second step, P72, a solid metal oxide of layer 26 is formed.
Has a stoichiometrically balanced mixture of superlattice forming metal components that can be
Metal carboxylate and metal alkoxide to form an intermediate precursor
Either or both can be added to the metal alkoxycarboxylate. At this time,
Suitably, the mixture may be used, if necessary, due to relative thermal instability.
It does not contain bismuth compounds added later. All of the above metals are the above carboxylic acids
To form a metal carboxylate by reacting with any of
On the other hand, all of the above metals are reacted with any of the above alcohols to form alkoxides.
Can be formed. The above reaction partially catalyzes the alkoxide ligand.
In the presence of a slight excess of carboxylic acid for the purpose of displacing with a ruboxylate ligand
It is particularly preferred to do so.
In step P74, metal alkoxycarboxylate, metal carboxylate
The mixture of metal and / or metal alkoxide is optionally heated and stirred.
To form a metal-oxygen-metal bond and remove all low-boiling organic matter produced by the reaction.
Allow to evaporate. According to generalized reaction theory, metal alkoxides are converted to metal alkoxides.
When added to the carboxylate and the solution is heated, the following reaction occurs
.
(11) (R-COO-)xM (-O-C-R ')a+ M '(-O-C-R ""
)b→ (R-COO-)xM-O-M '(-O-C-R ")b-1)a+ AR'-C
-OC-R ""
(12) (R-COO-)xM (-O-C-R ')a+ XM '(-O-C-R'
’)b→ (R'-CO-)aM (-O-M '(-O-C-R ")b-1)x+ XR
-COO-C-R ""
Wherein M and M 'are metals, R and R' are as defined above,
'' Is preferably an alkyl group having about 0 to 16 carbons, a, b and
And x are the relative proportions of the corresponding substituents corresponding to the respective valence states of M and M '.
It is an integer indicating the amount. In general, metal alkoxides are better than metal carboxylate
Since it easily reacts, first, the reaction of the formula (11) occurs. Thus, in general, the boiling point
Low ethers are produced. These ethers evaporate from the pre-precursor and are reduced
The final product having an organic content of
The genus-oxygen-metal bond is already partially formed. If heating is sufficient,
Reaction (12) also occurs partially, forming a metal-oxygen-metal bond and ester.
. Generally, esters have a relatively high boiling point and remain in solution. These high boiling organics
The material inhibits the drying process after applying the final precursor to the substrate,
Tend to reduce bugs and defects. Therefore, in each case, metal-oxygen-
Metal bonds are formed to improve the properties of the final precursor.
Step P74 essentially consists of adding a solution as the reactions of formulas (11) and (12) progress.
Is a distillation to remove volatile components from water. When volatile components are removed from the solution,
Is completed, that is, the efficiency is increased. Removal of volatile components from solution requires membrane
It also serves to prevent cracking and other defects. Cracking and
And other defects, if not prevented, are associated with the presence of volatile components in the solution.
Can be Therefore, the progress of the reaction (11) and the reaction (12) depends on the heating rate of the solution.
And can be monitored by the volume of fluid present in the solution. Preferably at least
Also 115 ° C, more preferably 120 ° C, and most preferably 123 ° C to 127 ° C.
Heat the solution to a boiling point plateau of ° C.
Add the metal carboxylate to the metal alkoxycarboxylate and mix the mixture
When heated, the following reactions occur.
(13) (R-COO-)xM (-O-C-R ')a+ XM '(-OOC-R
’))b→ (R'-CO-)aM (-O-M '(-OOC-R ")b-1)x+ X
R-COOOC-R '
However, R-COOOC-R 'is an acid anhydride, and each item is as defined above.
This reaction has significantly more than the above reactions (11) and (12).
Requires heat and travels at a much slower rate.
In addition to the above reaction to produce a metal alkoxycarboxylate, the following
A reaction occurs.
(14) M (-OR)a+ AHOTwoC8HFifteen+ Heat → M (-OTwoC8HFifteen)a+ AH
OR
However, each item is as defined above. For heating in the presence of excess carboxylic acid
Thus, this reaction substitutes the alkoxide component of the intermediate metal alkoxycarboxylate.
In turn, to form substantially complete carboxylate. But at the moment,
In the parameters disclosed in the text, the alkoxide by carboxylate
It is not believed that a complete substitution of Complete substitution of carboxylate
To do so requires a significant, much higher amount of heating and still does not easily occur
Maybe.
At the end of the process P74, the metal-oxygen bond of the metal oxide layer 26 is reduced in the solution.
Preferably, at least 50% is formed. Monitor the solution temperature to determine if water,
Alcohol, ether, and other reaction by-products are substantially all removed from the solution.
Fractionation plateau, i.e., a plateau above at least 100 ° C
Until heated by a hot plate having a temperature in the range of about 120 ° C to about 200 ° C.
It is preferable that the above reaction be performed in a container which is heated and heated to the outside air pressure.
. At this time, potentially undesirable due to extended refluxing
Large amounts of ester or anhydride by-products may be formed,
It is often difficult to remove from the solution. In the process P72, the metal
Eliminates the need to add the carboxylate alone to reflux the solution
By doing so, potential complications due to excessive anhydride concentrations can be completely avoided.
You.
Step P76 is an optional solvent exchange step. General in various precursor solutions
The use of a suitable solvent has a viscosity and an influence on the thickness of the liquid precursor film after being applied to the substrate.
This is advantageous in terms of predictability of fluid parameters such as adhesion tension. These fluid parameters
The quality and electrical properties of the corresponding metal oxide film after annealing the dried precursor residue.
It also affects characteristics. In Step P76, preferably, xylene or n-octa is used.
Standard solvent, and adjust the intermediate precursor to the desired superlattice raw material molarity.
Add the appropriate amount to do so. Preferably, this molar concentration is
For empirical formulas, it is in the range of about 0.100M to about 0.400M, most preferably
Is about 0.130 M in moles of metal oxide material that can be formed from 1 liter of solution.
0.200M. After adding the standard solvent, distill off all non-standard solvents.
Heat the solution to a temperature sufficient to leave the desired molarity of the solution.
Preferably, step P78 comprises applying a precursor to the layered superlattice material comprising bismuth.
Only used. Bismuth (Bi)3+) Is the most preferred superlattice forming element and
A suitable bismuth pre-precursor is bismuth tri-2-ethylhexanoate (bismuth
tri-2-ethylhexanoate). A process performed following the heating process of Step P74
The addition of a mass pre-precursor is advantageous in terms of the relative instability of these pre-precursors.
Suitable. That is, significant heating can affect the ability of the solution to produce excellent thin film metal oxides.
It can lead to disruption of coordination bonds, which can have adverse effects. Bismuth pre-precursor is often
In the meaning that it can be added to any of the processes P70 and P74 without any problem.
It should be understood that step P78 is optional.
In forming a layered superlattice material having a desired stoichiometric ratio, the precursor solution
During heating and especially during high temperature annealing of the dried precursor residues,
There is a special problem with regard to the potential for volatilization of smut. Therefore, in step P78
From about 5% to about 5% for the purpose of compensating the precursor solution for expected bismuth loss
It is desirable to add 15% excess bismuth. About 600 ° C to about 850 ° C
When treated at an annealing temperature within the range for about 1 hour, the excess vial in the precursor solution is obtained.
Smuth components are typically required for stoichiometrically balanced layered superlattice products
Between 5% and 15% of the desired amount. Excess bis during formation of metal oxide products
If the mass did not volatilize completely, the remaining excess bismuth component would
Can cause point defects in the resulting layered superlattice crystal.
In step P80, the solution is agitated to become substantially homogeneous and the final solution
If the solution is not consumed within days or weeks, dry nitrogen or
Preferably, it is stored under an inert atmosphere of Lugon. Precautions for this preservation include:
Water-induced polymerization serves to ensure that the solution is kept substantially anhydrous
, Viscous gelation, and precipitation of water-inducible metal components in alkoxide ligands
Avoid the negative effects of Nevertheless, the precursor is preferably carbohydrate, as is the case.
Mainly composed of metals bound to xylate ligands and alkoxycarboxylates
If implemented, the above precautionary measures for dry inert storage are not strictly necessary.
The illustrative description of the reaction process as described above is generalized and therefore
Is not limiting. The specific reaction that occurs depends on the metal used, the alcohol
And the carboxylic acid, and the amount of heat applied. Detailed examples below
Show.
The following non-limiting examples illustrate suitable materials and methods for practicing the present invention.
Things.
Example 1
Preparation of layered superlattice precursor solution
The precursor materials in Table 1 were obtained from the commercial sources listed,
And the following components were obtained.
In Table 1, “FW” indicates formula weight, “g” indicates grams, and “mmole”.
"s" indicates millimoles, and "Equiv." indicates the equivalent number of moles in the solution.
Place the tantalum in a 250 ml Erlenmeyer flask containing 40 ml of xylene.
252.85 mmol of lupentaboxide and 2-ethylhexanoic acid
(Ie, about 50 ml of xylene for every 100 mmol of tantalum). Promotes reflux
The flask to isolate the contents from atmospheric water.
Was covered with a 50 ml beaker. On a heating plate at 160 ° C, use magnetic stirring for 48 hours.
And reflux the mixture to remove butanol and tantalum 2-ethylhexanoate.
A substantially homogeneous solution was formed. The butoxide component in the solution is almost completely
Although replaced by 2-ethylhexanoic acid, the heating parameters in this example were
It should be understood that no complete replacement took place. At the end of 48 hours
Remove the 50 ml beaker with, then raise the temperature of the hot plate to 200 ° C,
The fractions and water were distilled to remove them from solution. Butanol and water
The solution reaches its maximum at 124 ° C as a temperature index indicating that all of it has left the solution.
When the first was reached, the flask was removed from the hotplate. Place the flask and its contents at room temperature
It has cooled down to
A cooled mixture of strontium and 50 ml of 2-methoxyethanol solvent
And reacting it to produce strontium di-2-ethylhexanoate.
To achieve. Add 100 ml of xylene to the strontium mixture and add
And the contents were returned to the hot plate at 200 ° C.
After refluxing for hours, the reaction is carried out to obtain an excellent tantalum-strontium alcohol of the formula (6).
A xycarboxylate product was produced. Remove beaker and set solution temperature to 125 ° C
To the 2-methoxyethanol solvent and all solvents in the solution.
Ter, alcohol, or water were eliminated. After removing from the heat source, remove the flask
Cooled to room temperature. Bismuthtri-2-ethylhexanoate to a cooled solution
In addition, this is further diluted to 200 ml with xylene to eliminate the volatilization of bismuth
In some cases, 0.200 moles of SrBi2.18TaTwoO9.27A precursor solution capable of producing
Formed.
Therefore, in this embodiment, Step P70, that is, strontium metal, alcohol and
And carboxylic acid react with tantalum pentaboxide and 2-ethylhexane
Can occur in solutions containing tantalum alkoxycarboxylates derived from acids
Which indicates that. Therefore, Step P70 and Step P72 are performed in a single solution,
Further, it can be performed in the reverse order of FIG.
Bismuth volatilization in the process of producing solid metal oxides from liquid precursors
The formulation of the precursor was designed to compensate. Specifically, Bi2.18
The components contained about 9 percent excess (0.18) bismuth.
Considering the expected volatilization of bismuth in the subsequent annealing process,
The precursor solution is a stoichiometric material of m = 2 of formula (3), ie, 1 liter of solution.
0.2 mole of SrBiTwoTaTwoO9, Was expected to produce.
Example 2
Having a layered superlattice material buffer layer,
Formation of ferroelectric capacitor without adhesive metal layer
Numerous square ferroelectric capacitors having the schematic layered continuum shown in FIG.
A wafer including a sensor was manufactured according to the method of FIG. Step P48 is not performed.
As a result, the capacitor did not include the adhesive metal layer 36 (FIG. 1). Conventional diameter 4a
The polycrystalline wafer or substrate 32 of FIG.TwoTaTwoO9Receiving solution
Was prepared as follows. The preparation process produces a thick layer of silicon oxide 34.
Including diffusion furnace firing in oxygen at 1100 ° C. according to conventional protocol (
(See FIG. 1).
0.2 M SrBi prepared according to Example 1TwoTaTwoO9Precursor volume 2 ml
The minute was adjusted to a concentration of 0.13M by adding 1.08 ml of n-butyl acetate.
This was passed through a 0.2 μm filter. Use a dropper to add 2 ml of
A precursor solution was applied, which was then applied using a conventional spin coating machine for 15 minutes.
Spin at 00 rpm. The substrate coated with the precursor is placed on a hot plate and air
Medium and dried at 400 ° C. for 30 minutes.
The substrate including the buffer layer 24 is cooled to room temperature, and a conventional DC magnetron sputtering is performed.
It was placed in a vacuum chamber to perform the tarling. 130 volt discharge voltage and
Using a current of 0.53 amps, 2,000 mm thick platinum on top of titanium metal
Was sputtered. By this sputtering, any process P48 can be skipped.
Thus, the step P50 of FIG. 2 is completed.
A substrate containing a liquid thin film is placed in a diffusion furnace in an oxygen atmosphere for 30 minutes at a temperature of 600 ° C.
Annealed. The times included a 5 minute oven load and a 5 minute oven discharge. Profit
The resulting structure included a buffer layer 24 as shown in FIG. For these tasks
Therefore, the process up to step P52 of the process shown in FIG. 2 is completed.
0.2 M SrBi according to Example 2TwoTaTwoO9Precursor volume of 2 ml for 1.0
The concentration was adjusted to 0.13 M by addition of 8 ml of n-butyl acetate, which was
Passed through a 0.2 μm filter. Apply 2 ml of precursor solution to the substrate using a dropper
And then, as before, 1500 rpm using a conventional spin coating machine.
Spin at m. Spin coating machine for substrate coated with precursor
And dried in air on a hot plate at 140 ° C. for 2 minutes. Second heating plate
The substrate was dried at 260 ° C. for a further 4 minutes above. 1200W tungsten-
Halogen lamp (visible spectrum; AG As using J208V bulb of Ushio of Japan)
3 more at 725 ° C in oxygen using Heatpulse 410) by Sociates, Inc.
The substrate was dried for 0 seconds. Repeat spin coating and drying procedure
Thus, the overall thickness of layer 28 was increased to about 1800 °.
Substrate 22 containing two coatings of the dried precursor residue is placed in an acid oven in a diffusion furnace.
In a raw atmosphere, at a temperature of 800 ° C., including a 5-minute furnace insertion and a 5-minute furnace discharge,
Annealed for minutes. By these operations, the process of FIG. 2 is completed up to step P58.
did.
Sputtering platinum metal as the upper electrode 28, a 200
0% platinum was formed. Apply photoresist and follow it, including resist removal
Ion etching was performed according to the following protocol. Patterning equipment
In a diffusion furnace at 800 ° C. in an oxygen atmosphere for 5 minutes and out for 5 minutes
Annealed for 30 minutes. By these operations, the process of FIG.
Completed to step P68, having strontium bismuth tantalate as layer 26
A ferroelectric capacitor 20 of the type shown in FIG. 1 was provided. The buffer layer 24
A platinum layer 38 having a thickness of 500 ° and a thickness of 2000 ° was overlaid.
.
Example 3
Having a layered superlattice material buffer layer and an adhesive metal layer
Forming ferroelectric capacitors
Strontium bismuth tantalate conjugate having a layered continuum shown in FIG.
A wafer including a denser was manufactured according to the method including the step P48 in FIG. This hand
The order is the same as the procedure of Example 2 except that the process P50 was not performed.
The capacitor included an adhesive metal layer 36. Sputter pressure 0.0081 Torr
Buffer at 95 volts using a discharge voltage of 95 volts and a current of 0.53 amps.
Sputtering titanium metal having a thickness of 200 ° as the bonding metal portion 36 on the layer 24
Was. The sputtering of the adhesive metal is performed by sputtering the platinum layer 38 in step P52.
I went right before the ringing. The buffer layer 24 has a thickness of 500 ° and is made of titanium adhesive.
A metal layer 36 (200 °) and a platinum layer 38 (2000 °) were overlaid.
Example 4
Has an adhesive metal layer and no layered superlattice material buffer layer
Forming ferroelectric capacitors
A wafer containing a ferroelectric capacitor without the buffer layer 24 (FIG. 1) is shown in FIG.
It was prepared according to the general method of the above. In this procedure, steps P44 and P46 are performed.
Identical to the procedure of Example 3 except that it was not done. Resulting
Capacitor 20 did not have layer 24, but had a 200 ° adhesion metal layer 36 and 2
000 ° of platinum layer 38. In this wafer, the bottom electrode 26 is
And was not subjected to the first annealing in the step P52.
Example 5
With an adhesive metal layer, without a layered superlattice material buffer layer,
Without bottom electrode annealing
Forming ferroelectric capacitors
A wafer containing a ferroelectric capacitor without buffer layer 24 (FIG. 1) was implemented.
Fabricated according to the method of Example 4, but Step 52 was not performed. The resulting con
Although the denser 20 had the same layer continuum as the apparatus of Example 4, the process P54 was performed.
Before being performed, the electrodes were not subjected to the first anneal in step P52. as a result
The resulting capacitor 20 did not have layer 24, but had a 200 ° bond metal layer 36
And a 2000 ° platinum layer 38.
Example 6
With an adhesive metal layer, without a layered superlattice material buffer layer,
Formation of ferroelectric capacitor without bottom electrode annealing
Wafers containing ferroelectric capacitors without buffer layer 24 (FIG. 1)
An adhesive metal having a thickness of 0 (not 200) is sputtered in step P48.
Except for what was done, it was prepared according to the method of Example 5. as a result
The resulting capacitor 20 did not have layer 24, but had a 200 ° bond metal layer.
36 and a 2000 ° platinum layer 38.
Example 7
Scanning electron microscope comparison of unevenness of bottom electrode surface
In the capacitor squares on the wafer of Example 4,
Some short circuits were observed. Therefore, the second apparatus is used in the embodiment up to the step P52.
4 (that is, step P44 and step P46 were omitted).
The electrode structure was observed using a scanning electron microscope at a magnification of about 40,000 ×.
FIG. 4 shows the SEM observation. The electrode 24 includes a titanium bonding metal layer 36 and a platinum layer 38.
And included. Electrodes 26 are sharp, irregularly spaced, upwardly facing hillocks.
(E.g., hillocks 84 and 86).
The hillock was raised from the surface 82 by about 900 °. Bottom electrode 26 and layer
This is due to the different thermal shrinkage relative to the underlying substrate, including 32 and 34.
These hillocks occurred. Each layer expanded upon heating. Silicone base for cooling
The shrinkage of the metal layers 32 and 34 is greater than the shrinkage of the metallized layers 36 and 38.
won. Layer 36 adheres to layer 34 and the resulting interlayer stress causes the formation of hillocks.
Provoked.
On the surface 82, a thin film ferroelectric layer is intended to be liquid layer grown as layer 24.
Have been. The thickness of these films is preferably in the range of 500 to 3000
Will be. Hillocks, such as hillocks 82 and 84, may be caused by a short circuit in layer 28.
Lower process yields and, in addition, problems with long-term equipment reliability.
Cause.
Until the first anneal in the step P52, the other anneals made according to the respective Examples 2 and 3
The same SEM observation was performed on the device sample. For other sample electrodes,
No sharp hillocks were found. Some surface irregularities, i.e. small round shapes,
It has been observed that these shapes rise from the surface 82 to less than about 50 to 80 degrees.
It was presumed to be glue. These do not seriously threaten the performance of the
Is relatively negligible. That is, the electrodes of Examples 2 and 3
There is no hillock qualitatively.
Example 8
Comparative evaluation of capacitor devices
The wafers of Examples 2, 3, 4, 5, and 6 each had a thickness of about 1800 mm.
Dielectric SrBiTwoTaTwoO9Had the material. Hewlitt Packard 3314A Funk
Function generator and Hewlitt Packard 54502A digital
Uncompensated Sawye, including digitizing oscilloscope
Using the r-Tower circuit, for each capacitor selected from each wafer,
Extreme hysteresis measurements were performed. 10,000 Hz frequency and 0.25,0
. 5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0, and 7.
Measurements were taken at 20 ° C. using a sinusoidal function with a voltage amplitude of 0V.
FIG. 5 shows 2Pr polarization values (unit μC / cm) obtained from 3V switching measurement.Two
3) shows a bar graph. Each bar is derived from a selected capacitor on a given wafer.
3 represents a three-point average of the obtained data. Each bar is labeled A, with descriptive information
Labeled with the corresponding letters B, C, D, and E to identify the sample
For easy reference.
The difference between the bar A and the bar B is as follows.
The 2Pr polarization measured with respect to the bar line B is 5.6 by adding to the partial electrode 24.
%. A non-short-circuited capacitor (bar
Has no 30% increase in 2Pr polarization measured against bar B.
Received a reduction. Therefore, the addition of the buffer layer 26 is performed by observing the polarization with respect to the bar C.
Is the cause of the increase.
The addition of the titanium adhesion metal causes a corresponding reduction in polarization. Bar D
And E indicate that the capacitor of bar D contains a 200 mm thick adhesive metal and that the capacitor of bar E
Obtained from the same capacitor except that the capacitor contains 100mm thickness
Represents polarization measurements. Add 100mm thickness of titanium bonded metal (bar D)
Caused a 43% decrease in polarization measured for E. Buffer layer 2
The use of 6 (bars A and B) overcomes the negative effects of titanium.
Based on the above discussion, it is possible to provide relatively unfavorable modifications of the present invention.
Noh. For example, adhesive metals include titanium oxide, tantalum, tantalum oxide,
Alternatively, other known adhesive metals may be included. In practice, layer 26 may have a plurality of different
Layers, and all such layers must be of the same type of layered superlattice material.
No need. In addition, the geometric shapes and relative thicknesses shown in FIGS.
It is shown for illustrative purposes only. These figures vary greatly in geometry and thickness.
It is not intended to reflect the scale model of the actual material obtained.
Without departing from the true scope and spirit of the invention, the preferred
It will be understood by those skilled in the art that obvious modifications can be made to the embodiments.
Would. Accordingly, the inventors hereby expressly describe the purpose of protecting the complete right of the present invention.
He states that he intends to rely on the doctrine of equivalents.
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 パス デ アラウジョ,カルロス エイ.
アメリカ合衆国 コロラド 80919,コロ
ラド スプリングス,ダブリュー.サンバ
ード クリフス レーン 317
(72)発明者 クチアロ,ジョセフ ディー.
アメリカ合衆国 コロラド 80919,コロ
ラド スプリングス,ロスメア ストリー
ト 2545────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor Pas de Araujo, Carlos A.
United States Colorado 80919, Colorado
Rad Springs, W. samba
Dead Cliffs Lane 317
(72) Inventors Cutiaro, Joseph D.
United States Colorado 80919, Colorado
Rad Springs, Rossmare Street
G 2545