JP3595098B2 - Thin film capacitors - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路およびその周辺回路などに用いられる薄膜容量素子に用いられる薄膜キャパシタに関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIメモリ、特にダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)は、過去において3年で4倍というスピードで高集積化されており、今後も同じようなスピードで高集積化が進むと予想されている。DRAMでは、センス回路の感度確保および放射線によるソフトエラー防止の観点から、一定のキャパシタ容量を必要とするため、高集積化に比例してメモリセル内のキャパシタの実効面積を減少させるわけにはいかない。その結果、誘電体材料としてシリコン酸化膜などを使用する限り、高集積化が進行するのに伴って、メモリセル内でキャパシタの占める割合は次第に大きくなっている。
【0003】
高誘電率薄膜をDRAMのメモリセルのキャパシタの誘電体膜として利用することが盛んに検討されている。これは高誘電率薄膜をキャパシタの誘電体膜として用いることにより、キャパシタの面積を小さくして高集積化メモリセルを小型化しようとするものである。また、高誘電率薄膜をDRAMのメモリセルのキャパシタの誘電体膜として使用する場合には、単位面積当たりに蓄積できる電荷量が大きいこと、リーク電流が小さいことが必要である。さらに、メモリを高速動作させるためには、充電と放電が十分に高速であることが求められる。
【0004】
DRAMのメモリセルへの応用としては、従来より使用されているシリコン酸化膜(SiO2 :比誘電率約4)やシリコン窒化膜(Si3 N4 :比誘電率約7)に代えて、Ta2 O5 (比誘電率約28)を用いることが検討されている。しかし、Ta2 O5 でもキャパシタ面積を小さくして、高集積化するには誘電率の大きさが不十分である。
【0005】
そこで、更に高い誘電率を有する材料として、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3 )やチタン酸バリウムストロンチウム(Bax Sr1−x TiO3 )などが盛んに検討されている。(Ba,Sr)TiO3 は、BaTiO3 とSrTiO3 の固溶系であり、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ。SrTiO3 は常誘電体であり、BaTiO3 はキュリー温度が約120℃の強誘電体であることが知られている。
【0006】
PbやBiと比べるとSrやBaは蒸発しにくいので、(Ba,Sr)TiO3 の薄膜作製においては、組成の制御が比較的容易である。また、SrTiO3 やBaTiO3 が結晶化した場合には、ペロブスカイト型以外の(例えばパイロクロア型などの)結晶構造をとることは殆どない。
【0007】
しかしながら、Bax Sr1−x TiO3 には、膜厚を100nm以下に薄膜化すると誘電率が低下し、十分な電荷を蓄積できないという問題があった。
【0008】
一方、記憶媒体としてのキャパシタに強誘電体薄膜を用いた記憶装置(強誘電体メモリ)の開発が行われており、一部では既に実用化されている。強誘電体メモリは不揮発性であり、電源を落とした後も記憶内容が失われない、しかも膜厚が十分薄い場合には自発分極の反転が速く、DRAM並みに高速の書き込み、読み出しが可能であるなどの特徴を持つ。また、1ビットのメモリセルを1つのトランジスタと1つの強誘電体キャパシタで作製することができるため、大容量化にも適している。
【0009】
また、強誘電体メモリをDRAM動作させることも検討されている。これは、通常の動作中は強誘電体の自発分極を反転させず、DRAM(揮発性メモリ)のメモリセルキャパシタとして使用する。但し、機器の電源を落とす前にだけ強誘電体薄膜の残留分極を利用して、不揮発性メモリとして使用するというものである。この方法は、強誘電体メモリの最大の問題と考えられている、分極反転を繰り返すに伴って強誘電性が劣化する現象(疲労)の影響を小さくするのに有効である。
【0010】
強誘電体メモリに適した強誘電体薄膜には、残留分極が大きいこと、残留分極の温度依存性が小さいこと、分極反転の繰り返しに対する残留分極の劣化(疲労)が小さいこと、残留分極の長時間保持が可能であること(リテンション)などが必要である。加えて、メモリを高速で動作させるためには、自発分極の反転が十分に高速であることが求められる。
【0011】
現在、強誘電体材料としては、主としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が用いられている。PZTは、ジルコン酸鉛(PbZrO3 )とチタン酸鉛(PbTiO3 )の固溶体であり、これらをほぼ1対1のモル比で固溶したものが、自発分極が大きく、低い電界でも反転することができるので、記憶媒体として優れていると考えられている。PZTは、強誘電相と常誘電相の転移温度(キュリー点)がほぼ300℃以上と比較的高いため、通常の電子回路が使用される温度範囲(120℃以下)では、記憶された内容が熱によって失われる心配は少ない。
【0012】
しかしながら、PZTの良質な薄膜は作製が難しいことが知られている。第一に、PZTの主成分である鉛(Pb)は500℃以上で蒸発しやすく、そのため組成の正確な制御が難しい。第二に、PZTがペロブスカイト型結晶構造を形成した時に初めて強誘電性が現れるが、このペロブスカイト型結晶構造を持つPZTが得にくい。代わりにパイロクロアと呼ばれる結晶構造が容易に得られるが、この結晶構造を取った場合には強誘電性を示さない。PZT膜をペロブスカイト型構造にするためにはある程度以上(約500℃)の温度が必要であるが、温度を上げると先に述べたようにPbが蒸発あるいは拡散し、所望の組成からずれてしまう。
【0013】
また最近では、Bi層状ペロブスカイト化合物の一種であるSrBi2 Ta2 O9 などに関する研究が、強誘電体メモリなどへの応用を目指して盛んに行われている。しかしながら、BiはPbと同様に低融点の元素であるにも拘らず、ヒステリシスを得るためには十分な結晶化が必要であり、そのため高温(700℃以上)で熱処理を施すことによりBiが蒸発する、或いはBiが電極その他の中に拡散するなどの問題は避けられない。また、結晶的に異方性の強い材料であるにも拘らず、無配向の多結晶膜で利用しなければならない場合には、微細化したときの強誘電特性のばらつきが懸念されている。
【0014】
このようにPZT薄膜やBi層状化合物薄膜の良質な膜を再現性良く作製することは難しいにも拘らず、現在メモリの記憶媒体(キャパシタ)として広く検討されている理由は、PZTやBi系化合物以外にメモリキャパシタに適当な強誘電体材料が見出されていないためである。
【0015】
PZT以外では、チタン酸バリウム(BaTiO3 )が室温で強誘電性を示す材料として知られている。BaTiO3 は、PZTと同じペロブスカイト型構造を持ち、キュリー温度は約120℃であることが知られている。Pbと比べるとBaは蒸発しにくいので、BaTiO3 の薄膜作製においては組成の制御が比較的容易である。また、BaTiO3 が結晶化した場合には、ペロブスカイト型以外の(例えばパイロクロア型などの)結晶構造をとることは殆どない。
【0016】
これらの長所にも拘らず、BaTiO3 の薄膜キャパシタが強誘電体メモリの記憶媒体としてそれほど検討されていない理由としては、PZTと比べて残留分極が小さく、しかも残留分極の温度依存性が大きいことがあげられる。この原因は、BaTiO3 固有のキュリー温度Tcが比較的低く(約120℃)、また抗電界が低いことにある。キュリー温度Tcとは、強誘電相から常誘電相へ相転移する強誘電体材料に固有な温度であり、たとえ室温で強誘電性を示す材料でもキュリー温度より高温では強誘電性を示さない。このため、BaTiO3 を用いた薄膜キャパシタを利用して強誘電体メモリを作製した場合、何らかの理由で高温(120℃程度)に晒された場合に、記憶内容が失われる恐れがあるばかりでなく、通常電子回路が使用される温度範囲(85℃以下)でも残留分極の温度依存性が大きく、動作が不安定である。
【0017】
従って従来、BaTiO3 からなる強誘電体薄膜を使用した薄膜キャパシタは、強誘電体メモリの記憶媒体としての用途には適さないと考えられていた。
【0018】
これに対して最近、Pt/MgO単結晶基板の上にエピタキシャル成長した膜厚60nmのBaTiO3 膜において、キュリー温度が200℃以上に上昇するという現象が報告されている(飯島賢二他、応用物理、第62巻第12号(1993年)、pp.1250〜1251)。この文献によれば、このような現象が生じるのは、Ptの格子定数に合わせるようにしてエピタキシャル成長したBaTiO3 ペロブスカイト格子においてはa軸が縮み、c軸長が伸びるためであろうと考えられている。しかしながらこの文献では、このような現象を観測しているのは膜厚60nm以下のBaTiO3 においてであり、これより厚い膜では (臨界膜厚より大きくなるため)ミスフィット転移により、本来の格子定数に戻ってしまうとしている。
【0019】
一方、強誘電体薄膜は、膜厚が1μm以下の領域では一般に薄くなればなるほど残留分極が小さくなる傾向があるといわれている。実際、前記文献で作製したBaTiO3 エピタキシャル膜では、100nm以下の膜では残留分極が2〜3μC/cm2 以下であることが報告されている。従って、膜厚が60nm以下の領域では、仮にキュリー温度を上昇させることができたとしても、強誘電体薄膜としては、実用的な残留分極が得られない状況である。
【0020】
以上述べた理由から、従来BaTiO3 の薄膜キャパシタが、仮にキュリー温度をエピタキシャル効果により高くすることができたとしても、強誘電体メモリの記憶媒体として使用されることは難しいと考えられてきた。
【0021】
上述したような従来の強誘電体薄膜における問題点に対して、本発明者らは、下部電極(例えばPt)の格子定数に比較的近い格子定数を持つ誘電体材料(例えば、Bax Sr1−x TiO3 )を選択し、かつまたRFマグネトロンスパッタリング法という成膜過程でミスフィット転位が比較的入りにくい成膜方法を採用することにより、膜厚200nm程度と比較的厚い膜厚であるにも拘らず、エピタキシャル効果によって得られる本来の格子定数よりも膜厚方向に格子定数(c軸)が伸び、面内方向の格子定数(a軸)が縮んだ状態を保つことができることを見出した。その結果として、強誘電キュリー温度Tcを高温側にシフトさせ、室温領域で大きな残留分極を示し、しかも85℃程度まで温度を上げても十分大きな残留分極を保持できる強誘電体薄膜を実現可能であることを確認した。
【0022】
例えば、下部電極として酸化されにくいPt(格子定数a=0.39231nm)を使用し、誘電体としてチタン酸バリウムストロンチウム(Bax Sr1−x TiO3 :BST)の組成領域x=0.44〜0.90を用いることにより、本来室温では強誘電性を示さないはずの組成領域(x≦0.7)でも強誘電性が発現し、またもともと室温で強誘電性を示す組成領域(x>0.7)においては、本来室温以上にあるキュリー温度がさらに上昇するという、実用上好ましい強誘電特性を実現できることを実験的に確認している。
【0023】
また、このような下部電極と誘電体の格子定数の不整合を利用して、誘電体に歪みを導入する方法が、常誘電体薄膜の誘電率を向上させることにも、大きな効果があることを、本発明者らは見出している。即ち、Bax Sr1−x TiO3 のBa量xが0.24程度の組成の薄膜をPt上にエピタキシャル成長させた場合、強誘電性は発現しないものの、誘電率が大幅に増加するという現象を見出している。このような効果を利用すれば、DRAMのメモリセルに用いる誘電体膜の蓄積電荷量を大幅に増やすことができる。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者らのその後の実験から、これらの系即ち、下部電極の上に誘電体としてBax Sr1−x TiO3 などのエピタキシャル膜を作製し、格子不整合の効果を利用して得られるエピタキシャル効果、即ち常誘電性の材料に強誘電性を付与、若しくはもともと強誘電性の材料の場合には強誘電性を強化、或いは常誘電性の材料の誘電率を向上させた場合、高速での駆動に問題が生じる場合があることが明らかになった。
【0025】
即ち、得られた膜が強誘電体の場合には、D−Eヒステリシスを高い周波数で描かせた場合に、低い周波数で描かせた場合と比較して残留分極が低下する場合があることが分った。また、得られた膜が常誘電体の場合には、誘電率の周波数依存性が大きくなり、周波数が高くなるにつれて誘電率が低下する現象が見られることがあった。
【0026】
本発明の目的は、小さな面積で多くの電荷を蓄積できる薄膜キャパシタを提供することにある。
【0027】
本発明の他の目的は、半導体メモリの大容量化及び高集積化に適した薄膜キャパシタを提供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明(請求項1)は、表面に立方晶系の(100)面又は正方晶系の(001)面が現れている第1の電極と、この第1の電極上にエピタキシャル成長された、本来立方晶のペロブスカイト型構造を有する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成された第2の電極とを具備し、前記誘電体薄膜は、立方晶系に属する本来のペロブスカイト型結晶構造(格子定数a0 )の単位格子体積をv0 =a0 3 、エピタキシャル成長後正方晶に歪んだ単位格子体積
(格子定数a=b≠c)をV=a2 cと表わしたとき、
V/V0 ≧1.01
なる関係を満たすとともに、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な方向の格子定数aとの比c/aが
c/a≧1.01
なる関係を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタを提供する。
【0029】
本発明(請求項2)は、表面に立方晶系の(100)面又は正方晶系の(001)面が現れている第1の電極と、この第1の電極上にエピタキシャル成長された、本来立方晶のペロブスカイト型構造を有する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成された第2の電極とを具備し、前記誘電体薄膜は、前記第1の電極表面の面方向の格子定数をas 、立方晶系に属するペロブスカイト型結晶構造のa軸長で表わされる前記誘電体材料本来の格子定数をa0 とするとき、
a0 /as ≦1.002
なる関係を満たすととともに、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な方向の格子定数aとの比c/aが
c/a≧1.01
なる関係を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタを提供する。
【0030】
本発明(請求項3)は、表面に立方晶系の(100)面又は正方晶系の(001)面が現れている第1の電極と、この第1の電極上にエピタキシャル成長された、本来立方晶のペロブスカイト型構造を有する、キュリー温度が200℃以下の誘電体からなる誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成された第2の電極とを具備し、前記誘電体薄膜は、前記第1の電極表面の面方向の格子定数をas 、立方晶系又は正方晶系に属するペロブスカイト型結晶構造のa軸長で表わされる前記誘電体材料本来の格子定数をa0 とするとき、
1.002≦a0 /as ≦1.015
なる関係を満たすとともに、前記誘電体がエピタキシャル成長した後の面方向の格子定数をaとするとき、
a/as <1.002
なる関係を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタを提供する。
【0031】
本発明(請求項4)は、上述の薄膜キャパシタ(請求項1〜3)において、前記誘電体薄膜が、下記式により表される化合物からなることを特徴とする。
【0032】
ABO3
(式中、AはBa、Sr、およびCaからなる群から選ばれた少なくとも1種、Bは、Ti、Zr、Hf、Sn、Mg1/3 Nb2/3 、Mg1/3 Ta2/3 、Zn1/3 Nb2/3 、Zn1/3 Ta2/3 、Ni1/3 Nb2/3 、Ni1/3 Ta2/3 、Co1/3 Nb2/3 、Co1/3 Ta2/3 、Sc1/3 Nb2/3 、およびSc1/3 Ta2/3 からなる群から選ばれた少なくとも1種である。)
本発明(請求項5)は、上述の薄膜キャパシタ(請求項1〜3)において、前記第1の電極が、一般式ABO3 (式中、Aは、Ba,Sr,Ca,およびLaからなる群から選ばれた少なくとも1種、Bは、Ru,Ir,Mo,W,Co,Ni,およびCrからなる群から選ばれた少なくとも1種)により表されるペロブスカイト結晶構造の導電性化合物からなることを特徴とする。
【0033】
本発明(請求項6)は、上述の薄膜キャパシタ(請求項1または2)において、前記誘電体薄膜が、(Bax Sr1−x )TiO3 (0<x<0.9)により表される化合物からなり、前記第1の電極が、SrRuO3 (0.9<Sr/Ru<1.1)により表されるペロブスカイト結晶構造の導電性化合物からなることを特徴とする。
【0034】
本発明(請求項7)は、上述の薄膜キャパシタ(請求項1)において、前記誘電体薄膜が、常誘電体のとき1.03≧c/a≧1.01、強誘電体のとき1.08≧c/a≧1.01を満たすことを特徴とする。
【0035】
本発明(請求項8)は、上述の薄膜キャパシタ(請求項2)において、前記誘電体薄膜が、1.1≧c/a≧1.01を満たすことを特徴とする。
【0036】
本発明(請求項9)は、上述の薄膜キャパシタ(請求項3)において、前記誘電体薄膜が、1.004≦a0 /as ≦1.011を満たすことを特徴とする。
【0037】
本発明(請求項10)は、酸素含有率が70%以上である雰囲気中において、表面に立方晶系の(100)面又は正方晶系の(001)面が現れている導電性基板上に、ペロブスカイト誘電体材料をエピタキシャル成長させ、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な格子定数aとの比c/aが1.01以上であるペロブスカイト型構造を有する誘電体薄膜を形成する工程を具備するペロブスカイト型誘電体薄膜の製造方法を提供する。
【0038】
本発明の薄膜キャパシタは、次のような原理に基づくものである。
【0039】
即ち、誘電体膜を下部電極の上にエピタキシャル成長させることにより、常誘電体のまま誘電率を大きくしたり、常誘電体に強誘電特性を付与したり、もともと強誘電体材料の場合は強誘電性を強化したりすることができる。このような効果(エピタキシャル効果)が発現する理由は、誘電体が下部電極の格子定数に合わせるようにしてエピタキシャル成長した結果、誘電体の面方向の格子定数は縮み、逆に膜厚方向の格子定数は伸びるためである。
【0040】
一般に、ペロブスカイト型の誘電体或いは強誘電体材料は、化学式ABO3 で表わされるが、大きな分極の起源は陽イオンと陰イオンの相対的な変位によるものであると考えられる。特に、Bサイトイオンの変位が分極特性を支配していると考えられる。このようなペロブスカイト型構造を持つ誘電体に2次元的な圧縮応力を加えると、応力と垂直な方向には格子が伸び、イオンの変位、特にBサイトイオンの変位が容易になり、分極しやすくなる。これにより、常誘電体の場合は誘電率が大きくなり、場合によっては、膜厚方向の双極子相互作用が強くなることにより強誘電性が誘起される。また、もともと強誘電体であった場合には、自発分極の大きさが大きくなるという特徴がある。
【0041】
このような効果は、下部電極よりも格子定数の大きな誘電体材料をエピタキシャル成長させた時に現れやすいが、誘電体の格子定数が下部電極と等しいか、小さいときにも現れる。特に、スパッタリング法により、誘電体膜の単位格子体積Vを本来の単位格子体積V0 よりも1%以上大きくしたときに、顕著に現れる。しかし、もともと格子定数が下部電極よりも大きな誘電体材料をエピタキシャル成長した場合、下部電極の結晶方位と同じ方位を持つ誘電体膜が得られたとしても、必ずしも面方向の格子定数が、下部電極と完全に一致したまま成長するとは限らない。即ち、電極界面或いは電極界面付近で、格子不整合の緩和が生じて、誘電体本来の格子定数に戻ろうとする。このような格子定数の緩和は、主として誘電体膜中に不整合転移が生じるためと考えられる。このような緩和がどの程度生じるかは、誘電体の成膜方法,成膜条件、下部電極の結晶性,表面粗さ,表面状態によって大きくことなることは言うまでもない。
【0042】
ところが、このような格子の緩和の度合いは、得られた強誘電体膜或いは誘電体膜の特性に大きく影響を与える。即ち、以下に示す実施例において詳細に記述するように、誘電体薄膜の格子定数の緩和が顕著なものは、高い周波数になると強誘電特性或いは誘電特性が追従しない。一方、歪みの緩和の少ないものは、高い周波数まで誘電特性が追従する。
【0043】
歪みの緩和が少なく、十分高い周波数(1MHz)まで誘電特性が追従できるのは、X線回折により求めた下部電極の面方向の格子定数as に対する、エピタキシャル成長した後の誘電体の面方向の格子定数aの比a/as が、a/as <1.002のときである。比a/as が1.002以上のときには、誘電特性,強誘電特性の周波数分散が大きく、高い周波数では十分に良好な誘電特性が得られない。
【0044】
上述の原理に基づき、本発明の第1の態様では、本来の立方晶系(格子定数a0 )に属するペロブスカイト型結晶構造の単位格子体積をv0 =a0 3 、エピタキシャル成長後に正方晶に変形した誘電体膜の単位格子(格子定数a=b≠c)の体積をV=a2 cと表わしたとき、
V/V0 ≧1.01
なる関係を満たし、かつ、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な方向の格子定数aとの比c/aが1.01以上であることを特徴とするペロブスカイト型誘電体薄膜を具備する薄膜キャパシタが提供される。
【0045】
好ましいV/V0 の下限は、1.01である。なお、V/V0 の上限は、結晶が破壊されない限り特に限定されないが、通常は1.05である。
【0046】
c/aの上限は、誘電体薄膜が、常誘電体のときは1.03、強誘電体のときは1.08が好ましい。
【0047】
本発明の第2の態様では、電極上に立方晶系に属するペロブスカイト型誘電体材料をエピタキシャル成長させる際に、バルクの本来の誘電体材料の格子定数をa0 、電極材料表面の格子定数as としたときに、a0 がas とほぼ等しいか、小さいこと、すなわち、
a0 /as ≦1.002
なる関係が成り立つようにするとともに、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な方向の格子定数aとの比c/aが1.01以上であることを特徴とするペロブスカイト型誘電体薄膜を具備する薄膜キャパシタが提供される。
【0048】
このような関係を満たす電極材料とペロブスカイト型誘電体材料として、例えばPtとSrTiO3 の組み合わせがあげられる。なお、バルクの立方晶Ptの格子定数as は0.3923nm、バルクの立方晶のSrTiO3 の格子定数は0.3905nmである。
【0049】
このように、立方晶電極上にペロブスカイト型誘電体をエピタキシャル成長させると、その薄膜は単結晶に近くなる。一般に、ペロブスカイト型誘電体材料は、粒界を含まない単結晶に近い構造ほど大きな誘電率を持つことが知られている。また、単結晶に近い薄膜ほど結晶粒界が非常に少なくなるため、多結晶膜と比較してリーク電流も小さくなる。
【0050】
本発明に係るペロブスカイト型誘電体薄膜について、膜厚方向すなわち[00l]方向の格子定数cと膜面に平行な方向すなわち[100]方向の格子定数aとの比c/aが1.01以上であるということは、膜厚方向の格子定数が伸び、膜面に平行な格子定数が縮んで、立方晶の結晶構造が崩れ、正方晶の結晶構造をもつ薄膜であることを意味している。
【0051】
本発明者らは、上述のように、結晶格子が歪んで正方晶に近い結晶構造をもつペロブスカイト型誘電体薄膜では、大きな誘電率が得られることを見出した。このように、結晶格子が歪むと大きな誘電率が得られる理由に関しては、例えばSrTiO3 では、結晶格子内でTi原子が変位しやすくなって、分極が容易になるためであると考えられる。
【0052】
なお、本発明のペロブスカイト型薄膜の膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な格子定数aとの比c/aの値は、1.1以下であることが好ましい。これは、c/aの値が1.1を超えると、所望の結晶構造を維持することができないためである。
【0053】
また一方、格子の不整合を利用して強誘電性を誘起する場合には、本発明の第3の態様におけるように、a0 /as の比率を1.002以上にすることが望ましい。これより小さい比率では、エピタキシャル効果によってキュリー温度の上昇が見られないか、見られても小さいため、大きな自発分極を持つ強誘電体は得られにくい。一方、a0 /as の比率を1.015以下に限定する理由は、これより大きい比率では、誘電体の膜を基板にエピタキシャル成長させる際に、途中でミスフィット転移が入るため、60nmを超える厚い誘電体膜について、やはり十分なキュリー温度の上昇が得られないためである。
【0054】
a0 /as の比率が1.004以上であることが、より顕著な強誘電性を得るためには望ましく、また1.011以下の範囲にあれば、格子定数のミスフィットが小さいために、成膜温度によらず比較的格子定数の揃った結晶性の良いエピタキシャル成長の誘電体膜が得られやすい。
【0055】
なお、本発明において、上述したようにa0 /as の比率を1.002以上にする場合に、成膜した後の面内方向の格子定数aについては、a/as の比率は1.002以下である。この理由は、基板と成膜後の誘電体の面方向の格子定数が一致した場合には、エピタキシャル効果により導入された誘電体膜内部の歪みが一定になるために、結果として膜厚方向の強誘電特性或いは誘電特性の分布が少なくなり、強誘電特性、誘電特性の良好な周波数特性が得られ、高速での駆動が可能になるためである。
【0056】
このように、下部電極の格子定数(a軸)と大きさの一致した格子定数(a軸)を有する誘電体膜を作製するためには、誘電体膜を形成する前の下部電極表面の処理、或いは誘電体膜作製の初期の形成条件を適正化することが必要である。例えば、誘電体の作製の前に下部電極の表面にプラズマにより活性化した酸素を吹き付けることにより、誘電体と下部電極の格子定数の不一致が少ない誘電体膜を形成することができる。また、誘電体の成膜の初期段階で、最初の数原子層については、1nm/min以下のゆっくりした成膜速度で誘電体膜を形成することが、下部電極とより一致した格子定数を持つ誘電体膜を形成する上で有利である。
【0057】
なお、本発明で強誘電性を歪みにより誘起して適用する場合には、誘電体材料固有のキュリー温度が200℃以下であることが望ましい。その理由は、キュリー温度が200℃を越える材料は通常、鉛或いはビスマスを主成分として含有するため、薄膜作製時に鉛やビスマスの蒸発に起因する組成の変動を抑えることが難しく、ひいては良質な誘電体膜を得るのが困難だからである。また、鉛やビスマスは、集積化した場合に誘電体膜中から他の電極、絶縁膜などに拡散しやすいために、組成の制御が難しい。さらに、キュリー温度が200℃を越える誘電体材料に関しては、もともとキュリー温度が十分高いので、そのままで使用してもさほど支障はなく、本発明を適用することで得られる効果も小さい。
【0058】
以上説明した本発明の薄膜キャパシタにおいて使用可能なペロブスカイト型誘電体材料と電極材料として、以下のものを挙げることができる。
【0059】
即ち、ペロブスカイト型結晶構造の誘電体材料の例としては、式ABO3 により表される化合物が挙げられる。
【0060】
式中、AはBa、Sr、およびCaからなる群から選ばれた少なくとも1種、Bは、Ti、Zr、Hf、Sn、Mg1/3 Nb2/3 、Mg1/3 Ta2/3 、Zn1/3 Nb2/3 、Zn1/3 Ta2/3 、Ni1/3 Nb2/3 、Ni1/3 Ta2/3 、Co1/3 Nb2/3 、Co1/3 Ta2/3 、Sc1/3 Nb2/3 、およびSc1/3 Ta2/3 からなる群から選ばれた少なくとも1種である。
【0061】
これらの中では、特に、(Bax Sr1−x )TiO3 (0<x<0.9、好ましくは0<x<0.7、より好ましくは0.05<x<0.24)により表される化合物、(Bax Sr1−x−y Cay )TiO3 (0<x<0.9、好ましくは0<x<0.7、より好ましくは0.05<x<0.24、0.01<y<0.12)により表される化合物が好ましい。
【0062】
具体的には、チタン酸バリウム(BaTiO3 ),チタン酸ストロンチウム (SrTiO3 ),チタン酸カルシウム(CaTiO3 ),スズ酸バリウム(BaSnO3 ),ジルコニウム酸バリウム(BaZrO3 )などに代表される単純ペロブスカイト型酸化物、マグネシウム酸タンタル酸バリウム(Ba(Mg1/3 Ta2/3 )O3 ),マグネシウムニオブ酸バリウム(Ba(Mg1/3 Nb2/3 )O3 )などの複合ペロブスカイト型酸化物、さらにこれらの中から複数の酸化物を同時に固溶させたものなどがあげられる。
【0063】
また上述のように、組成式がABO3 で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体において、Aとしては主としてBaからなるものであるが、Baの一部をSr,Caのうち少なくとも一種類の元素で置換しても構わない。Bとしては主としてTiであるが、同様にTiの一部をZr,Hf,Sn,(Mg1/3 Nb2/3 ),(Mg1/3 Ta2/3 ),(Zn1/3 Nb2/3 ),(Zn1/3 Ta2/3 )のうち少なくとも一種類からなる元素で置換しても構わない。これらの組成が望ましい理由は、これらの構成元素の酸化物(BaO,SrO,CaOなど)の融点がいずれも1000℃以上と十分高温にあるために、例えば600℃程度で成膜してもこれらの構成元素が蒸発しにくく、組成ずれが生じにくいためである。
【0064】
従って、本来Aサイトを低融点元素のPbなどで置換することは望ましくないが、仮に置換しなければならない場合でも20%以下であることが好ましい。また、これらの元素を組み合わせて構成されるペロブスカイト型酸化物のキュリー温度は、Pbで全く置換しない場合、最もキュリー温度が高いBaTiO3 においても120℃であり、材料本来のキュリー温度のままでは、上述したように強誘電体薄膜として実用的ではない。
【0065】
本発明における第1の電極(下部電極)は、立方晶あるいは正方晶の電極材料からなるものであるが、一般式ABO3 (式中、Aは、Ba,Sr,Ca,およびLaからなる群から選ばれた少なくとも1種、Bは、Ru,Ir,Mo,W,Co,Ni,およびCrからなる群から選ばれた少なくとも1種)により表されるペロブスカイト結晶構造の導電性化合物を好ましく用いることができる。
【0066】
これらの材料の中では、SrRuO3 が好ましい。この場合、SrとRuの比(Sr/Ru)は、0.9≦Sr/Ru≦1.1を満たすことが好ましい。また、SrRuO3 の結晶性については、ロッキングカーブ半値全幅が0.2°以下であることが好ましい。
【0067】
以上の導電性化合物以外の電極材料としては、Pt、Ir,Rh,Auが使用可能であり、特にPtは、SrRuO3 と同様の効果が期待される。
【0068】
なお、下部電極の格子定数as の値は、その上に形成する誘電体を選択する際に、より格子定数の大きなものを選択することが可能となるように、as が0.3935nm以上の材料であることが好ましい。
【0069】
本発明において、これらのペロブスカイト型誘電体を、基板の上にエピタキシャル成長させる時の成長方位としては、ペロブスカイト型誘電体の(100)面を導電性基板の(100)面と平行に成長させることが望ましい。また、導電体の基板がさらにその下の基板の上にエピタキシャル成長しており基板との格子定数の不整合により歪みが導入されている場合については、上述した範囲を規定するas として、導電体材料の本来の格子定数を用いるのではなく、エピタキシャル成長による歪み導入後の面方向の格子定数を適用することが自然である。
【0070】
また上述の下部電極と誘電体の格子定数の関係に関する条件に加えて、上部電極として導電性のペロブスカイト型酸化物を用いることにより、さらに、大きな誘電率、あるいは強誘電性の場合には大きな残留分極を得ることが可能である。
【0071】
また、誘電体膜の成膜方法としては、反応性蒸着,RFスパッタリング,MOCVD,レーザーアブレーション,ゾルゲル法などの方法があげられるが、特に大きな歪みを導入しやすいスパッタリング法が好ましい。
【0072】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の種々の実施例について説明する。
【0073】
実施例1
図1は、本発明の第1の実施例に係る薄膜キャパシタの概略構成を示す断面図である。本実施例においては、下部電極材料としてSrRuO3 、誘電体としてBa0.12Sr0.88TiO3 膜を使用した。なお、SrRuO3 のバルクの本来の格子定数は約0.393nmであり、Ba0.12Sr0.88TiO3 は、室温で本来立方晶に属するペロブスカイト型構造を有し、そのバルクの本来の格子定数はa0 =0.3915nmであることが知られている。
【0074】
SrTiO3 (100)単結晶基板(10mm×10mm)1上に、RFマグネトロンスパッタリング法により、下部電極であるSrRuO3 膜2および誘電体膜であるBa0.12Sr0.88TiO3 膜3のヘテロエピタキシャル成長を行った。上部電極であるPt膜4を含むそれぞれの成膜条件を下記表1に示す。
【0075】
Ba0.12Sr0.88TiO3 膜3の成膜は、BaTiO3 およびSrTiO3 の焼結体ターゲットを使用した2元スパッタリングによりおこなった。スパッタリング時間30分と60分の2つの膜を成膜し、段差計により測定したそれぞれの誘電体の膜厚は、39nmおよび77nmであった。
【0076】
【表1】
【0077】
以上のようにして成膜した膜厚77nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜の組成分析の結果を、下記表2に示す。組成分析は、ICP発光分光法により行った。下部電極としてSrRuO3 を用いている関係で、膜の溶解には、アンモニア水、過酸化水素およびEDTAの混合物からなるエッチング液を使用した。組成は、Ba/(Ba+Sr)比が約0.12であり、(Ba+Sr)/Ti比が約1.06であった。
【0078】
【表2】
【0079】
図2に、膜厚39nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜に関するX線回折(θ−2θ法)の結果を示す。基板として使用したSrTiO3 からの回折ピーク以外に、下部電極として使用したSrRuO3 および誘電体膜であるBa0.12Sr0.88TiO3 からの回折ピークが、分離せずに観察されているものと考えられる。この回折ピークは、いずれも(00l)面からのものに限られており、良好な結晶配向性を示している。
【0080】
X線回折から求めた格子定数は、SrRuO3 膜、Ba0.12Sr0.88TiO3 膜ともに等しく、膜面方向の方向の格子定数aが0.3905nm、膜厚方向の格子定数cが0.3988nmであった。即ち、Ba0.12Sr0.88TiO3 膜が成長する導電性基板表面すなわちSrRuO3 膜表面の格子定数は、as =0.3905nmである。
【0081】
従って、誘電体本来の格子定数a0 =0.3915nmと、基板表面の格子定数as とは、a0 /as =1.0025なる関係にあり、格子不整合が存在する。一方、成膜後の誘電体膜の膜面方向の格子定数a=0.3905nmと、基板表面の格子定数as とは、a/as =1.00の関係にあり、膜面方向の格子定数は緩和せずに誘電体膜が成長していることがわかる。
【0082】
誘電体膜の単位格子体積の変化を比較すると、Ba0.12Sr0.88TiO3 の本来の対称性(立方晶)格子定数(a0 =0.3915nm)から算出した単位格子体積V0 が0.06001nm3 であるのに対して、エピタキシャル成長後のBa0.12Sr0.88TiO3 膜の単位格子体積Vは0.06081nm3 であり、単位格子体積の変化V/V0 は、1.013であった。
【0083】
図3に、SrRuO3 (002)およびBa0.12Sr0.88TiO3 (002)の両者が含まれると考えられる回折ピークに関するロッキングカーブを示す。半値全幅(FWHM)の値は、約0.125°であり、SrRuO3 膜およびBa0.12Sr0.88TiO3 膜ともに、比較的結晶性が良好であることを示している。
【0084】
図4に、膜厚77nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜における比誘電率のバイアス電界依存性、図5に誘電損失のバイアス電界依存性を示す。測定にはLCRメータを用い、10kHz,0.1Vにて行った。図4および図5から、誘電率および誘電損失は、バイアス電界ゼロ付近で最大値を取り、バイアス電界が強くなるにつれて減少することがわかる。比誘電率の低下は、分極飽和に伴うものと考えられる。比誘電率の最大値は約740であり、SiO2 の比誘電率を4と仮定して算出したSiO2 換算膜厚は、約0.42nmに相当する。
【0085】
図6および図7に、膜厚39nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜における、比誘電率、誘電損失係数のバイアス電界依存性を示す。測定は40kHz,0.1Vにて行った。比誘電率の最大値は約590であり、膜厚を薄くすることにより比誘電率が低下していることがわかる。しかしながら、SiO2 換算膜厚は約0.26nmに相当し、膜厚を薄くすることによる蓄積電荷量の増大は表れている。
【0086】
図8に、膜厚39nmおよび77nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜における、比誘電率および誘電損失係数の温度依存性を示す。測定は室温から200℃までの温度範囲について、周波数1kHzにて行った。図8から、膜厚77nm,39nmともに温度上昇とともに比誘電率が低下していることがわかる。従って、強誘電相転移温度(キュリー温度)が、室温より低温側に存在するものと考えられる。比誘電率の温度変化は、厚い77nmについては急激であるのに対して、薄い39nmについては比較的緩やかである。室温においては膜厚による比誘電率の差が大きいが、温度上昇とともに減少する傾向にある。
【0087】
このような比誘電率および誘電損失係数の温度依存性の振る舞いは、電界をかけたときに見られる誘電率の温度依存性に似ている。すなわち、キュリー温度付近では電界の有無による誘電率の差は大きいが、キュリー温度から遠ざかるにつれて誘電率の大きさ自体が減少し、電界の有無による差も小さくなる。したがって、膜厚が薄くなることによる比誘電率の低下は、薄い膜では膜の内部に内部電界が存在する(あるいは電極近傍に電界が存在する)と仮定することにより説明することができるように思われる。
【0088】
誘電損失は、100℃以下の温度範囲では約2%であり、温度によらずほぼ一定の値を示すが、150℃以上では温度とともに徐々に増大する傾向が見られる。薄い膜の方が高温での損失の増大が大きい。温度上昇に伴い、何らかの伝導キャリアが励起され、誘電損失を増大させている可能性があり、薄い膜の方がキャリア密度が高いと予想される。
【0089】
図9に、膜厚39nmおよび77nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜における、比誘電率および誘電損失係数の周波数依存性を示す。図9から、100kHz以下の周波数領域では、膜厚77nm,39nmともに周波数が高くなるにつれて比誘電率が徐々に低下しており、誘電分散現象が観察されている。この範囲では誘電損失はほぼ2%で一定である。
【0090】
周波数100kHz以上では、誘電損失が急激に増大するとともに、比誘電率も減少している。この原因としては、キャパシターに直列に入っているSrRuO3 膜の抵抗成分が、高周波ではキャパシターの充放電を律速するためと考えられる。これを裏付けるように、周波数をリニアスケールによってプロットすると、この領域では、誘電損失が周波数にほぼ比例している。
【0091】
図10に、膜厚39nmおよび77nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜を誘電体膜とするキャパシタに、交流電圧(500Hz,三角波)を印加したときの、キャパシターに蓄積される電荷密度の変化(D−V曲線)を示す。測定には演算増幅器を使用して自作した改良型のソーヤタワー回路を使用した。
【0092】
電圧0V付近では曲線傾きが大きく比誘電率が大きいことに対応している。膜厚によらず、電圧が高くなるにつれて電荷密度は飽和する傾向がある。電圧の上昇時と下降時でわずかにヒステリシスが観測されているが、これが強誘電性によるものか、リーク電流などによるものかは、この測定からだけでははっきりしない。
【0093】
図11に、膜厚39nmおよび77nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜を誘電体膜とするキャパシタにおける、交流電圧の振幅(peak to peak)の値と、蓄積電荷密度の振幅(peak to peak)の関係を示した。Ba0.12Sr0.88TiO3 膜の膜厚が39nmと77nmの間で比較すると、薄い方が低電圧領域において電荷量の立ち上がりが急峻であり、薄膜化による効果が現れている。膜厚39nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜についてみると、電圧振幅1.5Vp−p のときに電荷密度の振幅が約0.2C/m2 である。これよりSiO2 の比誘電率を4として換算膜厚を計算すると、約0.265nmが得られる。この値は、比誘電率のバイアス電界依存性における比誘電率の最大値から見積もった換算膜厚にほぼ等しい。
【0094】
高誘電率膜では一般に、比誘電率のバイアス電界依存性が大きい。したがってこの誘電体膜のDRAMへの応用を考える場合には、蓄積電荷量の測定値からSiO2 換算膜厚を算出した値を用いる方が妥当であると考えられる。
【0095】
この誘電体膜のDRAMへの応用を考えた場合、パルスに対する蓄積電荷量の変化を調べる必要がある。図12に交流パルス波形(a)と、キャパシターへの充放電電流の波形(b)を示す。パルス電圧は−1Vから+1Vまでの振幅とし、周期は10μsとした。電流波形は、キャパシターに直列に100Ωの抵抗を接続し、この両端の電圧をモニターした。電圧、電流波形はデジタルオシロスコープによりモニターした。
【0096】
充放電電流波形は1000ns程度で十分減衰しているので、電荷量を求めるための積分時間は約2000nsとした。なお試料の容量は約1nFである。
【0097】
図13に、このようにして測定した蓄積電荷量のパルス印加回数による変化を示す。蓄積電荷量は約0.24C/m2 であり、これは図11に示した電圧振幅2Vp−p のときの電荷密度にほぼ一致している(若干小さい値であるのは、測定周波数の影響であると考えられる)。パルス印加回数109 回まで電荷量の変化を調べたが、この範囲では顕著な電荷量の劣化は認められなかった。
【0098】
図14および図15に、それぞれ膜厚77nm,39nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜に関する電流密度−電圧特性(J−V特性)を示す。図14および図15から、低電圧領域では電圧とともにむしろ電流が低下する現象が観測されることがわかる。これは吸収電流によるものであると考えられる。低電圧領域で吸収電流が大きいのは、誘電率が大きいために膜中の誘電率分布が大きいためと考えられる。DRAM適用の目安とされている、電流密度1×10−8A/cm2 以下の電圧範囲は、膜厚77nmの場合、−4Vから+7.5Vまでの計約11.5Vであり、膜厚39nmの場合、−2.3Vから+3.2Vまでの計約5.5Vであった。
【0099】
誘電体膜に直流電圧を長時間印加すると、次第に絶縁抵抗が劣化する現象が知られている。図16に、厚さ39nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜に、直流の正電圧(a)および負電圧(b)を長時間印加し続けたときのリーク電流の時間的な変化を示す。+5Vおよび−5Vはそれぞれ電界強度約1.3MV/cmに相当するが、図16から、30分間かけ続けてもリーク電流の増加はほとんど見られないことがわかる。
【0100】
図17に、厚さ39nmのBa0.12Sr0.88TiO3 膜において、温度を室温から150℃まで変えて測定した場合の、リーク電流密度と電圧の関係を示す。図17から、高電圧領域では、温度が高いほどリーク電流は増える傾向があり、リーク電流の伝導が熱的に励起されたキャリアの数に支配されていることがわかる。しかしながら、絶対温度の逆数(1/T)と電流密度の関係は、必ずしも直線的にはならなかった。これは、伝導キャリアの数が、熱的に励起される確率だけで増減しているわけではないことを示している。
【0101】
電圧上昇時と下降時でリーク電流密度の値に差が見られる。低温では、電圧下降時のリーク電流の値は上昇時と比較して小さい。電圧上昇時にはいわゆる吸収電流がリーク電流に重畳されているために大き目の測定値が得られ、下降時に吸収されて電荷が放出されるために、リーク電流とは逆方向の電流として重畳されるためと考えられる。
【0102】
一方高温側では、電圧上昇時よりも電圧下降時の方がリーク電流密度が増加している。この原因は必ずしも明らかではないが、高温では測定中の電圧により抵抗劣化が促進されている可能性がある。
【0103】
また、図18は、横軸に電圧の平方根を取り、これと電流密度との関係を示したものである。図18から、高い高圧領域では、電流密度と電圧の平方根が直線的な関係にあり、伝導キャリアがクーロン・ポテンシャルに打ち勝って励起されるような、ショットキー放出モデルあるいはプールフレンケル型の伝導で説明できることがわかる。
【0104】
この直線の傾きは温度によらずほぼ保存されている。温度によって励起されるキャリアの数の変化は単純な熱的励起で説明することはできないものの、キャリアが拘束されているポテンシャル形状は常に等しい、すなわちキャリアの種類は同じであることを示している。
【0105】
ここで、実施例1において、上部電極14としてSrRuO3 膜を使用した場合について述べる。図19は、上述と同様な方法で作製したBa0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚23nm)上に、上部電極としてSrRuO3 膜を形成した場合の、Ba0.12Sr0.88TiO3 膜の誘電率および誘電損失の電界依存性を示すものである。このBa0.12Sr0.88TiO3 膜は、膜厚が23nmと薄いにも関わらず、最大の比誘電率として、700以上が得られている。このように、本発明において下部電極と誘電体の格子定数の関係を制御することによって誘電率が向上するが、更にこれに加えて、上部電極として導電性ペロブスカイト型酸化物を用いることにより、さらなる誘電率の向上に効果があることがわかる。
【0106】
比較例1
比較例として、MgO(100)基板上に下部電極としてPt膜をエピタキシャル成長させ、その上にBa0.24Sr0.76TiO3 膜をエピタキシャル成長させた場合について述べる。Ptの本来の格子定数は0.3923nmであり、Ba0.24Sr0.76TiO3 は本来立方晶に属し、その格子定数はa0 =0.393nmである。
【0107】
エピタキシャル成長後の膜の格子定数は、Pt膜の場合、膜面内の方向の格子定数as は0.3915nmであり、膜厚方向の格子定数cs は0.3935nmであった。これに対して、Ba0.24Sr0.76TiO3 膜の格子定数は膜の面内方向の格子定数aが0.3925nm、膜厚方向の格子定数cが0.4001nmであった。このBa0.24Sr0.76TiO3 膜の場合、本来の格子定数a0 =0.393nmは基板の格子定数as =0.3915nmに対する比a0 /as が1.004である。
【0108】
また、単位格子体積の変化を見積もると、本来の立方晶格子(a=0.393nm)の単位体積V0 は0.06069nm3 であるのに対して、エピタキシャル成長後の単位格子体積V=a2 cの値は0.06163となり、体積変化の比率V/V0 は1.015である。このような下部電極との格子不整合および単位格子体積の膨張により、本来立方晶に属する結晶構造が正方晶に歪み、膜厚方向の格子定数が伸ばされていると考えられる。
【0109】
しかしながら、下部電極との膜面内の格子定数を比較すると、下部電極Ptの面内の格子定数as が0.3915nmであるのに対して、誘電体膜Ba0.24Sr0.76TiO3 膜のエピタキシャル成長後の面内の格子定数aは0.3925nmとなり、緩和の度合いを表わす比率a/as は1.0025となる。このように、歪みに緩和が生じている点が、比較例1が実施例1と異なる点である。
【0110】
図20に、比較例1により作製したBa0.24Sr0.76TiO3 膜に関する比誘電率と誘電損失の周波数依存性を示す。比較例1に係るBa0.24Sr0.76TiO3 膜においては、誘電率の周波数依存性が非常に大きく、また誘電損失が広い周波数範囲に渡って、6−8%と大きい値を示している。このような誘電特性の周波数分散の原因は、歪みの緩和による、すなわち誘電体膜の内部に比誘電率あるいは伝導率、あるいは両者の分布が存在することが原因である。このような格子定数の歪みの緩和は、もともと格子定数の不整合により歪みが導入された誘電体膜において顕著に観測されるものである。
【0111】
図21においては、比較例1により作製したBa0.24Sr0.76TiO3 膜に関するリーク電流特性と、実施例1によるBa0.12Sr0.88TiO3 膜に関するリーク電流特性の比較をおこなった。格子歪みの緩和の度合いが大きい比較例1の誘電体膜においては、緩和の度合いの少ない実施例1の誘電体膜よりも、大きなリーク電流が流れている。このように、歪みの緩和が大きい膜でリーク電流が大きい理由は、歪みの緩和に伴い、結晶転位が導入されるため、この結晶転位が伝導キャリアの供給源になるためと考えられる。
【0112】
実施例2
本発明の第2の実施例は、本発明を下部電極表面の格子定数よりも本来同じ程度か小さな格子定数を持つ誘電体の薄膜に適用した場合について述べたものである。
【0113】
図1に示すように、MgO(100)単結晶からなる基板1上に、立方晶Pt膜からなる下部電極2、SrTiO3 膜からなるペロブスカイト誘電体膜3および所定形状にパターニングされたPt膜からなる上部電極4を順次形成し、薄膜キャパシタを以下のようにして作製した。
【0114】
RFスパッタ法により4インチ径のPtターゲットをスパッタし、MgO(100)単結晶基板1上に、膜厚50nmのPtからなる下部電極2を形成した。このとき、Ar流量50sccmの雰囲気中で、基板温度を600℃に設定し、ターゲットへの投入RF電力を300Wとした。
【0115】
形成されたPt膜2をX線回折および反射電子線回折を用いて評価した。MgO基板1とPt膜2との結晶方位関係は、(100)MgOに対し(100)Pt、[00l]MgOに対し[00l]Ptであり、Pt膜2がエピタキシャル成長していることがわかった。
【0116】
次に、RFスパッタ法により、4インチ径のSrTiO3 焼結体ターゲットをスパッタし、下部電極2上に膜厚80nmのSrTiO3 (STO)からなる誘電体薄膜3を堆積した。このとき、まずAr/O2 =40sccm/10sccmの雰囲気で基板温度600℃に設定し、ターゲットへの投入RF電力を400Wとして厚さ10nm以下の薄膜を堆積したのち、O2 =100sccmの雰囲気に切り替えて基板温度および投入電力は上記と同一条件で残りの厚さ70nmの薄膜を堆積した。
【0117】
このような2段階の堆積を行った理由は、最初からO2 =100sccmの雰囲気で堆積すると、Pt表面のわずかな酸化のために、STOのエピタキシャル膜を得ることができないためである。
【0118】
形成されたSTO膜3をX線回折および反射電子線回折を用いて評価した。Pt膜とSTO膜との結晶方位関係は、(100)Ptに対し(100)STO、[00l]Ptに対し[00l]STOであった。X線回折に基づいてSrTiO3 膜3の格子定数を測定したところ、膜厚方向([00l]方向)の格子定数cは0.3981nm、膜面に平行な方向([100]方向)の格子定数aは0.3888nmであった。c/a比は1.02であり、正方晶構造であった。
【0119】
単位格子体積の変化を調べると、SrTiO3 の本来の対称性(立方晶)格子定数(a=0.3905nm)から算出した単位格子体積V0 が0.05955nm3 であるのに対して、エピタキシャル成長後のSrTiO3 膜3の単位格子体積Vは0.06018nm3 であり、単位格子体積の変化V/V0 は、1.011であった。
【0120】
その後、所定パターンのレジスト膜を形成した後、RFスパッタ法により室温にて膜厚100nmのPt膜を堆積し、リフトオフ法によりパターニングして上部電極4を形成した。上部電極4のサイズは100μm×100μmとした。
【0121】
比較例2
実施例2と同様の方法を用いたが、下部電極2上に膜厚80nmのSrTiO3 (STO)誘電体薄膜3を堆積する際に、雰囲気の切り替えを行わずに、Ar/O2 =40sccm/10sccmの雰囲気だけで厚さ80nmの薄膜を堆積した。形成されたSTO膜3をX線回折および反射X線回折を用いて評価した。Pt膜2とSTO膜3の結晶方位関係は、(100)Ptに対し(100)STO、[00l]Ptに対し[00l]STOであった。
【0122】
X線回折に基づいてSrTiO3 膜3の格子定数を測定したところ、膜厚方向の格子定数cは0.3910nm、膜面に平行な方向の格子定数aは0.3915nmであった。c/a比は約1.00であり、ほぼ立方晶のままであった。このように、比較例2では実施例2と異なり、STO膜3の結晶格子の歪みは認められなかった。
【0123】
一方、成膜後の単位格子体積Vは、0.05993nm3 であり、単位格子体積の変化V/V0 は、1.006であった。以下、実施例2と同様にして、図1に示す構造を有する薄膜キャパシタを作製した。
【0124】
次に、上記のようにして作製した実施例2および比較例2の薄膜キャパシタの電気的特性を調べた。
【0125】
薄膜キャパシタの300Kでの比誘電率−バイアス電界特性を図22に示す。比誘電率は、比較例2に係る薄膜キャパシタでは300であるのに対して、実施例2に係る薄膜キャパシタでは450と、バルク結晶(比誘電率約350)よりも大きな値を示した。実施例2のSrTiO3 膜が大きな比誘電率を示す理由は、酸素含有率の高い雰囲気で堆積したため、酸素のピーニング効果により、単位格子体積が膨張し、また膜面の格子定数が下部電極の基板に拘束されるために、結晶格子が膜厚方向に伸びて、結晶構造が正方晶に変化したことによると考えられる。
【0126】
比誘電率の温度依存性を測定した結果を図23に示す。比誘電率の最大値は、実施例2のSrTiO3 膜では−50℃近傍、比較例2のSrTiO3 膜では−150℃近傍である。この図からわかるように、実施例2のSrTiO3 膜では室温付近の広い温度範囲で大きな比誘電率を示す。
【0127】
なお、SrTiO3 誘電体薄膜の組成(SrとTiのモル比)を分析したところ、Sr/Ti比の値は、実施例2のSrTiO3 膜では1.01/0.99、比較例2のSrTiO3 膜では1.04/0.96であり、実施例2のSrTiO3 膜の方が化学量論組成に近いことがわかった。
【0128】
実施例3
本発明の第3の実施例は、本発明を歪みによって強誘電性が誘起された強誘電体薄膜に適用した場合である。この場合には、強誘電体薄膜において、残留分極の周波数特性が改善される。
【0129】
まず、図1に示すように、表面が平滑なSrTiO3 (100)単結晶基板1の上に、下部電極2として(00l)配向のBa0.1 Sr0.9 RuO3 薄膜を基板温度600℃で、Ar:O2 =40:10(sccm)雰囲気中(全体の圧力約0.6Pa)にて、RFマグネトロンスパッタリング法により形成し、これを本実施例における導電性の基板とした。このとき、Ba0.1 Sr0.9 RuO3 膜3の膜厚は約50nmとした。
【0130】
X線回折により、Ba0.1 Sr0.9 RuO3 膜2がペロブスカイト型の結晶構造を持つ(00l)配向膜であることを確認すると共に、このような方法でスパッタ法により形成した場合には、膜厚方向の格子定数が約0.399nm、面方向の格子定数が約0.3935nmであることを確認した。従って、このようにして作成したBa0.1 Sr0.9 RuO3 膜は、正方晶の結晶対称性を持ち、本発明が規定するところの下部電極に該当する。
【0131】
また、本発明において規定する下部電極の面内の格子定数as は、面内の格子定数0.3935nmが該当する。
【0132】
このBa0.1 Sr0.9 RuO3 膜の上に、強誘電体膜3として膜厚約200nmのBaTiO3 膜を、RFマグネトロンスパッタリング法により形成した。スパッタターゲットとしては、BaTiO3 焼結体(4インチ径,5mm厚)を用いた。成膜中の基板温度を600℃とし、スパッタの雰囲気はアルゴン(Ar)と酸素(O2 )の混合ガス(Ar:O2 =40:10sccm)とし、基板・ターゲット間距離を140mmとした。また、ターゲットに投入するRF電力を600Wとした。作製した膜の組成をICP法で分析し、いずれもほぼ化学量論組成であることを確認した。
【0133】
この場合、Ba0.1 Sr0.9 RuO3 膜の面内の格子定数as は0.3935nm、BaTiO3 (正方晶系)のa軸の材料本来の格子定数a0 は約0.3992nmであることが知られており(BaTiO3 の本来のc軸は、0.4036nm)、本実施例についてはa0 /as =1.014であることになる。従って、本発明においてa0 /as が満たすべき、1.002以上1.015以下という条件の範囲内である。
【0134】
次に、比較例3として本実施例と同様な方法で、表面が平滑なSrTiO3 (100)単結晶基板1の上に、下部電極として同様の(00l)配向のBa0.1 Sr0.9 RuO3 薄膜2を、基板温度600℃で上述した同じ成膜条件にてRFマグネトロンスパッタリング法により形成し、比較例における導電性の基板とした。このとき、Ba0.1 Sr0.9 RuO3 膜2の膜厚を約50nmとした。X線回折により、Ba0.1 Sr0.9 RuO3 膜が(00l)配向膜であることを確認すると共に、この膜の面内の格子定数が実施例3と同じ約0.3935nmであることを確認した。
【0135】
このBa0.1 Sr0.9 RuO3 膜2の上に、強誘電体膜3として膜厚約200nmのBaTiO3 膜を実施例3とは異なる条件にて、RFマグネトロンスパッタリング法により形成した。スパッタターゲットとしてはBaTiO3 焼結体 (4インチ径,5mm厚)を用いた。成膜中の基板温度を600℃とし、スパッタの雰囲気はアルゴン(Ar)と酸素(O2 )の混合ガス(Ar:O2 =40:10sccm)とし、基板・ターゲット間距離を170mmとした。また、ターゲットに投入するRF電力を400Wとした。
【0136】
即ち、比較例3のスパッタ条件としては、基板・ターゲット間距離と投入電力が実施例3とは異なり、これ以外は実施例3と同じ条件にてBaTiO3 膜を作製した。
【0137】
このようにしてスパッタリング条件を変えて作製した2種類のBaTiO3 膜(実施例3と比較例3)について、X線回折法及びRHEED法によって、詳細に結晶方位の調査及び格子定数の測定を行ったところ、次のような結果が得られた。即ち両者とも、同じようにBa0.1 Sr0.9 RuO3 (00l)膜の上に、(00l)配向したBaTiO3 膜が得られており、しかも面内の回転方向についても、下部電極2であるBa0.1 Sr0.9 RuO3 膜と同じ方位関係、即ちBBSR((Ba,Sr)RuO3 )(100)に対しBT(BaTiO3 )(100)、かつBSR(00l)に対しBT(00l)なる関係が成立していることが確認された。
【0138】
しかしながら、BaTiO3 膜の格子定数については、実施例3と比較例3では下記表3に示すような差異が見られた。
【0139】
【表3】
【0140】
上記表3から、実施例3であるところの基板・ターゲット間距離140mmかつ投入RF電力600Wにて作製したBaTiO3 膜については、膜厚方向の格子定数が0.432nm、面内の格子定数aが0.394nmであることがわかる。即ち、膜形成後のBaTiO3 膜の面方向の格子定数aと基板であるBa0.1 Sr0.9 RuO3 膜の面方向の格子定数as の比率、a/as が1.002未満という本発明が規定するところの範囲に含まれている。
【0141】
一方、比較例3である、基板・ターゲット間距離170mmかつ投入RF電力400Wにて作製したBaTiO3 膜については、膜厚方向の格子定数が0.423nm、面方向の格子定数aが0.399nmであった。即ち、膜形成後のBaTiO3 膜の面方向の格子定数aと基板であるBa0.1 Sr0.9 RuO3 膜の面方向の格子定数as の比率、a/as の比率が1.01以上となり、1.002未満という本発明が規定するところの範囲から逸脱している。
【0142】
これらのBaTiO3 膜の上に、上部電極4としてPt膜をRFスパッタリングにより作製した。Pt膜はリフトオフ法によって、100μm×100μmの形状に加工した。
【0143】
このようにスパッタリング条件とその結果得られた格子定数の異なる2種類のBaTiO3 膜(実施例3と比較例3)について、様々な周波数にてD−Eヒステリシス測定を実施した。測定にはソーヤタワー回路を用い、電圧の最大振幅は10Vとし、室温(22℃)にて行った。
【0144】
図24に、実施例3と比較例3のBaTiO3 膜の残留分極の2倍、2Pr (C/m2 )の周波数依存性を示す。図24から、60Hz以下の低い周波数においては、実施例3のBaTiO3 膜と比較例3のBaTiO3 膜はほぼ同等の残留分極が得られているが、周波数が高くなるにつれて、比較例3のBaTiO3 膜の残留分極が低下し、100kHzでは実施例3のBaTiO3 膜の約半分の残留分極しか得られないことがわかる。
【0145】
これに対し、実施例3のBaTiO3 膜においては、5Hzから100kHzまでの範囲で残留分極の低下が僅かに5%程度である。このように、本発明により規定した範囲のエピタキシャル強誘電体薄膜は、高い周波数まで良好な強誘電特性を維持し得ることが分る。
【0146】
実施例4
図1に示すように、まず、表面が平滑なSrTiO3 (100)単結晶基板1の上に、下部電極2として(00l)配向のSrRuO3 薄膜を、基板温度600℃で、Ar:O2 =40:10(sccm)雰囲気中(全体の圧力約0.6Pa)にてRFマグネトロンスパッタリング法により形成し、これを本実施例における導電性の基板とした。このとき、SrRuO3 膜2の膜厚は約50nmとした。
【0147】
X線回折により、SrRuO3 膜がペロブスカイト型の結晶構造を持つ(00l)配向膜であることを確認すると共に、このような方法でスパッタ法により形成した場合には、膜厚方向の格子定数が約0.398nm、面方向の格子定数が約0.3925nmであることを確認した。従って、このようにして作成したSrRuO3 膜は、正方晶の結晶対称性を持ち、本発明に規定する下部電極に該当する。また、本発明に規定する下部電極の面方向の格子定数as は、面方向の格子定数0.3925nmが該当する。
【0148】
このSrRuO3 膜の上に、強誘電体膜3として膜厚約130nmのBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜を、RFマグネトロンスパッタリング法により形成した。スパッタターゲットとしては、Ba0.5 Sr0.5 TiO3 焼結体(4インチ径,5mm厚)を用いた。成膜中の基板温度を600℃とし、スパッタの雰囲気はアルゴン(Ar)と酸素(O2 )の混合ガス(Ar:O2 =40:10sccm)とし、基板・ターゲット間距離を140mmとした。また、ターゲットに投入するRF電力を600Wとした。作製した膜の組成をICP法で分析し、いずれもほぼ化学量論組成であることを確認した。
【0149】
この場合、SrRuO3 膜の面方向の格子定数as は0.3925nm、Ba0.5 Sr0.5 TiO3 (正方晶系)のa軸の材料本来の格子定数a0 は約0.395nmであることが知られており、本実施例については、a0 /as =1.006であることになる。従って、本発明においてa0 /as が満たすべき、1.002以上1.015以下という条件の範囲内である。
【0150】
次に、比較例4として本実施例と同様な方法で、表面が平滑なSrTiO3 (100)単結晶基板1の上に、下部電極2として同様の(00l)配向のSrRuO3 薄膜を、基板温度600℃で上述した同じ成膜条件にてRFマグネトロンスパッタリング法により形成し、比較例4における導電性の基板とした。このとき、SrRuO3 膜2の膜厚を約50nmとした。X線回折により、SrRuO3 膜2が(00l)配向膜であることを確認すると共に、この膜の面方向の格子定数が実施例4と同じ約0.3925nmであることを確認した。
【0151】
このSrRuO3 膜の上に、強誘電体膜3として膜厚約130nmのBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜を実施例4とは異なる条件にて、RFマグネトロンスパッタリング法により形成した。スパッタターゲットとしてはBa0.5 Sr0.5 TiO3 焼結体(4インチ径,5mm厚)を用いた。成膜中の基板温度を600℃とし、スパッタの雰囲気はアルゴン(Ar)と酸素(O2 )の混合ガス(Ar:O2 =40:10sccm)とし、基板・ターゲット間距離を170mmとした。また、ターゲットに投入するRF電力を400Wとした。即ち、比較例4のスパッタ条件としては、基板・ターゲット間距離と、投入電力が実施例4とは異なり、これ以外は実施例4と同じ条件にてBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜を作製した。
【0152】
このようにしてスパッタリング条件を変えて作製した2種類の(Ba,Sr)TiO3 膜(実施例4と比較例4)について、X線回折法及びRHEED法によって、詳細に結晶方位の調査及び格子定数の測定を行ったところ、次のような結果が得られた。即ち、両者とも、同じようにSrRuO3 (00l)膜の上に、(00l)配向したBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜が得られており、しかも面方向の回転方向についても、下部電極であるSrRuO3 膜と同じ方位関係、即ちSR(100)に対しBST(100)、かつSR(00l)に対しBST(00l)なる関係が成立していることが確認された。
【0153】
しかしながら、Ba0.5 Sr0.5 TiO3 膜の格子定数については、実施例4と比較例4では下記表4に示すような差異が見られた。
【0154】
【表4】
【0155】
即ち、実施例4であるところの基板・ターゲット間距離140mm、かつ投入電力600Wにて作製したBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜については、膜厚方向の格子定数が0.413nm、面方向の格子定数aが0.393nmであった。即ち、膜形成後のBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜の面方向格子定数aと基板であるSrRuO3 膜の面方向の格子定数as の比率、a/as が1.002未満という本発明が規定する範囲に含まれている。
【0156】
一方、比較例4における基板・ターゲット間距離170mmかつ投入電力400Wにて作製したBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜については、膜厚方向の格子定数が0.411nm、面方向の格子定数aが0.394nmであった。即ち、膜形成後のBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜の面方向の格子定数aと基板であるSrRuO3 膜の面方向の格子定数as の比率、a/as の比率が1.003以上となり、1.002未満という本発明が規定するところの範囲から逸脱している。
【0157】
これらのBaSrTiO3 膜の上に、上部電極4としてPtの膜をRFスパッタリングにより作製した。Pt膜はリフトオフ法によって、100μm×100μmの形状に加工した。
【0158】
このようにして作製した実施例4及び比較例4の2種類のBa0.5 Sr0.5 TiO3 膜について分極の保持特性を比較した。保持特性の測定は、上部電極4に+5Vの矩形のパルス(パルス幅200ns)をかけた場合と、−5Vの矩形パルス(パルス幅200ns)をかけた場合について、1秒後及び10分後に再び+5Vの読み出しパルス(200ns)をかけた時に、電極に流れ込む電荷量を比較した。このとき、最初に+5Vのパルスをかけた場合に読み出し時に流れ込む電荷量をQnsとし、−5Vをかけたときに読み出し時に流れ込む電荷の量をQswとし、その差dQ=Qsw−Qnsを比較した。
【0159】
その結果、実施例4においては、1秒後及び10分後の電荷量差dQは共にdQ=0.12C/m2 であった。これに対して比較例4においては、1秒後の電荷量差がdQ=0.10C/m2 であったにも拘らず、10分後にはdQ=0.01C/m2 以下の値にまで低下してしまった。即ち、実施例4においては、強誘電性に起因する十分な保持特性が得られているのに対して、比較例4においては十分な保持特性が得られておらず、比較例4は不揮発性メモリへの応用には適さないのが分る。
【0160】
実施例5
図1に示すように、まず、表面が平滑なSrTiO3 (100)単結晶基板1の上に、下部電極2として(001)配向のSrRuO3 薄膜を、基板温度600℃で、Ar:O2 =40:10(sccm)雰囲気中(全体の圧力約0.6Pa)にてRFマグネトロンスパッタリング法により形成し、これを本実施例における導電性の基板とした。このとき、SrRuO3 膜2の膜厚は約50nmとした。
【0161】
X線回折により、SrRuO3 膜がペロブスカイト型の結晶構造を持つ(001)配向膜であることを確認すると共に、このような方法でスパッタ法により形成した場合には、膜厚方向の格子定数が約0.379nm〜0.3991nmの間にあり、面方向の格子定数が約0.3906nm〜0.3913nmの間にあることを確認した(表6)。従って、このようにして作成したSrRuO3 膜は、正方晶の結晶対称性を持ち、本発明に規定する下部電極に該当する。また、本発明に規定する下部電極の面方向の格子定数as は、面方向の格子定数0.391nmが該当する。
【0162】
このSrRuO3 膜の上に、強誘電体膜3として膜厚約50nmの(Bax Sr1−x−y Cay )TiO3 膜を、3つのターゲットを使用した3元のRFマグネトロンスパッタリング法により形成した。スパッタターゲットとしては、BaTiO3 焼結体、SrTiO3 焼結体、およびCaTiO3 焼結体(それぞれ4インチ径,5mm厚)を用いた。成膜中の基板温度を600℃とし、スパッタの雰囲気はアルゴン(Ar)と酸素(O2 )の混合ガス(Ar:O2 =40:10sccm)とし、基板・ターゲット間距離を140mmとした。また、ターゲットに投入するRF電力を、それぞれBaTiO3 焼結体には600W、SrTiO3 焼結体には450Wの一定の電力を供給する一方で、CaTiO3 焼結体には0Wから500Wまで可変とした。
【0163】
作製した膜の組成をICP発光分析法で分析した結果を下記表5に示す。また、CaTiO3 焼結体ターゲットに投入したRF電力と誘電体膜中のCa量の関係を求めたところ、図25に示す結果を得た。図25から、誘電体膜中のCa量は、CaTiO3 焼結体ターゲットに投入したRF電力にほぼ比例することがわかる。また、段差計を使用して測定したBax Sr1−x−y Cay TiO3 膜の厚さは、下記表5に示すように、46〜52nmの間に分布することがわかった。
【0164】
【表5】
【0165】
このようにして形成した、Ca含有量が異なる5種類の(Bax Sr1−x−y Cay )TiO3 膜の結晶構造をX線回折により解析したところ、いずれの膜も (001)配向しており、いわゆるcube on cubeの関係をもってSrRuO3 膜上にヘテロエピタキシャル成長していることが確認された。その格子定数を測定したところ、下記表6に示すように、Caの量によって若干の相違が見られたものの、いずれの場合も膜厚方向の格子定数cは0.422nmから0.428の間で本来の格子定数と比較して5%以上伸びているのに対して、面方向の格子定数aは、下部電極として用いたSrRuO3 膜のa軸と完全に一致しており、緩和していないことが確認された。
【0166】
【表6】
【0167】
このように形成した、Ca含有量が異なる5種類の(Bax Sr1−x−y Cay )TiO3 膜上に、上部電極4としてPt膜をスパッタリング法により形成し、リフトオフ法により、100μm×100μmの形状に加工した。
【0168】
このようにして作製した(Bax Sr1−x−y Cay )TiO3 膜の電流−電圧特性を測定したところ、図26に示すように、Caを含まない膜(y=0)と比較して、Caを含む膜は一様に高電圧領域におけるリーク電流の低減が認められた。
【0169】
このようなリーク電流の低下の度合いは、Caの量yに依存せず、yの値が2%以上では、y=0の膜と比較して、yの大きさに依らず、ほぼ同じ程度の効果が認められた。
【0170】
一方、これらの膜の分極Pと電圧Vの関係をソーヤタワー回路によって500Hzで測定したところ、図27に示すように、Ca含有量が異なる5種類のいずれの(Bax Sr1−x−y Cay )TiO3 膜においても、強誘電性を示すヒステリシス曲線が観測された。これらの誘電体膜は、いずれもバルクならば、本来は室温で常誘電性を示すはずの組成を有するので、これらの膜においても、強誘電性は格子不整合により導入されたものである。しかしながら、そのヒステリシス曲線の形状には、Ca量による相違が観測された。
【0171】
図28は、ヒステリシス曲線を測定するのに用いる交流電圧の振幅と、その電圧振幅で得られる残留分極の関係を示したものものである。この図から、Ca量yが増加すると、Ca量に応じて、強誘電的なヒステリシスを示し始める電圧が低下することがわかる。しかも、分極が飽和したときの残留分極の絶対値は、Caを置換しない場合と比べても、それほど遜色ないことがわかる。
【0172】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。前記誘電体膜としては、BaTiO3 や(Ba,Sr)TiO3 に限られるものではなく、エピタキシャル成長したペロブスカイト型結晶構造の誘電体材料を用いることができる。例えば、先に(課題を解決するための手段)の項で述べたような、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3 ),チタン酸カルシウム(CaTiO3 ),スズ酸バリウム(BaSnO3 ),ジルコニウム酸バリウム(BaZrO3 )などに代表される単純ペロブスカイト型酸化物、マグネシウム酸タンタル酸バリウム(Ba(Mg1/3 Ta2/3 )O3 ),マグネシウムニオブ酸バリウム(Ba(Mg1/3 Nb2/3 )O3 )などの複合ペロブスカイト型酸化物、さらにこれらの中から複数の酸化物を同時に固溶させたものなどを用いることができる。
【0173】
また本発明で、組成式がABO3 で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体の組成式において、Aとしては主としてBaからなるものであるが、Baの一部Sr,Caのうち少なくとも一種類の元素で置換しても構わない。Bとしては主としてTiであるが、同様にTiの一部をZr,Hf,Sn,(Mg1/3 Nb2/3 ),(Mg1/3 Ta2/3 ),(Zn1/3 Nb2/3 ),(Zn1/3 Ta2/3 )のうち少なくとも一種類からなる元素で置換しても構わない。さらに、誘電体膜の成膜方法としては、RFスパッタリング以外に、反応性蒸着,MOCVD,レーザーアブレーション,ゾルゲル法などの方法を用いることもできる。
【0174】
また、実施形態では正方晶系の導電性基板を用いたが、立方晶系の導電性基板を用いることも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0175】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、成膜条件による単位格子体積の膨張や下部電極との格子定数の不整合を利用して誘電率を大きくしたり、あるいは強誘電性を誘起した場合に問題となっていた、誘電率の周波数依存性や高い誘電損失、残留分極の周波数依存性を抑制することができる。
【0176】
従って、鉛やビスマスなど低融点金属を成分として含まず、誘電率が大きく、あるいは残留分極が大きな、信頼性の高い高誘電率膜あるいは強誘電体薄膜を作製することができ、半導体メモリの大容量化及び高集積化に適した薄膜キャパシタを実現することが可能となり、DRAM技術あるいは不揮発性メモリ技術に貢献するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る薄膜キャパシタを示す断面図。
【図2】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)のX線回折パターンを示す図。
【図3】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)の(002)に関するロッキングカーブを示す図。
【図4】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚77nm)の比誘電率のバイアス電界依存性を示す図。
【図5】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚77nm)の誘電損失のバイアス電界依存性を示す図。
【図6】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)の比誘電率のバイアス電界依存性を示す図。
【図7】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)の誘電損失のバイアス電界依存性を示す図。
【図8】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm,77nm)の比誘電率および誘電損失係数の温度依存性を示す図。
【図9】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm,77nm)の比誘電率の周波数依存性を示す図。
【図10】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm,77nm)の蓄積電荷密度と電圧との関係を示す図。
【図11】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm,77nm)の測定電圧振幅と電荷振幅との関係を示す図。
【図12】交流電圧負荷試験に用いた電圧波形と電流波形とを示す図。
【図13】交流電圧印加回数による蓄積電荷量の変化を示す図。
【図14】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚77nm)の電流・電圧特性を示す図。
【図15】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)の電流・電圧特性を示す図。
【図16】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)に直流の正電圧(a)および負電圧(b)を印加したときのリーク電流の時間的な変化を示す図。
【図17】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚39nm)の電流・電圧特性の温度依存性を示す図。
【図18】電圧の平方根と電流密度との関係を示す図。
【図19】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜(膜厚23nm)上に上部電極としてSrRuO3 膜を形成した場合のBa0.12Sr0.88TiO3 膜の誘電率および誘電損失の電界依存性を示す図。
【図20】比較例1におけるBa0.24Sr0.76TiO3 膜の比誘電率と誘電損失の周波数依存性を示す図。
【図21】Ba0.12Sr0.88TiO3 膜のリーク電流特性を比較例1と実施例1とで比較して示す図。
【図22】実施例2および比較例2の薄膜キャパシタにおける、比誘電率−電界特性を示す図。
【図23】実施例2および比較例2の薄膜キャパシタにおける、比誘電率の温度依存性を示す図。
【図24】実施例3および比較例3のBaTiO3 膜の残留分極の周波数依存性を示す図。
【図25】CaTiO3 焼結体ターゲットに投入したRF電力と誘電体膜中のCa量の関係を示す図。
【図26】Caの比率によるリーク電流の変化を示す図。
【図27】Caの比率によるヒステリシス曲線の変化を示す図。
【図28】Caの比率とヒステリシス曲線の立上がりとの関係を示す図。
【符号の説明】
1…単結晶基板
2…下部電極
3…誘電体膜
4…上部電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film capacitor used for a thin film capacitor used for a semiconductor integrated circuit and its peripheral circuits.
[0002]
[Prior art]
LSI memories, particularly dynamic random access memories (DRAMs), have been highly integrated at a speed of four times in three years in the past, and are expected to continue to be highly integrated at the same speed in the future. DRAM requires a certain capacitor capacity from the viewpoint of securing the sensitivity of the sense circuit and preventing soft errors due to radiation. Therefore, the effective area of the capacitor in the memory cell cannot be reduced in proportion to high integration. . As a result, as long as a silicon oxide film or the like is used as a dielectric material, the proportion of a capacitor occupied in a memory cell is gradually increasing as the degree of integration increases.
[0003]
The use of a high dielectric constant thin film as a dielectric film of a capacitor of a memory cell of a DRAM has been actively studied. This is intended to reduce the area of the capacitor and reduce the size of the highly integrated memory cell by using a high dielectric constant thin film as a dielectric film of the capacitor. When a high dielectric constant thin film is used as a dielectric film of a capacitor of a memory cell of a DRAM, it is necessary that a large amount of electric charge can be stored per unit area and a small leak current. Further, in order to operate the memory at high speed, it is required that charging and discharging be performed at sufficiently high speed.
[0004]
As an application to a memory cell of a DRAM, a silicon oxide film (SiO2: Relative dielectric constant of about 4) and silicon nitride film (Si3N4: Instead of the relative dielectric constant of about 7), Ta2O5(Relative permittivity of about 28) is being studied. However, Ta2O5However, the dielectric constant is insufficient for reducing the capacitor area and achieving high integration.
[0005]
Therefore, as a material having a higher dielectric constant, strontium titanate (SrTiO) is used.3) Or barium strontium titanate (Ba)xSr1-xTiO3) Are being actively studied. (Ba, Sr) TiO3Is BaTiO3And SrTiO3And has a perovskite-type crystal structure. SrTiO3Is a paraelectric, BaTiO3Is known to be a ferroelectric material having a Curie temperature of about 120 ° C.
[0006]
Since Sr and Ba are less likely to evaporate than Pb and Bi, (Ba, Sr) TiO3It is relatively easy to control the composition in the preparation of the thin film. Also, SrTiO3And BaTiO3When is crystallized, it hardly takes a crystal structure other than the perovskite type (for example, pyrochlore type).
[0007]
However, BaxSr1-xTiO3However, there is a problem that when the film thickness is reduced to 100 nm or less, the dielectric constant decreases, and sufficient charges cannot be accumulated.
[0008]
On the other hand, storage devices (ferroelectric memories) using a ferroelectric thin film for a capacitor as a storage medium have been developed, and some of them have already been put to practical use. The ferroelectric memory is non-volatile, so that its memory contents are not lost even after the power is turned off. In addition, when the film thickness is sufficiently small, the spontaneous polarization is reversed quickly, and writing and reading can be performed at the same speed as DRAM. There are features such as. Further, since a 1-bit memory cell can be manufactured using one transistor and one ferroelectric capacitor, it is suitable for increasing the capacity.
[0009]
It is also under consideration to operate a ferroelectric memory as a DRAM. This is used as a memory cell capacitor of a DRAM (volatile memory) without inverting the spontaneous polarization of the ferroelectric during normal operation. However, the device is used as a nonvolatile memory by utilizing the remanent polarization of the ferroelectric thin film only before the power of the device is turned off. This method is effective in reducing the influence of a phenomenon (fatigue) in which ferroelectricity is degraded as polarization inversion is repeated, which is considered to be the biggest problem of ferroelectric memories.
[0010]
A ferroelectric thin film suitable for a ferroelectric memory has a large remanent polarization, a small temperature dependence of the remanent polarization, a small deterioration (fatigue) of the remanent polarization due to repeated polarization inversion, and a long remanent polarization. It is necessary to be able to hold time (retention). In addition, in order to operate the memory at high speed, it is required that the reversal of spontaneous polarization be sufficiently fast.
[0011]
At present, lead zirconate titanate (PZT) is mainly used as a ferroelectric material. PZT is lead zirconate (PbZrO)3) And lead titanate (PbTiO)3The solid solutions of (1), which are dissolved in a molar ratio of about 1: 1, are considered to be excellent as storage media because they have a large spontaneous polarization and can be inverted even in a low electric field. PZT has a relatively high transition temperature (Curie point) between the ferroelectric phase and the paraelectric phase of about 300 ° C. or higher. Therefore, in a temperature range where ordinary electronic circuits are used (120 ° C. or lower), stored contents are not stored. There is little worry about heat loss.
[0012]
However, it is known that it is difficult to produce a high quality thin film of PZT. First, lead (Pb), which is the main component of PZT, tends to evaporate at 500 ° C. or higher, so that it is difficult to control the composition accurately. Second, ferroelectricity appears only when PZT forms a perovskite crystal structure, but it is difficult to obtain PZT having this perovskite crystal structure. Instead, a crystal structure called pyrochlore can be easily obtained, but when this crystal structure is adopted, it does not show ferroelectricity. In order to form the PZT film into a perovskite structure, a temperature of a certain degree or more (about 500 ° C.) is required. However, when the temperature is increased, Pb evaporates or diffuses as described above, and the composition deviates from a desired composition. .
[0013]
Recently, SrBi, a kind of Bi layered perovskite compound, has been recently developed.2Ta2O9Researches on such devices have been actively conducted for applications to ferroelectric memories and the like. However, although Bi is a low melting point element like Pb, sufficient crystallization is necessary to obtain hysteresis. Therefore, Bi is evaporated by heat treatment at a high temperature (700 ° C. or higher). Or the diffusion of Bi into the electrodes and the like is inevitable. In addition, when it is necessary to use a non-oriented polycrystalline film in spite of the fact that it is a material having a strong crystal anisotropy, there is a concern about variation in ferroelectric characteristics when miniaturized.
[0014]
Although it is difficult to produce high-quality PZT thin films and Bi layered compound thin films with good reproducibility, PZT and Bi-based compounds are now widely studied as storage media (capacitors) for memories. Besides, no ferroelectric material suitable for the memory capacitor has been found.
[0015]
Other than PZT, barium titanate (BaTiO3) Are known as materials exhibiting ferroelectricity at room temperature. BaTiO3Has the same perovskite structure as PZT, and is known to have a Curie temperature of about 120 ° C. Since Ba is less likely to evaporate than Pb, BaTiO3It is relatively easy to control the composition in the preparation of the thin film. In addition, BaTiO3When is crystallized, it hardly takes a crystal structure other than the perovskite type (for example, pyrochlore type).
[0016]
Despite these advantages, BaTiO3The reason why the thin film capacitor described above has not been studied so much as a storage medium for a ferroelectric memory is that remnant polarization is smaller and temperature dependence of remnant polarization is larger than that of PZT. This is because BaTiO3The characteristic Curie temperature Tc is relatively low (about 120 ° C.), and the coercive electric field is low. The Curie temperature Tc is a temperature specific to a ferroelectric material that undergoes a phase transition from a ferroelectric phase to a paraelectric phase. Even if a material exhibits ferroelectricity at room temperature, it does not exhibit ferroelectricity at temperatures higher than the Curie temperature. For this reason, BaTiO3When a ferroelectric memory is manufactured by using a thin film capacitor using GaN, when exposed to a high temperature (about 120 ° C.) for some reason, not only may the stored contents be lost, but also the electronic circuit is usually Even in the used temperature range (85 ° C. or less), the temperature dependence of remanent polarization is large and the operation is unstable.
[0017]
Therefore, conventionally, BaTiO3It has been considered that a thin film capacitor using a ferroelectric thin film made of is not suitable for use as a storage medium of a ferroelectric memory.
[0018]
On the other hand, recently, BaTiO having a thickness of 60 nm was epitaxially grown on a Pt / MgO single crystal substrate.3A phenomenon in which the Curie temperature of a film rises to 200 ° C. or higher has been reported (Kenji Iijima et al., Applied Physics, Vol. 62, No. 12, 1993, pp. 1250-1251). According to this document, such a phenomenon occurs because BaTiO epitaxially grown to match the lattice constant of Pt.3It is thought that in the perovskite lattice, the a-axis contracts and the c-axis length increases. However, in this document, such a phenomenon is observed only in BaTiO having a film thickness of 60 nm or less.3It is stated that a thicker film will return to the original lattice constant due to misfit transition (because it becomes larger than the critical film thickness).
[0019]
On the other hand, it is said that the ferroelectric thin film generally tends to have a smaller remanent polarization as the thickness becomes smaller in a region of 1 μm or less. In fact, the BaTiO prepared in3In the case of an epitaxial film, the residual polarization is 2-3 μC / cm for a film of 100 nm or less.2It has been reported that: Accordingly, in the region where the film thickness is 60 nm or less, practical remanent polarization cannot be obtained as a ferroelectric thin film even if the Curie temperature can be increased.
[0020]
For the reasons described above, the conventional BaTiO3Even if the thin film capacitor described above could raise the Curie temperature by the epitaxial effect, it has been considered that it is difficult to use it as a storage medium of a ferroelectric memory.
[0021]
In view of the above-mentioned problems in the conventional ferroelectric thin film, the present inventors have proposed a dielectric material (for example, Ba) having a lattice constant relatively close to the lattice constant of the lower electrode (for example, Pt).xSr1-xTiO3) And adopting the RF magnetron sputtering method, which is a film formation method in which misfit dislocations are relatively unlikely to occur in the film formation process, so that the film thickness is relatively large, about 200 nm. It has been found that the lattice constant (c-axis) extends in the film thickness direction and the lattice constant in the in-plane direction (a-axis) can be kept smaller than the original lattice constant obtained by the epitaxial effect. As a result, it is possible to realize a ferroelectric thin film that shifts the ferroelectric Curie temperature Tc to a high temperature side, shows a large remanent polarization in a room temperature region, and can maintain a sufficiently large remanent polarization even when the temperature is increased to about 85 ° C. I confirmed that there is.
[0022]
For example, Pt (lattice constant a = 0.329231 nm) which is hardly oxidized is used as the lower electrode, and barium strontium titanate (Ba) is used as the dielectric.xSr1-xTiO3: BST), ferroelectricity is exhibited even in a compositional region (x ≦ 0.7) which should not exhibit ferroelectricity at room temperature, and originally, It has been experimentally confirmed that, in a composition region (x> 0.7) that exhibits ferroelectricity at room temperature, a practically preferable ferroelectric characteristic in which the Curie temperature which is higher than room temperature is further increased can be realized.
[0023]
In addition, the method of introducing strain into the dielectric by utilizing the mismatch between the lattice constant of the lower electrode and the dielectric has a great effect on improving the dielectric constant of the paraelectric thin film. Have been found by the present inventors. That is, BaxSr1-xTiO3It has been found that when a thin film having a composition with a Ba content x of about 0.24 is epitaxially grown on Pt, ferroelectricity is not exhibited, but the dielectric constant is greatly increased. By utilizing such an effect, the amount of charge stored in the dielectric film used for the memory cell of the DRAM can be greatly increased.
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
However, from subsequent experiments conducted by the present inventors, these systems, that is, Ba as a dielectric on the lower electrode, were used.xSr1-xTiO3The epitaxial effect obtained by utilizing the effect of lattice mismatch, that is, the ferroelectricity is given to the paraelectric material, or the ferroelectricity is given in the case of the originally ferroelectric material. It has been clarified that, when the dielectric constant of the reinforced or paraelectric material is improved, a problem may occur in high-speed driving.
[0025]
That is, when the obtained film is a ferroelectric, when the DE hysteresis is drawn at a high frequency, the remanent polarization may decrease compared to the case where the DE hysteresis is drawn at a low frequency. I understand. Further, when the obtained film is a paraelectric material, the frequency dependence of the dielectric constant increases, and a phenomenon that the dielectric constant decreases as the frequency increases may be observed.
[0026]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a thin film capacitor capable of storing a large amount of charges in a small area.
[0027]
Another object of the present invention is to provide a thin film capacitor suitable for increasing the capacity and integration of a semiconductor memory.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention (claim 1) provides a first electrode having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface, A dielectric thin film epitaxially grown thereon and having a cubic perovskite structure, and a second electrode formed on the dielectric thin film, wherein the dielectric thin film originally belongs to a cubic system. Perovskite crystal structure (lattice constant a0) Is the unit cell volume0= A0 3, Unit cell volume distorted to tetragon after epitaxial growth
(Lattice constant a = b ≠ c) is calculated as V = a2When expressed as c,
V / V0≧ 1.01
And the ratio c / a between the lattice constant c in the film thickness direction and the lattice constant a in the direction parallel to the film surface is
c / a ≧ 1.01
A thin film capacitor characterized by satisfying the following relationship:
[0029]
The present invention (Claim 2) provides a first electrode having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface, and a first electrode epitaxially grown on the first electrode. A dielectric thin film having a cubic perovskite structure; and a second electrode formed on the dielectric thin film, wherein the dielectric thin film has a lattice constant in a plane direction of a surface of the first electrode. as, The lattice constant of the dielectric material represented by the a-axis length of the perovskite type crystal structure belonging to the cubic system is represented by a0When
a0/ As≤1.002
And the ratio c / a between the lattice constant c in the film thickness direction and the lattice constant a in the direction parallel to the film surface is satisfied.
c / a ≧ 1.01
A thin film capacitor characterized by satisfying the following relationship:
[0030]
The present invention (Claim 3) provides a first electrode having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface, and a first electrode epitaxially grown on the first electrode. It has a cubic perovskite structure, a dielectric thin film made of a dielectric material having a Curie temperature of 200 ° C. or lower, and a second electrode formed on the dielectric thin film, wherein the dielectric thin film is Let the lattice constant of the first electrode surface in the plane direction be asThe original lattice constant of the dielectric material represented by the a-axis length of the perovskite type crystal structure belonging to the cubic or tetragonal system is a0When
1.002 ≦ a0/ As≤1.015
When satisfying the following relationship, and the lattice constant in the plane direction after the dielectric is epitaxially grown is a,
a / as<1.002
A thin film capacitor characterized by satisfying the following relationship:
[0031]
The present invention (Claim 4) is characterized in that, in the above-mentioned thin film capacitor (
[0032]
ABO3
Wherein A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and B is Ti, Zr, Hf, Sn, Mg1/3Nb2/3, Mg1/3Ta2/3, Zn1/3Nb2/3, Zn1/3Ta2/3, Ni1/3Nb2/3, Ni1/3Ta2/3, Co1/3Nb2/3, Co1/3Ta2/3, Sc1/3Nb2/3, And Sc1/3Ta2/3At least one selected from the group consisting of: )
According to a fifth aspect of the present invention, in the above-described thin film capacitor (the first to third aspects), the first electrode is formed of a general formula ABO3Wherein A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, and La, and B is selected from the group consisting of Ru, Ir, Mo, W, Co, Ni, and Cr. (At least one kind) of a conductive compound having a perovskite crystal structure.
[0033]
According to the present invention (claim 6), in the above-mentioned thin film capacitor (
[0034]
The present invention (Claim 7) provides the above-mentioned thin film capacitor (Claim 1) wherein 1.03 ≧ c / a ≧ 1.01 when the dielectric thin film is a paraelectric, and 1. 08 ≧ c / a ≧ 1.01.
[0035]
The present invention (Claim 8) is characterized in that, in the above-mentioned thin film capacitor (Claim 2), the dielectric thin film satisfies 1.1 ≧ c / a ≧ 1.01.
[0036]
According to the present invention (claim 9), in the above-mentioned thin film capacitor (claim 3), the dielectric thin film may have a ratio of 1.004 ≦ a0/ As≦ 1.011 is satisfied.
[0037]
The present invention (claim 10) provides a conductive substrate having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface in an atmosphere having an oxygen content of 70% or more. Forming a dielectric thin film having a perovskite structure in which a ratio c / a of a lattice constant c in a film thickness direction to a lattice constant a parallel to a film surface is 1.01 or more by epitaxially growing a perovskite dielectric material. The present invention provides a method for producing a perovskite-type dielectric thin film comprising:
[0038]
The thin film capacitor of the present invention is based on the following principle.
[0039]
In other words, by growing a dielectric film epitaxially on the lower electrode, the dielectric constant can be increased without changing the paraelectric material, or the ferroelectric characteristics can be imparted to the paraelectric material. And enhance the sex. The reason for such an effect (epitaxial effect) is that the dielectric is grown epitaxially so as to match the lattice constant of the lower electrode. Is to grow.
[0040]
Generally, a perovskite-type dielectric or ferroelectric material has the chemical formula ABO3It is considered that the origin of the large polarization is due to the relative displacement of cations and anions. In particular, it is considered that the displacement of the B site ion governs the polarization characteristics. When a two-dimensional compressive stress is applied to a dielectric having such a perovskite structure, the lattice expands in a direction perpendicular to the stress, and the displacement of ions, particularly the displacement of B-site ions, is facilitated and polarization is facilitated. Become. Thereby, in the case of a paraelectric, the dielectric constant increases, and in some cases, the dipole interaction in the film thickness direction increases, thereby inducing ferroelectricity. In addition, when a ferroelectric substance is used, the magnitude of spontaneous polarization increases.
[0041]
Such an effect is likely to appear when a dielectric material having a larger lattice constant than the lower electrode is epitaxially grown, but also appears when the lattice constant of the dielectric is equal to or smaller than that of the lower electrode. In particular, the unit cell volume V of the dielectric film is reduced to the original unit cell volume V by sputtering.0It becomes remarkable when it is larger than 1%. However, when a dielectric material having a lattice constant larger than that of the lower electrode is originally epitaxially grown, even if a dielectric film having the same orientation as the crystal orientation of the lower electrode is obtained, the lattice constant in the plane direction is not necessarily equal to that of the lower electrode. It doesn't always grow in perfect agreement. That is, the lattice mismatch is relaxed at or near the electrode interface, and an attempt is made to return to the original lattice constant of the dielectric. It is considered that such a relaxation of the lattice constant is mainly caused by a mismatch transition in the dielectric film. It goes without saying that the extent to which such relaxation occurs depends on the method of forming the dielectric, the film forming conditions, the crystallinity, surface roughness, and surface state of the lower electrode.
[0042]
However, the degree of such lattice relaxation greatly affects the characteristics of the obtained ferroelectric film or dielectric film. That is, as will be described in detail in the following embodiments, when the dielectric constant of the dielectric thin film is remarkably relaxed, the ferroelectric characteristic or the dielectric characteristic does not follow at a high frequency. On the other hand, in the case of a material with little relaxation of the distortion, the dielectric characteristic follows up to a high frequency.
[0043]
The dielectric constant can be followed up to a sufficiently high frequency (1 MHz) with little relaxation of the distortion because the lattice constant a in the plane direction of the lower electrode obtained by X-ray diffractionsRatio of the lattice constant a in the plane direction of the dielectric after epitaxial growth to the ratio a / asBut a / as<1.002. Ratio a / asIs 1.002 or more, the frequency dispersion of the dielectric characteristics and ferroelectric characteristics is large, and sufficiently high dielectric characteristics cannot be obtained at a high frequency.
[0044]
Based on the above principle, in the first embodiment of the present invention, the original cubic system (lattice constant a0)), The unit cell volume of the perovskite crystal structure belonging to0= A0 3The volume of a unit lattice (lattice constant a = b ≠ c) of a dielectric film deformed into a tetragonal crystal after epitaxial growth is represented by V = a2When expressed as c,
V / V0≧ 1.01
And a ratio c / a of a lattice constant c in a film thickness direction and a lattice constant a in a direction parallel to the film surface is 1.01 or more. Is provided.
[0045]
Preferred V / V0Is 1.01. Note that V / V0Is not particularly limited as long as the crystal is not destroyed, but is usually 1.05.
[0046]
The upper limit of c / a is preferably 1.03 when the dielectric thin film is paraelectric, and 1.08 when it is ferroelectric.
[0047]
In the second aspect of the present invention, when epitaxially growing a cubic perovskite-type dielectric material on an electrode, the lattice constant of the bulk original dielectric material is set to a0, The lattice constant a of the electrode material surfacesThen, a0Is asIs approximately equal to or less than
a0/ As≤1.002
Wherein the ratio c / a of the lattice constant c in the film thickness direction and the lattice constant a in the direction parallel to the film surface is 1.01 or more. Is provided.
[0048]
As an electrode material and a perovskite dielectric material satisfying such a relationship, for example, Pt and SrTiO3Combinations. Note that the lattice constant a of bulk cubic PtsIs 0.3923 nm, bulk cubic SrTiO3Has a lattice constant of 0.3905 nm.
[0049]
Thus, when a perovskite-type dielectric is epitaxially grown on the cubic electrode, the thin film becomes close to a single crystal. In general, it is known that a perovskite-type dielectric material has a larger dielectric constant as a structure closer to a single crystal without a grain boundary. In addition, since the grain boundaries of a thin film closer to a single crystal are very small, the leakage current is smaller than that of a polycrystalline film.
[0050]
In the perovskite dielectric thin film according to the present invention, the ratio c / a of the lattice constant c in the thickness direction, ie, the [001] direction, to the lattice constant a in the direction parallel to the film surface, ie, the [100] direction, is 1.01 or more. Means that the lattice constant in the thickness direction increases, the lattice constant parallel to the film surface shrinks, the cubic crystal structure is broken, and the thin film has a tetragonal crystal structure. .
[0051]
The present inventors have found that, as described above, a large dielectric constant can be obtained in a perovskite-type dielectric thin film having a crystal structure close to a tetragonal structure due to a distorted crystal lattice. As described above, the reason why a large dielectric constant is obtained when the crystal lattice is distorted is, for example, SrTiO.3This is considered to be because Ti atoms are easily displaced in the crystal lattice and polarization is facilitated.
[0052]
The value of the ratio c / a of the lattice constant c in the thickness direction of the perovskite thin film of the present invention to the lattice constant a parallel to the film surface is preferably 1.1 or less. This is because if the value of c / a exceeds 1.1, a desired crystal structure cannot be maintained.
[0053]
On the other hand, when ferroelectricity is induced by utilizing lattice mismatch, as in the third aspect of the present invention, a0/ AsIs desirably 1.002 or more. At a ratio smaller than this, a rise in the Curie temperature due to the epitaxial effect is not seen, or even if it is seen, it is difficult to obtain a ferroelectric substance having a large spontaneous polarization. On the other hand, a0/ AsThe reason for limiting the ratio to 1.015 or less is that if the ratio is larger than this, misfit transition occurs during the epitaxial growth of the dielectric film on the substrate. This is because a sufficient increase in Curie temperature cannot be obtained.
[0054]
a0/ AsIs preferably 1.004 or more in order to obtain more remarkable ferroelectricity. If the ratio is 1.011 or less, misfit of the lattice constant is small. Regardless, a dielectric film of epitaxial growth having relatively uniform lattice constant and good crystallinity is easily obtained.
[0055]
In the present invention, as described above, a0/ AsWhen the ratio is 1.002 or more, the lattice constant a in the in-plane direction after film formation is a / asIs 1.002 or less. The reason is that, when the lattice constant in the plane direction of the substrate and that of the dielectric after film formation match, the strain inside the dielectric film introduced by the epitaxial effect becomes constant, and as a result, This is because the ferroelectric characteristics or the distribution of the dielectric characteristics is reduced, good frequency characteristics of the ferroelectric characteristics and the dielectric characteristics are obtained, and high-speed driving becomes possible.
[0056]
As described above, in order to produce a dielectric film having a lattice constant (a-axis) having a size equal to the lattice constant (a-axis) of the lower electrode, the surface treatment of the lower electrode before forming the dielectric film Alternatively, it is necessary to optimize the initial formation conditions for producing the dielectric film. For example, by spraying oxygen activated by plasma onto the surface of the lower electrode before manufacturing the dielectric, a dielectric film with less lattice constant mismatch between the dielectric and the lower electrode can be formed. In the initial stage of dielectric film formation, forming a dielectric film at a slow film formation rate of 1 nm / min or less for the first few atomic layers has a lattice constant more consistent with that of the lower electrode. This is advantageous in forming a dielectric film.
[0057]
When the ferroelectricity is induced by strain in the present invention, the Curie temperature specific to the dielectric material is desirably 200 ° C. or less. The reason is that a material having a Curie temperature exceeding 200 ° C. usually contains lead or bismuth as a main component, so that it is difficult to suppress a change in composition due to evaporation of lead or bismuth at the time of forming a thin film, and, consequently, a good dielectric material. This is because it is difficult to obtain a body membrane. In addition, when lead or bismuth is integrated, it is difficult to control the composition because it easily diffuses from the dielectric film to other electrodes, insulating films, and the like. Furthermore, since the Curie temperature of a dielectric material having a Curie temperature exceeding 200 ° C. is originally sufficiently high, there is no problem even if the Curie temperature is used as it is, and the effect obtained by applying the present invention is small.
[0058]
The perovskite-type dielectric materials and electrode materials that can be used in the thin-film capacitor of the present invention described above include the following.
[0059]
That is, as an example of a dielectric material having a perovskite crystal structure, the formula ABO is used.3The compound represented by these is mentioned.
[0060]
In the formula, A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and B is Ti, Zr, Hf, Sn, Mg1/3Nb2/3, Mg1/3Ta2/3, Zn1/3Nb2/3, Zn1/3Ta2/3, Ni1/3Nb2/3, Ni1/3Ta2/3, Co1/3Nb2/3, Co1/3Ta2/3, Sc1/3Nb2/3, And Sc1/3Ta2/3At least one selected from the group consisting of:
[0061]
Among these, in particular, (BaxSr1-x) TiO3A compound represented by (0 <x <0.9, preferably 0 <x <0.7, more preferably 0.05 <x <0.24), (BaxSr1-xyCay) TiO3Compounds represented by (0 <x <0.9, preferably 0 <x <0.7, more preferably 0.05 <x <0.24, 0.01 <y <0.12) are preferred.
[0062]
Specifically, barium titanate (BaTiO3), Strontium titanate (SrTiO3), Calcium titanate (CaTiO3), Barium stannate (BaSnO)3), Barium zirconate (BaZrO)3), Barium magnesium tantalate (Ba (Mg1/3Ta2/3) O3), Magnesium barium niobate (Ba (Mg1/3Nb2/3) O3), And oxides obtained by simultaneously dissolving a plurality of oxides among these oxides.
[0063]
As described above, the composition formula is ABO3In the dielectric having a perovskite crystal structure represented by the formula, A is mainly composed of Ba, but a part of Ba may be replaced with at least one element of Sr and Ca. B is mainly Ti, but a part of Ti is similarly converted to Zr, Hf, Sn, (Mg1/3Nb2/3), (Mg1/3Ta2/3), (Zn1/3Nb2/3), (Zn1/3Ta2/3) May be replaced with at least one element. The reason why these compositions are desirable is that the oxides of these constituent elements (BaO, SrO, CaO, etc.) all have a sufficiently high melting point of 1000 ° C. or more, so that even if the film is formed at about 600 ° C. Is less likely to evaporate and compositional deviation is less likely to occur.
[0064]
Therefore, although it is not desirable to replace the A site with a low-melting element such as Pb, it is preferable that the content be 20% or less even if the replacement is required. The Curie temperature of a perovskite oxide composed of a combination of these elements is BaTiO, which has the highest Curie temperature when not replaced by Pb at all.3Is 120 ° C., and is not practical as a ferroelectric thin film as described above if the material is at its original Curie temperature.
[0065]
The first electrode (lower electrode) in the present invention is made of a cubic or tetragonal electrode material.3Wherein A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, and La, and B is selected from the group consisting of Ru, Ir, Mo, W, Co, Ni, and Cr. (At least one kind) of a conductive compound having a perovskite crystal structure.
[0066]
Among these materials, SrRuO3Is preferred. In this case, the ratio of Sr to Ru (Sr / Ru) preferably satisfies 0.9 ≦ Sr / Ru ≦ 1.1. Also, SrRuO3Regarding the crystallinity, the full width at half maximum of the rocking curve is preferably 0.2 ° or less.
[0067]
Pt, Ir, Rh, Au can be used as an electrode material other than the above-mentioned conductive compound. In particular, Pt is SrRuO.3The same effect as is expected.
[0068]
Note that the lattice constant a of the lower electrodesIs selected so that a dielectric having a larger lattice constant can be selected when a dielectric to be formed thereon is selected.sIs preferably a material of 0.3935 nm or more.
[0069]
In the present invention, the growth direction of these perovskite-type dielectrics when epitaxially growing on a substrate is such that the (100) plane of the perovskite-type dielectric is grown parallel to the (100) plane of the conductive substrate. desirable. In the case where the conductor substrate is further epitaxially grown on the substrate therebelow and strain is introduced due to lattice constant mismatch with the substrate, the above-mentioned range is defined.sInstead of using the original lattice constant of the conductor material, it is natural to apply the lattice constant in the plane direction after strain is introduced by epitaxial growth.
[0070]
Further, in addition to the above-described conditions regarding the relationship between the lower electrode and the lattice constant of the dielectric, the use of a conductive perovskite oxide as the upper electrode further increases the dielectric constant or, in the case of ferroelectricity, a large residual amount. It is possible to obtain polarization.
[0071]
Examples of the method for forming the dielectric film include reactive evaporation, RF sputtering, MOCVD, laser ablation, and sol-gel method. Among them, a sputtering method in which a large strain is easily introduced is preferable.
[0072]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0073]
Example 1
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a thin film capacitor according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, the lower electrode material is SrRuO3, Ba as a dielectric0.12Sr0.88TiO3A membrane was used. Note that SrRuO3Has an intrinsic lattice constant of about 0.393 nm,0.12Sr0.88TiO3Has a perovskite-type structure originally belonging to a cubic structure at room temperature, and the original lattice constant of its bulk is a0= 0.3915 nm.
[0074]
SrTiO3The lower electrode SrRuO was formed on a (100) single crystal substrate (10 mm × 10 mm) 1 by RF magnetron sputtering.3Film 2 and dielectric film Ba0.12Sr0.88TiO3The
[0075]
Ba0.12Sr0.88TiO3The
[0076]
[Table 1]
[0077]
Ba having a thickness of 77 nm formed as described above0.12Sr0.88TiO3The results of the composition analysis of the film are shown in Table 2 below. The composition analysis was performed by ICP emission spectroscopy. SrRuO as lower electrode3In order to dissolve the film, an etching solution composed of a mixture of ammonia water, hydrogen peroxide and EDTA was used. The composition had a Ba / (Ba + Sr) ratio of about 0.12 and a (Ba + Sr) / Ti ratio of about 1.06.
[0078]
[Table 2]
[0079]
FIG. 2 shows a Ba having a thickness of 39 nm.0.12Sr0.88TiO34 shows the results of X-ray diffraction (θ-2θ method) on the film. SrTiO used as substrate3SrRuO used as the lower electrode other than the diffraction peak from3And Ba as a dielectric film0.12Sr0.88TiO3It is considered that the diffraction peak from was observed without separation. These diffraction peaks are all limited to those from the (00l) plane, and show good crystal orientation.
[0080]
The lattice constant obtained from X-ray diffraction is SrRuO3Membrane, Ba0.12Sr0.88TiO3The films were the same, and the lattice constant a in the film surface direction was 0.3905 nm, and the lattice constant c in the film thickness direction was 0.3988 nm. That is, Ba0.12Sr0.88TiO3The conductive substrate surface on which the film grows, ie, SrRuO3The lattice constant of the film surface is as= 0.3905 nm.
[0081]
Therefore, the original lattice constant a of the dielectric0= 0.3915 nm and the lattice constant a of the substrate surfacesMeans a0/ As= 1.0025, and there is a lattice mismatch. On the other hand, the lattice constant a = 0.3905 nm in the film surface direction of the dielectric film after film formation, and the lattice constant a of the substrate surfacesMeans a / as= 1.00, indicating that the dielectric film grows without relaxing the lattice constant in the film surface direction.
[0082]
Comparing the change in the unit cell volume of the dielectric film, Ba0.12Sr0.88TiO3The original symmetry (cubic) lattice constant (a0= 0.3915 nm)0Is 0.06001 nm3In contrast, Ba after epitaxial growth0.12Sr0.88TiO3The unit cell volume V of the film is 0.06081 nm3And the change in unit cell volume V / V0Was 1.013.
[0083]
FIG. 3 shows SrRuO3(002) and Ba0.12Sr0.88TiO37 shows a rocking curve related to a diffraction peak which is considered to include both (002). The value of the full width at half maximum (FWHM) is about 0.125 °, and SrRuO3Membrane and Ba0.12Sr0.88TiO3Both films show that the crystallinity is relatively good.
[0084]
FIG. 4 shows a Ba film having a thickness of 77 nm.0.12Sr0.88TiO3FIG. 5 shows the bias electric field dependence of the relative permittivity of the film, and FIG. 5 shows the bias electric field dependence of the dielectric loss. The measurement was performed at 10 kHz and 0.1 V using an LCR meter. FIGS. 4 and 5 show that the dielectric constant and the dielectric loss reach their maximum values near zero bias electric field and decrease as the bias electric field increases. It is considered that the decrease in the relative dielectric constant is accompanied by polarization saturation. The maximum value of the relative dielectric constant is about 740, and
[0085]
FIG. 6 and FIG.0.12Sr0.88TiO34 shows the bias electric field dependence of the relative permittivity and the dielectric loss coefficient of the film. The measurement was performed at 40 kHz and 0.1 V. The maximum value of the relative dielectric constant is about 590, and it can be seen that the relative dielectric constant decreases as the film thickness decreases. However, SiO2The converted film thickness corresponds to about 0.26 nm, and the increase in the accumulated charge amount by reducing the film thickness is apparent.
[0086]
FIG. 8 shows the thicknesses of 39 nm and 77 nm Ba.0.12Sr0.88TiO33 shows the temperature dependence of the relative dielectric constant and the dielectric loss coefficient of a film. The measurement was performed at a frequency of 1 kHz in a temperature range from room temperature to 200 ° C. From FIG. 8, it can be seen that the relative permittivity decreases with increasing temperature for both the film thicknesses of 77 nm and 39 nm. Therefore, it is considered that the ferroelectric phase transition temperature (Curie temperature) exists on a lower temperature side than room temperature. The temperature change of the relative dielectric constant is abrupt for a thick 77 nm, while it is relatively slow for a thin 39 nm. At room temperature, the difference in relative dielectric constant depending on the film thickness is large, but tends to decrease as the temperature rises.
[0087]
Such behavior of the temperature dependence of the relative dielectric constant and the dielectric loss coefficient is similar to the temperature dependence of the dielectric constant observed when an electric field is applied. That is, near the Curie temperature, the difference in the dielectric constant due to the presence or absence of an electric field is large, but as the distance from the Curie temperature increases, the magnitude of the dielectric constant itself decreases, and the difference due to the presence or absence of the electric field also decreases. Therefore, the decrease in the relative dielectric constant due to the decrease in the film thickness can be explained by assuming that an internal electric field exists inside the film (or an electric field exists near the electrode) in a thin film. Seem.
[0088]
The dielectric loss is about 2% in a temperature range of 100 ° C. or less, and shows a substantially constant value regardless of the temperature. Thin films have a greater loss at high temperatures. As the temperature rises, some conduction carriers may be excited to increase the dielectric loss, and it is expected that a thin film has a higher carrier density.
[0089]
FIG. 9 shows the thickness of Ba of 39 nm and 77 nm.0.12Sr0.88TiO34 shows the frequency dependence of the relative dielectric constant and the dielectric loss coefficient of a film. From FIG. 9, in the frequency region of 100 kHz or less, the relative dielectric constant gradually decreases as the frequency increases for both the film thicknesses of 77 nm and 39 nm, and a dielectric dispersion phenomenon is observed. In this range, the dielectric loss is constant at approximately 2%.
[0090]
At a frequency of 100 kHz or more, the dielectric loss sharply increases and the relative dielectric constant also decreases. This is due to the SrRuO in series with the capacitor.3It is considered that the resistance component of the film controls the charge and discharge of the capacitor at high frequencies. To support this, if the frequency is plotted on a linear scale, the dielectric loss is almost proportional to the frequency in this region.
[0091]
FIG. 10 shows the thicknesses of 39 nm and 77 nm Ba.0.12Sr0.88TiO35 shows a change in charge density (D-V curve) stored in the capacitor when an AC voltage (500 Hz, triangular wave) is applied to a capacitor having a film as a dielectric film. For the measurement, an improved Sawyer tower circuit that was self-made using an operational amplifier was used.
[0092]
In the vicinity of the voltage of 0 V, the slope of the curve is large, which corresponds to a large relative permittivity. Regardless of the film thickness, the charge density tends to be saturated as the voltage increases. Although a small amount of hysteresis is observed when the voltage rises and falls, it is not clear from this measurement alone whether this is due to ferroelectricity or leakage current.
[0093]
FIG. 11 shows the thicknesses of 39 nm and 77 nm Ba.0.12Sr0.88TiO3The relationship between the amplitude of the AC voltage (peak to peak) and the amplitude of the accumulated charge density (peak to peak) in a capacitor using the film as a dielectric film is shown. Ba0.12Sr0.88TiO3When the thickness of the film is compared between 39 nm and 77 nm, the thinner the film, the sharper the rise of the charge amount in the low voltage region, and the effect of the thinner film appears. Ba with a thickness of 39 nm0.12Sr0.88TiO3Looking at the film, the voltage amplitude is 1.5VppWhen the amplitude of the charge density is about 0.2 C / m2It is. From this SiO2When the converted film thickness is calculated with the relative dielectric constant of 4 as a value, about 0.265 nm is obtained. This value is substantially equal to the reduced film thickness estimated from the maximum value of the relative permittivity in the bias electric field dependence of the relative permittivity.
[0094]
In general, a high dielectric constant film has a large bias electric field dependence of the relative dielectric constant. Therefore, when the application of this dielectric film to a DRAM is to be considered, the measured value of the amount of stored charge indicates that the
[0095]
When the application of this dielectric film to a DRAM is considered, it is necessary to examine a change in the amount of accumulated charge with respect to a pulse. FIG. 12 shows an AC pulse waveform (a) and a charge / discharge current waveform (b) for the capacitor. The pulse voltage had an amplitude from -1 V to +1 V, and the period was 10 μs. As for the current waveform, a resistor of 100Ω was connected in series with the capacitor, and the voltage between both ends was monitored. The voltage and current waveforms were monitored using a digital oscilloscope.
[0096]
Since the charge / discharge current waveform is sufficiently attenuated at about 1000 ns, the integration time for obtaining the charge amount was set to about 2000 ns. The capacity of the sample is about 1 nF.
[0097]
FIG. 13 shows the change in the amount of accumulated charge measured in this manner depending on the number of times of pulse application. The accumulated charge amount is about 0.24 C / m2Which is the
[0098]
FIGS. 14 and 15 show the thicknesses of Ba and 77 nm, respectively.0.12Sr0.88TiO35 shows current density-voltage characteristics (JV characteristics) of the film. From FIGS. 14 and 15, it can be seen that in the low voltage region, a phenomenon in which the current rather decreases with the voltage is observed. This is considered to be due to the absorption current. It is considered that the reason why the absorption current is large in the low voltage region is that the dielectric constant in the film is large because the dielectric constant is large.
[0099]
It is known that when a DC voltage is applied to a dielectric film for a long time, the insulation resistance gradually deteriorates. FIG. 16 shows a Ba having a thickness of 39 nm.0.12Sr0.88TiO3FIG. 6 shows a temporal change in a leak current when a DC positive voltage (a) and a negative voltage (b) are continuously applied to the film for a long time. Although +5 V and -5 V correspond to an electric field strength of about 1.3 MV / cm, it can be seen from FIG. 16 that almost no increase in the leakage current is observed even after 30 minutes.
[0100]
FIG. 17 shows a Ba having a thickness of 39 nm.0.12Sr0.88TiO3The relationship between the leak current density and the voltage when the temperature is changed from room temperature to 150 ° C. in the film is shown. From FIG. 17, it can be seen that, in the high voltage region, the leak current tends to increase as the temperature increases, and the conduction of the leak current is governed by the number of thermally excited carriers. However, the relationship between the reciprocal (1 / T) of the absolute temperature and the current density was not always linear. This indicates that the number of conduction carriers does not increase or decrease only by the probability of being thermally excited.
[0101]
There is a difference in the value of the leak current density between when the voltage rises and when the voltage falls. At a low temperature, the value of the leak current at the time of voltage drop is smaller than that at the time of voltage rise. When the voltage rises, a so-called absorption current is superimposed on the leak current, so that a large measurement value is obtained. When the voltage falls, the absorption current is absorbed and the charge is released, so the current is superimposed as a current in the opposite direction to the leakage current. it is conceivable that.
[0102]
On the other hand, on the high temperature side, the leak current density is higher at the time of voltage drop than at the time of voltage rise. Although the cause is not necessarily clear, at a high temperature, there is a possibility that resistance deterioration is promoted by a voltage during measurement.
[0103]
FIG. 18 shows the relationship between the square root of the voltage on the horizontal axis and the current density. From FIG. 18, in the high-pressure region, the current density and the square root of the voltage are in a linear relationship, and the explanation is based on the Schottky emission model or the Pool-Frenkel conduction in which the conduction carriers are excited by overcoming the Coulomb potential. We can see that we can do it.
[0104]
The slope of this straight line is almost conserved regardless of the temperature. Although the change in the number of carriers excited by temperature cannot be explained by simple thermal excitation, it indicates that the potential shapes in which the carriers are constrained are always equal, that is, the types of carriers are the same.
[0105]
Here, in the first embodiment, SrRuO3The case where a membrane is used will be described. FIG. 19 is a view showing Ba manufactured by the same method as described above.0.12Sr0.88TiO3SrRuO as an upper electrode on the film (thickness: 23 nm)3Ba when a film is formed0.12Sr0.88TiO34 shows the electric field dependence of the dielectric constant and dielectric loss of the film. This Ba0.12Sr0.88TiO3Although the film is as thin as 23 nm, a maximum relative dielectric constant of 700 or more is obtained. As described above, the dielectric constant is improved by controlling the relationship between the lattice constant of the lower electrode and the dielectric in the present invention. In addition to this, the use of a conductive perovskite oxide as the upper electrode further increases the dielectric constant. It can be seen that there is an effect in improving the dielectric constant.
[0106]
Comparative Example 1
As a comparative example, a Pt film was epitaxially grown as a lower electrode on an MgO (100) substrate, and Ba was formed thereon.0.24Sr0.76TiO3The case where the film is epitaxially grown will be described. The original lattice constant of Pt is 0.3923 nm, and Ba0.24Sr0.76TiO3Originally belongs to the cubic system, and its lattice constant is a0= 0.393 nm.
[0107]
In the case of a Pt film, the lattice constant of the film after epitaxial growth is the lattice constant a in the in-plane direction of the film.sIs 0.3915 nm, and the lattice constant c in the film thickness direction issWas 0.3935 nm. On the other hand, Ba0.24Sr0.76TiO3Regarding the lattice constant of the film, the lattice constant a in the in-plane direction of the film was 0.3925 nm, and the lattice constant c in the film thickness direction was 0.4001 nm. This Ba0.24Sr0.76TiO3In the case of a film, the original lattice constant a0= 0.393 nm is the lattice constant a of the substrate.s= Ratio a for 0.3915 nm0/ AsIs 1.004.
[0108]
Further, when the change in the unit cell volume is estimated, the unit volume V of the original cubic lattice (a = 0.393 nm) is obtained.0Is 0.06069 nm3Whereas the unit cell volume after epitaxial growth V = a2The value of c becomes 0.06163, and the volume change ratio V / V0Is 1.015. It is considered that due to such lattice mismatch with the lower electrode and expansion of the unit lattice volume, the crystal structure originally belonging to the cubic system is distorted into the tetragonal system, and the lattice constant in the film thickness direction is extended.
[0109]
However, comparing the in-plane lattice constant with the lower electrode, the in-plane lattice constant asIs 0.3915 nm, whereas the dielectric film Ba0.24Sr0.76TiO3The in-plane lattice constant a after the epitaxial growth of the film is 0.3925 nm, and the ratio a / a representing the degree of relaxation.sIs 1.0025. Thus, Comparative Example 1 is different from Example 1 in that the strain is relaxed.
[0110]
FIG. 20 shows the Ba produced in Comparative Example 1.0.24Sr0.76TiO33 shows the frequency dependence of relative permittivity and dielectric loss for a film. Ba according to Comparative Example 10.24Sr0.76TiO3In the film, the frequency dependence of the dielectric constant is very large, and the dielectric loss shows a large value of 6-8% over a wide frequency range. The frequency dispersion of the dielectric characteristics is caused by the relaxation of the strain, that is, the distribution of the relative permittivity or the conductivity or the distribution of the both inside the dielectric film. Such relaxation of the lattice constant distortion is remarkably observed in a dielectric film to which distortion is originally introduced due to lattice constant mismatch.
[0111]
In FIG. 21, Ba manufactured according to Comparative Example 1 was used.0.24Sr0.76TiO3Leakage current characteristics of the film and Ba according to Example 10.12Sr0.88TiO3The leak current characteristics of the films were compared. In the dielectric film of Comparative Example 1 in which the degree of relaxation of the lattice strain is large, a larger leak current flows than in the dielectric film of Example 1 in which the degree of relaxation is small. As described above, it is considered that the reason why the leakage current is large in the film in which the strain is relaxed is large is that the crystal dislocation is introduced as the strain is relaxed, and the crystal dislocation becomes a supply source of the conduction carrier.
[0112]
Example 2
The second embodiment of the present invention describes a case where the present invention is applied to a dielectric thin film having a lattice constant which is essentially the same as or smaller than the lattice constant of the lower electrode surface.
[0113]
As shown in FIG. 1, a
[0114]
A 4-inch diameter Pt target was sputtered by RF sputtering to form a
[0115]
The formed
[0116]
Next, a 4-
[0117]
The reason for performing such a two-stage deposition is that O2This is because an STO epitaxial film cannot be obtained due to slight oxidation of the Pt surface when deposited in an atmosphere of = 100 sccm.
[0118]
The formed
[0119]
Examining the change of the unit cell volume, SrTiO3Unit cell volume V calculated from the original symmetry (cubic) lattice constant (a = 0.3905 nm) of0Is 0.05955 nm3Whereas SrTiO after epitaxial growth3The unit cell volume V of the
[0120]
Thereafter, after forming a resist film having a predetermined pattern, a 100 nm-thick Pt film was deposited at room temperature by an RF sputtering method, and patterned by a lift-off method to form an
[0121]
Comparative Example 2
A method similar to that of Example 2 was used, except that an SrTiO film having a thickness of 80 nm was formed on the lower electrode 2.3(STO) When depositing the dielectric
[0122]
SrTiO based on X-ray diffraction3When the lattice constant of the
[0123]
On the other hand, the unit cell volume V after film formation is 0.05993 nm3And the change in unit cell volume V / V0Was 1.006. Hereinafter, in the same manner as in Example 2, a thin film capacitor having the structure shown in FIG.
[0124]
Next, the electrical characteristics of the thin film capacitors of Example 2 and Comparative Example 2 manufactured as described above were examined.
[0125]
FIG. 22 shows the relative dielectric constant-bias electric field characteristic of the thin film capacitor at 300K. The relative dielectric constant of the thin film capacitor according to Comparative Example 2 was 300, whereas the relative dielectric constant of the thin film capacitor according to Example 2 was 450, which was larger than that of the bulk crystal (relative dielectric constant of about 350). SrTiO of Example 23The reason why the film shows a large relative dielectric constant is that the unit cell volume is expanded by the peening effect of oxygen because the film is deposited in an atmosphere having a high oxygen content, and the lattice constant of the film surface is restricted by the substrate of the lower electrode. In addition, it is considered that the crystal lattice extended in the film thickness direction and the crystal structure changed to tetragonal.
[0126]
FIG. 23 shows the result of measuring the temperature dependence of the relative dielectric constant. The maximum value of the relative dielectric constant is the value of SrTiO of Example 2.3In the film, the temperature was around −50 ° C., and SrTiO of Comparative Example 2 was used.3The temperature is around -150 ° C for the film. As can be seen from this figure, the SrTiO of Example 23The film shows a large relative dielectric constant over a wide temperature range around room temperature.
[0127]
In addition, SrTiO3When the composition (molar ratio of Sr and Ti) of the dielectric thin film was analyzed, the value of the Sr / Ti ratio was found to be
[0128]
Example 3
The third embodiment of the present invention is a case where the present invention is applied to a ferroelectric thin film in which ferroelectricity is induced by strain. In this case, the frequency characteristics of remanent polarization in the ferroelectric thin film are improved.
[0129]
First, as shown in FIG.3On a (100)
[0130]
By X-ray diffraction, Ba0.1Sr0.9RuO3The
[0131]
Further, the lattice constant a in the plane of the lower electrode defined in the present invention asCorresponds to an in-plane lattice constant of 0.3935 nm.
[0132]
This Ba0.1Sr0.9RuO3On the film, BaTiO having a thickness of about 200 nm is formed as a ferroelectric film 3.3The film was formed by an RF magnetron sputtering method. BaTiO is used as a sputtering target.3A sintered body (4 inch diameter, 5 mm thickness) was used. The substrate temperature during the film formation was set at 600 ° C., and the sputtering atmosphere was argon (Ar) and oxygen (O 2).2) Mixed gas (Ar: O2= 40:10 sccm), and the distance between the substrate and the target was 140 mm. The RF power applied to the target was set to 600 W. The composition of the prepared film was analyzed by the ICP method, and it was confirmed that all of the films had almost stoichiometric compositions.
[0133]
In this case, Ba0.1Sr0.9RuO3In-plane lattice constant a of the filmsIs 0.3935 nm, BaTiO3(Tetragonal) a-axis material lattice constant a0Is known to be about 0.3992 nm (BaTiO3The original c-axis is 0.4036 nm).0/ As= 1.014. Therefore, in the present invention, a0/ AsSatisfies the condition of 1.002 or more and 1.015 or less.
[0134]
Next, as Comparative Example 3, SrTiO having a smooth surface was produced in the same manner as in this example.3 On a (100)
[0135]
This Ba0.1Sr0.9RuO3BaTiO having a thickness of about 200 nm as a
[0136]
That is, as the sputtering conditions of Comparative Example 3, the distance between the substrate and the target and the applied power are different from those of Example 3, and the
[0137]
Thus, two types of BaTiO manufactured under different sputtering conditions.3For the film (Example 3 and Comparative Example 3), when the crystal orientation and the lattice constant were measured in detail by the X-ray diffraction method and the RHEED method, the following results were obtained. That is, in both cases,0.1Sr0.9RuO3On the (001) film, (001) oriented BaTiO3A film is obtained, and also in the in-plane rotation direction, Ba as the
[0138]
However, BaTiO3Regarding the lattice constant of the film, there was a difference between Example 3 and Comparative Example 3 as shown in Table 3 below.
[0139]
[Table 3]
[0140]
From the above Table 3, it is found that BaTiO manufactured in Example 3 with a distance between the substrate and the target of 140 mm and an applied RF power of 600 W.3As for the film, the lattice constant in the film thickness direction is 0.432 nm, and the lattice constant a in the plane is 0.394 nm. That is, BaTiO after film formation3The lattice constant a in the plane direction of the film and the substrate Ba0.1Sr0.9RuO3Lattice constant a in the plane direction of the filmsRatio, a / asIs less than 1.002 within the range defined by the present invention.
[0141]
On the other hand, the comparative example 3 was made of BaTiO manufactured at a substrate-target distance of 170 mm and an input RF power of 400 W.3Regarding the film, the lattice constant in the thickness direction was 0.423 nm, and the lattice constant a in the plane direction was 0.399 nm. That is, BaTiO after film formation3The lattice constant a in the plane direction of the film and the substrate Ba0.1Sr0.9RuO3Lattice constant a in the plane direction of the filmsRatio, a / asIs not less than 1.01 and less than 1.002, which is outside the range defined by the present invention.
[0142]
These BaTiO3A Pt film was formed on the film as the
[0143]
Thus, two types of BaTiO having different sputtering conditions and resulting lattice constants are used.3For the films (Example 3 and Comparative Example 3), DE hysteresis measurements were performed at various frequencies. The measurement was performed at room temperature (22 ° C.) using a Sawyer tower circuit with a maximum voltage amplitude of 10 V.
[0144]
FIG. 24 shows BaTiO of Example 3 and Comparative Example 3.3Twice the remanent polarization of the film, 2Pr (C / m2) Shows the frequency dependence of the above. From FIG. 24, at a low frequency of 60 Hz or less, the BaTiO of Example 3 was used.3Film and BaTiO of Comparative Example 33Although the film has almost the same remanent polarization, the BaTiO of Comparative Example 3 becomes higher as the frequency increases.3The remanent polarization of the film is reduced, and at 100 kHz, the BaTiO of Example 3 is used.3It can be seen that only about half the remanent polarization of the film can be obtained.
[0145]
In contrast, the BaTiO of Example 33In the film, the decrease in remanent polarization is only about 5% in the range from 5 Hz to 100 kHz. Thus, it can be seen that the epitaxial ferroelectric thin film within the range specified by the present invention can maintain good ferroelectric properties up to high frequencies.
[0146]
Example 4
As shown in FIG. 1, first, SrTiO3A (00l) oriented SrRuO as a
[0147]
By X-ray diffraction, SrRuO3The film was confirmed to be a (001) oriented film having a perovskite-type crystal structure. When the film was formed by sputtering in such a method, the lattice constant in the film thickness direction was about 0.398 nm, and the Was confirmed to have a lattice constant of about 0.3925 nm. Therefore, the SrRuO created in this way is3The film has tetragonal crystal symmetry and corresponds to the lower electrode defined in the present invention. Further, the lattice constant a in the plane direction of the lower electrode defined in the present invention issCorresponds to a lattice constant of 0.3925 nm in the plane direction.
[0148]
This SrRuO3On the film, Ba having a thickness of about 130 nm is formed as the ferroelectric film 3.0.5Sr0.5TiO3The film was formed by an RF magnetron sputtering method. Ba is used as a sputtering target.0.5Sr0.5TiO3A sintered body (4 inch diameter, 5 mm thickness) was used. The substrate temperature during the film formation was set at 600 ° C., and the sputtering atmosphere was argon (Ar) and oxygen (O 2).2) Mixed gas (Ar: O2= 40:10 sccm), and the distance between the substrate and the target was 140 mm. The RF power applied to the target was set to 600 W. The composition of the prepared film was analyzed by the ICP method, and it was confirmed that all of the films had almost stoichiometric compositions.
[0149]
In this case, SrRuO3Lattice constant a in the plane direction of the filmsIs 0.3925 nm, Ba0.5Sr0.5TiO3(Tetragonal) a-axis material lattice constant a0Is known to be about 0.395 nm, and for this example, a0/ As= 1.006. Therefore, in the present invention, a0/ AsSatisfies the condition of 1.002 or more and 1.015 or less.
[0150]
Next, as Comparative Example 4, SrTiO having a smooth surface was produced in the same manner as in this example.3 On a (100)
[0151]
This SrRuO3On the film, Ba having a thickness of about 130 nm is formed as the ferroelectric film 3.0.5Sr0.5TiO3The film was formed by RF magnetron sputtering under conditions different from those in Example 4. Ba as a sputtering target0.5Sr0.5TiO3A sintered body (4 inch diameter, 5 mm thickness) was used. The substrate temperature during the film formation was set at 600 ° C., and the sputtering atmosphere was argon (Ar) and oxygen (O 2).2) Mixed gas (Ar: O2= 40:10 sccm), and the distance between the substrate and the target was 170 mm. The RF power applied to the target was 400 W. That is, as the sputtering conditions of Comparative Example 4, the distance between the substrate and the target and the input power were different from those of Example 4, and the conditions were the same as in Example 4.0.5Sr0.5TiO3A film was prepared.
[0152]
The two types of (Ba, Sr)
[0153]
However, Ba0.5Sr0.5TiO3Regarding the lattice constant of the film, there was a difference between Example 4 and Comparative Example 4 as shown in Table 4 below.
[0154]
[Table 4]
[0155]
That is, the Ba that was produced in Example 4 with the substrate-target distance of 140 mm and the input power of 600 W.0.5Sr0.5TiO3Regarding the film, the lattice constant in the film thickness direction was 0.413 nm, and the lattice constant a in the plane direction was 0.393 nm. That is, Ba after film formation.0.5Sr0.5TiO3The lattice constant a in the plane direction of the film and the substrate SrRuO3Lattice constant a in the plane direction of the filmsRatio, a / asIs less than 1.002 within the range defined by the present invention.
[0156]
On the other hand, the Ba prepared in Comparative Example 4 with a substrate-target distance of 170 mm and an input power of 400 W0.5Sr0.5TiO3As for the film, the lattice constant in the film thickness direction was 0.411 nm, and the lattice constant a in the plane direction was 0.394 nm. That is, Ba after film formation.0.5Sr0.5TiO3The lattice constant a in the plane direction of the film and the substrate SrRuO3Lattice constant a in the plane direction of the filmsRatio, a / asIs not less than 1.003 and less than 1.002, which is outside the range defined by the present invention.
[0157]
These BaSrTiO3A Pt film was formed on the film as the
[0158]
The two types of Ba of Example 4 and Comparative Example 4 thus manufactured.0.5Sr0.5TiO3The polarization retention characteristics of the films were compared. The retention characteristics were measured after 1 second and 10 minutes after applying a +5 V rectangular pulse (
[0159]
As a result, in Example 4, the charge amount differences dQ after 1 second and 10 minutes were both dQ = 0.12 C / m.2Met. On the other hand, in Comparative Example 4, the charge amount difference after one second was dQ = 0.10 C / m.2Despite being 10 minutes later, dQ = 0.01 C / m2It has dropped to the following value. That is, in Example 4, sufficient holding characteristics due to ferroelectricity were obtained, whereas in Comparative Example 4, sufficient holding characteristics were not obtained, and Comparative Example 4 was non-volatile. You can see that it is not suitable for application to memory.
[0160]
Example 5
As shown in FIG. 1, first, SrTiO3A (001) oriented SrRuO as a
[0161]
By X-ray diffraction, SrRuO3The film was confirmed to be a (001) oriented film having a perovskite-type crystal structure, and when formed by a sputtering method using such a method, the lattice constant in the film thickness direction was about 0.379 nm to 0.1 nm. It was confirmed that it was between 3991 nm and the lattice constant in the plane direction was between about 0.3906 nm and 0.3913 nm (Table 6). Therefore, the SrRuO created in this way is3The film has tetragonal crystal symmetry and corresponds to the lower electrode defined in the present invention. Further, the lattice constant a in the plane direction of the lower electrode defined in the present invention issCorresponds to a lattice constant in the plane direction of 0.391 nm.
[0162]
This SrRuO3On the film, a (Ba) film having a thickness of about 50 nmxSr1-xyCay) TiO3The film was formed by a ternary RF magnetron sputtering method using three targets. BaTiO is used as a sputtering target.3Sintered body, SrTiO3Sintered body and CaTiO3A sintered body (each having a diameter of 4 inches and a thickness of 5 mm) was used. The substrate temperature during the film formation was set at 600 ° C., and the sputtering atmosphere was argon (Ar) and oxygen (O 2).2) Mixed gas (Ar: O2= 40:10 sccm), and the distance between the substrate and the target was 140 mm. In addition, the RF power applied to the target is3600 W, SrTiO for sintered body3While supplying a constant power of 450 W to the sintered body, CaTiO3The sintered body was variable from 0 W to 500 W.
[0163]
Table 5 below shows the result of analyzing the composition of the formed film by ICP emission spectrometry. In addition, CaTiO3The relationship between the RF power applied to the sintered target and the amount of Ca in the dielectric film was determined, and the results shown in FIG. 25 were obtained. From FIG. 25, the amount of Ca in the dielectric film was CaTiO3It can be seen that it is almost proportional to the RF power applied to the sintered target. Ba measured using a level difference meterxSr1-xyCayTiO3It was found that the thickness of the film was distributed between 46 and 52 nm as shown in Table 5 below.
[0164]
[Table 5]
[0165]
Five kinds of (Ba) having different Ca contents formed in this mannerxSr1-xyCay) TiO3When the crystal structures of the films were analyzed by X-ray diffraction, all the films were (001) -oriented, and SrRuOO was in a so-called cube-on-cube relationship.3It was confirmed that the film was heteroepitaxially grown on the film. When the lattice constant was measured, as shown in Table 6 below, although a slight difference was observed depending on the amount of Ca, the lattice constant c in the film thickness direction was 0.422 nm to 0.428 in each case. In comparison with the original lattice constant, the lattice constant a in the plane direction is 5% or more compared with the original lattice constant.3It was completely coincident with the a-axis of the film, and it was confirmed that the film was not relaxed.
[0166]
[Table 6]
[0167]
Five kinds of (Ba) having different Ca contents formed in this wayxSr1-xyCay) TiO3On the film, a Pt film was formed as the
[0168]
The thus manufactured (Ba)xSr1-xyCay) TiO3When the current-voltage characteristics of the film were measured, as shown in FIG. 26, the film containing Ca exhibited a uniform reduction in the leak current in the high voltage region as compared with the film not containing Ca (y = 0). Admitted.
[0169]
The degree of such a decrease in the leak current does not depend on the amount y of Ca, and when the value of y is 2% or more, it is almost the same as that of the film of y = 0, regardless of the magnitude of y. The effect was recognized.
[0170]
On the other hand, when the relationship between the polarization P and the voltage V of these films was measured at 500 Hz using a Sawyer tower circuit, as shown in FIG.xSr1-xyCay) TiO3A hysteresis curve indicating ferroelectricity was also observed in the film. If these dielectric films are all bulk, they originally have a composition that should exhibit paraelectricity at room temperature. Therefore, also in these films, ferroelectricity is introduced by lattice mismatch. However, a difference in the shape of the hysteresis curve due to the amount of Ca was observed.
[0171]
FIG. 28 shows the relationship between the amplitude of the AC voltage used to measure the hysteresis curve and the remanent polarization obtained at that voltage amplitude. From this figure, it can be seen that as the Ca amount y increases, the voltage at which ferroelectric hysteresis starts to appear decreases according to the Ca amount. Moreover, it can be seen that the absolute value of the remanent polarization when the polarization is saturated is not inferior to the case where Ca is not replaced.
[0172]
Note that the present invention is not limited to the above embodiments.
[0173]
In the present invention, the composition formula is ABO3In the composition formula of the dielectric having a perovskite crystal structure represented by the formula, A is mainly composed of Ba, but Ba may be partially substituted with at least one element of Sr and Ca. . B is mainly Ti, but a part of Ti is similarly converted to Zr, Hf, Sn, (Mg1/3Nb2/3), (Mg1/3Ta2/3), (Zn1/3Nb2/3), (Zn1/3Ta2/3) May be replaced with at least one element. Further, as a method of forming the dielectric film, other than RF sputtering, a method such as reactive evaporation, MOCVD, laser ablation, or sol-gel method can be used.
[0174]
In the embodiment, a tetragonal conductive substrate is used, but a cubic conductive substrate may be used. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0175]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the dielectric constant is increased or ferroelectricity is induced by utilizing the expansion of the unit cell volume due to the film formation conditions or the mismatch of the lattice constant with the lower electrode. It is possible to suppress the frequency dependence of the dielectric constant, the high dielectric loss, and the frequency dependence of the remanent polarization, which have been problems in such a case.
[0176]
Therefore, it is possible to manufacture a highly reliable high dielectric constant film or ferroelectric thin film which does not contain a low melting point metal such as lead or bismuth as a component and has a large dielectric constant or a large remanent polarization. This makes it possible to realize a thin film capacitor suitable for increasing the capacity and increasing the integration density, and greatly contributes to DRAM technology or nonvolatile memory technology.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a thin film capacitor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the X-ray diffraction pattern of a film (film thickness 39nm).
FIG. 3 is Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the rocking curve regarding (002) of a film (film thickness 39nm).
FIG. 4 Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the bias electric field dependence of the relative dielectric constant of a film (film thickness 77nm).
FIG. 5: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the bias electric field dependence of the dielectric loss of a film (film thickness 77nm).
FIG. 6: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the bias electric field dependence of the relative dielectric constant of a film (film thickness 39nm).
FIG. 7: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the bias electric field dependence of the dielectric loss of a film (film thickness 39nm).
FIG. 8: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the temperature dependence of the relative dielectric constant and dielectric loss coefficient of a film (film thickness 39nm, 77nm).
FIG. 9: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the frequency dependence of the relative dielectric constant of a film (film thickness 39nm, 77nm).
FIG. 10: Ba0.12Sr0.88TiO3FIG. 9 is a graph showing a relationship between a stored charge density of a film (thickness: 39 nm and 77 nm) and voltage.
FIG. 11: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the relationship between the measured voltage amplitude of a film (film thickness 39nm, 77nm), and a charge amplitude.
FIG. 12 is a diagram showing a voltage waveform and a current waveform used in an AC voltage load test.
FIG. 13 is a diagram showing a change in the amount of stored charges depending on the number of times of application of an AC voltage.
FIG. 14: Ba0.12Sr0.88TiO3FIG. 9 is a graph showing current-voltage characteristics of a film (thickness: 77 nm).
FIG. 15: Ba0.12Sr0.88TiO3FIG. 9 is a diagram showing current-voltage characteristics of a film (thickness: 39 nm).
FIG. 16: Ba0.12Sr0.88TiO3The figure which shows the time change of the leak current when a DC positive voltage (a) and a negative voltage (b) are applied to a film (film thickness 39nm).
FIG. 17: Ba0.12Sr0.88TiO3FIG. 9 is a graph showing temperature dependence of current / voltage characteristics of a film (thickness: 39 nm).
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a square root of a voltage and a current density.
FIG. 19: Ba0.12Sr0.88TiO3SrRuO as an upper electrode on the film (thickness: 23 nm)3Ba when a film is formed0.12Sr0.88TiO3FIG. 4 is a view showing electric field dependence of dielectric constant and dielectric loss of a film.
FIG. 20 shows Ba in Comparative Example 1.0.24Sr0.76TiO3FIG. 4 is a diagram illustrating the frequency dependence of the relative dielectric constant and dielectric loss of a film.
FIG. 21: Ba0.12Sr0.88TiO3FIG. 7 is a diagram showing a comparison between the leakage current characteristics of a film in Comparative Example 1 and Example 1.
FIG. 22 is a graph showing relative dielectric constant-electric field characteristics in the thin film capacitors of Example 2 and Comparative Example 2.
FIG. 23 is a diagram showing the temperature dependence of the relative dielectric constant of the thin film capacitors of Example 2 and Comparative Example 2.
FIG. 24 shows BaTiO of Example 3 and Comparative Example 3.3FIG. 4 is a diagram illustrating frequency dependence of remanent polarization of a film.
FIG. 25: CaTiO3The figure which shows the relationship between the RF electric power supplied to the sintered compact target, and the Ca amount in a dielectric film.
FIG. 26 is a diagram showing a change in leakage current depending on the ratio of Ca.
FIG. 27 is a diagram showing a change in a hysteresis curve depending on the ratio of Ca.
FIG. 28 is a view showing the relationship between the ratio of Ca and the rise of a hysteresis curve.
[Explanation of symbols]
1: Single crystal substrate
2 ... Lower electrode
3. Dielectric film
4: Upper electrode
Claims (9)
V/V0 ≧1.01
なる関係を満たすとともに、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な方向の格子定数aとの比c/aが
c/a≧1.01
なる関係を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタ。A first electrode having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface, and a dielectric having an originally cubic perovskite structure epitaxially grown on the first electrode. A body thin film and a second electrode formed on the dielectric thin film, wherein the dielectric thin film has a unit cell volume of an original perovskite crystal structure (lattice constant a 0 ) belonging to a cubic system. When v 0 = a 0 3 and the unit cell volume (lattice constant a = b ≠ c) distorted into a tetragon after epitaxial growth is expressed as V = a 2 c,
V / V 0 ≧ 1.01
And the ratio c / a between the lattice constant c in the film thickness direction and the lattice constant a in the direction parallel to the film surface is c / a ≧ 1.01.
A thin film capacitor characterized by satisfying the following relationship:
a0 /as ≦1.002
なる関係を満たすととともに、膜厚方向の格子定数cと膜面に平行な方向の格子定数aとの比c/aが
c/a≧1.01
なる関係を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタ。A first electrode having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface; and a dielectric having an originally cubic perovskite structure epitaxially grown on the first electrode. A body thin film, and a second electrode formed on the dielectric thin film, wherein the dielectric thin film has a lattice constant in the plane direction of the surface of the first electrode as s and a perovskite belonging to a cubic system. When the original lattice constant of the dielectric material represented by the a-axis length of the type crystal structure is a 0 ,
a 0 / a s ≦ 1.002
And the ratio c / a between the lattice constant c in the film thickness direction and the lattice constant a in the direction parallel to the film surface is c / a ≧ 1.01.
A thin film capacitor characterized by satisfying the following relationship:
1.002≦a0 /as ≦1.015
なる関係を満たすとともに、前記誘電体がエピタキシャル成長した後の面方向の格子定数をaとするとき、
a/as <1.002
なる関係を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタ。A first electrode having a cubic (100) plane or a tetragonal (001) plane on its surface; and a first cubic perovskite structure epitaxially grown on the first electrode. A dielectric thin film made of a dielectric material having a Curie temperature of 200 ° C. or lower, and a second electrode formed on the dielectric thin film, wherein the dielectric thin film has a surface direction of the first electrode surface. When the lattice constant is a s , and the original lattice constant of the dielectric material represented by the a-axis length of the perovskite type crystal structure belonging to the cubic or tetragonal system is a 0 ,
1.002 ≦ a 0 / a s ≦ 1.015
When satisfying the following relationship, and the lattice constant in the plane direction after the dielectric is epitaxially grown is a,
a / a s <1.002
A thin film capacitor characterized by satisfying the following relationship:
ABO3
(式中、AはBa、Sr、およびCaからなる群から選ばれた少なくとも1種、Bは、Ti、Zr、Hf、Sn、Mg1/3 Nb2/3 、Mg1/3 Ta2/3 、Zn1/3 Nb2/3 、Zn1/3 Ta2/3 、Ni1/3 Nb2/3 、Ni1/3 Ta2/3 、Co1/3 Nb2/3 、Co1/3 Ta2/3 、Sc1/3 Nb2/3 、およびSc1/3 Ta2/3 からなる群から選ばれた少なくとも1種である。)4. The thin film capacitor according to claim 1, wherein the dielectric thin film is made of a compound represented by the following formula.
ABO 3
Wherein A is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and B is Ti, Zr, Hf, Sn, Mg 1/3 Nb 2/3 , Mg 1/3 Ta 2 / 3 , Zn 1/3 Nb 2/3 , Zn 1/3 Ta 2/3 , Ni 1/3 Nb 2/3 , Ni 1/3 Ta 2/3 , Co 1/3 Nb 2/3 , Co 1 / It is at least one selected from the group consisting of 3 Ta 2/3 , Sc 1/3 Nb 2/3 , and Sc 1/3 Ta 2/3 .)
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