JPH11340429A - 強誘電体メモリおよびその製造方法 - Google Patents
強誘電体メモリおよびその製造方法Info
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- JPH11340429A JPH11340429A JP10144031A JP14403198A JPH11340429A JP H11340429 A JPH11340429 A JP H11340429A JP 10144031 A JP10144031 A JP 10144031A JP 14403198 A JP14403198 A JP 14403198A JP H11340429 A JPH11340429 A JP H11340429A
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Landscapes
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- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 微細化しても保持特性および疲労耐性が良好
であり、高集積化、高速化、動作電圧の低電圧化に極め
て有利な強誘電体メモリを提供する。 【解決手段】 第１の電極（２）と、ペロブスカイト型
結晶構造を有する誘電体薄膜（３）と、第２の電極
（４）とを有する薄膜キャパシタを具備した強誘電体メ
モリであって、誘電体薄膜が（３）、誘電体薄膜の膜厚
方向の格子定数をｃf［ｎｍ］、バルク誘電体の格子定
数をｃb ［ｎｍ］、誘電体薄膜のキュリー温度をＴf
［Ｋ］、バルク誘電体のキュリー温度をＴc ［Ｋ］、誘
電体薄膜の膜厚方向の単位結晶格子の数をＮとしたと
き、０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃb 、２５０°≦（Ｔ
f −Ｔc ）、およびＮ≦３４という関係を満たす。
であり、高集積化、高速化、動作電圧の低電圧化に極め
て有利な強誘電体メモリを提供する。 【解決手段】 第１の電極（２）と、ペロブスカイト型
結晶構造を有する誘電体薄膜（３）と、第２の電極
（４）とを有する薄膜キャパシタを具備した強誘電体メ
モリであって、誘電体薄膜が（３）、誘電体薄膜の膜厚
方向の格子定数をｃf［ｎｍ］、バルク誘電体の格子定
数をｃb ［ｎｍ］、誘電体薄膜のキュリー温度をＴf
［Ｋ］、バルク誘電体のキュリー温度をＴc ［Ｋ］、誘
電体薄膜の膜厚方向の単位結晶格子の数をＮとしたと
き、０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃb 、２５０°≦（Ｔ
f −Ｔc ）、およびＮ≦３４という関係を満たす。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はペロブスカイト型酸
化物からなる強誘電体薄膜キャパシタを用いた強誘電体
メモリに関する。
化物からなる強誘電体薄膜キャパシタを用いた強誘電体
メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路においてトランジスタと
強誘電キャパシタとを組み合わせた記憶装置（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、誘電体の分極方向によっ
て記録するため電源を落としても記憶内容が失われず
（不揮発性）、しかも膜厚が十分に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つの強誘電キャパシ
タで作製することができるため、高集積化にも適してい
る。
強誘電キャパシタとを組み合わせた記憶装置（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、誘電体の分極方向によっ
て記録するため電源を落としても記憶内容が失われず
（不揮発性）、しかも膜厚が十分に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つの強誘電キャパシ
タで作製することができるため、高集積化にも適してい
る。
【０００３】強誘電体メモリに適した強誘電体材料に
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、動作電圧（抗電圧）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。さらに、メモリを高速で動作
させるためには、自発分極の反転が高速に行われること
が求められる。
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、動作電圧（抗電圧）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。さらに、メモリを高速で動作
させるためには、自発分極の反転が高速に行われること
が求められる。
【０００４】現在、強誘電体メモリの強誘電体材料とし
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、これらがほ
ぼ１対１のモル比で固溶したペロブスカイト型結晶構造
のものは自発分極が大きく、低い電界でも分極反転する
ことができるので、強誘電体メモリに適していると考え
られている。ＰＺＴは常誘電相と強誘電相の転移温度
（キュリー温度）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、記憶された内容が失われる心配は少ない。現
在商品化されている強誘電体メモリは強誘電キャパシタ
に膜厚数μｍのＰＺＴ多結晶膜を用い、その集積度は高
々１６キロバイト程度である。将来的に微細化が進むに
つれて、キャパシタ面積は縮小される傾向にある。とこ
ろが、メモリとして機能するには最低限の蓄電電荷量が
要求されるため、キャパシタ面積の縮小にも限度があ
り、所望の蓄電電荷量を確保するには膜厚を薄くする必
要がある。しかし、ＰＺＴ多結晶膜の薄膜化には限界が
あり、たとえばＰＺＴ多結晶膜の膜厚を結晶粒の大きさ
以下にすることは原理的に不可能である。また、粒界か
らの電流リークを抑えるためには、膜厚は結晶サイズの
数倍であることが必要となる。そこで、膜厚を薄くする
ために結晶粒のサイズを小さくすることが考えられる
が、この場合には結晶粒界や電極との界面の影響により
強誘電特性が得られなくなる。したがって、膜厚を薄く
しても優れた強誘電特性を得るためには、多結晶膜では
なくエピタキシャル膜であることが望ましく、成膜の研
究が進められている。ＰＺＴには主成分である鉛（Ｐ
ｂ）が５００℃以上で蒸発しやすいことに起因する問題
もある。すなわち、ＰＺＴ膜を強誘電性を示すペロブス
カイト型結晶構造にするためには、約５００℃以上での
熱処理が必要であるが、熱処理温度を上げるとＰｂが蒸
発または拡散し、所望の組成からずれてしまう。こうし
た組成ずれは、過剰のＰｂを含むＰＺＴ膜を用いれば回
避できる。しかし、ＰＺＴ膜からのＰｂの拡散はトラン
ジスタの不良原因となるため、厚い拡散障壁層を設ける
必要がある。
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、これらがほ
ぼ１対１のモル比で固溶したペロブスカイト型結晶構造
のものは自発分極が大きく、低い電界でも分極反転する
ことができるので、強誘電体メモリに適していると考え
られている。ＰＺＴは常誘電相と強誘電相の転移温度
（キュリー温度）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、記憶された内容が失われる心配は少ない。現
在商品化されている強誘電体メモリは強誘電キャパシタ
に膜厚数μｍのＰＺＴ多結晶膜を用い、その集積度は高
々１６キロバイト程度である。将来的に微細化が進むに
つれて、キャパシタ面積は縮小される傾向にある。とこ
ろが、メモリとして機能するには最低限の蓄電電荷量が
要求されるため、キャパシタ面積の縮小にも限度があ
り、所望の蓄電電荷量を確保するには膜厚を薄くする必
要がある。しかし、ＰＺＴ多結晶膜の薄膜化には限界が
あり、たとえばＰＺＴ多結晶膜の膜厚を結晶粒の大きさ
以下にすることは原理的に不可能である。また、粒界か
らの電流リークを抑えるためには、膜厚は結晶サイズの
数倍であることが必要となる。そこで、膜厚を薄くする
ために結晶粒のサイズを小さくすることが考えられる
が、この場合には結晶粒界や電極との界面の影響により
強誘電特性が得られなくなる。したがって、膜厚を薄く
しても優れた強誘電特性を得るためには、多結晶膜では
なくエピタキシャル膜であることが望ましく、成膜の研
究が進められている。ＰＺＴには主成分である鉛（Ｐ
ｂ）が５００℃以上で蒸発しやすいことに起因する問題
もある。すなわち、ＰＺＴ膜を強誘電性を示すペロブス
カイト型結晶構造にするためには、約５００℃以上での
熱処理が必要であるが、熱処理温度を上げるとＰｂが蒸
発または拡散し、所望の組成からずれてしまう。こうし
た組成ずれは、過剰のＰｂを含むＰＺＴ膜を用いれば回
避できる。しかし、ＰＺＴ膜からのＰｂの拡散はトラン
ジスタの不良原因となるため、厚い拡散障壁層を設ける
必要がある。
【０００５】また、強誘電体メモリの強誘電体材料とし
てＢｉ層状ペロブスカイト化合物の一種であるＳｒＢｉ
2 Ｔａ2 Ｏ9 （ＳＢＴ）の適用が盛んに研究されてい
る。ＳＢＴもキュリー温度が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、記憶された内容が失われる心配は少ない。
しかし、ＳＢＴは低融点金属のＢｉを含み、結晶化に７
００℃以上での熱処理を要する点で、ＰＺＴ膜における
Ｐｂと同様な問題が生じる。ＳＢＴが結晶的に異方性の
強い材料であることに起因する問題もある。たとえば、
ＳＢＴを無配向の多結晶膜として用いる場合には、微細
なメモリセル毎に強誘電特性がばらつくおそれがある。
ＳＢＴを配向膜として利用できる場合でも、分極容易軸
が層状ペロブスカイト型結晶構造の層面内にあるため
に、分極容易軸とキャパシタの分極方向とを一致させる
ことが困難である。
てＢｉ層状ペロブスカイト化合物の一種であるＳｒＢｉ
2 Ｔａ2 Ｏ9 （ＳＢＴ）の適用が盛んに研究されてい
る。ＳＢＴもキュリー温度が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、記憶された内容が失われる心配は少ない。
しかし、ＳＢＴは低融点金属のＢｉを含み、結晶化に７
００℃以上での熱処理を要する点で、ＰＺＴ膜における
Ｐｂと同様な問題が生じる。ＳＢＴが結晶的に異方性の
強い材料であることに起因する問題もある。たとえば、
ＳＢＴを無配向の多結晶膜として用いる場合には、微細
なメモリセル毎に強誘電特性がばらつくおそれがある。
ＳＢＴを配向膜として利用できる場合でも、分極容易軸
が層状ペロブスカイト型結晶構造の層面内にあるため
に、分極容易軸とキャパシタの分極方向とを一致させる
ことが困難である。
【０００６】以上のように、ＰＺＴ薄膜やＳＢＴ薄膜を
使用した強誘電体メモリは、微細化したときに問題が生
じるため高集積化が困難であると予想される。上記以外
に室温で強誘電性を示す材料としてチタン酸バリウム
（ＢａＴｉＯ3）が知られている。ＢａＴｉＯ3 はペロ
ブスカイト型結晶構造を持ち強誘電特性を示さない他の
結晶構造をとることがほとんどないうえに、Ｂａが蒸発
しにくいため組成制御が比較的容易である。しかし、Ｂ
ａＴｉＯ3 のキュリー温度は約１２０℃と比較的低いた
め、高温下で記憶内容が失われるおそれがある。また、
ＢａＴｉＯ3 は残留分極が小さく残留分極の温度依存性
も大きいため、電子回路が使用される通常の温度範囲
（８５℃以下）でも動作が不安定である。このため、Ｂ
ａＴｉＯ3 薄膜は強誘電体メモリの用途には適さないと
考えられていた。
使用した強誘電体メモリは、微細化したときに問題が生
じるため高集積化が困難であると予想される。上記以外
に室温で強誘電性を示す材料としてチタン酸バリウム
（ＢａＴｉＯ3）が知られている。ＢａＴｉＯ3 はペロ
ブスカイト型結晶構造を持ち強誘電特性を示さない他の
結晶構造をとることがほとんどないうえに、Ｂａが蒸発
しにくいため組成制御が比較的容易である。しかし、Ｂ
ａＴｉＯ3 のキュリー温度は約１２０℃と比較的低いた
め、高温下で記憶内容が失われるおそれがある。また、
ＢａＴｉＯ3 は残留分極が小さく残留分極の温度依存性
も大きいため、電子回路が使用される通常の温度範囲
（８５℃以下）でも動作が不安定である。このため、Ｂ
ａＴｉＯ3 薄膜は強誘電体メモリの用途には適さないと
考えられていた。
【０００７】最近になって、ＭｇＯ単結晶基板上のＰｔ
電極上にエピタキシャル成長させた膜厚６０ｎｍのＢａ
ＴｉＯ3 膜で、キュリー温度が２００℃以上に上昇する
ことが報告されている（飯島賢二，応用物理，第６２巻
第１２号（１９９３），ｐｐ．１２５０〜１２５１）。
この現象は、Ｐｔの格子定数に合わせるようにして成長
したＢａＴｉＯ3 ペロブスカイト格子ではａ軸長が縮
み、ｃ軸長が伸びることによるものと考えられている。
しかし、膜厚１００ｎｍ以上ではミスフィット転移によ
り格子定数がバルクと同等に戻ってしまうために、キュ
リー温度の上昇は観察されない。また、膜厚が１μｍ以
下の強誘電体薄膜は、薄いほど残留分極が小さくなる傾
向があると一般に言われている。実際、この文献では１
００ｎｍ以下のＢａＴｉＯ3 エピタキシャル膜では、残
留分極が０．０２〜０．０３ｍＣ／ｍ2 以下であること
が報告されている。この程度の残留分極しか示さない強
誘電体薄膜は強誘電体メモリには適用できない。
電極上にエピタキシャル成長させた膜厚６０ｎｍのＢａ
ＴｉＯ3 膜で、キュリー温度が２００℃以上に上昇する
ことが報告されている（飯島賢二，応用物理，第６２巻
第１２号（１９９３），ｐｐ．１２５０〜１２５１）。
この現象は、Ｐｔの格子定数に合わせるようにして成長
したＢａＴｉＯ3 ペロブスカイト格子ではａ軸長が縮
み、ｃ軸長が伸びることによるものと考えられている。
しかし、膜厚１００ｎｍ以上ではミスフィット転移によ
り格子定数がバルクと同等に戻ってしまうために、キュ
リー温度の上昇は観察されない。また、膜厚が１μｍ以
下の強誘電体薄膜は、薄いほど残留分極が小さくなる傾
向があると一般に言われている。実際、この文献では１
００ｎｍ以下のＢａＴｉＯ3 エピタキシャル膜では、残
留分極が０．０２〜０．０３ｍＣ／ｍ2 以下であること
が報告されている。この程度の残留分極しか示さない強
誘電体薄膜は強誘電体メモリには適用できない。
【０００８】これに対して、ＲＦマグネトロンスパッタ
リングによりＰｔ下部電極の格子定数に比較的近い格子
定数を持つ誘電体材料としてＢａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 を
エピタキシャル成長させることにより、膜厚が２００ｎ
ｍ程度と比較的厚いものでも、バルクの格子定数と比較
して、膜厚方向の格子定数（ｃ軸）が伸び、面内方向の
格子定数（ａ軸）が縮んだ状態を保持できることが見出
された（K. Abe et al. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. V
ol. 361, 1995, pp. 465-470）。これは、ＲＦマグネト
ロンスパッタリングという、 比較的ミスフィット転移が
起こりにくい成膜方法を用いることにより達成された。
リングによりＰｔ下部電極の格子定数に比較的近い格子
定数を持つ誘電体材料としてＢａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 を
エピタキシャル成長させることにより、膜厚が２００ｎ
ｍ程度と比較的厚いものでも、バルクの格子定数と比較
して、膜厚方向の格子定数（ｃ軸）が伸び、面内方向の
格子定数（ａ軸）が縮んだ状態を保持できることが見出
された（K. Abe et al. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. V
ol. 361, 1995, pp. 465-470）。これは、ＲＦマグネト
ロンスパッタリングという、 比較的ミスフィット転移が
起こりにくい成膜方法を用いることにより達成された。
【０００９】また、ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上のＳｒＲ
ｕＯ3 電極上にエピタキシャル成長させた膜厚５０ｎｍ
のＢａ0.6 Ｓｒ0.4 ＴｉＯ3 膜は、キュリー温度が２０
０℃以上に上昇することが報告されている(K. Abe et a
l, Integrated Ferroelectrics, 1997, Vol. 17, pp. 8
9-96）。バルクのＢａ0.6 Ｓｒ0.4 ＴｉＯ3 のキュリー
温度は０℃以下であるので、膜厚５０ｎｍのエピタキシ
ャル膜ではキュリー温度が２００°以上上昇している。
この現象も、ＳｒＲｕＯ3 電極の格子定数に合わせるよ
うにして成長したＢａ0.6 Ｓｒ0.4 ＴｉＯ3 ペロブスカ
イト格子では、ｃ軸長が伸び、ａ軸長が縮むことによる
ものと考えられる。しかも、この文献は、膜厚２６〜９
７ｎｍで０．４〜０．５５ｍＣ／ｍ2 の残留分極が得ら
れることを示している。このことからわかるように、バ
ルクのキュリー温度が室温付近の誘電体材料であって
も、結晶格子への歪みの導入によるキュリー温度の上昇
と良好な強誘電特性を実現して、強誘電体メモリに適用
できる可能性がある。
ｕＯ3 電極上にエピタキシャル成長させた膜厚５０ｎｍ
のＢａ0.6 Ｓｒ0.4 ＴｉＯ3 膜は、キュリー温度が２０
０℃以上に上昇することが報告されている(K. Abe et a
l, Integrated Ferroelectrics, 1997, Vol. 17, pp. 8
9-96）。バルクのＢａ0.6 Ｓｒ0.4 ＴｉＯ3 のキュリー
温度は０℃以下であるので、膜厚５０ｎｍのエピタキシ
ャル膜ではキュリー温度が２００°以上上昇している。
この現象も、ＳｒＲｕＯ3 電極の格子定数に合わせるよ
うにして成長したＢａ0.6 Ｓｒ0.4 ＴｉＯ3 ペロブスカ
イト格子では、ｃ軸長が伸び、ａ軸長が縮むことによる
ものと考えられる。しかも、この文献は、膜厚２６〜９
７ｎｍで０．４〜０．５５ｍＣ／ｍ2 の残留分極が得ら
れることを示している。このことからわかるように、バ
ルクのキュリー温度が室温付近の誘電体材料であって
も、結晶格子への歪みの導入によるキュリー温度の上昇
と良好な強誘電特性を実現して、強誘電体メモリに適用
できる可能性がある。
【００１０】ここで、強誘電キャパシタの分極を安定に
保持するには、なるべく大きな強誘電的エネルギーを蓄
えられる誘電体材料を用いることが望ましい。誘電体が
蓄えられる強誘電的エネルギー量は温度に依存し、キュ
リー温度以上では常誘電相であるのでゼロであり、キュ
リー温度以下で有限の値となり、キュリー温度より低温
であるほど大きくなる。したがって、結晶格子に歪みを
導入してキュリー温度を高温にシフトさせたエピタキシ
ャル誘電体膜は、歪みのない膜に比較して、大きな強誘
電的エネルギーを蓄えることが可能になる。しかも、結
晶格子の歪み量の制御によって、キュリー温度を大幅に
上昇できる可能性がある。
保持するには、なるべく大きな強誘電的エネルギーを蓄
えられる誘電体材料を用いることが望ましい。誘電体が
蓄えられる強誘電的エネルギー量は温度に依存し、キュ
リー温度以上では常誘電相であるのでゼロであり、キュ
リー温度以下で有限の値となり、キュリー温度より低温
であるほど大きくなる。したがって、結晶格子に歪みを
導入してキュリー温度を高温にシフトさせたエピタキシ
ャル誘電体膜は、歪みのない膜に比較して、大きな強誘
電的エネルギーを蓄えることが可能になる。しかも、結
晶格子の歪み量の制御によって、キュリー温度を大幅に
上昇できる可能性がある。
【００１１】一方、強誘電体が蓄えられるエネルギーが
大きすぎると弊害も現われる。上述したように結晶格子
に歪みを導入してキュリー温度を上昇させると、強誘電
体の単位格子当たりに蓄えられる強誘電的エネルギーが
増大する。したがって、強誘電体を構成する単位結晶格
子の数が多い（すなわち膜厚が厚い）ほど、蓄えられる
強誘電的エネルギーが大きくなる。このことは、分極反
転に要するエネルギーが大きくなり、熱として排出され
るヒステリシス損が増大することを意味する。これをメ
モリとしての動作に対応させて考えれば、メモリセル毎
の読み込み・書き込みに要するエネルギーが増大し、キ
ャパシタからの放熱量も増大することになる。これに加
えて、メモリの高速化のために動作周波数を高くするこ
とも、メモリチップの単位面積当たりの発熱量を増加さ
せる。発熱量の増加によるチップの加熱は、誤動作の原
因となるうえに、疲労も促進する。強誘電キャパシタに
おける疲労の原因は、電圧を繰り返して印加することに
より電極との界面において化学的な酸化還元反応が促進
され、酸化物である誘電体から酸素が奪われて発生する
酸素欠陥によるものと考えられている。この反応速度
は、温度の上昇により指数関数的に速くなる。したがっ
て、強誘電キャパシタの疲労を抑制するためには、情報
の書き込み・読み出し時に放出される熱量を少なくする
必要がある。
大きすぎると弊害も現われる。上述したように結晶格子
に歪みを導入してキュリー温度を上昇させると、強誘電
体の単位格子当たりに蓄えられる強誘電的エネルギーが
増大する。したがって、強誘電体を構成する単位結晶格
子の数が多い（すなわち膜厚が厚い）ほど、蓄えられる
強誘電的エネルギーが大きくなる。このことは、分極反
転に要するエネルギーが大きくなり、熱として排出され
るヒステリシス損が増大することを意味する。これをメ
モリとしての動作に対応させて考えれば、メモリセル毎
の読み込み・書き込みに要するエネルギーが増大し、キ
ャパシタからの放熱量も増大することになる。これに加
えて、メモリの高速化のために動作周波数を高くするこ
とも、メモリチップの単位面積当たりの発熱量を増加さ
せる。発熱量の増加によるチップの加熱は、誤動作の原
因となるうえに、疲労も促進する。強誘電キャパシタに
おける疲労の原因は、電圧を繰り返して印加することに
より電極との界面において化学的な酸化還元反応が促進
され、酸化物である誘電体から酸素が奪われて発生する
酸素欠陥によるものと考えられている。この反応速度
は、温度の上昇により指数関数的に速くなる。したがっ
て、強誘電キャパシタの疲労を抑制するためには、情報
の書き込み・読み出し時に放出される熱量を少なくする
必要がある。
【００１２】上記の問題に対して、単純に残留分極量を
減少させれば、誘電体の単位体積当たりのヒステリシス
損すなわちヒステリシス面積を減少して発熱量を減らす
ことができると考えられるが、このことはメモリ機能の
低下につながるため望ましくない。
減少させれば、誘電体の単位体積当たりのヒステリシス
損すなわちヒステリシス面積を減少して発熱量を減らす
ことができると考えられるが、このことはメモリ機能の
低下につながるため望ましくない。
【００１３】そこで、ヒステリシス損を減少して発熱量
を減らすためには、強誘電体薄膜の膜厚方向の単位結晶
格子数を減少させる（すなわち膜厚を薄くする）ことが
好ましい。しかし、上述したように、強誘電体薄膜は膜
厚方向の単位結晶格子が少なくなる（膜厚が薄くなる）
と、強誘電特性そのものが失われることがある。このた
め、強誘電体薄膜の膜厚を薄くしても強誘電特性を保持
できることが重要になる。
を減らすためには、強誘電体薄膜の膜厚方向の単位結晶
格子数を減少させる（すなわち膜厚を薄くする）ことが
好ましい。しかし、上述したように、強誘電体薄膜は膜
厚方向の単位結晶格子が少なくなる（膜厚が薄くなる）
と、強誘電特性そのものが失われることがある。このた
め、強誘電体薄膜の膜厚を薄くしても強誘電特性を保持
できることが重要になる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、誘電
体薄膜の結晶格子に歪みを導入してキュリー温度を上昇
させるとともに、強誘電特性を保持しながら誘電体薄膜
の膜厚を薄くして分極反転時に排出される熱量を抑え、
微細化しても保持特性および疲労耐性の良好な強誘電体
メモリおよびその製造方法を提供することにある。
体薄膜の結晶格子に歪みを導入してキュリー温度を上昇
させるとともに、強誘電特性を保持しながら誘電体薄膜
の膜厚を薄くして分極反転時に排出される熱量を抑え、
微細化しても保持特性および疲労耐性の良好な強誘電体
メモリおよびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の強誘電体メモリ
は、表面が立方晶系の（１００）面または正方晶系の
（００１）面である第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ペロブスカイト型結晶構造を
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の電極とを有する薄膜キャパシタを具備した強誘電体
メモリにおいて、前記誘電体薄膜が、誘電体薄膜の膜厚
方向の格子定数をｃf ［ｎｍ］、バルク誘電体の格子定
数をｃb ［ｎｍ］、誘電体薄膜のキュリー温度をＴf
［Ｋ］、バルク誘電体のキュリー温度をＴc ［Ｋ］、誘
電体薄膜の膜厚方向の単位結晶格子の数をＮとしたと
き、 ０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃb 、 ２５０°≦（Ｔf −Ｔc ）、および Ｎ≦３４ という関係を満たすことを特徴とする。
は、表面が立方晶系の（１００）面または正方晶系の
（００１）面である第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ペロブスカイト型結晶構造を
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の電極とを有する薄膜キャパシタを具備した強誘電体
メモリにおいて、前記誘電体薄膜が、誘電体薄膜の膜厚
方向の格子定数をｃf ［ｎｍ］、バルク誘電体の格子定
数をｃb ［ｎｍ］、誘電体薄膜のキュリー温度をＴf
［Ｋ］、バルク誘電体のキュリー温度をＴc ［Ｋ］、誘
電体薄膜の膜厚方向の単位結晶格子の数をＮとしたと
き、 ０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃb 、 ２５０°≦（Ｔf −Ｔc ）、および Ｎ≦３４ という関係を満たすことを特徴とする。
【００１６】ここで、ｃb は８５℃におけるバルク誘電
体材料の結晶構造に応じて決定され、立方晶の場合はそ
の一辺の長さ、正方晶の場合はｃ軸長である。本発明の
強誘電体メモリの製造方法は、表面が立方晶系の（１０
０）面または正方晶系の（００１）面である第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ペロ
ブスカイト型結晶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の電極とを有する薄膜キャパ
シタを具備した強誘電体メモリを製造するにあたり、前
記誘電体薄膜を、二段階のスパッタリング工程を用い、
第一段階で成膜速度を遅くし、第二段階で成膜速度を速
くして成膜することを特徴とする。
体材料の結晶構造に応じて決定され、立方晶の場合はそ
の一辺の長さ、正方晶の場合はｃ軸長である。本発明の
強誘電体メモリの製造方法は、表面が立方晶系の（１０
０）面または正方晶系の（００１）面である第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ペロ
ブスカイト型結晶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の電極とを有する薄膜キャパ
シタを具備した強誘電体メモリを製造するにあたり、前
記誘電体薄膜を、二段階のスパッタリング工程を用い、
第一段階で成膜速度を遅くし、第二段階で成膜速度を速
くして成膜することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明をさらに詳細に説明
する。本発明において、０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃ
b という条件は、誘電体薄膜のｃ軸長が、バルク誘電体
のｃ軸長に対して２％以上伸びていることを意味する。
また、２５０°≦（Ｔf −Ｔc ）という条件は、誘電体
薄膜のキュリー温度が、バルク誘電体のキュリー温度か
ら２５０°以上上昇していることを意味する。
する。本発明において、０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃ
b という条件は、誘電体薄膜のｃ軸長が、バルク誘電体
のｃ軸長に対して２％以上伸びていることを意味する。
また、２５０°≦（Ｔf −Ｔc ）という条件は、誘電体
薄膜のキュリー温度が、バルク誘電体のキュリー温度か
ら２５０°以上上昇していることを意味する。
【００１８】このように誘電体薄膜の結晶格子に歪みが
導入され、誘電体薄膜のｃ軸長がバルク誘電体のｃ軸長
より伸びると、下部電極上にエピタキシャル成長した誘
電体薄膜のキュリー温度Ｔf が、バルク誘電体のキュリ
ー温度Ｔc より上昇する。結晶格子に歪みが導入される
とキュリー温度が上昇する理由について説明する。一般
にペロブスカイト型の強誘電体は、一般式ＡＢＯ3 で表
わされる。強誘電体で生じる大きな分極の起源は、陽イ
オンと陰イオンとの相対的な変位によるものである。特
に、Ｂサイトイオンの変位が分極特性を支配している。
ペロブスカイト型結晶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結晶格子が伸
び、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。この結果、膜厚方向の双極子相互作用が強く
なって、分極のポテンシャルが深くなり、キュリー温度
が上昇するとともに自発分極も大きくなる。
導入され、誘電体薄膜のｃ軸長がバルク誘電体のｃ軸長
より伸びると、下部電極上にエピタキシャル成長した誘
電体薄膜のキュリー温度Ｔf が、バルク誘電体のキュリ
ー温度Ｔc より上昇する。結晶格子に歪みが導入される
とキュリー温度が上昇する理由について説明する。一般
にペロブスカイト型の強誘電体は、一般式ＡＢＯ3 で表
わされる。強誘電体で生じる大きな分極の起源は、陽イ
オンと陰イオンとの相対的な変位によるものである。特
に、Ｂサイトイオンの変位が分極特性を支配している。
ペロブスカイト型結晶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結晶格子が伸
び、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。この結果、膜厚方向の双極子相互作用が強く
なって、分極のポテンシャルが深くなり、キュリー温度
が上昇するとともに自発分極も大きくなる。
【００１９】本発明においては、下部電極の格子定数に
合わせるようにエピタキシャル成長したペロブスカイト
型の誘電体薄膜に、格子ミスマッチの大きさに応じて格
子歪みを導入して２次元的な圧縮応力を加え、その結果
としてキュリー温度を上昇させる。このためには、下部
電極としてその格子定数が誘電体の格子定数より適当に
小さい材料を選定することが好ましい。
合わせるようにエピタキシャル成長したペロブスカイト
型の誘電体薄膜に、格子ミスマッチの大きさに応じて格
子歪みを導入して２次元的な圧縮応力を加え、その結果
としてキュリー温度を上昇させる。このためには、下部
電極としてその格子定数が誘電体の格子定数より適当に
小さい材料を選定することが好ましい。
【００２０】本発明において、誘電体薄膜は一般式ＡＢ
Ｏ3 （式中、ＡはＢａ，Ｓｒ，およびＣａからなる群か
ら選択される少なくとも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 ，Ｎｉ
1/3 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
から選択される少なくとも１種である。）で表わされる
化合物からなる。
Ｏ3 （式中、ＡはＢａ，Ｓｒ，およびＣａからなる群か
ら選択される少なくとも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 ，Ｎｉ
1/3 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
から選択される少なくとも１種である。）で表わされる
化合物からなる。
【００２１】上記一般式中のＡは主としてＢａ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。上記一般式中のＢは主とし
てＴｉであるが、Ｔｉの一部をＺｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，（Ｍ
ｇ1/3 Ｎｂ2/3 ），（Ｍｇ1/3Ｔａ2/3 ），（Ｚｎ1/3
Ｎｂ2/3 ），（Ｚｎ1/3 Ｔａ2/3 ）から選択される元素
で置換しても構わない。
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。上記一般式中のＢは主とし
てＴｉであるが、Ｔｉの一部をＺｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，（Ｍ
ｇ1/3 Ｎｂ2/3 ），（Ｍｇ1/3Ｔａ2/3 ），（Ｚｎ1/3
Ｎｂ2/3 ），（Ｚｎ1/3 Ｔａ2/3 ）から選択される元素
で置換しても構わない。
【００２２】これらの中では特に、（Ｂａx Ｓｒ1-x ）
ＴｉＯ3 （０≦ｘ≦１）で表わされる化合物が好まし
い。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（ＢａＳｎ
Ｏ3 ）、ジルコニウム酸バリウム（ＢａＺｒＯ3 ）など
で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 ）Ｏ
3 ）、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、
さらにこれらのうち複数の酸化物を固溶させたものなど
が挙げられる。
ＴｉＯ3 （０≦ｘ≦１）で表わされる化合物が好まし
い。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（ＢａＳｎ
Ｏ3 ）、ジルコニウム酸バリウム（ＢａＺｒＯ3 ）など
で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 ）Ｏ
3 ）、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、
さらにこれらのうち複数の酸化物を固溶させたものなど
が挙げられる。
【００２３】本発明において、第１および第２の電極
は、一般式ＡＢＯ3 （式中、ＡはＢａ，Ｓｒ，Ｃａ，お
よびＬａからなる群から選択される少なくとも１種、Ｂ
はＲｕ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｉ，およびＣｒから
なる群から選択される少なくとも１種）で表わされるペ
ロブスカイト型結晶構造の導電性化合物からなる。第１
の電極と第２の電極は同じ材料であることが好ましい。
上記の材料のうちでは、ＳｒＲｕＯ3 が好ましい。Ｓｒ
とＲｕの比（Ｓｒ／Ｒｕ）は、０．９≦Ｓｒ／Ｒｕ≦
１．２を満たすことが好ましい。ＳｒＲｕＯ3 は単結晶
膜であることが望ましく、ロッキングカーブの半値幅が
１°以下であることが好ましい。
は、一般式ＡＢＯ3 （式中、ＡはＢａ，Ｓｒ，Ｃａ，お
よびＬａからなる群から選択される少なくとも１種、Ｂ
はＲｕ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｉ，およびＣｒから
なる群から選択される少なくとも１種）で表わされるペ
ロブスカイト型結晶構造の導電性化合物からなる。第１
の電極と第２の電極は同じ材料であることが好ましい。
上記の材料のうちでは、ＳｒＲｕＯ3 が好ましい。Ｓｒ
とＲｕの比（Ｓｒ／Ｒｕ）は、０．９≦Ｓｒ／Ｒｕ≦
１．２を満たすことが好ましい。ＳｒＲｕＯ3 は単結晶
膜であることが望ましく、ロッキングカーブの半値幅が
１°以下であることが好ましい。
【００２４】上述した適切な格子定数の関係を有する誘
電体材料と電極材料との組み合わせとしては、誘電体材
料が（Ｂａx Ｓｒ1-x ）ＴｉＯ3 （０≦ｘ≦１）、電極
材料がＳｒＲｕＯ3 （０．９≦Ｓｒ／Ｒｕ≦１．２）で
ある場合が最も好ましい。
電体材料と電極材料との組み合わせとしては、誘電体材
料が（Ｂａx Ｓｒ1-x ）ＴｉＯ3 （０≦ｘ≦１）、電極
材料がＳｒＲｕＯ3 （０．９≦Ｓｒ／Ｒｕ≦１．２）で
ある場合が最も好ましい。
【００２５】本発明においては、０．０２≦（ｃf −ｃ
b ）／ｃb という条件を満たさないと、２５０°≦（Ｔ
f −Ｔc ）という条件を満たすことができない。キュリ
ー温度の上昇を２５０°以上と規定したのは、十分な記
録保持特性を得るためである。すなわち、強誘電体メモ
リの動作／記録保証は温度８５℃で１０年間であるが、
キュリー温度がバルク誘電体よりも２５０°以上上昇し
ている誘電体薄膜を用いたキャパシタでのみ、１０年以
上記録を保持できる可能性がある。
b ）／ｃb という条件を満たさないと、２５０°≦（Ｔ
f −Ｔc ）という条件を満たすことができない。キュリ
ー温度の上昇を２５０°以上と規定したのは、十分な記
録保持特性を得るためである。すなわち、強誘電体メモ
リの動作／記録保証は温度８５℃で１０年間であるが、
キュリー温度がバルク誘電体よりも２５０°以上上昇し
ている誘電体薄膜を用いたキャパシタでのみ、１０年以
上記録を保持できる可能性がある。
【００２６】本発明においては、膜厚方向の単位結晶格
子数Ｎを３４以下に制限することにより、強誘電キャパ
シタのヒステリシス損による放熱量を抑えて、疲労特性
を改善することができる。また、膜厚方向の単位結晶格
子の数が少ないと、強誘電体薄膜の抗電圧が小さくな
り、キャパシタとしての動作電圧が低くなる。本発明で
規定する３４以下という膜厚方向の単位結晶格子数Ｎを
膜厚に換算すると約１５ｎｍ未満である。この場合、膜
厚方向の格子定数ｃf （すなわち格子歪みの導入により
伸びた後の格子定数）は、誘電体材料自体および下部電
極材料と誘電体材料との組み合わせに依存するので、単
位結晶格子数Ｎが同じでも膜厚が異なることがある。な
お、強誘電体薄膜の膜厚の下限は、動作時にトンネル電
流が流れないという条件により決定される。強誘電体メ
モリは将来的に３Ｖ程度で駆動されると予想されるの
で、強誘電体薄膜の膜厚の下限は約３ｎｍである。これ
まで、本発明に含まれる程度の膜厚の薄い強誘電体薄膜
で、キュリー温度の上昇や強誘電特性が確認された例は
ない。
子数Ｎを３４以下に制限することにより、強誘電キャパ
シタのヒステリシス損による放熱量を抑えて、疲労特性
を改善することができる。また、膜厚方向の単位結晶格
子の数が少ないと、強誘電体薄膜の抗電圧が小さくな
り、キャパシタとしての動作電圧が低くなる。本発明で
規定する３４以下という膜厚方向の単位結晶格子数Ｎを
膜厚に換算すると約１５ｎｍ未満である。この場合、膜
厚方向の格子定数ｃf （すなわち格子歪みの導入により
伸びた後の格子定数）は、誘電体材料自体および下部電
極材料と誘電体材料との組み合わせに依存するので、単
位結晶格子数Ｎが同じでも膜厚が異なることがある。な
お、強誘電体薄膜の膜厚の下限は、動作時にトンネル電
流が流れないという条件により決定される。強誘電体メ
モリは将来的に３Ｖ程度で駆動されると予想されるの
で、強誘電体薄膜の膜厚の下限は約３ｎｍである。これ
まで、本発明に含まれる程度の膜厚の薄い強誘電体薄膜
で、キュリー温度の上昇や強誘電特性が確認された例は
ない。
【００２７】また従来は、膜厚の薄い強誘電体薄膜を成
膜すると、強誘電特性を示さなくなることがあった。こ
れは、エピタキシャル膜と電極との界面のモフォロジー
の影響が大きくなるためであると考えられる。したがっ
て、適切な格子定数を有する下地電極材料および強誘電
体材料の組み合わせを選択した上で、両者の界面を制御
することが重要になる。
膜すると、強誘電特性を示さなくなることがあった。こ
れは、エピタキシャル膜と電極との界面のモフォロジー
の影響が大きくなるためであると考えられる。したがっ
て、適切な格子定数を有する下地電極材料および強誘電
体材料の組み合わせを選択した上で、両者の界面を制御
することが重要になる。
【００２８】本発明においては、誘電体薄膜を、二段階
のスパッタリング工程を用い、第一段階で成膜速度を遅
くし、第二段階で成膜速度を速くして成膜する。スパッ
タリング法としては、ＲＦマグネトロンスパッタリング
が好ましい。具体的には、第一段階での成膜速度を０．
０５〜０．３ｎｍ／ｍｉｎとして膜質の良好な強誘電体
を成膜する。この程度の成膜速度は、スパッタリング装
置にも依存するが、ターゲットに約３０〜１００ＷのＲ
Ｆパワーを投入することにより得られる。第一段階では
膜厚２〜５ｎｍの誘電体薄膜を成膜する。また、第二段
階では誘電体薄膜の結晶格子に導入される歪みが維持で
きるように、成膜速度を２．０〜５．０ｎｍ／ｍｉｎと
することが好ましい。この程度の成膜速度は、スパッタ
リング装置にも依存するが、ターゲットに約３００Ｗ以
上のＲＦパワーを投入することにより得られる。こうし
た条件を用いて膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが３４以下
（膜厚約１５ｎｍ未満）の強誘電体薄膜を成膜する。
のスパッタリング工程を用い、第一段階で成膜速度を遅
くし、第二段階で成膜速度を速くして成膜する。スパッ
タリング法としては、ＲＦマグネトロンスパッタリング
が好ましい。具体的には、第一段階での成膜速度を０．
０５〜０．３ｎｍ／ｍｉｎとして膜質の良好な強誘電体
を成膜する。この程度の成膜速度は、スパッタリング装
置にも依存するが、ターゲットに約３０〜１００ＷのＲ
Ｆパワーを投入することにより得られる。第一段階では
膜厚２〜５ｎｍの誘電体薄膜を成膜する。また、第二段
階では誘電体薄膜の結晶格子に導入される歪みが維持で
きるように、成膜速度を２．０〜５．０ｎｍ／ｍｉｎと
することが好ましい。この程度の成膜速度は、スパッタ
リング装置にも依存するが、ターゲットに約３００Ｗ以
上のＲＦパワーを投入することにより得られる。こうし
た条件を用いて膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが３４以下
（膜厚約１５ｎｍ未満）の強誘電体薄膜を成膜する。
【００２９】本発明によれば、膜厚が薄い強誘電体薄膜
であっても、良好な強誘電特性を示す。したがって、キ
ャパシタを構成する強誘電体薄膜の膜厚方向の単位結晶
格子数の減少により、分極反転に伴うヒステリシス損に
よる発熱量を抑制することができる。この結果、メモリ
チップの温度上昇に伴う誤動作を抑制でき、電極との界
面での化学反応が原因となる疲労に対する耐性も向上す
る。発熱量が少ないことは、動作周波数を増大による高
速化にも有利である。また、強誘電体薄膜の膜厚が薄い
と、抗電圧が低下してキャパシタの駆動電圧が低くなる
ため、メモリの動作電圧の低電圧化にも対応できる。こ
れらの効果により、強誘電体メモリの微細化すなわち高
集積化に大きく寄与する。
であっても、良好な強誘電特性を示す。したがって、キ
ャパシタを構成する強誘電体薄膜の膜厚方向の単位結晶
格子数の減少により、分極反転に伴うヒステリシス損に
よる発熱量を抑制することができる。この結果、メモリ
チップの温度上昇に伴う誤動作を抑制でき、電極との界
面での化学反応が原因となる疲労に対する耐性も向上す
る。発熱量が少ないことは、動作周波数を増大による高
速化にも有利である。また、強誘電体薄膜の膜厚が薄い
と、抗電圧が低下してキャパシタの駆動電圧が低くなる
ため、メモリの動作電圧の低電圧化にも対応できる。こ
れらの効果により、強誘電体メモリの微細化すなわち高
集積化に大きく寄与する。
【００３０】
【実施例】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。 実施例１ 図１は、本発明に係る薄膜キャパシタの概略構成を示す
断面である。この薄膜キャパシタは、寸法が１０ｍｍ×
１０ｍｍで表面が（１００）面であるＳｒＴｉＯ3 から
なる単結晶基板１上に、ＳｒＲｕＯ3 からなる下部電極
２、ＢａＴｉＯ3 からなる誘電体薄膜３、ＳｒＲｕＯ3
からなる上部電極４が形成された構造を有する。バルク
のＳｒＲｕＯ3 の格子定数は約０．３９３ｎｍである。
バルクのＢａＴｉＯ3 は室温で正方晶に属するペロブス
カイト型結晶構造を有し、格子定数はａ＝０．３９９４
ｎｍ、ｃ＝０．４０３８ｎｍである。
例について説明する。 実施例１ 図１は、本発明に係る薄膜キャパシタの概略構成を示す
断面である。この薄膜キャパシタは、寸法が１０ｍｍ×
１０ｍｍで表面が（１００）面であるＳｒＴｉＯ3 から
なる単結晶基板１上に、ＳｒＲｕＯ3 からなる下部電極
２、ＢａＴｉＯ3 からなる誘電体薄膜３、ＳｒＲｕＯ3
からなる上部電極４が形成された構造を有する。バルク
のＳｒＲｕＯ3 の格子定数は約０．３９３ｎｍである。
バルクのＢａＴｉＯ3 は室温で正方晶に属するペロブス
カイト型結晶構造を有し、格子定数はａ＝０．３９９４
ｎｍ、ｃ＝０．４０３８ｎｍである。
【００３１】この薄膜キャパシタは、ＲＦマグネトロン
スパッタリングにより、ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板１上
に、ＳｒＲｕＯ3 、ＢａＴｉＯ3 およびＳｒＲｕＯ3 を
ヘテロエピタキシャル成長させることにより形成した。
上部電極はレジストをマスクとしてＢａＴｉＯ3 に対し
て選択性のあるエッチング液で加工した。
スパッタリングにより、ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板１上
に、ＳｒＲｕＯ3 、ＢａＴｉＯ3 およびＳｒＲｕＯ3 を
ヘテロエピタキシャル成長させることにより形成した。
上部電極はレジストをマスクとしてＢａＴｉＯ3 に対し
て選択性のあるエッチング液で加工した。
【００３２】この際、以下のようにして誘電体膜を二段
階成膜で形成した。ＲＦマグネトロンスパッタ装置に４
インチターゲットを、ターゲット−基板間の距離を１４
０ｍｍとしてセットした。Ａｒ／Ｏ2 （４／１）ガスを
導入し、成膜中の真空度を約０．８Ｐａとした。成膜温
度は電極を含めて６００℃に設定した。第一段階では低
パワー（６０Ｗ）を投入し、遅い成膜速度で３０分間成
膜を行った。この成膜により膜厚２〜５ｎｍの薄膜が形
成される。第二段階では高パワー（６００Ｗ）を投入
し、速い成膜速度で成膜を行なった。本実施例では、二
段階目の成膜時間を変化させて、種々の膜厚のＢａＴｉ
Ｏ3 薄膜を形成した。得られた薄膜の膜厚を段差計で測
定した。図２に、成膜時間と膜厚の関係を示す。この図
に示されるように、成膜時間と膜厚は比例関係にある。
階成膜で形成した。ＲＦマグネトロンスパッタ装置に４
インチターゲットを、ターゲット−基板間の距離を１４
０ｍｍとしてセットした。Ａｒ／Ｏ2 （４／１）ガスを
導入し、成膜中の真空度を約０．８Ｐａとした。成膜温
度は電極を含めて６００℃に設定した。第一段階では低
パワー（６０Ｗ）を投入し、遅い成膜速度で３０分間成
膜を行った。この成膜により膜厚２〜５ｎｍの薄膜が形
成される。第二段階では高パワー（６００Ｗ）を投入
し、速い成膜速度で成膜を行なった。本実施例では、二
段階目の成膜時間を変化させて、種々の膜厚のＢａＴｉ
Ｏ3 薄膜を形成した。得られた薄膜の膜厚を段差計で測
定した。図２に、成膜時間と膜厚の関係を示す。この図
に示されるように、成膜時間と膜厚は比例関係にある。
【００３３】これらの膜についてＸ線回折を測定した結
果、ＢａＴｉＯ3 およびＳｒＲｕＯ3 のいずれでも、
（００１）配向を示す回折ピークである（００１），
（００２），（００３），（００４）のみが現れた。図
３に、（００２）から算出したｃ軸長および（００２）
ロッキングカーブの半値幅と、膜厚方向の単位結晶格子
数との関係を示す。ｃ軸長に関しては、バルクの値と比
較して、膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが２６個の膜で
８．２７％、４６個の膜で７．９５％の伸びが認められ
る。ｃ軸長は膜厚方向の単位結晶格子数の増加に従って
若干減少することがわかる。一方、ＳｒＲｕＯ3 のｃ軸
長は０．３９５ｎｍであり、ロッキングカーブの半値幅
は０．０７°〜０．２０°の範囲であった。
果、ＢａＴｉＯ3 およびＳｒＲｕＯ3 のいずれでも、
（００１）配向を示す回折ピークである（００１），
（００２），（００３），（００４）のみが現れた。図
３に、（００２）から算出したｃ軸長および（００２）
ロッキングカーブの半値幅と、膜厚方向の単位結晶格子
数との関係を示す。ｃ軸長に関しては、バルクの値と比
較して、膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが２６個の膜で
８．２７％、４６個の膜で７．９５％の伸びが認められ
る。ｃ軸長は膜厚方向の単位結晶格子数の増加に従って
若干減少することがわかる。一方、ＳｒＲｕＯ3 のｃ軸
長は０．３９５ｎｍであり、ロッキングカーブの半値幅
は０．０７°〜０．２０°の範囲であった。
【００３４】図４に、これらのＢａＴｉＯ3 薄膜の抗電
界と温度の関係を示す。この図に示されるように、抗電
界が０になる温度を薄膜のキュリー温度とする。なお、
成膜条件が同一である場合、キュリー温度は膜厚にあま
り依存しないが、膜厚の厚い膜（膜厚方向の単位結晶格
子数が多くｃ軸長が短い膜）の方が若干キュリー温度が
低くなる傾向がある。図４から、これらのＢａＴｉＯ3
薄膜のキュリー温度はおよそ４００℃であり、バルクの
キュリー温度に対する上昇分（Ｔf −Ｔc ）は２８０°
となっている。
界と温度の関係を示す。この図に示されるように、抗電
界が０になる温度を薄膜のキュリー温度とする。なお、
成膜条件が同一である場合、キュリー温度は膜厚にあま
り依存しないが、膜厚の厚い膜（膜厚方向の単位結晶格
子数が多くｃ軸長が短い膜）の方が若干キュリー温度が
低くなる傾向がある。図４から、これらのＢａＴｉＯ3
薄膜のキュリー温度はおよそ４００℃であり、バルクの
キュリー温度に対する上昇分（Ｔf −Ｔc ）は２８０°
となっている。
【００３５】図５に、膜厚方向の単位結晶格子数Ｎがそ
れぞれ２６および４６であるＢａＴｉＯ3 薄膜を有する
キャパシタの室温での単位面積当たりの分極量と印加電
圧の関係（ヒステリシス曲線）を示す。残留分極量は、
膜厚方向の単位結晶格子数Ｎに依らず大きな値を保って
いる。膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが少ない方がヒステ
リシス面積が小さく、分極反転を繰り返すたびに熱とし
て消費されるエネルギーが小さいことがわかる。このよ
うに、膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが少ない（Ｎ＝２
６）キャパシタは、残留分極量の低下が少なく、しかも
ヒステリシスによるエネルギー損失が少ないため、強誘
電体メモリに適した特性を有する。
れぞれ２６および４６であるＢａＴｉＯ3 薄膜を有する
キャパシタの室温での単位面積当たりの分極量と印加電
圧の関係（ヒステリシス曲線）を示す。残留分極量は、
膜厚方向の単位結晶格子数Ｎに依らず大きな値を保って
いる。膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが少ない方がヒステ
リシス面積が小さく、分極反転を繰り返すたびに熱とし
て消費されるエネルギーが小さいことがわかる。このよ
うに、膜厚方向の単位結晶格子数Ｎが少ない（Ｎ＝２
６）キャパシタは、残留分極量の低下が少なく、しかも
ヒステリシスによるエネルギー損失が少ないため、強誘
電体メモリに適した特性を有する。
【００３６】図６に、膜厚方向の単位結晶格子数Ｎがそ
れぞれ２６および４６であるＢａＴｉＯ3 薄膜を有する
キャパシタの疲労試験の結果を示す。単位結晶格子数Ｎ
が２６のキャパシタは５×１０-10 回の読み出し・書き
込みを行なっても、スイッチング電流（Ｑsw+ およびＱ
sw- ）に変化は見られない。一方、単位結晶格子数Ｎが
４６のキャパシタは１×１０-10 回より少ない読み出し
・書き込みでスイッチング電流が減少し始めており、疲
労のためにメモリ機能が失われている。このように、膜
厚方向の単位結晶格子数Ｎが少ないキャパシタの方が、
疲労耐性に優れていることがわかる。
れぞれ２６および４６であるＢａＴｉＯ3 薄膜を有する
キャパシタの疲労試験の結果を示す。単位結晶格子数Ｎ
が２６のキャパシタは５×１０-10 回の読み出し・書き
込みを行なっても、スイッチング電流（Ｑsw+ およびＱ
sw- ）に変化は見られない。一方、単位結晶格子数Ｎが
４６のキャパシタは１×１０-10 回より少ない読み出し
・書き込みでスイッチング電流が減少し始めており、疲
労のためにメモリ機能が失われている。このように、膜
厚方向の単位結晶格子数Ｎが少ないキャパシタの方が、
疲労耐性に優れていることがわかる。
【００３７】比較例１ ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、ＳｒＴｉＯ3
（１００）基板上に、ＳｒＲｕＯ3 からなる下部電極、
ＢａＴｉＯ3 からなる誘電体薄膜、ＳｒＲｕＯ3 からな
る上部電極を形成した。
（１００）基板上に、ＳｒＲｕＯ3 からなる下部電極、
ＢａＴｉＯ3 からなる誘電体薄膜、ＳｒＲｕＯ3 からな
る上部電極を形成した。
【００３８】この際、最初から６００Ｗの高パワーを投
入して一段階でＢａＴｉＯ3 薄膜を成膜した以外は実施
例と同様の条件を採用した。この条件でもＳｒＲｕＯ3
下部電極上にＢａＴｉＯ3 薄膜がエピタキシャル成長す
るが、ｃ軸長は０．４１１ｎｍであり、バルクのｃ軸長
に対する伸びは１．７８％に留まっている。
入して一段階でＢａＴｉＯ3 薄膜を成膜した以外は実施
例と同様の条件を採用した。この条件でもＳｒＲｕＯ3
下部電極上にＢａＴｉＯ3 薄膜がエピタキシャル成長す
るが、ｃ軸長は０．４１１ｎｍであり、バルクのｃ軸長
に対する伸びは１．７８％に留まっている。
【００３９】図７に、この成膜条件で作製したＢａＴｉ
Ｏ3 薄膜の抗電界と温度の関係を示す。この図から、こ
のＢａＴｉＯ3 薄膜のキュリー温度は約３００℃であ
り、キュリー温度の上昇分は１８０°であることがわか
る。
Ｏ3 薄膜の抗電界と温度の関係を示す。この図から、こ
のＢａＴｉＯ3 薄膜のキュリー温度は約３００℃であ
り、キュリー温度の上昇分は１８０°であることがわか
る。
【００４０】図８に、膜厚１４ｎｍ（単位結晶格子数３
４）のＢａＴｉＯ3 薄膜を有するキャパシタの電圧−分
極量ヒステリシス曲線を示す。このキャパシタでも強誘
電特性が確認できる。
４）のＢａＴｉＯ3 薄膜を有するキャパシタの電圧−分
極量ヒステリシス曲線を示す。このキャパシタでも強誘
電特性が確認できる。
【００４１】図９に、一段階成膜された比較例１のＢａ
ＴｉＯ3 キャパシタと二段階成膜された実施例のＢａＴ
ｉＯ3 キャパシタについて記録保持特性を示す。実施例
のようにキュリー温度の上昇分が２５０°以上のＢａＴ
ｉＯ3 薄膜は１０年以上の記録保持特性が見込める。一
方、比較例１のようにキュリー温度の上昇分が１８０°
のＢａＴｉＯ3 薄膜は１か月程度しか記録を保持でき
ず、記録保持特性が劣っている。この図から、１０年以
上の記録保持特性を確保するためには、結晶格子の歪み
量を調整することにより誘電体薄膜のキュリー温度をバ
ルクと比較して２５０℃以上上昇させる必要があること
がわかる。
ＴｉＯ3 キャパシタと二段階成膜された実施例のＢａＴ
ｉＯ3 キャパシタについて記録保持特性を示す。実施例
のようにキュリー温度の上昇分が２５０°以上のＢａＴ
ｉＯ3 薄膜は１０年以上の記録保持特性が見込める。一
方、比較例１のようにキュリー温度の上昇分が１８０°
のＢａＴｉＯ3 薄膜は１か月程度しか記録を保持でき
ず、記録保持特性が劣っている。この図から、１０年以
上の記録保持特性を確保するためには、結晶格子の歪み
量を調整することにより誘電体薄膜のキュリー温度をバ
ルクと比較して２５０℃以上上昇させる必要があること
がわかる。
【００４２】比較例２ 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ＢａＴｉＯ3 薄膜をエピ
タキシャル成長させた。
タキシャル成長させ、その上にＢａＴｉＯ3 薄膜をエピ
タキシャル成長させた。
【００４３】膜厚８０ｎｍ以上のＢａＴｉＯ3 薄膜で
は、キュリー温度が２５０℃であり、バルクのキュリー
温度からの上昇が確認されたが、残留分極量は約０．０
３ｍＣ／ｍ2 と小さかった。膜厚が８０ｎｍより薄いＢ
ａＴｉＯ3 薄膜では、リーク電流量の増加のために強誘
電特性は観測できなくなった。
は、キュリー温度が２５０℃であり、バルクのキュリー
温度からの上昇が確認されたが、残留分極量は約０．０
３ｍＣ／ｍ2 と小さかった。膜厚が８０ｎｍより薄いＢ
ａＴｉＯ3 薄膜では、リーク電流量の増加のために強誘
電特性は観測できなくなった。
【００４４】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の強誘電体メ
モリおよびその製造方法では、強誘電キャパシタを構成
する誘電体薄膜の結晶格子に歪みを導入することにより
キュリー温度を上昇させるとともに、強誘電特性を保持
しながら誘電体薄膜の膜厚を薄くしている。したがっ
て、キュリー温度の上昇により保持特性を改善できる。
また、誘電体薄膜の膜厚が薄いことから、繰り返し分極
反転時にメモリセルの単位面積当たりの放熱量を抑え
て、強誘電体メモリの疲労耐性を向上できる。このよう
に発熱量が少ないことは、動作周波数を増大による高速
化にも有利である。さらに、強誘電体薄膜の膜厚が薄い
と、抗電圧が低下してキャパシタの駆動電圧が低くなる
ため、メモリの動作電圧の低電圧化にも対応できる。以
上の効果を総合的に判断して、本発明は強誘電体メモリ
の高集積化、高速化、動作電圧の低電圧化に極めて有利
である。
モリおよびその製造方法では、強誘電キャパシタを構成
する誘電体薄膜の結晶格子に歪みを導入することにより
キュリー温度を上昇させるとともに、強誘電特性を保持
しながら誘電体薄膜の膜厚を薄くしている。したがっ
て、キュリー温度の上昇により保持特性を改善できる。
また、誘電体薄膜の膜厚が薄いことから、繰り返し分極
反転時にメモリセルの単位面積当たりの放熱量を抑え
て、強誘電体メモリの疲労耐性を向上できる。このよう
に発熱量が少ないことは、動作周波数を増大による高速
化にも有利である。さらに、強誘電体薄膜の膜厚が薄い
と、抗電圧が低下してキャパシタの駆動電圧が低くなる
ため、メモリの動作電圧の低電圧化にも対応できる。以
上の効果を総合的に判断して、本発明は強誘電体メモリ
の高集積化、高速化、動作電圧の低電圧化に極めて有利
である。
【図１】本発明に係る薄膜キャパシタを示す断面図。
【図２】実施例におけるＢａＴｉＯ3 薄膜の二段階目の
スパッタ成膜時間と膜厚との関係を示す図。
スパッタ成膜時間と膜厚との関係を示す図。
【図３】実施例におけるＢａＴｉＯ3 薄膜のｃ軸長およ
び（００２）ロッキングカーブ半値幅の、膜厚方向の単
位結晶格子数に対する依存性を示す図。
び（００２）ロッキングカーブ半値幅の、膜厚方向の単
位結晶格子数に対する依存性を示す図。
【図４】実施例におけるＢａＴｉＯ3 薄膜の抗電界の温
度依存性を示す図。
度依存性を示す図。
【図５】実施例における膜厚方向の単位結晶格子数が異
なるＢａＴｉＯ3 薄膜のヒステリシス曲線（電圧−分極
量）を示す図。
なるＢａＴｉＯ3 薄膜のヒステリシス曲線（電圧−分極
量）を示す図。
【図６】実施例における膜厚方向の単位結晶格子数が異
なるＢａＴｉＯ3 薄膜の疲労特性を示す図。
なるＢａＴｉＯ3 薄膜の疲労特性を示す図。
【図７】比較例１のＢａＴｉＯ3 薄膜の抗電界の温度依
存性を示す図。
存性を示す図。
【図８】比較例１のＢａＴｉＯ3 薄膜のヒステリシス曲
線（電圧−分極量）を示す図。
線（電圧−分極量）を示す図。
【図９】実施例および比較例１のＢａＴｉＯ3 薄膜キャ
パシタの記録保持特性を示す図。
パシタの記録保持特性を示す図。
１…単結晶基板 ２…下部電極 ３…誘電体薄膜 ４…上部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/792
Claims (5)
- 【請求項１】 表面が立方晶系の（１００）面または正
方晶系の（００１）面である第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ペロブスカイト型結
晶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の電極とを有する薄膜キャパシタを具備した
強誘電体メモリにおいて、前記誘電体薄膜が、誘電体薄
膜の膜厚方向の格子定数をｃf ［ｎｍ］、バルク誘電体
の格子定数をｃb ［ｎｍ］、誘電体薄膜のキュリー温度
をＴf ［Ｋ］、バルク誘電体のキュリー温度をＴc
［Ｋ］、誘電体薄膜の膜厚方向の単位結晶格子の数をＮ
としたとき、 ０．０２≦（ｃf −ｃb ）／ｃb 、 ２５０°≦（Ｔf −Ｔc ）、および Ｎ≦３４ という関係を満たすことを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項２】 前記誘電体薄膜が、一般式 ＡＢＯ3 （式中、ＡはＢａ，Ｓｒ，およびＣａからなる群から選
択される少なくとも１種、ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓ
ｎ，Ｍｇ1/3 Ｎｂ2/3 ，Ｍｇ1/3 Ｔａ2/3 ，Ｚｎ1/3 Ｎ
ｂ2/3 ，Ｚｎ1/3 Ｔａ2/3 ，Ｎｉ1/3 Ｎｂ2/3 ，Ｎｉ
1/3 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
から選択される少なくとも１種）で表わされる化合物か
らなることを特徴とする請求項１記載の強誘電体メモ
リ。 - 【請求項３】 前記第１および第２の電極が、一般式 ＡＢＯ3 （式中、ＡはＢａ，Ｓｒ，Ｃａ，およびＬａからなる群
から選択される少なくとも１種、ＢはＲｕ，Ｉｒ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｉ，およびＣｒからなる群から選択さ
れる少なくとも１種）で表わされるペロブスカイト型結
晶構造を有する導電性化合物からなることを特徴とする
請求項１記載の強誘電体メモリ。 - 【請求項４】 前記誘電体薄膜が（Ｂａx Ｓｒ1-x ）Ｔ
ｉＯ3 （０≦ｘ≦１）で表わされる化合物からなり、前
記第１の電極および第２の電極がＳｒＲｕＯ3 （０．９
≦Ｓｒ／Ｒｕ≦１．２）で表わされるペロブスカイト型
結晶構造を有する導電性化合物からなることを特徴とす
る請求項１記載の強誘電体メモリ。 - 【請求項５】 表面が立方晶系の（１００）面または正
方晶系の（００１）面である第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ペロブスカイト型結
晶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の電極とを有する薄膜キャパシタを具備した
強誘電体メモリを製造するにあたり、前記誘電体薄膜
を、二段階のスパッタリング工程を用い、第一段階で成
膜速度を遅くし、第二段階で成膜速度を速くして成膜す
ることを特徴とする強誘電体メモリの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10144031A JPH11340429A (ja) | 1998-05-26 | 1998-05-26 | 強誘電体メモリおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10144031A JPH11340429A (ja) | 1998-05-26 | 1998-05-26 | 強誘電体メモリおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11340429A true JPH11340429A (ja) | 1999-12-10 |
Family
ID=15352727
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10144031A Pending JPH11340429A (ja) | 1998-05-26 | 1998-05-26 | 強誘電体メモリおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11340429A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100358170C (zh) * | 2003-04-17 | 2007-12-26 | 胜华科技股份有限公司 | 全彩偏极化电激发光元件 |
-
1998
- 1998-05-26 JP JP10144031A patent/JPH11340429A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100358170C (zh) * | 2003-04-17 | 2007-12-26 | 胜华科技股份有限公司 | 全彩偏极化电激发光元件 |
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