JP3249653B2 - Capacitor - Google Patents
CapacitorInfo
- Publication number
- JP3249653B2 JP3249653B2 JP21277993A JP21277993A JP3249653B2 JP 3249653 B2 JP3249653 B2 JP 3249653B2 JP 21277993 A JP21277993 A JP 21277993A JP 21277993 A JP21277993 A JP 21277993A JP 3249653 B2 JP3249653 B2 JP 3249653B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- capacitor
- ferroelectric
- temperature
- film
- thin film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Ceramic Capacitors (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はセラミックコンデンサお
よび半導体集積回路などに用いられる薄膜コンデンサな
どのコンデンサの構造に関する。さらに詳しくは、誘電
率の大きい強誘電体材料を使用したコンデンサで、結晶
粒径を小さくして温度変化に対して誘電率の変動を小さ
くしたコンデンサおよびそのコンデンサを使用した半導
体素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a capacitor such as a ceramic capacitor and a thin film capacitor used for a semiconductor integrated circuit. More specifically, the present invention relates to a capacitor using a ferroelectric material having a large dielectric constant, in which the crystal grain size is reduced and the variation in the dielectric constant with respect to a temperature change is reduced, and a semiconductor device using the capacitor.
【0002】ここに結晶粒径とは、薄膜中結晶粒の膜厚
方向の大きさを意味し、それと垂直方向の結晶粒の大き
さではない。塊状の結晶粒よりなる薄膜では両者はほぼ
同一の値となるが、柱状構造あるいは繊維状構造の薄膜
においては結晶粒は膜厚方向に細長い形状となり両者は
異なる値となる。Here, the crystal grain size means the size of a crystal grain in a thin film in the thickness direction, not the size of the crystal grain in a direction perpendicular thereto. In a thin film composed of massive crystal grains, both have almost the same value. However, in a thin film having a columnar structure or a fibrous structure, the crystal grains have an elongated shape in the film thickness direction, and both have different values.
【0003】[0003]
【従来の技術】図8は従来のセラミックコンデンサの断
面説明図である。図8(a)において11はたとえば強誘
電体セラミックスなどからなる誘電体層、12a、12bは
電極、13a、13bはリード線、14は絶縁被覆層、図8
(b)はセラミックスの部分拡大図で結晶粒を示してい
る。強誘電体セラミックスはTiO2、BaCO3などの
酸化物、炭酸塩などの原料を造粒し、焼結することによ
り作製される。焼結により合成されたセラミックスの結
晶粒径は通常1μm以上であり、焼結条件により1μm
から1mmの値になっている。2. Description of the Related Art FIG. 8 is an explanatory sectional view of a conventional ceramic capacitor. 8A, reference numeral 11 denotes a dielectric layer made of, for example, ferroelectric ceramics, 12a and 12b denote electrodes, 13a and 13b denote lead wires, and 14 denotes an insulating coating layer.
(B) is a partially enlarged view of a ceramic and shows crystal grains. Ferroelectric ceramics are manufactured by granulating and sintering raw materials such as oxides and carbonates such as TiO 2 and BaCO 3 . The crystal grain size of ceramics synthesized by sintering is usually 1 μm or more, and 1 μm
From 1 mm.
【0004】コンデンサの容量Cは、電極12a、12bの
面積Sと誘電体層11の比誘電率εrおよびその膜厚tに
より、 C=εrεoS/t と表現できる。ここで、εoは真空の誘電率である。[0004] capacitance C of the capacitor electrode 12a, the dielectric constant epsilon r and the thickness t of the 12b of the area S and the dielectric layer 11, can be expressed as C = ε r ε o S / t. Here, ε o is the dielectric constant of a vacuum.
【0005】このような強誘電体セラミックスの誘電率
は非常に大きく、誘電率が小さい材料を用いたコンデン
サよりも、電極面積が小さく小型のものや、同じ電極面
積では厚い誘電体を用いることで耐圧が向上するという
利点がある。しかし強誘電体の性質として誘電率がキュ
リー温度で極大となるために、温度による誘電率の変化
が大きいという欠点を有する。[0005] Such ferroelectric ceramics have a very large dielectric constant, and can be made smaller by using a capacitor having a smaller electrode area or a thicker dielectric with the same electrode area than a capacitor using a material having a small dielectric constant. There is an advantage that the withstand voltage is improved. However, the ferroelectric material has a disadvantage that the permittivity changes greatly with temperature because the permittivity becomes maximum at the Curie temperature.
【0006】従来のセラミックコンデンサではその誘電
率の大きさおよびその温度変化は、単結晶の値とほぼ同
等の値をしめす。チタン酸バリウムの結晶はその粒径が
1μm程度に小さくされたときに誘電率が大きくなるこ
とが、ジャーナル オブ アプライド フィジックス
(J.Appl.Phys.)58巻、第4号、1617頁、1985年に報告
されている。この報告によれば結晶粒径を0.5μmまで
小さくしたばあいには誘電率の大きさは変化するが、誘
電率の温度依存性については100℃の温度範囲で200%か
ら500%ほど変化しており、温度特性の改善が認められ
ない。In a conventional ceramic capacitor, the magnitude of its dielectric constant and its temperature change are almost equal to those of a single crystal. The barium titanate crystal has a large dielectric constant when its grain size is reduced to about 1 μm. Journal of Applied Physics (J. Appl. Phys.) 58, 4, 1617, 1985 Has been reported to. According to this report, when the crystal grain size is reduced to 0.5 μm, the magnitude of the dielectric constant changes, but the temperature dependence of the dielectric constant varies from 200% to 500% in the temperature range of 100 ° C. No improvement in temperature characteristics was observed.
【0007】通常のセラミックス合成法は、酸化物また
は炭酸塩の原料を混合して仮焼する。この仮焼物をボー
ルミルなどで粉砕および造粒した原料を、鋳型にいれて
プレス成形し、本焼成する。この製法によるセラミック
スは通常数μmから数十μmの粒径を有するが、気孔率
が大きく、緻密なセラミックスを合成するにはCIP法
(Cold Isostatic Press)またはHP法(Hot Press)
を用いる。これらの製法では気孔率が小さく緻密なセラ
ミックスがえられるが、このセラミックスの粒径は1μ
m程度となる。In a usual ceramic synthesis method, raw materials of an oxide or a carbonate are mixed and calcined. The raw material obtained by pulverizing and granulating the calcined product with a ball mill or the like is put into a mold, press-formed, and finally fired. Ceramics produced by this method usually have a particle size of several μm to several tens of μm, but have a high porosity and can be used to synthesize dense ceramics by CIP (Cold Isostatic Press) or HP (Hot Press).
Is used. In these production methods, dense ceramics having a small porosity can be obtained.
m.
【0008】BaTiO3はペロブスカイト型結晶構造
をもつ強誘電体であり、130℃のキュリー温度以上の常
誘電相では立方晶、キュリー温度以下では正方晶の強誘
電相となり、比誘電率はキュリー温度で10000以上の極
大値をとる。室温においては比誘電率は2000程度であ
る。BaTiO 3 is a ferroelectric substance having a perovskite-type crystal structure. A paraelectric phase having a Curie temperature of 130 ° C. or higher has a cubic structure, a lower temperature has a tetragonal ferroelectric phase, and a relative dielectric constant has a Curie temperature. Takes a maximum value of 10,000 or more. At room temperature, the relative dielectric constant is about 2000.
【0009】アルト(Arlt)らはBaTiO3をC
IP法とHP法を組み合わせて合成し結晶粒径が最小0.
28μmのセラミックスを合成し、これらの誘電率を報告
している(前述のジャーナル オブ アプライド フィ
ジックス(J.Appl.Phys.)58巻、第4号、1617
頁、1985年参照)。結晶粒径10μm以上のセラミックス
の比誘電率は室温において2000程度であるが1μmでは
5000程度に増加し、1μm以下では粒径の減少とともに
誘電率が低下する。またキュリー温度が数度シフトする
ことが報告されている。最小粒径(0.28μm)のセラミ
ックスの室温での比誘電率は2400であり、-50℃〜125℃
では25%程度の温度変化が存在する。Arlt et al. Converted BaTiO 3 to C
Synthesized by combining the IP method and the HP method, and the crystal grain size is minimum 0.
28 μm ceramics were synthesized and their dielectric constants are reported (Journal of Applied Physics (J. Appl. Phys.), Vol. 58, No. 4, 1617, supra).
1985). The relative dielectric constant of ceramics with a crystal grain size of 10 μm or more is about 2000 at room temperature, but at 1 μm
When it is increased to about 5000, and at 1 μm or less, the dielectric constant decreases as the particle diameter decreases. It is also reported that the Curie temperature shifts by several degrees. The relative dielectric constant at room temperature of ceramics with a minimum particle size (0.28μm) is 2400, -50 ℃ ~ 125 ℃
There is a temperature change of about 25%.
【0010】内野らは水熱合成法によりBaTiO3の
微粉を合成し、粉末X線回折により結晶構造の温度変化
を調べた(ジャーナル オブ アメリカン セラミック
ソサイアティ(J.Am.Ceram.Soc.)72巻、第8号、155
5頁、1989年参照)。粒径0.12μmから1μmの微粉で
は立方晶と正方晶の相転移温度は粒径に依存し、次式の
ように変化することが報告されている。Uchino et al. Synthesized a fine powder of BaTiO 3 by a hydrothermal synthesis method and examined the temperature change of the crystal structure by powder X-ray diffraction (J. Am. Ceram. Soc., Vol. 72). , Issue 8, 155
5, 1989). It has been reported that in fine powder having a particle size of 0.12 μm to 1 μm, the phase transition temperature between cubic and tetragonal crystals depends on the particle size and changes as in the following formula.
【0011】[0011]
【数3】 ただしTcはキュリー温度、Dは結晶粒径(nm)であ
る。(Equation 3) Here, Tc is the Curie temperature, and D is the crystal grain size (nm).
【0012】石川らはPbTiO3の微粉についてキュ
リー温度の低下を報告しており(フィジカル レビュー
ビー(Phys.Rev.B)37巻、第10号、5852頁、1988年参
照)、そのキュリー温度は次式で表される。Ishikawa et al. Reported a decrease in Curie temperature of PbTiO 3 fine powder (see Physical Review Bee (Phys. Rev. B), Vol. 37, No. 10, p. 5852, 1988). It is expressed by the following equation.
【0013】[0013]
【数4】 BaTiO3セラミックスにおいての結晶粒径が小さい
ものは、その誘電率の温度変化はちいさくなることが知
られているが、その最小温度変化率は100℃の温度範囲
で25%程度あり、コンデンサの特性としては従来の温度
特性改善法以上には温度変化率が改善されていない。(Equation 4) It is known that the temperature change of the dielectric constant of BaTiO 3 ceramics having a small crystal grain size is small, but the minimum temperature change is about 25% in a temperature range of 100 ° C. However, the rate of temperature change is not improved as compared with the conventional temperature characteristic improvement method.
【0014】一方、キュリー温度が粒径に依存する現象
が微粉では報告されており、その低下量は材料により異
なる。またセラミックスではキュリー温度の変化はわず
かである。On the other hand, a phenomenon in which the Curie temperature depends on the particle size has been reported for fine powders, and the amount of reduction depends on the material. The change in Curie temperature of ceramics is small.
【0015】このような欠点を克服するため、強誘電体
セラミックスでは主成分の強誘電体化合物に種々の酸化
物やフッ化物たとえばMgZrO3、BaF2などを添加
し、誘電率の温度変化を小さくする手法がとられてき
た。また主成分の化合物と他の成分たとえばCaTiO
3、MgSnO3、NiSnO3などの固溶体を用いるこ
とで温度変化の小さいセラミックコンデンサをうること
ができる。しかしこれらの手法では、誘電率の温度変化
による誤差をおさえることができず、100℃の温度範囲
においてコンデンサの精度を±20%以下にすることが困
難である。In order to overcome such drawbacks, in ferroelectric ceramics, various oxides and fluorides such as MgZrO 3 and BaF 2 are added to a ferroelectric compound as a main component to reduce the temperature change of the dielectric constant. Have been taken. Further, the main component compound and other components such as CaTiO
3, it is possible to sell a small ceramic capacitor having a temperature change by using a solid solution such as MgSnO 3, NiSnO 3. However, these techniques cannot suppress an error due to a temperature change in the dielectric constant, and it is difficult to reduce the accuracy of the capacitor to ± 20% or less in a temperature range of 100 ° C.
【0016】一方、半導体基板に設けられたトランジス
タとコンデンサとからなるメモリセルが形成される半導
体素子がある。図9は、その一例のメモリ素子(DRA
M)の1セル部分の断面説明図であり、16はシリコン基
板、17aはトランジスタのソース領域、17bはトランジ
スタのドレイン領域、17cはトランジスタのゲート領域
であり、17a、17b、17cでトランジスタ17が構成され
ている。18はビット線、19aはソース領域17aとビット
線18とを接続する埋込みプラグ、19bはドレイン領域17
bとコンデンサ下部電極21bをつなぐ埋込みプラグ、20
は絶縁膜、21cは誘電体膜としてのチタン酸ストロンチ
ウム薄膜、21aは上部電極で、上部電極21a、下部電極
21bおよび誘電体膜21cからでコンデンサ21が形成され
ている。On the other hand, there is a semiconductor element in which a memory cell including a transistor and a capacitor provided on a semiconductor substrate is formed. FIG. 9 shows an example of a memory element (DRA).
M) is a sectional explanatory view of one cell portion, wherein 16 is a silicon substrate, 17a is a transistor source region, 17b is a transistor drain region, 17c is a transistor gate region, and transistors 17a, 17b, and 17c are transistors 17a, 17b, and 17c. It is configured. 18 is a bit line, 19a is a buried plug connecting the source region 17a and the bit line 18, and 19b is a drain region 17a.
embedded plug connecting b to the capacitor lower electrode 21b, 20
Is an insulating film, 21c is a strontium titanate thin film as a dielectric film, 21a is an upper electrode, upper electrode 21a, lower electrode
The capacitor 21 is formed from the dielectric film 21c and the dielectric film 21c.
【0017】つぎに、動作について説明する。図9に示
した素子は、半導体集積回路に用いられるもので、その
ばあい、同一基板上に形成されたトランジスタなどによ
り制御された信号電荷を薄膜コンデンサ下部電極21bに
蓄積することによって情報の記憶が行われる。蓄積され
る電荷量Qは、コンデンサの電極面積Sと誘電体膜21c
の比誘電率εrおよびその膜厚tにより、 Q=εrεoSVc/t と表現できる。ここで、εoは真空の誘電率、Vcはコン
デンサに印加される電圧である。この蓄積電荷量Qは、
外部からの擾乱、とくに、ソフトエラーと呼ばれる電離
放射線によって発生する過剰電荷による誤記憶を引き起
こさない程度に大きいことが必要である。Next, the operation will be described. The element shown in FIG. 9 is used in a semiconductor integrated circuit. In this case, signal charge controlled by a transistor or the like formed on the same substrate is stored in a thin film capacitor lower electrode 21b to store information. Is performed. The accumulated charge amount Q depends on the electrode area S of the capacitor and the dielectric film 21c.
The relative dielectric constant epsilon r and the thickness t of, can be expressed as Q = ε r ε o SV c / t. Here, ε o is the dielectric constant of vacuum, and V c is the voltage applied to the capacitor. This accumulated charge amount Q is
The disturbance must be large enough not to cause erroneous memory due to external disturbances, in particular, excessive charges generated by ionizing radiation called soft errors.
【0018】集積度の低い半導体素子においては、誘電
体膜として、シリコンを熱酸化した酸化シリコン膜やC
VDによって形成されるチッ化シリコン膜が用いられて
いた。集積化が進むにつれて、コンデンサ電極面積Sは
減少するため、上述した酸化シリコン膜やチッ化シリコ
ン膜では、ソフトエラーを引き起こさないだけの蓄積電
荷をうることが出来なくなった。そこで、新たに、誘電
体膜として、酸化タンタルやチタン酸ストロンチウムな
どの常誘電体や、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、お
よび、チタン酸バリウムなどの強誘電体の誘電率が高い
材料を用いることが考えられている。たとえば、チタン
酸バリウムおよびPZTは1000以上の高い比誘電率を示
し、かつ、それぞれ酸素欠陥が生じないように成膜する
ことで高い絶縁性がえられることが知られている。In a semiconductor element having a low degree of integration, a silicon oxide film obtained by thermally oxidizing silicon or a C film is used as a dielectric film.
A silicon nitride film formed by VD has been used. As the integration progresses, the capacitor electrode area S decreases, so that the above-described silicon oxide film or silicon nitride film cannot obtain accumulated charges that do not cause a soft error. Therefore, a material having a high dielectric constant such as a paraelectric material such as tantalum oxide or strontium titanate, or a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) or barium titanate is newly used as the dielectric film. It is thought that. For example, it is known that barium titanate and PZT exhibit a high relative dielectric constant of 1000 or more, and that a high insulating property can be obtained by forming a film so that oxygen defects do not occur.
【0019】酸化物強誘電体の薄膜は、通常、スパッタ
リング法やCVD法で形成される。このばあい、酸素欠
陥によるリーク電流の増加を防ぐために、500〜700℃程
度の高温、酸化雰囲気中で成膜されることが多い。ま
た、成膜後、酸素雰囲気中で高温アニールが施され、リ
ーク電流の低減や絶縁耐圧の増加が図られることもあ
る。また、これらの酸化物を用いた薄膜コンデンサの下
部電極材料としては、耐酸化性の高い白金などが用いら
れている。The oxide ferroelectric thin film is usually formed by a sputtering method or a CVD method. In this case, in order to prevent an increase in leak current due to oxygen defects, the film is often formed in an oxidizing atmosphere at a high temperature of about 500 to 700 ° C. In addition, after film formation, high-temperature annealing is performed in an oxygen atmosphere to reduce leakage current and increase dielectric strength. Further, as a lower electrode material of a thin film capacitor using these oxides, platinum or the like having high oxidation resistance is used.
【0020】[0020]
【発明が解決しようとする課題】前述のように、ディス
クリートのセラミックコンデンサや半導体メモリに用い
られるコンデンサは一定容量を確保しつつ小型化が要求
され、小さな面積で大きな容量をうるため、誘電体膜と
して強誘電体材料の使用が検討されている。そして強誘
電体材料であるBaTiO3の微粉について結晶粒径と
比誘電率やキュリー温度の関係が調べられている。しか
し、結晶粒径が1μm以下では比誘電率が小さくなり、
粒径を小さくするという研究はなされておらず、最小粒
径0.28μmで比誘電率が2400、−50℃〜125℃で比誘電
率の変化が25%程度になることが報告されているのみで
ある。As described above, a discrete ceramic capacitor and a capacitor used for a semiconductor memory are required to be reduced in size while securing a certain capacitance, and a large capacitance can be obtained in a small area. The use of ferroelectric materials has been studied. The relationship between the crystal grain size, the relative dielectric constant and the Curie temperature of fine powder of BaTiO 3 , which is a ferroelectric material, has been investigated. However, when the crystal grain size is 1 μm or less, the relative dielectric constant becomes small,
No studies have been made to reduce the particle size, only to report that the relative permittivity is 2400 at a minimum particle size of 0.28 μm and that the change in relative permittivity is about 25% between -50 ° C and 125 ° C. It is.
【0021】また結晶粒度とキュリー温度との関係はP
bTiO3やBaTiO3の微紛で報告されているが、微
粉であるため、結晶粒径は120nm以上であり、しかも
強誘電体材料を使用した薄膜についてのコンデンサの使
用時の温度とキュリー温度さらには結晶粒径との関係な
どについては何ら報告されていない。The relationship between the crystal grain size and the Curie temperature is P
Although reported as fine powder of bTiO 3 or BaTiO 3 , since it is a fine powder, the crystal grain size is 120 nm or more, and the temperature at the time of using a capacitor and the Curie temperature of a thin film using a ferroelectric material are further increased. No report is made on the relationship with the crystal grain size.
【0022】そのため、強誘電体材料を使用したセラミ
ックコンデンサは種々の酸化物やフッ化物を添加してコ
ンデンサの使用時の周囲温度−20℃〜80℃の範囲での比
誘電率の変化が小さくなるようにし、20%程度の変化に
抑まるようにして製造されている。しかしそれ以上の温
度による変化率を制御することができず、さらなる高精
度の電子部品としては強誘電体材料を使用したセラミッ
クコンデンサは適さないという問題がある。For this reason, in a ceramic capacitor using a ferroelectric material, a change in the relative dielectric constant in a range of -20 ° C. to 80 ° C. at the time of using the capacitor by adding various oxides and fluorides is small. It is manufactured in such a way that the change is suppressed to about 20%. However, the rate of change due to a higher temperature cannot be controlled, and there is a problem that a ceramic capacitor using a ferroelectric material is not suitable as a further high-precision electronic component.
【0023】また、強誘電体薄膜をメモリ素子(DRA
M)のコンデンサとして用いるばあい、前述のように温
度変化に伴う比誘電率の変化によりソフトエラーが発生
し易いという問題のほかに、セラミックコンデンサと同
程度の印加電圧であっても薄膜であるために印加する電
界強度が大きくなり、メモリの書き換え毎に自発分極の
反転が生じる。書き換え回数が多くなると蓄積電荷量の
減少や絶縁特性の劣化が生じる(この現象は疲労と呼ば
れている)ことが報告されている。Further, a ferroelectric thin film is used as a memory element (DRA).
When used as a capacitor of M), in addition to the problem that a soft error is likely to occur due to a change in relative dielectric constant due to a change in temperature as described above, the capacitor is a thin film even at an applied voltage similar to that of a ceramic capacitor. Therefore, the intensity of the applied electric field increases, and the spontaneous polarization is inverted every time the memory is rewritten. It has been reported that an increase in the number of rewrites causes a decrease in the amount of stored charges and a deterioration in insulation characteristics (this phenomenon is called fatigue).
【0024】強誘電体はキュリー温度より高い温度では
強誘電体としての性質をもたない常誘電相であり、キュ
リー温度以下では強誘電相となり自発分極が生じる。し
たがって半導体素子の使用動作温度において強誘電相と
なる強誘電体は疲労のためDRAMにおけるコンデンサ
材料として不適当であった。メモリ素子の使用温度は通
常−20℃から80℃であり、メモリ素子内では、トランジ
スタの動作のために温度が上昇し、動作中の半導体素子
の温度は0℃から100℃となる。この温度範囲で、強誘
電体の誘電率は大きく変化し、半導体デバイスの使用温
度範囲において蓄積電荷量の変動が生じ、正常な動作が
できなくなるという問題がある。A ferroelectric substance is a paraelectric phase having no ferroelectric property at a temperature higher than the Curie temperature, and becomes a ferroelectric phase at a temperature lower than the Curie temperature, causing spontaneous polarization. Therefore, a ferroelectric which becomes a ferroelectric phase at the operating temperature of a semiconductor device is not suitable as a capacitor material in a DRAM due to fatigue. The operating temperature of the memory element is usually -20 ° C to 80 ° C. In the memory element, the temperature rises due to the operation of the transistor, and the temperature of the semiconductor element in operation becomes 0 ° C to 100 ° C. In this temperature range, the dielectric constant of the ferroelectric material greatly changes, and the amount of accumulated charges fluctuates in the operating temperature range of the semiconductor device, which causes a problem that normal operation cannot be performed.
【0025】一方、チタン酸ストロンチウムや酸化タン
タルの常誘電体材料は誘電率が強誘電体材料ほど大きく
なく、蓄積容量を確保するためには膜厚を薄くする必要
があり、膜厚が薄くなると絶縁性が減少するため、高集
積化される半導体素子のコンデンサ用誘電体膜として使
用することに問題がある。そのため、メモリ素子の高集
積化に伴い、64Mビット以上のメモリ素子を作るために
は、従来の常誘電体材料では作製することができず、強
誘電体材料の開発が急務となっている。On the other hand, a paraelectric material such as strontium titanate or tantalum oxide has a dielectric constant not as large as a ferroelectric material, and it is necessary to reduce the film thickness in order to secure a storage capacity. Since the insulating property is reduced, there is a problem in using it as a dielectric film for a capacitor of a highly integrated semiconductor device. Therefore, in order to manufacture a memory element of 64 Mbits or more with a high integration of the memory element, it cannot be manufactured with a conventional paraelectric material, and there is an urgent need to develop a ferroelectric material.
【0026】本発明はこのような問題を解消するために
なされたもので、強誘電体材料を使用して小型で容量変
化の小さいセラミックコンデンサを提供すると共に、強
誘電体材料の薄膜をメモリ用のコンデンサとして用いた
半導体素子において、コンデンサの電極面積が小さく、
絶縁性に優れ、静電容量の温度変化が小さい薄膜コンデ
ンサ構造を有する半導体素子を提供することを目的とす
る。The present invention has been made to solve such a problem, and provides a small-sized ceramic capacitor having a small capacitance change using a ferroelectric material, and a thin film of a ferroelectric material for a memory. In the semiconductor device used as a capacitor, the electrode area of the capacitor is small,
It is an object of the present invention to provide a semiconductor element having a thin film capacitor structure having excellent insulation properties and having a small temperature change in capacitance.
【0027】[0027]
【課題を解決するための手段】本発明者らは強誘電体材
料を誘電体層として使用したコンデンサの100℃程度の
温度変化に対しても容量変化が小さく、また半導体素子
のメモリ用コンデンサとして使用しても疲労が生じない
小型で容量の大きいコンデンサをうるために鋭意検討を
重ねた結果、強誘電体材料の結晶粒度により強誘電特性
を制御できることを見出し、結晶粒径を調製することに
より特性の優れたコンデンサやメモリ用半導体素子がえ
られることを見出し、本発明を完成した。Means for Solving the Problems The present inventors have found that a capacitor using a ferroelectric material as a dielectric layer has a small change in capacitance with respect to a temperature change of about 100 ° C. As a result of intensive studies to obtain a small, large-capacity capacitor that does not cause fatigue even when used, it was found that the ferroelectric characteristics can be controlled by the crystal grain size of the ferroelectric material, and by adjusting the crystal grain size The inventors have found that a capacitor and a semiconductor device for memory having excellent characteristics can be obtained, and have completed the present invention.
【0028】すなわち、本発明のコンデンサは、強誘電
体化合物または強誘電体化合物を主成分とする材料から
なる誘電体層と、該誘電体層の両側に設けられた2つの
電極と、前記誘電体層および2つの電極を被覆する絶縁
被覆層と、前記2つの電極から該絶縁被覆層の外側にそ
れぞれ導出される2本のリード線とからなるコンデンサ
であって、前記化合物の多結晶体の平均結晶粒径が150
nm以下に調製されていることを特徴とする。That is, the capacitor of the present invention comprises: a dielectric layer made of a ferroelectric compound or a material containing a ferroelectric compound as a main component; two electrodes provided on both sides of the dielectric layer; A capacitor comprising: an insulating coating layer covering a body layer and two electrodes; and two lead wires respectively led out of the two electrodes to the outside of the insulating coating layer, wherein the capacitor comprises a polycrystalline body of the compound. Average grain size is 150
nm or less.
【0029】前記誘電体層および2つの電極が基板上に
設けられ、該基板も前記被覆層により覆われていること
が好ましい。Preferably, the dielectric layer and the two electrodes are provided on a substrate, and the substrate is also covered by the covering layer.
【0030】また、前記基板が金属材料または良導体か
らなり、前記2つの電極の一方と兼用されていることが
好ましい。Preferably, the substrate is made of a metal material or a good conductor, and is also used as one of the two electrodes.
【0031】請求項4記載の半導体素子は、半導体基板
に形成されたトランジスタと、該半導体基板に設けら
れ、かつ、前記トランジスタに接続されるコンデンサと
からなる半導体素子であって、前記コンデンサの誘電体
膜が強誘電体材料の薄膜からなり、該強誘電体材料の薄
膜の平均結晶粒径が該薄膜の膜厚より小さく、かつ、15
0nm以下とされていることを特徴とする。A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is a semiconductor device comprising a transistor formed on a semiconductor substrate and a capacitor provided on the semiconductor substrate and connected to the transistor. The body film is formed of a thin film of a ferroelectric material, the average crystal grain size of the thin film of the ferroelectric material is smaller than the thickness of the thin film, and
It is characterized in that it is not more than 0 nm.
【0032】ここに誘電体膜を構成する強誘電体材料の
薄膜には強誘電体材料に他の通常の誘電体材料などが含
まれるものも含む意味である。Here, the thin film of the ferroelectric material constituting the dielectric film includes a ferroelectric material containing other ordinary dielectric materials.
【0033】また、請求項5記載の半導体素子は、半導
体基板に形成されたトランジスタと、該半導体基板に設
けられ、かつ、前記トランジスタに接続されるコンデン
サとからなる半導体素子であって、前記コンデンサの誘
電体膜が強誘電体材料の薄膜からなり、該強誘電体材料
の薄膜の結晶格子の体積Vがバルク材料の体積の値より
も1%以上大きくなるように結晶が調製されていること
を特徴とする。The semiconductor device according to claim 5 is a semiconductor device comprising a transistor formed on a semiconductor substrate and a capacitor provided on the semiconductor substrate and connected to the transistor. Is made of a thin film of a ferroelectric material, and crystals are prepared so that the volume V of the crystal lattice of the thin film of the ferroelectric material is 1% or more larger than the value of the volume of the bulk material. It is characterized by.
【0034】ここにバルク材料とは、単結晶または結晶
粒径が10μm以上の多結晶体の材料をいう。Here, the bulk material is a single crystal or a polycrystalline material having a crystal grain size of 10 μm or more.
【0035】さらに、請求項6記載の半導体素子は、半
導体基板に形成されたトランジスタと、該半導体基板に
設けられ、かつ、前記トランジスタに接続されるコンデ
ンサとからなる半導体素子であって、前記コンデンサの
誘電体膜が強誘電体材料の薄膜からなり、該強誘電体材
料がバルク材料で半導体素子の使用温度範囲において強
誘電相をもつ強誘電体材料であり、かつ、薄膜の平均結
晶粒径Dがバルク材料のキュリー温度Tcおよび半導体
素子の下限使用温度Toに対してThe semiconductor device according to claim 6, further comprising a transistor formed on a semiconductor substrate, and a capacitor provided on the semiconductor substrate and connected to the transistor. The ferroelectric material comprises a thin film of a ferroelectric material, the ferroelectric material is a bulk material, a ferroelectric material having a ferroelectric phase in the operating temperature range of the semiconductor element, and an average crystal grain size of the thin film. D is relative to the lower limit operating temperature T o of the Curie temperature T c and the semiconductor device of the bulk material
【0036】[0036]
【数5】 ただしk1=4800nm℃ であることを特徴とする。(Equation 5) However, it is characterized in that k 1 = 4800 nm ° C.
【0037】さらに、請求項7記載の半導体素子は、半
導体基板に形成されたトランジスタと、該半導体基板に
設けられ、かつ、前記トランジスタに接続されるコンデ
ンサとからなる半導体素子であって、前記コンデンサの
誘電体膜が強誘電体材料の薄膜からなり、該強誘電体材
料がバルク材料で半導体素子の使用温度範囲において強
誘電相をもつ強誘電体材料であり、かつ、該薄膜の結晶
格子の体積Vがバルク材料のキュリー温度Tc、半導体
素子の下限使用温度Toおよびバルク材料の結晶格子の
体積Voに対して V>Vo{1+(Tc−To)k2} ただしk2=0.0003/℃ であることを特徴とする。The semiconductor device according to claim 7, further comprising: a transistor formed on a semiconductor substrate; and a capacitor provided on the semiconductor substrate and connected to the transistor. The ferroelectric material is a thin film of a ferroelectric material, the ferroelectric material is a bulk material, a ferroelectric material having a ferroelectric phase in the operating temperature range of the semiconductor element, and the crystal lattice of the thin film Curie temperature T c, the lower limit use of the semiconductor element temperature T o and V the volume V o of the crystal lattice of the bulk material> V o {1+ (T c -T o) k 2} where k volume V bulk materials 2 = 0.0003 / ° C.
【0038】さらに、請求項8記載の半導体素子は、半
導体基板に形成されたトランジスタと、該半導体基板に
設けられ、かつ、前記トランジスタに接続されるコンデ
ンサとからなる半導体素子であって、前記コンデンサの
誘電体膜が強誘電体材料の薄膜からなり、該強誘電体材
料がバルク材料で半導体素子の使用温度範囲に強誘電相
をもつ強誘電体材料であり、かつ、該薄膜の膜厚tがバ
ルク材料のキュリー温度Tcおよび半導体素子の下限使
用温度Toに対してThe semiconductor device according to claim 8, further comprising: a transistor formed on a semiconductor substrate; and a capacitor provided on the semiconductor substrate and connected to the transistor. Comprises a thin film of a ferroelectric material, wherein the ferroelectric material is a bulk material and a ferroelectric material having a ferroelectric phase in the operating temperature range of the semiconductor element, and the thickness t of the thin film respect but lower operating temperature T o of the Curie temperature T c and the semiconductor device of the bulk material
【0039】[0039]
【数6】 ただしk3=9600nm℃ であることを特徴とする。(Equation 6) However, it is characterized in that k 3 = 9600 nm ° C.
【0040】前記強誘電体材料はBaTiO3のBaお
よび/またはTiの一部が他の金属イオンで置換された
材料であることが好ましい。The ferroelectric material is preferably a material in which Ba and / or Ti of BaTiO 3 is partially replaced by another metal ion.
【0041】[0041]
【作用】本発明によれば、メモリ用コンデンサの強誘電
体材料の結晶粒径を150nm以下に調製しているため、
強誘電体材料のキュリー温度近傍における誘電率の温度
変化が激減し、精度が良好なセラミックコンデンサがえ
られる。According to the present invention, since the crystal grain size of the ferroelectric material of the memory capacitor is adjusted to 150 nm or less,
The temperature change of the dielectric constant near the Curie temperature of the ferroelectric material is drastically reduced, and a ceramic capacitor with good accuracy is obtained.
【0042】また、本発明によれば、メモリ用コンデン
サの強誘電体薄膜の結晶粒径または格子定数を調整して
いるため、誘電率の温度変化が激減し、信頼性の高い半
導体素子がえられる。According to the present invention, since the crystal grain size or lattice constant of the ferroelectric thin film of the memory capacitor is adjusted, the temperature change of the dielectric constant is drastically reduced, and a highly reliable semiconductor device is obtained. Can be
【0043】さらに、強誘電体薄膜において、結晶粒径
の減少、格子定数の調整または膜厚の調整により、キュ
リー温度を低下させることにより、強誘電体材料の常誘
電相で動作させることができ、従来のメモリ使用動作温
度域において強誘電相にあるために疲労により使用でき
なかった強誘電体材料を疲労を起させることなく使用で
きる。したがって絶縁性の劣化、蓄積電荷の減少などの
疲労現象がなくなり、小さな面積で誘電率の大きい、薄
膜コンデンサがえられ、高集積化された信頼性の高い半
導体素子がえられる。Further, the ferroelectric thin film can be operated in the paraelectric phase of the ferroelectric material by reducing the Curie temperature by reducing the crystal grain size, adjusting the lattice constant or adjusting the film thickness. In addition, a ferroelectric material which cannot be used due to fatigue because it is in a ferroelectric phase in a conventional memory operating temperature range can be used without causing fatigue. Therefore, fatigue phenomena such as deterioration of insulation properties and reduction of accumulated charges are eliminated, a thin film capacitor having a small area and a large dielectric constant is obtained, and a highly integrated semiconductor device with high reliability is obtained.
【0044】[0044]
【実施例】つぎに、図面を参照しながら本発明について
説明する。図1は本発明のコンデンサの一実施例を示す
図で、(a)はその断面説明図、(b)は結晶粒を示す
図、図2は本発明のコンデンサの他の実施例を示す断面
説明図、図3は本発明のコンデンサのさらに他の実施例
を示す断面説明図、図4は(Ba0.65Sr0.35)TiO
3の結晶粒径に対する比誘電率の温度変化率を示す図、
図5は(Ba0.65Sr0.35)TiO3のばあいの結晶格
子の体積による比誘電率の温度変化率を示す図、図6は
種々の材料の結晶粒径の逆数に対するキュリー温度の変
化量を示す図、図7は種々の材料の結晶粒の体積に対す
るキュリー温度の変化量を示す図である。Next, the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are diagrams showing an embodiment of the capacitor of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional explanatory view, FIG. 1B is a diagram showing crystal grains, and FIG. 2 is a cross-section showing another embodiment of the capacitor of the present invention. FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view showing still another embodiment of the capacitor of the present invention, and FIG. 4 is (Ba 0.65 Sr 0.35 ) TiO.
Diagram showing the temperature change rate of the relative dielectric constant with respect to the crystal grain size of 3 ,
FIG. 5 is a diagram showing the temperature change rate of the relative permittivity depending on the volume of the crystal lattice in the case of (Ba 0.65 Sr 0.35 ) TiO 3 , and FIG. 6 shows the change amount of the Curie temperature with respect to the reciprocal of the crystal grain size of various materials. FIGS. 7A and 7B are diagrams showing changes in Curie temperature with respect to the volume of crystal grains of various materials.
【0045】前述のように本発明者らは強誘電体特性の
改善について鋭意検討を重ねた結果、電子部品の使用さ
れる温度範囲での比誘電率の変化やキュリー温度などの
強誘電体特性が強誘電体層または強誘電体薄膜の結晶粒
径により制御され、とくに平均の結晶粒径を150nm以
下にすることにより、強誘電体材料の比誘電率の変化が
電子部品の使用される周囲の温度範囲−20℃〜80℃のあ
いだで20%程度以下の変化に抑えることができることを
見出した。また、結晶粒径を小さくすることによりキュ
リー温度を下げることができ、キュリー温度を電子部品
の使用温度範囲より下に下げて強誘電体材料の常誘電相
で使用することにより、誘電率が大きく、しかも温度変
化が小さい、かつ、疲労の生じないメモリ用半導体素子
がえられることを見出したものである。As described above, the present inventors have conducted intensive studies on the improvement of the ferroelectric characteristics, and as a result, have found that the ferroelectric characteristics such as the change in the relative dielectric constant and the Curie temperature in the temperature range in which the electronic component is used. Is controlled by the crystal grain size of the ferroelectric layer or the ferroelectric thin film. In particular, by setting the average crystal grain size to 150 nm or less, the change in the relative dielectric constant of the ferroelectric material can be controlled around the electronic component used. It has been found that a change of about 20% or less can be suppressed in the temperature range of −20 ° C. to 80 ° C. In addition, the Curie temperature can be lowered by reducing the crystal grain size, and by lowering the Curie temperature below the operating temperature range of electronic components and using it in the paraelectric phase of a ferroelectric material, the dielectric constant increases. In addition, the present inventors have found that a semiconductor device for memory which has a small temperature change and does not cause fatigue can be obtained.
【0046】ここに強誘電体材料としてはBaTiO3
やPbTiO3のほか、BaTiO3の固溶体すなわち、
BaTiO3のBaまたはTiの一部を1種以上の他の
金属イオンで置換したものがとくに優れ、Baの置換イ
オンとしては、たとえばSr、Ca、Cd、Mg、
(K、Bi)の対、(Tl、Bi)の対、(Rb、B
i)の対などが用いられ、Tiの置換イオンとしては、
たとえばZr、Hf、(Zn、Nb)の対、(Mg、N
b)の対、(Co、Ta)の対などが用いられる。ま
た、本発明の誘電体層または誘電体薄膜は強誘電体材料
のみからなるばあいのみならず、絶縁特性、温度による
誘電率の変化抑制などの電気的特性や機械的強度などの
機械的特性を向上させるため、種々の酸化物やフッ化物
などが数モル%程度混入され、強誘電体材料を主成分と
する材料についても同様の効果がえられる。Here, BaTiO 3 is used as the ferroelectric material.
And PbTiO 3 , as well as a solid solution of BaTiO 3 ,
BaTiO 3 obtained by substituting a part of Ba or Ti with one or more other metal ions is particularly excellent, and examples of Ba substituted ions include Sr, Ca, Cd, Mg,
(K, Bi) pair, (Tl, Bi) pair, (Rb, B
i) and the like are used.
For example, a pair of Zr, Hf, (Zn, Nb), (Mg, N
A pair b), a pair (Co, Ta) and the like are used. The dielectric layer or the dielectric thin film of the present invention is not only made of a ferroelectric material alone, but also has electrical properties such as insulation properties, suppression of a change in dielectric constant due to temperature, and mechanical properties such as mechanical strength. Various oxides, fluorides, and the like are mixed in the amount of about several mol% in order to improve the effect, and the same effect can be obtained with a material containing a ferroelectric material as a main component.
【0047】すなわち、図4に(Ba0.65Sr0.35)T
iO3の平均の結晶粒径に対する周囲温度が−20℃〜80
℃の範囲での比誘電率の温度変化率を示すように、平均
の結晶粒径が200nm程度では26%程度の変化があるの
に対し、150nmの平均結晶粒径にすることにより温度
変化率を20%程度にすることができ、従来のように添加
物を混入することなく、温度変化率を20%程度にするこ
とができる。さらに平均粒径を小さくし、たとえば20n
m程度にすることにより誘電率の変化率を5%程度に抑
えることができる。なお、結晶粒径を小さくすることに
より、比誘電率は220nmのときの740程度が20nmでは
300程度に下がる。That is, FIG. 4 shows (Ba 0.65 Sr 0.35 ) T
Ambient temperature with respect to the average crystal grain size of iO 3 is −20 ° C. to 80
As shown by the temperature change rate of the relative dielectric constant in the range of ° C., when the average crystal grain size is about 200 nm, there is a change of about 26%. Can be reduced to about 20%, and the rate of temperature change can be reduced to about 20% without mixing an additive as in the related art. Further reduce the average particle size, for example, 20n
By setting it to about m, the change rate of the dielectric constant can be suppressed to about 5%. By reducing the crystal grain size, the relative dielectric constant becomes about 740 at 220 nm,
It drops to about 300.
【0048】図4に示した関係は(Ba0.65Sr0.35)
TiO3のばあいを示しているが、(BaxSr1-x)T
iO3のxが0.5≦x≦0.75の範囲内で同様の傾向を示す
ことを確認した。また、(BaxSr1-x)TiO3以外
にもBaTiO3、PZT、PLZTでも同様の傾向を
示した。The relationship shown in FIG. 4 is (Ba 0.65 Sr 0.35 )
In the case of TiO 3 , (Ba x Sr 1-x ) T
It was confirmed that the same tendency was exhibited when x of iO 3 was in the range of 0.5 ≦ x ≦ 0.75. In addition, BaTiO 3 , PZT and PLZT showed the same tendency other than (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 .
【0049】このような平均結晶粒径が小さい微結晶粒
セラミックスを形成するには、焼結時の条件を700〜110
0℃で短時間行うことによりえられ、また、気相反応蒸
着法(CVD法)により行うばあいには、蒸着時の基板
温度を400〜550℃にして成膜することによりえられ、さ
らに、強誘電体化合物の気化する有機金属材料を原料と
して用い、光またはプラズマまたは熱のエネルギーによ
り300〜500℃程度で数秒〜数十分程度にして原料を分解
して酸化物を堆積することによってもえられる。In order to form such a fine-grained ceramic having a small average crystal grain size, the conditions at the time of sintering are set to 700 to 110.
It is obtained by performing at 0 ° C. for a short time, and when performing by vapor phase reactive vapor deposition (CVD), it is obtained by forming a film at a substrate temperature of 400 to 550 ° C. during vapor deposition. By using an organometallic material that evaporates a ferroelectric compound as a raw material, and decomposing the raw material at about 300 to 500 ° C. for about several seconds to several tens of minutes by light or plasma or heat energy to deposit an oxide. I can get it.
【0050】また結晶粒の小さい酸化物誘電体薄膜の成
膜法については、通常スパッタリング法やCVD法で形
成されるが、通常のこれらの形成法で成膜温度を200〜5
00℃の低い成膜温度にすることにより非常に細かい塊状
の結晶粒を有する膜構造をうることができる。また、ア
モルファスで成膜したのちに、500〜700℃で数秒〜数十
分間アニールすることなどによっても細かい塊状の結晶
粒がえられる。The oxide dielectric thin film having small crystal grains is generally formed by a sputtering method or a CVD method.
By setting the film formation temperature to a low temperature of 00 ° C., a film structure having very fine massive crystal grains can be obtained. Also, after forming an amorphous film, annealing at 500 to 700 ° C. for several seconds to tens of minutes can provide fine bulk crystal grains.
【0051】さらに、図5に示すように、結晶格子の体
積Vをバルク材料の体積Voより大きくすることにより
強誘電体の誘電率の温度変化率を大幅に減少させること
ができることを見出した。従来の100℃の温度変化に対
して添加物の混入などにより20%の変化率に抑えていた
ものを実現するには格子体積をバルク材料の体積に対
し、1%増加させればえられ、6.7%増加させれば100℃
の温度変化に対して5%の誘電率の変化率に抑えること
ができる。Further, as shown in FIG. 5, it has been found that the temperature change rate of the dielectric constant of the ferroelectric can be greatly reduced by making the volume V of the crystal lattice larger than the volume V o of the bulk material. . To achieve the conventional rate of change of 20% by adding additives to the temperature change of 100 ° C, the lattice volume can be increased by 1% with respect to the bulk material volume. 100 ° C if increased by 6.7%
5% change in the dielectric constant with respect to the temperature change.
【0052】この結晶格子の体積Vを大きくするために
は、たとえばスパッタリング法により成膜するばあいは
反応ガスとしての酸素が混入されたArガスの流量比を
大きく調整したり、成膜圧力を高く調整することにより
えられ、これは薄膜中にArが混入され、格子定数が通
常より大きくなるものと考えられる。In order to increase the volume V of the crystal lattice, for example, when a film is formed by a sputtering method, the flow ratio of Ar gas containing oxygen as a reaction gas is adjusted to a large value, or the film forming pressure is increased. This is obtained by adjusting the height to a high value, which is considered to be due to the fact that Ar is mixed into the thin film and the lattice constant becomes larger than usual.
【0053】なお、図5に示す関係は(Ba0.65Sr
0.35)TiO3のばあいであるが、(BaxSr1-x)T
iO3のxが0.5≦x≦0.75の範囲では同様の傾向がみら
れ、また(BaxSr1-x)TiO3以外にもBaTi
O3、PZTについても同様の傾向がえられた。The relationship shown in FIG. 5 is (Ba 0.65 Sr
0.35 ) In the case of TiO 3 , (Ba x Sr 1-x ) T
A similar tendency is observed when x of iO 3 is in the range of 0.5 ≦ x ≦ 0.75. In addition to (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 , BaTi
A similar tendency was obtained for O 3 and PZT.
【0054】さらに図6または図7に示すように、結晶
粒径を小さくすることにより、または結晶格子を大きく
することにより、あとで詳細に説明するように、強誘電
体材料のキュリー温度を低下させることができる。その
ためキュリー温度Tcを半導体素子の使用温度範囲の下
限Toより低くすることにより、半導体素子の使用温度
の範囲のいずれにおいても常にキュリー温度より高い温
度で動作することになる。その結果、常に強誘電体材料
の常誘電相で使用することができ、比誘電率は小さくな
る(たとえば(Ba0.65Sr0.35)TiO3では10000程
度が400程度)が、前述の常誘電体(たとえばTa2O5
の比誘電率は20程度)より大きく、しかもメモリへの書
込み回数が1012回以上になっても疲労することがなく、
安定な半導体素子がえられる。Further, as shown in FIG. 6 or 7 , by reducing the crystal grain size or increasing the crystal lattice, the Curie temperature of the ferroelectric material is reduced as will be described in detail later. Can be done. By lower than the lower limit T o of the operating temperature range of the semiconductor device Curie temperature T c Therefore, always to operate at higher than the Curie temperature temperatures in any of the range of use temperature of the semiconductor device. As a result, the ferroelectric material can always be used in the paraelectric phase, and the relative dielectric constant is reduced (for example, about 10000 for (Ba 0.65 Sr 0.35 ) TiO 3 is about 400). For example, Ta 2 O 5
Has a relative dielectric constant of about 20), and does not fatigue even when the number of times of writing to the memory becomes 10 12 or more.
A stable semiconductor device can be obtained.
【0055】つぎに具体的な実施例によりさらに詳細に
説明する。Next, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
【0056】[実施例1]図1は本発明のコンデンサの
一実施例を示す図であり、(a)は断面説明図、(b)
は誘電体層1の部分拡大図で結晶粒を示す説明図であ
る。図1において1は強誘電体セラミックスなどからな
る誘電体層、2a、2bは電極、3a、3bはリード
線、4は絶縁被覆層である。従来のセラミックコンデン
サにおける結晶粒径は数μm以上であるが、本発明では
結晶粒径は150nm以下に調整されている。[Embodiment 1] FIGS. 1A and 1B show an embodiment of a capacitor according to the present invention. FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing crystal grains in a partially enlarged view of the dielectric layer 1. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a dielectric layer made of a ferroelectric ceramic or the like, 2a and 2b denote electrodes, 3a and 3b denote lead wires, and 4 denotes an insulating coating layer. The crystal grain size in the conventional ceramic capacitor is several μm or more, but in the present invention, the crystal grain size is adjusted to 150 nm or less.
【0057】(Ba0.65Sr0.35)TiO3の結晶粒径
を細かくしたばあいの誘電率の温度変化率を図4に示
す。図4において、横軸は結晶粒径(nm)を示し、縦
軸は100℃の温度範囲における誘電率の変化率を示す。
結晶粒径が200nmでは温度変化率は27%程度であり、7
0nmの微結晶粒では温度変化は10%程度に減少する。
温度変化率を100℃の温度範囲において20%以下(従来
の強誘電体セラミックスでは添加剤により20%程度の温
度特性がえられている)とするためには結晶粒径を150
nm以下とする必要がある。FIG. 4 shows the temperature change rate of the dielectric constant when the crystal grain size of (Ba 0.65 Sr 0.35 ) TiO 3 is reduced. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the crystal grain size (nm), and the vertical axis indicates the rate of change of the dielectric constant in a temperature range of 100 ° C.
When the crystal grain size is 200 nm, the temperature change rate is about 27%,
With 0 nm fine crystal grains, the temperature change is reduced to about 10%.
In order to reduce the temperature change rate to 20% or less in a temperature range of 100 ° C (the conventional ferroelectric ceramics has a temperature characteristic of about 20% by an additive), the crystal grain size is set to 150%.
nm or less.
【0058】セラミックスの通常の製法では結晶粒径は
大きくなり1μm以下とはならない。微結晶粒セラミッ
クスの合成法を以下に述べる。通常のセラミックスの合
成と同様に、炭酸塩、酸化物などの原料を混合し、プレ
ス成形したのち、仮焼する。仮焼した強誘電体化合物を
ボールミルで100時間程度粉砕して、100nm以下の平均
粒径の微粉を合成する。この微粉にバインダを混合し、
低温で短時間焼結することによりセラミックスをうる。
他に微粉を鋳型にいれ加圧して成形することもできる。
また加圧しながら加熱してセラミックスを合成すること
もできる。このセラミックスに電極2a、2b、リード
線3a、3bがそれぞれ蒸着や接着または焼きつけなど
により設けられ、絶縁被覆層4が施されてコンデンサと
なる。In the ordinary method for producing ceramics, the crystal grain size becomes large and does not become 1 μm or less. A method for synthesizing microcrystalline ceramics will be described below. As in the synthesis of ordinary ceramics, raw materials such as carbonates and oxides are mixed, pressed, and then calcined. The calcined ferroelectric compound is pulverized with a ball mill for about 100 hours to synthesize a fine powder having an average particle diameter of 100 nm or less. Mix the binder with this fine powder,
Ceramics are obtained by sintering at low temperature for a short time.
Alternatively, the fine powder can be placed in a mold and molded by pressing.
Also, ceramics can be synthesized by heating while applying pressure. Electrodes 2a, 2b and lead wires 3a, 3b are provided on the ceramics by vapor deposition, bonding or baking, respectively, and an insulating coating layer 4 is applied to form a capacitor.
【0059】微粉の合成法としては、強誘電体酸化物を
構成する金属のアルコキシドを加水分解してうる方法が
ある。As a method for synthesizing the fine powder, there is a method obtained by hydrolyzing an alkoxide of a metal constituting the ferroelectric oxide.
【0060】微結晶粒セラミックスの合成法として他に
気相反応蒸着法(CVD法)があげられる。強誘電体化
合物の気化する有機金属材料を原料として用い、光また
はプラズマまたは熱のエネルギーにより原料を分解して
酸化物を堆積する方法である。このばあいに合成温度や
合成圧力を調整し微結晶粒セラミックスをうる。As another method for synthesizing microcrystalline ceramics, there is a vapor phase reactive vapor deposition (CVD) method. In this method, an organometallic material that evaporates a ferroelectric compound is used as a raw material, and the raw material is decomposed by light, plasma, or heat energy to deposit an oxide. In this case, the synthesis temperature and the synthesis pressure are adjusted to obtain microcrystalline ceramics.
【0061】コンデンサの構造として他に電極と誘電体
層を交互に積層した構造があり、同様の効果を期待でき
る。As another structure of the capacitor, there is a structure in which electrodes and dielectric layers are alternately laminated, and similar effects can be expected.
【0062】[実施例2]本発明のコンデンサの他の実
施例である微結晶粒セラミックコンデンサの断面説明図
を図2に示す。5は基板であり、基板5上に電極2a、
2bおよび誘電体層1のコンデンサ構造を有する。この
コンデンサは以下の方法で製作する。溶融石英板、アル
ミナセラミックス、シリコン基板などの基板上にNi−
Al合金、Ti、Au、Alなどの電極2a用の材料を
真空蒸着などにより成膜し、その電極上にCVD法など
で強誘電体層1を堆積し、さらに電極2bを成膜する。
さらにリード線3a、3bをとりつけ絶縁被覆層4を施
す。このような構造にしたことにより、細かい結晶粒で
薄い誘電体層1を形成することができ、部品の小型化を
達成できると共に、CVD法で堆積したセラミックスの
機械的強度を補強し、信頼性が高く、温度特性の良好
な、セラミックコンデンサがえられる。また電極と誘電
体層を交互に積層した積層型コンデンサにおいても同様
の効果を期待できる。Embodiment 2 FIG. 2 is an explanatory sectional view of a microcrystalline ceramic capacitor which is another embodiment of the capacitor of the present invention. Reference numeral 5 denotes a substrate, on which electrodes 2a,
2b and a dielectric layer 1 having a capacitor structure. This capacitor is manufactured by the following method. Ni- on a substrate such as a fused quartz plate, alumina ceramics, or silicon substrate
A material for the electrode 2a such as an Al alloy, Ti, Au, or Al is formed by vacuum evaporation or the like, a ferroelectric layer 1 is deposited on the electrode by a CVD method or the like, and an electrode 2b is formed.
Furthermore, lead wires 3a and 3b are attached and an insulating coating layer 4 is applied. By adopting such a structure, the thin dielectric layer 1 can be formed with fine crystal grains, miniaturization of parts can be achieved, and mechanical strength of ceramics deposited by the CVD method is reinforced, and reliability is improved. And a ceramic capacitor having high temperature characteristics and good temperature characteristics can be obtained. Similar effects can be expected in a multilayer capacitor in which electrodes and dielectric layers are alternately stacked.
【0063】[実施例3]本発明のコンデンサのさらに
他の実施例を図3に示す。本実施例では前記基板6とし
て金属板を用い、一方の電極の機能をもたせることがで
きる。基板6の材料としては良導体であれば良く、半導
体もしくは酸化物伝導体であっても同等の効果をもつ。
たとえば、Ni−Al合金、真ちゅう、ステンレス板、
またはこれらの金属板にプラチナメッキをしたもの、R
uO2などの伝導性酸化物を塗布した金属板などを用い
ることができる。[Embodiment 3] FIG. 3 shows still another embodiment of the capacitor of the present invention. In this embodiment, a metal plate is used as the substrate 6 so that it can have the function of one electrode. Any material may be used as the material of the substrate 6 as long as it is a good conductor, and a semiconductor or an oxide conductor has the same effect.
For example, Ni-Al alloy, brass, stainless steel plate,
Or, these metal plates are plated with platinum, R
A metal plate coated with a conductive oxide such as uO 2 can be used.
【0064】[実施例4]つぎに、本発明のコンデンサ
を半導体素子のメモリ用コンデンサに適用した実施例に
ついて説明する。半導体素子の外観は図9に示した従来
例と全く同一の構造であるが、コンデンサ21の誘電体膜
21cとして強誘電体薄膜がもちいられており、この強誘
電体薄膜の結晶粒が本実施例では平均粒径が50nm程度
に調製されている。[Embodiment 4] Next, an embodiment in which the capacitor of the present invention is applied to a memory capacitor of a semiconductor device will be described. The appearance of the semiconductor element is exactly the same as that of the conventional example shown in FIG.
A ferroelectric thin film is used as 21c, and the crystal grains of this ferroelectric thin film are adjusted to have an average particle size of about 50 nm in this embodiment.
【0065】前述したように動作中のメモリ素子の温度
は0℃から100℃となる。強誘電体薄膜の結晶粒径を50
nm程度に調製したことにより、比誘電率が300程度に
低下するが、100℃の範囲でその温度変化率は5%と非
常に小さくなり、信頼性の高いメモリ素子がえられる。As described above, the temperature of the memory element during operation changes from 0 ° C. to 100 ° C. The crystal grain size of the ferroelectric thin film is 50
By adjusting the thickness to about nm, the relative dielectric constant is reduced to about 300, but the temperature change rate is extremely small at 5% in the range of 100 ° C., and a highly reliable memory element is obtained.
【0066】つぎに結晶粒の小さい強誘電体薄膜の成膜
法について述べる。酸化物強誘電体の薄膜は、通常、ス
パッタリング法やCVD法で形成される。このばあい、
酸素欠陥によるリーク電流の増加を防ぐために、従来は
500〜700℃程度の高温、酸化雰囲気中で成膜されること
が多い。また、成膜後、酸素雰囲気中で高温アニールが
施され、リーク電流の低減や絶縁耐圧の増加が図られる
こともある。そのため、CVD法によりえられる薄膜
は、柱状構造を有し、誘電体膜の膜厚と結晶粒径とが等
しくなる。スパッタリング法で強誘電体薄膜を成膜する
ばあいは、通常、柱状構造または繊維状の膜構造となり
膜厚方向にそろった結晶粒の膜がえられる。このような
柱状構造の誘電体膜では比誘電率は比較的大きいが、リ
ーク電流が流れ易く、薄膜の膜厚を薄くして結晶粒径を
小さくするのに限界がある。Next, a method of forming a ferroelectric thin film having small crystal grains will be described. The oxide ferroelectric thin film is usually formed by a sputtering method or a CVD method. In this case,
Conventionally, to prevent an increase in leakage current due to oxygen defects
The film is often formed in an oxidizing atmosphere at a high temperature of about 500 to 700 ° C. In addition, after film formation, high-temperature annealing is performed in an oxygen atmosphere to reduce leakage current and increase dielectric strength. Therefore, the thin film obtained by the CVD method has a columnar structure, and the thickness of the dielectric film is equal to the crystal grain size. When a ferroelectric thin film is formed by a sputtering method, a film of crystal grains which has a columnar structure or a fibrous film structure and is uniform in the film thickness direction is usually obtained. Although such a dielectric film having a columnar structure has a relatively large relative dielectric constant, a leak current easily flows, and there is a limit in reducing the thickness of the thin film and the crystal grain size.
【0067】しかし本発明では、つぎのような成膜条件
を選択し、低温度で成膜することにより、非常に細かい
塊状の結晶粒で、薄膜の膜厚より小さい結晶粒径をもつ
膜構造をうることができた。In the present invention, however, the following film forming conditions are selected and the film is formed at a low temperature to form a film structure having very fine agglomerate crystal grains having a crystal grain size smaller than the thickness of the thin film. Could be obtained.
【0068】(1)低い成膜温度(200〜500℃) (2)低い成膜圧力(2Pa以下) (3)高いAr/O2比(Ar:9/O2:1) (4)比較的高いスパッタ出力 なお、細かい塊状の結晶粒をうる条件として成膜温度は
大きく影響するが、他の圧力などの条件は必ずしもこの
条件に従わなくても、他の条件で成膜することができ
る。なお、本発明の誘電体膜は前述のように、膜全体の
厚さにわたって結晶粒が形成される柱状構造ではなく、
結晶粒径が必ず誘電体層の厚さより小さくなるように形
成されている。その結果、塊状構造となる。(1) Low film forming temperature (200 to 500 ° C.) (2) Low film forming pressure (2 Pa or less) (3) High Ar / O 2 ratio (Ar: 9 / O 2 : 1) (4) Comparison In addition, the film formation temperature has a great influence on the conditions for obtaining fine lump-shaped crystal grains, but other conditions such as pressure do not necessarily have to comply with these conditions, and film formation can be performed under other conditions. . Note that, as described above, the dielectric film of the present invention does not have a columnar structure in which crystal grains are formed over the entire thickness of the film,
It is formed so that the crystal grain size is always smaller than the thickness of the dielectric layer. The result is a massive structure.
【0069】また、電極材料としては、Pt、ドープド
シリコン、Pd、Ni−Al合金、Ti、Au、Al、
ITO(イリジウムティンオキサイド)、RuO2など
が用いられる。As the electrode material, Pt, doped silicon, Pd, Ni-Al alloy, Ti, Au, Al,
ITO (iridium tin oxide), RuO 2 or the like is used.
【0070】[実施例5]つぎにコンデンサの誘電体膜
の結晶格子の体積Vによる誘電率の温度による変化率に
ついて説明する。半導体素子の外観は図9に示した従来
例と全く同一の構造であるが、誘電体膜21cとして強誘
電体薄膜が用いられており、強誘電体膜21cの格子定数
は通常のバルクのときの値よりも大きく、結晶格子の体
積Vが通常のバルク材料の値よりも1%以上大きくなる
ように調製されている。[Embodiment 5] Next, a description will be given of the rate of change of the dielectric constant with temperature due to the volume V of the crystal lattice of the dielectric film of the capacitor. The appearance of the semiconductor element is exactly the same as that of the conventional example shown in FIG. 9 except that a ferroelectric thin film is used as the dielectric film 21c, and the lattice constant of the ferroelectric film 21c is the same as that of a normal bulk. And the volume V of the crystal lattice is adjusted to be 1% or more larger than the value of a normal bulk material.
【0071】薄膜における格子定数は単結晶またはセラ
ミックスなどのバルク材料と異なることがある。これは
成膜法に関係しており、たとえばスパッタリング法によ
り成膜するばあいはArガスの他に反応ガスとして酸素
を混入するが、酸素とArの流量比を調整したり、成膜
圧力を調整することにより薄膜の格子定数が変化する。
これは薄膜中にArが混入されたことにより、格子定数
が通常の値よりも大きくなったと考えられている。また
薄膜を異なる基板に成膜することにより、応力が生じ、
格子定数が変化する効果も考えられている。The lattice constant of the thin film may be different from that of a bulk material such as a single crystal or ceramic. This is related to the film formation method. For example, when a film is formed by a sputtering method, oxygen is mixed as a reaction gas in addition to Ar gas, but the flow rate ratio between oxygen and Ar is adjusted or the film formation pressure is adjusted. The adjustment changes the lattice constant of the thin film.
This is considered to be due to the fact that the lattice constant became larger than a normal value due to the inclusion of Ar in the thin film. In addition, stress is generated by forming a thin film on a different substrate,
The effect of changing the lattice constant is also considered.
【0072】成膜条件により格子定数が変化することが
知られている。立方晶の材料において格子定数aと成膜
条件の相関が考えられたが、強誘電体材料の結晶構造は
立方晶以外の構造をとるばあいがあり、一つの格子定数
では議論できない。ここではArの混入または膜応力に
よる格子定数の変化の代りに結晶格子の体積で規定す
る。立方晶であればV=a3である。It is known that the lattice constant changes depending on the film forming conditions. Although a correlation between the lattice constant a and the film forming conditions in a cubic material was considered, the crystal structure of the ferroelectric material sometimes takes a structure other than cubic, and cannot be discussed with one lattice constant. Here, the volume of the crystal lattice is specified instead of the change of the lattice constant due to the mixing of Ar or the film stress. If cubic, V = a 3 .
【0073】格子定数が大きい強誘電体薄膜は誘電率の
温度変化が小さくなる。強誘電体である(Ba0.65Sr
0.35)TiO3の薄膜の結晶構造は(擬)立方晶であ
り、図5はこの薄膜の結晶格子の体積Vと100℃の温度
範囲における誘電率の温度変化率を示す図である。体積
Vが通常の値よりも1.0%以上大きい薄膜においては誘
電率の温度による変化が20%以下となることがわかる。A ferroelectric thin film having a large lattice constant has a small change in dielectric constant with temperature. Ferroelectric (Ba 0.65 Sr
The crystal structure of the 0.35 ) TiO 3 thin film is (pseudo) cubic. FIG. 5 is a diagram showing the volume V of the crystal lattice of this thin film and the temperature change rate of the dielectric constant in a temperature range of 100 ° C. It can be seen that in a thin film having a volume V larger than the normal value by 1.0% or more, the change in the dielectric constant with temperature becomes 20% or less.
【0074】[実施例6]つぎに、結晶粒径によりキュ
リー温度を調整して、半導体素子の使用温度範囲内で常
に常誘電相になる実施例について説明する。半導体素子
の構造は図9に示した従来例と全く同一の構造である
が、誘電体膜21cとして、バルク材料でキュリー温度T
cがメモリ用半導体素子の使用下限温度Toよりも高い強
誘電体で構成されており、その平均結晶粒径DはEmbodiment 6 Next, a description will be given of an embodiment in which the Curie temperature is adjusted according to the crystal grain size, and the paraelectric phase is always maintained within the operating temperature range of the semiconductor device. The structure of the semiconductor element is exactly the same as that of the conventional example shown in FIG. 9, except that the dielectric film 21c is made of a bulk material and has a Curie temperature T.
c is constituted by a high ferroelectric than lower limit operating temperature T o of the semiconductor device memory, the average crystal grain size D is
【0075】[0075]
【数7】 ただしk1=4800 となるように調製されている。(Equation 7) However, it is prepared so that k 1 = 4800.
【0076】すなわち、キュリー温度は強誘電相と常誘
電相の相転移温度であり、誘電率が極大となる。結晶粒
径を小さくすることによりキュリー温度の低下の程度を
図6に示す。図6において、(Ba0.65Sr0.35)Ti
O3(以下、BSTという)、Pb(Zr0.52T
i0.48)O3(以下、PZTという)、BaTiO3(以
下、BTという)、(Pb0.95La0.05)(Zr0.52T
i0.48)O3(以下、PLZTという)の薄膜につい
て、それぞれ結晶粒径を変えたときのキュリー温度の低
下量(バルク材料のキュリー温度との差)ΔTの関係が
示されている。その温度低下量ΔTは図6に示すよう
に、平均結晶粒径Dに反比例し、次式により表される。That is, the Curie temperature is a phase transition temperature between the ferroelectric phase and the paraelectric phase, and the dielectric constant becomes maximum. FIG. 6 shows the degree of decrease in the Curie temperature by reducing the crystal grain size. In FIG. 6, (Ba 0.65 Sr 0.35 ) Ti
O 3 (hereinafter referred to as BST), Pb (Zr 0.52 T
i 0.48 ) O 3 (hereinafter referred to as PZT), BaTiO 3 (hereinafter referred to as BT), (Pb 0.95 La 0.05 ) (Zr 0.52 T
For a thin film of i 0.48 ) O 3 (hereinafter referred to as PLZT), the relationship between the amount of decrease in the Curie temperature (difference from the Curie temperature of the bulk material) ΔT when the crystal grain size is changed is shown. As shown in FIG. 6, the temperature decrease ΔT is inversely proportional to the average crystal grain size D, and is expressed by the following equation.
【0077】[0077]
【数8】 ここで比例係数k1の値は図6の直線の傾きからえら
れ、表1のようになる。(Equation 8) Here, the value of the proportionality factor k 1 is obtained slope Karae straight lines 6, is shown in Table 1.
【0078】[0078]
【表1】 結晶粒径の計測精度は50%程度であるため、kの値とし
ては600から4800の範囲にとれば、メモリ素子の強誘電
体薄膜として充分な特性がえられる。[Table 1] Since the measurement accuracy of the crystal grain size is about 50%, if the value of k is in the range of 600 to 4800, sufficient characteristics can be obtained as a ferroelectric thin film of a memory element.
【0079】したがってメモリ素子使用温度範囲におい
てバルク材料で強誘電相をもつ強誘電体薄膜の結晶粒径
を式(1)のように調製することにより、強誘電体薄膜
はメモリ素子使用温度範囲において常誘電相となる。Therefore, by adjusting the crystal grain size of the ferroelectric thin film having a ferroelectric phase as a bulk material in the memory element operating temperature range as shown in the equation (1), the ferroelectric thin film can be controlled in the memory element operating temperature range. It becomes a paraelectric phase.
【0080】[実施例7]つぎに結晶格子の体積により
キュリー温度を調整して半導体素子の使用温度範囲内で
常に常誘電相になる実施例について説明する。半導体素
子の外観は図9に示した従来例と全く同一の構造である
が、誘電体膜21cとして、バルク材料でキュリー温度T
cがメモリ素子使用下限温度Toよりも高い強誘電体材料
で構成されており、強誘電体材料のバルク材料の結晶格
子体積をVoとして、その結晶格子の体積Vが V>Vo{1+(Tc−To)k2} (2) ただしk2=0.0003/℃ となるように調製されている。[Embodiment 7] Next, an embodiment will be described in which the Curie temperature is adjusted according to the volume of the crystal lattice so that the paraelectric phase is always obtained within the operating temperature range of the semiconductor device. The appearance of the semiconductor element is exactly the same as that of the conventional example shown in FIG. 9, except that the dielectric film 21c is made of a bulk material and has a Curie temperature T.
c is constituted by a high ferroelectric material than a memory device using the lower limit temperature T o, the strength of the crystal lattice volume of the bulk material of the dielectric material as a V o, the volume V of the crystal lattice is V> V o { 1+ (T c −T o ) k 2 } (2) where k 2 = 0.0003 / ° C.
【0081】すなわち、BST、PZT、BTの3種の
薄膜について、格子体積を種々変えたときのV/Voに
対するキュリー温度の低下量ΔTの関係を図7に示す。
この関係はThat is, FIG. 7 shows the relationship between the V / V o and the amount of decrease in the Curie temperature ΔT with respect to V / V o when the lattice volume is changed variously for the three types of thin films of BST, PZT and BT.
This relationship is
【0082】[0082]
【数9】 で表わされ、1/k2およびk2の値は表2にようにな
る。(Equation 9) And the values of 1 / k 2 and k 2 are as shown in Table 2.
【0083】[0083]
【表2】 表2からk2の値としては、0.0003から0.001の範囲にと
れば、メモリ素子用強誘電体薄膜の特性を改善すること
ができる。[Table 2] Table Examples 2 from k 2 values, taking the range of 0.0003 0.001, it is possible to improve the properties of the ferroelectric thin film memory element.
【0084】したがってメモリ素子使用温度範囲におい
てバルク材料で強誘電相をもつ強誘電体薄膜の格子体積
Vが式(2)を満たすように結晶粒を調製することによ
り、強電体薄膜はメモリ素子使用温度範囲において常誘
電相となる。Therefore, by preparing the crystal grains so that the lattice volume V of the ferroelectric thin film having a ferroelectric phase as a bulk material satisfies the formula (2) in the memory element operating temperature range, the ferroelectric thin film can be used as a memory element. It becomes a paraelectric phase in the temperature range.
【0085】[実施例8]つぎに、結晶粒径を小さく
し、常誘電相で動作させると共にリーク特性を改善する
本発明の実施例を説明する。半導体素子の構造は図9に
示した従来例と全く同一の構造であるが、誘電体膜21c
としてバルク材料でキュリー温度Tcがメモリ素子使用
下限温度Toよりも高い強誘電体材料で構成されてお
り、かつその膜厚tは、[Embodiment 8] Next, an embodiment of the present invention for reducing the crystal grain size, operating in the paraelectric phase and improving the leak characteristics will be described. The structure of the semiconductor element is exactly the same as that of the conventional example shown in FIG.
Consists of a high ferroelectric material than the Curie temperature T c is a memory device used lower limit temperature T o in the bulk material as, and its thickness t is,
【0086】[0086]
【数10】 ただしk3=9600nm℃ となるように調製されている。(Equation 10) However, it is prepared so that k 3 = 9600 nm ° C.
【0087】柱状または繊維状の膜構造をとる薄膜にお
いてはリーク特性がわるく、メモリ素子のコンデンサに
は適さない。一方、キュリー温度は結晶粒径に依存して
変化するため塊状構造の薄膜でかつ結晶粒径を小さくと
り、使用温度範囲に強誘電相をもたないためには、膜厚
として式(1)であらわされる粒径の2倍以上の膜厚が
望ましい。A thin film having a columnar or fibrous film structure has poor leakage characteristics and is not suitable for a capacitor of a memory element. On the other hand, the Curie temperature changes depending on the crystal grain size, so that a thin film having a bulky structure and a small crystal grain size are used. The film thickness is preferably twice or more the particle size represented by
【0088】[0088]
【発明の効果】本発明は以上説明したように、強誘電体
層の結晶粒径または結晶の格子の体積を制御しているた
め、以下に記載されるような効果を奏する。 (1)容量の温度変化が小さく、高精度、かつ、小型の
セラミックコンデンサがえられる。 (2)基板上にコンデンサを形成するため、強度があが
り、信頼性の高いコンデンサがえられる。 (3)基板と電極を一体にすることで部品点数の少ない
コンデンサがえられる。 (4)強誘電体薄膜のコンデンサを用いたメモリ用の半
導体素子において、強誘電体薄膜の結晶粒径または格子
定数を調整したことにより、静電容量の温度変化が小さ
くなり、信頼性の高いメモリ素子がえられる。 (5)メモリ素子の使用温度範囲に強誘電相をもつ強誘
電体薄膜のコンデンサを用いたメモリ素子において強誘
電体薄膜の結晶粒径または格子定数または膜厚を調整し
たことにより、キュリー温度が低下し使用温度範囲で常
誘電相となるため、信頼性の高いメモリ素子がえられ
る。As described above, the present invention controls the crystal grain size of the ferroelectric layer or the volume of the crystal lattice, and thus has the following effects. (1) A high-precision, small-sized ceramic capacitor having a small temperature change in capacitance is obtained. (2) Since the capacitor is formed on the substrate, the strength is increased and a highly reliable capacitor can be obtained. (3) By integrating the substrate and the electrodes, a capacitor having a small number of components can be obtained. (4) In a semiconductor device for a memory using a ferroelectric thin film capacitor, by adjusting the crystal grain size or lattice constant of the ferroelectric thin film, the temperature change of the capacitance becomes small, and the reliability is high. A memory element is obtained. (5) By adjusting the crystal grain size, lattice constant or film thickness of the ferroelectric thin film in a memory device using a ferroelectric thin film capacitor having a ferroelectric phase in the operating temperature range of the memory device, the Curie temperature can be reduced. Since the temperature decreases and becomes a paraelectric phase in the operating temperature range, a highly reliable memory element can be obtained.
【図1】本発明のコンデンサの一実施例の断面説明図で
ある。FIG. 1 is an explanatory sectional view of an embodiment of a capacitor according to the present invention.
【図2】本発明のコンデンサの第2の実施例の断面説明
図である。FIG. 2 is an explanatory sectional view of a second embodiment of the capacitor of the present invention.
【図3】本発明のコンデンサの第3の実施例の断面説明
図である。FIG. 3 is an explanatory sectional view of a capacitor according to a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明における強誘電体材料の結晶粒径に対す
る誘電率の温度依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of the dielectric constant with respect to the crystal grain size of the ferroelectric material according to the present invention.
【図5】本発明における強誘電体薄膜の結晶格子体積V
と誘電率の温度変化率の関係を示す図である。FIG. 5 shows the crystal lattice volume V of the ferroelectric thin film according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the temperature change rate of the dielectric constant and the temperature.
【図6】本発明における強誘電体薄膜の結晶粒径とキュ
リー温度の低下量ΔTの関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the crystal grain size of the ferroelectric thin film and the Curie temperature decrease ΔT in the present invention.
【図7】本発明における強誘電体薄膜の結晶格子体積V
とキュリー温度の低下量ΔTの関係を示す図である。FIG. 7 shows the crystal lattice volume V of the ferroelectric thin film according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between the Curie temperature and an amount of decrease ΔT.
【図8】従来のセラミックコンデンサの断面説明図であ
る。FIG. 8 is an explanatory sectional view of a conventional ceramic capacitor.
【図9】従来の半導体素子の断面説明図である。FIG. 9 is an explanatory sectional view of a conventional semiconductor device.
1 誘電体層 2a、2b 電極 3a、3b リード線 4 絶縁被覆層 5 基板 6 金属基板 17 トランジスタ 21 コンデンサ 21a、21b 電極 21c 誘電体膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric layer 2a, 2b Electrode 3a, 3b Lead wire 4 Insulating coating layer 5 Substrate 6 Metal substrate 17 Transistor 21 Capacitor 21a, 21b Electrode 21c Dielectric film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蒔田 哲郎 尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電 機株式会社 材料デバイス研究所内 (72)発明者 佐藤 一直 尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電 機株式会社 材料デバイス研究所内 (56)参考文献 特開 平3−80151(JP,A) 実開 平3−50319(JP,U) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Tetsuro Makita 8-1-1 Tsukaguchi Honcho, Amagasaki City Inside the Materials and Devices Laboratory, Mitsubishi Electric Corporation (72) Inventor Kazunori Sato 8-1-1 Honcho Tsukaguchi, Amagasaki City Materials and Devices Laboratory, Mitsubishi Electric Corporation (56) References JP-A-3-80151 (JP, A) JP-A-3-50319 (JP, U)
Claims (3)
主成分とする材料からなる誘電体層と、該誘電体層の両
側に設けられた2つの電極と、前記誘電体層および2つ
の電極を被覆する絶縁被覆層と、前記2つの電極から該
絶縁被覆層の外側にそれぞれ導出される2本のリード線
とからなるコンデンサであって、前記誘電体層はスパッ
タリング膜からなり、前記化合物の多結晶体の平均結晶
粒径が20nm以上100nm以下に調製されてなるコ
ンデンサ。1. A dielectric layer made of a ferroelectric compound or a material containing a ferroelectric compound as a main component, two electrodes provided on both sides of the dielectric layer, the dielectric layer and two electrodes A capacitor comprising: an insulating coating layer covering the insulating coating layer; and two lead wires respectively led out of the insulating coating layer from the two electrodes, wherein the dielectric layer is
A capacitor comprising a tarring film, wherein the average crystal grain size of the polycrystal of the compound is adjusted to 20 nm or more and 100 nm or less.
ス90%、酸素ガス10%の混合ガスを導入ガスとし、
成膜温度200〜500℃、成膜圧力2Pa以下の条件
にて形成されてなり、前記誘電体層および2つの電極が
基板上に設けられ、該基板も前記被覆層により覆われて
なる請求項1記載のコンデンサ。2. The sputtering film according to claim 1, wherein said sputtering film is an argon gas.
90% of oxygen gas, 10% of oxygen gas as the introduced gas,
Conditions for film formation temperature of 200 to 500 ° C and film formation pressure of 2 Pa or less
The capacitor according to claim 1 , wherein the dielectric layer and the two electrodes are provided on a substrate, and the substrate is also covered by the covering layer.
子の体積が、前記スパッタリング膜のバルク材料の結晶
格子の体積より1.02倍以上の大きさを有してなる請
求項1記載のコンデンサ。3. The dielectric layer according to claim 2 , wherein said dielectric layer has a crystal structure.
The volume of the crystal is a crystal of the bulk material of the sputtering film.
The capacitor according to claim 1, wherein the capacitor has a size not less than 1.02 times the volume of the lattice .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21277993A JP3249653B2 (en) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | Capacitor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21277993A JP3249653B2 (en) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | Capacitor |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000082642A Division JP2000299449A (en) | 2000-01-01 | 2000-03-23 | Semiconductor element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0766071A JPH0766071A (en) | 1995-03-10 |
| JP3249653B2 true JP3249653B2 (en) | 2002-01-21 |
Family
ID=16628257
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21277993A Expired - Fee Related JP3249653B2 (en) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | Capacitor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3249653B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000058372A (en) * | 1998-08-04 | 2000-02-25 | Toshiba Corp | Ceramic capacitor mounting structure |
| CN109494215A (en) * | 2017-09-11 | 2019-03-19 | 松下知识产权经营株式会社 | The manufacturing method of capacity cell, imaging sensor and capacity cell |
-
1993
- 1993-08-27 JP JP21277993A patent/JP3249653B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0766071A (en) | 1995-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1974472B (en) | Composition for thin film capacitance element, insulating film, thin film capacitance element and capacitor | |
| JP6296207B2 (en) | Dielectric thin film, capacitive element and electronic component | |
| US6162293A (en) | Method for manufacturing ferroelectric thin film, substrate covered with ferroelectric thin film, and capacitor | |
| US5397446A (en) | Method of forming a ferroelectric film | |
| US7319081B2 (en) | Thin film capacity element composition, high-permittivity insulation film, thin film capacity element, thin film multilayer capacitor, electronic circuit and electronic apparatus | |
| JP2001007299A (en) | Lead germanate ferroelectric structure of multilayer electrode and its deposition method | |
| US20220028613A1 (en) | Dielectric material, method of preparing the same, and device comprising the same | |
| JPH1056145A (en) | Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device | |
| Hou et al. | Significant increase in comprehensive energy storage performances of Ca0. 5 (Sr0. 5Ba0. 5) 2Nb5O15-based tungsten bronze relaxor ceramics | |
| JPWO2003021615A1 (en) | Composition for thin film capacitor, high dielectric constant insulating film, thin film capacitor and thin film multilayer capacitor | |
| JP3249653B2 (en) | Capacitor | |
| CN114388693A (en) | Dielectric material, and device and memory device including the same | |
| Qin et al. | Enhanced dielectric temperature stability and energy storage properties of BNT-based lead-free ceramics under medium electric field | |
| JP2001107238A (en) | Single-phase perovskite ferroelectric film on platinum electrode and method for forming the same | |
| JP2000299449A (en) | Semiconductor element | |
| Li et al. | The effect of bottom electrode on structure and electrical properties of BaZr0. 15Ti0. 85O3 films on SrTiO3 substrates | |
| JPH1187634A (en) | Thin film capacitors | |
| JP4471668B2 (en) | Capacitor and nonvolatile memory device using the capacitor | |
| JP4573234B2 (en) | Bismuth layered ferroelectric, ferroelectric element, and method for manufacturing ferroelectric thin film | |
| JPH09118565A (en) | Temperature coefficient compensation of the dielectric constant of barium strontium titanate | |
| JP7748322B2 (en) | Dielectric Elements | |
| JP7617507B2 (en) | Dielectric materials and functional elements | |
| CN109767915B (en) | Metal oxynitride thin film, method for producing metal oxynitride thin film, and capacitor element | |
| Leber et al. | Effect of Mn-doping on high field energy storage properties of Ag (Nb, Ta) O3 epitaxial films on⟨ 100⟩ SrTiO3 | |
| JP2003347151A (en) | Multilayer structure dielectric thin film, thin film capacitive element and thin film multilayer capacitor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |