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JP4265042B2 - Capacitors - Google Patents
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JP4265042B2 - Capacitors - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に好適なキャパシタに関し、特に、誘電率が向上したキャパシタに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、強誘電体ランダムアクセスメモリ(FRAM(ferroelectric RAM))中の強誘電体膜に使用される強誘電体材料として鉛系酸化物強誘電体材料及びビスマス層状構造強誘電体材料が使用されている。前者の鉛系酸化物強誘電体材料の例としては、ペロブスカイト型結晶構造を有するPZT(Pb(Zr、Ti)O3)系強誘電体材料及びチタン酸鉛(PbTiO3)が挙げられる。PZT系強誘電体材料及びチタン酸鉛(PbTiO3)の薄膜は、赤外線センサ用材料、マイクロアクチュエータ用材料及びメモリ用材料等への応用が期待されている。
【0003】
しかし、これらの薄膜は、その製造方法の如何に拘わらず、膜厚が1μm以下となると、誘電特性、特に誘電率が著しく低下することが知られており、この誘電特性の低下が応用上の大きな障害になっている。
【0004】
そこで、このような誘電率の低下を改善するために、これまで種々の薄膜の製造方法及び添加物の研究がなされている。その中でも、チタン酸鉛の結晶格子中のPbの一部をLaに置換した(Pb、La)TiO3薄膜(PLT薄膜)によれば、誘電特性を改善することができることが知られている。
【0005】
なお、これらの強誘電体薄膜は、通常、スパッタ法又はゾルゲル法等によりSiウェハ上に設けられた下部電極上に形成している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、PZT系強誘電体薄膜をスパッタ法又はゾルゲル法等によりSiウェハ上に設けられた下部電極上に形成する場合、その膜厚が1μm以下であると、薄膜と下部電極との界面近傍においてO2の欠損が生じて、誘電率が低下するという問題点がある。
【0007】
表面のミラー指数が(100)であるMg等の単結晶基板上に単結晶のPt電極を下部電極として形成し、この上に有機金属CVD(MOCVD)等によりPZT層をエピタキシャル成長させれば、欠陥がなく誘電率が高い薄膜を得ることができるが、コストが極めて高いものとなってしまう。
【0008】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、膜厚が0.5μm以下で誘電率が高い誘電体膜を備え、低コストで製造することができるキャパシタを提供することを目的とする。
【0011】
本発明においては、PZT系強誘電体材料にLiが含有されているので、標準生成エネルギが大きく酸素抜けが防止される。これにより、単結晶基板を使用したり、特殊な方法を採用しなくても、薄膜化しながら誘電率を高めることが可能である。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るキャパシタは、下部電極と、この下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極と、を有するキャパシタにおいて、前記誘電体膜はPbxZr(1-y)Tiy3及びLiを含有する組成を有し、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7であり、前記誘電体膜のLiの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%であり、前記誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであり、前記上部電極及び前記下部電極のうち少なくとも一方はPt電極であることを特徴とする。
【0013】
本発明に係る他のキャパシタは、下部電極と、この下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極と、を有するキャパシタにおいて、前記誘電体膜はPbxZr(1-y)Tiy3及びLiを含有する組成を有し、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7であり、前記誘電体膜のLiの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%であり、前記誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであり、前記上部電極及び前記下部電極を構成する導電材料の格子定数は3.5乃至4.3Å又は5.0乃至6.1Åであることを特徴とする。
【0014】
前記誘電体膜の膜厚は、500乃至2000Åであることが望ましい。
【0015】
本発明においては、前述のような誘電率が高い誘電体膜がキャパシタ絶縁膜となるので、高い静電容量を確保することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本願発明者等が前記課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、PZT系強誘電体材料であるPbxZr(1-y)Tiy3にLiを含有させることにより、0.5μm以下に薄膜化しても十分に高い誘電率を得ることができることを見い出した。
【0018】
以下、本発明に係る誘電体膜に含有される化学成分及びその組成限定理由について説明する。
【0019】
LiはPbxZr(1-y)Tiy3の標準生成エネルギが大きく、Oとの結合力が高い元素である。従って、酸素抜けの防止により分極量の減少が防止され、誘電率が著しく向上する。
【0020】
なお、PbxZr(1-y)Tiy3において、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7とする。
【0021】
xの値が0.9未満であると、Pbが不足し自発分極が低くなりやすい。一方、xの値が1.3を超えると、余剰なPbによりリーク電流が増大しやすい。また、yの値が0.3未満であると、Tiが不足し強誘電体材料の自発分極が低くなりやすい。一方、yの値が0.7を超えると、Tiが過剰となり強誘電体材料のリーク電流が大きくなりやすい。従って、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7とする。
【0022】
また、Liの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%とする。
【0023】
Liの含有量がPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001モル%未満であると、Liの含有効果が低く、誘電率の向上が小さい。一方、Liの含有量が20モル%を超えると、リーク電流が大きくなる。また、誘電率が低下してしまう。従って、Liの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%とする。
【0024】
誘電体膜の膜厚は、5000Å以下とする。
【0025】
誘電体膜の膜厚が5000Åを超えると、1μm以下の微細な加工が困難となる。従って、誘電体膜の膜厚は5000Åとする。但し、膜厚が200Å未満であると、十分な誘電率を得ることができない場合がある。一方、膜厚が3000Åを超えると、1μm以下の微細加工は可能となるが、歩留まりが低下する。従って、誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであることが望ましい。更に、膜厚が2000Å未満であると、成膜を安定して行うことが困難となる場合がある。従って、誘電体膜の膜厚は2000Å以上であることがより一層望ましい。
【0026】
このような組成を有する誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として使用する場合、Pt電極又はIr電極等の容易に形成することができる電極をキャパシタ電極として使用することができる。また、PZTの結晶は正方晶系に属し、そのa軸の長さは3.9Åである。そして、PZTの誘電率は、そのc軸が基板に垂直に配向したときに最も有効に高くなる。このため、格子定数が3.5乃至4.3Å又は5.0乃至6.1Åの導電材料を上部電極又は下部電極として使用することも可能である。導電材料の格子定数が3.5Å未満であるか、4.3Åを超え5.0Å未満であるか、又は6.1Åを超えると、導電材料の結晶格子のc軸が基板に垂直に配向しなくなって誘電率が低下する。従って、上部電極又は下部電極として使用する導電材料の格子定数は、3.5乃至4.3Å又は5.0乃至6.1Åとする。なお、3.5乃至4.3Åという範囲はa軸の長さ(3.9Å)の±10%以内の範囲であり、5.0乃至6.1Åという範囲は、a軸の長さを21/2倍したもの(単位格子の底面の対角線の長さ(5.52Å))の±10%以内の範囲である。
【0027】
なお、Liは、従来PZT系強誘電体材料に添加されている元素とは添加元素としての性質が著しく異なる元素である。前述のように、従来、PZT系強誘電体材料にLa、Nb又はBi等が添加されているが、これはPZT系強誘電体材料からなる膜中からのOの抜けだしを防止するためである。そして、これらの添加元素はPbの置換元素として作用するため、それらの電気陰性度又はイオン半径はPbのものと近似している。下記表1に種々の元素の電気陰性度及びイオン半径を示す。
【0028】
【表1】

Figure 0004265042
【0029】
上記表1に示すように、Laはイオン半径がPbのものと近似しており、Nb及びBiは電気陰性度がPbのものと近似している。一方、Liの電気陰性度及びイオン半径はPbのそれらと著しく相違する。このように、Liの添加元素としての性質は従来の添加元素と比して著しく相違するものである。また、FeはPbと同程度の電気陰性度を有するが、標準生成エネルギはLiの方がFeよりも低く、酸化物はLi酸化物の方がより安定に存在する。
【0030】
次に、上述のような組成を有する誘電体薄膜をキャパシタ絶縁膜として備えた本発明の実施例を適用した誘電体メモリを製造する方法について説明する。図1(a)及び(b)並びに図2(a)乃至(c)は本発明の実施例を適用した誘電体メモリを製造する方法を工程順に示す断面図である。
【0031】
図1(a)に示すように、従来の方法と同様の方法により、膜厚が、例えば、0.6mmのシリコン基板1の表面又は表面上にゲート酸化膜2、ゲート電極3、ソース4a及びドレイン4bを形成する。更に、全面に膜厚が、例えば、450nmの第1のSiO2膜8を層間絶縁膜として形成する。
【0032】
次いで、図1(b)に示すように、全面に第1の導電膜5a、前述の組成を有し膜厚が、例えば、200nmの誘電体膜6及び第2の導電膜5bを順次形成する。なお、誘電体膜6の具体的な形成方法については後述する。また、第1の導電膜は、例えば、膜厚が20nmのTi膜及び膜厚が2000ÅのPt膜からなる。更に、第2の導電膜は、例えば、Pt膜からなる。
【0033】
次に、図2(a)に示すように、キャパシタが形成される予定の所定の領域にのみ残るように第2の導電膜5b、誘電体膜6及び第1の導電膜5aをイオンミリング等によりパターニングする。これにより、第1の導電膜5aから下部電極が構成され、誘電体膜6からキャパシタ絶縁膜が構成され、第2の導電膜5bから上部電極が構成される。
【0034】
その後、図2(b)に示すように、全面に第2のSiO2膜9を層間絶縁膜として形成する。次いで、第2の導電膜5b、ソース4a及びドレイン4bの各拡散層まで到達するコンタクトホール10を第1のSiO2膜8及び第2のSiO2膜9に形成する。
【0035】
そして、図2(c)に示すように、Al膜を全面に形成しパターニングすることにより、コンタクトホール10内にAl配線層7を埋設する。このとき、第2の導電層5bとドレイン4bとがAl配線層7により接続されるようにする。これにより、1個のトランジスタ11及び1個のキャパシタ12が形成される。
【0036】
図3は本発明の実施例を適用した誘電体メモリを示す等価回路図である。上述のようにして構成された誘電体メモリセルは、図3に示すように、1個のトランジスタ11と1個のキャパシタ12から構成される。そして、この誘電体メモリに1ビットの情報が記憶される。
【0037】
次に、誘電体膜6の形成方法について具体的に説明する。誘電体膜6は種々の方法により形成することが可能であるが、ここではその一例として、ゾルゲル液を使用する形成方法について説明する。先ず、20.9gの2酢酸鉛・3水和物を溶媒である70ミリリットルのメトキシエタノールに入れた後、800℃で30乃至60分間加熱攪拌することにより、2酢酸鉛・3水和物を溶解させる。このとき、鉛酸化物は0.05モルの1.1倍使用されている。これは、加熱時のPbの蒸発、電極中への拡散及びPbの純度が99.9%であるための補正を考慮したものである。
【0038】
次に、溶液を反応器に移し、更に溶媒を加えて全量を200ミリリットルとする。そして、124℃で12時間の加熱攪拌により脱水を行う。
【0039】
次いで、反応系の温度を60℃まで降温した後、8.691gのテトライソプロポキシジルコニウム(0.026モル、純度98%補正済み)及び7.144ミリリットルのテトライソプロポキシチタン(0.024モル、純度99.999%補正済み)を反応系に加える。更に、0.333gのイソプロポキシリチウム(0.005モル、純度99.9%補正済み)を反応系に加え、124℃で6時間の加熱攪拌を行う。
【0040】
そして、攪拌終了後に溶液をメスシリンダに移し、溶媒を更に加えて全量を100ミリリットルとする。これにより、リチウムを含有するPZTゾルゲル液が作製される。0.05モルの液が100ミリリットルの液中にあるので、その濃度は0.5モル/リットルとなる。
【0041】
なお、全ての加熱攪拌は窒素気流下で行われる。
【0042】
次に、上述のように作製されたリチウムを含有するPZTゾルゲル液を第1の導電膜5a上に3000rpmの回転数で10秒間スピンコーティングする。そして、150℃で5分間のプリベーク及び400℃で10分間のプリベークの2段階のプリベークをホットプレートを使用して行う。以降、スピンコーティング及び2段階のプリベークを4回繰り返す。これにより、アモルファス状の膜が第1の導電膜5a上に形成される。
【0043】
次いで、酸素雰囲気の600℃のオーブン中で1時間のアニールを行うか、又は、酸素雰囲気の600℃の赤外線イメージ炉(RTA)中で1分間のアニールを行う。これにより、アモルファス状の膜が結晶化し、誘電体膜6が形成される。なお、前述のように、誘電体膜6の形成方法はゾルゲル液を使用する方法に限定されるものではなく、スパッタリング法又はCVD法等によっても形成可能である。また、ゾルゲル液の作製に使用される薬品の量等も上述の数値に限定されるものではない。
【0044】
なお、上述の形成方法においては、誘電体膜6をキャパシタ絶縁膜として200nm形成したが、キャパシタ絶縁膜の膜厚はこれに限定されるものではなく、200乃至3000Åであればよい。
【0045】
キャパシタ絶縁膜として誘電体膜を使用する場合、その膜厚が200Å未満であると、均一な膜を得られず、リーク電流が増大し、歩留まりが悪くなる。一方、膜厚が3000Åを超えると、微細加工が困難となり、歩留まりが著しく悪くなる。従って、キャパシタ絶縁膜としての誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åとする。但し、誘電体膜の膜厚が500Å未満であると、均一な膜が得にくくなり、歩留まりが低下する。一方、膜厚が2000Åを超えると、キャパシタンス(静電容量)が低くなり、誘電率を有効に生かすことができなくなる。従って、キャパシタ絶縁膜としての誘電体膜の膜厚は500乃至2000Åであることが望ましい。
【0046】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【0047】
第1実施例
先ず、下記表3に示す基板上に表3に示す下部電極をスパッタ法により形成した。なお、実施例1並びに比較例2及び3の基板表面には、膜厚が24500ÅであるSiO2膜が熱酸化により形成されている。次いで、下部電極上に下記表2に示すキャパシタ絶縁膜を形成した。キャパシタ絶縁膜の形成の際には、スピンコート等の後に700℃の電気炉内に1時間保持することによりアニールを施した。その後、キャパシタ絶縁膜上に膜厚が1000ÅのPt電極を上部電極として形成することにより、キャパシタを作製した。
【0048】
【表2】
Figure 0004265042
【0049】
【表3】
Figure 0004265042
【0050】
そして、各実施例及び比較例について、キャパシタ絶縁膜の比誘電率を測定した。この結果を下記表4に示す。なお、比誘電率の測定に使用したインピーダンスアナライザの測定周波数は10kHzに設定した。
【0051】
【表4】
Figure 0004265042
【0052】
上記表4に示すように、PbZr0.4Ti0.63に1モル%のLiが添加された実施例1においては、高い比誘電率が得られた。
【0053】
一方、比較例2及び3においては、Liが添加されていないので、十分な比誘電率は得られなかった。
【0054】
また、比較例4においては、高い比誘電率が得られたものの、Liが添加されておらず、単結晶MgO基板等を使用しているため、コストが高かった。
【0055】
第2実施例
先ず、PbZr0.4Ti0.63に0.0005モル%、0.001モル%、1モル%、10モル%、20モル%又は30モル%のLiを添加した誘電体膜及びLiを全く添加しない誘電体膜を作製した。膜厚は、100Å、300Å、500Å、1000Å、2000Å、5000Å、6000Å又は10000Åとした。そして、各試料について比誘電率を測定した。この結果を図4に示す。図4は横軸に誘電体膜の膜厚をとり、縦軸に比誘電率をとって両者の関係を示すグラフ図である。なお、図4において、●印及び実線で示すものはLiを添加していないもの(比較例9)、●印及び破線で示すものはLiを0.0005モル%添加したもの(比較例10)、■印及び実線で示すものはLiを0.001モル%添加したもの(実施例5)、■及び破線で示すものはLiを1モル%添加したもの(実施例6)、▲印及び実線で示すものはLiを10モル%含むもの(実施例7)、▲印及び破線で示すものはLiを20モル%含むもの(実施例8)、◆及び実線で示すものはLiを30モル%添加したもの(比較例11)である。
【0056】
図4に示すように、Liの添加量が本発明(請求項1)の範囲内にある実施例5乃至8においては、300Å以上の膜厚で2000以上の比誘電率を得ることができた。また、膜厚が100Åであっても、1500以上の比誘電率を得ることができた。
【0057】
一方、比較例9においては、Liが添加されておらず、比較例10においては、Liの添加量が本発明範囲の下限未満であるので、膜厚が5000Åを超えなければ2000以上の比誘電率を得ることができなかった。また、比較例11においては、Liの添加量が本発明範囲の上限を超えているので、十分な比誘電率を得ることができなかった。
【0058】
図5は横軸に誘電体膜へのLi添加量をとり、縦軸に誘電率をとって両者の関係を示すグラフ図であり、図6は図5の横軸を対数表示したグラフ図である。なお、図5及び図6において、●印で示すものは、膜厚が5000Åであるもの、■印で示すものは、膜厚が2000Åであるものである。また、図6においては、対数表示であるため、Liが添加されていないものをLiが極微量(0.0001モル%)添加されているものとして示してある。
【0059】
図5及び図6に示すように、Li添加量が0.001モル%未満となるか、又は20モル%を超えると、比誘電率が2000よりも低くなった。
【0060】
第3実施例
PbZr0.4Ti0.63にLiを1モル%添加して形成した膜をキャパシタ絶縁膜とするキャパシタを作製した。このときの上部電極及び下部電極の材料及びその格子定数及びその配向状態を下記表5に示す。
【0061】
【表5】
Figure 0004265042
【0062】
そして、各実施例及び比較例について、キャパシタ絶縁膜の比誘電率を測定した。この結果を下記表6に示す。
【0063】
【表6】
Figure 0004265042
【0064】
上記表6に示すように、実施例12及び13においては、電極材料の格子定数が本発明範囲内にあるので、基板との整合により(001)配向が得られ、高い比誘電率が得られた。
【0065】
一方、比較例14乃至16においては、電極材料の格子定数が本発明範囲からはずれているので、基板との整合がとれず、ランダム配向となって比誘電率が低いものとなった。
【0066】
第4実施例
PbZr0.4Ti0.63にLiを1モル%添加して形成した膜をキャパシタ絶縁膜とするキャパシタを作製した。このときの上部電極及び下部電極は厚さが1000ÅのPt電極である。キャパシタ絶縁膜の厚さを下記表7に示す。
【0067】
【表7】
Figure 0004265042
【0068】
そして、各実施例及び比較例について、微細加工性の評価及びリーク電流の測定を行った。なお、微細加工性の評価は、歩留りよく加工できる最小線幅の測定により行った。これらの結果を下記表8に示す。なお、総合評価の欄において、◎は極めて良好であることを示し、○は良好であることを示し、△はやや不良であることを示し、×は不良であることを示している。
【0069】
【表8】
Figure 0004265042
【0070】
上記表8に示すように、実施例17乃至20においては、誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜の膜厚が本発明の範囲内にあるので、微細加工性が高く、また、リーク電流が低かった。
【0071】
一方、比較例21及び22においては、キャパシタ絶縁膜の膜厚が本発明範囲の上限を超えているので、微細加工性が低くかった。また、比較例23においては、キャパシタ絶縁膜の膜厚が本発明範囲の下限未満であるので、リーク電流が大きいか、又は短絡が生じた。
【0072】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、PZT系誘電体材料にLiを含有させているので、O2の欠損を抑制することができる。このため、単結晶基板を使用したり、又は特別な方法を採用する必要がないので、低コストで薄膜化しながら誘電率を著しく向上させることができる。また、このような誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として使用すれば、静電容量が大きいキャパシタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)及び(b)は本発明の実施例を適用した誘電体メモリを製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図2】 (a)乃至(c)は、同じく、誘電体メモリを製造する方法を示す図であって、図1(a)及び(b)に示す工程の次工程を工程順に示す断面図である。
【図3】 本発明の実施例を適用した誘電体メモリを示す等価回路図である。
【図4】 誘電体膜の膜厚と誘電率との関係を示すグラフ図である。
【図5】 誘電体膜へのLi添加量と誘電率との関係を示すグラフ図である。
【図6】 図5の横軸を対数表示したグラフ図である。
【符号の説明】
1;シリコン基板、 2;ゲート酸化膜、 3;ゲート電極、 4a;ソース、 4b;ドレイン、 5a、5b;導電膜、 6;誘電体膜、 7;Al配線層、 8、9;SiO2膜、 10;コンタクトホール、 11;トランジスタ、 12;キャパシタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a preferred key Yapashi data in a semiconductor device, particularly, relates to a key Yapashi data permittivity is improved.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a ferroelectric material used for a ferroelectric film in a ferroelectric random access memory (FRAM), a lead-based oxide ferroelectric material and a bismuth layered structure ferroelectric material have been used. Yes. Examples of the former lead-based oxide ferroelectric material include PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) -based ferroelectric material having a perovskite crystal structure and lead titanate (PbTiO 3 ). PZT-based ferroelectric materials and lead titanate (PbTiO 3 ) thin films are expected to be applied to infrared sensor materials, microactuator materials, memory materials, and the like.
[0003]
However, these thin films are known to have a significant decrease in dielectric characteristics, particularly dielectric constant, when the film thickness is 1 μm or less, regardless of the manufacturing method. It is a big obstacle.
[0004]
In order to improve such a decrease in dielectric constant, various methods for producing thin films and additives have been studied so far. Among them, it is known that a dielectric property can be improved by using a (Pb, La) TiO 3 thin film (PLT thin film) in which a part of Pb in the lead titanate crystal lattice is replaced with La.
[0005]
These ferroelectric thin films are usually formed on the lower electrode provided on the Si wafer by sputtering or sol-gel method.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the PZT-based ferroelectric thin film is formed on the lower electrode provided on the Si wafer by sputtering or sol-gel method, if the film thickness is 1 μm or less, in the vicinity of the interface between the thin film and the lower electrode There is a problem in that the loss of O 2 occurs and the dielectric constant decreases.
[0007]
If a single crystal Pt electrode is formed as a lower electrode on a single crystal substrate such as Mg having a mirror index of (100) on the surface, and a PZT layer is epitaxially grown thereon by metal organic CVD (MOCVD) or the like, defects A thin film having a high dielectric constant can be obtained, but the cost is extremely high.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a capacitor that includes a dielectric film having a film thickness of 0.5 μm or less and a high dielectric constant and can be manufactured at low cost. To do.
[0011]
In the present invention, since the PZT ferroelectric material contains Li, the standard generation energy is large and oxygen escape is prevented. This makes it possible to increase the dielectric constant while reducing the film thickness without using a single crystal substrate or adopting a special method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A capacitor according to the present invention includes a lower electrode, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film, wherein the dielectric film is Pb x Zr. (1-y) having a composition containing Ti y O 3 and Li, the value of x being 0.9 to 1.3, and the value of y being 0.3 to 0.7, The content of Li is 0.001 to 20 mol% with respect to the content of Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 , the thickness of the dielectric film is 200 to 3000 mm, and the upper electrode And at least one of the lower electrodes is a Pt electrode.
[0013]
Another capacitor according to the present invention is a capacitor having a lower electrode, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film, wherein the dielectric film is Pb. x Zr (1-y) Ti y O 3 and a composition containing Li, the value of x being 0.9 to 1.3, and the value of y being 0.3 to 0.7, The Li content of the film is 0.001 to 20 mol% with respect to the content of Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 , and the film thickness of the dielectric film is 200 to 3000 mm, The lattice constant of the conductive material constituting the upper electrode and the lower electrode is 3.5 to 4.3 cm or 5.0 to 6.1 cm.
[0014]
The dielectric film preferably has a thickness of 500 to 2000 mm.
[0015]
In the present invention, since the dielectric film having a high dielectric constant as described above serves as the capacitor insulating film, a high capacitance can be ensured.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inventors of the present invention have conducted extensive experimental studies to solve the above problems, and as a result, Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 , which is a PZT-based ferroelectric material, contains Li. It has been found that a sufficiently high dielectric constant can be obtained even if the film thickness is reduced to 5 μm or less.
[0018]
Hereinafter, the chemical components contained in the dielectric film according to the present invention and the reasons for limiting the composition thereof will be described.
[0019]
Li is an element having a large standard generation energy of Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 and a high bonding force with O. Therefore, the decrease of the polarization amount is prevented by preventing the oxygen loss, and the dielectric constant is remarkably improved.
[0020]
In Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 , the value of x is 0.9 to 1.3, and the value of y is 0.3 to 0.7.
[0021]
If the value of x is less than 0.9, Pb is insufficient and the spontaneous polarization tends to be low. On the other hand, if the value of x exceeds 1.3, the leakage current tends to increase due to excess Pb. If the value of y is less than 0.3, Ti is insufficient and the spontaneous polarization of the ferroelectric material tends to be low. On the other hand, if the value of y exceeds 0.7, Ti becomes excessive and the leakage current of the ferroelectric material tends to increase. Therefore, the value of x is 0.9 to 1.3, and the value of y is 0.3 to 0.7.
[0022]
The Li content is 0.001 to 20 mol% with respect to the Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 content.
[0023]
When the content of Li is less than 0.001 mol% with respect to the content of Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 , the effect of containing Li is low and the improvement of the dielectric constant is small. On the other hand, when the Li content exceeds 20 mol%, the leakage current increases. In addition, the dielectric constant decreases. Therefore, the content of Li is set to 0.001 to 20 mol% with respect to the content of Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 .
[0024]
The film thickness of the dielectric film is 5000 mm or less.
[0025]
If the film thickness of the dielectric film exceeds 5000 mm, fine processing of 1 μm or less becomes difficult. Therefore, the film thickness of the dielectric film is 5000 mm. However, if the film thickness is less than 200 mm, a sufficient dielectric constant may not be obtained. On the other hand, when the film thickness exceeds 3000 mm, fine processing of 1 μm or less is possible, but the yield is lowered. Accordingly, the thickness of the dielectric film is desirably 200 to 3000 mm. Furthermore, if the film thickness is less than 2000 mm, it may be difficult to perform film formation stably. Therefore, the thickness of the dielectric film is more desirably 2000 mm or more.
[0026]
When a dielectric film having such a composition is used as a capacitor insulating film, an electrode that can be easily formed, such as a Pt electrode or an Ir electrode, can be used as a capacitor electrode. The PZT crystal belongs to the tetragonal system, and its a-axis length is 3.93. The dielectric constant of PZT is most effectively increased when its c-axis is oriented perpendicular to the substrate. For this reason, it is also possible to use a conductive material having a lattice constant of 3.5 to 4.3 mm or 5.0 to 6.1 mm as the upper electrode or the lower electrode. When the lattice constant of the conductive material is less than 3.5 mm, more than 4.3 mm and less than 5.0 mm, or more than 6.1 mm, the c-axis of the crystal lattice of the conductive material is oriented perpendicular to the substrate. It disappears and the dielectric constant decreases. Therefore, the lattice constant of the conductive material used as the upper electrode or the lower electrode is set to 3.5 to 4.3 mm or 5.0 to 6.1 mm. The range of 3.5 to 4.3 mm is within ± 10% of the length of the a-axis (3.9 mm), and the range of 5.0 to 6.1 mm is the length of the a-axis 2 is a range within ± 10% of half the ones (length of the diagonal line of the bottom surface of the unit cell (5.52Å)).
[0027]
Note that Li is an element that is significantly different in properties as an additive element from an element added to a conventional PZT-based ferroelectric material. As described above, La, Nb, Bi, or the like is conventionally added to the PZT-based ferroelectric material in order to prevent O from coming out of the film made of the PZT-based ferroelectric material. is there. Since these additive elements act as substitution elements for Pb, their electronegativity or ionic radius is close to that of Pb. Table 1 below shows the electronegativity and ionic radius of various elements.
[0028]
[Table 1]
Figure 0004265042
[0029]
As shown in Table 1 above, La approximates that of an ion radius of Pb, and Nb and Bi approximate that of an electronegativity of Pb. On the other hand, the electronegativity and ionic radius of Li are significantly different from those of Pb. Thus, the properties of Li as an additive element are significantly different from those of conventional additive elements. Fe has an electronegativity comparable to that of Pb, but the standard generation energy of Li is lower than that of Fe, and the oxide of Li oxide exists more stably.
[0030]
Next, a method for manufacturing a dielectric memory to which an embodiment of the present invention provided with a dielectric thin film having the above composition as a capacitor insulating film will be described. 1A and 1B and FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a dielectric memory to which an embodiment of the present invention is applied in the order of steps.
[0031]
As shown in FIG. 1A, a gate oxide film 2, a gate electrode 3, a source 4a, and a surface of a silicon substrate 1 having a thickness of, for example, 0.6 mm are formed by a method similar to the conventional method. A drain 4b is formed. Further, a first SiO 2 film 8 having a thickness of, for example, 450 nm is formed as an interlayer insulating film on the entire surface.
[0032]
Next, as shown in FIG. 1B, a first conductive film 5a, a dielectric film 6 having the above-described composition and a film thickness of, for example, 200 nm, and a second conductive film 5b are sequentially formed on the entire surface. . A specific method for forming the dielectric film 6 will be described later. The first conductive film is made of, for example, a 20 nm thick Ti film and a 2000 mm thick Pt film. Furthermore, the second conductive film is made of, for example, a Pt film.
[0033]
Next, as shown in FIG. 2A, the second conductive film 5b, the dielectric film 6 and the first conductive film 5a are ion milled or the like so as to remain only in a predetermined region where a capacitor is to be formed. To pattern. Thus, the first conductive film 5a forms a lower electrode, the dielectric film 6 forms a capacitor insulating film, and the second conductive film 5b forms an upper electrode.
[0034]
Thereafter, as shown in FIG. 2B, a second SiO 2 film 9 is formed as an interlayer insulating film on the entire surface. Next, contact holes 10 reaching the diffusion layers of the second conductive film 5b, the source 4a, and the drain 4b are formed in the first SiO 2 film 8 and the second SiO 2 film 9.
[0035]
Then, as shown in FIG. 2C, an Al wiring layer 7 is embedded in the contact hole 10 by forming and patterning an Al film on the entire surface. At this time, the second conductive layer 5 b and the drain 4 b are connected by the Al wiring layer 7. Thereby, one transistor 11 and one capacitor 12 are formed.
[0036]
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing a dielectric memory to which an embodiment of the present invention is applied. The dielectric memory cell configured as described above is composed of one transistor 11 and one capacitor 12 as shown in FIG. Then, 1-bit information is stored in the dielectric memory.
[0037]
Next, a method for forming the dielectric film 6 will be specifically described. The dielectric film 6 can be formed by various methods. Here, as an example, a formation method using a sol-gel solution will be described. First, 20.9 g of lead diacetate trihydrate was placed in 70 ml of methoxyethanol as a solvent, and then heated and stirred at 800 ° C. for 30 to 60 minutes to obtain lead diacetate trihydrate. Dissolve. At this time, lead oxide is used 1.1 times as much as 0.05 mol. This takes into account the correction for evaporation of Pb during heating, diffusion into the electrode, and the purity of Pb being 99.9%.
[0038]
Next, the solution is transferred to a reactor and further solvent is added to make a total volume of 200 milliliters. Then, dehydration is performed by heating and stirring at 124 ° C. for 12 hours.
[0039]
Then, after the temperature of the reaction system was lowered to 60 ° C., 8.691 g of tetraisopropoxyzirconium (0.026 mol, corrected for 98% purity) and 7.144 ml of tetraisopropoxytitanium (0.024 mol, Purity 99.999% corrected) is added to the reaction system. Further, 0.333 g of isopropoxylithium (0.005 mol, purity corrected to 99.9%) is added to the reaction system, and the mixture is heated and stirred at 124 ° C. for 6 hours.
[0040]
And after completion | finish of stirring, a solution is moved to a graduated cylinder, and a solvent is further added to make the whole quantity 100 ml. Thereby, a PZT sol-gel solution containing lithium is produced. Since 0.05 mol of liquid is in 100 ml of liquid, the concentration is 0.5 mol / liter.
[0041]
All heating and stirring is performed under a nitrogen stream.
[0042]
Next, the PZT sol-gel solution containing lithium prepared as described above is spin-coated on the first conductive film 5a for 10 seconds at a rotational speed of 3000 rpm. Then, pre-baking at 150 ° C. for 5 minutes and pre-baking at 400 ° C. for 10 minutes are performed using a hot plate. Thereafter, spin coating and two-stage pre-baking are repeated four times. Thereby, an amorphous film is formed on the first conductive film 5a.
[0043]
Next, annealing is performed in an oxygen atmosphere at 600 ° C. for 1 hour, or in an oxygen atmosphere at 600 ° C. in an infrared image furnace (RTA) for 1 minute. Thereby, the amorphous film is crystallized and the dielectric film 6 is formed. As described above, the method of forming the dielectric film 6 is not limited to the method using a sol-gel solution, and can be formed by a sputtering method or a CVD method. Further, the amount of chemicals used for preparing the sol-gel liquid is not limited to the above-mentioned numerical values.
[0044]
In the above-described forming method, the dielectric film 6 is formed with a thickness of 200 nm as the capacitor insulating film. However, the thickness of the capacitor insulating film is not limited to this, and may be 200 to 3000 mm.
[0045]
When a dielectric film is used as the capacitor insulating film, if the film thickness is less than 200 mm, a uniform film cannot be obtained, the leakage current increases, and the yield deteriorates. On the other hand, when the film thickness exceeds 3000 mm, fine processing becomes difficult and the yield is remarkably deteriorated. Therefore, the film thickness of the dielectric film as the capacitor insulating film is 200 to 3000 mm. However, when the film thickness of the dielectric film is less than 500 mm, it is difficult to obtain a uniform film and the yield decreases. On the other hand, when the film thickness exceeds 2000 mm, the capacitance (capacitance) becomes low, and the dielectric constant cannot be utilized effectively. Therefore, the thickness of the dielectric film as the capacitor insulating film is desirably 500 to 2000 mm.
[0046]
【Example】
Examples of the present invention will be specifically described below in comparison with comparative examples that depart from the scope of the claims.
[0047]
First Example First, a lower electrode shown in Table 3 was formed on a substrate shown in Table 3 below by a sputtering method. Note that a SiO 2 film having a thickness of 24500 mm is formed by thermal oxidation on the substrate surfaces of Example 1 and Comparative Examples 2 and 3. Next, a capacitor insulating film shown in Table 2 below was formed on the lower electrode. When forming the capacitor insulating film, annealing was performed by holding in an electric furnace at 700 ° C. for 1 hour after spin coating or the like. Thereafter, a Pt electrode having a thickness of 1000 mm was formed as an upper electrode on the capacitor insulating film, thereby manufacturing a capacitor.
[0048]
[Table 2]
Figure 0004265042
[0049]
[Table 3]
Figure 0004265042
[0050]
And about each Example and the comparative example, the dielectric constant of the capacitor insulating film was measured. The results are shown in Table 4 below. The measurement frequency of the impedance analyzer used for measuring the relative dielectric constant was set to 10 kHz.
[0051]
[Table 4]
Figure 0004265042
[0052]
As shown in Table 4 above, in Example 1 in which 1 mol% of Li was added to PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 , a high relative dielectric constant was obtained.
[0053]
On the other hand, in Comparative Examples 2 and 3, since Li was not added, a sufficient dielectric constant could not be obtained.
[0054]
In Comparative Example 4, although a high relative dielectric constant was obtained, Li was not added and a single crystal MgO substrate or the like was used, so that the cost was high.
[0055]
The second embodiment <br/> First, PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 to 0.0005 mol%, 0.001 mol%, 1 mol%, 10 mol%, the dielectric with the addition of 20 mol% or 30 mol% of Li A body film and a dielectric film to which no Li was added were prepared. The film thickness was 100 mm, 300 mm, 500 mm, 1000 mm, 2000 mm, 5000 mm, 6000 mm, or 10,000 mm. And the relative dielectric constant was measured about each sample. The result is shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the dielectric film thickness on the horizontal axis and the relative dielectric constant on the vertical axis. In FIG. 4, the solid circles and solid lines indicate that no Li is added (Comparative Example 9), and the solid circles and broken lines indicate that 0.0005 mol% Li is added (Comparative Example 10). , ▪ and solid lines indicate that 0.001 mol% Li is added (Example 5), ■ and dotted lines indicate that 1 mol% Li is added (Example 6), ▲ marks and solid lines The one shown in FIG. 5 contains 10 mol% of Li (Example 7), the one shown by ▲ and the broken line contains 20 mol% Li (Example 8), the one shown by ◆ and the solid line shows 30 mol% Li. It is what was added (Comparative Example 11).
[0056]
As shown in FIG. 4, in Examples 5 to 8 in which the addition amount of Li is within the range of the present invention (Claim 1), a relative dielectric constant of 2000 or more was obtained with a film thickness of 300 mm or more. . Further, even when the film thickness was 100 mm, a relative dielectric constant of 1500 or more could be obtained.
[0057]
On the other hand, in Comparative Example 9, Li was not added, and in Comparative Example 10, the amount of Li added was less than the lower limit of the range of the present invention, so that the relative dielectric constant was 2000 or more unless the film thickness exceeded 5000 kg. The rate could not be obtained. In Comparative Example 11, the amount of Li added exceeded the upper limit of the range of the present invention, so that a sufficient dielectric constant could not be obtained.
[0058]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the horizontal axis with the amount of Li added to the dielectric film and the vertical axis with the dielectric constant. FIG. 6 is a graph showing the logarithm of the horizontal axis in FIG. is there. In FIGS. 5 and 6, those indicated by ● are those having a thickness of 5000 mm, and those indicated by ■ are those having a thickness of 2000 mm. Moreover, in FIG. 6, since it is a logarithmic display, the thing which Li is not added is shown as what Li is added in a trace amount (0.0001 mol%).
[0059]
As shown in FIGS. 5 and 6, the relative dielectric constant was lower than 2000 when the Li addition amount was less than 0.001 mol% or more than 20 mol%.
[0060]
Third Example A capacitor having a capacitor insulating film formed by adding 1 mol% of Li to PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 was fabricated. Table 5 below shows the materials of the upper electrode and the lower electrode, the lattice constants thereof, and the orientation states thereof.
[0061]
[Table 5]
Figure 0004265042
[0062]
And about each Example and the comparative example, the dielectric constant of the capacitor insulating film was measured. The results are shown in Table 6 below.
[0063]
[Table 6]
Figure 0004265042
[0064]
As shown in Table 6 above, in Examples 12 and 13, since the lattice constant of the electrode material is within the range of the present invention, (001) orientation is obtained by matching with the substrate, and a high relative dielectric constant is obtained. It was.
[0065]
On the other hand, in Comparative Examples 14 to 16, since the lattice constant of the electrode material deviated from the range of the present invention, the alignment with the substrate was not achieved, and the orientation was random and the relative dielectric constant was low.
[0066]
Fourth Example A capacitor having a film formed by adding 1 mol% of Li to PbZr 0.4 Ti 0.6 O 3 as a capacitor insulating film was produced. In this case, the upper electrode and the lower electrode are Pt electrodes having a thickness of 1000 mm. The thickness of the capacitor insulating film is shown in Table 7 below.
[0067]
[Table 7]
Figure 0004265042
[0068]
And about each Example and the comparative example, evaluation of fine workability and the measurement of leak current were performed. The fine workability was evaluated by measuring the minimum line width that can be processed with a high yield. These results are shown in Table 8 below. In the comprehensive evaluation column, ◎ indicates extremely good, ◯ indicates good, Δ indicates slightly poor, and x indicates poor.
[0069]
[Table 8]
Figure 0004265042
[0070]
As shown in Table 8 above, in Examples 17 to 20, since the film thickness of the capacitor insulating film made of the dielectric film is within the range of the present invention, the fine workability is high and the leakage current is low. .
[0071]
On the other hand, in Comparative Examples 21 and 22, since the film thickness of the capacitor insulating film exceeded the upper limit of the range of the present invention, the fine workability was low. Moreover, in Comparative Example 23, since the film thickness of the capacitor insulating film was less than the lower limit of the range of the present invention, the leakage current was large or a short circuit occurred.
[0072]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since PZT-based dielectric material contains Li, it is possible to suppress O 2 deficiency. For this reason, it is not necessary to use a single crystal substrate or adopt a special method, so that the dielectric constant can be remarkably improved while reducing the film thickness at low cost. Further, if such a dielectric film is used as a capacitor insulating film, a capacitor having a large capacitance can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views showing a method of manufacturing a dielectric memory to which an embodiment of the present invention is applied in order of steps.
FIGS. 2A to 2C are views showing a method for manufacturing a dielectric memory, and are cross-sectional views showing the next steps of the steps shown in FIGS. 1A and 1B in order of steps; It is.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing a dielectric memory to which an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a film thickness of a dielectric film and a dielectric constant.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of Li added to the dielectric film and the dielectric constant.
6 is a graph in which the horizontal axis of FIG. 5 is displayed logarithmically.
[Explanation of symbols]
1; silicon substrate, 2; gate oxide film, 3: a gate electrode, 4a; source, 4b; drain, 5a, 5b; conductive, 6; a dielectric layer, 7; Al wiring layer, 8, 9; SiO 2 film , 10; contact hole, 11; transistor, 12; capacitor

Claims (5)

下部電極と、この下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極と、を有するキャパシタにおいて、前記誘電体膜はPbxZr(1-y)Tiy3及びLiを含有する組成を有し、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7であり、前記誘電体膜のLiの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%であり、前記誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであり、前記上部電極及び前記下部電極のうち少なくとも一方はPt電極であることを特徴とするキャパシタ。In a capacitor having a lower electrode, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film, the dielectric film is Pb x Zr (1-y) Ti y It has a composition containing O 3 and Li, the value of x is 0.9 to 1.3, the value of y is 0.3 to 0.7, and the Li content of the dielectric film is Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 content is 0.001 to 20 mol%, the dielectric film has a thickness of 200 to 3000 mm, and at least of the upper electrode and the lower electrode One of the capacitors is a Pt electrode. 下部電極と、この下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極と、を有するキャパシタにおいて、前記誘電体膜はPbxZr(1-y)Tiy3及びLiを含有する組成を有し、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7であり、前記誘電体膜のLiの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%であり、前記誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであり、前記上部電極及び前記下部電極のうち少なくとも一方はIr電極であることを特徴とするキャパシタ。In a capacitor having a lower electrode, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film, the dielectric film is Pb x Zr (1-y) Ti y It has a composition containing O 3 and Li, the value of x is 0.9 to 1.3, the value of y is 0.3 to 0.7, and the Li content of the dielectric film is Pb x Zr (1-y) Ti y O 3 content is 0.001 to 20 mol%, the dielectric film has a thickness of 200 to 3000 mm, and at least of the upper electrode and the lower electrode One of the capacitors is an Ir electrode. 下部電極と、この下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極と、を有するキャパシタにおいて、前記誘電体膜はPbxZr(1-y)Tiy3及びLiを含有する組成を有し、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7であり、前記誘電体膜のLiの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%であり、前記誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであり、前記上部電極及び前記下部電極を構成する導電材料の格子定数は3.5乃至4.3Åであることを特徴とするキャパシタ。In a capacitor having a lower electrode, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film, the dielectric film is Pb x Zr (1-y) Ti y It has a composition containing O 3 and Li, the value of x is 0.9 to 1.3, the value of y is 0.3 to 0.7, and the Li content of the dielectric film is Pb x The content of Zr (1-y) Ti y O 3 is 0.001 to 20 mol%, the thickness of the dielectric film is 200 to 3000 mm, and constitutes the upper electrode and the lower electrode A capacitor characterized in that the lattice constant of the conductive material is 3.5 to 4.3 Å. 下部電極と、この下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極と、を有するキャパシタにおいて、前記誘電体膜はPbxZr(1-y)Tiy3及びLiを含有する組成を有し、xの値は0.9乃至1.3、yの値は0.3乃至0.7であり、前記誘電体膜のLiの含有量はPbxZr(1-y)Tiy3の含有量に対して0.001乃至20モル%であり、前記誘電体膜の膜厚は200乃至3000Åであり、前記上部電極及び前記下部電極を構成する導電材料の格子定数は5.0乃至6.1Åであることを特徴とするキャパシタ。In a capacitor having a lower electrode, a dielectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric film, the dielectric film is Pb x Zr (1-y) Ti y It has a composition containing O 3 and Li, the value of x is 0.9 to 1.3, the value of y is 0.3 to 0.7, and the Li content of the dielectric film is Pb x The content of Zr (1-y) Ti y O 3 is 0.001 to 20 mol%, the thickness of the dielectric film is 200 to 3000 mm, and constitutes the upper electrode and the lower electrode A capacitor characterized in that the conductive material has a lattice constant of 5.0 to 6.1 Å. 前記誘電体膜の膜厚は、500乃至2000Åであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のキャパシタ。5. The capacitor according to claim 1, wherein the dielectric film has a thickness of 500 to 2000 mm.
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