JP2002134710A - Dielectric capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は誘電体キャパシタ
に関するものであり、特にその強誘電性の向上に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dielectric capacitor, and more particularly to an improvement in ferroelectricity.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の強誘電体キャパシタを、図29に
示す。シリコン基板2の上に、酸化シリコン層4が形成
されている。その上に、白金からなる下部電極6が設け
られている。下部電極6の上には、強誘電体層であるP
ZT(PbZrXTi1-XO3)膜8が設けられ、さらにその上に
は、白金からなる上部電極10が設けられている。この
ようにして、下部電極6、PZT膜8、上部電極10に
より、強誘電体キャパシタが形成される。2. Description of the Related Art A conventional ferroelectric capacitor is shown in FIG. A silicon oxide layer 4 is formed on a silicon substrate 2. A lower electrode 6 made of platinum is provided thereon. On the lower electrode 6, a ferroelectric layer P
A ZT (PbZr X Ti 1 -X O 3 ) film 8 is provided, and an upper electrode 10 made of platinum is further provided thereon. Thus, a ferroelectric capacitor is formed by the lower electrode 6, the PZT film 8, and the upper electrode 10.
【0003】なお、ここで、下部電極6として白金を用
いているのは、次のような理由によるものである。PZ
T膜8は、配向膜の上に形成しなければならない。アモ
ルファス膜の上に形成すると、配向しないため強誘電性
が損なわれてしまうからである。一方、下部電極6は、
シリコン基板2から絶縁した状態で形成しなければなら
ない。このため、シリコン基板2上に酸化シリコン層4
を形成している。この酸化シリコン層4はアモルファス
である。一般に、アモルファスの上に形成した膜は無配
向膜となるが、白金はアモルファスの上においても、配
向膜となる性質を有している。このような理由から、下
部電極として白金が用いられている。The reason why platinum is used as the lower electrode 6 is as follows. PZ
The T film 8 must be formed on the alignment film. If formed on an amorphous film, ferroelectricity is impaired because the film is not oriented. On the other hand, the lower electrode 6
It must be formed in a state insulated from the silicon substrate 2. Therefore, the silicon oxide layer 4 is formed on the silicon substrate 2.
Is formed. This silicon oxide layer 4 is amorphous. Generally, a film formed on an amorphous film is a non-oriented film, but platinum has a property of being an oriented film even on an amorphous film. For this reason, platinum is used as the lower electrode.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の強誘電体キャパシタには、次のような問題
点があった。However, the above-mentioned conventional ferroelectric capacitors have the following problems.
【0005】白金は酸素を透過しやすいため、強誘電体
(PZT)内の酸素の抜け出し、経年変化および分極反
転の繰り返しによって強誘電性が低下するという問題が
あった。つまり、図30に示すように、白金の柱状結晶
の間から、強誘電体中の酸素が抜け出すおそれがあっ
た。[0005] Since platinum easily transmits oxygen, there is a problem in that ferroelectricity is reduced due to escape of oxygen in the ferroelectric (PZT), aging, and repetition of polarization reversal. That is, as shown in FIG. 30, oxygen in the ferroelectric material might escape from between the platinum columnar crystals.
【0006】また、このような問題は高誘電率を有する
誘電体を用いたキャパシタにおいても同様に生じてい
た。[0006] Such a problem also occurs in a capacitor using a dielectric having a high dielectric constant.
【0007】この発明は、上記の問題点を解決して、経
年劣化および分極反転の繰り返しによる劣化の少ない強
誘電体キャパシタまたは高誘電率を有する誘電体キャパ
シタを提供することを目的とする。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a ferroelectric capacitor or a dielectric capacitor having a high dielectric constant, which causes less deterioration due to aging and repetition of polarization inversion.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の第1では、基板
と、前記基板の絶縁化された表面上に形成され、少なく
とも酸化イリジウム層とその上に形成されたイリジウム
層とを有する下部電極と、下部電極の上に形成され、強
誘電体または高誘電率を有する誘電体によって構成され
る誘電体層と、誘電体層の上に形成された上部電極とを
備えたことを特徴とする。本発明の第2では、基板と、
前記基板の上に絶縁化された表面に形成されたイリジウ
ム層およびその上に形成された酸化イリジウム層によっ
て構成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、
強誘電体または高誘電率を有する誘電体によって構成さ
れる誘電体層と、誘電体層上に形成された上部電極とを
備えたことを特徴とする。本発明の第3では、基板と、
前記基板の上に絶縁化された表面に形成された柱状結晶
からなるイリジウム層と、前記イリジウム層の酸化によ
り、前記柱状結晶上に形成された酸化イリジウム層とで
構成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、強
誘電体または高誘電率を有する誘電体によって構成され
る誘電体層と、誘電体層上に形成された上部電極とを備
えたことを特徴とする。本発明の第4では、下部電極、
下部電極の上に形成され、強誘電体または高誘電率を有
する誘電体によって構成される誘電体層、前記誘電体層
の上に形成され、柱状結晶からなるイリジウム層と、前
記イリジウム層の酸化により、前記柱状結晶間に形成さ
れた酸化イリジウム層とで構成された上部電極を備えた
ことを特徴とする。なお、この発明において、「キャパ
シタ」とは絶縁体の両側に電極が設けられた構造を指す
ものであり、電気の蓄積に用いられると否とにかかわら
ず、この構造を有するものを含む概念である。According to a first aspect of the present invention, there is provided a lower electrode formed on an insulated surface of a substrate and having at least an iridium oxide layer and an iridium layer formed thereon. And a dielectric layer formed on the lower electrode and composed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and an upper electrode formed on the dielectric layer. . In a second aspect of the present invention,
A lower electrode formed by an iridium layer formed on a surface insulated on the substrate and an iridium oxide layer formed thereon, formed on the lower electrode,
It is characterized by comprising a dielectric layer composed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and an upper electrode formed on the dielectric layer. In a third aspect of the present invention, a substrate;
An iridium layer formed of a columnar crystal formed on a surface insulated on the substrate, and a lower electrode including an iridium oxide layer formed on the columnar crystal by oxidation of the iridium layer; It is characterized by comprising a dielectric layer formed on the lower electrode and made of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and an upper electrode formed on the dielectric layer. In a fourth aspect of the present invention, a lower electrode,
A dielectric layer formed on the lower electrode and made of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant; an iridium layer formed on the dielectric layer and made of columnar crystals; and an oxidation of the iridium layer And an iridium oxide layer formed between the columnar crystals. In the present invention, the term “capacitor” refers to a structure in which electrodes are provided on both sides of an insulator, and is a concept including one having this structure regardless of whether it is used for storing electricity. is there.
【0009】望ましくは、少なくとも酸化イリジウム層
を有する下部電極、下部電極の上に形成され、強誘電体
または高誘電率を有する誘電体によって構成される誘電
体層、誘電体層の上に形成された上部電極、を備えてい
る。Preferably, a lower electrode having at least an iridium oxide layer, a dielectric layer formed on the lower electrode and formed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and a dielectric layer formed on the dielectric layer Upper electrode.
【0010】望ましくは、前記下部電極は、スパッタリ
ングによって形成された酸化イリジウム層によって構成
されていることを特徴としている。[0010] Preferably, the lower electrode is formed of an iridium oxide layer formed by sputtering.
【0011】望ましくは、前記酸化イリジウム層の上に
結晶配向性の良い導電体層が形成されて下部電極が構成
されており、当該導電体層の上に強誘電体層が形成され
ていることを特徴としている。Preferably, a conductor layer having good crystal orientation is formed on the iridium oxide layer to form a lower electrode, and a ferroelectric layer is formed on the conductor layer. It is characterized by.
【0012】望ましくは、前記導電体層は、白金層であ
ることを特徴としている。Preferably, the conductive layer is a platinum layer.
【0013】望ましくは、前記導電体層は、イリジウム
層であることを特徴としている。Preferably, the conductive layer is an iridium layer.
【0014】望ましくは、前記導電体層は、白金とイリ
ジウムの合金層であることを特徴としている。Preferably, the conductive layer is an alloy layer of platinum and iridium.
【0015】望ましくは、前記下部電極は、基板の上に
形成された酸化シリコン層の上に形成されており、前記
下部電極は、前記酸化シリコン層に接する接合層を有し
ていることを特徴としている。Preferably, the lower electrode is formed on a silicon oxide layer formed on a substrate, and the lower electrode has a bonding layer in contact with the silicon oxide layer. And
【0016】望ましくは、前記下部電極は、イリジウム
層およびその上に形成された酸化イリジウム層によって
構成されていることを特徴としている。Preferably, the lower electrode comprises an iridium layer and an iridium oxide layer formed thereon.
【0017】望ましくは、前記下部電極は、イリジウム
層の表面を酸化して形成されたものであることを特徴と
している。Preferably, the lower electrode is formed by oxidizing the surface of the iridium layer.
【0018】望ましくは、前記酸化イリジウム層の上に
結晶配向性の良い導電体層が形成されて下部電極が構成
されて望ましくは、おり、当該導電体層の上に強誘電体
層が形成されていることを特徴としている。Preferably, a conductor layer having good crystal orientation is formed on the iridium oxide layer to form a lower electrode, and a ferroelectric layer is formed on the conductor layer. It is characterized by having.
【0019】望ましくは、前記導電体層は、白金層であ
ることを特徴としている。Preferably, the conductive layer is a platinum layer.
【0020】望ましくは、前記導電体層は、イリジウム
層であることを特徴としている。Preferably, the conductive layer is an iridium layer.
【0021】望ましくは、前記導電体層は、白金とイリ
ジウムの合金層であることを特徴としている。Preferably, the conductive layer is an alloy layer of platinum and iridium.
【0022】望ましくは、前記下部電極は、基板の上に
形成された酸化シリコン層の上に形成されており、前記
下部電極は、前記酸化シリコン層に接する接合層を有し
ていることを特徴としている。Preferably, the lower electrode is formed on a silicon oxide layer formed on a substrate, and the lower electrode has a bonding layer in contact with the silicon oxide layer. And
【0023】望ましくは、下部電極、下部電極の上に形
成され、強誘電体または高誘電率を有する誘電体によっ
て構成される誘電体層、誘電体層の上に形成された上部
電極、を備えた誘電体キャパシタにおいて、前記下部電
極は、イリジウム層の表面に結晶配向性の良い導電性薄
膜を形成した後、酸化して形成したものであることを特
徴としている。Preferably, the semiconductor device includes a lower electrode, a dielectric layer formed on the lower electrode and made of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and an upper electrode formed on the dielectric layer. In the above dielectric capacitor, the lower electrode is formed by forming a conductive thin film having good crystal orientation on the surface of the iridium layer and then oxidizing the conductive thin film.
【0024】望ましくは、前記導線性薄膜は、白金であ
ることを特徴としている。Preferably, the conductive thin film is made of platinum.
【0025】望ましくは、前記導線性薄膜は、イリジウ
ムおよび白金の合金であることを特徴としている。Preferably, the conductive thin film is made of an alloy of iridium and platinum.
【0026】望ましくは、下部電極、下部電極の上に形
成され、強誘電体または高誘電率を有する誘電体によっ
て構成される誘電体層、誘電体層の上に形成され、少な
くとも酸化イリジウム層を有する上部電極、を備えてい
る。Preferably, a lower electrode, a dielectric layer formed on the lower electrode and formed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and at least an iridium oxide layer formed on the dielectric layer Having an upper electrode.
【0027】望ましくは、前記上部電極は、スパッタリ
ングによって形成された酸化イリジウム層によって構成
されていることを特徴としている。Preferably, the upper electrode is constituted by an iridium oxide layer formed by sputtering.
【0028】望ましくは、前記上部電極は、イリジウム
層およびその上に形成された酸化イリジウム層によって
構成されていることを特徴としている。Preferably, the upper electrode comprises an iridium layer and an iridium oxide layer formed thereon.
【0029】望ましくは、前記上部電極は、イリジウム
層の表面を酸化して形成されたものであることを特徴と
している。Preferably, the upper electrode is formed by oxidizing the surface of an iridium layer.
【0030】望ましくは、少なくとも酸化イリジウム層
を有する下部電極、下部電極の上に形成され、強誘電体
または高誘電率を有する誘電体によって構成される誘電
体層、誘電体層の上に形成され、少なくとも酸化イリジ
ウム層を有する上部電極、を備えている。Preferably, a lower electrode having at least an iridium oxide layer, a dielectric layer formed on the lower electrode and formed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and a dielectric layer formed on the dielectric layer And an upper electrode having at least an iridium oxide layer.
【0031】請求項1の誘電体キャパシタは、下部電極
に酸化イリジウム層とイリジウムと、を有している。し
たがって、誘電体層からの酸素の抜け出しを防止するこ
とができ、誘電特性の経年変化を抑えることができる。
すなわち、酸化イリジウム層は下地層が配向しているか
否かにかかわらず配向性を有しないが、この酸化イリジ
ウム層上に更にイリジウム層を設けて形成した場合、イ
リジウム層が配向性をもつため、この上層に形成される
誘電体層は良好に配向し、電流積分値がほとんど変化せ
ず良好な特性を得ることが出来る。また、酸化イリジウ
ム層上にイリジウムを形成しているため、酸素の抜け出
しを防止しつつ、強誘電体層の配向性を良好にすること
ができる。さらにまた、強誘電体層中の鉛成分が下部電
極の方に浸透することがないため、インプリント特性が
向上する。また、請求項2の誘電体キャパシタでは、下
部電極が、基板表面に酸化シリコン膜を介して形成され
たイリジウム層およびその上に形成された酸化イリジウ
ム層によって構成されている。したがって、誘電体層が
下部電極上に形成されているため、誘電体層は下層側表
面全体を下部電極と接しており、誘電体層からの酸素の
透過が問題となるが、かかる電極構造により、イリジウ
ムの柱状結晶の結晶間を埋めるように酸化イリジウムが
形成される。したがって、誘電体層からの酸素の透過を
極めて良好に防止することができる。またこのため、酸
素の透過防止を図ることが可能となり、残留分極特性に
優れた誘電体キャパシタを提供することが可能となる。
請求項3の誘電体キャパシタでは、基板と、前記基板の
上に絶縁化された表面に形成された柱状結晶からなるイ
リジウム層と、前記イリジウム層の酸化により、前記柱
状結晶間に形成された酸化イリジウム層とで構成された
下部電極を有しているため、イリジウムの柱状結晶の結
晶間を埋めるように酸化イリジウムが形成される。した
がって、誘電体層からの酸素の透過を極めて良好に防止
することができる。またこのため、酸素の透過防止を図
ることが可能となり、残留分極特性に優れた誘電体キャ
パシタを提供することが可能となる。請求項4の誘電体
キャパシタでは、上部電極が柱状結晶からなるイリジウ
ム層と、前記イリジウム層の酸化により、前記柱状結晶
間に形成された酸化イリジウム層とで構成された上部電
極を有しているため、イリジウムの柱状結晶の結晶間を
埋めるように酸化イリジウムが形成される。したがっ
て、誘電体層からの酸素の透過を極めて良好に防止する
ことができる。またこのため、酸素の透過防止を図るこ
とが可能となり、残留分極特性に優れた誘電体キャパシ
タを提供することが可能となる。The dielectric capacitor according to the first aspect has an iridium oxide layer and iridium on the lower electrode. Therefore, the escape of oxygen from the dielectric layer can be prevented, and the secular change of the dielectric characteristics can be suppressed.
That is, the iridium oxide layer has no orientation regardless of whether or not the underlying layer is oriented.However, when an iridium layer is further provided on this iridium oxide layer, the iridium layer has orientation, The dielectric layer formed on this upper layer is well oriented, and good characteristics can be obtained with almost no change in the current integrated value. In addition, since iridium is formed on the iridium oxide layer, the orientation of the ferroelectric layer can be improved while preventing escape of oxygen. Furthermore, since the lead component in the ferroelectric layer does not penetrate into the lower electrode, the imprint characteristics are improved. Further, in the dielectric capacitor according to the second aspect, the lower electrode is composed of an iridium layer formed on the substrate surface via the silicon oxide film and an iridium oxide layer formed thereon. Therefore, since the dielectric layer is formed on the lower electrode, the entire surface of the dielectric layer is in contact with the lower electrode, and transmission of oxygen from the dielectric layer becomes a problem. Then, iridium oxide is formed so as to fill the space between the columnar crystals of iridium. Therefore, transmission of oxygen from the dielectric layer can be prevented very well. For this reason, it is possible to prevent the permeation of oxygen and to provide a dielectric capacitor having excellent remanent polarization characteristics.
4. The dielectric capacitor according to claim 3, wherein a substrate, an iridium layer made of a columnar crystal formed on a surface insulated on the substrate, and an oxidation formed between the columnar crystals due to oxidation of the iridium layer. Since the lower electrode includes the iridium layer, iridium oxide is formed so as to fill the space between the columnar crystals of iridium. Therefore, transmission of oxygen from the dielectric layer can be prevented very well. For this reason, it is possible to prevent the permeation of oxygen, and it is possible to provide a dielectric capacitor having excellent remanent polarization characteristics. In the dielectric capacitor according to the fourth aspect, the upper electrode has an upper electrode composed of an iridium layer made of a columnar crystal and an iridium oxide layer formed between the columnar crystals by oxidizing the iridium layer. Therefore, iridium oxide is formed so as to fill the space between the columnar crystals of iridium. Therefore, transmission of oxygen from the dielectric layer can be prevented very well. For this reason, it is possible to prevent the permeation of oxygen and to provide a dielectric capacitor having excellent remanent polarization characteristics.
【0032】本発明の誘電体キャパシタは、酸化イリジ
ウム層の上に結晶配向性の良い導電層を設け、この導電
層の上に誘電体層を設けている。したがって、誘電体層
の配向性が良くなり、誘電特性の経年変化を抑えること
ができる。In the dielectric capacitor of the present invention, a conductive layer having good crystal orientation is provided on the iridium oxide layer, and the dielectric layer is provided on the conductive layer. Therefore, the orientation of the dielectric layer is improved, and the secular change of the dielectric characteristics can be suppressed.
【0033】本発明の誘電体キャパシタは、酸化イリジ
ウム層の上にイリジウム層を設け、このイリジウム層の
上に誘電体層を設けている。したがって、誘電体層の配
向性がさらに良くなり、誘電特性の経年変化を抑えるこ
とができる。In the dielectric capacitor of the present invention, an iridium layer is provided on an iridium oxide layer, and a dielectric layer is provided on the iridium layer. Therefore, the orientation of the dielectric layer is further improved, and the secular change of the dielectric characteristics can be suppressed.
【0034】本発明の誘電体キャパシタは、イリジウム
表面に結晶配向性の良い薄膜導電体を設けた後、酸化処
理を行って形成している。したがって、誘電体層の酸素
の抜け出しを防止できるとともに、良好な配向性を持つ
誘電体層を得ることができる。したがって、誘電特性の
経年変化を極めてかなり抑えることができる。The dielectric capacitor of the present invention is formed by providing a thin-film conductor having good crystal orientation on the iridium surface and then performing an oxidation treatment. Therefore, the escape of oxygen from the dielectric layer can be prevented, and a dielectric layer having good orientation can be obtained. Therefore, the secular change of the dielectric characteristics can be extremely suppressed.
【0035】本発明の誘電体キャパシタは、上部電極に
酸化イリジウム層を有している。したがって、誘電体層
からの酸素の抜け出しを防止することができ、誘電特性
の経年変化を抑えることができる。The dielectric capacitor of the present invention has an iridium oxide layer on the upper electrode. Therefore, the escape of oxygen from the dielectric layer can be prevented, and the secular change of the dielectric characteristics can be suppressed.
【0036】本発明の誘電体キャパシタは、上部電極お
よび下部電極の双方に酸化イリジウム層を有している。
したがって、誘電体層からの酸素の抜け出しを確実に防
止することができ、誘電特性の経年変化を抑えることが
できる。The dielectric capacitor of the present invention has an iridium oxide layer on both the upper electrode and the lower electrode.
Therefore, the escape of oxygen from the dielectric layer can be reliably prevented, and the secular change of the dielectric characteristics can be suppressed.
【0037】すなわち、強誘電性、高誘電性の良好な誘
電体キャパシタを提供することができる。That is, a dielectric capacitor having good ferroelectricity and high dielectric properties can be provided.
【0038】[0038]
【発明の実施の形態】図1に、この発明の一実施例によ
る強誘電体キャパシタの構図を示す。シリコン基板2の
上に、酸化シリコン層4、下部電極12、強誘電体膜
(強誘電体層)8、上部電極15が設けられている。下
部電極12は酸化イリジウムによって形成されており、
上部電極15も酸化イリジウムによって形成されてい
る。FIG. 1 shows the composition of a ferroelectric capacitor according to an embodiment of the present invention. On a silicon substrate 2, a silicon oxide layer 4, a lower electrode 12, a ferroelectric film (ferroelectric layer) 8, and an upper electrode 15 are provided. The lower electrode 12 is formed of iridium oxide,
The upper electrode 15 is also formed of iridium oxide.
【0039】図2に、白金とイリジウムの物性を比較し
て掲げる。この表からも明らかなように、酸化イリジウ
ムの抵抗率は、49×10-6Ωcmであって、電極材料と
して問題はない。FIG. 2 compares the physical properties of platinum and iridium. As is clear from this table, the resistivity of iridium oxide is 49 × 10 −6 Ωcm, and there is no problem as an electrode material.
【0040】従来例の図30に示すように、白金は柱状
の結晶であるため、強誘電体膜8中の酸素を透過してし
まう。この実施例では、酸化イリジウムを下部電極12
として用いている。この酸化イリジウム層12は、柱状
結晶でないため酸素を透過しにくい。したがって、強誘
電体膜8の酸素の欠乏を防ぐことができる。上部電極1
5についても同様である。これにより、強誘電体膜8の
強誘電性が向上した。この点については、後に実験デー
タとともに詳述する。As shown in FIG. 30 of the conventional example, since platinum is a columnar crystal, oxygen in the ferroelectric film 8 permeates. In this embodiment, iridium oxide is deposited on the lower electrode 12.
Used as Since this iridium oxide layer 12 is not a columnar crystal, it does not easily transmit oxygen. Therefore, the oxygen deficiency of the ferroelectric film 8 can be prevented. Upper electrode 1
The same applies to No. 5. Thereby, the ferroelectricity of the ferroelectric film 8 was improved. This point will be described later in detail together with experimental data.
【0041】なお、上記実施例では、下部電極12、上
部電極15の双方を酸化イリジウムによって形成してい
るので、酸素の透過を確実に防止することができる。し
かし、何れか一方だけでも、ある程度の効果を得ること
ができる。この点についても、後述する。In the above embodiment, since both the lower electrode 12 and the upper electrode 15 are made of iridium oxide, the permeation of oxygen can be reliably prevented. However, a certain effect can be obtained by only one of them. This point will also be described later.
【0042】上記のような強誘電体キャパシタは、たと
えば、図3に示すように、トランジスタ24と組み合わ
せて、不揮発性メモリとして用いることができる。The ferroelectric capacitor as described above can be used as a nonvolatile memory in combination with a transistor 24, for example, as shown in FIG.
【0043】図4に、この発明の一実施例による強誘電
体キャパシタの製造工程を示す。シリコン基板2の表面
を熱酸化し、酸化シリコン層4を形成する(図4A)。
ここでは、酸化シリコン層4の厚さを600nmとし
た。次に、イリジウムをターゲットとして用いて、反応
性スパッタリングにより酸化イリジウムを、酸化シリコ
ン層4の上に形成し、これを下部電極12とする(図4
B)。ここでは、200nmの厚さに形成した。FIG. 4 shows a process of manufacturing a ferroelectric capacitor according to one embodiment of the present invention. The surface of the silicon substrate 2 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 4 (FIG. 4A).
Here, the thickness of the silicon oxide layer 4 was set to 600 nm. Next, iridium oxide is formed on the silicon oxide layer 4 by reactive sputtering using iridium as a target, and this is used as the lower electrode 12 (FIG. 4).
B). Here, it was formed to a thickness of 200 nm.
【0044】次に、この下部電極12の上に、ゾルゲル
法によって、強誘電体層8としてPZT膜を形成する
(図4C)。出発原料として、Pb(CH3COO)2・3H2O,Zr(tー
OC4H9) 4、Ti(i-OC3H7)4の混合溶液を用いた。この混合溶
液をスピンコートした後、150度(摂氏、以下同じ)
で乾燥させ、ドライエアー雰囲気において400度で3
0秒の仮焼成を行った。これを5回繰り返した後、O2
雰囲気中で、700度以上の熱処理を施した。このよう
にして、250nmの強誘電体層8を形成した。なお、
ここでは、PbZrxTi1-xO3において、xを0.52として
(以下PZT(52・48)と表わす)、PZT膜を形
成している。Next, a sol-gel is placed on the lower electrode 12.
A PZT film is formed as the ferroelectric layer 8 by a method.
(FIG. 4C). As a starting material, Pb (CHThreeCOO)Two・ 3HTwoO, Zr (t ー
OCFourH9) Four, Ti (i-OCThreeH7)FourWas used. This mixed solution
After spin coating the liquid, 150 degrees (Celsius, the same applies hereinafter)
And dry at 400 degrees in a dry air atmosphere.
Preliminary baking for 0 seconds was performed. After repeating this five times,Two
A heat treatment of 700 ° C. or more was performed in an atmosphere. like this
Thus, a ferroelectric layer 8 of 250 nm was formed. In addition,
Here, PbZrxTi1-xOThreeWhere x is 0.52
(Hereinafter referred to as PZT (52 · 48)), forming a PZT film
Has formed.
【0045】さらに、強誘電体層8の上に、反応性スパ
ッタリングにより酸化イリジウムを形成し、上部電極1
5とする(図4D)。ここでは、200nmの厚さに形
成した。このようにして、強誘電体キャパシタを得るこ
とができる。Further, iridium oxide is formed on the ferroelectric layer 8 by reactive sputtering, and the upper electrode 1
5 (FIG. 4D). Here, it was formed to a thickness of 200 nm. Thus, a ferroelectric capacitor can be obtained.
【0046】図5および図6に、強誘電体膜8としてP
ZT(52/48)を用いて、強誘電体キャパシタを形
成した場合の、残留分極Prの疲労を示す。試験は、図
8のような構造で、a点とb点間に電圧を印加すること
によって行った。図7に示すような5Vと−5Vの電圧
を、上部電極15と下部電極12の間に印加して、残留
分極Prの劣化を測定した。なお、5Vと−5Vの電圧
の印加を1サイクルとした。また、電圧は、500KH
zの周波数で印加した。FIGS. 5 and 6 show that the ferroelectric film 8 is made of P
5 shows fatigue of residual polarization Pr when a ferroelectric capacitor is formed using ZT (52/48). The test was performed by applying a voltage between points a and b in the structure as shown in FIG. Voltages of 5 V and -5 V as shown in FIG. 7 were applied between the upper electrode 15 and the lower electrode 12, and the deterioration of the residual polarization Pr was measured. The application of the voltages of 5 V and -5 V was one cycle. The voltage is 500KH
Applied at a frequency of z.
【0047】図5および図6の縦軸は、最初の残留分極
をPoとし、疲労後の残留分極をPrとしたとき、Pr
/Poの値を表わしている。つまり、この値が大きいほ
ど劣化が著しいことになる。横軸は、図7の電圧を、何
サイクル繰り返して印加したかを表わしている。図中、
曲線50は、上部電極15、下部電極12ともに酸化イ
リジウムで構成した場合、曲線52は上部電極15を白
金で、下部電極12を酸化イリジウムで構成した場合、
曲線54は上部電極15を酸化イリジウムで、下部電極
12を白金で構成した場合、上部電極15、下部電極1
2ともに白金で構成した場合の特性変化である。The vertical axes in FIGS. 5 and 6 indicate that the initial remanent polarization is Po and the remanent polarization after fatigue is Pr.
/ Po value. In other words, the larger the value, the more significant the deterioration. The horizontal axis indicates how many cycles the voltage of FIG. 7 was repeatedly applied. In the figure,
Curve 50 is when the upper electrode 15 and the lower electrode 12 are both made of iridium oxide, and curve 52 is when the upper electrode 15 is made of platinum and the lower electrode 12 is made of iridium oxide.
Curve 54 shows the case where upper electrode 15 is made of iridium oxide and lower electrode 12 is made of platinum.
2 are characteristic changes when both are made of platinum.
【0048】この図からも明らかなように、上部電極1
5または下部電極12のいずれかを酸化イリジウムで構
成すると、残留分極Prの劣化がかなり改善されること
が明らかである。特に、上部電極15および下部電極1
2の双方を酸化イリジウムで構成すると、1010サイク
ルまで劣化がほとんど生じないことが明らかである。As is clear from this figure, the upper electrode 1
It is clear that the deterioration of the remanent polarization Pr is considerably improved when either the electrode 5 or the lower electrode 12 is made of iridium oxide. In particular, the upper electrode 15 and the lower electrode 1
When both of the 2 composed of iridium oxide, it is clear that degrades to 10 10 cycles hardly occurs.
【0049】ところで、酸化イリジウムは、下地層が配
向しているか否かにかかわらず配向性を有しない。この
ため、酸化イリジウムの上に形成される強誘電体膜8
も、配向しないこととなる。Incidentally, iridium oxide has no orientation regardless of whether or not the underlying layer is oriented. Therefore, the ferroelectric film 8 formed on the iridium oxide
Will not be oriented.
【0050】酸化イリジウムが下地層の配向いかんにか
かわらず、配向性をもたないことを検証するため、次の
ような試験を行った。シリコン基板2上に、直接、酸化
イリジウムを下部電極12として形成した強誘電体キャ
パシタと、酸化シリコン層4上に酸化イリジウムを下部
電極12として形成した強誘電体キャパシタとの特性の
比較を行った。図9に、そのヒステリシス特性を示す。
図9Aが、酸化シリコン層4上に下部電極12を形成し
た場合であり、図3Bがシリコン基板2上に、直接、酸
化イリジウムを下部電極12として形成した場合であ
る。このグラフから明らかなように、酸化イリジウムの
下地層が、シリコンであるか酸化シリコンであるかにか
かわらず、強誘電体膜8の特性が同じであることが示さ
れている。これは、酸化イリジウムが、下地層が配向し
ているか否かにかかわらず、配向性を持たないためであ
ると思われる。The following test was conducted to verify that iridium oxide does not have orientation regardless of the orientation of the underlayer. A comparison was made between the characteristics of a ferroelectric capacitor in which iridium oxide was formed directly as the lower electrode 12 on the silicon substrate 2 and a ferroelectric capacitor in which iridium oxide was formed as the lower electrode 12 on the silicon oxide layer 4. . FIG. 9 shows the hysteresis characteristics.
FIG. 9A shows a case where the lower electrode 12 is formed on the silicon oxide layer 4, and FIG. 3B shows a case where iridium oxide is formed as the lower electrode 12 directly on the silicon substrate 2. As is clear from this graph, the characteristics of the ferroelectric film 8 are the same regardless of whether the underlying layer of iridium oxide is silicon or silicon oxide. This is presumably because iridium oxide does not have orientation regardless of whether the underlying layer is oriented.
【0051】下部電極12の酸化イリジウム層が配向し
ていないと、その上に形成される強誘電体膜8の配向性
も悪くなる。したがって、酸化イリジウム層を用いつ
つ、強誘電体層8の配向性を向上させれば、さらに残留
分極Prの疲労特性が向上する。If the iridium oxide layer of the lower electrode 12 is not oriented, the orientation of the ferroelectric film 8 formed thereon is also deteriorated. Therefore, if the orientation of the ferroelectric layer 8 is improved while using the iridium oxide layer, the fatigue characteristics of the remanent polarization Pr are further improved.
【0052】これのためには、酸化イリジウム層の上に
白金層を形成して下部電極12を構成すればよい。この
ようにした場合の、特性の変化を図10Aに示す。この
グラフは、縦軸が分極の大きさを表わしており、横軸が
図6と同じ電圧の印加サイクルを表わしている。また、
このグラフでは、図10Bに示すヒステリシス特性の特
徴量Pr、Pmax、P、Nの変化を示している。グラ
フから明らかなように、酸化イリジウム層の上に白金層
を設けることにより、特性の劣化がさらに改善されてい
る。つまり、1011サイクルまで、劣化がほとんど生じ
ていない。For this purpose, the lower electrode 12 may be formed by forming a platinum layer on the iridium oxide layer. FIG. 10A shows a change in characteristics in such a case. In this graph, the vertical axis represents the magnitude of polarization, and the horizontal axis represents the same voltage application cycle as in FIG. Also,
This graph shows changes in the characteristic amounts Pr, Pmax, P, and N of the hysteresis characteristic shown in FIG. 10B. As is clear from the graph, the deterioration of characteristics is further improved by providing the platinum layer on the iridium oxide layer. In other words, deterioration hardly occurred until 10 11 cycles.
【0053】なお、白金層に代えて、イリジウム層や白
金とイリジウムの合金等の、配向性の良い導電体層を設
けてもよい(後述のように、図27の構造のものを用い
てもよい)。特に、白金とイリジウムの合金は、配合比
を変えることで格子定数を選択することができ、強誘電
体層との格子定数のマッチングをとりやすい。Note that, instead of the platinum layer, an iridium layer or a conductor layer having good orientation such as an alloy of platinum and iridium may be provided. Good). In particular, for an alloy of platinum and iridium, the lattice constant can be selected by changing the compounding ratio, and it is easy to match the lattice constant with the ferroelectric layer.
【0054】図11に、強誘電体層8としてPZT(5
2/48)を用い、下部電極12としてPtxIr1-xを用い
て、白金とイリジウムの組成比xを変化させた場合の、
残留分極Prと抗電界Ecの変化をグラフで示す。この
図からも明らかなように、下部電極12として、白金の
みを用いた場合(x=1.0の場合)に比べて、イリジ
ウムとの合金を用いた場合の方が、残留分極Prが高い
値を示すことが明らかである。すなわち、強誘電性が向
上しているといえる。白金0%〜50%の範囲において
顕著な特性の改善が得られており、特に白金25%程度
をピークとして、20%〜30%の混合比において、極
めて優れた特性が得られている。したがって、酸化イリ
ジウム層の上に上記合金を形成すれば、優れた特性の強
誘電体膜8を得ることができる。FIG. 11 shows that the PZT (5
2/48), using Pt x Ir 1-x as the lower electrode 12 and changing the composition ratio x of platinum and iridium.
Changes in the remanent polarization Pr and the coercive electric field Ec are shown in a graph. As is clear from this figure, the remanent polarization Pr is higher when the alloy with iridium is used than when only the platinum is used as the lower electrode 12 (x = 1.0). It is clear that the value is shown. That is, it can be said that ferroelectricity is improved. A remarkable improvement in characteristics is obtained in the range of platinum from 0% to 50%, and particularly excellent characteristics are obtained at a mixing ratio of 20% to 30% with a peak of about 25% platinum. Therefore, if the above alloy is formed on the iridium oxide layer, the ferroelectric film 8 having excellent characteristics can be obtained.
【0055】なお、酸化イリジウム層の上に導電層を形
成して電極として用いる場合においても、図5、図6の
場合と同様に、上下双方の電極15、12に酸化イリジ
ウム層を有するように形成するのが好ましい。In the case where a conductive layer is formed on the iridium oxide layer and used as an electrode, the upper and lower electrodes 15 and 12 may be provided with the iridium oxide layer in the same manner as in FIGS. Preferably, it is formed.
【0056】図12、図13に、上部電極15に酸化イ
リジウム層とイリジウム層を用いた場合のヒステリシス
特性(図12A、図13A)と、上部電極15にイリジ
ウム層のみを用いた場合のヒステリシス特性(図12
B、図13B)を示す。なお、下部電極は、両方の場合
ともに、酸化イリジウム層とイリジウム層によって形成
した。初期特性(図12A、図12B)は双方とも変わ
らないが、108回(サイクル)にわたってパルスを印
加した後の特性(図13A、図13B)は、明らかに、
上部電極15にも酸化イリジウム層とイリジウム層を用
いた場合の方が優れている。これも、やはり、酸化イリ
ジウム層による酸素の抜け出しの防止による効果である
と思われる。FIGS. 12 and 13 show hysteresis characteristics when an iridium oxide layer and an iridium layer are used for the upper electrode 15 (FIGS. 12A and 13A), and hysteresis characteristics when only the iridium layer is used for the upper electrode 15. (FIG. 12
B, FIG. 13B). The lower electrode was formed of an iridium oxide layer and an iridium layer in both cases. Although the initial characteristics (FIGS. 12A and 12B) do not change, the characteristics (FIGS. 13A and 13B) after applying the pulse for 108 times (cycles) are clearly
It is better to use an iridium oxide layer and an iridium layer also for the upper electrode 15. This is also considered to be the effect of preventing the escape of oxygen by the iridium oxide layer.
【0057】なお、酸化イリジウム層の上に、白金を設
けた場合と、イリジウムを設けた場合とでは、上記のよ
うな残留分極Pr、抗電界Ecの経年変化特性に違いは
なかった。しかしながら、強誘電体層8に一定方向のパ
ルスを連続的に印加したり、一定方向の分極状態のまま
長時間保持すると分極特性がかたよってしまうインプリ
ント特性において差が生じた。It should be noted that there was no difference in the aging characteristics of the residual polarization Pr and the coercive electric field Ec between the case where platinum was provided on the iridium oxide layer and the case where iridium was provided. However, when a pulse in a fixed direction is continuously applied to the ferroelectric layer 8 or the polarization state in the fixed direction is maintained for a long time, a difference occurs in the imprint characteristic in which the polarization characteristic is destabilized.
【0058】図14に、酸化イリジウム層の上に白金を
設けて下部電極12を形成した場合の、強誘電体キャパ
シタの特性を示す。このグラフは、分極状態にある強誘
電体キャパシタ(強誘電体膜8)に、分極方向とは異な
る電圧を印加した場合(図15Aに示す反転モード)
と、分極方向と同じ電圧を印加した場合(図15Bに示
す非反転モード)の電流(単位面積当りの電流)の時間
的変化を示したものである。反転モードとなった場合の
ほうが大きな電流が流れることがわかる。FIG. 14 shows the characteristics of the ferroelectric capacitor when platinum is provided on the iridium oxide layer to form the lower electrode 12. This graph shows a case where a voltage different from the polarization direction is applied to a ferroelectric capacitor (ferroelectric film 8) in a polarized state (inversion mode shown in FIG. 15A).
15 shows the temporal change of the current (current per unit area) when the same voltage as the polarization direction is applied (non-inversion mode shown in FIG. 15B). It can be seen that a larger current flows in the inversion mode.
【0059】この特性は、強誘電体キャパシタをメモリ
として用いたときに利用される。つまり、電圧を印加し
たときの電流の積分値をしきい値と比べて大小を判断
し、記録されていた情報を読み出すのに用いられる。し
たがって、使用期間の経過とともに、反転モードQPの
場合の電流積分値が減少したり(つまり、しきい値に近
づく)、非反転モードの場合の電流積分値が増加したり
(つまり、しきい値に近づく)すると、誤読み出しを生
じるおそれがある。This characteristic is used when a ferroelectric capacitor is used as a memory. That is, the integrated value of the current when the voltage is applied is compared with the threshold value to determine the magnitude, and is used to read the recorded information. Therefore, as the usage period elapses, the current integral value in the case of the inversion mode QP decreases (ie, approaches the threshold value), or the current integral value in the non-inversion mode increases (ie, the threshold value increases) ), Erroneous reading may occur.
【0060】図16に、強誘電体膜8(上部電極15、
下部電極12ともに、酸化イリジウム層の上に白金を設
けて形成した場合)に、同方向のパルスを3×109回
印加した後の、反転、非反転モードにおける電流を示
す。この実験結果からも明らかなように、反転モードQ
P+の際の電流積分値が減少し、ほとんど、最初の非反転
モードQU-の積分値に等しくなるところまで近づいてい
る。FIG. 16 shows the ferroelectric film 8 (the upper electrode 15,
The current in the inversion and non-inversion modes after applying a pulse in the same direction 3 × 10 9 times when the lower electrode 12 is formed by providing platinum on the iridium oxide layer). As is clear from the experimental results, the inversion mode Q
The integrated value of the current at the time of P + decreases and almost approaches the integrated value of the first non-inverting mode QU-.
【0061】図17に、上記の場合の電流積分値の変化
を示す。横軸はパルスの印加サイクル(回数)であり、
縦軸は電流積分値である。グラフからもわかるように、
10 4回を越えたあたりから、電流積分値が大きく変化
しているのがわかる。FIG. 17 shows the change in the current integrated value in the above case.
Is shown. The horizontal axis is the pulse application cycle (number),
The vertical axis is the current integrated value. As you can see from the graph,
10 FourThe current integrated value changes greatly from around
You can see that it is doing.
【0062】図18に、上部電極15、下部電極12と
もに、酸化イリジウム層の上にイリジウム層を設けて形
成した場合の、強誘電体膜8の電流積分値の変化を示
す。グラフからも明らかなように、電流積分値がほとん
ど変化せず、良好な特性が選られている。つまり、上記
のようなインプリント特性に関して、酸化イリジウムの
上に白金を形成した電極よりも、酸化イリジウムの上に
イリジウムを形成した電極の方が優れていることが明ら
かとなった。FIG. 18 shows the change in the current integral of the ferroelectric film 8 when both the upper electrode 15 and the lower electrode 12 are formed by providing an iridium layer on the iridium oxide layer. As is clear from the graph, the current integral value hardly changed, and good characteristics were selected. That is, with respect to the above imprint characteristics, it was clarified that the electrode formed with iridium on iridium oxide was superior to the electrode formed with platinum on iridium oxide.
【0063】図19に、上記の実験に用いた強誘電体キ
ャパシタの各層における元素の含有量を分析した結果を
示す。図19Aが酸化イリジウムの上に白金を形成した
場合であり、図19Bが酸化イリジウムの上にイリジウ
ムを形成した場合である。横軸は上部電極の表面からの
深さを示し、縦軸は各元素の含有量を示している。FIG. 19 shows the result of analyzing the content of elements in each layer of the ferroelectric capacitor used in the above experiment. FIG. 19A shows a case where platinum is formed on iridium oxide, and FIG. 19B shows a case where iridium is formed on iridium oxide. The horizontal axis shows the depth from the surface of the upper electrode, and the vertical axis shows the content of each element.
【0064】このグラフから明らかなことは、図19A
の場合には、強誘電体層8中の鉛(Pb)成分が、下部
電極の白金(Pt)のところまで浸透していることであ
る。これに対し、図19Bの場合には、強誘電体中8の
鉛(Pb)成分は、ほとんど下部電極のほうに浸透して
いない。これが、上記のような、インプリント特性に影
響を与えているものと思われる。It is clear from this graph that FIG.
In the case of (1), the lead (Pb) component in the ferroelectric layer 8 has penetrated to the platinum (Pt) of the lower electrode. On the other hand, in the case of FIG. 19B, the lead (Pb) component of 8 in the ferroelectric hardly permeates the lower electrode. This seems to affect the imprint characteristics as described above.
【0065】図20に、この発明の他の実施例による強
誘電体キャパシタの構造を示す。この実施例では、下部
電極12と酸化シリコン層4との間に、チタン層(5n
m)を接合層30として設けている。一般に、酸化イリ
ジウムと酸化シリコンとの密着性はあまり良くない。こ
のため、部分的に合金層がはがれ、強誘電特性を劣化さ
せるおそれがある。特に、合金中のイリジウムの比率が
高くなるほど、このことが顕著となる。そこで、この実
施例では、酸化シリコン層4と密着性のよいチタン層を
接合層30として設けている。これにより、強誘電特性
を改善している。なお、チタン層は、スパッタリングに
よって形成すればよい。FIG. 20 shows the structure of a ferroelectric capacitor according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a titanium layer (5n) is provided between the lower electrode 12 and the silicon oxide layer 4.
m) is provided as the bonding layer 30. Generally, the adhesion between iridium oxide and silicon oxide is not very good. For this reason, the alloy layer may be partially peeled off, and the ferroelectric properties may be degraded. This is particularly noticeable as the ratio of iridium in the alloy increases. Therefore, in this embodiment, a titanium layer having good adhesion to the silicon oxide layer 4 is provided as the bonding layer 30. Thereby, the ferroelectric characteristics are improved. Note that the titanium layer may be formed by sputtering.
【0066】なお、上記実施例では、接合層30として
チタン層を用いたが、接合性を改善する材料であれば、
どのようなものでもよい。例えば、白金層を用いてもよ
い。In the above embodiment, a titanium layer was used as the bonding layer 30. However, any material that can improve the bonding property may be used.
Anything is fine. For example, a platinum layer may be used.
【0067】上記各実施例では、強誘電体膜8としてP
ZTを用いているが、酸化物強誘電体であれば、どのよ
うなものを用いてもよい。たとえば、Ba4Ti3O12を用い
てもよい。In each of the above embodiments, the ferroelectric film 8 is made of P
Although ZT is used, any oxide ferroelectric may be used. For example, Ba 4 Ti 3 O 12 may be used.
【0068】この発明の他の実施例によるキャパシタを
図21に示す。この実施例では、強誘電体層8に代え
て、高誘電率を有する誘電体層90を用いている。酸化
シリコン層4の上に、酸化イリジウムの下部電極12を
設け、その上にSrTiO3,(Sr,Ba)TiO3のペロブスカイト構
造を有する高誘電率薄膜を誘電体層90として形成し
た。この場合も、強誘電体の場合と同様、誘電性の改善
が図られた。つまり、強誘電体層について述べたこと
が、高誘電率を有する誘電体層にも適用できることが明
らかとなった。FIG. 21 shows a capacitor according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a dielectric layer 90 having a high dielectric constant is used instead of the ferroelectric layer 8. A lower electrode 12 of iridium oxide was provided on the silicon oxide layer 4, and a high dielectric constant thin film having a perovskite structure of SrTiO 3 and (Sr, Ba) TiO 3 was formed thereon as the dielectric layer 90. In this case, as in the case of the ferroelectric, the dielectric property was improved. That is, it has been clarified that what has been described about the ferroelectric layer can be applied to a dielectric layer having a high dielectric constant.
【0069】図22に、この発明の他の実施例による強
誘電体キャパシタの構造を示す。シリコン基板2の上
に、酸化シリコン層4、下部電極12、強誘電体膜(強
誘電体層)8、上部電極15が設けられている。下部電
極12は、イリジウム層11とその上に形成された酸化
イリジウム層によって形成されている。また、上部電極
15は、イリジウム層7とその上に形成された酸化イリ
ジウム層9によって形成されている。FIG. 22 shows a structure of a ferroelectric capacitor according to another embodiment of the present invention. On a silicon substrate 2, a silicon oxide layer 4, a lower electrode 12, a ferroelectric film (ferroelectric layer) 8, and an upper electrode 15 are provided. The lower electrode 12 is formed by the iridium layer 11 and the iridium oxide layer formed thereon. The upper electrode 15 is formed by the iridium layer 7 and the iridium oxide layer 9 formed thereon.
【0070】下部電極12近傍の拡大図を、図23に示
す。イリジウム層11は、柱状の結晶であるため、強誘
電体膜8中の酸素を透過してしまう。この実施例では、
イリジウム層11の上部表面に酸化イリジウム層13を
形成している。前述のように、この酸化イリジウム層1
3によって強誘電体膜8の酸素の欠乏を防ぐことができ
る。上部電極15についても同様である。FIG. 23 is an enlarged view showing the vicinity of the lower electrode 12. Since the iridium layer 11 is a columnar crystal, oxygen in the ferroelectric film 8 permeates. In this example,
An iridium oxide layer 13 is formed on the upper surface of the iridium layer 11. As described above, this iridium oxide layer 1
3, the oxygen deficiency of the ferroelectric film 8 can be prevented. The same applies to the upper electrode 15.
【0071】上記実施例では、下部電極12、上部電極
15の双方に酸化イリジウム層を形成しているので、経
年変化の少ない優れた特性の強誘電体キャパシタを得る
ことができる。なお、下部電極12、上部電極15の何
れか一方を、上記の構造にしても、ある程度の効果は得
られる。この点についても、後述する。In the above embodiment, since the iridium oxide layer is formed on both the lower electrode 12 and the upper electrode 15, a ferroelectric capacitor having excellent characteristics with little aging can be obtained. Note that some effects can be obtained even if one of the lower electrode 12 and the upper electrode 15 has the above-described structure. This point will also be described later.
【0072】図24に、この強誘電体キャパシタの製造
工程を示す。シリコン基板2の表面を熱酸化し、酸化シ
リコン層4を形成する(図24A)。ここでは、酸化シ
リコン層4の厚さを600nmとした。次に、イリジウ
ムをターゲットとして用いて、イリジウム層11を、酸
化シリコン層4の上に形成する(図24B)。次に、O
2雰囲気中で800度、1分の熱処理を行い、イリジウ
ム層11の表面に酸化イリジウム層13を形成する。こ
のイリジウム層11と酸化イリジウム層13を、下部電
極12とする。ここでは、下部電極を、200nmの厚
さに形成した。FIG. 24 shows a manufacturing process of this ferroelectric capacitor. The surface of the silicon substrate 2 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 4 (FIG. 24A). Here, the thickness of the silicon oxide layer 4 was set to 600 nm. Next, using iridium as a target, an iridium layer 11 is formed on the silicon oxide layer 4 (FIG. 24B). Next, O
Heat treatment is performed at 800 ° C. for 1 minute in two atmospheres to form an iridium oxide layer 13 on the surface of the iridium layer 11. The iridium layer 11 and the iridium oxide layer 13 are used as the lower electrode 12. Here, the lower electrode was formed to a thickness of 200 nm.
【0073】次に、この下部電極12の上に、ゾルゲル
法によって、強誘電体層8としてPZT膜を形成する
(図24C)。出発原料として、Pb(CH3COO)2・3H2O,Zr
(tーOC4H 9)4、Ti(i-OC3H7)4の混合溶液を用いた。この混
合溶液をスピンコートした後、150度(摂氏、以下同
じ)で乾燥させ、ドライエアー雰囲気において400度
で30秒の仮焼成を行った。これを5回繰り返した後、
O2雰囲気中で、700度以上の熱処理を施した。この
ようにして、250nmの強誘電体層8を形成した。な
お、ここでは、PbZrXTi1-XO3において、xを0.52と
して(以下PZT(52・48)と表わす)、PZT膜
を形成している。Next, a sol-gel is placed on the lower electrode 12.
A PZT film is formed as the ferroelectric layer 8 by a method.
(FIG. 24C). As a starting material, Pb (CHThreeCOO)Two・ 3HTwoO, Zr
(t-OCFourH 9)Four, Ti (i-OCThreeH7)FourWas used. This mix
After spin-coating the mixed solution, 150 degrees Celsius
And dry at 400 degrees in a dry air atmosphere.
For 30 seconds. After repeating this five times,
OTwoA heat treatment of 700 ° C. or more was performed in an atmosphere. this
Thus, the ferroelectric layer 8 having a thickness of 250 nm was formed. What
Oh, here, PbZrXTi1-XOThreeIn x, 0.52
(Hereinafter referred to as PZT (52 · 48)), and the PZT film
Is formed.
【0074】さらに、強誘電体層8の上に、スパッタリ
ングによりイリジウム層7を形成する。次に、O2雰囲
気中で800度、1分の熱処理を行い、イリジウム層7
の表面に酸化イリジウム層9を形成する(図24D)。
このイリジウム層7と酸化イリジウム層9を、上部電極
15とする。ここでは、上部電極15を、200nmの
厚さに形成した。このようにして、強誘電体キャパシタ
を得ることができる。Further, the iridium layer 7 is formed on the ferroelectric layer 8 by sputtering. Next, a heat treatment is performed at 800 ° C. for 1 minute in an O 2 atmosphere to obtain an iridium layer 7.
An iridium oxide layer 9 is formed on the surface of (FIG. 24D).
The iridium layer 7 and the iridium oxide layer 9 are used as the upper electrode 15. Here, the upper electrode 15 was formed to a thickness of 200 nm. Thus, a ferroelectric capacitor can be obtained.
【0075】図25、図26に、このようにして得られ
た強誘電体キャパシタの残留分極Prの疲労特性を示
す。このグラフの測定は、図5、図6と同様の方法によ
って行った。FIGS. 25 and 26 show the fatigue characteristics of the remanent polarization Pr of the ferroelectric capacitor thus obtained. The measurement of this graph was performed by the same method as in FIGS.
【0076】図25、図26の縦軸は、最初の残留分極
をPoとし、疲労後の残留分極をPrとしたとき、Pr
/Poの値を表わしている。横軸は、図7の電圧を、何
サイクル繰り返して印加したかを表わしている。図中、
曲線αは、下部電極12のみを、上記実施例のように製
造した場合である。ここでは、酸化シリコン層4を60
0nmとし、下部電極12(イリジウム層11の表面を
酸化したもの)を200nmとし、強誘電体膜8(PZ
T(52/48))を250nmとし、上部電極を白金
で構成した。曲線βは、下部電極12のイリジウム層の
表面を酸化しなかった場合である(他の条件は曲線αと
同じ)。また、曲線γは、下部電極12を白金によって
形成した場合である(他の条件は曲線αと同じ)。The vertical axes of FIGS. 25 and 26 indicate that the initial remanent polarization is Po and the remanent polarization after fatigue is Pr.
/ Po value. The horizontal axis indicates how many cycles the voltage of FIG. 7 was repeatedly applied. In the figure,
The curve α is a case where only the lower electrode 12 is manufactured as in the above embodiment. Here, the silicon oxide layer 4 is
0 nm, the lower electrode 12 (the oxidized surface of the iridium layer 11) was 200 nm, and the ferroelectric film 8 (PZ
T (52/48)) was 250 nm, and the upper electrode was made of platinum. A curve β is a case where the surface of the iridium layer of the lower electrode 12 is not oxidized (other conditions are the same as the curve α). A curve γ is a case where the lower electrode 12 is formed of platinum (other conditions are the same as the curve α).
【0077】この図からも明らかなように、イリジウム
層11の表面を酸化して酸化イリジウム層13を形成し
た場合には、残留分極Prの劣化はかなり改善されてい
る。なお、白金(曲線γ)に比べて、イリジウム(酸化
しない場合)(曲線β)の方が優れているのは、特別に
酸化処理をしなくとも、他の工程等でイリジウムが酸化
されるためであると考えられる。As is apparent from this figure, when the surface of the iridium layer 11 is oxidized to form the iridium oxide layer 13, the deterioration of the remanent polarization Pr is considerably improved. The reason that iridium (when not oxidized) (curve β) is superior to platinum (curve γ) is that iridium is oxidized in other steps without special oxidation treatment. It is considered to be.
【0078】なお、この実施例についても、図20で説
明したような接合層30を設けることが好ましい。In this embodiment, it is preferable to provide the bonding layer 30 as described with reference to FIG.
【0079】また、ここで説明したイリジウムの表面を
酸化するという実施例は、強誘電体膜だけでなく前述の
高誘電率を有する誘電体膜にも適用でき、同様の効果を
得ることができる。The embodiment of oxidizing the surface of iridium described here can be applied not only to the ferroelectric film but also to the above-mentioned dielectric film having a high dielectric constant, and the same effect can be obtained. .
【0080】上記のように、イリジウム層の表面を酸化
することにより強誘電体膜の酸素の抜け出しを防止でき
るが、表面に酸化イリジウムが形成されて、強誘電体膜
の配向性が悪くなる。これは、既に述べたように、酸化
イリジウム層13の上に、イリジウム層、白金層、これ
らの合金層等を設けることにより解決できる(図10参
照)。しかし、次のようにして、下部電極を形成しても
解決できる。As described above, by oxidizing the surface of the iridium layer, the escape of oxygen from the ferroelectric film can be prevented. However, iridium oxide is formed on the surface, and the orientation of the ferroelectric film deteriorates. As described above, this can be solved by providing an iridium layer, a platinum layer, an alloy layer thereof, or the like on the iridium oxide layer 13 (see FIG. 10). However, the problem can be solved also by forming the lower electrode as follows.
【0081】まず、図27に示すように、イリジウム層
11の上に白金層80(薄膜導電体)をごく薄く設け
る。ここでは、30nmとした。次に、この状態で熱処
理を行う。表面の白金層80は酸素と反応しないので、
酸化されない。また、白金層80は、薄く形成されてい
るので、その下のイリジウム層11の結晶間が酸化さ
れ、酸化イリジウムが形成されて酸素の透過を防ぐ。し
たがって、表面は配向性に優れたままでありながら、酸
素の透過を防ぐことのできる下部電極12を形成するこ
とができる。なお、薄膜導電体としては、配向性が良
く、酸化しにくい導電体であれば、どのようなものを使
用してもよい。First, as shown in FIG. 27, a very thin platinum layer 80 (thin film conductor) is provided on the iridium layer 11. Here, the thickness was 30 nm. Next, heat treatment is performed in this state. Since the platinum layer 80 on the surface does not react with oxygen,
Not oxidized. Further, since the platinum layer 80 is formed thin, the space between the crystals of the iridium layer 11 thereunder is oxidized, and iridium oxide is formed to prevent the permeation of oxygen. Therefore, it is possible to form the lower electrode 12 that can prevent the transmission of oxygen while maintaining the surface with excellent orientation. As the thin film conductor, any conductor may be used as long as it has good orientation and is hardly oxidized.
【0082】なお、このような薄膜白金層80を形成し
たのち酸化したイリジウム層11は、単独で下部電極1
2として使用できる。しかし、スパッタリングで形成し
た酸化イリジウム層の上に配向性の良い導電層(イリジ
ウム層、白金層等)を設けて配向性を改善した実施例
(図10参照)においての、配向性の良い導電層として
用いることもできる。The iridium layer 11 oxidized after forming such a thin-film platinum layer 80 can be used alone as the lower electrode 1
2 can be used. However, in the embodiment (see FIG. 10) in which a conductive layer with good orientation (such as an iridium layer or a platinum layer) is provided on the iridium oxide layer formed by sputtering to improve the orientation, the conductive layer with good orientation is used. Can also be used.
【0083】図28Bに、酸化イリジウム(50nm)
の上に、図27の構造のイリジウム層(200nm)お
よび白金層(30nm)を設けて酸化処理したものを下
部電極12とした場合の、強誘電体8のヒステリシス特
性を示す。また、図28Aに、酸化イリジウム層(50
nm)の上にイリジウム層(200nm)を設けて酸化
処理した場合の、強誘電体8のヒステリシス特性を示
す。図から明らかなように、図27の構造のものを用い
た場合のほうが、ヒステリシス特性が優れている。FIG. 28B shows iridium oxide (50 nm).
27 shows the hysteresis characteristics of the ferroelectric 8 when the lower electrode 12 is provided with an iridium layer (200 nm) and a platinum layer (30 nm) having the structure shown in FIG. FIG. 28A shows an iridium oxide layer (50
9 shows a hysteresis characteristic of the ferroelectric 8 when an iridium layer (200 nm) is provided on the upper surface of the ferroelectric material 8 and oxidized. As is clear from the drawing, the case of using the structure of FIG. 27 has better hysteresis characteristics.
【0084】また、ここで説明した実施例は、強誘電体
膜だけでなく前述の高誘電率を有する誘電体膜にも適用
でき、同様の効果を得ることができる。The embodiment described here can be applied not only to the ferroelectric film but also to the above-mentioned dielectric film having a high dielectric constant, and the same effect can be obtained.
【図1】この発明の一実施例による強誘電体キャパシタ
の構図を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a composition of a ferroelectric capacitor according to one embodiment of the present invention.
【図2】白金とイリジウムの物性を表わす図である。FIG. 2 is a diagram showing physical properties of platinum and iridium.
【図3】強誘電体キャパシタ22を用いた不揮発性メモ
リを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a nonvolatile memory using a ferroelectric capacitor 22.
【図4】強誘電体キャパシタの製造工程を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the ferroelectric capacitor.
【図5】電極材料を変えた場合の残留分極の経年変化を
示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the secular change of remanent polarization when the electrode material is changed.
【図6】電極材料を変えた場合の残留分極の経年変化を
示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the secular change of remanent polarization when the electrode material is changed.
【図7】疲労試験を行う際に、印加した電圧を示す図で
ある。FIG. 7 is a diagram showing voltages applied when performing a fatigue test.
【図8】疲労試験のための構造を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a structure for a fatigue test.
【図9】酸化イリジウムが下地層の影響を受けないこと
を検証した結果を表わすグラフである。FIG. 9 is a graph showing a result of verifying that iridium oxide is not affected by an underlayer.
【図10】酸化イリジウムの上に白金を設けた場合の残
留分極Prの変化を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a change in residual polarization Pr when platinum is provided on iridium oxide.
【図11】白金とイリジウムの合金の混合比を変えた場
合の残留分極Prと抗電界Ecの変化を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing changes in remanent polarization Pr and coercive electric field Ec when the mixing ratio of an alloy of platinum and iridium is changed.
【図12】下部電極と上部電極の双方に酸化イリジウム
層を設けた場合と、下部電極のみに設けた場合とを比較
するグラフである。FIG. 12 is a graph comparing the case where an iridium oxide layer is provided on both the lower electrode and the upper electrode with the case where only the lower electrode is provided.
【図13】下部電極と上部電極の双方に酸化イリジウム
層を設けた場合と、下部電極のみに設けた場合とを比較
するグラフである。FIG. 13 is a graph comparing the case where an iridium oxide layer is provided on both the lower electrode and the upper electrode with the case where only the lower electrode is provided.
【図14】強誘電体に電圧を印加した場合に生じる電流
の時間的変化を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing a temporal change of a current generated when a voltage is applied to a ferroelectric.
【図15】図14のグラフにおいて、電圧の印加方向を
示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a voltage application direction in the graph of FIG. 14;
【図16】インプリント特性によって図14の特性が変
化した状態を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing a state in which the characteristics of FIG. 14 have changed due to imprint characteristics.
【図17】インプリント特性を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing imprint characteristics.
【図18】インプリント特性を示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing imprint characteristics.
【図19】インプリント特性に差が生じることの原因を
説明するための図である。FIG. 19 is a diagram for explaining a cause of a difference in imprint characteristics.
【図20】接合層30を設けた実施例を示す図である。FIG. 20 is a view showing an embodiment in which a bonding layer 30 is provided.
【図21】高誘電率を有する誘電体90を用いた場合の
実施例を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing an example in which a dielectric 90 having a high dielectric constant is used.
【図22】他の実施例による強誘電体キャパシタの構造
を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing a structure of a ferroelectric capacitor according to another embodiment.
【図23】酸化イリジウム層が酸素の抜け出しを防止す
るメカニズムを示す図である。FIG. 23 is a diagram showing a mechanism for preventing escape of oxygen by an iridium oxide layer.
【図24】図22の強誘電体キャパシタの製造工程を示
す図である。FIG. 24 is a diagram illustrating a manufacturing process of the ferroelectric capacitor of FIG. 22;
【図25】残留分極の経年変化を比較して示す図であ
る。FIG. 25 is a diagram showing a change in remanent polarization over time.
【図26】残留分極の経年変化を比較して示す図であ
る。FIG. 26 is a diagram showing a comparison of aging of remanent polarization.
【図27】イリジウムの表面に薄膜白金を設けて酸化を
行う実施例を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing an embodiment in which thin-film platinum is provided on the surface of iridium to perform oxidation.
【図28】図27の電極を用いた場合の効果を比較して
示すグラフである。FIG. 28 is a graph showing a comparison of effects obtained when the electrode shown in FIG. 27 is used.
【図29】従来の強誘電体キャパシタの構造を示す図で
ある。FIG. 29 is a diagram showing a structure of a conventional ferroelectric capacitor.
【図30】白金による下部電極6から酸素が抜け出す状
態を示す図である。FIG. 30 is a diagram showing a state in which oxygen escapes from a lower electrode 6 made of platinum.
2...シリコン基板 4...酸化シリコン層 8...強誘電体層 12...下部電極 15...上部電極 90...高誘電率を有する誘電体層 2. . . Silicon substrate 4. . . 7. silicon oxide layer . . Ferroelectric layer 12. . . Lower electrode 15. . . Upper electrode 90. . . Dielectric layer having high dielectric constant
Claims (4)
形成され、少なくとも酸化イリジウム層とその上に形成
されたイリジウム層とを有する下部電極と、下部電極の
上に形成され、強誘電体または高誘電率を有する誘電体
によって構成される誘電体層と、誘電体層の上に形成さ
れた上部電極と、を備えた誘電体キャパシタ。A lower electrode formed on an insulated surface of the substrate and having at least an iridium oxide layer and an iridium layer formed thereon; a lower electrode formed on the lower electrode; A dielectric capacitor comprising: a dielectric layer made of a dielectric or a dielectric having a high dielectric constant; and an upper electrode formed on the dielectric layer.
に形成されたイリジウム層およびその上に形成された酸
化イリジウム層によって構成された下部電極と、前記下
部電極上に形成され、強誘電体または高誘電率を有する
誘電体によって構成される誘電体層と、誘電体層上に形
成された上部電極と、を備えた誘電体キャパシタ。2. A lower electrode comprising a substrate, an iridium layer formed on a surface insulated on the substrate and an iridium oxide layer formed thereon, and a lower electrode formed on the lower electrode. A dielectric capacitor comprising: a dielectric layer made of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant; and an upper electrode formed on the dielectric layer.
に形成された柱状結晶からなるイリジウム層と、前記イ
リジウム層の酸化により、前記柱状結晶上に形成された
酸化イリジウム層とで構成された下部電極と、前記下部
電極上に形成され、強誘電体または高誘電率を有する誘
電体によって構成される誘電体層と、誘電体層上に形成
された上部電極と、を備えた誘電体キャパシタ。3. A substrate, an iridium layer made of columnar crystals formed on a surface insulated on the substrate, and an iridium oxide layer formed on the columnar crystals by oxidizing the iridium layer. Comprising a lower electrode configured, a dielectric layer formed on the lower electrode and formed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and an upper electrode formed on the dielectric layer Dielectric capacitor.
電体または高誘電率を有する誘電体によって構成される
誘電体層、前記誘電体層の上に形成され、柱状結晶から
なるイリジウム層と、前記イリジウム層の酸化により、
前記柱状結晶間に形成された酸化イリジウム層とで構成
された上部電極を備えた誘電体キャパシタ。4. A lower electrode, a dielectric layer formed on the lower electrode and formed of a ferroelectric or a dielectric having a high dielectric constant, and iridium formed on the dielectric layer and formed of columnar crystals. Layer, by oxidation of the iridium layer,
A dielectric capacitor comprising an upper electrode composed of the iridium oxide layer formed between the columnar crystals.
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