(57)【要約】【課題】  Ｉｒ−Ｒｕ合金電極及びこれを下部電極として使用した強誘電体キャパシタを提供する。【解決手段】  下部電極、下部電極上に形成された強誘電体層、及び強誘電体層上に形成された上部電極を備える強誘電体キャパシタである。下部電極は、常温でＩｒ及びＲｕが多相合金である形態であり、好ましくは、Ｉｒ：Ｒｕ組成比（ａｔ％比）が７０：３０ないし３０：７０の範囲であるＩｒ−Ｒｕ多相合金を備える強誘電体キャパシタを提供し、強誘電体層の表面粗度を減少させ、キャパシタの疲労特性及び漏れ電流特性を向上させうる。【選択図】図２
2006041536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属電極において、
前記金属電極は、Ｉｒ及びＲｕを含むＩｒ−Ｒｕ多相合金を備えることを特徴とするＩｒ−Ｒｕ合金電極。
【請求項２】
Ｉｒ：Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が７０：３０ないし３０：７０の範囲であるＩｒ−Ｒｕ多相合金を備えることを特徴とする請求項１に記載のＩｒ−Ｒｕ合金電極。
【請求項３】
Ｉｒ：Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が６５：３５ないし４５：５５の範囲であるＩｒ−Ｒｕ多相合金を備えることを特徴とする請求項１に記載のＩｒ−Ｒｕ合金電極。
【請求項４】
Ｉｒ：Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が６５：３５ないし５５：４５の範囲であるＩｒ−Ｒｕ多相合金を備えることを特徴とする請求項１に記載のＩｒ−Ｒｕ合金電極。
【請求項５】
Ｉｒ：Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が６０：４０であるＩｒ−Ｒｕ多相合金を備えることを特徴とする請求項１に記載のＩｒ−Ｒｕ合金電極。
【請求項６】
前記Ｉｒ−Ｒｕ合金電極の上部に形成されたＩｒ−Ｒｕ酸化層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のＩｒ−Ｒｕ合金電極。
【請求項７】
下部電極、前記下部電極上に形成された強誘電体層、及び前記誘電体層上に形成された上部電極を備える誘電体キャパシタにおいて、
前記下部電極は、Ｉｒ及びＲｕを含むＩｒ−Ｒｕ多相合金を備えるＩｒ−Ｒｕ合金電極からなることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
【請求項８】
前記Ｉｒ−Ｒｕ多相合金におけるＩｒ：Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が７０：３０ないし３０：７０であることを特徴とする請求項７に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項９】
前記下部電極と前記強誘電体層との間に形成されたＩｒ−Ｒｕ酸化層を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項１０】
前記強誘電体層は、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）及びＢＬＴ（Ｂｉ３.２５Ｌａ０.７５Ｔｉ３Ｏ１２）からなる群から選択される１種または２種以上から形成されたことを特徴とする請求項７に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項１１】
（イ）基板上にＩｒ−Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が７０：３０ないし３０：７０のＩｒ−Ｒｕ多相合金からなる下部電極を形成するステップと、
（ロ）前記下部電極上に強誘電体物質を塗布して強誘電体層を形成するステップと、
（ハ）前記強誘電体層上に導電性物質を塗布して上部電極を形成するステップと、を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項１２】
前記ステップ（イ）後に、酸素雰囲気下で熱処理するステップを更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記強誘電体層は、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）及びＢＬＴ（Ｂｉ３.２５Ｌａ０.７５Ｔｉ３Ｏ１２）からなる群から選択される１種または２種以上から形成することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記下部電極は、ＣＶＤ、ＡＬＤまたはスパッタリングにより形成されることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｉｒ−Ｒｕ合金電極及びこれを下部電極として使用した強誘電体キャパシタに係り、より詳細には、Ｉｒ−Ｒｕの合金組成を調節して形成した合金電極、及びこれを下部電極として使用した半導体メモリ素子としてのキャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノドットは、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、光検出器などの光学素子及び単電子素子などに利用されるものであって、素子の臨界電流が低くなるか、またはリテンションの特性が向上し、光利得が大きくなるという長所がある。
【０００３】
半導体メモリ装置のデータ保存容量は、単位面積当りメモリセルの数、すなわち、集積度に比例する。一般的に、半導体メモリ装置は、回路的に連結された多くのメモリセルを備える。ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の場合、単位メモリセルは、一つのトランジスタと一つのキャパシタとから構成されることが一般的である。ＤＲＡＭやＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のような半導体メモリ装置のキャパシタの誘電体層として、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）またはＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）のような強誘電性物質が使用されており、その下部電極としては、白金族元素またはその化合物が主に使用されてきた。
【０００４】
図１Ａは、一般的なキャパシタ構造を示す断面図である。図１Ａを参照すれば、一般的なキャパシタは、下部電極１１上に強誘電体層１２が形成され、強誘電体層１２の上部に上部電極１３が形成された構造を有している。これは、最も簡単な形態の強誘電体キャパシタを示したものである。
【０００５】
従来の強誘電体キャパシタにおいて、下部電極１１は、ＰｔやＩｒ、Ｒｕなどの単一の金属、またはそれらの酸化物より形成されていた。下部電極１１をＰｔ単独で形成すると、後続の熱処理過程で、酸素の拡散により下部電極１１が酸化されてしまうという問題点がある。
【０００６】
下部電極１１をＩｒ単独で形成すると、Ｉｒ下部電極１１上に形成させるＰＺＴなどの強誘電体層１２の表面粗度が悪く、工程ウィンドウが狭くなるという短所がある。Ｒｕを単独で用いて下部電極１１を形成すると、下部電極１１の酸化を制御し難く、かつ漏れ電流が大きくなるという問題点がある。
【０００７】
そして、ＩｒまたはＲｕなどの酸化物（ＩｒＯ２、ＲｕＯ２）を用いて下部電極１１を形成すると、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相蒸着）またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：原子層蒸着）等による酸化物自体の形成が難しいだけでなく、酸化物電極パターン形成時にエッチング工程を進行し難いという問題点がある。
【０００８】
図１Ｂは、図１Ａの下部電極１１が、単一金属でない合金形態である貴金属合金層１１ａと、その上部を酸化させて貴金属合金酸化物層１１ｂとから形成させたキャパシタ構造を示している。この際、貴金属合金層１１ａを形成する物質としては、貴金属群に属するＰｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）またはＰｄ（パラジウム）などの多様な金属が利用されているが、正確な組成は開示されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであって、キャパシタの下部電極を、所定の合金電極より形成して、キャパシタの特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記目的を達成するために、Ｉｒ及びＲｕを含む多相合金である形態の合金電極を提供する。
【００１１】
本発明において、Ｉｒ：Ｒｕ組成比（ａｔ％比）は、７０：３０ないし３０：７０の範囲であるＩｒ−Ｒｕ合金電極を備える。
【００１２】
ここで、Ｉｒ：Ｒｕ組成比（ａｔ％比）は、６５：３５ないし４５：５５の範囲であることがより好ましい。
【００１３】
ここで、Ｉｒ：Ｒｕ組成比（ａｔ％比）は、６５：３５ないし５５：４５の範囲であることがより好ましい。
【００１４】
ここで、Ｉｒ：Ｒｕ組成比（ａｔ％比）は、６０：４０であることがより好ましい。
【００１５】
本発明においては、前記Ｉｒ−Ｒｕ合金電極の上部に形成されたＩｒ−Ｒｕ酸化層を更に備えうる。
【００１６】
また、本発明は、下部電極、前記下部電極上に形成された強誘電体層及び前記強誘電体層上に形成された上部電極を備える強誘電体キャパシタにおいて、前記下部電極は、Ｉｒ−Ｒｕ−多相合金（好ましくは、Ｉｒ：Ｒｕ組成比（ａｔ％比）が約７０：３０ないし３０：７０の範囲である）を備える強誘電体キャパシタを提供する。
【００１７】
本発明において、前記強誘電体層は、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）またはＢＬＴ（Ｂｉ３.２５Ｌａ０.７５Ｔｉ３Ｏ１２）などの強誘電性物質より形成されることが好ましい。
【００１８】
また、本発明は、（イ）基板上にＩｒ−Ｒｕの組成比（ａｔ％比）が約７０：３０ないし３０：７０の範囲である多相合金からなる下部電極を形成するステップと、（ロ）前記下部電極上に強誘電体物質を塗布して強誘電体層を形成するステップと、（ハ）前記強誘電体層上に導電性物質を塗布して上部電極を形成するステップと、を含む強誘電体キャパシタの製造方法を提供する。
【００１９】
本発明において、前記下部電極は、ＣＶＤ、ＡＬＤまたはスパッタリングにより形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によるＩｒ−Ｒｕ多相合金電極、及びこれを下部電極として使用した強誘電体キャパシタは、次のような長所がある。
【００２１】
第一に、Ｉｒ−Ｒｕ多相合金を下部電極として使用する場合、別途の酸化物電極を使用せずに、単一層により電極を構成できる。したがって、キャパシタなどの素子の総厚さを減少させうる。
【００２２】
第二に、Ｉｒ−Ｒｕ多相合金は、それ自体及び合金酸化物形態で表面粗度が小さく、その上部に強誘電体層を形成させた場合に、強誘電体層の表面粗度も低減させうる。
【００２３】
第三に、疲労特性が、純粋金属電極を使用した場合に比べて多少向上し、漏れ電流特性も向上して、強誘電体キャパシタなどの素子の信頼性を向上させうる。
【００２４】
第四に、製造工程においても純粋Ｉｒ電極の場合に比べて、コストを低減させることができ、工程ウィンドウを増加させ、場合によっては下部電極形成の直後の熱処理工程を省略できるため、蒸着工程の低温化を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明による強誘電体キャパシタについてより詳細に説明する。図２は、本発明による強誘電体キャパシタを示す図面である。図２を参照すれば、本発明による強誘電体キャパシタは、Ｉｒ−Ｒｕ多相合金より形成された下部電極２１、下部電極２１上に形成された強誘電体層２２及び強誘電体層２２上に形成された上部電極２３を備える構造を有する。
【００２６】
図１Ａの従来技術による強誘電体キャパシタと比較すると、本発明による強誘電体キャパシタは、下部電極２１としてＩｒ−Ｒｕ多相合金電極を使用したことを特徴とする。この際、Ｉｒ−Ｒｕ合金におけるＩｒとＲｕとの比率は、約７０：３０ないし３０：７０ａｔ％の比率であることが好ましい。図２において、強誘電体層２２は、ＰＺＴを使用して形成されたと示されているが、これに限定されず、その他の強誘電性物質及び相誘電性物質を使用してもよい。
【００２７】
本発明による強誘電体キャパシタの製造方法を説明すれば、次の通りである。例えば、基板（図示せず）上にＩｒ−Ｒｕ合金より形成された下部電極２１は、ＣＶＤ、ＡＬＤまたはスパッタリング等により、その組成比（ａｔ％比）を約７０：３０ないし３０：７０の範囲、好ましくは、約６５：３５ないし４５：５５の範囲、より好ましくは、約６５：３５ないし５５：４５の範囲、さらに好ましくは、約６０：４０で調節して形成させうる。このような組成範囲でＩｒ−Ｒｕ合金より下部電極２１を形成させると、Ｉｒ及びＲｕは、それぞれ独立したグレインをなし、Ｉｒ相(ｃｕｂｉｃ)とＲｕ相（ｈｃｐ）との２つの相が共存する多相を形成される。多相の存在は、Ｘ線回折分析を通じて確認できる。前記したように、多相の形態で分布する組成範囲は、Ｉｒ：Ｒｕが約７０：３０ないし３０：７０の範囲であり、最適の比率は、Ｉｒ：Ｒｕの比が６０：４０ａｔ％±約５％の範囲内、すなわち、Ｉｒ：Ｒｕの比が約６５：３５ないし５５：４５ａｔ％の範囲にあると推定される。Ｉｒ：Ｒｕの比が約７０：３０ないし３０：７０ａｔ％の範囲の以外では合金は固溶体の結晶構造を有するが、多相に下部電極２１を形成させた場合、単一固溶体相より優れた特性を有する。このような下部電極２１の厚さは、使用される用途によって調節でき、強誘電体キャパシタの場合、約５０ｎｍ未満の厚さの強誘電体膜を成長させる場合には、電極は約１０ないし３０ｎｍの厚さに形成されうる。
【００２８】
Ｉｒ−Ｒｕ合金より形成された下部電極２１上に順次に形成された強誘電体層２２及び上部電極２３は、通常的に使用される強誘電性または相誘電性物質（強誘電体層２２）及び導電性物質（上部電極２３）を使用して形成させうる。例えば、強誘電体層２２は、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）またはＢＬＴ（Ｂｉ３.２５Ｌａ０.７５Ｔｉ３Ｏ１２）のような物質により形成されうる。Ｉｒ−Ｒｕ合金の下部電極２１上に、ＰＺＴ等で強誘電体層２２を形成させれば、強誘電体層２２の表面粗度が減少した薄膜を得ることができる。また、強誘電体層２２の蒸着時には、下部電極２１の表面酸化を制御して、リテンション及び疲労の特性が向上するという利点も有する。
【実施例】
【００２９】
以下、Ｉｒ−Ｒｕ合金の下部電極２１及びその上部に強誘電体層２２を形成させた場合の特性、及びこれを通じてＩｒ及びＲｕの好ましい合金の比率を導き出す実験結果についてより詳細に説明する。
【００３０】
図３Ａないし図３Ｅは、基板上にＩｒ及びＲｕのａｔ％比を調節して製造した下部電極２１の表面ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；原子間力顕微鏡）イメージを示す図面である。図３Ａの場合、Ｉｒ：Ｒｕの組成比は０：１００であり、図３Ｂは１０：９０であり、図３Ｃは２７：７３であり、図３Ｄは５８：４２であり、図３Ｅは１００：０である。すなわち、図３Ａ及び図３Ｅは、純粋なＲｕ及びＩｒで下部電極２１を形成したものである。図３Ａないし図３Ｅを相互に比較すれば、Ｉｒ：Ｒｕの組成比が５８：４２である図３Ｄの下部電極２１の表面の結晶粒子が最も稠密に形成されたことが分かる。これに対し、図３Ｅによれば、純粋なＩｒを単独で用いて下部電極を形成した場合、その表面の結晶粒子が粗大に形成されたことが確認できる。
【００３１】
図４Ａないし図４Ｅは、前記した図３Ａないし図３Ｅの下部電極２１の上部にＰＺＴを塗布して形成した強誘電体層２２の表面ＡＦＭイメージを示す図面である。図４Ａないし図４Ｅの下部電極２１のＩｒ−Ｒｕの組成比は、図３Ａないし図３Ｅと同じである。すなわち、図４ＡのＩｒ：Ｒｕの組成比は０：１００であり、図４Ｂは１０：９０であり、図４Ｃは２７：７３であり、図４Ｄは５８：４２であり、図４Ｅは１００：０である。図４Ａないし図４Ｅを相互に比較すれば、Ｉｒ：Ｒｕの組成比が５８：４２である図４Ｄの下部電極２１上に形成させたＰＺＴ強誘電体層２２の表面が最も稠密であることが分かる。このような結晶粒子の相対的なサイズの傾向性は、図３Ａないし図３Ｅの結果と同様に表れる。なお、下部電極２１および強誘電体層２２の厚さは、いずれも１００ｎｍである。
【００３２】
純粋なＲｕまたはＩｒからなる下部電極上に形成されたＰＺＴ強誘電体層の表面を示す図４Ａ及び図４ＥのＡＦＭイメージを見れば、ＰＺＴは、相対的に大きなグレインのサイズに成長したことが分かる。Ｉｒ：Ｒｕの組成比が５８：４２である下部電極上に形成されたＰＺＴ強誘電体層の表面を示す図４Ｄのイメージを見れば、ＩｒとＲｕとの合金形態の下部電極上に形成されたＰＺＴは、相対的に小さなグレインのサイズを有することが分かる。これは、ＩｒまたはＲｕの合金形態の下部電極２１上で強誘電体層２２の物質は稠密に形成されることを意味する。
【００３３】
図５は、図３Ａないし図３Ｅ及び図４Ａないし図４Ｅに示す試片の電極表面及びＰＺＴ表面の表面粗度を示すグラフである。ここで、横軸は、Ｉｒ−Ｒｕ下部電極２１のＲｕの組成比を表し、横軸は、表面粗度を二乗平均平方根（Ｒｏｏｔ−Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ：ＲＭＳ）のｎｍ単位で表したものである。
【００３４】
図５を参照すれば、Ｒｕの組成による下部電極２１の表面粗度は、５つの試片が何れも類似した結果を表すことが分かる。しかし、その上部にＰＺＴ強誘電体層２２を形成した場合、その表面粗度はその差を表し、Ｉｒ：Ｒｕの組成比が５８：４２である場合に最も低い表面粗度を表すことが分かる。このような結果は、図４ＤでＩｒ：Ｒｕの組成比が５８：４２である下部電極上にＰＺＴを形成させた場合、その結晶粒のサイズが相対的に小さいという結果と対応する。
【００３５】
図６Ａないし図６Ｅは、前記した図４Ａないし図４Ｅに該当するＩｒ−Ｒｕ下部電極２１上にＰＺＴ強誘電体層２２を形成させた試片に対して、熱処理しない状態で電気的特性を測定したグラフを示す。
【００３６】
下部電極２１のＩｒ：Ｒｕ組成比を示せば、図６Ａは０：１００であり、図６Ｂは１０：９０であり、図６Ｃは２７：７３であり、図６Ｄは５８：４２であり、図６Ｅは１００：０である。ここで、横軸は、印加電圧（Ｖ）を表し、縦軸は、分極（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）（μＣ／ｃｍ２）値を表す。そして、図７Ａないし図７Ｅは、前記した図４Ａないし図４Ｅに該当するＩｒ−Ｒｕ下部電極２１上にＰＺＴ強誘電体層２２を形成させた試片に対して熱処理（酸素雰囲気下、６００℃にて１〜２分間のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、以下の「熱処理」も同様）した後、電気的特性を測定したグラフを示す。
【００３７】
図６Ａないし図６Ｅ及び図７Ａないし図７Ｅを見れば、Ｉｒ−Ｒｕ下部電極２１のＩｒ：Ｒｕの組成比が５８：４２である図６Ｄ及び図７ＤのＰ−Ｖ履歴特性曲線（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｖｏｌｔａｇｅ Ｈｙｔｅｒｅｓｉｓ）の形態になり、漏れ電流のサイズも小さいことが分かる。
【００３８】
前記した実験結果に基づいて、最適のＩｒ：Ｒｕの組成比を導き出すために、本発明者らは、Ｉｒ：Ｒｕの組成範囲を５０：５０ないし１００：０で変化させて下部電極２１を製造して、その上部にＰＺＴ強誘電体層２２を形成させた。
【００３９】
図８Ａないし図８Ｄは、Ｉｒ：Ｒｕの組成比がそれぞれ９９．２：０．８（図８Ａ）、７２：２８（図８Ｂ）、６２．６：３７．４（図８Ｃ）、５１．５：４８．５（図８Ｄ）の下部電極２１上にＰＺＴ強誘電体層２２を形成させた表面のＡＦＭイメージを示す。図８Ａないし図８Ｄを見れば、図８ＣのＰＺＴ強誘電体層２２が、その表面結晶粒のサイズが最も均一に形成されたことが分かる。
【００４０】
図８Ａないし図８Ｄに該当する試片に対する熱処理前後のＰ−Ｖ履歴特性曲線を図９Ａないし図９Ｄ及び図１０Ａないし図１０Ｄのグラフに示した。これらのグラフを参照すれば、Ｉｒ：Ｒｕの組成比が６２．６：３７．４である下部電極２１を有する試片を示す図９Ｃ及び図１０Ｃの熱処理前後のＰ−Ｖ履歴特性曲線の形状が最も良好に表され、低い漏れ電流を表していることが分かる。
【００４１】
前記実験結果により、本発明者らは、強誘電体キャパシタの下部電極２１としてＩｒ−Ｒｕ合金を使用する場合、最適のＩｒ：Ｒｕの組成比は、約６０：４０であることを確認した。すなわち、下部電極２１を構成するＩｒ：Ｒｕの組成比が約６０：４０であると、下部電極２１上に形成されるＰＺＴ結晶粒のサイズが小さく、均一に成長し、表面粗度も減少し、かつ漏れ電流も減少することが分かる。
【００４２】
Ｉｒ−Ｒｕ合金の組成による結晶成長方向を分析するために、Ｉｒ−Ｒｕ合金の組成を変化させつつ、製造した試片に対するＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）分析して、その結果を図１１のグラフに示した。そして、相分析のために、Ｉｒ−Ｒｕ合金の組成及び温度による相転移プロファイルを図１１に共に図示した。
【００４３】
図１１（ａ）は、Ｉｒ−Ｒｕ合金の組成によるＸＲＤグラフであり、図１１（ｂ）は、Ｉｒ−Ｒｕ合金の相転移プロファイルである。ＸＲＤグラフを参照すれば、縦軸は、Ｉｒ−Ｒｕ合金におけるＲｕの組成比（ａｔ％比）を表し、Ｒｕの組成比を０．８、２８．０、３７．４、４８．５、７５、９１及び９９に調節した試片に対するＸＲＤ曲線を何れも一つのグラフ上に表した。
【００４４】
Ｉｒ：Ｒｕの組成比が約６２．６：３７．４である場合のＸＲＤ曲線を見れば、２θ＝３８゜の付近でＲｕ（１００）ピークと２θ＝４１゜の付近のＩｒ（１１１）ピークとが、本来の位置で発見されることが分かる。しかし、Ｒｕの組成比が増加すると、Ｒｕ（１００）ピーク及びＩｒ（１１１）ｐｅａｋともに本来の位置（単一金属でのピークの位置）から離れた位置で確認され、このような現象は、２θ＝７８゜の付近のＲｕ（１０３）ピークが本来の位置から非常に離れた現象と符合することが分かる。また、Ｒｕの組成比が小さくなれば、Ｒｕ関連のピークが次第に消えるということが分かる。このような現象は、図１１（ｂ）の相転移プロファイルを参照して説明できる。
【００４５】
図１１（ｂ）のＩｒ−Ｐｔ相転移プロファイルを参照すれば、相転移曲線において、約８００℃でＩｒ：Ｒｕの組成比が約６２：３８ないし４５：５５の領域でＩｒ（ｃｕｂｉｃ）とＲｕ（ｈｃｐ）との相が共存する多相が表れることが分かる。その左側領域（Ｒｕ比が０ないし約３０ａｔ％）では、Ｉｒ基材中にＲｕが固溶された固溶体相が表れ、その右側領域（Ｒｕ比が約７０ａｔ％以上）では、Ｒｕ基材中にＩｒが固溶された固溶体相が表れる。すなわち、Ｉｒ−Ｒｕ多相が存在する組成領域では、Ｉｒ及びＲｕ関連のピークが何れも、ＸＲＤグラフの本来の位置で発見できるが、固溶体相ではＩｒまたはＲｕのピークのみが現れ、その位置が本来の位置からやや離れた形態で表れる。本発明では、このようなＩｒ−Ｒｕ多相が存在する組成領域のＩｒ−Ｒｕ合金を強誘電体キャパシタの下部電極として使用したことを特徴とする。具体的には、常温でのＩｒ−Ｒｕ多相が存在するＩｒ：Ｒｕのａｔ％比の領域である約７０：３０ないし３０：７０組成比の領域であり、好ましくは、６５：３５ないし４５：５５ａｔ％の範囲である。また、最適の比率は、６０：４０ａｔ％であり、これを中心に±５％の範囲以内である６５：３５ないし５５：４５ａｔ％の範囲で使用することが特に好ましい。
【００４６】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、Ｉｒ−Ｒｕ合金の組成を調節して形成された下部電極２１上に強誘電体層２２を形成させた試片に対して、疲労特性（約１０１１回以上のスイッチングサイクル後に自発分極量が残っている程度）を測定した結果を示すグラフである。図１２Ａの横軸は、強誘電体層２２に対して電圧を変化させて印加してスイッチングさせたサイクルの回数の常用対数値を表し、縦軸は、残留分極（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ：Ｐｒ）値を表す。図１２Ｂの横軸は、試片のＩｒ：Ｒｕの組成比を表し、縦軸は、当該試片に対して、約１０１１回のスイッチングサイクルを経た後の残留分極量を表す。
【００４７】
図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すれば、Ｉｒ：Ｒｕの組成比が１００：０である純粋Ｉｒを下部電極として使用した試片に比べて、Ｉｒ−Ｒｕの合金で下部電極を形成した試片が、全般的により良好な疲労特性を有することが分かる。特に、図１２Ｂで、純粋Ｉｒを下部電極として使用した試片の場合、残留分極比が９０％より低く形成されているが、Ｉｒ−Ｒｕ合金の下部電極の場合、約９３％以上の残留分極量を表して、疲労特性が向上することを直接的に確認できる。
【００４８】
図１３Ａは、Ｓｉ基板上に純粋なＲｕを下部電極として形成させ、その上部にＰＺＴを強誘電体層として形成させた試片に対して熱処理した後、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；Ｘ線光電子分光法）で深さによる酸素の濃度プロファイルを分析したグラフである。そして、図１３Ｂは、Ｓｉ基板上にＩｒ：Ｒｕ組成比が６２．６：３７．４ａｔ％であるＩｒ−Ｒｕ合金で下部電極２１を形成した後、その上部にＰＺＴを強誘電体層２２として形成させ、熱処理して製造した試片に対して、ＸＰＳで深さによる酸素の濃度プロファイルを分析したグラフである。
【００４９】
図１３Ａを参照すれば、下部電極として純粋なＲｕを用いた場合には、ＰＺＴ強誘電体層及び基板の位置では酸化物が発見されるが、下部電極領域では酸化物が発見されないことがわかる。これに対し、図１３Ｂを参照すると、Ｉｒ−Ｒｕ多相合金からなる下部電極では、酸化物として認識されるプロファイル（点線領域）が確認できる。
【００５０】
図１３Ａ及び図１３Ｂの結果を、強誘電体キャパシタの疲労特性を表した図１２Ａ及び図１２Ｂと関連して説明できる。多くの報告によれば、強誘電体キャパシタの疲労特性は、下部電極とその上部の強誘電体層との界面の酸素欠損のために発生することが知られている。これを克服するために、金属を酸化させて金属酸化物の形態で下部電極を形成した後、その上部に強誘電体層を形成させた強誘電体キャパシタの製造方法が紹介された。本発明では、図１３Ｂに示すように、Ｉｒ−Ｒｕ下部電極２１を形成させた後、直ちに熱処理工程を実施せずに、全体キャパシタの構造体を完成させた後に熱処理を行うことでＩｒ−Ｒｕ下部電極２１を酸化させて、疲労特性を改善できる。
【００５１】
本発明者らは、Ｉｒ−Ｒｕ多相合金からなる電極を酸化させる際の表面物性の変化を調査するために、Ｉｒ：Ｒｕの組成比を調節した電極に対して熱処理を実施して、電極上に金属酸化物を形成させる実験を実施した。図１４Ａは、純粋なＩｒを下部電極として形成させた試片のＡＦＭ表面イメージである。図１４Ｂは、図１１の相転移プロファイルで、Ｉｒ基材中にＲｕが固溶された固溶体相を下部電極として形成させた電極試片の表面ＡＦＭイメージであり、図１４Ｃは、本発明によるＩｒ−Ｒｕ多相合金を下部電極として形成させた電極試片の表面ＡＦＭイメージである。そして、図１４Ｄは、図１１の相転移プロファイルで、Ｒｕ基材中にＩｒが固溶された固溶体相を下部電極として形成させた電極試片の表面ＡＦＭイメージである。
【００５２】
図１４Ａを参照すれば、熱処理後のＩｒ電極表面が、図１４ＣのＩｒ−Ｒｕ多相の電極表面に比べて相対的に粗いことが分かる。図１４Ｂ及び図１４Ｄを参照すれば、たとえ電極をＩｒ−Ｒｕの合金より形成させても、固溶体相の電極試片の表面には非常に大きな塊り（明るい点）が形成され、粗度が非常に粗くなったことが分かる。図１４Ａないし図１４Ｄに示す各試片の表面粗度を具体的に測定して、その結果を下記の表１に表した。
【００５３】
【表１】
2006041536.tif 000003
【００５４】
表１を参照すれば、純粋Ｉｒ（図１４Ａ）、Ｉｒ基材中にＲｕが固溶された固溶体相（図１４Ｂ）、Ｉｒ−Ｒｕ合金多相（図１４Ｃ）及びＲｕ基材中にＩｒが固溶された固溶体相（図１４Ｄ）を用いてそれぞれ下部電極を形成させた場合、何れも熱処理以前には、ほぼ類似した表面粗度を表すことが分かる。しかし、酸素雰囲気下で熱処理してその表面を酸化させた場合には、Ｉｒ−Ｒｕ合金多相以外の電極試片の表面粗度は非常に増加し、特に、固溶体相の場合には、非常に急増したことが分かる。これに対し、本発明の特徴であるＩｒ−Ｒｕ合金多相を下部電極として形成させた試片の場合、その表面粗度の上昇は、相対的に非常に小さかった。このような結果は、図１４Ａないし図１４ＤのＡＦＭイメージと一致することが分かる。
【００５５】
このような結果は、Ｉｒ−Ｒｕ多相に形成された合金電極は、人為的な酸化雰囲気下で強力な耐性を有することを表す。半導体工程上、不回避的に電極が露出された状態で酸素熱処理を実施する必要性があり、この際、電極の表面が安定した状態を維持することは非常に好ましい。
【００５６】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の技術的範囲を限定するものではなく、いずれも好ましい実施例の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明で提示したＩｒ−Ｒｕ多相合金の電極は、強誘電体キャパシタの下部電極だけでなく、その他の半導体素子の電極として使用されうる。したがって、本発明の技術的範囲は、説明された実施例のみによっては決まらず、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、Ｉｒ−Ｒｕ合金電極及びこれを下部電極として使用した強誘電体キャパシタに関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】従来技術による一般的な形態の強誘電体キャパシタに関する図面である。
【図１Ｂ】従来技術による強誘電体キャパシタで、合金形態より形成された下部電極を示す図面である。
【図２】本発明の実施例によるＩｒ−Ｒｕ合金電極を下部電極として使用した強誘電体キャパシタを示す図面である。
【図３Ａ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を、組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図３Ｂ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を、組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図３Ｃ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を、組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図３Ｄ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を、組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図３Ｅ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を、組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図４Ａ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図４Ｂ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図４Ｃ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図４Ｄ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図４Ｅ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図５】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた後の、その表面の粗度を示すグラフである。
【図６Ａ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対し、熱処理をしない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図６Ｂ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対し、熱処理をしない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図６Ｃ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対し、熱処理をしない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図６Ｄ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対し、熱処理をしない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図６Ｅ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対し、熱処理をしない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図７Ａ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図７Ｂ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図７Ｃ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図７Ｄ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図７Ｅ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図８Ａ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図８Ｂ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図８Ｃ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図８Ｄ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を組成を異ならせて形成させた後の、その表面を示すＡＦＭイメージである。
【図９Ａ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施しない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図９Ｂ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施しない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図９Ｃ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施しない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図９Ｄ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施しない状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図１０Ａ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図１０Ｂ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図１０Ｃ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図１０Ｄ】組成を異ならせて形成させたＩｒ−Ｒｕ合金電極上にＰＺＴを蒸着させた試片に対して、熱処理を実施した状態の電圧−分極特性を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は、Ｉｒ−Ｒｕ合金を組成を異ならせて形成させた後の、ＸＲＤ分析グラフであり、（ｂ）は、Ｉｒ及びＲｕの組成変化と温度とのＩｒ−Ｒｕ相転移プロファイルを示す図面である。
【図１２Ａ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を組成を異ならせて形成させた後の、組成別の試片に対する疲労特性を示すグラフである。
【図１２Ｂ】Ｉｒ−Ｒｕ合金電極を組成を異ならせて形成させた後の、組成別の試片に対する疲労特性を示すグラフである。
【図１３Ａ】従来のＲｕ基板及び本発明の実施例によるＩｒ−Ｒｕ電極上にＰＺＴを成長させた試片に対して、ＸＰＳで深さに応じた酸素量のプロファイルを測定した結果を示すグラフである。
【図１３Ｂ】従来のＲｕ基板及び本発明の実施例によるＩｒ−Ｒｕ電極上にＰＺＴを成長させた試片に対して、ＸＰＳで深さに応じた酸素量のプロファイルを測定した結果を示すグラフである。
【図１４Ａ】Ｉｒ：Ｒｕの組成比を調節して形成した電極を約６００℃の酸素雰囲気で１分間熱処理を実施して金属酸化物を形成させた電極表面に対するＡＦＭイメージである。
【図１４Ｂ】Ｉｒ：Ｒｕの組成比を調節して形成した電極を約６００℃の酸素雰囲気で１分間熱処理を実施して金属酸化物を形成させた電極表面に対するＡＦＭイメージである。
【図１４Ｃ】Ｉｒ：Ｒｕの組成比を調節して形成した電極を約６００℃の酸素雰囲気で１分間熱処理を実施して金属酸化物を形成させた電極表面に対するＡＦＭイメージである。
【図１４Ｄ】Ｉｒ：Ｒｕの組成比を調節して形成した電極を約６００℃の酸素雰囲気で１分間熱処理を実施して金属酸化物を形成させた電極表面に対するＡＦＭイメージである。
【符号の説明】
【００５９】
１１    下部電極、
１２    強誘電体層、
１３    上部電極、
２１    下部電極、
２２    強誘電体層、
２３    上部電極。
【図１Ａ】
2006041536.tif 000004
【図１Ｂ】
2006041536.tif 000005
【図２】
2006041536.tif 000006
【図６Ａ】
2006041536.tif 000007
【図６Ｂ】
2006041536.tif 000008
【図６Ｃ】
2006041536.tif 000009
【図６Ｄ】
2006041536.tif 000010
【図６Ｅ】
2006041536.tif 000011
【図７Ａ】
2006041536.tif 000012
【図７Ｂ】
2006041536.tif 000013
【図７Ｃ】
2006041536.tif 000014
【図７Ｄ】
2006041536.tif 000015
【図７Ｅ】
2006041536.tif 000016
【図９Ｂ】
2006041536.tif 000017
【図９Ｃ】
2006041536.tif 000018
【図９Ｄ】
2006041536.tif 000019
【図１０Ａ】
2006041536.tif 000020
【図１０Ｂ】
2006041536.tif 000021
【図１０Ｃ】
2006041536.tif 000022
【図１０Ｄ】
2006041536.tif 000023
【図１１】
2006041536.tif 000024
【図１２Ａ】
2006041536.tif 000025
【図１２Ｂ】
2006041536.tif 000026
【図１３Ａ】
2006041536.tif 000027
【図１３Ｂ】
2006041536.tif 000028
【図３Ａ】
2006041536.tif 000029
【図３Ｂ】
2006041536.tif 000030
【図３Ｃ】
2006041536.tif 000031
【図３Ｄ】
2006041536.tif 000032
【図３Ｅ】
2006041536.tif 000033
【図４Ａ】
2006041536.tif 000034
【図４Ｂ】
2006041536.tif 000035
【図４Ｃ】
2006041536.tif 000036
【図４Ｄ】
2006041536.tif 000037
【図４Ｅ】
2006041536.tif 000038
【図５】
2006041536.tif 000039
【図８Ａ】
2006041536.tif 000040
【図８Ｂ】
2006041536.tif 000041
【図８Ｃ】
2006041536.tif 000042
【図８Ｄ】
2006041536.tif 000043
【図９Ａ】
2006041536.tif 000044
【図１４Ａ】
2006041536.tif 000045
【図１４Ｂ】
2006041536.tif 000046
【図１４Ｃ】
2006041536.tif 000047
【図１４Ｄ】
2006041536.tif 000048