(57)【要約】【課題】  別途の酸化防止層を必要とせず、素子の厚さを薄くでき、かつ、その構造が簡単な強誘電体キャパシタ、その製造方法および強誘電体メモリ素子を提供する。【解決手段】  本発明の強誘電体キャパシタは、ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つの第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層（下部電極３１）と、第１電極層上に形成された強誘電体層３２と、強誘電体層３２上に形成された第２電極層（上部電極３３）と、を備えている。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体キャパシタにおいて、
ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つである第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層と、
前記第１電極層上に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成された第２電極層と、
を備えることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
【請求項２】
前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔａ、Ｂｉ−Ｌａ−ＴｉおよびＢａ−Ｓｒ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項３】
前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉを備えて形成され、
前記第２金属は、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉのうち、何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項４】
前記第１電極層は、Ｉｒ−ＴｉおよびＲｕ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項５】
前記第１電極層は、Ｉｒ3Ｔｉを有する化合物を備えることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項６】
前記第２金属は、Ｔｉであり、
前記第１電極は、ＩｒＴｉＯxおよびＲｕＴｉＯxのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項７】
前記第１電極層は、ＩｒyＴｉ1-yを備え、前記ｙは、０．５０ないし０．９７の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項８】
強誘電性メモリ素子において、
下部構造体と、
前記下部構造体上に形成され、ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つである第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層と、
前記第１電極層上に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成された第２電極層と、を備えることを特徴とする強誘電体メモリ素子。
【請求項９】
前記下部構造体は、
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された第１不純物領域および第２不純物領域と、
前記第１不純物領域と前記第２不純物領域との間に形成されたゲート構造体と、
前記第２不純物領域および前記下部電極を電気的に連結して形成された伝導性プラグと、
を備えることを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１０】
前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔａ、Ｂｉ−Ｌａ−ＴｉおよびＢａ−Ｓｒ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１１】
前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉを含んで形成され、
前記第２金属は、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉのうち、何れか一つであることを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１２】
前記第１電極層は、Ｉｒ−ＴｉおよびＲｕ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１３】
前記第１電極層は、Ｉｒ3Ｔｉを有する化合物を備えることを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１４】
前記第２金属は、Ｔｉであり、
前記第１電極は、ＩｒＴｉＯxおよびＲｕＴｉＯxのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１５】
前記第１電極層は、ＩｒyＴｉ1-yを備え、前記ｙは０．５０ないし０．９７の範囲であることを特徴とする請求項８に記載の強誘電体メモリ素子。
【請求項１６】
強誘電体キャパシタの製造方法において、
ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つである第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層を形成するステップと、
前記第１電極層上に強誘電体層を形成するステップと、
前記強誘電体層上に第２電極層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１７】
前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔａ、Ｂｉ−Ｌａ−ＴｉおよびＢａ−Ｓｒ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項１８】
前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉを備えて形成され、
前記第２金属は、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉのうち、何れか一つであることを特徴とする請求項１６に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項１９】
前記第１電極層は、Ｉｒ−ＴｉおよびＲｕ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項２０】
前記第１電極層は、Ｉｒ3Ｔｉを有する化合物を備えることを特徴とする請求項１６に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項２１】
前記第２金属は、Ｔｉであり、
前記第１電極は、ＩｒＴｉＯxおよびＲｕＴｉＯxのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項２２】
前記第１電極層は、ＩｒyＴｉ1-yを備え、前記ｙは、０．５０ないし０．９７の範囲であることを特徴とする請求項１６に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体キャパシタに係り、より詳細には、ＩｒまたはＲｕと金属物質とを含んで形成された合金を用いて強誘電体キャパシタの下部電極を形成させることでその特性を向上させた強誘電体キャパシタ、その製造方法および強誘電体メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業が発展するにつれ、単位面積当り高密度を有するメモリ素子が要求されている。不揮発性メモリ素子の一つである強誘電体メモリ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：ＦＲＡＭ）は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）工程中に強誘電体キャパシタの部分に強誘電物質を備える不揮発性メモリである。
【０００３】
図１は、特許文献１に開示された貴金属を利用した二重構造の電極構造体（貴金属合金電極）を示している。図１を参照すれば、貴金属合金電極は、下部構造体１１、下部電極１２、強誘電体層１３および上部電極１４を備える。ここで、下部電極１２は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＲｈまたはＰｄのような貴金属より形成させた合金電極層１２ａと貴金属合金電極酸化層１２ｂとを備える二重構造である。図１のような貴金属合金電極は、その組成による具体的な性質が表れていないため、単純な合金電極で効果を奏しがたいという問題がある。
強誘電体メモリの強誘電体キャパシタンスは、下記式１に表した。
【０００４】
【数１】
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【０００５】
ここで、Ｃは、キャパシタンスであり、εは、物質特性の誘電定数であり、ｄは、誘電体層の厚さであり、Ａは、単位面積である。
前記式１を参照すれば、キャパシタンスは、誘電体層の厚さに反比例し、誘電定数および単位面積のサイズに比例することが分かる。すなわち、キャパシタンスを高めるためには、キャパシタの面積（Ａ）を拡大するか、誘電率の高い材料を使用することが好ましい。キャパシタの面積を拡大するために、強誘電体キャパシタの３次元構造に関する多くの研究が行われている。一般的な強誘電体キャパシタＣの３次元構造体を備えるメモリ素子を図２Ａに示す。
【０００６】
図２Ａを参照すれば、半導体基板２１に所定の不純物をドーピングした第１不純物領域２２ａおよび第２不純物領域２２ｂが形成されている。第１不純物領域２２ａと第２不純物領域２２ｂとの間にはチャンネル領域２３が形成されており、チャンネル領域２３上にはゲート構造体２４が形成されている。ゲート構造体２４は、ゲート絶縁層２４ａおよびゲート電極層２４ｂを備える。これは、トランジスタ構造であり、強誘電体キャパシタＣは、ドレインと呼ばれる第２不純物領域２２ｂと伝導性プラグ２５とを介して電気的に連結されている。
【０００７】
図２Ｂは、図２Ａに示す強誘電体キャパシタＣの３次元構造体を拡大して示した図面である。図２Ｂを参照すれば、従来の一般的な強誘電体キャパシタＣの３次元構造体は、伝導性プラグ２５上にＴｉＡｌＮ等からなる酸化防止層２６が形成され、その側部を取り囲む絶縁層２７ｂのホール内に接着層２８ａ、下部電極１２、強誘電体層１３および上部電極１４が順次に形成された構造である。
【０００８】
このような強誘電体キャパシタＣの３次元構造体の問題点は、次の通りである。
第一に、下部電極１２の下部の伝導性プラグ２５の酸化を防止するための酸化防止層２６を別途に形成させねばならない。
第二に、強誘電体キャパシタＣの３次元構造体の下部電極１２を形成する場合、強誘電体層１３の結晶性および下部電極１２の接着性を向上させるために、接着層２８ａが必要である。
第三に、ＰＺＴのような強誘電性物質の結晶性を向上させるために、例えば、ＰｂＴｉＯ３のようなシード層２８ｂを形成させねばならない。このように、特定の機能のために追加される層により強誘電体キャパシタＣ自体の厚さが厚くなるため、構造的に強誘電体キャパシタＣの３次元構造体を形成させ難くなる。
第四に、ＩｒやＲｕなどの貴金属物質を下部電極１２として使用するため、製造コストが大きく上がるという問題点がある。
【特許文献１】米国特許第６，２８４，６５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであって、別途の酸化防止層を必要とせず、素子の厚さを薄くでき、かつ、その構造が簡単な強誘電体キャパシタとその製造方法および強誘電体キャパシタを用いてなる強誘電体メモリ素子を提供することを目的とする。
また、漏れ電流の特性を減少させ、かつ、低い比抵抗値と安定した分極値とを有せしめることで、安定した電気的特性を有する強誘電体キャパシタとその製造方法および強誘電体キャパシタを用いてなる強誘電体メモリ素子を提供することを目的とする。
また、下部電極（第１電極層）の上部に形成する強誘電体層の結晶成長を容易化させ、かつ、大きい残留分極値と低い漏れ電流とを有するなどの電気的な特性を向上させた強誘電体キャパシタとその製造方法および強誘電体キャパシタを用いてなる強誘電体メモリ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、前記目的を達成するために、強誘電体キャパシタにおいて、ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つである第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層と、前記第１電極層上に形成された強誘電体層と、前記強誘電体層上に形成された第２電極層と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔａ、Ｂｉ−Ｌａ−ＴｉおよびＢａ−Ｓｒ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記強誘電体層は、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉを備えて形成され、前記第２金属は、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉのうち、何れか一つであることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記第１電極層は、Ｉｒ−ＴｉおよびＲｕ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記第１電極層は、Ｉｒ３Ｔｉを有する化合物を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記第２金属は、Ｔｉであり、前記第１電極は、ＩｒＴｉＯｘおよびＲｕＴｉＯｘのうち、少なくとも何れか一つを備えて形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記第１電極層は、ＩｒｙＴｉ１−ｙを備え、前記ｙは、０．５０ないし０．９７の範囲であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明では、強誘電性メモリ素子において、下部構造体と、前記下部構造体上に形成され、ＩｒおよびＲｕのうち、何れか一つである第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層と、前記第１電極層上に形成された強誘電体層と、前記強誘電体層上に形成された第２電極層と、を備える強誘電体メモリ素子を提供する。
【００１５】
本発明において、前記下部構造体は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された第１不純物領域および第２不純物領域と、前記第１不純物領域と第２不純物領域との間に形成されたゲート構造体と、前記第２不純物領域および前記下部電極を電気的に連結して形成された伝導性プラグと、を備える強誘電体メモリ素子を提供する。
【００１６】
また、本発明では、強誘電体キャパシタの製造方法において、ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つの第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された第１電極層を形成するステップと、前記第１電極層上に強誘電体層を形成するステップと、前記強誘電体層上に第２電極層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。
【００１７】
なお、本発明の強誘電体キャパシタまたは強誘電性メモリ素子を構成する下部電極（第１電極層）を、酸素雰囲気下で所定時間、高温条件で熱処理すると、その表面粗度を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、次のような効果がある。
本発明の効果としては、第一に、従来の伝導性プラグと下部電極（第１電極層）との間に使用された別途の接着層を形成させる必要がなく、全体的な素子の厚さを減らし得る、構造が簡単であって電気的な特性に優れた強誘電体キャパシタ、その製造方法および強誘電体メモリ素子を提供することができる。
【００１９】
本発明の効果としては、第二に、ＩｒまたはＲｕのうち、少なくとも何れか一つの金属と、Ｐｄ、ＺｒまたはＴｉのうち、少なくとも何れか一つの金属とを用いて強誘電体キャパシタの下部電極（第１電極層）を形成するので、強誘電体層や第２電極層などの構成物を第１電極層の上部に順次形成することができるため、別途の酸化物電極を形成する必要がなく、電極内部への酸素の拡散を防止することができる。
【００２０】
本発明の効果としては、第三に、表面粗度の小さい下部電極（第１電極層）を形成するので、当該下部電極（第１電極層）の上部に形成される強誘電体層の結晶成長が容易であるため製造時に有利であり、大きい残留分極値と低い漏れ電流とを有するなどの電気的な特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明による強誘電体キャパシタ、その製造方法および強誘電体メモリ素子について更に詳細に説明する。
図３Ａは、本発明の一実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す図面である。図３Ａに示すように、本発明の強誘電体キャパシタは、下部電極３１、強誘電体層３２および上部電極３３を備える。
なお、下部電極３１は、請求の範囲における「第１電極層」に相当し、上部電極３３は、請求の範囲における「第２電極層」に相当するものである。
【００２２】
本発明では、下部電極３１を、ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つの第１金属と、他の第２金属と、を用いて合金電極として形成したものである。このとき、第２金属は、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉのうち、少なくとも何れか一つの金属とするのがよい。例えば、下部電極は、Ｉｒ−Ｔｉ合金より形成され、ここでＴｉは、０．０３＜Ｔｉ＜５０ａｔ％（ａｔｏｍｉｃ  ｐｅｒｃｅｎｔ（原子％））の範囲であることが好ましい。具体的な化学式で示すとＩｒ３Ｔｉの合金で形成するのがよい。また、下部電極３１の表面には、酸化による酸化層が更に形成され得る。例えば、Ｉｒ−ＴｉおよびＲｕ−Ｔｉのうち、少なくとも何れか一つである合金でなる下部電極３１の表面には、酸化によるＩｒＴｉＯｘおよびＲｕＴｉＯｘのうち、少なくとも何れか一つの酸化層が形成される。
【００２３】
強誘電体層３２は、ＰＺＴなどの強誘電性物質を含んで形成されているが、強誘電体キャパシタに強誘電性物質として一般的に使用されるものであれば特に制限されることなく用いることができる。強誘電性物質としては、具体的には、Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ（ＰＺＴ，ＰｂＺｒＴｉＯ３）、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔａ（ＳＢＴ，ＳｒＢｉＴａ２Ｏ９）、Ｂｉ−Ｌａ−Ｔｉ（ＢＬＴ，（ＢｉＬａ）４Ｔｉ３Ｏ１２）またはＢａ−Ｓｒ−Ｔｉ（ＢＳＴ，ＢａＳｒＴｉＯ３）などを使用することができる。また、上部電極３３は、下部電極３３と同じ物質を使用することができ、その他に一般的に使用する貴金属などの伝導性物質を使用できる。
【００２４】
図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る強誘電体キャパシタの３次元構造を示す図面である。これは、前記した図２Ａおよび図２Ｂに示す従来の強誘電体キャパシタの３次元構造体に対応するものである。
図３Ｂに示すように、強誘電体キャパシタは、伝導性プラグ２５上にＩｒまたはＲｕを備える合金電極を用いて下部電極３１を形成させ、その上部に強誘電体層３２および上部電極３３が順次に形成されている。図３Ｂを図２Ａおよび図２Ｂの従来技術による強誘電体キャパシタと比較すると、酸化防止膜、接着層および強誘電体層のためのシード層が必要ないことが分かる。もちろん、酸化防止膜、接着層および強誘電体層のためのシード層を更に付加して形成させてもよいことはいうまでもない。このときの下部電極３１、強誘電体層３２および上部電極３３は、前記した図３Ｂで説明した物質をそのまま使用することができる。
【００２５】
図３Ｂに示す本発明の一実施形態に係る強誘電体キャパシタの構造を図２ＡのキャパシタＣに使用すれば、強誘電体メモリ素子として応用することができる。
具体的には、図３Ｃに示すように、強誘電体メモリ素子は、半導体基板２１に所定の不純物をドーピングした第１不純物領域２２ａおよび第２不純物領域２２ｂを備えている。そして、第１不純物領域２２ａと第２不純物領域２２ｂとの間には、チャンネル領域２３が形成されており、チャンネル領域２３上にはゲート構造体２４が形成されている。そして、ゲート構造体２４は、ゲート絶縁層２４ａおよびゲート電極層２４ｂを備えている。
【００２６】
このような構造は、強誘電体メモリ素子における基本的な下部電極３１の構造であり、ドレインと呼ばれる第２不純物領域２２ｂと連結された伝導性プラグ２５の上部に図３Ｂに示す強誘電体キャパシタを形成することによって、図３Ｃに示す強誘電体メモリ素子として使用することができる。
【００２７】
このとき、半導体基板２１は、通常的に使用されるＳｉなどを用いることができる。また、ゲート絶縁層２４ａとしては、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などの酸化膜やその他の絶縁物質を用いることができる。そして、ゲート電極層２４ｂとしては、Ａｌ、ＰｔまたはＷのような伝導性物質を用いることができる。絶縁層２７ａとしては、ＳｉＯ２などの絶縁物質を用いることができる。
【００２８】
本発明の一実施形態に係る強誘電体キャパシタは、スパッタリングなどの物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）または原子核蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）によって形成することが可能である。例えば、下部電極３１を構成するＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つの物質と、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉのうち、少なくとも何れか一つとの同じ物質のターゲットをスパッタリング装置に装着して、スパッタリングを実施することで下部電極３１を形成することができる。このとき、各物質の個別ターゲットをチャンバ内に装着してコースパッタリングを実施するか、または合金ターゲット形態でスパッタリングを実施することで下部電極３１を形成することができる。
【００２９】
なお、酸化膜形態の下部電極３１を形成する場合には、酸素雰囲気下で実施するのがよい。
また、強誘電体層３２を形成する場合には、公知の手法を用いることで行うことができ、例えば、米国特許第６，３３７，２１６号または第６，６０５，８３５号に開示された強誘電体メモリ素子の製造方法を応用することができる。
【００３０】
具体的には、強誘電体キャパシタは、ＩｒおよびＲｕのうち、少なくとも何れか一つの第１金属と、第２金属と、を含む化合物より形成された下部電極３１（第１電極層）を形成するステップと、第１電極層上に強誘電体層３２を形成するステップと、強誘電体層３２上に上部電極３３（第２電極層）を形成するステップと、を含んでなる強誘電体キャパシタの製造方法によって製造することができる。
【００３１】
なお、本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、下部電極３１、強誘電体層３２および上部電極３３を形成するのに好ましい金属や化合物等については既に詳細に説明しているので、その説明を省略する。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例による強誘電体キャパシタの下部電極３１の特性について詳細に説明する。
表１は、各種のＴｉ組成でなるＩｒ−Ｔｉ合金で形成した下部電極について、初期蒸着状態の下部電極の試験片および高温酸化処理した下部電極の試験片の電気伝導度（比抵抗値）を測定して整理したものである。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１には、Ｉｒ−Ｔｉ合金でＴｉ組成（ａｔ％：ａｔｏｍｉｃ  ｐｅｒｃｅｎｔ）を０（Ａ試験片）、７（Ｂ試験片）、１５（Ｃ試験片）、２４（Ｄ試験片）、３８（Ｅ試験片）および４７（Ｆ試験片）ａｔ％に変化させつつ形成した場合、初期蒸着状態の下部電極の比抵抗値と、約５５０℃または約６００℃の酸素雰囲気下で約３０分間熱処理（高温酸化処理という）した後の比抵抗値とを表した。なお、各試験片のＴｉ組成は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定した。
【００３５】
表１に示すように、Ｔｉの組成を異ならせて形成したＩｒ−Ｔｉ合金に対して、高温酸化処理した後の比抵抗値は比較的に安定した分布を表していることが分かる。
【００３６】
特に、Ｂ試験片、Ｃ試験片、Ｄ試験片およびＥ試験片は、好適なＴｉ組成を有していたために、非常に優れた状態の比抵抗値の分布を表した。すなわち、Ｔｉの組成範囲が０．０３＜Ｔｉ＜５０ａｔ％であったので、比抵抗値が安定した分布を示し、強誘電体キャパシタの下部電極として優れた特性を表すことが確認できた。
【００３７】
中でも、Ｄ試験片（Ｉｒ：Ｔｉ＝７６：２４［ａｔ％］、すなわち、Ｉｒ３Ｔｉ）では、処理温度が約５５０℃および約６００℃の高温酸化処理を行った場合であっても、初期蒸着状態の試験片に比べて非常に低い比抵抗値を表すことが分かる。これは、酸素雰囲気下で高温酸化処理を実施することによって、Ｉｒ−Ｔｉ表面に極めて薄い自然酸化膜を形成し、Ｉｒ−Ｔｉ内部の酸化を抑制することができたために、低い比抵抗値を示したと考えられる。
【００３８】
しかし、Ｆ試験片は、高温酸化処理によって、むしろ比抵抗値が増加している。これは、高温酸化処理で酸素がＩｒ−Ｔｉの表面内部に浸透することによって比抵抗値が増加したものと考えられる。
【００３９】
Ｂ試験片、Ｃ試験片、Ｄ試験片およびＥ試験片は、高温酸化処理で比抵抗値を減少させることができたので、強誘電体の強誘電体キャパシタとしての優れた特性を備えることが可能である。
したがって、本発明の実施例による強誘電体メモリ素子の形成時に、Ｂ試験片、Ｃ試験片、Ｄ試験片およびＥ試験片に示されるようなＴｉの組成範囲（つまり、０．０３＜Ｔｉ＜５０ａｔ％）を有する下部電極を高温酸化処理することによって、安定した電極特性を具備させることができるので、図２Ｂに示すような、従来技術で一般的に使用される酸化防止膜２６を形成することを必ずしも必要としない。
また、Ｂ試験片、Ｃ試験片、Ｄ試験片およびＥ試験片は、高温酸化処理によってＩｒ−Ｒｕ合金電極の表面にＩｒ−Ｔｉ−Ｏのような酸化膜が形成された場合にも優れた特性を有し得る。すなわち、Ｂ試験片、Ｃ試験片、Ｄ試験片およびＥ試験片は、任意にＩｒ−Ｔｉ−Ｏ酸化膜を形成させた場合であっても、前記と同様に低い比抵抗値を具備し得る。
【００４０】
図４は、Ｔｉ−Ｉｒ合金の組成および温度変化による相変態図を示す。表１のＡ試験片、Ｂ試験片、Ｃ試験片、Ｄ試験片、およびＥ試験片のそれぞれが該当する組成領域を矢印で表示した。Ｂ試験片ないしＥ試験片には、特に、Ｉｒ３Ｔｉの中間化合物の組成が高い割合で含まれていることが分かる。Ｉｒ３ＴｉをＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ  Ｄｅｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）等を用いて分析すると、その結晶構造および格子定数（３．８４Å）が強誘電性物質であるＰＺＴと類似していることが分かる。したがって、その上部にＰＺＴのような強誘電性物質を形成させる場合、結晶成長を容易に誘導でき、格子不一致による格子欠陥を最小化させ得る。
【００４１】
次に、Ｉｒ−Ｔｉ合金電極上に形成させた強誘電体層、例えば、ＰＺＴ層を形成させる場合における、その結晶配向性について説明する。
図５Ａは、Ｉｒ単金属上、または、Ｉｒ５Ｔｉ、Ｉｒ５Ｔｉ２およびＩｒ５Ｔｉ３合金上に、強誘電層としてＰＺＴ薄膜を形成させて作製した４個の試験片を用いて、ＸＲＤによる結晶配向性を調査した結果を表すグラフである。
図５Ａを参照すると、（１００）、（１１０）および（１１１）の結晶配向性を有するＰＺＴ薄膜の形成ピークが各試験片で表されることが分かる。特に、（１１１）の結晶配向性は、Ｉｒ単金属上に形成させたＰＺＴ薄膜試験片では相対的に低く、Ｉｒ−Ｔｉの合金上に形成させたＰＺＴ薄膜試験片では高く表されることが分かる。
【００４２】
図５Ｂは、ＰＺＴ薄膜が安定する結晶方向である（１１１）のピークの相対的な強度を計算した結果を表すグラフである。
図５Ｂを参照すると、Ｉｒ単金属上に形成されたＰＺＴ薄膜の（１１１）の結晶配向性の強度が僅か４３％であり、相対的な（１１１）の結晶配向性が最も低いことがわかる。これに比べて、Ｉｒ５Ｔｉ、Ｉｒ５Ｔｉ２およびＩｒ５Ｔｉ３合金上にＰＺＴ薄膜を形成させた場合、何れもＩｒ単金属上に形成させたＰＺＴ薄膜より（１１１）の結晶配向性が高いことが分かる。
これらのことから、ＰＺＴ薄膜は、（１１１）の結晶方向で安定化することが分かる。つまり、Ｉｒ−Ｔｉ合金上でＰＺＴ薄膜を形成させる場合に格子欠陥を減らし得ることが分かる。
【００４３】
次いで、Ｉｒ単金属およびＩｒ−Ｒｕ合金の表面粗度の特性を説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ高温酸化処理を実施する前、および実施した後のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージを示す。
図６Ａの左側イメージは、Ａｒガス雰囲気下でＤＣスパッタリング処理において、Ｉｒターゲットを用いてＳｉ基板上にＩｒ単金属薄膜を約１００ｎｍの厚さに形成させたものである。このときの表面粗度は、約４．８Å（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）であった。
図６Ａの右側イメージは、Ａｒガス雰囲気下でＤＣスパッタリング処理において、ＩｒターゲットおよびＴｉターゲットを用いて、Ｓｉ基板上にＩｒ０．７６Ｔｉ０．２４薄膜を約１００ｎｍの厚さに形成させたものである。このときの表面粗度は、約５．０Å（ＲＭＳ）であった。
【００４４】
図６Ｂの左側イメージは、１００ｎｍ厚さのＩｒ単金属薄膜に対して約６００℃で３０分間熱処理を実施した試験片のＡＦＭイメージであって、表面粗度が約１３０Åに大きく増加したことが分かる。
図６Ｂの右側イメージは、１００ｎｍの厚さのＩｒ０．７６Ｔｉ０．２４薄膜に対して約６００℃で３０分間熱処理を実施した試験片のＡＦＭイメージであって、表面粗度が約２７Åであり、Ｉｒ単金属薄膜に比べて表面粗度の増加が小さいことがわかる。
【００４５】
図６Ｂに示すように、Ｉｒ単金属の場合、酸素雰囲気下で高温酸化処理を実施すれば、その表面酸化等により結晶粒相が突出し、結晶等のサイズが非常に不規則的に形成されるため、表面粗度が増加したことと思われる。
それに対し、Ｉｒ−Ｔｉ合金の場合、その結晶粒のサイズが高温熱処理後にもあまり変わらず、結晶粒は微細なサイズを有し、相対的に均一なサイズとして分布することと思われる。このように、表面粗度の小さな薄膜上に強誘電体物質を蒸着する場合、結晶成長に有利である。強誘電体物質の場合にも、平坦な構造上で成長させることが好ましく、仮に粗い表面で成長させた場合には、強誘電体層の表面粗度も上昇し、漏れ電流が増加するという問題点が発生し得ると考えられる。
【００４６】
図７Ａおよび図７Ｂは、Ｉｒ単金属またはＩｒ−Ｔｉ合金の電極上に強誘電性物質であるＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した後、その電気的な特性を測定して表したグラフである。ここで、横軸は、印加電圧を表し、縦軸は、分極値（μＣ／ｃｍ２）を表す。
【００４７】
図７Ａは、１００ｎｍのＩｒ単金属上にＰＺＴを５３０℃で約１２０ｎｍの厚さに蒸着し、その上部にＰｔ電極を約１００ｎｍの厚さに蒸着した試験片に関する。図７Ａを参照すると、３Ｖの電圧を印加したときの分極値は約７３μＣ／ｃｍ２と高い値を表している。印加電圧が３または−３Ｖ領域でグラフの端部が鋭くなくて鈍い状態である。これは、通常的に脱分極と漏れ電流の特性を表すことと知られている。抗電圧Ｖｃは、−Ｖｃ＝約−０．７２、＋Ｖｃ＝０．８７である。したがって、グラフが全体的に＋電圧領域に偏っていることが分かる。結果的に、Ｉｒ単金属を下部電極として使用した場合、ＰＺＴ薄膜は安定した特性を表していないことが分かる。
【００４８】
図７Ｂは、１００ｎｍのＩｒ０．７６Ｔｉ０．２４合金薄膜上にＰＺＴを５３０℃で約１２０ｎｍの厚さに蒸着し、その上部にＰｔ電極を約１００ｎｍの厚さに蒸着した試験片に関する。図７Ｂを参照すると、印加電圧が３または−３Ｖ領域でグラフの端部が鋭くつながっていることが分かる。そして、分極値が７７μＣ／ｃｍ２と高く、漏れ電流の特性が表れず、抗電圧Ｖｃも−Ｖｃ＝−０．８、＋Ｖｃ＝０．８３であることから、安定していることが分かる。結果的に、Ｉｒ０．７６Ｔｉ０．２４合金薄膜上にＰＺＴ薄膜を形成すると、ＰＺＴ薄膜が安定化することが分かる。
【００４９】
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、発明の範囲を限定するより、好ましい実施例の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施例の内容に限定されるものではなく、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】
【００５０】
本発明は、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】
【００５１】
【図１】従来技術による強誘電体キャパシタの構造を示す図面である。
【図２Ａ】従来技術による３次元強誘電体キャパシタの構造を示す図面である。
【図２Ｂ】図２Ａの強誘電体キャパシタＣの部分を拡大して示す図面である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す図面である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す図面である。
【図３Ｃ】本発明の位置実施形態に係る強誘電体メモリ素子を示す図面である。
【図４】Ｔｉ−Ｉｒ合金の組成および温度変化による相変態図を示すグラフである。
【図５Ａ】Ｉｒ単一金属層とＩｒ５Ｔｉ、Ｉｒ５Ｔｉ２およびＩｒ５Ｔｉ３の合金との合金膜上にＰＺＴ薄膜を形成させた４個の試験片に対してＸＲＤで結晶配向性を調べて示す図面である。
【図５Ｂ】Ｉｒ単一金属層とＩｒ５Ｔｉ、Ｉｒ５Ｔｉ２およびＩｒ５Ｔｉ３の合金との合金膜上にＰＺＴ薄膜を形成させた４個の試験片に対してＸＲＤで結晶配向性を調べて示す図面である。
【図６Ａ】Ｉｒ単金属およびＩｒ−Ｒｕ合金に対して高温酸化処理を実施する前のＡＦＭイメージである。
【図６Ｂ】Ｉｒ単金属およびＩｒ−Ｒｕ合金に対して高温酸化処理を実施する後のＡＦＭイメージである。
【図７Ａ】Ｉｒ単金属およびＩｒ−Ｔｉ合金の電極上に強誘電性物質であるＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成させた後、その電気的特性を測定して示すグラフである。
【図７Ｂ】１００ｎｍのＩｒ０．７６Ｔｉ０．２４合金の電極上にＰＺＴを５３０℃で約１２０ｎｍの厚さに蒸着し、その上部にＰｔ電極を約１００ｎｍの厚さに蒸着した後、その電気的特性を測定して示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１１    下部構造体
１２    下部電極
１２ａ  貴金属合金電極層
１２ｂ  貴金属合金酸化物層
１３    上部電極
２１    半導体基板
２２ａ  第１不純物領域
２２ｂ  第２不純物領域
２３    チャンネル領域
２４    ゲート構造体
２４ａ  ゲート絶縁層
２４ｂ  ゲート電極層
２５    伝導性プラグ
２６    酸化防止膜
２７ａ、２７ｂ  絶縁層
２８ａ  接合層
２８ｂ  シード層
３１    下部電極
３２    強誘電体層
３３    上部電極
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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