(57)【要約】      （修正有）【課題】強誘電体層を構成する結晶との格子不整合がきわめて少ない電極を形成する。【解決手段】下部電極２０４を構成する原子を含むスパッタターゲットから、該原子をそれぞれ略同じ方向Ａに飛散させる飛散ステップと、下部電極２０４を形成する形成面１８０が、該方向に対して斜めになるようにウェハを配置する配置ステップと、飛散した原子を形成面１８０に堆積させる堆積ステップとを備えた電極形成方法。飛散した原子の平均自由工程が、スパッタターゲットと形成面１８０との距離より長くなるように、該距離を制御するのが好ましい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に電極を形成する電極形成方法であって、
前記電極を構成する原子を含むスパッタターゲットから、当該原子をそれぞれ略同じ方向に飛散させる飛散ステップと、
前記基体における、前記電極を形成する形成面が、前記方向に対して斜めになるように前記基体を配置する配置ステップと、
飛散した前記原子を前記形成面に堆積させる堆積ステップと
を備えたことを特徴とする電極形成方法。
【請求項２】
前記飛散ステップは、飛散した前記原子の平均自由工程が、前記スパッタターゲットと前記形成面との距離より長くなるように、前記スパッタターゲットと前記形成面との間の空間の圧力を制御することを特徴とする請求項１に記載の電極形成方法。
【請求項３】
前記配置ステップは、飛散した前記原子の平均自由工程が、前記スパッタターゲットと前記形成面との距離より長くなるように、前記基体を配置することを特徴とする請求項１に記載の電極形成方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか記載の電極形成方法により基体に電極を形成する電極形成ステップと、
前記電極上に強誘電体層を形成する強誘電体層形成ステップと
を備えたことを特徴とするキャパシタ製造方法。
【請求項５】
前記配置ステップは、前記電極の結晶格子面と、前記強誘電体層の結晶格子面とに基づいて、前記基体を配置することを特徴とする請求項４に記載のキャパシタ製造方法。
【請求項６】
前記配置ステップは、前記強誘電体層を形成する面における前記電極の結晶格子面の面積が、前記強誘電体層の結晶格子面の面積と略等しくなるように、前記基体を配置することを特徴とする請求項５に記載のキャパシタ製造方法。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか記載のキャパシタ製造方法により製造されたキャパシタを備えたことを特徴とするメモリ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のキャパシタを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極形成方法、キャパシタ製造方法、メモリ装置、及び電子機器に関する。
【０００２】
【背景の技術】
従来の強誘電体キャパシタを有する半導体装置として、特開２０００−１５６４７１号公報（特許文献１）に開示されたものがある。上記特許文献１には、白金からなる下部電極と、当該下部電極上に形成された強誘電体薄膜と、当該強誘電体薄膜上に形成された上部電極とを備えた半導体装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５６４７１号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献に開示された従来の半導体装置では、下部電極と強誘電体薄膜との格子不整合が大きく、歪の少ない強誘電体薄膜を下部電極上に形成するのが困難であった。
【０００４】
よって、本発明は、上記の課題を解決することのできる電極形成方法、キャパシタ製造方法、メモリ装置、及び電子機器を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の形態によれば、基体に電極を形成する電極形成方法であって、電極を構成する原子を含むスパッタターゲットから、当該原子をそれぞれ略同じ方向に飛散させる飛散ステップと、基体における、電極を形成する形成面が、方向に対して斜めになるように基体を配置する配置ステップと、飛散した原子を形成面に堆積させる堆積ステップとを備えた電極形成方法を提供する。これにより、電極上に形成される誘電体層、導電層、半導体層等と当該電極との歪を低減させることができる。
【０００６】
また、飛散ステップは、飛散した原子の平均自由工程が、スパッタターゲットと形成面との距離より長くなるように、スパッタターゲットと形成面との間の空間の圧力を制御することが好ましい。また、配置ステップは、飛散した原子の平均自由工程が、スパッタターゲットと形成面との距離より長くなるように、基体を配置してもよい。これにより、所望の角度に配向した結晶により電極を形成することができる。
【０００７】
本発明の第２の形態によれば、上記の電極形成方法により基体に電極を形成する電極形成ステップと、電極上に強誘電体層を形成する強誘電体層形成ステップとを備えたキャパシタ製造方法を提供する。これにより、強誘電体層と電極との歪がきわめて少なく、良好な電気特性を有するキャパシタを提供することができる。
【０００８】
また、配置ステップは、電極の格子定数と、強誘電体層の格子定数とに基づいて、基体を配置することが好ましく、また、配置ステップは、強誘電体層を形成する面における電極の結晶格子面の面積が、強誘電体層の結晶格子面の面積と略等しくなるように、基体を配置するのがさらに好ましい。これにより、強誘電体層を構成する材料にあわせて、電極を構成する結晶の配向方向を定めることができる。
【０００９】
また、本発明の第３の形態によれば、上記のキャパシタ製造方法により製造されたキャパシタを備えたメモリ装置を提供する。メモリ装置は、上記キャパシタを備えた強誘電体メモリ、並びに上記キャパシタ及びロジック回路を備えた混載デバイスその他の上記キャパシタを備えた半導体装置を含む。
【００１０】
また、本発明の第４の形態によれば、上記のキャパシタを備えた電子機器を提供する。電子機器は、パーソナルコンピュータ、ゲーム機、携帯情報端末、携帯通信機器、ＩＣカードその他の上記メモリ装置を備えた機器を含む。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係るメモリ装置１００を示す図である。メモリ装置１００は、電荷を蓄積することによりデータを記憶するキャパシタ２００と、キャパシタ２００を構成する一方の電極に電気的に接続され、キャパシタ２００に電圧を印加するか否かを切り替えるトランジスタ１１０と、トランジスタ１１０のゲートに電気的に接続されたワード線１２０と、トランジスタ１１０のソース又はドレインに電気的に接続されたビット線１３０と、キャパシタ２００の他方の電極に電気的に接続されたプレート線１４０とを備える。
【００１３】
メモリ装置１００の動作について説明する。キャパシタ２００にデータを書き込む場合、データを書き込むキャパシタ２００に対応するビット線１３０及びプレート線１４０を所定の電圧にチャージする。そして、当該キャパシタ２００に対応するワード線１２０を所定の電圧にチャージしてトランジスタ１１０をオンにすることにより、キャパシタ２００に電荷を蓄積させる。キャパシタ２００は、後述するように強誘電体層を備えて構成されているため、当該強誘電体層の残留分極特性により、メモリ装置１００の電源を切った場合であっても、キャパシタ２００は書き込まれたデータを保持することができる。
【００１４】
一方、キャパシタ２００に書き込まれたデータを読み出す場合は、データを読み出すキャパシタ２００に対応するワード線１２０を所定の電圧にチャージしてトランジスタ１１０をオンにすることにより、キャパシタ２００からビット線１３０に流れ出る電荷を、当該ビット線１３０に電気的に接続されたセンスアンプ等により検出し、当該キャパシタ２００に保持されたデータを判定する。
【００１５】
図２は、キャパシタ２００の一例を示す図である。キャパシタ２００は、電界を生成する上部電極２０２及び下部電極２０４、並びに上部電極２０２と下部電極２０４との間に設けられた強誘電体層２０６を有する。上部電極２０２及び下部電極２０４は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ）等の貴金属材料により形成されるのが望ましい。本実施形態において上部電極２０２及び下部電極２０４は、白金により構成されている。
【００１６】
下部電極２０４は、ウェハ３２０おいて下部電極を形成する面である形成面１８０に、下部電極２０４を構成する原子を堆積させることにより形成される。形成面１８０は、ウェハ３２０の表面であってもよく、また、ウェハ３２０に形成された絶縁層、半導体層、導電層等の表面であってもよい。そして、下部電極２０４上に強誘電体層２０６を形成し、強誘電体層２０６上に上部電極２０２を形成することにより、キャパシタ２００を形成する。上部電極２０２及び下部電極２０４は、スパッタリング法により形成されるのが望ましい。
【００１７】
図３は、下部電極２０４を形成するスパッタ装置３００の一例を示す図である。スパッタ装置３００は、下部電極２０４を構成する原子を含むスパッタターゲット３１０と、下部電極２０４が形成されるウェハ３２０が載置されたウェハステージ３３０と、スパッタターゲット３１０、ウェハ３２０、及びウェハステージ３３０を格納する筐体３４０と、筐体３４０の内部圧力を減圧する減圧手段３５０と、筐体３４０の内部にプラズマを生成するプラズマ生成手段３６０とを備える。以下において、スパッタ装置３００を用いて本実施形態の下部電極２０４を形成する方法について説明する。
【００１８】
まず、スパッタターゲット３１０から、スパッタターゲット３１０を構成する原子、すなわち、下部電極２０４を構成する白金原子をはじき出す。具体的には、減圧手段３５０により減圧された筐体３４０において、プラズマ生成手段３６０によりスパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間にプラズマを生成する。そして、例えばアルゴンイオン等の、生成されたプラズマ中の正イオンをスパッタターゲット３１０に衝突させることにより、スパッタターゲット３１０から、スパッタターゲット３１０を構成する白金原子がはじき出される。
【００１９】
次に、スパッタターゲット３１０からはじき出された白金原子を略一定の方向に飛散させる。すなわち、スパッタターゲット３１０からはじき出された多数の白金原子をそれぞれ略同じ方向に飛散させる。本実施形態では、はじき出された白金原子を、スパッタターゲット３１０におけるウェハ３２０と対向する面、又はスパッタターゲット３１０が配置される面に対して、略垂直な方向に飛散させる。
【００２０】
具体的には、はじき出された白金原子の、筐体３４０の内部における平均自由工程が、スパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間の距離より長くなるように、スパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間の空間の圧力を制御することにより、はじき出された白金原子を略同じ方向に飛散させる。また、はじき出された白金原子の、筐体３４０の内部における平均自由工程が、スパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間の距離より長くなるように、スパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間の距離を制御してもよい。
【００２１】
本実施形態では、白金原子の平均自由工程が、スパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間の距離より長くなるように、プロセスパラメータを制御することにより、白金原子を略一定の方向に飛散させているが、はじき出された白金原子を物理的に制御することにより、一定の方向に飛散させてもよい。例えば、スパッタ装置３００は、スパッタターゲット３１０とウェハ３２０との間に、はじき出された白金原子のうち、飛散させたい方向と略平行な方向にエネルギーを有する白金原子を通過させる複数の開口が設けられたコリメータを備えたコリメートスパッタ装置であってもよい。
【００２２】
また、スパッタ装置３００は、はじき出された白金原子をイオン化する手段を有するイオン化スパッタ装置、スパッタターゲット３１０にイオンビームを衝突させることにより白金原子をはじき出すイオンビームスパッタ装置、又はウェハ３２０に負のバイアスを印加する手段を有するバイアススパッタ装置等の、はじき出された白金原子を物理化学的又は電気的に一定の方向に飛散させる装置であってもよい。
【００２３】
図４は、スパッタターゲット３１０からはじき出され、略一定の方向に飛散した白金原子が、ウェハ３２０に堆積する様子を模式的に示した図である。同図において、方向Ａは、スパッタターゲット３１０から白金原子が飛散する方向を示す。方向Ｂは、下部電極２０４が形成される形成面１８０に対して略垂直な方向を示す。また、方向Ｃは、形成面１８０に形成された白金結晶の配向方向を示す。
【００２４】
スパッタターゲット３１０からウェハ３２０に向かって飛散した白金原子は、所定の面方位に配向した結晶を構成するようにウェハ３２０に堆積するため、当該面方位が、ウェハ３２０において下部電極２０４を形成する形成面１８０に対して斜めになるように、白金原子をウェハ３２０に堆積させる。すなわち、同図において、白金結晶が、形成面１８０に対して略垂直な方向Ｂに対して斜めの方向Ｃに沿って、＜１１１＞方向に配向するように、飛散した白金原子をウェハ３２０に堆積させる。
【００２５】
具体的には、白金原子が飛散する方向に対して、ウェハ３２０の形成面１８０が斜めになるように、スパッタ装置３００において予めウェハ３２０を傾けて配置する。これにより、スパッタターゲット３１０からはじき出され、略一定の方向に飛散した白金原子が形成面１８０に対して斜めに入射し堆積するため、形成面１８０において白金結晶が配向する方向を、形成面１８０に対して斜めにすることができる。具体的には、白金結晶がウェハ３２０において配向する＜１１１＞方向（方向Ｃ）を、形成面１８０に対して斜めにすることができる。
【００２６】
白金原子が飛散する方向に対する形成面１８０の角度は、下部電極２０４と強誘電体層２０６とが接する面における、下部電極２０４及び強誘電体層２０６を構成する複数の原子により規定される結晶格子面の面積に基づいて定められる。具体的には、下部電極２０４において強誘電体層２０６を形成する面における、下部電極２０４を構成する結晶の結晶格子面の面積が、強誘電体層２０６を構成する結晶の結晶格子面の面積と略等しくなるように当該角度を求める。下部電極２０４を構成する結晶の格子定数がａであり、強誘電体層２０６を構成する結晶の格子定数がｂである場合、当該角度θは、以下の式により定められる。
【００２７】
θ＝ｃｏｓ−１（ｂ２／ａ２）          式（１）
例えば、当該面において下部電極２０４を構成する原子により規定される結晶格子面の面積αと、下部電極２０４における当該領域を構成する原子に対応する、強誘電体層２０６を構成する原子により規定される結晶格子面の面積βとが略等しくなるように定められるのが好ましい。
【００２８】
例えば、下部電極２０４を構成する白金結晶は＜１１１＞方向に配向している場合、そして、白金結晶の（１１１）面を形成面１８０に対して角度θ傾けた場合、下部電極２０４と強誘電体層２０６とが接する面における、上記三角形の見かけ上の面積α´は、α´＝√３／２×ａ２ｃｏｓθとなる。
【００２９】
強誘電体層２０６において（１１１）面における√２×ａを一辺とする正三角形の面積αは、α＝√３／２×ａ２である。（１１１）面における√２×ｂを一辺とする正三角形の面積βはβ＝√３／２×ｂ２である。ここで、面積α´と面積βが略等しくなるように角度θを定めれば、下部電極２０４と強誘電体層２０６との格子不整合を低減させることができる。したがって、√３／２×ａ２×ｃｏｓθ＝√３／２×ｂ２であり、（１）式で表される結果になる。
【００３０】
図５は、角度θと面積α´との関係を示す図である。同図において、横軸は角度θを示し、縦軸は面積α´（θ＝０の場合はα）を示す。また、曲線は、白金の（１１１）面における角度θと面積α´との関係を示す。また、強誘電体層２０６を構成する材料の一例として、白金の（１１１）面に成長しやすい、チタン酸ストロンチウムの（１１１）面の面積β＝１３．２４×１０２ｎｍ２、及びチタン酸ビスマス（１０８）面の面積β＝１３．１７×１０２ｎｍ２を示す。
【００３１】
同図に示すように、白金の（１１１）面における面積α´と、チタン酸ストロンチウムの（１１１）面における面積βとを略一致させるには、角度θを５．０〜６．５度程度に設定すればよい。また、白金の（１１１）面における面積α´と、の（１１１）面におけるチタン酸ビスマスの面積βとを略一致させるには、角度θを７．５〜９．０度程度に設定すればよい。このように、強誘電体層２０６を構成する強誘電体材料及び当該材料の結晶面に基づいて、面積α´が面積βと略等しくなるように角度θを設定することにより、下部電極２０４と強誘電体層２０６との格子不整合を低減させることができる。
【００３２】
図６は、本発明のメモリ装置を備えた電子機器の一例であるパーソナルコンピュータ１０００の構成を示す斜視図である。図６において、パーソナルコンピュータ１０００は、表示パネル１００２と、キーボード１００４を有する本体部１００６とを備える。当該パーソナルコンピュータ１０００の本体部１００６の内蔵基板等において、本発明のメモリ装置が利用されている。
【００３３】
上記発明の実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るメモリ装置１００を示す図である。
【図２】キャパシタ２００の一例を示す図である。
【図３】スパッタ装置３００の一例を示す図である。
【図４】スパッタターゲット３１０からはじき出され、略一定の方向に飛散した白金原子が、ウェハ３２０に堆積し、白金の（１１１）面が角度θ傾いて成長する様子を模式的に示した図である。
【図５】角度θと面積α´及び面積βとの関係を示す図である。
【図６】本発明のメモリ装置を備えた電子機器の一例であるパーソナルコンピュータ１０００の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００・・メモリ装置、１１０・・トランジスタ、１２０・・ワード線、１３０・・ビット線、１４０・・プレート線、１８０・・形成面、２００・・キャパシタ、２０２・・上部電極、２０４・・下部電極、２０６・・強誘電体層、３００・・スパッタ装置、３１０・・スパッタターゲット、３２０・・ウェハ、３３０・・ウェハステージ、３４０・・筐体、３５０・・減圧手段、３６０・・プラズマ生成手段、１０００・・パーソナルコンピュータ、１００２・・表示パネル、１００４・・キーボード、１００６・・本体部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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