(57)【要約】【課題】微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、下地となる第１の電極１８と、第１の電極１８の上に形成された強誘電体膜よりなる容量絶縁膜１９と、容量絶縁膜１９の上に形成された第２の電極２０とを有する半導体装置であって、第１の電極１８と容量絶縁膜１９との界面近傍における強誘電体膜の結晶粒の平均粒径は、５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下である。【選択図】      図４
2004363492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地となる第１の電極と、前記第１の電極の上に形成された強誘電体膜よりなる容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜の上に形成された第２の電極とを有する半導体装置であって、
前記第１の電極と前記容量絶縁膜との界面近傍における前記強誘電体膜の結晶粒の平均粒径は、５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記強誘電体膜の結晶粒のうち、前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる電界の方向に対してプラスマイナス３０度以内に配向している結晶粒の割合が２５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記強誘電体膜の膜厚は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記強誘電体膜の結晶粒の平均粒径に対する前記結晶粒の粒径の分布は、相対標準偏差で１５％以内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記強誘電体膜の表面における平均面から最高部までの距離および前記平均面から最低部までの距離との差は、前記強誘電体膜の平均膜厚に対して１５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも１つの電極の面積が、１μｍ２  以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記強誘電体膜は、酸化ビスマスランタンチタン膜、酸化ストロンチウムタンタル膜及び酸化ストロンチウムタンタルニオブ膜の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
【請求項８】
前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも１つの電極は、白金膜、イリジウム膜、ルテニウム膜、酸化白金膜、酸化イリジウム膜及び酸化ルテニウム膜の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
下地となる第１の電極の上に強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記容量絶縁膜を形成する工程は、前記強誘電体膜を前記強誘電体膜の上面側と下面側とから加熱する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記強誘電体膜を加熱する工程は、前記強誘電体膜の下面側から供給される熱量に対する前記強誘電体膜の上面側から供給される熱量の割合が４分の１以上で且つ４分の３以下であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記強誘電体膜を加熱する工程は、０．１℃／秒以上で且つ５０℃／秒以下の昇温レートで前記強誘電体膜に対して加熱する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを処理及び保存する傾向が推進されている状況において、電子機器が一段と高度化していると共に電子機器に使用される半導体装置における半導体素子の微細化が急速に進んできている。それに伴って、ダイナミックランダムアクセスメモリの高集積化を実現するために、従来の珪素酸化物又は珪素窒化物に代えて高誘電体材料を容量絶縁膜材料として用いる技術が広く研究開発されている。また、従来にない低動作電圧と従来にない高速の書き込み及び読み出しとを可能にする不揮発性メモリの実用化を目指して、自発分極特性を有する強誘電体材料からなる強誘電体膜を用いた半導体記憶装置に関する研究開発が盛んに行われおり、キロビットクラスの不揮発性メモリが実用化されている。
【０００３】
現在、強誘電体膜を用いた不揮発性メモリのさらなる高集積化を実現するため、容量素子の電極の小面積化及び強誘電体膜よりなる容量絶縁膜の薄膜化によって容量素子の微細化を図る研究開発が特に盛んに行われている。
【０００４】
強誘電体膜を用いた高集積不揮発性メモリを実現するためには、微細な容量素子をその特性を劣化させることなく、ＣＭＯＳ集積回路に集積化できる手法を開発することが重要である。
【０００５】
強誘電体膜を用いた従来の高集積不揮発性メモリの場合、強誘電体膜が不揮発性メモリにとって不可欠なデータ保持に必要な分極特性を十分に発揮するためには、強誘電体膜は大きな粒径を有する結晶粒により構成される必要がある。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３１３５４８３号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極面積が小さく且つ薄膜の強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる微細な容量素子の場合、すなわち強誘電体膜の体積が小さい場合において、強誘電体膜の結晶粒の粒径を大きくすると、下地となる電極に用いられる材料と強誘電体膜に用いられる材料との格子整合により、強誘電体膜の結晶粒は非分極方向に配向するので、強誘電体膜は小さい分極量しか得ることができない。このため、強誘電体膜は不揮発性メモリに必要な分極特性を得ることができなかった。
【０００８】
前記に鑑み、本発明は、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本件発明者らは、微小な体積を有する強誘電体膜の特性が劣化する理由について検討を加えた。その結果、特に、微小な体積を有する強誘電体膜においては、強誘電体膜の結晶粒の粒径と強誘電体膜の結晶粒の配向との間に密接な関係があることを見出すことにより、微少な体積を有する強誘電体膜の特性が劣化する理由を解明した。
【００１０】
本件発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、本発明に係る半導体装置は、下地となる第１の電極と、第１の電極の上に形成された強誘電体膜よりなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜の上に形成された第２の電極とを有する半導体装置であって、第１の電極と容量絶縁膜との界面近傍における強誘電体膜の結晶粒の平均粒径は、５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下である。
【００１１】
本発明に係る半導体装置によると、第１の電極と容量絶縁膜との界面近傍における強誘電体膜の結晶粒の平均粒径が、５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下であるため、強誘電体膜の結晶粒が強誘電体膜の材料と電極の材料との格子整合により非分極方向へ配向することが抑制されると共に、強誘電体膜を構成する結晶粒は第１の電極と第２の電極との間に生じる電界の方向と略平行に配向するので、優れた分極特性を有する微細な強誘電体膜を得ることができる。これにより、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００１２】
本発明に係る半導体装置において、強誘電体膜の結晶粒のうち、第１の電極と第２の電極との間に生じる電界の方向に対してプラスマイナス３０度以内に配向している結晶粒の割合が２５％以上であれば、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００１３】
本発明に係る半導体装置において、強誘電体膜の膜厚は、１００ｎｍ以下の場合であっても、強誘電体膜の結晶粒の平均粒径が５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下であることにより、強誘電体膜の膜厚方向に強誘電体膜の結晶粒の粒数を多くできるため、強誘電体膜の結晶粒は第１の電極と第２の電極との間に生じる電界の方向と略平行に配向するので、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００１４】
本発明に係る半導体装置において、強誘電体膜の結晶粒の平均粒径に対する結晶粒の粒径の分布は、相対標準偏差で１５％以内の場合に、強誘電体膜の結晶粒は第１の電極と第２の電極との間に生じる電界の方向と略平行に配向するので、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００１５】
本発明に係る半導体装置において、前記強誘電体膜の表面における平均面から最高部までの距離と前記平均面から最低部までの距離との差は、前記強誘電体膜の平均膜厚に対して１５％以下の場合に、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できると共に、リーク電流値が低減された半導体装置を提供できる。
【００１６】
本発明に係る半導体装置において、前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも１つの電極の面積が１μｍ２  以下であれば、微少な体積を有し且つ優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００１７】
本発明に係る半導体装置において、強誘電体膜は、酸化ビスマスランタンチタン膜、酸化ストロンチウムタンタル膜及び酸化ストロンチウムタンタルニオブ膜の少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００１８】
このようにすると、微少な体積を有し且つ優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００１９】
本発明に係る半導体装置において、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも１つの電極は、白金膜、イリジウム膜、ルテニウム膜、酸化白金膜、酸化イリジウム膜及び酸化ルテニウム膜の少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００２０】
このようにすると、微少な体積を有し且つ優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００２１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、下地となる第１の電極の上に強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、容量絶縁膜を形成する工程は、強誘電体膜をこの強誘電体膜の上面側と下面側とから加熱する工程を含む。
【００２２】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、強誘電体膜の下面側と上面側とから強誘電体膜を加熱するため、加熱時における強誘電体膜の膜厚方向の温度分布を小さくできるので、強誘電体膜中の全体において均一に核形成及び核成長が生じる。これにより、結晶性が良く且つ結晶粒の粒径が小さい結晶粒を有する強誘電体膜を形成できるので、微少な体積を有し且つ優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００２３】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、強誘電体膜を加熱する工程は、強誘電体膜の下面側から供給される熱量に対する強誘電体膜の上面側から供給される熱量の割合が４分の１以上で且つ４分の３以下が好ましい。
【００２４】
このようにすると、加熱時における強誘電体膜の膜厚方向の温度分布を均一にできるので、強誘電体膜中の全体において核形成及び核成長が生じる。これにより、結晶性が良く且つ結晶粒の粒径が小さい結晶粒を有する強誘電体膜を形成できるので、微少な体積を有し且つより優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００２５】
本発明の半導体装置の製造方法において、強誘電体膜を加熱する工程は、０．１℃／秒以上で且つ５０℃／秒以下の昇温レートで強誘電体膜に対して加熱する工程を含むことが好ましい。
【００２６】
このようにすると、強誘電体膜中において結晶核を発生させる温度領域で加熱する時間を長くできるので、結晶核の発生数を増加させると共に結晶核の成長を促進させる。これにより、結晶性が良く且つ結晶粒の粒径が小さい結晶粒を有する強誘電体膜を形成できるので、微少な体積を有し且つより優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
本発明の一実施形態は、強誘電体膜の両面に電極を有する強誘電体キャパシタ、ＭＦＳ（Ｍｅｔａｌ／Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ）の積層構造を有するＭＦＳ型トランジスタ、ＭＦＩＳ（Ｍｅｔａｌ／Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の積層構造を有するＭＦＩＳ型トランジスタ又はＭＦＭＩＳ（  Ｍｅｔａｌ／Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ／Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の積層構造を有するＭＦＭＩＳ型トランジスタ等の半導体装置に広く用いられるが、本発明の一実施形態に係る半導体装置の一例について、図１を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示すように、半導体基板１０の表面部に素子分離領域１１を形成することにより、トランジスタ領域を区画する。その後、該トランジスタ領域の半導体基板１０の上にゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１３を形成する。また、ゲート電極１３をマスクとして半導体基板１０に低濃度の不純物をイオン注入した後、ゲート絶縁膜１２及びゲート電極１３を覆うように第１の保護絶縁膜１４を形成する。その後、ゲート電極１３及び第１の保護絶縁膜１４をマスクとして半導体基板１０に高濃度の不純物をイオン注入する。これにより、メモリセルを構成する電界効果型トランジスタのソース領域又はドレイン領域となり且つＬＤＤ構造を有する不純物拡散層１５が形成される。
【００３０】
次に、半導体基板１０の上に全面に亘って第２の保護絶縁膜１６を形成した後、ドライエッチングにより第２の保護絶縁膜１６にコンタクトホールを形成する。次に、ＣＶＤ法により、コンタクトホールの内部及び第２の保護絶縁膜１６の上に全面に亘ってタングステン又はポリシリコン膜からなる導電膜を堆積する。その後、エッチバック又はＣＭＰ法により、第２の保護絶縁膜１６の上面に堆積されている導電膜を除去する。これにより、メモリセルを構成する電界効果型トランジスタの不純物拡散層１５のうちソース領域又はドレイン領域のいずれか一方と接続するコンタクトプラグ１７が形成される。
【００３１】
次に、スパッタリング法により、第２の保護絶縁膜１６の上に全面に亘って、下から順にチタン膜、窒化チタン膜、イリジウム、酸化イリジウム膜及び白金膜を堆積することにより積層膜を形成した後、該積層膜をドライエッチングによりパターニングする。これにより、コンタクトプラグ１７と接続する第１の電極１８が形成される。
【００３２】
次に、有機金属分解法（ＭＯＤ法）、有機金属化学的気相成膜法（ＭＯＣＶＤ法）又はスパッタリング法により、第１の電極１８を覆うように第２の保護絶縁膜１６の上に全面に亘って、ビスマス層状ペロブスカイト構造を有するチタン酸ビスマスランタンからなり１００ｎｍ以下の膜厚を有する強誘電体膜（後述で詳細する）を堆積した後、該強誘電体膜をパターニングする。これにより、強誘電体膜よりなる容量絶縁膜１９が形成される。尚、容量絶縁膜１９は、複数の第１の電極１８の上に跨ると共に各第１の電極１８の外側まで延びるように形成されている。
【００３３】
次に、容量絶縁膜１９の上に全面に亘って、下から順に白金膜及びチタン膜が堆積されてなる積層膜又は下から順に白金膜及び窒化チタン膜が堆積されてなる積層膜を形成した後、該積層膜をドライエッチングによりパターニングして第２の電極２０を形成する。これにより、第１の電極１８、容量絶縁膜１９及び面積が１μｍ２  以下の第２の電極２０からなる容量素子が形成される。
【００３４】
次に、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜について図２〜図７を参照しながら説明する。
【００３５】
まず、強誘電体膜の結晶構造と分極方向とについて簡単に説明する。
【００３６】
一般に、強誘電体膜は等方な結晶構造を有するものではなく、自発分極の分極値が大きな値を有する分極方向、自発分極の分極値が小さな値を有する分極方向又は自発分極を起こさない非極性方向からなる非対称な結晶構造を持つ。
【００３７】
図２は、強誘電体膜に用いられる強誘電体の材料であるチタン酸ビスマスランタンの単位結晶格子の模式図を示している。尚、図２において、◎で囲まれたＬａ（ランタン）はペロブスカイト構造を構成し、強誘電体膜の特性に大きな影響を及ぼす元素を示し、○で囲まれたＢｉはペロブスカイト構造の近傍に位置し、強誘電体膜の特性に大きな影響を及ぼさない元素を示し、白丸はＯ（酸素）を示し、黒丸はＴｉ（チタン）を示している。
【００３８】
図２に示すように、チタン酸ビスマスランタンは、ａ軸方向及びｂ軸方向を含むａｂ面内に自発分極が大きい方向を有すると共に、ｃ軸方向に自発分極が小さい方向を有する結晶構造を持つ。不揮発性メモリとしてデータを保持するためには、チタン酸ビスマスランタンが大きな分極値を示すａｂ面を強誘電体膜の下地となる電極と強誘電体膜を挟んで対向する電極との間に生じる電界の方向に対して略平行に配置しなければならない。
【００３９】
しかしながら、従来の強誘電体成膜方法では、大きな粒径を有する結晶粒からなる強誘電体膜を有する微細な容量素子を形成する場合も、微少な粒径だけからなる強誘電体膜を有する微細な容量素子を形成する場合のいずれでも小さな分極量を得ることしかできず、不揮発性メモリとして必要な分極特性を得ることができない。
【００４０】
そこで、本件発明者らは、微小な体積の強誘電体膜の分極特性が劣化する理由について検討を加えた。すなわち、前記従来例のように、大きな粒径を有する結晶粒からなる強誘電体膜を解析すると、強誘電体膜の結晶粒は分極量が小さい方向へ配向しており、そのため強誘電体膜の分極量が小さくなることが判明した。
【００４１】
図３は、下地となる電極３８と大きな粒径を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜３９とにおける結晶粒の概略模式図を示している。
【００４２】
図３から明らかなように、下地となる電極３８の上に大きな粒径を有する結晶粒からなる強誘電体膜よりなる容量絶縁膜３９を形成すると、下地となる電極３８を構成する積層された白金等の白金系材料の結晶粒３８ａと容量絶縁膜３９を構成する強誘電体膜の結晶粒３９ａとの格子歪みが一番小さくなる方向３１、すなわち分極量が小さくなる方向に強誘電体膜の結晶粒３９ａは配向する。このため、強誘電体膜の分極量は小さくなるので、得られる微細な容量素子は不揮発性メモリとして十分な分極量を確保することができない。
【００４３】
これらに鑑みて、本件発明者らは、前記図１に示した容量絶縁膜１９の下地となる第１の電極１８を構成する結晶粒の配向による影響を小さくするために、結晶粒の粒径と結晶粒の配向とに着目することにより、特に、微小な体積の容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜においては、結晶粒の粒径と結晶粒の配向との間に密接な関係があることを見出した。
【００４４】
図４は、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の結晶粒の平均粒径と、強誘電体膜の結晶粒のうち、結晶粒の分極方向が第１の電極１８と第２の電極２０との間に生じる電界の方向に対してプラスマイナス３０度以内に配向している結晶粒の割合との関係を示しており、図５は、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の結晶粒の平均粒径と容量素子の分極値との関係を示している。
【００４５】
図４及び図５から明らかなように、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の結晶粒の粒径を小さくすることにより、強誘電体膜の膜厚方向に存在する強誘電体膜の結晶粒の粒数を多くすることができるので、強誘電体膜の結晶粒の配向は第１の電極１８の結晶粒の配向による影響を受けることが低減される。従って、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の結晶粒のうち、第１の電極１８と第２の電極２０との間に生じる電界の方向、すなわち分極量が大きい方向と略平行な方向に分極する結晶粒の割合が増加する。
【００４６】
図６は、本発明の一実施形態に係る第１の電極１８と容量絶縁膜１９とにおける結晶粒の概略模式図を示している。
【００４７】
容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の結晶粒の粒径を小さくすることにより、図６から明らかなように、強誘電体膜の結晶粒１９ａは、第１の電極１８の結晶粒１８ａの配向による強い影響を受けて分極量が小さい方向に配向されることが低減されるので、強誘電体膜の結晶粒１９ａは第１の電極１８と第２の電極２０との間に生じる電界の方向に略平行な方向６１に配向する。
【００４８】
このようすると、前記図４からも明らかなように、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の膜厚が１００ｎｍであっても、第１の電極１８と容量絶縁膜１９との界面近傍における強誘電体膜の結晶粒の粒径を５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下にすることにより、強誘電体膜の結晶粒のうち結晶粒の分極方向が前記電界の方向とプラスマイナス３０度以内に配向する結晶粒の割合を２５％以上にすることができる。これにより、前記図５からも明らかなように、第１の電極１８、容量絶縁膜１９及び第２の電極２０からなる容量素子の分極量を２０μＣ／ｃｍ２  以上にすることができる。
【００４９】
次に、下地となる第１の電極１８の上に強誘電体膜よりなる容量絶縁膜１９を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法について説明する。
【００５０】
容量絶縁膜１９を形成する工程において、容量絶縁膜１９の上面側と下面側との両側から容量絶縁膜１９を加熱することにより、焼結（加熱）時における容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の膜厚方向の温度分布を均一に保つことができるので、強誘電体膜の全体において核形成及び核成長を行わせることができる。これにより、結晶性に優れ且つ結晶粒の粒径が小さい結晶粒からなる強誘電体膜を形成することができるので、強誘電体膜よりなる容量絶縁膜１９はより大きな分極値を得ることができる。従って、容量絶縁膜１９を形成する工程において、容量絶縁膜１９を容量絶縁膜１９の上面側及び下面側の両側から加熱することが好ましい。
【００５１】
また、第１の電極１８、容量絶縁膜１９及び第２の電極２０からなる容量素子の電極面積が１μｍ２  以下の場合に、容量絶縁膜１９の分極特性は向上する。従って、容量素子の電極面積は１μｍ２  以下であることが好ましい。
【００５２】
図７は、容量絶縁膜１９を容量絶縁膜１９の上面側及び下面側の両側から加熱できる赤外線ランプ加熱炉を用いて容量絶縁膜１９を焼結（加熱）する場合に、容量絶縁膜１９の上面側及び下面側から容量絶縁膜１９に対して供給される熱量の比と容量素子の分極値との関係を示している。
【００５３】
図７から明らかなように、容量絶縁膜１９の上面側から供給される熱量に対する容量絶縁膜１９の下面側から供給される熱量の割合を１／４以上で且つ３／４以下の範囲に設定することにより、容量素子の分極量を２０μＣ／ｃｍ２  以上にすることができる。このようにすると、容量絶縁膜１９を加熱する工程において、容量絶縁膜１９の温度分布を均一に保ちながら容量絶縁膜１９を加熱することができるので、容量絶縁膜１９中の全体において核形成及び核成長を行わせることができる。従って、容量絶縁膜１９の上面側から供給される熱量に対する容量絶縁膜１９の下面側から供給される熱量の割合は１／４以上で且つ３／４以下の範囲であることが好ましい。これにより、結晶性に優れ且つ結晶粒の粒径が小さい結晶粒からなる強誘電体膜を形成することができるので、容量絶縁膜１９はさらに大きな分極値を得ることができる。
【００５４】
図８は、容量絶縁膜１９を焼結（加熱）する場合の昇温レートと容量素子の分極値との関係を示している。
【００５５】
図８から明らかなように、容量絶縁膜１９を焼結する工程において、昇温レートを低下させることにより、容量絶縁膜１９中で結晶核を発生させる温度領域において容量絶縁膜１９を加熱する時間を長くする。これにより、容量絶縁膜１９中において発生する結晶核の数が増加すると共に結晶成長を行なう時間が長くなるので、結晶性に優れ且つ結晶粒の粒径が小さい結晶粒からなる強誘電体膜を形成することができる。従って、図８に示すように、容量絶縁膜１９を焼結する場合に、０．１℃／秒以上且つ５０℃／秒以下の昇温レートで容量絶縁膜１９を加熱することが好ましい。この場合、容量素子の分極量は２０μＣ／ｃｍ２  以上の値を得ることができる。
【００５６】
図９は、容量絶縁膜１９の表面粗さと容量素子のリーク電流値との関係を示している。
【００５７】
図９から明らかなように、容量絶縁膜１９の表面粗さとして、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の表面における平均面から最高部までの距離と前記平均面から最低部までの距離との差が、強誘電体膜の平均膜厚に対して１５％以下の値になるので、容量素子のリーク電流値を低減することができる。
【００５８】
また、容量絶縁膜１９は、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜の結晶粒の平均粒径に対する強誘電体膜の結晶粒の粒径の分布として、相対標準偏差で１５％以内の値を得ることができる。
【００５９】
尚、本実施形態において、容量絶縁膜１９を構成する強誘電体膜は、酸化ビスマスランタンチタン膜、酸化ストロンチウムタンタル膜及び酸化ストロンチウムタンタルニオブ膜のうち少なくとも１つを含む。また、前記チタン酸ビスマスランタン膜の代わりに、チタン酸ビスマス膜、タンタル酸ストロンチウムビスマス膜若しくはチタン酸鉛等の他の強誘電体材料膜又はチタン酸バリウム等の高誘電体材料膜を用いても前記と同様の効果が得られる。
【００６０】
また、本実施形態において、容量素子を構成する第１の電極１８の材料又は第２の電極２０の材料として白金膜を用いる代わりに、強誘電体膜の材料に対する酸素雰囲気下での焼結中に電気伝導性が失われない材料よりなる膜であれば使用可能であり、例えば、白金膜、イリジウム膜、ルテニウム膜、酸化白金膜、酸化イリジウム膜、酸化ルテニウム膜又はこれらを含む積層膜を白金膜の代わりに用いても前記と同様の効果が得られる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、第１の電極と容量絶縁膜との界面近傍における強誘電体膜の結晶粒の平均粒径が、５ｎｍ以上で且つ５０ｎｍ以下であるため、強誘電体膜の結晶粒が強誘電体膜の材料と電極の材料との格子整合により非分極方向へ配向することが抑制されると共に、強誘電体膜を構成する結晶粒は第１の電極と第２の電極との間に生じる電界の方向と略平行に配向するので、優れた分極特性を有する微細な強誘電体膜を得ることができる。これにより、微少な体積であっても優れた分極特性を有する強誘電体膜よりなる容量絶縁膜を用いる半導体装置を提供できる。その結果、不揮発性メモリに必要な分極特性を発揮すると共に小型化された高集積の半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】強誘電体膜に用いられる強誘電体材料であるチタン酸ビスマスランタンの単位結晶格子の模式図である。
【図３】大きな粒径を有する結晶粒からなる強誘電体膜の概略模式図である。
【図４】容量絶縁膜を構成する強誘電体膜の結晶粒の平均粒径と、強誘電体膜の結晶粒のうち、結晶粒の分極方向が第１の電極と第２の電極との間に生じる電界の方向に対してプラスマイナス３０度以内に配向している結晶粒の割合との関係を示すグラフである。
【図５】容量絶縁膜を構成する強誘電体膜の結晶粒の平均粒径と容量素子の分極値との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の本実施形態に係る強誘電体膜の概略模式図である。
【図７】容量絶縁膜の上面側から供給される熱量と下面側から供給される熱量との比と、容量素子の分極値との関係を示すグラブである。
【図８】容量絶縁膜を焼結（加熱）する場合の昇温レートと容量素子の分極値との関係を示すグラフである。
【図９】容量絶縁膜の表面粗さと容量素子のリーク電流値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０    半導体基板
１１    素子分離領域
１２    ゲート絶縁膜
１３    ゲート電極
１４    第１の保護絶縁膜
１５    不純物拡散層
１６    第２の保護絶縁膜
１７    コンタクトプラグ
１８    第１の電極
１８ａ  第１の電極の結晶粒
１９    容量絶縁膜
１９ａ  容量絶縁膜の結晶粒
２０    第２の電極
６１  容量絶縁膜の結晶粒の配向方向
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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