(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンおよびアルミニウムの窒化物からなるアモルファスの第１バリア層と、
前記第１バリア層の上に設けられた、（１１１）配向でありかつチタンおよびアルミニウムの合金からなる結晶質の第２バリア層と、
前記第２バリア層の上に設けられた、（１１１）配向である第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた、（１１１）配向である強誘電体膜と、
前記強誘電体膜の上に設けられた第２電極と、を含む、強誘電体キャパシタ。
【請求項２】
チタンおよびアルミニウムの窒化物からなるアモルファスの第１バリア層と、
前記第１バリア層の上に設けられた、（１１１）配向でありかつチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる結晶質の第２バリア層と、
前記第２バリア層の上に設けられた、（１１１）配向である第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた、（１１１）配向である強誘電体膜と、
前記強誘電体膜の上に設けられた第２電極と、を含む、強誘電体キャパシタ。
【請求項３】
請求項１または２において、
プラグ上に設けられた、強誘電体キャパシタ。
【請求項４】
（ａ）窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなるアモルファスの第１バリア層を形成する工程と、
（ｂ）窒素分圧が８％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により、（１１１）配向でありかつチタンおよびアルミニウムの合金からなる結晶質の第２のバリア層を前記第１のバリア層上に形成する工程と、
（ｃ）前記第２バリア層の上に、（１１１）配向である第１電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第１電極の上に、（１１１）配向である強誘電体膜を形成する工程と、
（ｅ）前記強誘電体膜の上に第２電極を形成する工程と、
を含む、強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項５】
（ａ）窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなるアモルファスの第１バリア層を形成する工程と、
（ｂ）窒素分圧が８％未満である雰囲気中で、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層を前記第１バリア層上に形成し、次いで、窒素分圧が１２％以上でかつ２０％以下である雰囲気中で、該シード層の存在下、スパッタリング法により、（１１１）配向でありかつチタンおよびアルミニウムの窒化物である第２バリア層を前記第１のバリア層上に形成する工程と、
（ｃ）前記第２バリア層の上に、（１１１）配向である第１電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第１電極の上に、（１１１）配向である強誘電体膜を形成する工程と、
（ｅ）前記強誘電体膜の上に第２電極を形成する工程と、
を含む、強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記（ａ）において、前記第１バリア層をプラグ上に形成する、強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項７】
スイッチングトランジスタと、
前記スイッチングトランジスタと電気的に接続された前記プラグと、
前記プラグ上に設けられた、請求項３に記載の強誘電体キャパシタと、
を含む、強誘電体メモリ装置。
【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およびその製造方法、ならびに強誘電体メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メモリ装置（ＦｅＲＡＭ）は、低電圧および高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが１トランジスタ／１キャパシタ（１Ｔ／１Ｃ）で構成できるため、ＤＲＡＭなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。
【０００３】
強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体キャパシタの強誘電体特性を最大限に発揮させるには、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が極めて重要である。
【特許文献１】特開２０００−２７７７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が良好に制御された強誘電体キャパシタおよびその製造方法、ならびに強誘電体メモリ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の強誘電体キャパシタは、第１バリア層の上方に設けられた第１電極と、前記第１電極の上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜の上に設けられた第２電極と、を含み、前記第１バリア層がアモルファスである。
【０００６】
本発明の強誘電体キャパシタによれば、前記第１バリア層がアモルファスであることにより、下層の結晶構造が反映されていない前記第１電極を設けることができる。
【０００７】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタは、プラグ上に設けられた。
【０００８】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタにおいて、前記第１バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。前記材料は酸素バリア性を有するため、前記第１バリア層として好適である。
【０００９】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタにおいて、前記第１バリア層と前記第１電極との間に、結晶質の第２バリア層を設けることができる。前記第２バリア層が設けられていることにより、前記第２バリア層上に設けられる前記第１電極の結晶配向性を高めることができる。これにより、結晶配向性に優れた強誘電体膜を設けることができるため、上記本発明の強誘電体キャパシタはヒステリシス特性に優れている。
【００１０】
この場合、前記第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムからなる合金であることができる。また、この場合、前記第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。これらの材料は酸素バリア性を有するため、前記第２バリア層として好適である。
【００１１】
本発明の強誘電体キャパシタの製造方法は、
（ａ）アモルファスである第１バリア層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１バリア層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｃ）前記第１電極の上に強誘電体膜を形成する工程と、
（ｄ）前記強誘電体膜の上に第２電極を形成する工程と、
を含む。
【００１２】
本発明の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、アモルファスである第１バリア層の上方に第１電極を形成することにより、下層の結晶構造が反映されていない前記第１電極を簡便な方法にて形成することができる。
【００１３】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ａ）において、前記第１バリア層をプラグ上に形成することができる。
【００１４】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記第１バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であり、前記（ａ）において、窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により前記第１バリア層を形成することができる。
【００１５】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ａ）の後、前記（ｂ）の前に、（ｅ）前記第１のバリア層上に、結晶質の第２のバリア層を形成する工程をさらに含むことができる。
【００１６】
この場合、前記第２のバリア層は、チタンおよびアルミニウムからなる合金であることができる。また、この場合、前記第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であり、前記（ｅ）において、窒素分圧が１２％以上でかつ２０％以下である雰囲気中で、スパッタリング法により前記第２バリア層を形成することができる。ここで、前記（ｅ）において、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層を前記第１バリア層上に形成し、該シード層の存在下で前記第２バリア層を形成することができる。
【００１７】
ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記第１および第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であり、前記（ａ）において、第１の窒素分圧を有する第１の雰囲気中で、スパッタリング法により前記第１バリア層を形成し、前記（ｅ）において、前記第１の窒素分圧より小さい第２の窒素分圧を有する第２の雰囲気中で、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層を前記第１バリア層上に形成し、次いで、前記第１の窒素分圧より大きい第３の窒素分圧を有する第３の雰囲気中で、該シード層の存在下、スパッタリング法により前記第２バリア層を形成することができる。上記方法によれば、雰囲気中における窒素分圧を変えることにより、第１バリア層、シード層および第２バリア層を順に形成することができる。すなわち、窒素分圧を制御するという簡便な方法によって、前記各層を形成することができる。
【００１８】
この場合、前記第１の雰囲気中における第１の窒素分圧は８％以上でかつ１２％未満であり、前記第２の雰囲気中における第２の窒素分圧は８％未満であり、前記第３の雰囲気中における第３の窒素分圧は１２％以上でかつ２０％以下であることができる。
【００１９】
本発明の強誘電体メモリ装置は、スイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタと電気的に接続されたプラグと、前記プラグ上に設けられた、上記本発明の強誘電体キャパシタと、を含む。
【００２０】
本発明の強誘電体メモリ装置によれば、前記プラグ上に設けられた上記本発明の強誘電体キャパシタを含むことにより、前記プラグを構成する導電層の結晶構造が反映されていない前記第１電極が設けられている。これにより、前記第１電極上に、結晶配向性に優れた強誘電体膜が設けられているため、ヒステリシス特性に優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
１．強誘電体メモリ装置
図１は、本発明の一実施の形態の強誘電体メモリ装置１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ装置１００は、強誘電体キャパシタ３０と、プラグ２０と、強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含む。なお、本実施形態においては、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルに限定されない。
【００２３】
トランジスタ１８は、ゲート絶縁層１１と、ゲート絶縁層１１上に設けられたゲート導電層１３と、ソース／ドレイン領域である第１および第２不純物領域１７，１９とを含む。また、プラグ２０はスイッチングトランジスタ１８と電気的に接続されている。
【００２４】
強誘電体キャパシタ３０は、第１バリア層１２の上方に設けられた第１電極３２と、第１電極３２の上に設けられた強誘電体膜３４と、強誘電体膜３４の上に設けられた第２電極３６とを含む。第１バリア層１２はアモルファスである。より具体的には、この強誘電体キャパシタ３０は、第１および第２バリア層１２，１４の上に設けられている。
【００２５】
また、この強誘電体キャパシタ３０は、絶縁層２６に設けられたプラグ２０の上に設けられている。このプラグ２０は、第２不純物領域１９の上に形成されている。プラグ２０は、開口部２４と、開口部２４内に設けられた導電層２２とを含む。導電層２２は例えば、タングステン，モリブデン，タンタル，チタン，ニッケルなどの高融点金属からなり、タングステンからなることが好ましい。
【００２６】
第１バリア層１２は、少なくとも一部がプラグ２０上に設けられている。第１バリア層１２は、酸素バリア性を有する材料からなり、アモルファスであれば特に限定されないが、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮを挙げることができ、なかでも、チタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）であることがより好ましい。第１バリア層１２がＴｉＡｌＮからなる場合、第１バリア層１２におけるチタン，アルミニウム，窒素の組成（原子比）は、第１バリア層１２の組成をＴｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙの化学式で表すとき、０＜ｘ≦０．４であり、かつ、０＜ｙである。また、下層の結晶構造の影響を受けないためには、第１バリア層１２の膜厚は少なくとも２０ｎｍであることが好ましく、例えば、１００〜２００ｎｍであることがより好ましい。
【００２７】
第２バリア層１４は第１バリア層１２上に設けられており、第２バリア層１４上には第１電極３２が設けられている。第２バリア層１４は、酸素バリア性を有する材料からなり、結晶質であれば特に限定されないが、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮを挙げることができ、なかでも、チタンおよびアルミニウムからなる合金、またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であるのがより好ましい。また、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、第２バリア層１４の結晶配向性は（１１１）配向であることが好ましい。また、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、第２バリア層１４におけるチタン，アルミニウム，窒素の組成（原子比）は、第２バリア層１４の組成をＴｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙの化学式で表すとき、０＜ｘ≦０．４であり、かつ、０＜ｙである。また、第１電極３２の配向性を制御するためには、第２バリア層１４の膜厚は少なくとも２０ｎｍであることが好ましく、例えば、１００〜２００ｎｍであることがより好ましい。
【００２８】
第１電極３２は白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、およびイリジウムから選ばれる少なくとも１種の金属からなることができ、好ましくは白金またはイリジウムからなり、より好ましくはイリジウムからなる。また、第１電極３２は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。第１電極３２ａの少なくとも一部が結晶質である場合、その結晶質における結晶配向が、第２バリア層１４の結晶配向と等しいことが好ましい。この場合、強誘電体膜３４の結晶配向を、第１電極３２ａの結晶質における結晶配向と等しいことが好ましい。例えば、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなり、第２バリア層１４の結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２の少なくとも一部が結晶性であり、その結晶配向が（１１１）配向であることが好ましい。この構成によれば、第１電極３２上に強誘電体膜３４を形成する際に、強誘電体膜３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易になる。
【００２９】
強誘電体膜３４は、強誘電体物質を含む。この強誘電体物質は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、Ａ１−ｂＢ１−ａＸａＯ３の一般式で示されることができる。Ａは、Ｐｂを含む。ここで、Ｐｂの一部をＬａに置換することもできる。Ｂは、ＺｒおよびＴｉのうちの少なくとも１つからなる。Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＭｇのうちの少なくとも１つからなる。強誘電体膜１０２に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体膜として使用可能な公知の材料を使用することができ、例えば、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２（ＢＬＴ）が挙げられる。
【００３０】
中でも、強誘電体膜３４の材料としてはＰＺＴが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第１電極３２はイリジウムであるのがより好ましい。
【００３１】
また、強誘電体膜３４としてＰＺＴを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多いことがより好ましい。このような組成のＰＺＴは正方晶に属し、その自発分極軸はｃ軸となるが、ｃ軸と直交するａ軸配向成分が同時に存在するため、ＰＺＴをｃ軸配向させたときは、このａ軸配向成分が分極反転に寄与しないため、強誘電特性が損なわれるおそれがある。これに対して、強誘電体膜３４に用いられるＰＺＴの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、ａ軸配向成分を分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体膜３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向が（１１１）配向であるのが好ましい。
【００３２】
第２電極３６は、第１電極３２に使用可能な材料として例示した上記材料からなることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケルなどからなることができる。また、第２電極３６は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。好ましくは、第２電極３６は、白金、あるいはイリジウムオキサイドとイリジウムとの積層膜からなる。
【００３３】
本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１電極３２が第１バリア層１２を介してプラグ２０上に設けられ、かつ、第１バリア層１２がアモルファスであることにより、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない第１電極３２を設けることができる。すなわち、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０は、プラグ２０上に設けられているが、第１電極３２には、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない。
【００３４】
ここで、強誘電体キャパシタ３０の第１電極３２がプラグ２０の導電層２２上に直接配置されている場合を仮に想定する。この場合、導電層２２が、結晶性が高い材料からなる場合、導電層２０の結晶配向が第１電極３２の結晶配向に影響を及ぼすことがある。例えば、プラグ２０の導電層２２がタングステンからなる場合、タングステンは結晶性が高いため、このタングステンからなる導電層２２上に第１電極３２が直接設けられると、導電層２２の結晶構造が第１電極３２の結晶構造に影響を及ぼし、第１電極３２を所望の結晶構造にすることが困難となる。さらに、第１電極３２上には強誘電体膜３４が設けられているため、第１電極３２の結晶配向が、強誘電体膜３４の結晶配向に影響を及ぼすことがある。この場合、第１電極３２の結晶配向を反映した強誘電体膜３４の結晶配向により、望まない方向に分極が生じる結果、強誘電体キャパシタ３０のヒステリシス特性が低下することがある。
【００３５】
これに対して、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１バリア層１２がアモルファスであることにより、プラグ２０の導電層２２の結晶配向が、第１電極３２および強誘電体膜３４の結晶配向を反映するのを防止することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。
【００３６】
なお、プラグ２０の断面積が同じである場合、強誘電体キャパシタ３０の平面面積が小さくなるほど、プラグ２０の断面積に対する強誘電体キャパシタ３０の平面面積の割合が小さくなるため、プラグ２０の導電層２２の結晶配向に起因して、第１電極３２から強誘電体膜３４に及ぼされる結晶配向の問題は深刻化する。したがって、本実施の強誘電体キャパシタ３０によれば、上述した理由により、より微細化された場合においても、ヒステリシス特性の低下を防止することができる点で有用である。
【００３７】
また、本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１バリア層１２と第１電極３２との間に、結晶質の第２バリア層１４が設けられている。これにより、第２バリア層１４上に設けられる第１電極３２の結晶配向性を高めることができる。その結果、第１電極３２上に、結晶配向性に優れた強誘電体膜３４を設けることができるため、ヒステリシス特性に優れている。
【００３８】
特に、上述したように、強誘電体膜３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向が（１１１）配向であるのが好ましい。本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、アモルファスの第１バリア層１２がプラグ２０上に設けられていることにより、プラグ２０の導電層２２（タングステン）の結晶配向が上層に反映するのを防止することができる。さらに、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、結晶配向が（１１１）配向である第２バリア層１４が設けられていることにより、第１電極３２および強誘電体膜３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易である。これにより、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０はヒステリシス特性に優れている。
【００３９】
さらに、本実施の強誘電体キャパシタ３０によれば、バリア層が第１および第２バリア層１２，１４の積層膜であることにより、耐酸化性を確保することができる。
【００４０】
２．強誘電体メモリ装置の製造方法
次に、図１に示す強誘電体メモリ装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ装置１００に含まれる強誘電体キャパシタ３０の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図２（ａ）〜（ｆ）においては、図１の強誘電体メモリ装置１００のうち、絶縁層２６およびプラグ２０近傍のみを示している。
【００４１】
まず、トランジスタ１８およびプラグ２０を形成する（図１参照）。より具体的には、半導体基板１０にトランジスタ１８を形成し、次いでトランジスタ１８上に絶縁層２６を積層する。次いで、絶縁層２６に開口部２４を形成し、この開口部２４に導電層２２を埋め込むことにより、プラグ２０を形成する。導電層２２の埋め込みは例えば、ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて行なうことができる。
【００４２】
次に、強誘電体キャパシタ３０を形成する。本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ３０の製造方法は、（ａ）アモルファスである第１バリア層１２ａを形成する工程と、（ｂ）第１バリア層１２ａの上方に第１電極３２ａを形成する工程と、（ｃ）第１電極３２ａの上に強誘電体膜３４ａを形成する工程と、（ｄ）強誘電体膜３４ａの上に第２電極３６ａを形成する工程と、を含む。
【００４３】
まず、図２（ａ）に示すように、絶縁層２６およびプラグ２０上に第１バリア層１２ａを成膜する。第１バリア層１２ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。
【００４４】
例えば、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第１バリア層１２ａを形成する場合、第１の窒素分圧を有する第１の雰囲気中で、スパッタリング法により第１バリア層１２ａを形成することができる。なお、ここで使用する雰囲気（第１〜第３の雰囲気）は例えば、窒素と不活性ガス（例えば、アルゴン）との混合物である。ここで、第１の窒素分圧は８％以上でかつ１２％未満であるのが好ましい。ここで、第１の窒素分圧は８％未満であると、窒化物を得ることができず、一方、１２％を超えると、結晶質の窒化物が生じてしまう。
【００４５】
なお、第１バリア層１２ａを成膜する際の基板温度は特に限定されず、例えば、室温から４００℃の間で適宜選択可能である。
【００４６】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１バリア層１２ａ上にシード層１４ｓを形成する。シード層１４ｓは第１バリア層１２ａの成膜方法として例示した方法にて形成することができ、なかでもスパッタリング法が好ましい。このシード層１４ｓは、結晶質の第２バリア層１４を形成するために設けられるものであり、結晶質（結晶の核）からなる。このシード層１４ｓとしては、結晶質であれば特に限定されないが、第２バリア層１４を構成する原子を含む材料であるのが好ましい。例えば、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、シード層１４ｓはＴｉＡｌからなることができる。
【００４７】
例えば、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層１４ｓを形成する場合、前記第１の窒素分圧より小さい第２の窒素分圧を有する第２の雰囲気中で、スパッタリング法によりシード層１４ｓを形成することができる。ここで、第２の窒素分圧は８％未満であるのが好ましい。第２の窒素分圧が８％未満であることにより、チタンおよびアルミニウムの合金からなる結晶質のシード層１４ｓを得ることができる。
【００４８】
次いで、図２（ｃ）に示すように、シード層１４ｓの存在下で第２バリア層１４ａを形成する。第２バリア層１４ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。
【００４９】
例えば、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第２バリア層１４ａを形成する場合、前記第１の窒素分圧より大きい第３の窒素分圧を有する第３の雰囲気中で、スパッタリング法により第２バリア層１４ａを形成することができる。ここで、第３の窒素分圧は１２％以上でかつ２０％以下であるのが好ましい。第３の窒素分圧がこの範囲にあることにより、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮが得られる。第２バリア層１４ａが（１１１）配向を有することにより、第１電極３２の少なくとも一部において、結晶配向を（１１１）配向にすることができる。これにより、第１電極３２上に形成される強誘電体膜３４を（１１１）配向にすることができる。
【００５０】
上述したように、強誘電体膜３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向は（１１１）配向であるのが好ましい。よって、第２バリア層１４ａの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、第１電極３２ａおよび強誘電体膜３４ａともに（１１１）配向にすることができるため、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。
【００５１】
一方、第３の窒素分圧が２０％を超えると、（２００）配向のＴｉＡｌＮが得られ、また、第３の窒素分圧が１２％以下であると、アモルファスのＴｉＡｌＮが得られ、第２バリア層１４ａの結晶配向を（１１１）配向にすることができないため、好ましくない。
【００５２】
あるいは、例えば、チタンおよびアルミニウムからなる合金である第２バリア層１４ａを形成する場合、窒素分圧が８％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により第２バリア層１４ａを形成することができる。
【００５３】
なお、第２バリア層１４ａを成膜する際の基板温度は特に限定されず、例えば、室温から４００℃の間で適宜選択可能である。なお、第２バリア層１４ａと第１電極３２ａとの界面における結晶配向性を高めるために、第２バリア層１４ａ上にシード層（図示せず）を成膜してもよい。例えば、第２バリア層１４ａがＴｉＡｌＮからなる場合、ＴｉまたはＴｉＮからなる層をシード層（図示せず）として成膜してもよい。
【００５４】
次いで、図２（ｄ）に示すように、第２バリア層１４ａ上に第１電極３２ａを形成する。ここで、第１電極３２ａを結晶性の第２バリア層１４ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶性が著しく向上し、かつ、第２バリア層１４ａの結晶配向性を第１電極３２ａに反映させることができる。例えば、第２バリア層１４ａの結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２ａの少なくとも一部を、（１１１）配向を有する結晶質に形成することができる。
【００５５】
第１電極３２ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。
【００５６】
次いで、図２（ｅ）に示すように、第１電極３２ａ上に強誘電体膜３４ａを形成する。ここで、強誘電体膜３４ａを第１電極３２ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶配向性を強誘電体膜３４ａに反映させることができる。例えば、第１電極３２ａの少なくとも一部が（１１１）配向を有する結晶質である場合、第２バリア層１４ａの結晶配向を（１１１）配向に形成することができる。
【００５７】
強誘電体膜３４ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スピンオン法，スパッタリング法，ＭＯＣＶＤ法が挙げられる。
【００５８】
次いで、図２（ｆ）に示すように、強誘電体膜３４ａ上に第２電極３６ａを形成する。第２電極３６ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。その後、所定のパターンのレジスト層Ｒ１を第２電極３６ａ上に形成し、このレジスト層Ｒ１をマスクとして、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行なう。これにより、第１および第２バリア層１２，１４上に設けられた第１電極３２と、第１電極３２上に設けられた強誘電体膜３４と、強誘電体膜３４上に設けられた第２電極３６とを有する、スタック型の強誘電体キャパシタ３０が得られる（図１参照）。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０の製造方法によれば、アモルファスである第１バリア層１２ａの上方に第１電極３２ａを形成することにより、下層の結晶構造が反映されていない第１電極３２ａを簡便な方法にて形成することができる。また、第１のバリア層１２ａ上に、結晶質の第２のバリア層１４ａを形成する工程をさらに含むことができる。
【００６０】
３．実施例
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６１】
３．１．実施例１
本実施例においては、図１および図２（ａ）に示す工程にしたがって、トランジスタ１８、絶縁層２６、およびプラグ２０を形成したうえで、プラグ２０上へのバリア層（「バリア層Ａ」とする）の成膜に最適な窒素分圧を検討した。
【００６２】
まず、半導体基板（シリコン基板）１０にトランジスタ１８を形成し、次いでトランジスタ１８上に絶縁層２６を積層した。次いで、絶縁層２６に開口部２４を形成し、この開口部２４にＣＶＤ法によりタングステンを充填した後、化学的機械的研磨により、絶縁層２６の表面より上方のタングステンを研磨することにより、導電層２２を形成した。以上の工程により、プラグ２０を形成した（図１参照）。
【００６３】
次に、絶縁層２６およびプラグ２０上に、スパッタリング法により、チタンおよびアルミニウムを含むバリア層Ａを成膜した。この成膜工程においては、アルゴンおよび窒素の混合ガスを雰囲気として用い、ターゲットとしてチタンおよびアルミニウムを選択し、かつ、窒素分圧を変えて、バリア層Ａの成膜を行なった。ここで、窒素分圧以外の条件は同じにした。窒素分圧以外の条件は、雰囲気の流量が５０［ｓｃｃｍ］であり，成膜パワーが１．０［ｋＷ］であり，基板温度が４００［℃］であった。
【００６４】
各窒素分圧で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンを、図３（ａ）〜図３（ｆ）および図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す。図３（ａ）〜図３（ｆ）および図４（ａ）〜図４（ｃ）はそれぞれ、窒素分圧が０％，６％，８％，１０％，１２％，１４％，１６％，２０％，４０％の雰囲気中で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤパターンである。なお、図３（ａ）〜図３（ｆ）および図４（ａ）〜図４（ｃ）において、２θ＝３３°付近に観測されるピークは基板１０のＳｉである。
【００６５】
図３（ａ）および図３（ｂ）によれば、窒素分圧が６％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、２θ＝３７°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶質のＴｉＡｌであると推測される。また、図３（ｃ）〜図３（ｅ）によれば、窒素分圧が８％，１０％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、Ｓｉ以外のピークは観測されなかった。よって、窒素分圧８％，１０％の雰囲気中で形成されたバリア層Ａは、アモルファスのＴｉＡｌＮであると推測される。
【００６６】
さらに、図３（ｅ），図３（ｆ），図４（ａ），および図４（ｂ）によれば、窒素分圧が１２％，１４％，１６％，２０％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、２θ＝３７．４°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶質のＴｉＡｌＮであると推測される。
【００６７】
なお、図４（ｃ）によれば、窒素分圧が４０％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、２θ＝３７．４°付近のピークとともに、２θ＝４３．５°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（２００）配向を有する結晶質のＴｉＡｌＮであると推測される。
【００６８】
以上の結果から、雰囲気中の窒素分圧が８％未満である場合、ＴｉＡｌからなる結晶質層を形成でき、雰囲気中の窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満である場合、ＴｉＡｌＮからなるアモルファス層を形成でき、雰囲気中の窒素分圧が１２％以上でかつ２０％以下である場合、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層を形成でき、雰囲気中の窒素分圧が２０％を超える場合、（２００）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層が形成されることが明らかになった。特に、雰囲気中の窒素分圧が１６％の場合において、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層の結晶配向性が最も良好であることが明らかになった。
【００６９】
ＴｉＡｌからなる結晶質層は図２（ｂ）のシード層１４ｓに適しており、ＴｉＡｌＮからなるアモルファス層は図２（ａ）の第１バリア層１２ａに適しており、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層は図２（ｃ）の第２バリア層１４ａに適していると推測される。
【００７０】
したがって、アモルファスの第１バリア層１２ａ（図２（ａ）参照）を形成するためには、雰囲気中の窒素分圧を８％以上でかつ１２％未満にするのが好ましいことが確認された（図３（ｃ）〜図３（ｅ）参照）。また、雰囲気中の窒素分圧を８％未満にすることにより、ＴｉＡｌからなる結晶質層が得られたことから、ＴｉＡｌからなるシード層１４ｓ（図２（ｂ）参照）を形成するには、雰囲気中の窒素分圧を８％未満にするのが好ましいことが確認された（図３（ａ）〜図３（ｃ）参照）。さらに、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質の第２バリア層１４を形成するためには、雰囲気中の窒素分圧を１２％以上でかつ２０％以下にするのが好ましいことが確認された（図３（ｅ），図３（ｆ），図４（ａ），および図４（ｂ）参照）。
【００７１】
また、窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満の場合に得られたバリア層Ａ（図３（ｃ）および図３（ｄ）参照）は、下層のプラグ２０を構成する導電層２２（タングステン）の結晶構造に依存せず、アモルファスであったことから、アモルファスの第１バリア層１２ａをプラグ２０上に成膜することにより、第１バリア層１２ａ上に形成される強誘電体キャパシタ３０の結晶配向に影響を与えないようにすることができると推測される。
【００７２】
さらに、以上の結果から、雰囲気中の窒素分圧を変えることにより、シード層１４ｓ、第１プラグ層１２ａ，および第２プラグ層１４ａの作り分けが可能であることが理解できる。
【００７３】
３．２．実施例２
本実施例においては、実施例１において、窒素分圧を１６％に固定して、成膜時の基板温度を変えてバリア層Ａを成膜した。窒素分圧および基板温度以外の条件は、実施例１と同様にした。
【００７４】
各基板温度で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンを、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）はそれぞれ、基板温度が室温，１５０℃，４００℃で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤパターンである。
【００７５】
図５（ａ）〜図５（ｃ）によれば、異なる基板温度においても、得られたバリア層Ａでは、２θ＝３７°付近にピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶質のＴｉＡｌであると推測される。
【００７６】
以上の結果より、基板温度が室温，１５０℃，および４００℃である場合のいずれにおいても、（１１１）配向を有するＴｉＡｌからなる結晶質層が得られたことから、バリア層Ａの組成は基板温度に依存して変化しないことが確認された。
【００７７】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【００７８】
例えば、本実施の形態の強誘電体キャパシタおよびその製造方法は例えば、圧電素子等に含まれるキャパシタに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施の形態の強誘電体メモリ装置を模式的に示す断面図。
【図２】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ装置に含まれる強誘電体キャパシタの一製造工程を模式的に示す断面図。
【図３】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、実施例１において、異なる窒素分圧にて成膜されたバリア層のＸＲＤパターンを示す。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、実施例１において、異なる窒素分圧にて成膜されたバリア層のＸＲＤパターンを示す。
【図５】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、実施例２において、異なる基板温度にて成膜されたバリア層のＸＲＤパターンを示す。
【符号の説明】
【００８０】
１０  半導体基板、  １１  ゲート絶縁層、  １２，１２ａ  第１バリア層、  １３  ゲート導電層、  １４，１４ａ  第２バリア層、  １４ｓ  シード層、  １５  サイドウォール絶縁層、  １６  素子分離領域、  １７  第１不純物領域、  １８  トランジスタ、  １９  第２不純物領域、  ２０  プラグ、  ２２  導電層、  ２４  開口部、  ２６  絶縁層、  ３０  強誘電体キャパシタ、  ３２，３２ａ  第１電極、  ３４，３４ａ  強誘電体膜、  ３６，３６ａ  第２電極、  １００  強誘電体メモリ装置、  Ｒ１  レジスト層
【図１】
0004761031.tif 000002
【図２】
0004761031.tif 000003
【図３】
0004761031.tif 000004
【図４】
0004761031.tif 000005
【図５】
0004761031.tif 000006