(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に下地層を形成する工程と、前記下地層の上方に第１電極と、強誘電体層と、第２電極とを積層する工程とを含む強誘電体メモリ装置の製造方法であって、
前記下地層の形成工程は、
前記基板の上方に第１チタン層を形成する第１チタン層形成工程と、
前記第１チタン層を第１窒化チタン層に変化させる第１窒化工程と、
第２窒化チタン層を形成する第２窒化チタン層形成工程と、を含み、
前記第２窒化チタン層形成工程は、チタン層を形成する第２チタン層形成工程と、前記チタン層を窒化チタン層に変化させる第２窒化工程と、を含み、
前記第２窒化チタン層は、前記第１窒化チタン層の上に形成されることを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項２】
前記下地層を形成する工程に先立って、前記基板に能動素子を形成する工程と、前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、当該コンタクトホール内に前記能動素子と導通するコンタクトプラグを形成する工程と、を含み、
前記下地層の形成工程において、前記第１チタン層を、少なくとも前記コンタクトプラグ上に形成することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２チタン層形成工程と前記第２窒化工程とを繰り返し行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１窒化工程及び前記第２窒化工程は、前記第１チタン層若しくは前記チタン層に対して、窒素を含む雰囲気下で熱処理を行う工程を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１チタン層を形成する前に、前記基板の表面に対してアンモニアプラズマ処理を施すことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項６】
前記下地層の最上面に、酸素に対するバリア性を示すバリア層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項７】
前記バリア層がＴｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ）で表される化合物よりなることを特徴とする請求項６に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項８】
基板の上方に配設された下地層と、前記下地層上に配設された第１電極、強誘電体層、第２電極からなる積層部とを含む強誘電体メモリ装置であって、
前記下地層は、前記基板側から第１窒化チタン層と第２窒化チタン層とを有し、結晶の配向性が前記第１窒化チタン層よりも前記第２窒化チタン層において高いことを特徴とする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、強誘電体メモリ装置、及び強誘電体メモリ装置の製造方法に関する。
【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を良好に制御することができる強誘電体メモリ装置の製造方法を提供すること、及び良好な結晶配向を具備した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】
少なくともひとつの上記課題を解決するために、ひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、基板の上方に下地層を形成する工程と、前記下地層の上方に第１電極と、強誘電体層と、第２電極とを積層する工程とを含む強誘電体メモリ装置の製造方法であって、前記下地層の形成工程は、前記基板の上方に第１チタン層を形成する第１チタン層形成工程と、前記第１チタン層を第１窒化チタン層に変化させる第１窒化工程と、第２窒化チタン層を形成する第２窒化チタン層形成工程と、を含み、前記第２窒化チタン層形成工程は、チタン層を形成する第２チタン層形成工程と、前記チタン層を窒化チタン層に変化させる第２窒化工程と、を含み、前記第２窒化チタン層は、前記第１窒化チタン層の上に形成されることを特徴とする。
上記のひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記下地層を形成する工程に先立って、前記基板に能動素子を形成する工程と、前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、当該コンタクトホール内に前記能動素子と導通するコンタクトプラグを形成する工程と、を含み、前記下地層の形成工程において、前記第１チタン層を、少なくとも前記コンタクトプラグ上に形成することが好ましい。
上記のひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記第２チタン層形成工程と前記第２窒化工程とを繰り返し行うことも好ましい。
上記のひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記第１窒化工程及び前記第２窒化工程は、前記第１チタン層若しくは前記チタン層に対して、窒素を含む雰囲気下で熱処理を行う工程を含むことが好ましい。
上記のひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記第１チタン層を形成する前に、前記基板の表面に対してアンモニアプラズマ処理を施すことが好ましい。
上記のひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記下地層の最上面に、酸素に対するバリア性を示すバリア層を形成する工程を含むことが好ましい。
上記のひとつの本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記バリア層がＴｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ）で表される化合物よりなることが好ましい。
少なくともひとつの上記課題を解決するために、ひとつの本発明の強誘電体メモリ装置は、基板の上方に配設された下地層と、前記下地層上に配設された第１電極、強誘電体層、第２電極からなる積層部とを含む強誘電体メモリ装置であって、前記下地層は、前記基板側から第１窒化チタン層と第２窒化チタン層とを有し、結晶の配向性が前記第１窒化チタン層よりも前記第２窒化チタン層において高いことを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、基板の上方に下地層を形成する工程と、前記下地層の上方に第１電極と、強誘電体層と、第２電極とを積層する工程とを含む強誘電体メモリ装置の製造方法であって、前記下地層の形成工程は、前記基板の上方に第１チタン層を形成する第１チタン層形成工程と、前記第１チタン層を窒化チタン層に変化させる窒化工程と、前記窒化チタン層の上に第２チタン層を形成する第２チタン層形成工程と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の製造方法によれば、下地層を所定の手法により結晶配向化させることで、当該下地層上に形成される第１電極、及び第１電極上に形成される強誘電体層の結晶配向を良好に制御することが可能となる。
具体的には、下地層の形成工程において、チタン層を形成し、これを窒素化して窒化チタン層とするとともに、当該窒化チタン層の上にさらにチタン層を形成することで下地層の好適な結晶配向を実現している。
つまり、チタン層は自己配向性に優れているため、アモルファスな基板上で良好な配向を示すが、例えば基板に結晶性のあるコンタクトプラグ等が形成される等、基板上の性質によってはチタンであっても、その自己配向性が十分に発揮できない場合がある。
そこで本発明では、第１チタン層を形成した後、これを窒素化し、さらに第２チタン層を形成するものとしており、この場合、第２チタン層の下地が窒化チタン層となることで、当該第２チタン層はその自己配向性が良好に発揮されることとなる。したがって、当該下地層の表面は、当該下地層を形成する基板の性質にかかわらず、つまり例えば結晶性のあるコンタクトプラグ等の上に当該下地層が形成された場合にも、高い結晶配向性を具備したものとなる。
その結果、このような方法により形成した下地層の上方に形成される第１電極は、第２チタン層の良好な結晶配向を反映した結晶配向を具備するものとなり、また第１電極上の強誘電体層についても同様に第１電極の結晶配向を反映した結晶配向が付与されることとなる。
このように本発明によれば、所定の結晶配向を有する強誘電体層を得ることができるため、強誘電体特性に優れた強誘電体メモリ装置を提供することが可能となる。
【０００７】
なお、チタンが自己配向する際の配向面は最密充填の面方位（００１）であり、本発明はこれが第１電極の配向面（例えばＩｒ電極では（１１１）面）とエピタキシャルライクに格子マッチングする現象を利用している。したがって、チタンの配向性をさらに積極的に上げると、その分、第１電極の配向性も向上するわけである。
ところが、上記チタンの自己配向性は表面構造をもたないアモルファスな基板（絶縁膜（ＳｉＯ２））上で期待される現象であり、固有の結晶構造をもつ表面（例えばコンタクトプラグ（例えばタングステンプラグ））上では状況が異なってしまう。このような固有の結晶構造をもつ表面では（例えばプラグの上面はタングステン等の導電材料の結晶面が露出した状態である）、この表面構造を反映してチタンは任意の面方位に配向してしまう。そうすると、チタンを（００１）配向させることができないため、この上の第１電極を所定の面方位に配向制御できない場合がある。
そこで、本発明のように第１チタン層を形成し、これを窒化チタン層に変化させた後、再び第２チタン層を形成する工程を採用することで、形成する基板面の性質にかかわらず、つまり固有の結晶構造をもつコンタクトプラグ上等においても、下地層のチタンの自己配向性を発現させることができ、ひいては第１電極の配向性を向上させることができるのである。
具体的には、第１チタン層のうち、（００１）配向した領域では、これを窒化チタン層とすることで（１１１）配向になるが、（ｈｋｌ）配向した領域では、これを窒化チタン層としても（１１１）配向にはならず、つまり無配向成分となる。このような窒化チタン層上に第２チタン層を形成すると、（１１１）配向した窒化チタン層上では、その表面構造を反映して当該第２チタン層は（００１）配向する。一方、（１１１）配向していない窒化チタン層上では、基本的には第２チタン層は配向しないが、チタンが格子マッチングしないため、界面エネルギーが最小になるように自己配向する成分が現れ、すなわち（００１）配向する成分が一定の割合で現れる。その結果、第１層目よりも所定の面方位に配向した成分が増加し、これにより第１電極の配向性も一層向上することとなるのである。勿論、２層目の第２チタン層を窒化チタン層として（１１１）配向とした場合にも、当該下地層上の第１電極の配向性を向上させることは可能である。
【０００８】
上記製造方法において、前記下地層を形成する工程に先立って、前記基板に能動素子を形成する工程と、前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、当該コンタクトホール内に前記能動素子と導通するコンタクトプラグを形成する工程と、を含むものとし、前記下地層の形成工程において、前記第１チタン層を、前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上に形成するものとすることができる。
このように基板上に層間絶縁膜を形成し、当該層間絶縁膜にコンタクトプラグを形成したような場合であって、コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上に上記下地層を形成する場合には、上述のような本発明の工程を採用することで、コンタクトプラグ上においても所定の面方位での配向を効果的に得ることが可能となる。
【０００９】
また、上記製造方法において、前記第２チタン層を窒化チタン層に変化させた後、更にチタン層を形成し、これを窒化チタン層に変化させる工程を繰り返し行うものとすることができる。
このようにチタン層の形成工程と当該チタン層の窒化工程を繰り返すことで、上層ほど配向性が高まることとなり、ひいては第１電極、強誘電体層の配向性を一層高めることが可能となる。また、チタンは酸化され易いため、上層のチタン層を窒化することで、当該酸化の防止を図ることが可能で、抵抗の増大を防止ないし抑制することが可能となる。
【００１０】
前記窒化工程は、前記チタン層に対して、窒素を含む雰囲気下で熱処理を行う工程を含むものとすることができる。
このような熱処理工程によりチタン層を好適に窒化チタン層に変化させることが可能となる。
【００１１】
前記第１チタン層を形成する前に、前記基板の表面に対してアンモニアプラズマ処理を施す工程を含むものとすることができる。
このようなアンモニアプラズマ処理を施すことで、基板表面をアモルファス化することが可能となる。特に、層間絶縁膜にコンタクトプラグを形成したような場合には、当該コンタクトプラグをアモルファス化することができ、その結果、当該コンタクトプラグ上でのチタンの自己配向性を高めることが可能となる。
【００１２】
前記下地層の最上面に、酸素に対するバリア性を示すバリア層を形成する工程を含むものとすることができる。このようなバリア層を形成することで、基板に形成され得るコンタクトプラグ等が酸化されることを防止ないし抑制することが可能となる。なお、バリア層としては、例えばＴｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ）で表される化合物よりなるものを採用することができる。このような化合物は、下層のチタン層又は窒化チタン層の配向を反映して（１１１）面配向をとり、その上方に形成される第１電極は、当該バリア層の配向を反映した所定の面配向をとることとなる。
【００１３】
なお、第１電極及び第２電極としては、例えばイリジウム、白金、ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、白金合金のいずれかからなるものを採用することができる。
また、強誘電体層としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴと略記）をはじめとするペロブスカイト型酸化物や、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９等のビスマス層状化合物を採用することができる。
【００１４】
また、最上層となるチタン層を形成した後、これを窒化する場合には、第１電極を形成した後であって、強誘電体層を形成する前に行うことが好ましい。窒化処理時のアニールの効果により、第１電極の配向性を高めることができるためであり、また強誘電体層の形成後に行うと当該強誘電体層がアニールによりダメージを受け、強誘電体特性が低下する惧れがあるからである。なお、最上層となるチタン層を窒化しない場合には、当該チタン層の厚さを５ｎｍ以下とすることが好ましい。当該チタン層が酸化した場合にも、抵抗値を低く抑えることができるためである。
【００１５】
次に、上記課題を解決するために、本発明の強誘電体メモリ装置は、基板の上方に配設された下地層と、前記下地層上に配設された第１電極、強誘電体層、第２電極からなる積層部とを含む強誘電体メモリ装置であって、前記下地層は、前記基板側から第１窒化チタン層と第２窒化チタン層とを有し、結晶の配向性が前記第１窒化チタン層よりも前記第２窒化チタン層において高いことを特徴とする。
このような強誘電体メモリ装置によると、下地層のうち第１電極側の第２窒化チタン層が、基板側の第１窒化チタン層よりも相対的に結晶の配向性が高いものとされているため、第１電極の配向性が高まり、ひいては強誘電体層の配向性を高めて強誘電体特性を最大限に発揮することが可能となる。なお、このような下地層は、基板に形成したコンタクトプラグ等の結晶構造を具備した部分の上に配設することができる。つまり、結晶構造を具備した部分上であっても、上記下地層を介在させて第１電極を形成することで、当該結晶構造の影響を受けずに第１電極の結晶配向性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
［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、半導体基板１０の上方に、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とを含んで構成されている。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。
【００１８】
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とを含んでいる。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おり、隣接するトランジスタ（図示略）とは、素子分離領域１６で分離されている。
【００１９】
強誘電体キャパシタ３０は、下地層１２と、下地層１２上に積層された第１電極３２と、第１電極３２上に積層された強誘電体層３４と、強誘電体層３４上に積層された第２電極３６と、を含んでいる。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。
【００２０】
プラグ２０は、第２不純物領域１９の上に形成されており、開口部（コンタクトホール）２４と、開口部２４内に設けられたプラグ導電層２２とを含んで構成されている。プラグ導電層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。
【００２１】
下地層１２は、プラグ２０のプラグ導電層２２と電気的に導通するように、当該プラグ２０上に形成された第１窒化チタン層１２ａと、第１窒化チタン層１２ａ上に積層された第２窒化チタン層１２ｂと、第２窒化チタン層１２ｂ上に積層されたバリア層１４とを含んで構成されている。
【００２２】
図２に示すように、下地層１２のうち第１窒化チタン層（第１ＴｉＮ層）１２ａは絶縁層２６上において結晶質であり、（１１１）面方位に配向を有している。しかしながら、プラグ２０上においては概ね非晶質であって、所定の面方位への配向は殆ど有していない。このような結晶配向を具備する第１窒化チタン層１２ａは、チタン層を成膜した後、これを窒化処理することにより得ることができ、その形成方法の詳細については後述する。
【００２３】
また、第１窒化チタン層１２ａの上方（強誘電体層３４側）に配設される第２窒化チタン層（第２ＴｉＮ層）１２ｂは、第１窒化チタン層１２ａの結晶構造を反映した結晶構造を有しており、絶縁層２６の上方において（１１１）面方位に配向を有している。ただし、プラグ２０の上方においては概ね非晶質であり、所定の面方位への配向を殆ど有していない。しかしながら、第１窒化チタン層１２ａに比べると、その結晶配向性は高いものとされており、具体的には、プラグ２０の上方において第１窒化チタン層１２ａよりも結晶配向性が高いものとされ、つまりプラグ２０の上方において非晶質領域が第１窒化チタン層１２ａよりも相対的に小さいものとされている。
【００２４】
この第２窒化チタン層１２ｂについても、チタン層を成膜した後、これを窒化処理することにより得ることができ、その形成方法の詳細については後述する。なお、第２窒化チタン層１２ｂの膜厚は５ｎｍ〜２０ｎｍであるのが好ましい。第２窒化チタン層１２ｂの膜厚が５ｎｍ未満であると、バリア層１４を（１１１）配向に制御するのが困難となり、一方、第２窒化チタン層１２ｂの膜厚が２０ｎｍを超えると、製造工程において、チタン層からの窒化が進行しにくくなる場合がある。
【００２５】
バリア層１４は、第２窒化チタン層１２ｂの上方に設けられている。バリア層１４の材質は、結晶質を含み、導電性を有するとともに、酸素バリア性を有する材料からなるのであれば特に限定されないが、その結晶質が（１１１）配向を有することが好ましい。そのようなバリア層１４の構成材料としては、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮを挙げることができ、なかでも、チタン、アルミニウム、および窒素を含む層（ＴｉＡｌＮ）であることがより好ましい。
【００２６】
なお、バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、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、バリア層１４の組成を化学式Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙで表すとき、０＜ｘ≦０．３であり、且つ０＜ｙであるのがより好ましい。
また、成膜時に、バリア層１４の結晶配向を反映した結晶配向を有する第１電極３２をバリア層１４の上方に形成するためには、バリア層１４の膜厚は２０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましく、さらには５０ｎｍ〜１００ｎｍであることがより好ましい。
【００２７】
バリア層１４が結晶質からなる場合、バリア層１４は（１１１）配向を有することが好ましい。バリア層１４の結晶配向が（１１１）配向であることにより、バリア層１４の上方に、バリア層１４の結晶配向を反映した結晶配向を有する第１電極３２を形成することができるため、第１電極３２の結晶配向を（１１１）配向にすることができる。
【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、若しくはこれらの酸化物、或いは合金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３２が結晶質である場合、第１電極３２の結晶配向とバリア層１４との結晶配向は互いに接する界面においてエピタキシャルの方位関係となることが好ましい。この場合、強誘電体層３４の結晶配向と、第１電極３２との結晶配向も互いに接する界面においてエピタキシャルの方位関係となることが好ましい。
【００２９】
例えば、バリア層１４が立方晶系に属し、その結晶配向が（１１１）配向である場合、あるいはバリア層１４が六方晶系に属し、その結晶配向が（００１）配向である場合、第１電極３２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上に強誘電体層３４を形成する際に、強誘電体層３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易になる。
【００３０】
強誘電体層３４は、強誘電体材料を含んで構成されている。この強誘電体材料は、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。強誘電体層３４に含まれる強誘電体材料としては、強誘電体層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。
なかでも、強誘電体層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、強誘電体層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。この場合、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、強誘電体層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軸を基板法線から一定の角度だけオフした方向に向けることができる。すなわち分極軸が基板法線方向の成分をもつようになるため、分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体層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ものとすることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケル等からなるものとすることができる。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】
このような構成を具備した本実施の形態の強誘電体メモリ装置１００の強誘電体キャパシタ３０においては、第１電極３２が下地層１２（第１窒化チタン層１２ａ、第２窒化チタン層１２ｂ、及びバリア層１４）を介してプラグ２０上に設けられていることにより、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及び強誘電体層３４とすることができる。すなわち、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および強誘電体層３４には、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていないものとなっており、下地層１２の結晶構造が反映されている。
【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のプラグ導電層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、プラグ導電層２２が、結晶性が高い材料からなる場合、プラグ導電層２２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のプラグ導電層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プラグ導電層２２上に第１電極３２が直接設けられると、プラグ導電層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上には強誘電体層３４が設けられているため、第１電極３２の結晶配向が、強誘電体層３４の結晶配向に影響を及ぼすことがある。この場合、強誘電体層３４の結晶配向は第１電極３２の結晶配向を反映しているため、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電極３２が下地層１２を介してプラグ２０上に設けられていることにより、プラグ２０のプラグ導電層２２の結晶配向が、第１電極３２および強誘電体層３４の結晶配向に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】
さらに具体的には、下地層１２を少なくともプラグ２０側から第１窒化チタン層１２ａ、第２窒化チタン層１２ｂを含む構成とし、また第２窒化チタン層１２ｂの結晶配向性を第１窒化チタン層１２ａの結晶配向性よりも高いものと構成した。つまり、下地層１２のうち第１電極３２側の第２窒化チタン層１２ｂが、プラグ２０側の第１窒化チタン層１２ａよりも相対的に結晶の配向性が高いものとされているため、第１電極３２の配向性が高まり、ひいては強誘電体層３４の配向性を高めて強誘電体特性を最大限に発揮することが可能とされているのである。特に、第１窒化チタン層１２ａからなる単層により下地層１２を構成した場合には、当該第１窒化チタン層１２ａの結晶配向がプラグ２０の結晶構造に影響される場合があるが、本実施形態では窒化チタン層を積層し、しかも第１電極３２側の第２窒化チタン層１２ｂの結晶配向を相対的に高いものとしたため、プラグ２０の結晶構造による影響は殆どないものとされている。
【００３７】
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、プラグ導電層２２の結晶配向に起因して、第１電極３２および強誘電体層３４に及ぼされる結晶配向の問題はより深刻化する。これに対して、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、強誘電体キャパシタ３０が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。
【００３８】
また、上述したように、強誘電体層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メモリ装置１００が具備する強誘電体キャパシタ３０によれば、結晶配向が（１１１）配向を有するバリア層１４が設けられていることにより、第１電極３２および強誘電体層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たものとなる。
【００３９】
なお、図１に示した強誘電体メモリ装置１００については、図３又は図４に示すような構成とした場合にも、強誘電体特性の向上を図ることができる。
図３は、強誘電体メモリ装置の一変形例の要部を示す断面模式図であって、下地層１２の構成を示すものである。当該下地層１２は、第１窒化チタン層１２ａ、第２窒化チタン層１２ｂ、第３窒化チタン層１２ｃ、及びバリア層１４を含んで構成されている。つまり、図１及び図２に示した強誘電体メモリ装置１００に比して窒化チタン層が更に一層積層された構成を具備しているのである。
【００４０】
この場合、第３窒化チタン層１２ｃは、第１窒化チタン層１２ａ及び第２窒化チタン層１２ｂよりも高い結晶配向性を具備して構成されている。したがって、当該第３窒化チタン層１２ｃ上に形成されたバリア層１４の結晶配向性が図１のものに比して高まり、その結果、第１電極３２および強誘電体層３４の結晶配向性は非常に高いものとなっている。
【００４１】
図４は、図３と同様、強誘電体メモリ装置の一変形例の要部を示す断面模式図であって、下地層１２の構成を示すものである。当該下地層１２は、第１窒化チタン層１２ａ、チタン層１２ｄ、及びバリア層１４を含んで構成されている。つまり、図１及び図２に示した強誘電体メモリ装置１００に比して、第２窒化チタン層１２ｂをチタン層１２ｄとした点が異なっている。
【００４２】
このように、図４に示した下地層１２では窒化チタン層が積層された構成ではないが、第１窒化チタン層１２ａ上に、自己配向性に優れたチタン層１２ｄを配している。これにより、少なくともチタン層１２ｄは第１窒化チタン層１２ａよりも高い結晶配向性を具備し、したがってバリア層１４の結晶配向性も高まり、その結果、第１電極３２および強誘電体層３４の結晶配向性も高いものとなっている。
【００４３】
［強誘電体メモリ装置の製造方法］
次に、図１に示した強誘電体メモリ装置１００の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図５（ａ）〜図５（ｅ）および図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ図１の強誘電体メモリ装置１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図５および図６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の近傍のみを示している。
【００４４】
本態様の強誘電体メモリ装置１００の製造方法は、基板１０の上方に下地層１２を形成する工程と、下地層１２の上方に第１電極（下部電極）３２と、強誘電体層３４と、第２電極（上部電極）３６とを積層する工程とを含むものである。特に、下地層１２の形成工程においては、基板１０の上方に第１チタン層１１２ａを形成する工程と、第１チタン層１１２ａを窒化チタン層１２ａに変化させる工程と、窒化チタン層１２ａの上に第２チタン層１１２ｂを形成する工程と、第２チタン層１１２ｂを窒化チタン層１２ｂに変化させる工程と、バリア層１４を形成する工程とを含むものである。
【００４５】
まず、下地層１２の形成工程に先立って、基板１０にトランジスタ（能動素子）１８を形成し、該トランジスタ１８を含む基板１０上に層間絶縁膜２６を形成するとともに、層間絶縁膜２６にドライエッチング等により開口部（コンタクトホール）２４を形成し、当該コンタクトホール２４内にトランジスタ１８と導通するプラグ導電層２２を埋め込んでプラグ２０を形成する。プラグ導電層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、絶縁層２６の上面に積層されたプラグ導電層２２を、例えば化学的機械研磨により除去して、プラグ２０が形成される。なお、層間絶縁膜２６はシリコン酸化膜からなるもので、プラグ導電層２２はタングステンからなるものである。
【００４６】
また、本実施形態では、上記プラグ２０を含む層間絶縁膜２６に対して、アンモニアプラズマ処理を施すものとしている。具体的には、アンモニアガスのプラズマを励起して、これを上記プラグ２０を含む層間絶縁膜２６に照射するものとしている。このようなアンモニアプラズマ処理の条件としては、例えばチャンバ内に導入されるアンモニアのガス流量を３５０ｓｃｃｍ、チャンバ内の圧力を１Ｔｏｒｒ、基板温度を４００℃、基板に供給される１３．５６ＭＨｚの高周波電源のパワーを１００Ｗ、プラズマ発生領域に供給される３５０ｋＨｚの高周波電源のパワーを５５Ｗ、電極と層間絶縁膜間の距離を３５０ｍｉｌｓ、プラズマ照射時間を６０秒に設定して行うものとした。
以上のアンモニアプラズマ処理により、プラグ導電層２２がある程度アモルファス化される。このようなプラグ形成工程に引き続き、図５〜図６に示すような工程を行って強誘電体キャパシタ３０を形成する。
【００４７】
まず、図５（ａ）に示すように、基板１０の上方（具体的には、絶縁層２６およびプラグ２０上）にチタン層１１２ａを成膜する。チタン層１１２ａの成膜方法としては、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。チタン層は一般に、自己配向性が高く、スパッタリング法やＣＶＤ法によって成膜されて、（００１）配向を有する六方最密構造の層を構成する。したがって、チタン層１１２ａは、アモルファスの層間絶縁膜２６上では自己配向性により（００１）配向を示す一方、アンモニアプラズマ処理を施しているものの、プラグ２０上ではプラグ導電層２２の結晶構造の影響を受けて良好な（００１）配向を示すことなく、無秩序な配向を示すこととなる。
【００４８】
次に、形成したチタン層１１２ａに対して窒化処理を施すことで、当該チタン層１１２ａを第１窒化チタン層１２ａに変化させる（図５（ｂ））。具体的には、窒素を含む雰囲気下で熱処理（５００℃〜６５０℃）を施すことで、チタン層１１２ａを窒素化している。ここで、熱処理の温度が６５０℃を超えると、トランジスタ１８の特性に影響を及ぼすことがあり、一方、熱処理の温度が５００℃未満であると、チタン層１１２ａの窒化に要する時間が長くなりすぎるため、好ましくない。なお、このような窒化工程により、層間絶縁膜２６上で（００１）配向した部分は、（１１１）配向に変化する一方、プラグ２０上では無秩序な配向状態のままとなる。
【００４９】
続いて、図５（ｃ）に示すように、形成した第１窒化チタン層１２ａ上に、同様のスパッタリング法やＣＶＤ法等によりチタン層１１２ｂを形成する。この場合、チタン層１１２ｂは下地の第１窒化チタン層１２ａの結晶構造の影響を受けて、（１１１）配向した第１窒化チタン層１２ａの上では（００１）配向する一方、無秩序な配向状態のプラグ２０の上方では配向性に乏しい状態となる。ところが、チタン層１１２ｂは、最初のチタン層１１２ａに比べると、その自己配向性によりプラグ２０の上方であっても結晶配向性を示すものとなるため、当該チタン層形成の繰り返しにより、プラグ２０の上方の結晶性向上を実現することができるのである。
【００５０】
このようなチタン層１１２ｂを形成した後、これを第２窒化チタン層１２ｂに変化させる（図５（ｄ））。この場合も、窒素を含む雰囲気下で熱処理（５００℃〜６５０℃）を施すことで、チタン層１１２ｂを窒素化している。なお、このような窒化工程により、層間絶縁膜２６の上方で（００１）配向した部分は、第１窒化チタン層１２ａと同様に（１１１）配向に変化する一方、プラグ２０上では第１窒化チタン層１２ａに比して結晶配向性が高く、部分的に（１１１）配向した状態となる。また、このような窒化工程は、後述するバリア層１４或いは第１電極３２を形成した後に行うことも可能である。
【００５１】
ここで、後述する工程において第２窒化チタン層１２ｂの上に成膜されるバリア層１４を（１１１）配向にするためには、形成するチタン層１１２ｂの膜厚は５ｎｍ〜２０ｎｍであることが好ましい。チタン層１１２ｂの膜厚が５ｎｍ未満であると、バリア層１４を（１１１）配向に制御するのが困難となり、一方、チタン層１１２ｂの膜厚が２０ｎｍを超えると、チタン層１１２ｂの窒化が進行しにくくなる場合がある。
【００５２】
次に、図５（ｅ）に示すように、第２窒化チタン層１２ｂ上にバリア層１４を形成する。これにより、第２窒化チタン層１２ｂの（１１１）配向を反映した、（１１１）配向を有するバリア層１４を形成することができる。すなわち、第２窒化チタン層１２ｂとバリア層１４との界面において、第２窒化チタン層１２ｂの格子構造とバリア層１４の格子構造とがマッチングすることにより、エピタキシャル様にバリア層１４が第２窒化チタン層１２ｂ上に成膜される。
【００５３】
バリア層１４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。上述したように、バリア層１４は結晶質であるのが好ましく、（１１１）配向であるのがより好ましい。
例えば、チタン，アルミニウム，および窒素を含む層からなるバリア層１４を形成する場合、バリア層１４は、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなることができる。バリア層１４が（１１１）配向を有することにより、第１電極３２の結晶配向を（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層３４を（１１１）配向にすることができる。
【００５４】
上述したように、強誘電体層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、バリア層１４の結晶配向を（１１１）配向にすることにより、第１電極３２および強誘電体層３４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。なお、バリア層１４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５００℃の間で適宜選択可能である。
【００５５】
次いで、図６（ａ）に示すように、バリア層１４上に第１電極３２を形成する。ここで、第１電極３２を結晶質のバリア層１４上に形成することにより、第１電極３２の結晶性が著しく向上し、かつ、バリア層１４の結晶配向を第１電極３２に反映させることができる。例えば、バリア層１４の結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２を（１１１）配向に形成することができる。第１電極３２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６（ｂ）に示すように、第１電極３２上に強誘電体層３４を形成する。ここで、強誘電体層３４を第１電極３２上に形成することにより、第１電極３２の結晶配向を強誘電体層３４に反映させることができる。例えば、第１電極３２の少なくとも一部が（１１１）配向を有する結晶質である場合、バリア層１４の結晶配向を（１１１）配向に形成することができる。強誘電体層３４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。
【００５７】
次いで、図６（ｃ）に示すように、強誘電体層３４上に第２電極３６を形成する。第２電極３６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を第２電極３６上に形成し、このレジスト層をマスクとして、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、スタック型の強誘電体キャパシタ３０を含む強誘電体メモリ装置１００が得られる（図１参照）。この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は、バリア層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層３４と、強誘電体層３４上に設けられた第２電極３６とを有するものである。
【００５８】
以上説明したような本態様の強誘電体メモリ装置１００の製造方法によれば、以下の作用効果を有する。
つまり、基板１０の上方にチタン層１１２ａを形成し、このチタン層１１２ａを窒化処理するとともに、その第１窒化チタン層１２ａの上方に再度チタン層１１２ｂを形成することで、チタン層１１２ｂの自己配向性に起因して、プラグ２０の上方においても高い結晶配向性を得ることができるようになった。このような結晶配向性の高いチタン層１１２ｂを第２窒化チタン層１２ｂとした後、当該第２窒化チタン層１２ｂ上にバリア層１４を形成することで、バリア層１４においては、結晶配向性に優れた第２窒化チタン層１２ｂの結晶配向を反映させることが可能となる。次いで、このバリア層１４上に第１電極３２および強誘電体層３４を形成することにより、バリア層１４の結晶配向を反映した結晶配向を有する第１電極３２および強誘電体層３４を得ることができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体メモリ装置１００を得ることができる。
【００５９】
特に、結晶配向が（１１１）配向を有するバリア層１４が設けられていることにより、第１電極３２および強誘電体層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、ヒステリシス特性が非常に優れた強誘電体キャパシタ３０を形成することができる。
【００６０】
このように本実施形態では、下地層１２をチタン層形成工程と当該チタン層の窒化工程の繰り返しにより形成しているため、当該下地層１２において下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない。したがって、下地層１２上の所定の結晶配向を有する第１電極３２および強誘電体層３４を形成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のである。
【００６１】
なお、図４に示したようにチタン層１２ｄ上にバリア層１４を形成する場合には、バリア層１４の形成前に窒化工程を行わないものとすればよい。この場合、チタン層１２ｄが自己配向性に起因してプラグ２０の上方においても結晶化されるため、チタン層１２ｄの格子構造とバリア層１４の格子構造とがマッチングすることにより、エピタキシャル様にバリア層１４が結晶配向することとなる。なお、チタン層１２ｄは、膜厚５ｎｍ以下で構成することが好ましく、これにより後工程で行う酸化処理の影響、すなわち高抵抗化、体積変化による剥離等の発生を防止ないし抑制することが可能となる。なお、実際にはバリア層１４の下層に位置するチタン層は窒素化することが好ましく、窒素化により酸化が生じることなく、抵抗値が上がる不具合発生も抑制することが可能となる。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、上記実施の形態では、下地層１２のうちバリア層１４の下層に配設される第２窒化チタン層１２ｂについて、チタン層を形成した後の窒素化をバリア層１４の形成前に行っているが、当該窒素化は第１電極３２の形成後、強誘電体層３４の形成前に行うものとすることができる。この場合、第１電極３２に対してアニールの効果により、当該第１電極３２の配向性を高めることができるとともに、強誘電体層３４がアニールによりダメージを受け、強誘電体特性が低下する不具合を回避することが可能となる。
【００６３】
［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。ここでは、本発明に係る実施例を説明する前に、本発明に属さない比較例を説明して、比較検討するものとする。
【００６４】
（比較例）
比較例として、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、ドライエッチング法により絶縁層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および開口部２４より上に存在するタングステンを除去して、プラグ導電層２２を形成した。以上の工程により、プラグ２０を形成した。
【００６５】
次に、プラグ導電層２２が形成された基板表面をアンモニアプラズマに暴露した後、基板表面にチタン層を形成した。次に、チタン層を窒素雰囲気において加熱処理し、窒化チタン層に変化させた。この窒化チタン層上にバリア層１４してＴｉＡｌＮを形成し、さらに、このバリア層１４の上に第１電極３２としてイリジウムを形成した。ここで、バリア層１４及び第１電極３２について電子線回折像を撮影し、その結晶性を調べた。特に、絶縁層２６上とプラグ導電層２２上との双方について比較検討するものとした。
【００６６】
その結果、絶縁層２６上では、バリア層１４のＴｉＡｌＮ、第１電極３２のイリジウムの回折は、それぞれ明瞭なスポットとして現れた。これは、下地層として形成した窒化チタン層が（１１１）配向しているため、この表面構造を反映してＴｉＡｌＮ／Ｉｒが（１１１）配向していることを示している。
一方、プラグ導電層２２上では、絶縁層２６上と比較してＴｉＡｌＮおよびＩｒの回折パターンが不明瞭となり、ブロードになっていることが確認された。これは、プラグ導電層２２上においては、ＴｉＡｌＮ／Ｉｒの配向性が極端に悪くなっていることを示している。プラグ導電層２２の表面が固有の結晶構造をもっているため、下地層のチタン層が所望の（００１）の面方位に配向制御されなかったためと考えられる。
【００６７】
（実施例）
本実施例においては、図５および図６に示す工程に沿って、強誘電体メモリ装置１００を製造した。
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、ドライエッチング法により絶縁層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および開口部２４より上に存在するタングステンを除去して、プラグ導電層２２を形成した。以上の工程により、プラグ２０を形成した。
【００６８】
次に、プラグ導電層２２が形成された基板表面をアンモニアプラズマに暴露した後、基板表面にチタン層１１２ａを形成した。次に、チタン層１１２ａを窒素雰囲気において加熱処理し、第１窒化チタン層１２ａに変化させた。この第１窒化チタン層１２ａの上にさらにチタン層１１２ｂを成膜した後、再び窒素雰囲気において基板加熱を行い、このチタン層１１２ｂを第２窒化チタン層１２ｂに変化させた。
【００６９】
続いて、得られた第１窒化チタン層１２ａ及び第２窒化チタン層１２ｂの積層体上にバリア層１４としてＴｉＡｌＮを形成した。さらに、このバリア層１４の上に第１電極３２としてイリジウムを形成した。ここで、バリア層１４及び第１電極３２について電子線回折像を撮影し、その結晶性を調べた。特に、絶縁層２６上とプラグ導電層２２上との双方について比較検討するものとした。
【００７０】
その結果、絶縁層２６上では、バリア層１４のＴｉＡｌＮ、第１電極３２のイリジウムの回折は、それぞれ明瞭なスポットとして現れた。これは、下地層として形成した第１及び第２の窒化チタン層が（１１１）配向しているため、これの表面構造を反映してＴｉＡｌＮ／Ｉｒが（１１１）配向した結果と考えられる。なお、この絶縁層２６上では、比較例の絶縁層２６上と同等の配向性であり、下地層の窒化チタン層を積層しても各層の窒化チタン層がそれぞれ（１１１）配向し、表面構造をＴｉＡｌＮまで伝達していると考えられる。
【００７１】
一方、プラグ導電層２２上では、ＴｉＡｌＮおよびＩｒの回折スポットはやや不明瞭になっていることが確認された。これは、絶縁層２６上に比べて、若干結晶配向性に劣っていることを示している。しかしながら、比較例のプラグ導電層２２上のＴｉＡｌＮおよびＩｒの結晶配向性に比べ、回折スポットがはるかに明瞭であることが確認された。このことは、プラグ導電層２２上では、本発明に係る製造方法の採用により、ＴｉＡｌＮ／Ｉｒの配向性が劇的に向上したことを示している。ここで、比較例と実施例とにおいてＴｉＡｌＮ／Ｉｒの形成条件は共通であることから、下地層の窒化チタン層の形成方法の違いがＴｉＡｌＮ／Ｉｒの結晶配向性に大きな差を与えたと言える。
【００７２】
さらに、上記比較例と実施例の双方について、第１電極３２上に強誘電体層３４としてＰＺＴを成膜した。そして、強誘電体層３４の結晶性を調べるため電子線回折による調査を行い、特にプラグ導電層２２上の強誘電体層３４の結晶性について上記比較例と実施例とを比較検討した。
【００７３】
その結果、比較例においては強誘電体層３４のＰＺＴは殆ど配向性を示しておらず、稀に（１１１）配向成分も存在するが、その揺らぎは非常に大きいものであった。それに対し、実施例の強誘電体層３４では、無配向成分は殆どなく、代わって（１１１）配向成分が支配的であった。また、その配向の揺らぎも格段に小さなものであった。これは、プラグ導電層２２上における第１電極３２の結晶配向性の差が、直上のＰＺＴの結晶配向性の差となって現れたと考えられる。
【００７４】
以上から、比較例の下地層の形成方法では、チタン成膜の段階でチタンがプラグ上面の表面構造に影響されてしまい、（００１）配向しない。これを窒化して得られた窒化チタン層も（１１１）配向にはならないため、ＴｉＡｌＮ／Ｉｒも（１１１）配向が得られない。一方、実施例のように、チタン成膜とその窒化のプロセスを繰り返すと、１層目の窒化チタン層に関しては配向性に差が現れないが、２層目の窒化チタン層で配向性が向上した。
【００７５】
これはチタンの自己配向性に起因する。つまり、１層目の窒化チタン層の（１１１）配向成分上では、その表面構造を反映してチタンは（００１）配向するが、（１１１）配向しない無配向成分の窒化チタン層上では、チタンが格子マッチングしないため、界面エネルギーが最小になるように自己配向する成分が現れる。すなわち、（００１）配向する成分が一定の割合で現れ、これらは窒化によって（１１１）配向成分に変化する。その結果、積層された窒化チタン層の最表面は比較例に比べて（１１１）配向成分が大幅に増加することになる。これにより、実施例の強誘電体メモリ装置では、積層された窒化チタン層直上のバリア層及び第１電極の配向性が高く、ひいては強誘電体層の結晶配向性を高めることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【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】図１の強誘電体メモリ装置の要部について配向態様を模式的に示す断面図。
【図３】強誘電体メモリ装置の一変形例について配向態様を模式的に示す断面図。
【図４】強誘電体メモリ装置の異なる変形例について配向態様を模式的に示す断面図。
【図５】図１の強誘電体メモリ装置の一製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】図５に続く強誘電体メモリ装置の一製造工程を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００７７】
１０…半導体基板、１２…下地層、１２ａ…第１窒化チタン層、１２ｂ…第２窒化チタン層、３２…第１電極（下部電極）、３４…強誘電体層、３６…第２電極（上部電極）
【図１】
0004613857.tif 000002
【図２】
0004613857.tif 000003
【図３】
0004613857.tif 000004
【図４】
0004613857.tif 000005
【図５】
0004613857.tif 000006
【図６】
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