(57)【要約】  【課題】  容量素子の下部電極が酸素バリア膜として有している酸化イリジウム膜のバリア性を確実に向上させる。  【解決手段】  半導体基板１０上には電界効果型トランジスタを覆うように層間絶縁膜１４が形成されており、該層間絶縁膜１４にはドレイン領域１２と接続されるようにコンタクトプラグ１５が形成されている。層間絶縁膜１４の上にはコンタクトプラグ１５と接続されるように容量素子の下部電極１６が形成されており、該下部電極１６は、第１の導電性バリア膜１６ａ、酸化イリジウム膜よりなる第２の導電性バリア膜（酸素バリア膜）１６ｂ及び金属膜１６ｃより構成されている。第２の導電性バリア膜１６ｂを構成する粒状結晶の平均結晶粒径は膜厚の１／２以下である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、
前記層間絶縁膜の上に形成され、電極が前記コンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、
前記電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有し、
前記酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径は前記酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下であることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項２】
半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタと、
前記電界効果型トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成され、前記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接続されたコンタクトプラグと、
前記層間絶縁膜の上に形成され、下部電極が前記コンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、
前記下部電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有し、
前記酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径は前記酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下であることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項３】
前記酸化イリジウム膜の膜厚は２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体記憶装置。
【請求項４】
半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜の上に形成され、電極が前記コンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、前記電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有する半導体記憶装置の製造方法であって、
イリジウムを含むターゲットが配置された反応室に酸素ガス及びアルゴンガスを導入して行なう反応性スパッタリング法により前記酸化イリジウム膜を成膜する工程を備え、
前記反応性スパッタリング法は、前記反応室内の酸素ガスの実際の分圧をｘとし、前記反応室内のアルゴンガスの実際の分圧をｙとしたときにｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なわれることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタと、前記電界効果型トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に形成され、前記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接続されたコンタクトプラグと、前記層間絶縁膜の上に形成され、下部電極が前記コンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、前記下部電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有する半導体記憶装置の製造方法であって、
前記反応性スパッタリング法は、前記反応室内の酸素ガスの実際の分圧をｘとし、前記反応室内のアルゴンガスの実際の分圧をｙとしたときにｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なわれることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
【請求項６】
前記酸化イリジウム膜に対して、５００℃〜６００℃の温度下で熱処理を施す工程をさらに備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化イリジウム膜、特にスタック型強誘電体メモリセルの電極として用いられる酸化イリジウム膜およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、動作電圧が低いと共に高速で書き込み及び読み出しが可能な不揮発性ＲＡＭの実用化を目指し、自発分極特性を有する強誘電体膜に関する研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
これら高誘電体膜又は強誘電体膜を容量絶縁膜として用いる半導体メモリにおいて、メガビット級の高集積メモリを実現する場合には、従来のプレーナ型メモリセルに代えて、スタック型のメモリセルが用いられる。
【０００４】
このスタック型のメモリセルにおける課題は、電界効果型トランジスタを覆う層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成された容量素子の下部電極との接触面が、強誘電体膜又は高誘電体膜を構成する絶縁性金属酸化物を結晶化する際に必要な酸素雰囲気での高温の熱処理時に酸化される事態を防止することである。
【０００５】
そこで、通常、コンタクトプラグと下部電極との間に、酸素バリア膜として、導電性酸化物である酸化イリジウム膜が設けられる。
【０００６】
酸化イリジウム膜を形成する方法としては、イリジウムよりなる金属ターゲットをスパッタリングし、スパッタリングされたイリジウムを基板近傍で酸化させる反応性スパッタリング法が提案されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】日本写真学会（1988）、Vol.51, No.1, P.3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述の文献においては、反応性スパッタリング法により形成される酸化イリジウム膜の酸素バリア性を向上させるための具体的な条件については検討されていない。
【０００８】
このため、従来においては、酸化イリジウム膜の酸素バリア性を確実に向上させることができないという問題がある。
【０００９】
前記に鑑み、本発明は、容量素子の電極が酸素バリア膜として有している酸化イリジウム膜のバリア性を確実に向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有し、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径は酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下である。
【００１１】
本発明に係る第１の半導体記憶装置によると、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径は該酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下であるから、酸化イリジウム膜における酸素原子の拡散パスは屈曲しており、酸素原子は結晶粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は確実に向上する。
【００１２】
第１の半導体記憶装置において、酸化イリジウム膜の膜厚は２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
このようにすると、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径を、酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下に確実にすることができる。
【００１４】
本発明に係る第２の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有し、該酸化イリジウム膜は、平均結晶粒径が互いに異なる複数の層を有している。
【００１５】
本発明に係る第２の半導体記憶装置によると、酸素バリア膜となる酸化イリジウム膜は、平均結晶粒径が互いに異なる複数の層を有しているため、酸素原子は、平均結晶粒径が小さい方の層を構成する結晶の粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は向上する。一方、平均結晶粒径が大きい方の層は、酸素バリア膜と接する膜との密着性を向上させる。
【００１６】
第２の半導体記憶装置において、複数の層を構成する下層の平均結晶粒径は相対的に大きく、且つ複数の層を構成する上層の平均結晶粒径は相対的に小さいことが好ましい。
【００１７】
このようにすると、酸素バリア膜の上方から接近してくる酸素原子の拡散を上層が阻止すると共に、酸素バリア膜の下側に形成される膜との密着性を下層が向上させることができる。
【００１８】
この場合、下層の膜厚は３０ｎｍ以下であり、且つ上層の膜厚は２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
このようにすると、上層が酸素原子の拡散を確実に阻止すると共に、下層が酸素バリア膜の下側に形成される膜との密着性を確実に向上させることができる。
【００２０】
本発明に係る第３の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタと、電界効果型トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成され、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接続されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、下部電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、下部電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有し、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径は酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下である。
【００２１】
本発明に係る第３の半導体記憶装置によると、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径は該酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下であるから、酸化イリジウム膜における酸素原子の拡散パスは屈曲しており、酸素原子は結晶粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は確実に向上する。
【００２２】
第３の半導体記憶装置において、酸化イリジウム膜の膜厚は２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径を、酸化イリジウム膜の厚さの１／２以下に確実にすることができる。
【００２４】
本発明に係る第４の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタと、電界効果型トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成され、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接続されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、下部電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、下部電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有し、該酸化イリジウム膜は平均結晶粒径が互いに異なる複数の層を有している。
【００２５】
本発明に係る第４の半導体記憶装置によると、酸素バリア膜となる酸化イリジウム膜は、平均結晶粒径が互いに異なる複数の層を有しているため、酸素原子は、平均結晶粒径が小さい方の層を構成する結晶の粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は向上する。一方、平均結晶粒径が大きい方の層は、酸素バリア膜と接する膜との密着性を向上させる。
【００２６】
第４の半導体記憶装置において、複数の層を構成する下層の平均結晶粒径は相対的に大きく、且つ複数の層を構成する上層の平均結晶粒径は相対的に小さいことが好ましい。
【００２７】
このようにすると、酸素バリア膜の上方から接近してくる酸素原子の拡散を上層が阻止すると共に、酸素バリア膜の下側に形成される膜との密着性を下層が向上させることができる。
【００２８】
この場合、下層の膜厚は３０ｎｍ以下であり、且つ上層の膜厚は２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、上層が酸素原子の拡散を確実に阻止すると共に、下層が酸素バリア膜の下側に形成される膜との密着性を確実に向上させることができる。
【００３０】
本発明に係る第１の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有する半導体記憶装置の製造方法を対象とし、イリジウムを含むターゲットが配置された反応室に酸素ガス及びアルゴンガスを導入して行なう反応性スパッタリング法により酸化イリジウム膜を成膜する工程を備え、反応性スパッタリング法は、反応室内の酸素ガスの実際の分圧をｘとし、反応室内のアルゴンガスの実際の分圧をｙとしたときにｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なわれる。
【００３１】
本発明に係る第２の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタと、電界効果型トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成され、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接続されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、下部電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、下部電極は酸素バリア膜として酸化イリジウム膜を有する半導体記憶装置の製造方法を対象とし、反応性スパッタリング法は、反応室内の酸素ガスの実際の分圧をｘとし、反応室内のアルゴンガスの実際の分圧をｙとしたときにｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なわれる。
【００３２】
本発明に係る第１又は第２の半導体記憶装置の製造方法によると、反応室内に導入されるガスにおける、アルゴン原子に対する酸素ガスの割合が大きくなるため、ターゲットに衝突してスパッタリングを起こす原子がアルゴン原子から酸素原子に変わるので、スパッタリングされた粒子の運動エネルギーが小さくなり、これに伴って、酸化イリジウム膜を構成する粒子の平均結晶粒径が小さくなる。
【００３３】
従って、第１又は第２の半導体記憶装置の製造方法によると、酸化イリジウム膜における酸素原子の拡散パスは屈曲するため、酸素原子は結晶粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は確実に向上する。
【００３４】
また、基板を室温以上の温度に保った状態で酸化イリジウム膜を成膜できるので、コンタクトプラグと容量素子の下部電極との密着性が向上する。
【００３５】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、電極は、酸素バリア膜として平均結晶粒径が互いに異なる多層からなる酸化イリジウム膜を有する半導体記憶装置の製造方法を対象とし、反応性スパッタリング法は、反応室内の酸素ガスの実際の分圧をｘとし、反応室内のアルゴンガスの実際の分圧をｙとしたときに、第１段階は、ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．５の関係が成り立つ条件で行なわれ、その後に行なわれる第２段階は、ｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なわれる。
【００３６】
本発明に係る第４の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタと、電界効果型トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成され、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接続されたコンタクトプラグと、層間絶縁膜の上に形成され、下部電極がコンタクトプラグと接続された容量素子とを備え、下部電極は酸素バリア膜として平均結晶粒径が互いに異なる多層からなる酸化イリジウム膜を有する半導体記憶装置の製造方法を対象とし、反応性スパッタリング法は、反応室内の酸素ガスの実際の分圧をｘとし、反応室内のアルゴンガスの実際の分圧をｙとしたときに、第１段階は、ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．５の関係が成り立つ条件で行なわれ、その後に行なわれる第２段階は、ｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なわれる。
【００３７】
本発明に係る第３又は第４の半導体記憶装置の製造方法によると、反応性スパッタリング工程の第１段階においては、ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．５の関係が成り立つ条件で行なうため、スパッタリングされる粒子の運動エネルギーが大きくなるので、コンタクトプラグと下部電極との密着性が向上し、反応性スパッタリング工程の第２段階においては、ｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の関係が成り立つ条件で行なうため、スパッタリングされる粒子の運動エネルギーが小さくなるので、酸化イリジウム膜を構成する粒子の平均結晶粒径が小さくなる。
【００３８】
従って、第３又は第４の半導体記憶装置の製造方法によると、コンタクトプラグと容量素子の電極との密着性が向上すると共に、酸化イリジウム膜の酸素バリア性が向上する。
【００３９】
本発明に係る第１〜第４の半導体記憶装置の製造方法において、酸化イリジウム膜に対して、窒素雰囲気中における５００℃〜６００℃の温度下で熱処理を施す工程をさらに備えていることが好ましい。
【００４０】
このようにすると、熱処理により酸化イリジウム膜の緻密性が向上するので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性が一層向上する。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る第１又は第３の半導体記憶装置によると、酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径が膜厚の１／２以下であるから、酸化イリジウム膜における酸素原子の拡散パスが屈曲するため、酸素原子は結晶粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は確実に向上する。
【００４２】
本発明に係る第２又は第４の半導体記憶装置によると、酸化イリジウム膜は、平均結晶粒径が互いに異なる複数の層を有するため、酸素原子は、平均結晶粒径が小さい方の層を構成する結晶の粒界を拡散し難いので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は向上すると共に、平均結晶粒径が大きい方の層は、酸素バリア膜と接する膜との密着性を向上させる。
【００４３】
本発明に係る第１又は第３の半導体記憶装置の製造方法によると、反応室内に導入されるガスにおける、アルゴン原子に対する酸素ガスの割合が大きくなるため、スパッタリングされた粒子の運動エネルギーが小さくなり、これに伴って、酸化イリジウム膜を構成する粒子の平均結晶粒径が小さくなると共に、基板を室温以上の温度に保った状態で酸化イリジウム膜を成膜することができる。このため、酸化イリジウム膜の酸素バリア性が確実に向上すると共にコンタクトプラグと下部電極との密着性も向上する。
【００４４】
本発明に係る第２又は第４の半導体記憶装置の製造方法によると、反応性スパッタリング工程の第１段階においては、スパッタリングされる粒子の運動エネルギーが大きくなるため、コンタクトプラグと下部電極との密着性が向上し、反応性スパッタリング工程の第２段階においては、スパッタリングされる粒子の運動エネルギーが小さくなるので、酸化イリジウム膜を構成する粒子の平均結晶粒径が小さくなる。このため、酸化イリジウム膜の酸素バリア性が確実に向上すると共にコンタクトプラグと下部電極との密着性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置及びその製造方法について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００４６】
図１に示すように、半導体基板１０の表面部にはソース領域１１及びドレイン領域１２が形成されていると共に、半導体基板１０の上にはゲート電極１３が形成されており、これらソース領域１１、ドレイン領域１２及びゲート電極１３によって電界効果型トランジスタが構成されている。
【００４７】
半導体基板１０の上には、電界効果型トランジスタを覆うように層間絶縁膜１４が形成されており、該層間絶縁膜１４にはドレイン領域１２と接続されるように、ポリシリコンよりなるコンタクトプラグ１５が形成されている。
【００４８】
層間絶縁膜１４の上にはコンタクトプラグ１５と接続されるように、容量素子の下部電極１６が形成されており、該下部電極１６は、下から順に形成された第１の導電性バリア膜１６ａ、第２の導電性バリア膜１６ｂ及び金属膜１６ｃから構成されている。
【００４９】
第１の導電性バリア膜１６ａは、下から順に堆積された、例えば２０ｎｍの厚さを有するチタン膜、例えば４０ｎｍの厚さを有する窒化チタンアルミニウム膜及び例えば１００ｎｍの厚さを有するイリジウム膜よりなり、コンタクトプラグ１５を構成するポリシリコンの拡散を防止する機能を有する。
【００５０】
第２の導電性バリア膜１６ｂは、例えば１６０ｎｍの厚さを有する酸化イリジウム膜よりなり、第１の導電性バリア膜１６ａの側面及び上面を覆っている。第２の導電性バリア膜１６ｂは、後述する容量絶縁膜１７を構成する絶縁性金属酸化物を結晶化するための酸素雰囲気での高温の熱処理時に第１の導電性バリア膜１６ａが酸化することを防止する機能を有する。
【００５１】
金属膜１６ｃは、例えば５０ｎｍの厚さを有する白金膜よりなる。
【００５２】
層間絶縁膜１４の上には、下部電極１６を覆うように例えば１６０ｎｍの厚さを有する容量絶縁膜１７が形成されており、該容量絶縁膜１７は例えばビスマス層状ペロブスカイト構造を有するＳｒＢｉ2（Ｔａ1-xＮｂx）Ｏ9（但し、０≦ｘ≦１）よりなる。
【００５３】
容量絶縁膜１７の上には、例えば１００ｎｍの厚さを有する白金膜よりなる容量素子の上部電極１８が形成されている。
【００５４】
以下、本実施形態の特徴として、酸素バリア膜としての第２の導電性バリア膜１６ｂの構成について説明する。
【００５５】
ところで、酸素は酸素バリア膜を構成する結晶の粒界を通じて拡散するので、酸素バリア膜のバリア性を向上させるためには、(1) 酸素バリア膜を配向性が強い大きな柱状結晶により構成して、酸素原子の拡散パスとなる結晶粒界の緻密度を向上させる方法と、(2) 酸素バリア膜を構成する結晶の粒径を小さくして、酸素原子の拡散パスを屈曲させる方法とが考えられる。
【００５６】
ところが、酸化イリジウム膜をスパッタリング法により堆積する場合には、配向性の悪い膜しか得られないので、酸化イリジウムの酸素バリア性を向上させるためには、(1) の方法は適当ではなく(2) の方法が適している。
【００５７】
(2) の方法を採用する場合において、酸素原子の拡散パスを屈曲させるためには、平均結晶粒径が膜厚の１／２以下であることが必要になる。
【００５８】
図２（ａ）は、本実施形態に係る第２の導電性バリア膜１６ｂの断面構造を示し、図２（ｂ）は、従来の酸素バリア膜（本実施形態に係る第２の導電性バリア膜１６ｂに相当する）の断面構造を示している。尚、第２の導電性バリア膜１６ｂの膜厚及び従来の酸素バリア膜の膜厚はいずれも、２００ｎｍ以下である。
【００５９】
図２（ｂ）に示す従来の酸素バリア膜においては、平均結晶粒径と酸素バリア膜の膜厚が等しいので、酸素原子の拡散パスは直線状である。これに対して、本実施形態に係る第２の導電性バリア膜１６ｂにおいては、平均結晶粒径が酸素バリア膜の膜厚の１／２であるから、酸素原子の拡散パスは屈曲している。このため、酸素原子は結晶粒界を拡散し難いので、第２の導電性バリア膜１６ｂの酸素バリア性は向上する。
【００６０】
図３は、第２の導電性バリア膜１６ｂにおける（平均結晶粒径／膜厚）と、コンタクト抵抗との関係を示している。コンタクト抵抗の測定は、図１に示す半導体記憶装置を複数個用いて、ドレイン領域１２、コンタクトプラグ１５及び下部電極１６によりコンタクトチェーンを形成し、このコンタクトチェーンにおけるコンタクト抵抗を評価することにより行なった。尚、図３の縦軸は、コンタクトチェーンにおける１つのコンタクト抵抗の値を示している。
【００６１】
図３から分かるように、（平均結晶粒径／膜厚）が５０％以下であると、コンタクト抵抗は、デバイスの動作上で問題にならない２ｋΩ以下になると共にばらつきも少ない。これに対して、（平均結晶粒径／膜厚）が５０％を超えると、コンタクト抵抗のばらつきが大きくなり、（平均結晶粒径／膜厚）が６０％を超えると、コンタクト抵抗のばらつきは極めて大きくなる。
【００６２】
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置における第２の導電性バリア膜（酸化イリジウム膜）１６ｂの製造方法について説明する。
【００６３】
（第１の実施形態に係る半導体記憶装置の第１の製造方法）
第１の製造方法は、平行平板型ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて反応性スパッタリングにより酸化イリジウム膜を成膜する方法であって、基板上に、粒状結晶よりなり、平均結晶粒径が膜厚の半分以下である酸化イリジウム膜を堆積する。この場合、反応室に導入するガスとしては、不活性ガスとしてアルゴンガスを用い、活性ガスとして酸素を用いる。
【００６４】
結晶の粒径を小さくするためには、基板上に到達した後、基板表面で動き回る粒子の運動エネルギーを小さくすることが好ましい。
【００６５】
そこで、第１の製造方法は、基板温度を室温よりも低くするものである。具体的には、基板を液体窒素等で例えば１０℃程度に冷却すると、基板上に到達した粒子の運動エネルギーが確実に小さくなるため、平均結晶粒径が８０ｎｍ以下になるので、平均結晶粒径を膜厚の１／２以下にすることができる。
【００６６】
ところが、基板を室温よりも低い温度に保った状態で、反応性スパッタリング法により成膜された酸化イリジウム膜は剥がれやすいという問題がある。
【００６７】
（第１の実施形態に係る半導体記憶装置の第２の製造方法）
第２の製造方法も、平行平板型ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて反応性スパッタリングにより形成するものであって、基板上に、粒状結晶よりなり、平均結晶粒径が膜厚の半分以下である酸化イリジウム膜を堆積する。この場合、反応室に導入するガスとしては、不活性ガスとしてアルゴンガスを用い、活性ガスとして酸素を用いる。
【００６８】
第２の製造方法は、基板上に到達した粒子の運動エネルギーを小さくするために、アルゴンガスに対する酸素ガスの割合を多くして、イリジウム原子を質量が小さい酸素原子よりスパッタリングするものである。この方法では、装置の種類、反応室の圧力及びスパッタリング電力の大きさ等の条件により、アルゴンガスに対する酸素ガスの導入割合を調整する必要がある。その理由は、スパッタリングされて飛行しているイリジウムが酸素原子と結びつく現象（いわゆるゲッター効果）が起きるからである。
【００６９】
図４は、基板温度が４００℃に設定され、圧力が０．６７Ｐａに設定され、スパッタリング電力が１ｋＷに設定された反応室に、Ｏ2 ガス及びＡｒガスを導入して行なう反応性スパッタリングにより酸化イリジウム膜（膜厚＝１６０ｎｍ）を成膜したときにおける、Ｏ2 ガスの流量／（Ｏ2 ガスの流量＋Ａｒガスの流量）（以下、単に酸素ガス比と称する）と、酸化イリジウム膜のシート抵抗との関係、つまり、シート抵抗の酸素ガス比依存性を示している。この場合、膜厚が１６０ｎｍである酸化イリジウム膜を構成する粒状結晶の平均結晶粒径が膜厚の１／２以下になるためのシート抵抗は９Ω／□以上である。
【００７０】
図４において、領域Ａでは、酸素原子がゲッター効果により消費されてしまうので、第２の導電性バリア膜１６ｂは、実質的にイリジウム膜になり、シート抵抗は低い。
【００７１】
領域Ｂでは、ゲッター効果が飽和するため、反応室内の酸素原子が増加していくので、ターゲットの表面が酸化され、これにより、Ｏ2 ガスの増加に伴って第２の導電性バリア膜１６ｂのシート抵抗が急激に高くなる。
【００７２】
領域Ｃでは、ターゲットの表面が完全に酸化されるため、第２の導電性バリア膜１６ｂは完全に酸化イリジウム膜になるので、Ｏ2 ガスが増加しても第２の導電性バリア膜１６ｂのシート抵抗は殆ど変化しない。
【００７３】
領域Ｄでは、反応室内におけるＡｒ原子に対するＯ2 原子の割合が大きくなるため、ターゲットに衝突してスパッタリングを起こす原子がＡｒ原子からＯ2 原子に変わる。Ｏ2 原子はＡｒ原子に比べて、質量が小さく運動量が小さいため、スパッタリングされる粒子の割合が低くなるので、堆積レートが小さくなる。また、スパッタリングされた粒子の運動エネルギーも小さくなるため、第２の導電性バリア膜１６ｂを構成する粒子の粒径が小さくなると共にシート抵抗が増大する。
【００７４】
領域Ｅでは、Ａｒガスの流量が極めて少なくなるので放電が起こらなくなる。
【００７５】
従って、領域Ｄの条件でスパッタリングを行なうと、小さい粒径を持つ粒状結晶よりなる酸化イリジウム膜を確実に得ることができる。
【００７６】
ところで、スパッタリングの条件の１つであるスパッタリング電力を大きくすると、スパッタリングの電流密度が増加するので、ゲッター効果が顕著に現われる。
【００７７】
図５は、圧力が０．６７Ｐａに設定された反応室にＯ2 ガス及びＡｒガスを導入して行なう反応性スパッタリングにより酸化イリジウム膜を成膜したときにおける、スパッタリング電力と酸素ガス比との関係、つまり酸素ガス比の電力依存性を示している。
【００７８】
図５から分かるように、スパッタリング電力が大きくなると、領域Ａつまりゲッター効果により酸素原子が消費されてしまう領域が大きくなるため、領域Ａから領域Ｂに変化する酸素ガス比が大きくなり、これに伴って、領域Ｂから領域Ｃに変化する酸素ガス比及び領域Ｃから領域Ｄに変化する酸素ガス比も大きくなる。
【００７９】
図６は、スパッタリング電力が１ｋＷに設定された反応室にＯ2 ガス及びＡｒガスを導入して行なう反応性スパッタリングにより酸化イリジウム膜を成膜したときにおける、反応室の圧力と酸素ガス比との関係、つまり酸素ガス比の圧力依存性を示している。
【００８０】
図６から分かるように、スパッタリングの条件の１つである反応室の圧力を高くすると、ゲッター効果の影響が小さくなるので、領域Ａから領域Ｂに変化する酸素ガス比が小さくなり、これに伴って、領域Ｂから領域Ｃに変化する酸素ガス比及び領域Ｃから領域Ｄに変化する酸素ガス比も小さくなる。
【００８１】
ここで、領域Ｄ、つまり小さい粒径を持つ粒状結晶よりなる酸化イリジウム膜を確実に得ることができる領域を規定する。
【００８２】
まず、酸化イリジウムを形成するために用いられる酸素ガスの量は、反応室に導入されたＯ2 ガスの量から領域ＡのＯ2 ガスの量を減じた値であるから、図４におけるｘに相当し、Ａｒガスの量は図４におけるｙに相当する。
【００８３】
従って、領域Ｄはｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５を満たす領域であると言えるから、この関係式を満たす範囲内で反応性スパッタリングを行なうと、小さい粒径を持つ粒状結晶よりなり酸素バリア性の高い酸化イリジウム膜を確実に成膜することができる。
【００８４】
また、基板を室温以上の温度に保った状態で酸化イリジウム膜を成膜できるので、酸化イリジウム膜の密着性も向上する。
【００８５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体記憶装置及びその製造方法について、図１及び図７を参照しながら説明する。
【００８６】
第２の実施形態に係る半導体記憶装置の基本構造は、第１の実施形態に係る半導体記憶装置と同様であって、図１に示すように、半導体基板１０の表面部にはソース領域１１及びドレイン領域１２が形成されていると共に、半導体基板１０の上にはゲート電極１３が形成されており、これらソース領域１１、ドレイン領域１２及びゲート電極１３によって電界効果型トランジスタが構成されている。
【００８７】
半導体基板１０の上には、電界効果型トランジスタを覆うように層間絶縁膜１４が形成されており、該層間絶縁膜１４にはドレイン領域１２と接続されるように、ポリシリコンよりなるコンタクトプラグ１５が形成されている。
【００８８】
層間絶縁膜１４の上にはコンタクトプラグ１５と接続されるように、容量素子の下部電極１６が形成されており、該下部電極１６は、下から順に形成された第１の導電性バリア膜１６ａ、第２の導電性バリア膜１６ｂ及び金属膜１６ｃから構成されている。
【００８９】
図７は、第２の導電性バリア膜１６ｂの断面構造を示しており、第２の導電性バリア膜１６ｂは、酸素バリア層として機能する上層１６ｂａと、第１の導電性バリア膜１６ａとの密着性を向上させる下層１６ｂｂとの積層構造を有している。
【００９０】
上層１６ｂａの結晶構造は粒状結晶である。下層１６ｂｂの結晶構造は粒状結晶でも柱状結晶でもよいが、下層１６ｂｂの平均結晶粒径Ｄ2 は、上層１６ｂａの平均結晶粒径Ｄ1 よりも大きいという特徴を有している。尚、図７に示すように、下層１６ｂｂの厚さが結晶粒径よりも小さくなる場合があるので、ここでいう平均結晶粒径Ｄ1、Ｄ2とは、第２の導電性バリア膜１６ｂの平面方向の値を用いる。
【００９１】
また、上層１６ｂａの平均結晶粒径Ｄ1 は、上層１６ｂａの膜厚の１／２以下である。
【００９２】
ところで、下層１６ｂｂは、密着層として働くが酸素バリア性は乏しい。従って、下層１６ｂｂの膜厚は、密着性を確保できる範囲内においてできるだけ小さいことが好ましい。下層１６ｂｂの膜厚は、具体的には５ｎｍ〜３０ｎｍ程度で、好ましくは１０ｎｍ程度である。
【００９３】
上層１６ｂａの膜厚は、酸素バリア層として働くため、成膜が可能な範囲内においてできるだけ大きいことが好ましい。上層１６ｂａの膜厚は、具体的には、上層１６ｂａの平均結晶粒径Ｄ1 の２倍以上で且つ２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００９４】
（第２の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体記憶装置における第２の導電性バリア膜（酸化イリジウム膜）１６ｂの製造方法について説明する。
【００９５】
第２の実施形態における第２の導電性バリア膜１６ｂの製造方法も、平行平板型ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて反応性スパッタリングにより形成するものであって、基板上に、粒状結晶よりなり、平均結晶粒径が膜厚の半分以下である酸化イリジウム膜を堆積する。この場合、反応室に導入するガスとしては、不活性ガスとしてアルゴンガスを用い、活性ガスとして酸素を用いる。
【００９６】
ところで、基板の到達した粒子の運動エネルギーを小さくすると、結晶粒径を小さくできるが、このようにすると、スパッタリングされた粒子が基板に打ち込れ難くなるため、酸化イリジウム膜と基板との間に密着層が形成されず、これによって酸化イリジウム膜の密着性が悪くなるという問題がある。
【００９７】
そこで、スパッタリング工程の第１段階では、スパッタリングされる粒子の運動エネルギーが大きくなるような条件でスパッタリングを行なって密着層を形成し、スパッタリング工程の第２段階では、スパッタリングされる粒子の運動エネルギーが小さくなるような条件でスパッタリングを行なって結晶粒径を小さくすることが好ましい。
【００９８】
具体的には、第１段階では、ｘ／（ｘ＋ｙ）＜０．５の条件でスパッタリングを行ない、その後、第２段階では、ｘ／（ｘ＋ｙ）＞０．５の条件でスパッタリングを行なうことが好ましい。この場合、第１段階で成膜される酸化イリジウム膜は酸素バリア性が良くないため、できるだけ薄い方が好ましい。具体的には、第１段階で成膜される酸化イリジウム膜の厚さは、３０ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ程度がより好ましい。
【００９９】
尚、第１〜第３の製造方法によると、平均結晶粒径が膜厚の半分以下である酸化イリジウム膜を成膜できるが、スパッタリングにより形成された酸化イリジウム膜に対して、５００℃〜６００℃の温度下、例えば５５０℃の温度下で熱処理を施して、酸化イリジウム膜を緻密化することが好ましい。この場合、５００℃以上の温度が好ましい理由は、充分な焼き締めを行なって膜質を緻密化するためであり、６００℃以下の温度が好ましい理由は、未反応のイリジウムの酸化による表面モフォロジー荒れを防ぐためである。
【０１００】
従って、スパッタリング後に、酸化イリジウム膜に対して５００℃〜６００℃の温度の熱処理を施すと、酸素原子の拡散パスとなる結晶粒界の緻密度が向上するので、酸化イリジウム膜の酸素バリア性が一層向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明に係る第１又は第３の半導体記憶装置によると、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は確実に向上する。
【０１０２】
本発明に係る第２又は第４の半導体記憶装置によると、酸化イリジウム膜の酸素バリア性は向上すると共に、平均結晶粒径が大きい方の層は、酸素バリア膜と接する膜との密着性を向上させる。
【０１０３】
本発明に係る第１〜第４の半導体記憶装置の製造方法によると、酸化イリジウム膜の酸素バリア性が確実に向上すると共にコンタクトプラグと下部電極との密着性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置の断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置における第２の導電性バリア膜（酸素バリア膜）の断面図であり、（ｂ）は、従来の半導体記憶装置における酸素バリア膜の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置における第２の導電性バリア膜（酸素バリア膜）における（平均結晶粒径／膜厚）とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法により酸化イリジウム膜を成膜したときにおける、Ｏ2 ガスの流量／（Ｏ2 ガスの流量＋Ａｒガスの流量）と、酸化イリジウム膜のシート抵抗との関係を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法により酸化イリジウム膜を成膜したときにおける、スパッタリング電力と酸素ガス比との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法により酸化イリジウム膜を成膜したときにおける、反応室の圧力と酸素ガス比との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体記憶装置における第２の導電性バリア膜（酸素バリア膜）の断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  半導体基板
１１  ソース領域
１２  ドレイン領域
１３  ゲート電極
１４  層間絶縁膜
１５  コンタクトプラグ
１６  下部電極
１６ａ  第１の導電性バリア膜
１６ｂ  第２の導電性バリア膜（酸素バリア膜）
１６ｂａ  第２の導電性バリア膜の上層（酸素バリア膜）
１６ｂｂ  第２の導電性バリア膜の下層（密着層）
１６ｃ  金属膜
１７  容量絶縁膜
１８  上部電極
【図１】
2005223361.tif 000003
【図２】
2005223361.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005223361.tif 000007
【図６】
2005223361.tif 000008
【図７】
2005223361.tif 000009