(57)【要約】【課題】  強誘電体膜キャパシタにおいて、強誘電体膜の組成が膜厚方向において不均一になることを防止して、良好な電気的特性を有するキャパシタを実現する。【解決手段】  半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する（Ｓ１１）。次に、第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する（Ｓ１３ａ）。次に、第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する（Ｓ１３ｂ）。次に、第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する（Ｓ１４）。ここで、第１の強誘電体膜を形成する工程（Ｓ１３ａ）で用いた第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜を形成する工程（Ｓ１３ｂ）で用いた第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度と異なる。【選択図】  図１
2005223314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、
第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度は、前記第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度と異なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の強誘電体膜と前記第２の強誘電体膜とは、同じ種類の成分によって構成されており、
前記第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、
第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記第１の原料ガスに含まれる酸素の濃度は、前記第２の原料ガスに含まれる酸素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の強誘電体膜と前記第２の強誘電体膜とは、同じ種類の成分によって構成されており、
前記第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しいことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、
第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度は、前記第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１の強誘電体膜と前記第２の強誘電体膜とは、同じ種類の成分で構成されており、
前記第１の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度と略等しいことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の強誘電体膜及び前記第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、
第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記第１の強誘電体膜及び前記第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなり、
前記第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度は、前記第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度と異なり、
前記第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度は、前記第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、
第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、前記第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記第１の強誘電体膜及び前記第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなり、
前記第１の原料ガスに含まれる酸素の濃度は、前記第２の原料ガスに含まれる酸素の濃度よりも高く、
前記第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度は、前記第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体基板上に前記下部電極を形成する工程よりも前に、
前記半導体基板上に凹部を有する絶縁膜を形成する工程をさらに備え、
前記下部電極、前記第１の強誘電体膜、前記第２の強誘電体膜、及び前記上部電極の各々は、前記凹部の内面に沿うように形成されることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
半導体基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された第１の強誘電体膜と、
前記第１の強誘電体膜上に形成された第２の強誘電体膜と、
前記第２の強誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、
前記第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
半導体基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された第１の強誘電体膜と、
前記第１の強誘電体膜上に形成された第２の強誘電体膜と、
前記第２の強誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、
前記第１の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度と略等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の強誘電体膜及び前記第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
半導体基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された第１の強誘電体膜と、
前記第１の強誘電体膜上に形成された第２の強誘電体膜と、
前記第２の強誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、
前記第１の強誘電体膜及び前記第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなり、
前記第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しく、
前記第１の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度は、前記第２の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度と略等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
前記下部電極、前記第１の強誘電体膜、前記第２の強誘電体膜、及び前記上部電極の各々は、前記半導体基板上に形成された絶縁膜における凹部の内面に沿うように形成されていることを特徴とする請求項１１〜１４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＶＤ法によって形成される強誘電体膜を有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、強誘電体メモリの分野において、より一層の微細化の実現が求められている。しかしながら、塗布法によって強誘電体膜を形成する従来の方法では、平坦な下地上にしか強誘電体膜を形成することができない。このため、従来の方法では、メモリセルの縮小化の面で限界がある。そこで、メモリセルの縮小化に対応するために、段差を有する下地上に成膜可能な熱ＣＶＤ法を用いて強誘電体膜を形成する方法が提案されている。
【０００３】
以下、従来の半導体装置の製造方法について、図１５を参照しながら説明する。
【０００４】
図１５は、従来の半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【０００５】
予め、半導体基板上に、酸化イリジウム／イリジウム／窒化アルミチタンよりなる積層膜を形成した後、該積層膜を覆うように半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する。さらに、シリコン酸化膜に該積層膜の表面を露出させる凹部を形成しておく（以上、図示せず）。
【０００６】
次に、ステップＳ８１において、スパッタ法により、シリコン酸化膜の凹部の内面に沿って白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる下部電極を形成する。
【０００７】
次に、ステップＳ８２において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ８１にて形成された下部電極をパターニングする。
【０００８】
次に、ステップＳ８３において、ＣＶＤ法を用いて、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約３０分間これらのソースガスを反応させて、約６０ｎｍの膜厚を有する強誘電体膜としてのＳＢＴ膜（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）を形成する。
【０００９】
次に、ステップＳ８４において、スパッタ法により、ステップＳ８３にて形成されたＳＢＴ膜の上に、上部電極としての白金膜を形成する。
【００１０】
次に、ステップＳ８５において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ８６にて形成された上部電極をパターニングする。
【００１１】
以上で説明したステップに従って形成される従来の半導体装置について、図１６を参照しながら説明する。
【００１２】
図１６に示すように、図示しない半導体基板の上には、酸化イリジウム１０３／イリジウム１０２／窒化アルミチタン１０１よりなる積層膜が形成されており、該積層膜を覆うように、半導体基板の上には、積層膜の表面を露出させる凹部１０４ａを有するシリコン酸化膜１０４が形成されている。
【００１３】
また、凹部１０４ａを含むシリコン酸化膜１０４の上には、凹部１０４ａの内面に沿うようにして、下から順に、白金／酸化イリジウムの積層膜よりなる下部電極１０５、強誘電体膜としてのＳＢＴ膜１０６、及び白金膜よりなる上部電極１０７がこの順で形成されている。
【００１４】
なお、塗布法によって平坦な下地上に強誘電体膜を形成する場合の従来例として、例えば特許文献１においては、強誘電体膜を多層に形成する方法が開示されているが、以下で説明するＣＶＤ法を用いて強誘電体膜を形成する場合の問題点に対する解決手法は開示されていない。
【特許文献１】特許第２９６４７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法及び半導体装置では、形成された強誘電体膜の組成が膜厚方向に均一にならないという問題がある。強誘電体膜の組成が膜厚方向に不均一である場合には、キャパシタの電気特性は良好ではない。
【００１６】
前記に鑑み、本発明の目的は、強誘電体膜の組成がその膜厚方向に不均一になることを防止して、良好な電気特性を持つ半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の課題を解決するために、本件発明者らは鋭意検討を重ねたらところ、強誘電体膜の組成が膜厚方向における均一にならないのは、ＣＶＤ法を用いた成膜時における熱が原因になっていることが判明した。本発明は、前記知見に鑑みてなされたものであり、具体的には、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度は、第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度と異なることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によると、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用の第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度と、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用の第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度とが異なるように構成することにより、第１の強誘電体膜の下地となる下部電極の材料に応じて生じる第１の強誘電体膜におけるビスマスの濃度の変動を防止することができる。例えば、白金などの材料によって下部電極が構成されている場合には、ＣＶＤ法における熱を原因とするビスマスの下部電極中への熱拡散を考慮して、第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度を、第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度よりも高く設定する。また、酸化イリジウムなどの材料によって下部電極が構成されている場合には、第１の強誘電体膜と下部電極との界面にビスマスの濃度が高い酸化ビスマス・イリジウム化合物が形成されることを防ぐために、第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度を、第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度よりも低く設定する。このようにすることで、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜のビスマスの濃度が膜厚方向において不均一になることを防止することができる。その結果、電気的特性に優れた半導体装置が実現される。
【００１９】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法において、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とは、同じ種類の成分によって構成されており、第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しい。
【００２０】
このように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とが同じ種類の成分よりなれば、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜のビスマスの濃度は膜厚方向においてほぼ均一になる。
【００２１】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、第１の原料ガスに含まれる酸素の濃度は、第２の原料ガスに含まれる酸素の濃度よりも高いことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によると、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用の第１の原料ガスに含まれる酸素の濃度を、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用の第２の原料ガスに含まれる酸素の濃度よりも高く設定することにより、ＣＶＤ法における熱を原因するビスマスの下部電極中への熱拡散によって第１の強誘電体膜におけるビスマスの濃度が減少することを防止することができる。例えば、３００〜３５０℃程度の熱でのＣＶＤ法ではガス反応律速で成膜されるが、特にこの場合に、第１の原料ガスに含まれる酸素の濃度を第２の原料ガスに含まれる酸素の濃度よりも高く設定することで、ビスマスの下部電極中への熱拡散を防止することができるので、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜のビスマス濃度が膜厚方向において不均一になることを防止することができる。その結果、電気的特性に優れた半導体装置が実現される。
【００２３】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法において、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とは、同じ種類の成分によって構成されており、第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しい。
【００２４】
このように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とが同じ種類の成分よりなれば、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜のビスマスの濃度は膜厚方向においてほぼ均一になる。
【００２５】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度は、第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低いことを特徴とする。
【００２６】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法によると、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用の第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度を、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用の第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低く設定することにより、第１の強誘電体膜におけるタンタルの濃度が上昇することを防止することができる。すなわち、ＣＶＤ法における熱が原因となり、成膜の初期段階において、第１の原料ガスに含まれるビスマスが下部電極中へ熱拡散し、その拡散に応じて多くのタンタルが反応することになるので、第１の強誘電体膜におけるタンタルの濃度が上昇してしまう。本発明に係る第３の半導体装置では、このタンタルの濃度の上昇を防止して、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜のタンタル濃度が膜厚方向において不均一になることを防止することができる。その結果、電気的特性に優れた半導体装置が実現される。
【００２７】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法において、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とは、同じ種類の成分で構成されており、第１の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度と略等しい。
【００２８】
このように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とが同じ種類の成分よりなれば、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜のタンタルの濃度は膜厚方向においてほぼ均一になる。
【００２９】
本発明に係る第１〜３の半導体装置の製造方法において、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなることが好ましい。
【００３０】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなり、第１の原料ガスに含まれるビスマスの濃度は、第２の原料ガスに含まれるビスマスの濃度と異なり、第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度は、第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低い。
【００３１】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法によると、前述の第１の半導体装置の製造方法及び第３の半導体装置の製造方法で説明した理由と同様の理由で、第１の強誘電体膜におけるビスマスの濃度が減少又は上昇したりする変動を防止することができると共に、第１の強誘電体膜におけるタンタルの濃度が上昇することを防止することができる。これにより、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜におけるビスマスの濃度及びタンタルの濃度が、膜厚方向において不均一になることを防止することができる。その結果、電気的特性により優れた半導体装置が実現される。
【００３２】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、第１の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、下部電極上に第１の強誘電体膜を形成する工程と、第２の原料ガスを用いたＣＶＤ法により、第１の強誘電体膜上に第２の強誘電体膜を形成する工程と、第２の強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを備え、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなり、第１の原料ガスに含まれる酸素の濃度は、第２の原料ガスに含まれる酸素の濃度よりも高く、第１の原料ガスに含まれるタンタルの濃度は、第２の原料ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低いことを特徴とする。
【００３３】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法によると、前述の第２の半導体装置の製造方法及び第３の半導体装置の製造方法で説明した理由と同様の理由で、第１の強誘電体膜におけるビスマスの濃度が減少することを防止することができると共に、第１の強誘電体膜におけるタンタルの濃度が上昇することを防止することができる。これにより、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜におけるビスマスの濃度及びタンタルの濃度が膜厚方向において不均一になることを防止することができる。その結果、電気的特性により優れた半導体装置が実現される。
【００３４】
本発明に係る第１〜第５の半導体装置の製造方法において、半導体基板上に下部電極を形成する工程よりも前に、半導体基板上に凹部を有する絶縁膜を形成する工程をさらに備え、下部電極、第１の強誘電体膜、第２の強誘電体膜、及び上部電極の各々は、凹部の内面に沿うように形成されることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、組成ずれが抑制された強誘電体膜を有する立体型キャパシタを備えた半導体装置を実現することができる。その結果、メモリセルの縮小化にも寄与することができる。
【００３６】
本発明に係る第１の半導体装置は、半導体基板上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された第１の強誘電体膜と、第１の強誘電体膜上に形成された第２の強誘電体膜と、第２の強誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しいことを特徴とする。
【００３７】
本発明の第１の半導体装置は、例えば前述の第１又は第２の半導体装置の製造方法によって得られ、第１の半導体装置を構成する強誘電体膜（第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜）は、膜厚方向にほぼ均一なビスマスの濃度を有する。このため、電気的特性に優れた半導体装置が実現される。
【００３８】
本発明に係る第１の半導体装置は、半導体基板上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された第１の強誘電体膜と、第１の強誘電体膜上に形成された第２の強誘電体膜と、第２の強誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、第１の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度と略等しいことを特徴とする。
【００３９】
本発明の第２の半導体装置は、例えば前述の第３の半導体装置の製造方法によって得られ、第２の半導体装置を構成する強誘電体膜（第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜）は、膜厚方向にほぼ均一なタンタルの濃度を有する。このため、電気的特性に優れた半導体装置が実現される。
【００４０】
本発明に係る第１又は第２の半導体装置において、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなることが好ましい。
【００４１】
本発明の第３の半導体装置は、半導体基板上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された第１の強誘電体膜と、第１の強誘電体膜上に形成された第２の強誘電体膜と、第２の強誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜の各々は、ビスマス層状構造の強誘電体よりなり、第１の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるビスマスの濃度と略等しく、第１の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度は、第２の強誘電体膜に含まれるタンタルの濃度と略等しいことを特徴とする。
【００４２】
本発明の第３の半導体装置は、例えば前述の第１又は第２の半導体装置の製造方法と前述の第３の半導体装置の製造方法とを組み合わせることによって得られ、第３の半導体装置を構成する強誘電体膜（第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜）は、膜厚方向にほぼ均一なビスマスの濃度及びタンタルの濃度を有する。このため、電気的特性により優れた半導体装置が実現される。
【００４３】
本発明の第１〜３の半導体装置において、下部電極、第１の強誘電体膜、第２の強誘電体膜、及び上部電極の各々は、半導体基板上に形成された絶縁膜における凹部の内面に沿うように形成されていることが好ましい。
【００４４】
このようにすると、組成ずれが抑制された強誘電体膜を有する立体型キャパシタを備えた半導体装置が実現される。その結果、メモリセルの縮小化にも寄与することができる。
【発明の効果】
【００４５】
以上のように、本発明に係る本発明に係る第１〜第５の半導体装置の製造方法並びに第１〜第３の半導体装置よると、強誘電体膜の組成を膜厚方向においてほぼ均一にすることができる。従って、良好な電気的特性を有するキャパシタを備えた半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４７】
（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装置の製造方法について、図１を参照しながら説明する。
【００４８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【００４９】
予め、半導体基板上に、酸化イリジウム／イリジウム／窒化アルミチタンよりなる積層膜を形成した後、該積層膜を覆うように半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する。さらに、シリコン酸化膜に積層膜の表面を露出させる凹部を形成しておく（以上、図示せず）。
【００５０】
次に、ステップＳ１１において、スパッタ法により、シリコン酸化膜の凹部の内面に沿って白金（Ｐｔ）膜よりなる下部電極を形成する。なお、下部電極は、白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる場合でもよい。
【００５１】
次に、ステップＳ１２において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ１１にて形成された下部電極をパターニングする。
【００５２】
次に、ステップＳ１３ａにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ１２にてパターニングされた下部電極の上に、約２０ｎｍの膜厚を有する第１の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第１の強誘電体膜は、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２２０×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約１０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【００５３】
次に、ステップＳ１３ｂにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ１３ａにて形成された第１の強誘電体膜の上に、約４０ｎｍの膜厚を有する第２の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第２の強誘電体膜は、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約２０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【００５４】
ここで、前述したように、ステップＳ１３ａにおける第１の強誘電体膜の成長条件では、ＥＣＨ中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が希釈されたガスの流量を２２０×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定する一方、ステップＳ１３ｂにおける第２の強誘電体膜の成長条件では、ＥＣＨ中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が希釈されたガスの流量を２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定している。このように、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度よりも高く設定されている。
【００５５】
次に、ステップＳ１４において、スパッタ法により、ステップＳ１３ｂにて形成された第２の強誘電体膜の上に、白金膜よりなる上部電極を形成する。
【００５６】
次に、ステップＳ１５において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ１４にて形成された上部電極をパターニングする。
【００５７】
以上で説明したステップに従って形成される本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について、図２を参照しながら説明する。
【００５８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【００５９】
図２に示すように、図示しない半導体基板の上には、酸化イリジウム３／イリジウム２／窒化アルミチタン１よりなる積層膜が形成されており、該積層膜を覆うように、半導体基板の上には、該積層膜の表面を露出させる凹部４ａを有するシリコン酸化膜４が形成されている。
【００６０】
また、凹部４ａを含むシリコン酸化膜４の上には、凹部４ａの内面に沿うようにして、下から順に、白金（Ｐｔ）膜よりなる下部電極５、ＳＢＴ膜よりなる第１の強誘電体膜６ａ、ＳＢＴ膜よりなる第２の強誘電体膜６ｂ、及び白金膜よりなる上部電極７がこの順で形成されている。なお、下部電極は、白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる場合でもよい。
【００６１】
ここで、第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂの各々におけるＳｒ（ストロンチウム）：Ｂｉ（ビスマス）の組成比は、ほぼ１：２.２４であり、第１の強誘電体膜６ａ中のビスマスの濃度と第２の強誘電体膜６ｂ中のビスマスの濃度とはほぼ等しい。
【００６２】
以下に、本発明の第１の実施形態において、第１の強誘電体膜６ａを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度を、第２の強誘電体膜６ｂを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度よりも高く設定している理由について説明する。
【００６３】
種々の検討結果、ＣＶＤ法を用いた従来の半導体装置の製造方法によって形成された強誘電体膜を備えたキャパシタの分極特性が、塗布法を用いて形成された強誘電体膜を備えてキャパシタの分極特性に比べて良くない理由は、ＣＶＤ法によって形成された強誘電体膜の組成が膜厚方向に均一ではないことが原因になっていることが見出された。
【００６４】
図３は、ＳＩＭＳにより、通常のＣＶＤ法を用いて白金膜よりなる電極上に形成したＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜の膜厚方向におけるビスマスの分布を分析した結果を示しており、図４は、ＳＩＭＳにより、通常の塗布法を用いて白金膜よりなる電極上に形成したＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜の膜厚方向におけるビスマスの分布を分析した結果を示している。なお、図３と図４とにおいては、強誘電体膜中のストロンチウムの濃度を合わせて規格化して示している。
【００６５】
まず、図３から明らかなように、通常のＣＶＤ法を用いて形成したＳＢＴ膜には次の特徴が見られる。すなわち、ＳＢＴ膜における白金膜と近い領域である白金膜の上面からの約１０〜２０ｎｍの領域においては、ビスマスの濃度が、ＳＢＴ膜におけるその他の領域でのビスマスの濃度と比較して約半分程度になっている。このように、ＳＢＴ膜におけるビスマスの濃度は、その膜厚方向において非常に不均一であることが分かる。
【００６６】
一方、図４から明らかなように、通常の塗布法を用いて形成したＳＢＴ膜の場合には、図３に示したようなビスマスの濃度が不均一になっている箇所は見られない。すなわち、ＳＢＴ膜におけるビスマスの濃度は、その膜厚方向において均一であることが分かる。
【００６７】
このように、通常のＣＶＤ法を用いて形成した強誘電体膜におけるビスマスの濃度が膜厚方向において不均一となるのは、前述したように、ＣＶＤ法を用いて強誘電体膜を形成する際における熱そのものに起因していることが見出された。以下に具体的に説明する。
【００６８】
通常、ＣＶＤ法では、３００〜４００℃程度の熱により、ＣＶＤ用ガスを互いに反応させながら、強誘電体膜の成膜を行なっているが、成膜の初期段階ではビスマスが下地の白金膜よりなる電極中へ熱拡散してしまう。これにより、形成されたＳＢＴ膜における下部の領域においてビスマスの濃度が下がっているものと考えられる。このような現象は、図３において、白金膜よりなる電極における上部の領域においてビスマスの濃度が高くなっていることからも裏付けられる。一方、通常、塗布法では、塗布時における温度はほぼ常温であるので、ビスマスが白金膜よりなる電極中へ熱拡散することがほとんどないものと考えられる。
【００６９】
従って、本発明の第１の実施形態では、強誘電体膜の成膜の初期段階においてビスマスが下地の電極に熱拡散し易いことに鑑みて、ビスマスが下地となる下部電極５中に熱拡散する分だけビスマスの濃度を高く設定したＣＶＤ用ガスを用いて第１の強誘電体膜６ａを形成すると共に、該第１の強誘電体膜６ａを形成するために用いるＣＶＤ用ガスにおけるビスマスの濃度よりも低い通常用いるビスマスの濃度を有するＣＶＤ用ガスを用いて第２の強誘電体膜６ｂを形成することが特徴である。
【００７０】
図５は、ＳＩＭＳにより、本発明の第１の実施形態における第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂの膜厚方向におけるビスマスの濃度分布を分析した結果を示している。なお、図５においては、第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂ中のストロンチウムの濃度分布を合わせて規格化して示している。
【００７１】
図５から明らかなように、白金膜よりなる下部電極５における上部の領域では、第１の強誘電体膜６ａからビスマスが熱拡散していることが認められるが、第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂにおけるビスマスの濃度はほぼ等しいことが分かる。すなわち、本発明の第１の実施形態における第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂでは、図３の場合と比べて、ビスマスの濃度の膜厚方向における均一性は大きく向上していることが分かる。
【００７２】
ここで、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及び従来例に係る半導体装置のそれぞれおける電気的特性について説明する。なお、以下で説明する立体型キャパシタは、熱処理工程及び加工工程などの所望の製造工程を経て形成されたものであることは言うまでもない。
【００７３】
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を構成する立体型キャパシタのＰｎｖ値を求めると共に、従来例に係る半導体装置を構成する立体型キャパシタのＰｎｖ値を求めることにより、それぞれの立体型キャパシタの電気的特性を評価したところ、本発明の第１の実施形態の場合ではＰｎｖ値が１２．１であったのに対して、従来例の場合ではＰｎｖ値が９．９であった。なお、Ｐｎｖ値（分極量）は、値が大きいほどメモリの電荷保持性能が優れていることを意味する。それぞれの値から明らかなように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の電気的特性は、従来例に係る半導体装置の電気的特性よりも大幅に向上していることが分かる。このような結果が得られた理由は以下の通りである。
【００７４】
すなわち、従来例では、強誘電体膜における下部の領域においてビスマスの濃度が低下していたために、その領域において強誘電体膜としての特性を十分に発揮することができなかった。しかしながら、本発明の第１の実施形態では、第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂよりなる強誘電体膜の下部を構成する第１の強誘電体膜６ａは、ビスマスが下地の下部電極５中に拡散した後であっても、従来例の場合と比べて十分なビスマスの濃度を有する。このため、従来例における半導体装置の電気的特性と比較して、第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂを備えた第１の実施形態に係る半導体装置の電気的特性が向上したと考えられる。
【００７５】
なお、本発明の第１の実施形態においては、ＣＶＤ法により、ＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜を形成する場合について説明したが、ＣＶＤ法によってＮｂを含むＳＢＴＮ膜を形成する場合、又は、ＣＶＤ法によってＢＬＴ膜等のビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、本発明の第１の実施形態においては、熱ＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合について説明したが、プラズマＣＶＤ法等の熱を加える他のＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
（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装置の製造方法について、図６を参照しながら説明する。
【００７８】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【００７９】
予め、半導体基板上に、酸化イリジウム／イリジウム／窒化アルミチタンよりなる積層膜を形成した後、該積層膜を覆うように半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する。さらに、シリコン酸化膜に該積層膜の表面を露出させる凹部を形成しておく（以上、図示せず）。
【００８０】
次に、ステップＳ２１において、スパッタ法により、シリコン酸化膜の凹部の内面に沿って白金（Ｐｔ）膜よりなる下部電極を形成する。なお、下部電極は、白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる場合でもよい。
【００８１】
次に、ステップＳ２２において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ２１にて形成された下部電極をパターニングする。
【００８２】
次に、ステップＳ２３ａにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ２２にてパターニングされた下部電極の上に、約２０ｎｍの膜厚を有する第１の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第１の強誘電体膜は、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量９０×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約１０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【００８３】
次に、ステップＳ２３ｂにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ２３ａにて形成された第１の強誘電体膜の上に、約４０ｎｍの膜厚を有する第２の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第２の強誘電体膜は、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約２０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【００８４】
ここで、前述したように、ステップＳ２３ａにおける第１の強誘電体膜の成長条件では、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が希釈されたガスの流量を９０×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定する一方、ステップＳ２３ｂにおける第２の強誘電体膜の成長条件では、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が希釈されたガスの流量を１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定している。このように、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるタンタルの濃度は、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低く設定している。
【００８５】
次に、ステップＳ２４において、スパッタ法により、ステップＳ２３ｂにて形成された第２の強誘電体膜の上に、白金膜よりなる上部電極を形成する。
【００８６】
次に、ステップＳ２５において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ２４にて形成された上部電極をパターニングする。
【００８７】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図を示している。
【００８８】
図７に示すように、図示しない半導体基板の上には、酸化イリジウム３／イリジウム２／窒化アルミチタン１よりなる積層膜が形成されており、該積層膜を覆うように、半導体基板の上には該積層膜の表面を露出させる凹部４ａを有するシリコン酸化膜４が形成されている。
【００８９】
また、凹部４ａを含むシリコン酸化膜４の上には、凹部４ａの内面に沿うようにして、下から順に、白金膜よりなる下部電極５、ＳＢＴ膜よりなる第１の強誘電体膜６ｃ、ＳＢＴ膜よりなる第２の強誘電体膜６ｄ、及び白金膜よりなる上部電極７がこの順で形成されている。なお、下部電極５は、白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる場合でもよい。
【００９０】
ここで、第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄの各々におけるＳｒ（ストロンチウム）：Ｔａ（タンタル）の組成比は、ほぼ１：２であり、第１の強誘電体膜６ｃ中のタンタルの濃度と第２の強誘電体膜６ｄ中のタンタルの濃度とはほぼ等しい。
【００９１】
以下に、本発明の第２の実施形態において、第１の強誘電体膜６ｃを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるタンタルの濃度を、第２の強誘電体膜６ｄを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低く設定している理由について説明する。
【００９２】
図８は、ＳＩＭＳにより、通常のＣＶＤ法を用いて白金膜よりなる電極上に形成したＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜の膜厚方向におけるタンタルの濃度の分布を分析した結果を示しており、図９は、ＳＩＭＳにより、通常の塗布法を用いて白金膜よりなる電極上に形成したＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜の膜厚方向におけるタンタルの濃度の分布を分析した結果を示している。なお、図８と図９とにおいては、強誘電体膜中のストロンチウムの濃度分布を合わせて規格化して示している。
【００９３】
まず、図８から明らかなように、通常のＣＶＤ法を用いて形成したＳＢＴ膜には次の特徴が見られる。すなわち、ＳＢＴ膜における白金膜と近い領域である白金膜の上面からの約１０〜２０ｎｍの領域においては、タンタルの濃度が、ＳＢＴ膜におけるその他の領域でのタンタルの濃度と比較して約２倍になっている。このように、ＳＢＴ膜におけるタンタルの濃度は、その膜厚方向において非常に不均一であることが分かる。
【００９４】
一方、図９から明らかなように、通常の塗布法を用いて形成されたＳＢＴ膜の場合には、図９に示したようなタンタルの濃度が不均一な箇所は見られない。すなわち、ＳＢＴ膜におけるタンタルの濃度は、その膜厚方向において均一であることが分かる。
【００９５】
このように、通常のＣＶＤ法を用いて形成された強誘電体膜におけるタンタルの濃度が膜厚方向において不均一となる理由について鋭意検討を重ねた結果、その理由は、ＣＶＤ法を用いて強誘電体膜を形成する際における熱、及びその熱によるビスマスの熱拡散に主に起因していることが見出された。以下に具体的に説明する。
【００９６】
通常、ＣＶＤ法では、３００〜４００℃程度の熱により、ＣＶＤ用ガスを互いに反応させながら、強誘電体膜の成膜を行なっているが、第１の実施形態でも説明したように、成膜の初期段階ではビスマスが下地の白金膜よりなる電極中へ熱拡散してしまう。このため、気相中においては、ビスマスが減少するので、その減少する分だけストロンチウムとタンタルとの反応が増加する。従って、形成されたＳＢＴ膜における下部の領域においてタンタルの濃度が上昇しているものと主に考えられる。一方、通常、塗布法では、塗布時における温度はほぼ常温であるので、ビスマスが白金膜よりなる電極中へ熱拡散することがほとんどないので、その結果として強誘電体膜におけるタンタルの濃度は変動していないものと考えられる。
【００９７】
従って、本発明の第２の実施形態では、強誘電体膜の成膜の初期段階においてビスマスが下地の電極中へ熱拡散し易いことに鑑みて、下地となる下部電極５中にビスマスが熱拡散する分だけタンタルが多く反応してしまうため、その分タンタルの濃度を低くしたＣＶＤ用ガスを用いて第１の強誘電体膜６ｃを形成すると共に、該第１の強誘電体膜６ｃを形成するために用いるＣＶＤ用ガスにおけるタンタルの濃度よりも高い通常用いるタンタルの濃度を有するＣＶＤ用ガスを用いて第２の強誘電体膜６ｄを形成することが特徴である。
【００９８】
図１０は、ＳＩＭＳにより、本発明の第２の実施形態における第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄの膜厚方向におけるタンタルの濃度分布を分析した結果を示している。なお、図１０においては、第１の強誘電体膜６ａ及び第２の強誘電体膜６ｂ中のストロンチウムの濃度分布を合わせて規格化して示している。
【００９９】
図１０から明らかなように、第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄにおけるタンタルの濃度はほぼ等しいことが分かる。すなわち、本発明の第２の実施形態における第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄでは、タンタルの濃度の膜厚方向における均一性が、図８の場合と比べて、大きく向上していることが分かる。
【０１００】
ここで、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び従来例に係る半導体装置のそれぞれおける電気的特性について説明する。なお、以下で説明する立体型キャパシタは、熱処理工程及び加工工程などの所望の製造工程を経て形成されたものであることは言うまでもない。
【０１０１】
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を構成する立体型キャパシタのＰｎｖ値を求めると共に、従来例に係る半導体装置を構成する立体型キャパシタのＰｎｖ値を求めることにより、それぞれの立体型キャパシタの電気的特性を評価したところ、本発明の第２の実施形態の場合におけるＰｎｖ値は、従来例の場合におけるＰｎｖ値よりも良好な数値が得られた。なお、Ｐｎｖ値（分極量）は、値が大きいほどメモリの電荷保持性能が優れていることを意味する。このような結果が得られた理由は以下の通りである。
【０１０２】
すなわち、従来例では、強誘電体膜における下部の領域においてビスマスの濃度が上昇していたために、その領域において強誘電体膜としての特性を十分に発揮することができなかった。しかしながら、本発明の第２の実施形態によると、第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄよりなる強誘電体膜の下部を構成する第１の強誘電体膜６ｃの形成時に、気相中におけるタンタルの濃度を低くしているために、ビスマスが下地の下部電極５中に熱拡散した後であっても、ビスマスが下部電極５中に熱拡散した分だけタンタルとストロンチウムとが反応するという現象を抑制することができる。このため、第１の強誘電体膜６ｃにおけるタンタルの濃度は、図８に示したような上昇を示しておらず、第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄにおけるタンタルの濃度は均一になっている。このため、従来例における半導体装置の電気的特性と比較して、第１の強誘電体膜６ｃ及び第２の強誘電体膜６ｄを備えた第２の実施形態に係る半導体装置の電気的特性が向上したものと考えられる。
【０１０３】
本発明の第２の実施形態において、第１の強誘電体膜６ｃを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるタンタルの濃度を、第２の強誘電体膜６ｄを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるタンタルの濃度よりも低く設定した場合について説明したが、これに加えて、第１の実施形態で説明したように、第１の強誘電体膜６ｃを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度を、第２の強誘電体膜６ｄを形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度よりも高く設定することもできる。このようにすると、第１の強誘電体膜６ｃにおけるストロンチウム、ビスマス、及びタンタルのそれぞれの濃度が、第２の強誘電体膜６ｄにおけるストロンチウム、ビスマス、及びタンタルのそれぞれの濃度にほぼ等しくなる。これにより、より優れた電気的特性を有する半導体装置を実現することができる。
【０１０４】
なお、本発明の第２の実施形態においては、ＣＶＤ法により、ＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜を形成する場合について説明したが、ＣＶＤ法によってＮｂを含むＳＢＴＮ膜を形成する場合、又は、ＣＶＤ法によってＢＬＴ膜等のビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
また、本発明の第２の実施形態においては、熱ＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合について説明したが、プラズマＣＶＤ法等の熱を加える他のＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について、図１１を参照しながら説明する。
【０１０７】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【０１０８】
予め、半導体基板上に、酸化イリジウム／イリジウム／窒化アルミチタンよりなる積層膜を形成した後、該積層膜を覆うように半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する。さらに、シリコン酸化膜に該積層膜の表面を露出させる凹部を形成しておく（以上、図示せず）。
【０１０９】
次に、ステップＳ３１において、スパッタ法により、シリコン酸化膜の凹部の内面に沿って白金（Ｐｔ）よりなる下部電極を形成する。なお、下部電極は、白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる場合でもよい。
【０１１０】
次に、ステップＳ３２において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ３１にて形成された下部電極をパターニングする。
【０１１１】
次に、ステップＳ３３ａにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ３２にてパターニングされた下部電極の上に、約２０ｎｍの膜厚を有する第１の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。なお、ここで用いるＣＶＤ用ガスは、第１の強誘電体膜におけるＳｒ：Ｂｉ：Ｔａの最終組成比が１：２.２４：２となるように、そのＣＶＤ用ガスの組成比を調整して設定されている。
【０１１２】
次に、ステップＳ３３ｂにおいて、大気解放を行なうことなく、第１の強誘電体膜を形成した反応室と同一の反応室、又は同一設備を備えた別の反応室において、ＣＶＤ法により、ステップＳ３３ａにて形成された第１の強誘電体膜の上に、約４０ｎｍの膜厚を有する第２の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。なお、ここで用いるＣＶＤ用ガスは、第２の強誘電体膜におけるＳｒ：Ｂｉ：Ｔａの最終組成比が１：２.２４：２となるように、そのＣＶＤ用ガスの組成比を調整して設定されている。
【０１１３】
次に、ステップＳ３４において、スパッタ法により、ステップＳ３３ｂにて形成された第２の強誘電体膜の上に、白金膜よりなる上部電極を形成する。
【０１１４】
次に、ステップＳ３５において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ３４にて形成された上部電極をパターニングする。
【０１１５】
以下に、本発明の第３の実施形態において、ステップＳ３３ａにおける第１の強誘電体膜の形成からステップＳ３３ｂにおける第２の強誘電体膜の形成までの間に大気解放を行なうことなく真空中にて連続して、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とを形成した理由について説明する。
【０１１６】
図１２は、本実施形態とは異なり、第１の強誘電体膜を形成後に一旦大気解放してから第２の強誘電体膜を形成する場合のように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜とを不連続で形成した場合において、ＳＩＭＳにより、その第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜における膜厚方向のビスマスの濃度分布を分析した結果を示している。なお、図１２においては、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜中のストロンチウムの濃度分布を合わせて規格化して示している。
【０１１７】
図１２から明らかなように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との界面には、ストロンチウムの濃度又はビスマスの濃度が異常となっている変質層が形成されていることが分かる。なお、タンタルの濃度は図示されていないが、同様に異常が見られた。このような結果が得られた理由としては、第１の強誘電体膜を形成した後に大気解放したために、第１の強誘電体膜が大気と接することによって変質層が形成されたからであると考えられる。なお、この方法を用いて形成された第１の強誘電体及び第２の強誘電体膜を備えた立体型キャパシタのＰｎｖ値は９.５であり、電気的特性として優れた値ではないことが分かる。
【０１１８】
一方、本実施形態のように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との形成を大気解放することなく真空中にて連続して形成した場合には、図１２に示したような変質層は確認されなかった。さらに、本実施形態に加えて、前述した本発明に係る第１の実施形態及び第２の実施形態で説明した方法を用いて行なうことにより、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜における膜厚方向の組成として均一な値が得られ、この場合における立体型キャパシタのＰｎｖ値は１２.０以上で良好な値が得られることを確認している。
【０１１９】
以上のように、本発明に係る第３の実施形態では、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との形成を大気解放を行なくことなく真空中にて連続して行なうことにより、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との間に変質層が形成されることを防止することが特徴である。なお、この点、前述した本発明に係る第１及び第２の実施形態においては、第１の強誘電体及び第２の強誘電体膜の各々の形成に用いるＣＶＤ用ガスに特徴があったので特筆しなかったが、前述した第１及び第２の実施形態においても、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との形成は、大気解放することなく真空中にて連続して形成している。このようにしたのは、前述したように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との間に変質層が形成されることを防止することが目的であるが、第１の実施形態で用いた図５及び第２の実施形態で用いた図１０からも明らかなように、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との間には変質層が形成されていないことが明らかである。また、同様の目的で、後述する第４及び第５の実施形態においても、第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との形成は、大気解放することなく真空中にて連続して形成している。
【０１２０】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１３を参照しながら説明する。
【０１２１】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【０１２２】
予め、半導体基板上に、酸化イリジウム／イリジウム／窒化アルミチタンよりなる積層膜を形成した後、該積層膜を覆うように半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する。さらに、シリコン酸化膜に該積層膜の表面を露出させる凹部を形成しておく（以上、図示せず）。
【０１２３】
次に、ステップＳ４１において、スパッタ法により、シリコン酸化膜の凹部の内面に沿って酸化イリジウム（ＩｒＯx ）よりなる下部電極を形成する。
【０１２４】
次に、ステップＳ４２において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ４１にて形成された下部電極をパターニングする。
【０１２５】
次に、ステップＳ４３ａにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ４２にてパターニングされた下部電極の上に、約２０ｎｍの膜厚を有する第１の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第１の強誘電体膜は、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１９０×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約１０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【０１２６】
次に、ステップＳ４３ｂにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ４３ａにて形成された第１の強誘電体膜の上に、約４０ｎｍの膜厚を有する第２の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第２の強誘電体膜は、温度３５０℃、圧力１．３３×１０2 Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約２０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【０１２７】
ここで、前述したように、ステップＳ４３ａにおける第１の強誘電体膜の成長条件では、ＥＣＨ中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が希釈されたガスの流量を１９０×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定する一方、ステップＳ４３ｂにおける第２の強誘電体膜の成長条件では、ＥＣＨ中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が希釈されたガスの流量を２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定している。このように、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度よりも低く設定されている。
【０１２８】
次に、ステップＳ４４において、スパッタ法により、ステップＳ４３ｂにて形成された第２の強誘電体膜の上に、酸化イリジウムよりなる上部電極を形成する。
【０１２９】
次に、ステップＳ４５において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ４４にて形成された上部電極をパターニングする。
【０１３０】
以上に示した製造工程を経ることにより、本実施形態に係る半導体装置を製造することができる。この半導体装置における第１の強誘電体膜中のＳｒ：Ｂｉ：Ｔａの組成比は１：２.２４：２であり、第２の強誘電体膜中のＳｒ：Ｂｉ：Ｔａの組成比を１：２.２４：２であった。このように、第１の強誘電体膜中のビスマスの濃度は、第２の強誘電体膜中のビスマスの濃度とはほぼ等しくなっている。なお、本実施形態に係る半導体装置の構造については、例えば前述した図２と同様であるので、ここでは図示を省略している。
【０１３１】
以下に、本発明の第４の実施形態において、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度を、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度よりも低く設定している理由について説明する。
【０１３２】
本発明の第４の実施形態が、本発明の第１の実施形態と異なる一つの点は、第１の強誘電体膜の下地となる下部電極が酸化イリジウムによって構成されている点である。
【０１３３】
下部電極が酸化イリジウムよりなる場合、ビスマスとイリジウムと酸素とによって酸化ビスマス・イリジウム化合物が形成される。このため、ビスマスが下部電極中へ熱拡散することはなく、逆に、酸化ビスマス・イリジウム化合物が形成されることで、下部電極と第１の強誘電体膜との界面には、ビスマスの濃度が高い変質層が形成される。この点、データによる図示は省略しているが、下部電極と第１の強誘電体膜との界面に変質層が形成されることが確認されており、この変質層が形成された立体型キャパシタのＰｎｖ値は８．５と悪かった。
【０１３４】
そこで、本発明の第４の実施形態では、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度を、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれるビスマスの濃度よりも低く設定することにより、下部電極と第１の強誘電体膜との界面にビスマスの濃度が高い変質層が形成されることを防止している。
【０１３５】
前述した第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いて第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜を形成すると、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜におけるビスマスの組成比は略等しくなり、この第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜を備えた立体型キャパシタのＰｎｖ値は１２.５で良好な値を得ることができた。なお、本実施形態における立体型キャパシタのＰｎｖ値が第１の実施形態における立体型キャパシタのＰｎｖ値よりも大きい値が得られた理由は明確ではないが、ビスマス層状構造の強誘電体膜には、Ｐｎｖ値に寄与しないＣ軸配向成分が存在することが知られており、白金を材料とする下部電極から酸化イリジウムを材料とする下部電極に変えることにより、ＳＢＴ膜におけるＰｎｖ値に寄与する配向成分が増加したためであると考えられる。
【０１３６】
本発明の第４の実施形態においては、酸化イリジウムよりなる下部電極、及び酸化イリジウムよりなる上部電極を用いる場合について説明したが、下部電極の材料としてイリジウムを用いる場合であっても、イリジウムが酸化されて酸化イリジウムとなるので、前述と同様の効果を得ることができる。また、上部電極は、イリジウム、酸化イリジウム、又は白金等の金属膜よりなる単層又は積層よりなる材料を用いてもよい。
【０１３７】
なお、本発明の第４の実施形態においては、ＣＶＤ法により、ＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜を形成する場合について説明したが、ＣＶＤ法によってＮｂを含むＳＢＴＮ膜を形成する場合、又は、ＣＶＤ法によってＢＬＴ膜等のビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【０１３８】
また、本発明の第４の実施形態においては、熱ＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合について説明したが、プラズマＣＶＤ法等の熱を加える他のＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【０１３９】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１４を参照しながら説明する。
【０１４０】
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【０１４１】
予め、半導体基板上に、酸化イリジウム／イリジウム／窒化アルミチタンよりなる積層膜を形成した後、該積層膜を覆うように半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する。さらに、シリコン酸化膜に該積層膜の表面を露出させる凹部を形成しておく（以上、図示せず）。
【０１４２】
次に、ステップＳ５１において、スパッタ法により、シリコン酸化膜の凹部の内面に沿って白金（Ｐｔ）よりなる下部電極を形成する。なお、下部電極は、白金（Ｐｔ）／酸化イリジウム（ＩｒＯx ）の積層膜よりなる場合でもよい。
【０１４３】
次に、ステップＳ５２において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ５１にて形成された下部電極をパターニングする。
【０１４４】
次に、ステップＳ５３ａにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ５２にてパターニングされた下部電極の上に、約２０ｎｍの膜厚を有する第１の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第１の強誘電体膜は、温度３３０℃、圧力２．６６×１０2 Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量２１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約１０分間これらのソースガスを互いに反応させることによって形成される。
【０１４５】
次に、ステップＳ５３ｂにおいて、ＣＶＤ法により、ステップＳ５３ａにて形成された第１の強誘電体膜の上に、約４０ｎｍの膜厚を有する第２の強誘電体膜としてのＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を形成する。本ステップにおける第２の強誘電体膜は、温度３３０℃、圧力２．６６×１０2 Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）の条件下、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＳＴ−１［Ｓｒ（Ｔａ（ＯＥｔ)5（ＯＣ2Ｈ4ＯＭｅ））2 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＢｉ（ＭＭＰ）3 が０．２ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量２００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、ＥＣＨ（エチルシクロヘキサン）中にＰＥＴ［Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5 ］が０．１ｍｏｌ％の濃度で希釈されたガスを流量１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、酸素（Ｏ2 ）ガスを流量１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを流量１９００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、約２０分間これらのソースガスを反応させることによって形成される。
【０１４６】
ここで、前述したように、ステップＳ５３ａにおける第１の強誘電体膜の成長条件では、酸素（Ｏ2 ）ガスのガス流量を２１００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定する一方、ステップＳ５３ｂにおける第２の強誘電体膜の成長条件では、酸素（Ｏ2 ）ガスのガス流量を１０００×１０-3ｍｌ／ｍｉｎと設定している。このように、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれる酸素の濃度を、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれる酸素の濃度よりも高く設定している。
【０１４７】
次に、ステップＳ５４において、スパッタ法により、ステップＳ５３ｂにて形成された第２の強誘電体膜の上に、白金膜よりなる上部電極を形成する。
【０１４８】
次に、ステップＳ５５において、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ステップＳ５４にて形成された上部電極をパターニングする。
【０１４９】
以上に示した製造工程を経ることにより、本実施形態に係る半導体装置を製造することができる。また、この半導体装置における第１の強誘電体膜中のビスマスの濃度と第２の強誘電体膜中のビスマスの濃度とは、ほぼ等しくなっている。なお、本実施形態に係る半導体装置の構造については、例えば前述した図２と同様であるので、ここでは図示を省略している。
【０１５０】
以下に、本発明の第５の実施形態において、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれる酸素の濃度を、第２の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスに含まれる酸素の濃度よりも高く設定している理由について説明する。
【０１５１】
ＣＶＤ法では、３００〜４００℃程度の熱により、ＣＶＤ用ガスを互いに反応させながら、強誘電体膜の成膜を行なっているが、成膜の初期段階ではビスマスが下地の白金膜よりなる電極中へ熱拡散してしまう。このため、形成されたＳＢＴ膜における下部の領域においてビスマスの濃度が下がっているものと考えられる。このため、本発明の第１の実施形態では、前述したように、ビスマスが下地の白金よりなる下部電極中に拡散する分だけビスマスの濃度を高くしたＣＶＤ用ガスを用いて第１の強誘電体膜を形成すると共に、該第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスにおけるビスマスの濃度よりも低い通常のビスマスの濃度を有するＣＶＤ用ガスを用いて第２の強誘電体膜を形成することにしている。
【０１５２】
ところで、概ね３５０℃の条件下で行なうＣＶＤ法では、ＣＶＤ用ガスの供給変化に応じて形成されるＳＢＴ膜における濃度変化が発生する。その理由は、ＣＶＤ法によるＳＢＴ膜の成膜が、ガス供給律速で進行しているからであると考えられる。一方、立体型キャパシタを形成する場合、凹凸形状を有する下地上に強誘電体膜を形成する必要があるが、ガス供給律速による成膜が行なわれる場合、概ね３５０℃という温度は、強誘電体膜の段差被覆特性が劣化し始める温度である。このため、凹凸形状の下地上に段差被覆性良く強誘電体膜を安定的に量産できる温度範囲が狭いという問題がある。この点、ＣＶＤ法における温度条件として３００〜３５０℃程度の熱によってガスを反応させながら成膜を行なうということも考えられるが、３００〜３５０℃程度という温度範囲ではガス反応律速に支配された成膜となるので、強誘電体膜が所望の組成を有するようにＣＶＤ用ガスの供給を調整しても、その供給の変化に対応していない組成を有するＳＢＴ膜が得られる。
【０１５３】
このような問題に鑑みた鋭意検討の結果、反応律速下における成膜であっても、所望の組成を有するＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を得る手法を見い出した。すなわち、反応律速下における成膜の場合、ＣＶＤ用ガスにおけるストロンチウム、ビスマス、及びタンタルの濃度とはほぼ無関係に、組成ずれがないＳＢＴ膜（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9 ）膜を得ることが可能なのであるが、現実には、前述してきたように、ビスマスが下部電極中へ熱拡散するので、反応律速下においても組成ずれが生じてしまう。このため、本実施形態では、第１の強誘電体膜を形成する際に酸素を十分供給して酸素リッチな雰囲気下とすることにより、ビスマスが下部電極中へ熱拡散することを排除することができる。これにより、形成された第１の強誘電体膜におけるビスマスの濃度と第２の強誘電体膜におけるビスマスの濃度とをほぼ等しくすることができる。このようにして、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜におけるビスマスの濃度の均一性を膜厚方向において向上させることができる。
【０１５４】
また、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を構成する立体型キャパシタのＰｎｖ値は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を構成する立体型キャパシタのＰｎｖ値とほぼ等しい値であった。このため、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の電気的特性は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の電気的特性と同様に、優れた値を有することが分かる。
【０１５５】
また、本発明の第５の実施形態においては、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜におけるビスマスの濃度が等しくなるように、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスの酸素濃度を調整したが、これに加えて、本発明の第２の実施形態のように、第１の強誘電体膜を形成するために用いるＣＶＤ用ガスにおけるタンタル濃度を低くしてもよい。このようにすると、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜に含まれるストロンチウム、ビスマス、及びタンタルの濃度がほぼ等しくなるので、さらに優れた電気的特性を有する半導体装置を実現することができる。
【０１５６】
なお、本発明の第５の実施形態においては、ＣＶＤ法により、ＳＢＴ膜よりなる強誘電体膜を形成する場合について説明したが、ＣＶＤ法によってＮｂを含むＳＢＴＮ膜を形成する場合、又は、ＣＶＤ法によってＢＬＴ膜等のビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【０１５７】
また、本発明の第５の実施形態においては、熱ＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合について説明したが、プラズマＣＶＤ法等の熱を加える他のＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する場合であっても、前述と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置は、強誘電体キャパシタを構成する強誘電体膜の組成ずれを膜厚方向における防止できるので、特に、ＣＶＤ法によって形成した強誘電体膜を用いた半導体装置及びその製造方法に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図３】ＣＶＤ法を用いて形成された一般的なＳＢＴ膜における膜厚方向のビスマスの分布を示すグラフである。
【図４】塗布法を用いて形成された一般的なＳＢＴ膜における膜厚方向のビスマスの分布を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いて形成された第１及び第２の強誘電体膜における膜厚方向のビスマスの分布を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図８】ＣＶＤ法を用いて形成された一般的なＳＢＴ膜における膜厚方向のタンタルの分布を示すグラフである。
【図９】塗布法を用いて形成された一般的なＳＢＴ膜における膜厚方向のタンタルの分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いて形成された第１及び第２の強誘電体膜における膜厚方向のタンタルの分布を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１２】第１の強誘電体膜と第２の強誘電体膜との形成を一旦大気に解放して不連続に形成した場合において、第１の強誘電体膜及び第２の強誘電体膜の膜厚方向におけるビスマスの分布を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１５】従来に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１６】従来に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１６０】
１    窒化アルミチタン
２    イリジウム
３    酸化イリジウム
４    シリコン酸化膜
４ａ    凹部
５    下部電極
６ａ、６ｃ  第１の強誘電体膜
６ｂ、６ｄ  第２の強誘電体膜
７    上部電極
【図１】
2005223314.tif 000003
【図２】
2005223314.tif 000004
【図３】
2005223314.tif 000005
【図４】
2005223314.tif 000006
【図５】
2005223314.tif 000007
【図６】
2005223314.tif 000008
【図７】
2005223314.tif 000009
【図８】
2005223314.tif 000010
【図９】
2005223314.tif 000011
【図１０】
2005223314.tif 000012
【図１１】
2005223314.tif 000013
【図１２】
2005223314.tif 000014
【図１３】
2005223314.tif 000015
【図１４】
2005223314.tif 000016
【図１５】
2005223314.tif 000017
【図１６】
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