(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に設けられた強誘電体層と、
前記強誘電体層の上に設けられ、イリジウム（Ir）またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層と、
前記第１の層の上に設けられ、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層と、
前記第２の層の上に設けられ、第３の金属元素を主成分とする第３の層と、
を備え、
前記第２の金属元素は、タリウム（Tl）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）、すず（Sn）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、オスミウム（Os）、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、ビスマス（Bi）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
【請求項２】
第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に設けられた強誘電体層と、
前記強誘電体層の上に設けられ、第１の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層と、
前記第１の層の上に設けられ、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層と、
前記第２の層の上に設けられ、第３の金属元素を主成分とする第３の層と、
を備え、
前記第１の金属元素は、イリジウム（Ir）であり、
前記第３の金属元素は、チタン（Ti）であり、
前記第２の金属元素は、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、鉛（Pb）、レニウム（Re）、すず（Sn）及びバナジウム（V）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とする強誘電体キャパシタ。
【請求項３】
前記第２の金属元素は、その酸化物の比抵抗が前記第３の金属元素の酸化物の比抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項４】
強誘電体層の上にイリジウム（Ir）またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層を形成する工程と、
酸素を含有する雰囲気中で前記強誘電体層を熱処理する工程と、
前記第１の層の上に、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の上に、第３の金属元素を主成分とする第３の層を形成する工程と、
を備え、
前記第２の金属元素は、タリウム（Tl）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）、すず（Sn）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、オスミウム（Os）、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、ビスマス（Bi）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項５】
強誘電体層の上に、第１の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層を形成する工程と、
酸素を含有する雰囲気中で前記強誘電体層を熱処理する工程と、
前記第１の層の上に、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の上に、第３の金属元素を主成分とする第３の層を形成する工程と、
を備え、
前記第１の金属元素は、イリジウム（Ir）であり、
前記第３の金属元素は、チタン（Ti）であり、
前記第２の金属元素は、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、鉛（Pb）、レニウム（Re）、すず（Sn）及びバナジウム（V）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
【請求項６】
半導体素子が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第１の層間絶縁層と、
前記第１の層間絶縁層の上に設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の強誘電体キャパシタと、
前記第３の層の上に設けられた低抵抗金属配線層と、
を備えたことを特徴とする強誘電体メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体キャパシタ及びその製造方法並びに強誘電体メモリに関する。より詳細には、本発明は、金属配線層の酸化による電極抵抗の増加やコンタクト不良などを解消することができる強誘電体キャパシタ及びその製造方法並びに強誘電体メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体をキャパシタ部に用いた強誘電体性メモリ（Ferroelectric Random Access Memory：以下、「FRAM」と称する）は、バッテリーレスすなわちバックアップ電源が不要で高速動作が可能な不揮発性メモリであり、この特徴を生かしてRF-lD（Radio Frequency-Identification）カードなどの非接触型カードヘの応用が始められつつある。また、既存の酸化シリコンキャパシタを利用したSRAM（Static Random Access Memory）、フラッシュメモリ、DRAM（Dynamic Random Access Memory）などを置き換えるものとしての期待も大変大きい。
【０００３】
図１４は、従来のFRAMの要部断面構造を表す概念図である。FRAM１００は、シリコン基板１０１の上に強誘電体キャパシタが設けられた構成を有する。その形成にあたっては、まず、図示しないCMOS（Complimantary Metal Oxide Semiconductor）部分をシリコン基板１０１に形成し、BPSG（Boron-doped Phospho-Silicate Glass）などの層間絶縁膜２０１を堆積して平坦化工程を行なった後、キャパシタを形成する。
【０００４】
キャパシタの形成に際しては、まず、下地層４００、下部電極４０１、強誘電体層４０２、上部電極４０３となる層をこの順番に堆積する。強誘電体層４０２の材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（PbZrxTi1-xO3：以下「PZT」と称する）などを用いることができる。
【０００５】
次に、フォトリソグラフィー工程を経て上部電極４０３をエッチングする。さらに、レジストの除去、フォトリソグラフィー工程を経て強誘電体層４０２をエッチングする。さらに、レジストの除去、フォトリソグラフィー工程を経て下部電極４０１、下地層４００をエッチングし、レジストを除去する。その後、第２層間絶縁膜２０２を堆積し、コンタクトホール２０２Ｈを形成し、シリコン基板１０１との配線層を形成してFRAM１００が完成する。
【０００６】
ここで、コンタクトホール２０２Ｈの内部に形成する配線層としては、バリアメタルとなるチタン（Ti）層４８０と低抵抗のアルミニウム（Al）層５００とをこの順に積層したものが用いられる場合が多い。
【０００７】
強誘電体キャパシタの電極４０１、４０３の材料としては、従来は白金（Pt）が一般的であった。それは、PZT等の強誘電体材料がそもそも酸化物であり、酸化性雰囲気にあっても酸化されない白金は電極材料として優れているからである。
【０００８】
しかしながら、白金は強い触媒作用を持つことから、弊害も有することが分かってきた。例えば、水素雰囲気中に強誘電体キャパシタをさらすと、白金の触媒作用によって活性な水素（H）が発生し、PZT等の酸化物強誘電体を還元し、その強誘電特性を劣化させる場合がある。
【０００９】
また、白金を電極に用いた強誘電体キャパシタに対して書き込み／読み出し動作を繰り返すと劣化が著しく、実用には適さない疲労特性を示す。これは、強誘電体の界面近傍に「酸素抜け」が存在し、白金は、この「酸素抜け」を補償できないことに起因すると考えられる。
【００１０】
白金に代わる電極材料として、イリジウム（Ir）がある。イリジウムは酸化されても導電性を有する点で有利である。さらに、イリジウムの触媒作用は白金に比べて弱いため、強誘電体の特性を劣化させる可能性も低い。また、酸化イリジウムから強誘電体に酸素が供給されるため、キャパシタの疲労特性も白金電極より優れており、白金電極よりも数桁長く特性を保持することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者の検討の結果、イリジウムを電極材料として用いた場合には、その酸化物である酸化イリジウムから解離した酸素が配線金属を酸化するという問題を有することが判明した。
【００１２】
すなわち、酸化イリジウムの標準生成エンタルピー（通常は、負の値となる）の絶対値は、例えば酸化アルミニウムに比較して１桁程度小さい。強誘電体キャパシタは、その強誘電体の特性が製造の最中に劣化するために、「回復アニール」と称する酸素雰囲気中でのアニールを数回行わなければならない。この際に、電極材であるイリジウムの最表面は必ず酸化されるが、その後に真空中でアニールしたり、他の酸化されやすい物質（例えば、チタンやアルミニウム）と接することによって酸化イリジウム自身は容易に還元され、他の物質に酸素を与えて酸化させる傾向が強い。
【００１３】
この性質が問題となるのは、例えば、コンタクトホール２０２Ｈの埋め込み工程である。強誘電体キャパシタの製造に際しては、コンタクトホール２０２Ｈを開口した後に酸素雰囲気でのアニール工程が必要とされる。コンタクトホール２０２Ｈの底部に露出した電極表面は、最初は金属イリジウムであったとしても、このアニールによって必然的に酸化され、酸化イリジウムとなる。そして、この上に例えば一般的にバリアメタルとして用いられているチタン（Ti）層４８０をスパッタ等で堆積すると、チタンは酸化イリジウムから酸素の供給をうけて酸化され、比抵抗の極めて高い酸化チタンとなり、電極抵抗の増大、あるいはコンタクト不良などの問題を生ずる。
【００１４】
酸化を防ぐためにチタン層４８０のスパッタをたとえ常温で行ったとしても、スパッタ中は高温のプラズマが表面に接するために表面の温度は数百度に達するため、チタンの酸化を防ぐことは困難である。また、スパッタ時は酸化されなくても、後の工程で４００℃程度の加熱工程を経るので、チタンは容易に酸化される。
【００１５】
以上説明したように、強誘電体キャパシタにイリジウム電極を採用する場合には、キャパシタ単体での特性は良くても、シリコン基板上に集積化する場合に配線用金属が酸化されるという深刻な問題が生じる。
【００１６】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、強誘電体キャパシタの上に形成する配線層の電極の酸化を防ぐことができる強誘電体キャパシタ及びその製造方法並びに強誘電体メモリを提供することにある。
【００１７】
本発明の一態様によれば、第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に設けられた強誘電体層と、
前記強誘電体層の上に設けられ、イリジウム（Ir）またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層と、
前記第１の層の上に設けられ、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層と、
前記第２の層の上に設けられ、第３の金属元素を主成分とする第３の層と、
を備え、
前記第２の金属元素は、タリウム（Tl）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）、すず（Sn）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、オスミウム（Os）、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、ビスマス（Bi）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする強誘電体キャパシタが提供される。
【００１８】
また、本発明の一態様によれば、第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に設けられた強誘電体層と、
前記強誘電体層の上に設けられ、第１の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層と、
前記第１の層の上に設けられ、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層と、
前記第２の層の上に設けられ、第３の金属元素を主成分とする第３の層と、
を備え、
前記第１の金属元素は、イリジウム（Ir）であり、
前記第３の金属元素は、チタン（Ti）であり、
前記第２の金属元素は、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、鉛（Pb）、レニウム（Re）、すず（Sn）及びバナジウム（V）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とする強誘電体キャパシタが提供される。
【００１９】
また、本発明の一態様によれば、強誘電体層の上にイリジウム（Ir）またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層を形成する工程と、
酸素を含有する雰囲気中で前記強誘電体層を熱処理する工程と、
前記第１の層の上に、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の上に、第３の金属元素を主成分とする第３の層を形成する工程と、
を備え、
前記第２の金属元素は、タリウム（Tl）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）、すず（Sn）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、オスミウム（Os）、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、ビスマス（Bi）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法が提供される。
【００２０】
また、本発明の一態様によれば、強誘電体層の上に、第１の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層を形成する工程と、
酸素を含有する雰囲気中で前記強誘電体層を熱処理する工程と、
前記第１の層の上に、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の上に、第３の金属元素を主成分とする第３の層を形成する工程と、
を備え、
前記第１の金属元素は、イリジウム（Ir）であり、
前記第３の金属元素は、チタン（Ti）であり、
前記第２の金属元素は、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、鉛（Pb）、レニウム（Re）、すず（Sn）及びバナジウム（V）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法が提供される。
【００２３】
さらに、本発明の望ましい実施の形態として、前記第２の金属元素は、その酸化物の比抵抗が前記第３の金属元素の酸化物の比抵抗よりも低いものとすれば、電極抵抗の上昇やコンタクト不良を解消することができる。
【００２４】
また、前記第２の金属元素は、その酸化物が室温で金属伝導性を有するものとすれば、確実に上記効果が得られる。
【００２５】
一方、本発明の強誘電体キャパシタの製造方法は、強誘電体層の上にイリジウム（Ir）またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層を形成する工程と、酸素を含有する雰囲気中で前記強誘電体層を熱処理する工程と、前記第１の層の上に、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層を形成する工程と、前記第３の層の上に、第３の金属元素を主成分とする第３の層を形成する工程と、を備え、
前記第２の金属元素は、イリジウムよりも酸化されやすいものであることを特徴とする。
【００２６】
ここで、前記第２の金属元素は、タリウム（Tl）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）、すず（Sn）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、オスミウム（Os）、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、ビスマス（Bi）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることが望ましい。
【００２７】
または、本発明の強誘電体キャパシタの製造方法は、強誘電体層の上に、第１の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第１の層を形成する工程と、酸素を含有する雰囲気中で前記強誘電体層を熱処理する工程と、前記第１の層の上に、第２の金属元素またはその酸化物の少なくともいずれかを含有する第２の層を形成する工程と、前記第３の層の上に、第３の金属元素を主成分とする第３の層を形成する工程と、を備え、
前記第２の金属元素は、前記第３の金属元素よりも酸化されやすいものであることが望ましい。
【００２８】
ここで、前記第１の金属元素は、イリジウム（Ir）であることが望ましい。
【００２９】
また、前記第３の金属元素は、チタン（Ti）であり、前記第２の金属元素は、クロム（Cr）、セシウム（Cs）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、オスミウム（Os）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、レニウム（Re）、ロジウム（Rh）、ルテニウム（Ru）、すず（Sn）、 タリウム（Tl）及びバナジウム（V）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことが望ましい。
【００３０】
さらに、チタンの酸化物としてTiO2が形成される場合には、TiO2よりも標準生成エンタルピーが低い金属元素を第２の金属元素として用いれば良い。つまり、上述した金属元素のうちの、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）を第２の金属元素として用いれば、チタンが酸化されてTiO2が形成され得る場合においても、チタンの酸化を防ぎ、あるいはこれを還元することが可能となる。
【００３１】
一方、本発明の強誘電体メモリは、半導体素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた第１の層間絶縁層と、前記第１の層間絶縁層の上に設けられた上述のいずれかの強誘電体キャパシタと、前記第３の層の上に設けられた低抵抗金属配線層と、を備えたことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
図１は、本発明の誘電体キャパシタの要部断面構成を表す概念図である。
【００３４】
すなわち、本発明の誘電体キャパシタ１０は、第１の電極層Ｅ１と、強誘電体層Ｆと、第２の電極層Ｅ２とを積層した構成を有する。そして、第２の電極層Ｅ２は、第１の金属元素を主成分とする第１の層Ｍ１と、第２の金属元素を主成分とする第２の層Ｍ２と、第３の金属元素を主成分とする第３の層Ｍ３とをこの順に積層した構成を有する。誘電体キャパシタ１０を構成する各層は、それぞれ単層であるとは限らず、２以上の層を積層させた構成であっても良い。
【００３５】
第１の電極層Ｅ１は、誘電体キャパシタの一端の電極としての役割を有する。その具体的な構成は、後に実施例として詳述するように、例えば、白金（Pt）からなる単層、イリジウム（Ir）からなる単層、白金層と酸化ストロンチウム・ルテニウム（SrRuO3：以下、「SRO」と称する）層とを積層させたもの、あるいはイリジウム層と酸化イリジウム層とを積層させたものなどを用いることができる。
【００３６】
第１の電極Ｅ１の上に強誘電体層Ｆを形成する際に、下地が（１１１）配向しているほうが分極を大きくすることができる。この観点からは、自己配向性を有する白金を第１の電極層Ｅ１の最上層に配置し強誘電体層Ｆに接するように形成すると良い。
【００３７】
強誘電体層Ｆは、電極Ｅ１、Ｅ２の間に印加される電圧に応じて分極し、電荷を蓄積する役割を有する。その材料としては、薄膜状態での物理的・化学的な特性が安定し、大きな残留分極が得られる材料であることが望ましい。具体的には、PZTをはじめとする各種の鉛系酸化物強誘電体の他に、Bi4Ti3O12やSrBi2Ta2O9をはじめとする各種のビスマス系酸化物強誘電体や、その他LiNbO3、YMnO3、Sr2Nb2O7など各種の強誘電体を用いることができる。
【００３８】
第２の電極層Ｅ２は、誘電体キャパシタの他端の電極としての役割を有する。電極層Ｅ２は、少なくとも第１乃至第３の層Ｍ１〜Ｍ３を有する。Ｍ１〜Ｍ３の各層はそれぞれ単層であるとは限らない。
【００３９】
第１の層Ｍ１は、強誘電体層Ｆに接触するコンタクト層としての役割を有する。第２の層Ｍ２は、第３の層Ｍ３の酸化を防止する緩衝層としての役割を有する。第３の層Ｍ３は、誘電体キャパシタと外部回路とを接続するための配線層の一部としての役割を有し、典型的には、その上に形成されるアルミニウム（Al）や銅（Cu）などの低抵抗金属の拡散を防止する「バリア層」として機能する。
【００４０】
電極層Ｅ２の第１の特徴は、緩衝層（第２の層）Ｍ２を構成する第２の金属元素が、コンタクト層（第１の層）Ｍ１を構成する第１の金属元素よりも酸化されやすいものである点にある。このようにすれば、緩衝層Ｍ２からコンタクト層Ｍ１に対して酸素が逆流することを防ぐことができる。つまり、緩衝層Ｍ２がコンタクト層Ｍ１の酸化物から酸素を確実に受け取り、その酸素を手放さないようにすることができる。
【００４１】
電極層Ｅ２の第２の特徴は、緩衝層Ｍ２を構成する第２の金属元素が、配線層Ｍ３を構成する第３の金属元素よりも酸化されやすい元素である点にある。つまり、緩衝層Ｍ２が優先的に酸化されるようにすることで、配線層Ｍ３の酸化を防止する。
【００４２】
さらに、電極層Ｅ２の第３の特徴は、緩衝層Ｍ２を構成する第２の金属元素の酸化物が、配線層Ｍ３を構成する第３の金属元素の酸化物よりも良好な電気導電性を有する点にある。つまり、第２の金属元素の酸化物の電気抵抗は、第３の金属元素の酸化物の電気抵抗よりも低くなるようにする。
【００４３】
以上説明した第１乃至第３の特徴によって、第１の層（コンタクト層）Ｍ１および第３の層（配線層）Ｍ３の無用な酸化を防ぐことができる。その結果として、配線層Ｍ３などの酸化により引き起こされる電極抵抗の上昇やコンタクト不良を確実に解消することができる。
【００４４】
図１に例示した層Ｍ１〜Ｍ３の構成についてより具体的に説明すると、まず、強誘電体層Ｆに接触するコンタクト層Ｍ１は、強誘電体層Ｆに対する接触が安定であり且つ特性の劣化の生じない材料からなることが望ましい。特に、FRAMの繰り返し書き込み・読み取りの疲労特性を改善するためには、第１の金属元素としてイリジウム（Ir）を用いることが望ましい。さらに具体的には、コンタクト層Ｍ１は、イリジウムの単層からなるものとしても良く、または、酸化イリジウム層とイリジウム層とを積層させたものとしても良い。
【００４５】
一方、層Ｍ２を構成する第２の金属元素は、前述したように第１の金属元素及び第３の金属元素との関係により適宜決定される。
【００４６】
例えば、第１の金属元素としてイリジウムを採用した場合には、イリジウムよりも酸化されやすい金属元素を用いることが望ましい。つまり、酸化物の標準生成エンタルピーがイリジウムよりも低い（絶対値が大きい）元素を第２の金属元素として用いることが望ましい。このような金属元素の一例をイリジウムのデータと共に以下に列挙する。
【００４７】
0004074734.tif 000002
0004074734.tif 000003
以上列挙した金属元素は、いずれも酸化物の標準生成エンタルピーが酸化イリジウム（IrO2）よりも低く、イリジウムよりも安定な酸化物を形成する。従って、これらの金属元素のいずれかを用いて緩衝層Ｍ２を形成すれば、イリジウムを用いたコンタクト層Ｍ１に対して酸素が逆流することを防ぐことができる。つまり、緩衝層Ｍ２がコンタクト層Ｍ１の酸化物から酸素を確実に受け取り、その酸素を手放さないようにすることができる。
【００４８】
一方、配線層Ｍ３の酸化を防ぐためには、第２の金属元素は第３の金属元素よりも酸化されやすい元素であることが望ましい。従って、第３の金属元素の種類に応じて第２の金属元素を適宜選択する必要がある。
【００４９】
例えば、配線層Ｍ３を構成する第３の金属元素として、バリアメタルであるチタン（Ti）を採用する場合には、酸化物の標準生成エンタルピーがチタンよりも低い（絶対値が大きい）元素を第２の金属元素として用いることが望ましい。つまり、酸化チタンよりも安定な酸化物を形成する金属元素によって緩衝層Ｍ２を構成すれば、配線層Ｍ３の酸化を防ぎ、または配線層Ｍ３が酸化された場合にもこれを還元することが可能となる。
【００５０】
このような金属元素の一例をチタンのデータと共に以下に列挙する。
【００５１】
0004074734.tif 000004
チタンの酸化物であるTiOとTiO2とを比較すると、後者の方が標準生成エンタルピーが低く、安定であることが分かる。しかし、FRAMの製造工程において実際にチタンが酸化される場合を想定すると、プラズマなどに晒された非平衡の状態で酸化が進行する場合も多い。つまり、チタンの酸化物としてTiOが形成され得る場面も多いと考えられる。
【００５２】
このように酸化チタンとして TiOが形成される場合には、上述したいずれの金属元素の酸化物の標準生成エンタルピーは、TiOよりも低く、チタンよりも安定な酸化物を形成する。従って、これらの金属元素のいずれかを用いて緩衝層Ｍ２を形成すれば、チタンを用いた配線層Ｍ３の酸化を防ぐことができる。つまり、緩衝層Ｍ２が配線層Ｍ３よりも優先的に酸化され、または、配線層Ｍ３の酸化物から酸素を確実に受け取り、その酸素を手放さないようにすることができる。
【００５３】
一方、チタンの酸化物としてTiO2が形成される場合には、TiO2よりも標準生成エンタルピーが低い金属元素を用いれて緩衝層Ｍ２を形成すれば良い。つまり、上述した金属元素のうちの、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、クロム（Cr）及びレニウム（Re）を用いれば、チタンが酸化されてTiO2が形成され得る場合においても、チタンの酸化を防ぎ、あるいはこれを還元することが可能となる。
【００５４】
また、ここで緩衝層Ｍ２の位置も重要である。すなわち、緩衝層Ｍ２は、コンタクト層Ｍ１と配線層Ｍ３の間に設けられ、強誘電体層Ｆやコンタクト層Ｍ１から解離した酸素を受け止めて配線層Ｍ３の酸化を防止する。後に詳述するように、配線層Ｍ３の上には、極めて酸化されやすいアルミニウム層を形成する場合も多いが、緩衝層Ｍ２をコンタクト層Ｍ１と配線層Ｍ３の上に設けることにより、解離して拡散して来る酸素をこの位置で完全に受け取めることができる。従って、配線層Ｍ３やその上のアルミニウム層の酸化を確実に防ぐことができる。
【００５５】
なお、上述した元素は、一例に過ぎず、この他各種の金属元素を同様に用いることが可能である。また、２種類あるいはそれ以上の金属元素からなる層を積層させて用いても良い。
【００５６】
一方、配線層Ｍ３の材料としては、チタン以外にも窒化チタン（TiN）やその他の各種のバリアメタル或いは配線材料を用いることができるが、いずれの場合にも、配線層Ｍ３よりも酸化されやすい金属元素を第２の金属元素として採用することにより同様の効果を得ることができる。
【００５７】
さて、電極の電気抵抗の観点からは、第２の金属元素の酸化物の電気抵抗が第３の金属元素の電気抵抗よりも低いことが望ましい。つまり、緩衝層Ｍ２は配線層Ｍ３よりも優先的に酸化されることによって配線層Ｍ３の酸化を防止するのであるが、緩衝層Ｍ２の酸化物の電気抵抗が配線層Ｍ３の酸化物よりも低くなるように材料を選択すれば、配線層Ｍ３が酸化された場合よりも電極の抵抗を下げることができる。
【００５８】
例えば、配線層Ｍ３の材料として用いられることが多いチタンを例に挙げて説明すると、チタンの酸化物（TiOなど）の電気伝導性は、半導体的あるいは絶縁体的な特性を有する。すなわち、その比抵抗は極めて高く、且つ温度の上昇に応じて比抵抗が低下する。
【００５９】
これに対して、酸化物が金属伝導性を示し、比抵抗がはるかに低い金属元素が存在する。このような金属元素の一例を以下に列挙と、クロム（Cr）、セシウム（Cs）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、オスミウム（Os）、鉛（Pb）、ルビジウム（Rb）、レニウム（Re）、ロジウム（Rh）、ルテニウム（Ru）、すず（Sn）、 タリウム（Tl）、バナジウム（V）などを挙げることができる。これらの金属元素の酸化物（例えば、CrO2、MoO2、SnO2、V2O3 など）は、比抵抗が低く、温度の上昇に伴って比抵抗が上昇するという金属的な伝導特性を有する。従って、このような金属元素を用いて緩衝層Ｍ２を形成すれば、緩衝層Ｍ２が酸化されても電気抵抗の増加を抑制することができ、コンタクト不良などの問題を解消することができる。
【００６０】
（第１の実施例）
以下、図２〜図７を参照しつつ、本発明の強誘電体キャパシタを用いたFRAMの具体例を、その作成例に従って説明する。
【００６１】
図２〜図７は、本実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【００６２】
まず、図２に表したように、シリコン基板１０１の上に図示しないCMOS等の半導体素子を形成した後、第１の層間絶縁膜２０１を堆積する。
【００６３】
次に、図３に表したように、強誘電体キャパシタの第１の電極層Ｅ１を形成する。具体的には、前述したように白金（Pt）、イリジウム（Ir）或いはストロンチウムルテニウム酸化物（SRO）との組み合わせが有効である。但し、第１の電極層Ｅ１を形成する前に、チタン（Ti）あるいは窒化チタン（TiN）からなる下地層３００を層間絶縁膜２０１の上に形成し、その上に第１の電極層Ｅ１を形成する方法が有効である。これは、層間絶縁膜２０１の上に第１の電極層Ｅ１として白金などを直接堆積すると密着性が悪く、膜剥がれなどの問題が生じ、これを防ぐ為に実施するものである。
【００６４】
第１の電極Ｅ１の構造としては、Pt単層やlr単層などの他に、絶縁膜２０１から順に、例えば、SRO層／Pt層、lrO２層／lr層などの積層構造を挙げられる。但し、強誘電体層Ｆを堆積する際に、下地が＜１１１＞配向している方が大きな分極が得られる。この観点からは、自己配向性をもつ白金を第１の電極層Ｅ１の最上層に配置すると有利である。
【００６５】
次に、強誘電体層Ｆを形成する。強誘電体層Ｆの材料としては、PZTやストロンチウムビスマスタイタネイト酸化物（ビスマス系層状ペロブスカイト、以下SBT）などが好適である。また、その堆積方法としては、スパッタ法、ゾルゲル法、或いはMOCVD（metal-organic chemical vapor deposition：有機金属化学気相成長）法などを挙げることができる。このようにして堆積した強誘電体層Ｆに、例えば大気圧の酸素雰囲気中で７００℃で１時間程度のアニールを施すことによって結晶化させる。
【００６６】
次に、第２の電極層Ｅ２のコンタクト層（第１の層）Ｍ１を堆積する。ここで、第２の電極層Ｅ２の構造を第１の電極層と同じにすれば対称性が良好となる。しかし、第２の電極層Ｅ２のコンタクト層Ｍ１に白金を採用すると、前述したように繰り返し書き込み／読み取りの疲労特性が良くない。よって、第２の電極層Ｅ２のコンタクト層Ｍ１は、酸化イリジウム（IrO2）の単層とするか、または下側から順に酸化イリジウム層とイリジウム層とを積層させた積層体構造とすると良い。図示した具体例では、酸化イリジウム層４３とイリジウム層４４とを積層させた構造を表す。
【００６７】
次に、図４に表したように、コンタクト層Ｍ１、強誘電体層Ｆ、第１の電極層Ｅ１をそれぞれパターニングする。具体的には、フォトリソグラフィ工程により図示しないマスクを順次形成し、RIE（reactive ion etching）などの異方性エッチング法によりコンタクト層Ｍ１、強誘電体層Ｆ、第１の電極層Ｅ１を順次エッチングする。図示した具体例は、３回のフォトリソグラフィ工程とそれぞれのエッチングによりパターニングしたものを表すが、これ以外にも、２回或いは１回のフォトリソグラフィ工程とエッチングで形成するような構造にしても良い。
【００６８】
次に、図５に表したように、第２の層間絶縁膜２０２を堆積し、第１の層Ｍ１及び第１の電極Ｅ１へのコンタクトホール２０２Ｈをエッチングで開口する。そして、コンタクトホール２０２Ｈ内に緩衝層（第２の層）Ｍ２を堆積する。緩衝層Ｍ２の材料は、前述したように、１）コンタクト層Ｍ１を構成する金属元素よりも酸化されやすいこと、２）配線層Ｍ３を構成する金属元素よりも酸化されやすいこと、３）配線層Ｍ３を構成する金属元素の酸化物よりも比抵抗が低いこと、を満たす材料であることが望ましい。具体的には、緩衝層Ｍ２として、例えば、鉛（Pb）、すず（Sn）、ニオブ（Nb）、バナジウム（V）、ビスマス（Bi）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）、レニウム（Re）などの金属を堆積することができる。また、これらの金属のうちの２以上の層を積層させて緩衝層Ｍ２としても良い。
【００６９】
次に、図６に表したように、配線層（第３の層）Ｍ３を堆積する。具体的には、配線層として、例えばバリアメタルとして作用するチタン（Ti）を堆積する。さらに、第２の配線層５００を堆積してコンタクトホール２０２Ｈを埋め、ウェーハ表面に堆積層を形成する。第２の配線層５００の材料としては、アルミニウム（Al）などの比抵抗の低い金属を用いることが望ましい。
【００７０】
ここで、もし仮に緩衝層Ｍ２を形成しなかった場合は、コンタクト層Ｍ１の上に最初に堆積する配線層Ｍ３のチタンが酸化されることになる。というのは、IrO2の酸化物の生成エンタルピーは定常状態で−１６８kJ/mol であり、これは例えばチタンが酸化される生成エンタルピー（−５２０kJ/mol）の３分の１以下にすぎないからである。すなわち、緩衝層Ｍ２が無い状態でチタンを堆積した場合は、以下の反応が容易に起こる。
【００７１】
IrO2 ＋ 2Ti → Ir ＋ 2TiO
ここで、配線層Ｍ３のチタンの酸化を防ぐためには、緩衝層Ｍ２として酸素の拡散を防ぐ材料を用いることも考えられる。つまり、酸素の拡散に対するバリア層を緩衝層Ｍ２として用いれば、配線層Ｍ３の酸化を防ぐことは可能である。しかし、このようなバリア的な材料を堆積してもコンタクトホール２０２Ｈの底のエッジ部分は、スパッタによる堆積だと膜厚が表面の平坦な部分よりもかなり薄くなる場合がある。ここに結晶粒界が存在すると、容易に酸素が緩衝層中を拡散してその上のチタン層を酸化する。したがって、緩衝層Ｍ２の材料として、酸素の拡散を防止するバリア的な材料を採用する場合には、結晶粒界などを介した酸素の拡散を防ぐために、膜厚を厚く形成する必要がある。
【００７２】
仮に、コンタクト層Ｍ１として酸化イリジウム（IrO2）ではなく、金属イリジウム（Ir）を採用した場合でも、コンタクトホール２０２Ｈを開口した後に、酸素雰囲気中での回復アニールを経ないと、強誘電体層Ｆの分極量は十分には得られない。したがって、コンタクトホール２０２Ｈの底部が酸素に晒されて酸化イリジウムが必ず生成される。つまり、コンタクト層Ｍ１が金属イリジウムであるか酸化イリジウムであるかを問わず、酸化イリジウムから解離した酸素を受け取り、その酸素を手放さない緩衝層Ｍ２が必要になるのである。
【００７３】
次に、図７に表したように、第２の配線層５００をパターニングし、さらに図示しない層間絶縁層を堆積し、配線層を適宜形成することによりFRAMが完成する。なお、シリコン基板１０１には、CMOSなどの図示しない半導体素子が形成されており、図示しない配線経路を介して、強誘電体キャパシタの各電極と接続される。
【００７４】
以上説明したように、本実施例によれば、層間絶縁膜にコンタクトホール２０２Ｈを設けた後に、緩衝層Ｍ２と配線層Ｍ３を堆積することにより、配線層Ｍ３の酸化を防ぐことができる。その結果として、電極抵抗の上昇やコンタクト不良などの問題を解消することができる。
【００７５】
（第２の実施例）
以下、図８〜図１３を参照しつつ、本発明の第２の具体例に係るFRAMの構成をその製造工程に沿って説明する。本具体例のFRAMは、半導体素子が形成されたシリコン基板のコンタクトプラグの上に強誘電体キャパシタが設けられたCOP（Capacitor On Plug）構造を有する。
【００７６】
図８〜図１３は、本具体例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。これらの図については、第１実施例に関して前述したものと同様の部分には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【００７７】
本具体例においては、まず、シリコン基板１０１の上にCMOSなどの図示しない半導体素子を形成した後、図８に表したように、第１の層間絶縁層２０１を堆積する。そして、層間絶縁層２０１にコンタクトホール形成して導電性材料で充填することにより埋め込みコンタクト２０１Ｐを形成する。
【００７８】
次に、図９に表したように、強誘電体キャパシタ部分を形成する。具体的には、まず、埋め込みコンタクト２０１Ｐを酸化させないようなバリア層３０２を堆積し、その上に、第１の電極層Ｅ１、強誘電体層Ｆ、コンタクト層Ｍ１、緩衝層Ｍ２をこの順に形成する。バリア層３０２の材料としては、窒化チタン（TiNx）、窒化アルミニウム（AlNx）、窒化アルミニウムチタン（AlTiyNx）窒化タングステン（WNx）あるいは窒化ニオブ（NbNx）などを用いることができる。
【００７９】
なお、第１の電極層Ｅ１、強誘電体層Ｆ、コンタクト層Ｍ１及び緩衝層Ｍ２については、それぞれ前述した材料を適宜用いることができる。
【００８０】
本実施例においては、前述した第１実施例と異なり、この段階で予め緩衝層Ｍ２まで堆積する。何故なら、本実施例において、キャパシタがコンタクトプラグ２０１Ｐの上にあるCOP構造をとっており、シリコン基板１０１から第１の電極層Ｅ１への配線が予め形成されており、基板１０１から第２の電極層Ｅ２への配線のみを考慮すれば良いためである。
【００８１】
次に、図１０に表したように、緩衝層Ｍ２、コンタクト層Ｍ１、強誘電体層Ｆ、第１の電極層Ｅ１をそれぞれパターニングする。
【００８２】
次に、図１１に表したように、第２の層間絶縁層２０２を堆積し、キャパシタ電極へのコンタクトホール２０２Ｈをエッチングにより開口する。
【００８３】
次に、図１２に表したように、配線層Ｍ３と、第２の配線層５００をスパッタ等の方法により堆積し、コンタクトホール２０２Ｈの内部を充填してさらに堆積する。
【００８４】
最後に図１３に表したように、配線層Ｍ３と第２の配線層５００をパターニングし、さらに図示しない層間絶縁層を堆積し、配線層を適宜形成することによりFRAMが完成する。
【００８５】
以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるのではない。例えば、強誘電体キャパシタを構成する各層の材料については、具体的に列挙した材料には限定されず、本発明の趣旨に従って当業者が選択しうるすべての材料を用いて同様の作用効果を得ることができる。
【００８６】
また、強誘電体キャパシタは、強誘電体メモリ（FRAM）に搭載されるものには限定されず、その他のあらゆるデバイスに搭載するものについて同様の作用効果を奏しうる。
【００８７】
その他、本発明の思想に基づいて当業者が選択しうるすべての範囲は、本発明に包含され得る。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、酸化物強誘電体やこれに接触するコンタクト層から解離される酸素を確実に受け止める緩衝層を設けることにより、金属配線のバリア層などの酸化を確実且つ容易に防ぐことができる。その結果として、電極抵抗の上昇やコンタクト不良を解消することができる。
【００８９】
本発明によれば、特に酸素を放出しやすいイリジウム電極を用いた場合においてもコンタクト抵抗を低下させ、コンタクト歩留まりを顕著に改善し、さらに、繰り返し書き込み・読み出し特性も優れた強誘電体メモリを提供することができる。
【００９０】
すなわち、本発明によれば、信頼性に優れ製造歩留まりも改善された強誘電体キャパシタ、メモリを提供することができるようになり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体キャパシタの要部断面構成を表す概念図である。
【図２】本発明の第１実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図３】本発明の第１実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図４】本発明の第１実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図５】本発明の第１実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図６】本発明の第１実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図７】本発明の第１実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図８】本発明の第２実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図９】本発明の第２実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図１０】本発明の第２実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図１１】本発明の第２実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図１２】本発明の第２実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図１３】本発明の第２実施例のFRAMの作成の手順を表す概略工程断面図である。
【図１４】従来のFRAMの要部断面構造を表す概念図である。
【符号の説明】
１０  強誘電体キャパシタ
Ｅ１  第１の電極層
Ｆ    強誘電体層
Ｅ２  第２の電極層
Ｍ１  第１の層（コンタクト層）
Ｍ２  第２の層（緩衝層）
Ｍ３  第３の層（配線層）
１０１  基板
２０１  第１の層間絶縁層
２０１Ｐ  埋め込みプラグ
２０２  第２の層間絶縁層
２０２Ｈ  コンタクトホール
３００、３０２、４００  下地層
４０１  下部電極
４０２  強誘電体層
４０３、４０４  上部電極
４８０  バリア層
５００  配線層
【図１】
0004074734.tif 000005
【図２】
0004074734.tif 000006
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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