(57)【要約】【課題】コンタクトプラグ上に直接形成される下地層の結晶配向性を良好にし、さらにこの下地層の平坦性をも良好にすることで、下部電極や強誘電体膜の結晶配向性の改善を図った強誘電体メモリ装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板の上方に導電性の下地層を形成する工程と、下地層の上方に第１電極と強誘電体膜と第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る。下地層の形成工程は、プラグ２０を含む層間絶縁膜２６上に、自己配向性を有する導電材料からなる導電層４１１を形成する工程と、導電層４１１を窒素雰囲気中で熱処理し、窒化導電層４１２とする工程と、窒化導電層４１２を、シリコン酸化膜研磨用のスラリーを用いたＣＭＰ法によって低研磨速度で平坦化処理し、プラグ２０を含む層間絶縁膜２６上を覆った状態の平坦化窒化チタン層４１とする工程と、を含む。【選択図】図２
2009302333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に導電性の下地層を形成する工程と、前記下地層の上方に第１電極と強誘電体膜と第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、
前記下地層を形成する工程の前に、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プラグを形成する工程と、を含み、
前記下地層の形成工程は、
前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上に、自己配向性を有する導電材料からなる導電層を形成する工程と、
前記導電層を窒素雰囲気中で熱処理し、窒化導電層とする工程と、
前記窒化導電層を、シリコン酸化膜研磨用のスラリーを用いた化学機械研磨法によって低研磨速度で平坦化処理し、前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上を覆った状態の平坦化導電層とする工程と、
を含む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】
前記導電層を形成する工程の前に、前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜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ことを特徴とする請求項１記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項３】
前記自己配向性を有する導電材料がチタンである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】
前記導電層を窒素雰囲気中で熱処理する工程では、ランプ加熱法によって熱処理を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項５】
前記下地層の一部として、前記平坦化導電層の上方に酸素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１〜４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】
前記酸素バリア層を、Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ）で表される化合物で形成することを特徴とする請求項５に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
【請求項７】
前記酸素バリア層を形成する工程は、前記平坦化導電層の上方にＴｉＡｌ合金膜を形成する工程と、前記ＴｉＡｌ合金膜を窒素雰囲気中で熱処理して窒化する工程と、を含む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】
前記シリコン酸化膜研磨用のスラリーとして、アンモニア水とシリカ粒子とを含むスラリーを用いることを特徴とする請求項１〜７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。
【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、メモリセルを１トランジスタ／１キャパシタ（１Ｔ／１Ｃ）で構成することができる。したがって、ＤＲＡＭなみの集積化が可能であり、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。特に、強誘電体膜の配向制御のために、その下の下部電極膜から配向性、平坦性を制御しておく必要がある。一方、キャパシタの集積度を上げるために、トランジスタに接続されたコンタクトプラグ上にキャパシタを形成したスタック構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、このようなスタック構造のキャパシタにおいては、絶縁膜上とコンタクトプラグ上という異なる表面上に強誘電体膜を形成するため、各表面上での配向制御が重要となる。
また、コンタクトプラグ上に形成されるリセス段差も、平坦性が低下することで配向制御性を損なってしまうため、課題となっている。このような課題を解消するため前記特許文献１に開示された技術では、コンタクトプラグ形成後、スパッタ法等によって全面に導電性水素バリア膜を形成し、リセス解消まで全面をＣＭＰ法で平坦化して、その上に下部電極を形成している。
【特許文献１】特開２００４−１３４６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記技術のように、コンタクトプラグの表面と下部電極との間に、例えば導電性水素バリア膜としてＴｉＮを反応性スパッタ法で形成した場合、得られるＴｉＮ膜は結晶性が悪くなってしまう。したがって、これを下地としてその上に形成される下部電極や強誘電体膜も、ＴｉＮ膜の結晶性が反映されることにより、良好な結晶配向性が得られなくなってしまう。
【０００６】
また、このようなスパッタ法で形成されたＴｉＮ膜は膜厚均一性（面内均一性）が悪く、したがってこれをＣＭＰ法で平坦化する際、所望の膜厚を残し、かつ十分な平坦性を得ようとすると、プロセスマージングが非常に小さくなってしまう。したがって、目的とする膜厚と平坦性とを共に得ようとしても、両方が十分に得られないのが現状である。
さらに、スパッタ法ではパーティクルの発生が多く、したがって形成されたＴｉＮ膜にもパーティクルが多く含まれてしまい、このパーティクルに起因して不良が発生し、歩留まりが低下するといった課題もある。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、コンタクトプラグ上に直接形成される下地層の結晶配向性を良好にし、さらにこの下地層の平坦性をも良好にすることで、下部電極や強誘電体膜の結晶配向性の改善を図った強誘電体メモリ装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、基板の上方に導電性の下地層を形成する工程と、前記下地層の上方に第１電極と強誘電体膜と第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、
前記下地層を形成する工程の前に、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プラグを形成する工程と、を含み、
前記下地層の形成工程は、前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上に、自己配向性を有する導電材料からなる導電層を形成する工程と、前記導電層を窒素雰囲気中で熱処理し、窒化導電層とする工程と、前記窒化導電層を、シリコン酸化膜研磨用のスラリーを用いた化学機械研磨法によって低研磨速度で平坦化処理し、前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上を覆った状態の平坦化導電層とする工程と、を含むことを特徴としている。
【０００９】
この強誘電体メモリ装置の製造方法によれば、コンタクトプラグを含む層間絶縁膜上に、自己配向性を有する導電材料によって導電層を形成するので、例えばスパッタ法でＴｉＮを成膜した場合に比べ、得られる導電層はその自己配向性によってより良好な結晶配向性を有するものとなる。
また、導電材料として金属や合金を用い、これらをスパッタ法で成膜して導電層を形成すれば、得られた導電層はスパッタ法で形成されたＴｉＮ膜に比べて膜厚均一性（面内均一性）が良くなる。したがって、これを窒素雰囲気中で熱処理して得られた窒化導電層も、膜厚均一性（面内均一性）が良好になり、その分、窒化導電層は化学機械研磨法（ＣＭＰ法）で平坦化する際のプロセスマージングが大きくなる。そして、このように窒化導電層を平坦化する際のプロセスマージングを大きくしたうえで、さらにこの窒化導電層を、シリコン酸化膜研磨用のスラリーを用いたＣＭＰ法によって低研磨速度で平坦化処理するので、得られる平坦化導電層は、十分に平坦化されるようになる。
また、前記の窒化導電層は、良好な結晶配向性の導電層が窒化されて形成されているので、この窒化導電層自体も良好な結晶配向性を有するものとなり、したがって、この窒化導電層からなる平坦化導電層も、良好な結晶配向性を有するものとなる。
【００１０】
よって、本発明によれば、下地層を構成する平坦化導電層の結晶配向性を良好にし、さらにその平坦性をも良好にしているので、これの上方に形成する下部電極や強誘電体膜の結晶配向性の改善を図ることができる。また、導電材料としての金属や合金をスパッタ法で成膜して導電層を形成した場合、比較的パーティクルが少なくなるので、パーティクルに起因する不良を防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
【００１１】
また、前記の製造方法においては、前記導電層を形成する工程の前に、前記コンタクトプラグを含む層間絶縁膜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のが好ましい。
このようにアンモニアプラズマ処理を施すことにより、コンタクトプラグを含む層間絶縁膜の表面が、窒素によって良好に修飾されるようになる。したがって、この処理面上に自己配向性を有する導電材料を成膜し、導電層を形成するので、この導電層をより良好に配向させることができる。すなわち、前記層間絶縁膜の表面を窒素によって修飾するので、その上に形成される導電層の自己配向性を強く発揮させることができる。よって、この導電層が窒化され、さらに平坦化されてなる平坦化導電層も、導電層の配向性が反映されるので、より良好な配向性を有するものとなる。
【００１２】
また、前記の製造方法においては、前記自己配向性を有する導電材料がチタン（Ｔｉ）であるのが好ましい。
Ｔｉは良好な自己配向性を有するので、これを成膜して得られる導電層は、良好な（００２）の結晶配向を有するものとなる。また、これが窒化されてなるＴｉＮは、導電層の良好な配向を反映し、良好な（１１１）配向を有するものとなる。したがって、これを下地としてその上に形成される下部電極、さらにその上に形成される強誘電体膜は、ＴｉＮの配向性が反映されて良好な（１１１）配向を有するものとなる。
【００１３】
また、前記の製造方法においては、前記導電層を窒素雰囲気中で熱処理する工程では、ランプ加熱法によって熱処理を行うのが好ましい。
導電層を窒素雰囲気中で熱処理し、窒化処理する場合、通常は減圧下で行うことから、導電層をムラ無く均一に加熱して窒化するためには、特にランプ加熱が有効となる。
【００１４】
また、前記の製造方法においては、前記下地層の一部として、前記平坦化導電層の上方に酸素バリア層を形成する工程を含むのが好ましい。
酸素バリア層を形成することで、基板に形成された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できる。
【００１５】
なお、前記酸素バリア層を、Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ）で表される化合物で形成するのが好ましい。
このような化合物は、例えばその下層がＴｉＮである場合、その配向を反映して良好な（１１１）配向を有するようになる。
【００１６】
前記の化合物からなる酸素バリア層を形成する工程は、前記平坦化導電層の上方にＴｉＡｌ合金膜を形成する工程と、前記ＴｉＡｌ合金膜を窒素雰囲気中で熱処理して窒化する工程と、を含んでいるのが好ましい。
ＴｉＡｌは自己配向性が良好なＴｉを有するため、形成されるＴｉＡｌ合金膜は、Ｔｉの自己配向性によって良好な結晶配向性を有するようになる。したがって、これが窒化されてなるＴｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙも、良好な結晶配向性を有するようになる。
【００１７】
また、前記の製造方法においては、前記シリコン酸化膜研磨用のスラリーとして、アンモニア水とシリカ粒子とを含むスラリーを用いるのが好ましい。
例えばＴｉＮをＣＭＰ法で研磨し平坦化する場合、通常はコンタクトプラグとなるＷ（タングステン）をＣＭＰ法で研磨する際に用いられるスラリーが用いられる。ところが、Ｗ用のスラリーは一般に硝酸鉄と過酸化水素水とシリカ粒子とを含有して形成されるため、ＴｉＮ等に対するエッチング効果が高くなる。したがって、研磨速度が非常に高くなる反面、研磨のバラツキを制御するのが難しく、得られる平坦化導電層についてその平坦性が十分に得られなくなるおそれがある。そこで、Ｗ用スラリーのような酸や酸化剤を用いた強いエッチャントを用いることなく、比較的エッチング効果が低いアンモニア水を用いることにより、窒化導電膜を低研磨速度で平坦化処理することができる。よって、研磨のバラツキを無くし、得られる平坦化導電層の平坦性をより良好にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を詳しく説明する。
まず、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法の説明に先立ち、この製造方法によって得られる強誘電体メモリ装置の一例について、図１を参照して説明する。
【００１９】
［強誘電体メモリ装置］
図１は強誘電体メモリ装置の一例を模式的に示す断面図であり、図１中符号１００は強誘電体メモリ装置である。
この強誘電体メモリ装置１００は、半導体基板（以下、基板と記す）１０の上方に、強誘電体キャパシタ３０と、プラグ（コンタクトプラグ）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（以下、トランジスタと記す）１８と、を有して構成されたスタック構造のものである。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。
【００２０】
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とを有して構成されたものである。また、前記基板１０上には、トランジスタ１８を覆って酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等からなる層間絶縁膜２６が形成されており、この層間絶縁膜２６には、プラグ２０が形成されている。
【００２１】
強誘電体キャパシタ３０は、前記層間絶縁膜２６上に設けられ、かつ前記プラグ２０上に配置されたもので、下地層４０と、下地層４０上に積層された第１電極（下部電極）３２と、第１電極３２上に積層された強誘電体膜３４と、強誘電体膜３４上に積層された第２電極（上部電極）３６と、を有して構成されたものである。なお、前記層間絶縁膜２６上には、この強誘電体キャパシタ３０を覆って別の層間絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００２２】
ここで、前記プラグ２０は、トランジスタ１８と電気的に接続されたもので、隣接するトランジスタ（図示略）とは素子分離領域１６で分離されたものである。また、このプラグ２０は、第２不純物領域１９の上に形成されたもので、コンタクトホール２４内に設けられたプラグ導電層２２によって形成されたものである。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るもので、特にタングステン（Ｗ）が好適とされ、したがって本実施形態ではタングステンが用いられている。なお、コンタクトホール２４内には、このコンタクトホール２４の内壁面となる層間絶縁膜２６と、プラグ導電層２２との間を密着させるために、ＴｉやＴｉＮからなる密着層（図示せず）が必要に応じて設けられている。
【００２３】
また、プラグ２０には、プラグ導電層２２の上にリセス２３が形成されている。リセス２３は、製造上形成されたもので、プラグ２０の表層が層間絶縁膜２６の内部に窪んで形成された凹部であり、プロセス中に層間絶縁膜２６の表層から所定の深さの位置までプラグ２０の表層がエッチングされたことで、形成されたものである。この深さは、例えば１０〜２０ｎｍ程度である。
【００２４】
前記強誘電体キャパシタ３０の一部を構成する下地層４０は、プラグ２０のプラグ導電層２２と電気的に導通するもので、該プラグ２０上に形成された平坦化窒化チタン層（平坦化窒化導電層）４１と、この平坦化窒化チタン層４１上に形成された酸素バリア層４４とから構成されている。
【００２５】
平坦化窒化チタン層４１は、後述するように自己配向性を有する導電材料からなるもので、前記リセス２３を埋め込んだ状態で、前記層間絶縁膜２６上に形成されたものである。この平坦化窒化チタン層４１は、前記リセス２３を埋め込み、かつ、良好な結晶配向性を有するように形成されたもので、リセス２３を反映した凹部が除去されるように、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）で平坦化処理されたものである。また、この平坦化窒化チタン層４１は、平坦化処理後、層間絶縁膜２６上において厚さ２０ｎｍ程度となるように形成されている。
【００２６】
なお、前記層間絶縁膜２６の表面、及びプラグ２０上（つまりリセス２３の内面）は、後述するようにアンモニアプラズマ処理が施されたことにより、アンモニア（ＮＨ３）に由来する窒素によって修飾されている。したがって、このように窒素で修飾された面上に形成されていることにより、平坦化窒化チタン層４１は、（１１１）面方位に良好に配向したものとなっている。
また、この平坦化窒化チタン層４１は、後述するように、前記層間絶縁膜２６の表面及びプラグ２０上に形成されたチタン層が、窒素雰囲気中で熱処理されて窒化チタン層に変化させられたものである。
【００２７】
酸素バリア層４４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もので、特にその結晶質が（１１１）配向を有するものが好適とされている。そのような酸素バリア層４４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。
【００２８】
なお、酸素バリア層４４がＴｉＡｌＮからなる場合、酸素バリア層４４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４４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、この酸素バリア層４４の結晶配向を反映した結晶配向を有する第１電極３２を、酸素バリア層４４上に形成するためには、バリア層４４の膜厚は５０ｎｍ〜２００ｎｍであるのが好ましい。
【００２９】
前記したように酸素バリア層４４が（１１１）配向を有していることにより、バリア層４４の上方に、酸素バリア層４４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。したがって、第１電極３２の結晶配向を良好な（１１１）配向にすることができる。
【００３０】
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、もしくはこれらの酸化物、あるいは合金からなるもので、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。この第１電極３２は、単層膜であってもよく、積層した多層膜であってもよい。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４４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のが望ましい。この場合、強誘電体膜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のが望ましい。
【００３１】
例えば、酸素バリア層４４が立方晶系に属し、その結晶配向が（１１１）配向である場合、あるいは酸素バリア層４４が六方晶系に属し、その結晶配向が（００１）配向又は（００２）配向である場合、第１電極３２の結晶配向は（１１１）配向であるのが望ましい。このようにすれば、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）配向にするのが容易になる。
【００３２】
強誘電体膜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、ＡＢ（１−ａ）ＸａＯ３の一般式で示されることができる。Ａは、Ｐｂを含み、その一部を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３４に含まれる強誘電体材料としては、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。
なかでも、強誘電体膜３４の材料としてはＰＺＴが好ましく、その場合に、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好ましい。
【００３３】
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。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軸配向させたときには、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）配向であるのが望ましい。
【００３４】
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前記材料からなっていてもよく、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケル等からなっていてもよい。この第２電極３６は、単層膜であってもよく、積層した多層膜であってもよいが、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っているのが好ましい。
【００３５】
［強誘電体メモリ装置の製造方法］
次に、このような構成からなる強誘電体メモリ装置１００の製造方法に基づき、本発明の製造方法の一実施形態を、図２、図３を参照して説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ａ）〜（ｄ）では、説明を簡略化するため、図１の強誘電体メモリ装置１００における、層間絶縁膜２６およびプラグ２０の近傍のみを示している。
【００３６】
まず、下地層４０の形成工程に先立ち、公知の手法によって基板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。続いて、ドライエッチング等によって層間絶縁膜２６にコンタクトホール２４を形成する。次いで、該コンタクトホール２４内に、前記トランジスタ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（図１参照）。プラグ導電層２２の埋め込みは、例えばＣＶＤ法またはスパッタ法を用いて行なう。
【００３７】
なお、層間絶縁膜２６の上面に成膜されたプラグ導電層２２については、例えばＣＭＰ法で除去し、これによってプラグ２０を形成する。このとき、図２（ａ）にも示すようにプラグ２０上には、プラグ導電層２２の表面が層間絶縁膜２６の表面から所定の深さだけ窪んでなるリセス２３が形成される。なお、層間絶縁膜２６はシリコン酸化物（ＳｉＯ２）によって形成し、プラグ導電層２２はタングステン（Ｗ）によって形成している。
【００３８】
次に、前記プラグ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。具体的には、アンモニアガスのプラズマを励起して、これを前記プラグ２０を含む層間絶縁膜２６に照射する。このようなアンモニアプラズマ処理の条件としては、例えばチャンバ内の圧力を１から５Ｔｏｒｒ、基板温度を３００から５００℃、プラズマパワーを２００から２０００Ｗの間に設定し、プラズマ照射時間を３０から１８０秒に設定して行う。以上のアンモニアプラズマ処理により、層間絶縁膜２６の表面（プラグ導電層２２上を含む）を窒素修飾することができる。
【００３９】
続いて、前記プラグ導電層２２上（リセス２３内）を含む層間絶縁膜２６上に、スパッタ法によって自己配向性を有する導電材料を成膜する。この導電材料としては、例えばＴｉ（チタン）やＴａ（タンタル）などの自己配向性を有する金属、さらにはＴｉＡｌなどの前記金属を含む合金が挙げられる。本実施形態では、特に良好な自己配向性を有するＴｉが用いられる。すなわち、前記層間絶縁膜２６上に、スパッタ法によってチタンを厚さ２０ｎｍ程度に成膜し、図２（ａ）に示したようにチタン層４１１を形成する。
【００４０】
このようにしてチタン層４１１を形成すると、チタンは自己配向性が高いことから、（００２）配向を有する六方最密構造の層となり、層間絶縁膜２６（プラグ２０を含む）上において良好な（００２）配向を示すようになる。また、このようにスパッタ法でＴｉを成膜すると、得られたチタン層４１１はスパッタ法で形成されたＴｉＮ膜に比べて膜厚均一性（面内均一性）が良好になる。さらに、このようにスパッタ法でＴｉやＴａ、あるいはＴｉＡｌを成膜すると、ＴｉＮをスパッタ法で成膜した場合に比べ、パーティクルの発生が少なくなる。したがって、金属や合金からなる導電材料をスパッタ法で成膜する本実施形態では、ＴｉＮをスパッタ法で成膜する場合に比べてパーティクルに起因する不良が防止され、歩留まりが向上する。
【００４１】
次に、形成したチタン層４１１に対して窒化処理を施すことで、このチタン層４１１を図２（ｂ）に示すように窒化チタン層４１２に変化させる。具体的には、窒素雰囲気中で、ランプによるＲＴＡ処理（急速加熱処理）を５００℃〜６５０℃程度で行うことにより、チタン層４１１を窒素化する。熱処理の温度が６５０℃を大きく超えると、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４１１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。
【００４２】
ここで、チタン層４１１を窒素雰囲気中で熱処理し、窒化処理する場合、通常は減圧下で行うことから、チタン層４１１をムラ無く均一に加熱して窒化するためには、特にランプ加熱が有効となる。したがって、本実施形態では、ランプ加熱によって６５０℃で１〜２分程度ＲＴＡ処理することにより、窒化チタン層４１２を形成する。
このような窒化工程により、層間絶縁膜２６上で（００２）配向したチタン層４１１は、良好な（１１１）配向の窒化チタン層４１２となる。また、前記したように膜厚均一性（面内均一性）が良好なチタン層４１１から得られているので、この窒化チタン層４１２も膜厚均一性（面内均一性）が良好なものとなる。
【００４３】
次いで、前記窒化チタン層４１２上にスパッタ法で厚さ２０ｎｍ程度のチタン層４１１を形成する工程と、このチタン層４１１を窒素雰囲気中でＲＴＡ処理して窒化チタン層４１２に変化させる工程と、からなる処理をもう１回繰り返し、図２（ｃ）に示すように、窒化チタン層４１２を２層重ねてなる窒化導電層４１ａを形成する。ここで、スパッタ法でＴｉを成膜するので、得られたチタン層４１１は膜厚均一性（面内均一性）が良好なものとなる。また、スパッタ法でＴｉを成膜した際、ＴｉＮをスパッタ法で成膜した場合に比べ、パーティクルの発生が少なくなるのは前述したとおりである。
【００４４】
このように成膜処理及び窒化処理をもう１回繰り返すことにより、単一の窒化チタン層４１２については、その膜質等を考慮して厚さが２０ｎｍ程度と薄くなっても、この窒化チタン層４１２が重ねられてなる窒化導電層４１ａは、厚さが４０ｎｍ程度と厚くなる。したがって、後述するようにこの窒化導電層４１ａを研磨することで平坦化処理しても、得られる平坦化窒化チタン層は、所望の膜厚が確保されるようになる。
【００４５】
また、先に形成した窒化チタン層４１２上に、同様のプロセスで別の窒化チタン層４１２を形成することにより、上層の窒化チタン層４１２は、下地の窒化チタン層４１２の結晶構造の影響を受け、その結晶配向性が反映されたものとなる。すなわち、（１１１）配向した窒化チタン層４１２の上において、上層の窒化チタン層４１２も良好に（１１１）配向したものとなる。
【００４６】
次に、形成した窒化導電層４１ａをＣＭＰ（化学機械研磨）法で平坦化処理し、図２（ｄ）に示すように前記リセス２３の影響による凹部をなくす。これにより、窒化導電層４１ａが平坦化されて厚さ２０ｎｍ程度の平坦化窒化チタン層４１となる。ここで、このＣＭＰ法による研磨工程では、研磨用スラリーとして、シリコン酸化膜研磨用のスラリーを用いる。具体的には、アルカリ溶液中にシリカ粒子等の研磨材を分散させたものが用いられ、本実施形態では、アンモニア溶液中にシリカ粒子を分散させてなるスラリーが用いられる。
【００４７】
このようなスラリーを用いて研磨を行うことにより、窒化導電膜４１ａを一般的なＴｉＮのＣＭＰ研磨に比べて低速で平坦化処理することができる。すなわち、ＴｉＮをＣＭＰ法で研磨し平坦化する場合、通常はコンタクトプラグとなるＷ（タングステン）をＣＭＰ法で研磨する際に用いられるスラリーが用いられる。ところが、Ｗ用のスラリーは一般に硝酸鉄と過酸化水素水とシリカ粒子とを含有して形成されるため、ＴｉＮ等に対するエッチング効果が高くなる。したがって、研磨速度が非常に高くなる反面、研磨のバラツキを制御するのが難しく、得られる平坦化窒化チタン層４１についてその平坦性が十分に得られなくなるおそれがある。
【００４８】
そこで、本実施形態では、Ｗ用スラリーのように酸や酸化剤を用いた強いエッチャントを用いることなく、比較的エッチング効果が低いアンモニア水を用いることにより、窒化導電膜４１ａを低研磨速度で平坦化処理する。よって、研磨のバラツキを無くし、得られる平坦化窒化チタン層４１の平坦性をより良好にすることができる。
【００４９】
また、使用するスラリー以外の研磨条件についても、一般的なＴｉＮのＣＭＰ法による研磨に比べ、その研磨速度が十分に遅くなるようにして行う。具体的には、研磨の際の基板１０に対する加圧力を、従来のＴｉＮ研磨時に比べ十分に低くして行う。すなわち、従来では研磨面（窒化導電膜４１ａの表面）に対し、最大加圧点（例えば基板の中心点）において例えば８ｐｓｉ（５．５１６×１０−２ＭＰａ）程度に加圧していたのに対し、本発明ではその１／４以下程度、つまり２ｐｓｉ（１．３７９×１０−２ＭＰａ）以下程度の低圧で加圧する。
【００５０】
さらに、研磨の際の回転数についても、一般的なＴｉＮのＣＭＰ法による研磨に比べ、小さくする。ＣＭＰを行う研磨機では、プラテンを回転（公転）させるとともに、このプラテン上に被研磨体となる基板を載せ、この基板をヘッドで抑えつつ、プラテンの回転（公転）と反対の方向に基板（ヘッド）を回転（自転）させる。その際、一般的なＴｉＮのＣＭＰ法では、プラテンの回転（公転）を９３ｒｐｍ程度、ヘッド（基板）の回転（自転）を８７ｒｐｍ程度にしていたのに対し、本発明では、その１／２〜２／３程度の回転数、例えばプラテンの回転（公転）を５３ｒｐｍ程度、ヘッド（基板）の回転（自転）を４７ｒｐｍ程度にして行う。
【００５１】
このように、スラリーとして比較的エッチング効果が低いアンモニア水を用いるのに加え、基板に対する加圧力や回転数を一般的なＴｉＮのＣＭＰ研磨に比べて十分に小さく（低く）することにより、窒化導電膜４１ａを十分に低速で研磨することができる。したがって、従来に比べ格段に低い研磨速度で平坦化処理することにより、研磨のバラツキを無くし、得られる平坦化窒化チタン層４１の平坦性をより良好にすることができる。
なお、この平坦化窒化チタン層４１は、前述したように良好な結晶配向性を有する窒化導電層４１ａからなっているので、この良好な結晶配向性が、そのままに維持されたものとなっている。
【００５２】
次いで、図３（ａ）に示すように前記平坦化窒化チタン層４１上に、酸素バリア層４４を形成する。これにより、良好な配向性を有した平坦化窒化チタン層４１の（１１１）配向を反映した、（１１１）配向を有する酸素バリア層４４を形成することができる。すなわち、平坦化窒化チタン層４１と酸素バリア層４４との界面において、平坦化窒化チタン層４１の格子構造と酸素バリア層４４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酸素バリア層４４が成膜される。
【００５３】
酸素バリア層４４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、スパッタ法が挙げられる。前述したように、酸素バリア層４４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ことから、本実施形態では、特にチタン、アルミニウム、および窒素を含む層である、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮによって酸素バリア層４４を形成する。これにより、後述するように第１電極３２の結晶配向を（１１１）配向にすることができる。なお、酸素バリア層４４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。
【００５４】
次いで、図３（ｂ）に示すように、酸素バリア層４４上に第１電極３２を形成する。このように、第１電極３２を結晶質の酸素バリア層４４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、酸素バリア層４４の結晶配向を第１電極３２に反映させることができる。すなわち、酸素バリア層４４の結晶配向が（１１１）配向であるので、第１電極３２も（１１１）配向に形成することができる。なお、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、スパッタ法やＣＶＤ法が挙げられる。
【００５５】
次いで、図３（ｃ）に示すように、第１電極３２上に強誘電体膜３４を形成する。ここで、強誘電体膜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膜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、酸素バリア層４４の結晶配向を（１１１）配向に形成することができる。強誘電体膜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、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法が挙げられる。
【００５６】
次いで、図３（ｄ）に示すように、強誘電体膜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、図１に示したように下地層４０と、下地層４０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、を有してなるスタック型の強誘電体キャパシタ３０を形成することができ、この強誘電体キャパシタ３０を有した強誘電体メモリ装置１００を得ることができる。
【００５７】
このような製造方法にあっては、プラグ２０を含む層間絶縁膜２６上に、自己配向性を有するチタン（Ｔｉ）によってチタン層４１１を形成するので、例えばスパッタ法でＴｉＮを成膜した場合に比べ、得られるチタン層４１１はその自己配向性によってより良好な結晶配向性を有するものとなる。また、このように良好な結晶配向性のチタン層４１１を窒化して窒化導電層４１ａ（窒化チタン層４１２）を形成するので、この窒化導電層４１ａ自体も良好な結晶配向性を有するものとなる。したがって、この窒化導電層４１ａからなる平坦化窒化チタン層４１も、良好な結晶配向性を有するものとなる。
【００５８】
また、このチタン層４１１はスパッタ法で形成されたＴｉＮ膜に比べて膜厚均一性（面内均一性）が良くなるので、これを窒素雰囲気中で熱処理して得られた窒化導電層４１ａ（窒化チタン層４１２）も、膜厚均一性（面内均一性）が良好になる。したがって、その分、窒化導電層４１ａは化学機械研磨法（ＣＭＰ法）で平坦化する際のプロセスマージングが大きくなる。そして、このようにプロセスマージングを大きくしたうえで、さらに、この窒化導電層４１ａを、シリコン酸化膜研磨用のスラリーを用いたＣＭＰ法によって低研磨速度で平坦化処理するので、得られる平坦化窒化チタン層４１を、十分に平坦化することができる。これにより、下地層４０上に形成する第１電極３２の配向性を向上し、この第１電極３２上に形成する強誘電体膜３４の結晶配向をより良好にすることにより、強誘電体キャパシタ３０の特性向上を図ることができる。
【００５９】
よって、この製造方法によれば、下地層４０を構成する平坦化窒化チタン層４１の結晶配向性を良好にし、さらにその平坦性をも良好にしているので、これの上方に形成する下部電極や強誘電体膜の結晶配向性の改善を図ることができる。また、導電材料としてＴｉをスパッタ法で成膜し、チタン層４１１を形成しているので、発生するパーティクルが比較的少なくなり、したがってパーティクルに起因する不良を防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
【００６０】
また、チタン層４１１を形成する工程の前に、プラグ２０を含む層間絶縁膜２６の表面に対してアンモニアプラズマ処理を施すので、プラグ２０を含む層間絶縁膜２６の表面を、窒素によって良好に修飾することができる。したがって、この処理面上に自己配向性を有するＴｉを成膜し、チタン層４１１を形成することにより、このチタン層４１１をより良好に配向させることができる。よって、このチタン層４１１が窒化され、さらに平坦化されてなる平坦化窒化チタン層４１も、チタン層４１１の配向性が反映されてより良好な配向性を有するものとなる。これにより、強誘電体膜３４の結晶配向をより良好にして強誘電体キャパシタ３０の特性向上を図ることができる。
【００６１】
また、結晶配向が（１１１）配向を有する酸素バリア層４４を設けているので、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になる。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。
【００６２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、窒化チタン層４１２を２層積層して窒化導電層４１ａを形成し、その後、これをＣＭＰ法で研磨処理して平坦化窒化チタン層４１としたが、リセス２３を良好に埋め込むことができ、しかもＣＭＰ法による平坦化処理後、所望の膜厚が確保されれば、単一の窒化チタン層４１２から窒化導電層４１ａ、さらには平坦化窒化チタン層４１を形成してもよい。
また、膜厚をより厚くしたい場合などでは、３層以上の窒化チタン層４１２によって窒化導電層４１ａを形成してもよい。
【００６３】
また、前記実施形態では、ＴｉＡｌＮからなる酸素バリア層４４を、スパッタ法で成膜し形成するようにしたが、この酸素バリア層４４についても、窒化チタン層４１２（窒化導電層４１ａ）と同じ手法によって形成してもよい。すなわち、自己配向性を有するＴｉを含むＴｉＡｌ合金からなる導電層をスパッタ法で形成し、その後、これを窒化することで、ＴｉＡｌＮ層（酸素バリア層４４）としてもよい。このようにすれば、前記の窒化チタン層４１２と同様に、このＴｉＡｌＮ層（酸素バリア層４４）もより良好な結晶配向性を有するものとなり、したがってこの上方に形成する強誘電体膜３４の結晶配向を良好にし、得られる強誘電体キャパシタ３０の強誘電体特性をより良好にすることができる。
【００６４】
また、このように自己配向性を有するＴｉを含むＴｉＡｌ合金層（導電層）をスパッタ法で形成し、その後これを窒化することでＴｉＡｌＮからなる酸素バリア層４４を形成する場合、前記の平坦化窒化チタン層４１を形成することなく、これに代えて、この酸素バリア４４をＣＭＰ法で平坦化処理することにより、本発明における平坦化導電層としてもよい。その場合にも、得られる強誘電体キャパシタ３０の強誘電体特性をより良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る強誘電体メモリ装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１に示した強誘電体メモリ装置の工程説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は図２に続く工程の説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０…半導体基板（基板）、１８…トランジスタ（能動素子）、２０…プラグ（コンタクトプラグ）、２３…リセス、２６…層間絶縁膜、３２…第１電極（下部電極）、３４…強誘電体膜、３６…第２電極（上部電極）、４０…下地層、４１…平坦化窒化チタン層（平坦化導電層）、４１ａ…窒化導電層、４４…酸素バリア層、４１１…チタン層（導電層）、４１２…窒化チタン層（窒化導電層）
【図１】
2009302333.tif 000003
【図２】
2009302333.tif 000004
【図３】
2009302333.tif 000005