JP2002076294A - 薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置 - Google Patents
薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置Info
- Publication number
- JP2002076294A JP2002076294A JP2000267527A JP2000267527A JP2002076294A JP 2002076294 A JP2002076294 A JP 2002076294A JP 2000267527 A JP2000267527 A JP 2000267527A JP 2000267527 A JP2000267527 A JP 2000267527A JP 2002076294 A JP2002076294 A JP 2002076294A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- ferroelectric
- lower electrode
- thin film
- barrier layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 キャパシタ絶縁膜にＢＴＯを用いた場合に、
ＢＴＯ膜を十分に歪ませて良好な強誘電特性を得ること
ができ、且つ電圧ストレスによるＢＴＯ膜中の酸素欠損
の発生を防止できる。 【解決手段】 Ｓｉプラグ１０上にバリア層１１，下部
電極１４，ＢＴＯ強誘電体層１５，上部電極１６を形成
した薄膜キャパシタにおいて、バリア層１１としてＴｉ
ＡｌＮを用い、下部電極１４としてＳｒＮｂＯ3 を用
い、バリア層１１のａ軸長Ａｂ，ＢＴＯ強誘電体層１５
の本来のａ軸長Ａｏ，及び下部電極１４のエピタキシャ
ル成長後のａ軸長Ａｅが、 Ａｂ／Ａｏ≦０．９９５ Ａｅ／Ａｏ≦０．９９５ の関係式を満足するように設定されている。
ＢＴＯ膜を十分に歪ませて良好な強誘電特性を得ること
ができ、且つ電圧ストレスによるＢＴＯ膜中の酸素欠損
の発生を防止できる。 【解決手段】 Ｓｉプラグ１０上にバリア層１１，下部
電極１４，ＢＴＯ強誘電体層１５，上部電極１６を形成
した薄膜キャパシタにおいて、バリア層１１としてＴｉ
ＡｌＮを用い、下部電極１４としてＳｒＮｂＯ3 を用
い、バリア層１１のａ軸長Ａｂ，ＢＴＯ強誘電体層１５
の本来のａ軸長Ａｏ，及び下部電極１４のエピタキシャ
ル成長後のａ軸長Ａｅが、 Ａｂ／Ａｏ≦０．９９５ Ａｅ／Ａｏ≦０．９９５ の関係式を満足するように設定されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、キャパシタ絶縁膜
に強誘電体を用いた薄膜キャパシタに係わり、特に下部
電極の改良をはかった薄膜キャパシタ、更にはこの薄膜
キャパシタを用いた半導体記憶装置に関する。
に強誘電体を用いた薄膜キャパシタに係わり、特に下部
電極の改良をはかった薄膜キャパシタ、更にはこの薄膜
キャパシタを用いた半導体記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、強誘電体薄膜からなる薄膜キャパ
シタ（強誘電体キャパシタ）を用いた半導体記憶装置
（強誘電体メモリ）の開発が行われており、一部には既
に実用化されている。強誘電体メモリは不揮発性であ
り、記憶保持のために電源を必要としない。しかも、強
誘電体薄膜の膜厚が十分薄い場合には自発分極の反転が
早く、ＤＲＡＭ並みに高速の書き込み，読み出しが可能
であるなどの特徴を持つ。また、１ビットのメモリセル
を１つのトランジスタと１つの強誘電体キャパシタで作
成することができるため、大容量化にも適している。
シタ（強誘電体キャパシタ）を用いた半導体記憶装置
（強誘電体メモリ）の開発が行われており、一部には既
に実用化されている。強誘電体メモリは不揮発性であ
り、記憶保持のために電源を必要としない。しかも、強
誘電体薄膜の膜厚が十分薄い場合には自発分極の反転が
早く、ＤＲＡＭ並みに高速の書き込み，読み出しが可能
であるなどの特徴を持つ。また、１ビットのメモリセル
を１つのトランジスタと１つの強誘電体キャパシタで作
成することができるため、大容量化にも適している。
【０００３】強誘電体メモリに適した強誘電体薄膜に
は、残留分極が大きいこと、抗電界が小さいこと、残留
分極の温度依存性が小さいこと、残留分極の長時間保持
が可能であること（リテンション）などが必要である。
現在、強誘電体材料としては、主としてジルコン酸チタ
ン酸鉛（以下、ＰＺＴと略称する）が用いられている。
ＰＺＴは、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛の固溶体である
が、ほぼ１：１のモル比で固溶したものは自発分極が大
きく、低い電界でも反転することができ、キャパシタ絶
縁膜として優れていると考えられている。しかも、強誘
電体と常誘電体の転移温度（キュリー温度）が３００℃
以上と比較的高いため、通常の電子回路が使用される温
度範囲（１２０℃以下）では、記憶された内容が熱によ
って失われる心配は少ない。
は、残留分極が大きいこと、抗電界が小さいこと、残留
分極の温度依存性が小さいこと、残留分極の長時間保持
が可能であること（リテンション）などが必要である。
現在、強誘電体材料としては、主としてジルコン酸チタ
ン酸鉛（以下、ＰＺＴと略称する）が用いられている。
ＰＺＴは、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛の固溶体である
が、ほぼ１：１のモル比で固溶したものは自発分極が大
きく、低い電界でも反転することができ、キャパシタ絶
縁膜として優れていると考えられている。しかも、強誘
電体と常誘電体の転移温度（キュリー温度）が３００℃
以上と比較的高いため、通常の電子回路が使用される温
度範囲（１２０℃以下）では、記憶された内容が熱によ
って失われる心配は少ない。
【０００４】しかしながら、ＰＺＴの良質な薄膜は作成
が難しいことが知られている。第１に、ＰＺＴの主成分
であるＰｂは５００℃以上で蒸発しやすく、そのため組
成の正確な制御が難しい。第２に、ＰＺＴはペロブスカ
イト型結晶構造を形成したときに初めて強誘電性が現れ
るが、このペロブスカイト型結晶を持つＰＺＴが得にく
く、パイロクロアと呼ばれる結晶構造の方が容易に得ら
れやすいという問題がある。また、シリコンデバイスに
応用した場合には、主成分であるＰｂのシリコン中への
拡散を防ぐことが難しいという問題もある。
が難しいことが知られている。第１に、ＰＺＴの主成分
であるＰｂは５００℃以上で蒸発しやすく、そのため組
成の正確な制御が難しい。第２に、ＰＺＴはペロブスカ
イト型結晶構造を形成したときに初めて強誘電性が現れ
るが、このペロブスカイト型結晶を持つＰＺＴが得にく
く、パイロクロアと呼ばれる結晶構造の方が容易に得ら
れやすいという問題がある。また、シリコンデバイスに
応用した場合には、主成分であるＰｂのシリコン中への
拡散を防ぐことが難しいという問題もある。
【０００５】ＰＺＴ以外ではチタン酸バリウム（ＢａＴ
ｉＯ3 ：以下ＢＴＯと略称する）が代表的な強誘電体と
して知られている。ＢＴＯはＰＺＴと同じくペロブスカ
イト型結晶構造を持ち、キュリー温度は約１２０℃であ
ることが知られている。Ｐｂと比べるとＢａは蒸発しに
くいので、ＢＴＯの薄膜形成においては、組成の制御が
容易である。また、ＢＴＯが結晶化した場合は、ペロブ
スカイト型以外の結晶構造をとることは殆どない。
ｉＯ3 ：以下ＢＴＯと略称する）が代表的な強誘電体と
して知られている。ＢＴＯはＰＺＴと同じくペロブスカ
イト型結晶構造を持ち、キュリー温度は約１２０℃であ
ることが知られている。Ｐｂと比べるとＢａは蒸発しに
くいので、ＢＴＯの薄膜形成においては、組成の制御が
容易である。また、ＢＴＯが結晶化した場合は、ペロブ
スカイト型以外の結晶構造をとることは殆どない。
【０００６】これらの長所にも拘わらず、ＢＴＯの薄膜
キャパシタが強誘電体メモリの記憶媒体としてさほど検
討されていない理由として、ＰＺＴと比べて残留分極が
小さく、しかも残留分極の温度依存性が大きいことが挙
げられる。この原因は、ＢＴＯのキュリー温度が低い
（１２０℃）ことにあり、このため強誘電体メモリを作
成した場合、１００℃以上の高温に晒された場合に記憶
内容が失われる恐れがあるばかりではなく、通常電子回
路が使用される温度範囲（８５℃以下）でも残留分極の
温度依存性が大きく、動作が不安定であるためである。
従って、ＢＴＯからなる強誘電体薄膜を使用した薄膜キ
ャパシタは、強誘電体メモリの記憶媒体としての用途に
適さないと考えられていた。
キャパシタが強誘電体メモリの記憶媒体としてさほど検
討されていない理由として、ＰＺＴと比べて残留分極が
小さく、しかも残留分極の温度依存性が大きいことが挙
げられる。この原因は、ＢＴＯのキュリー温度が低い
（１２０℃）ことにあり、このため強誘電体メモリを作
成した場合、１００℃以上の高温に晒された場合に記憶
内容が失われる恐れがあるばかりではなく、通常電子回
路が使用される温度範囲（８５℃以下）でも残留分極の
温度依存性が大きく、動作が不安定であるためである。
従って、ＢＴＯからなる強誘電体薄膜を使用した薄膜キ
ャパシタは、強誘電体メモリの記憶媒体としての用途に
適さないと考えられていた。
【０００７】本発明者らは、新しい強誘電体薄膜とし
て、下部電極（例えばＳｒＲｕＯ3 ）の格子定数に比較
的近くやや大きな格子定数を持つ誘電材料（例えば、Ｂ
ａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 、以下ＢＳＴと略称する）を選択
し、かつまたＲＦマグネトロンスパッタ法という成膜過
程でミスフイット転移が比較的入りにくい成膜方法を採
用して、単結晶基板上にエピタキシャル成長させること
により、エピタキシャル効果により本来の誘電体の格子
定数よりも膜厚方向（ｃ軸）に格子定数が伸び、面内方
向（ａ軸）の格子定数が縮んだ状態を保つことができる
ことを見出した（特許公報第２８７８９８６号、登録日
平成１１年１月２２日）。その結果、強誘電キュリー温
度を高温側にシフトさせ、室温領域で大きな残留分極を
保持できる強誘電体薄膜が実現可能であることを確認し
ている。
て、下部電極（例えばＳｒＲｕＯ3 ）の格子定数に比較
的近くやや大きな格子定数を持つ誘電材料（例えば、Ｂ
ａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 、以下ＢＳＴと略称する）を選択
し、かつまたＲＦマグネトロンスパッタ法という成膜過
程でミスフイット転移が比較的入りにくい成膜方法を採
用して、単結晶基板上にエピタキシャル成長させること
により、エピタキシャル効果により本来の誘電体の格子
定数よりも膜厚方向（ｃ軸）に格子定数が伸び、面内方
向（ａ軸）の格子定数が縮んだ状態を保つことができる
ことを見出した（特許公報第２８７８９８６号、登録日
平成１１年１月２２日）。その結果、強誘電キュリー温
度を高温側にシフトさせ、室温領域で大きな残留分極を
保持できる強誘電体薄膜が実現可能であることを確認し
ている。
【０００８】例えば、基板としてＭｇＯ単結晶基板やＳ
ｒＴｉＯ3 単結晶基板を用い、下部電極としてＳｒＲｕ
Ｏ3 （格子系は擬立方晶系であり、立方晶に換算したと
きの格子定数ａ＝0.3930ｎｍ）を使用し、誘電体として
ＢＳＴの組成領域ｘ＝０．３０〜０．９０を用いること
により、本来室温では強誘電性を示さないはずの組成領
域（ｘ≦０．７）でも強誘電性が発現し、またもともと
室温で強誘電性を示す組成領域（ｘ＞０．７）において
は、本来室温以上にあるキュリー温度がさらに上昇する
という、実用上好ましい強誘電体特性を実現できること
を実験的に確認している。即ち、ｃ軸長を人工的に伸長
させたＢＳＴ強誘電体キャパシタを使用することによ
り、化学的，熱的に安定なＢＳＴプロセスと、Ｐｂを使
用したＰＺＴ並みかそれ以上の強誘電特性を両立させる
ことが可能になった。
ｒＴｉＯ3 単結晶基板を用い、下部電極としてＳｒＲｕ
Ｏ3 （格子系は擬立方晶系であり、立方晶に換算したと
きの格子定数ａ＝0.3930ｎｍ）を使用し、誘電体として
ＢＳＴの組成領域ｘ＝０．３０〜０．９０を用いること
により、本来室温では強誘電性を示さないはずの組成領
域（ｘ≦０．７）でも強誘電性が発現し、またもともと
室温で強誘電性を示す組成領域（ｘ＞０．７）において
は、本来室温以上にあるキュリー温度がさらに上昇する
という、実用上好ましい強誘電体特性を実現できること
を実験的に確認している。即ち、ｃ軸長を人工的に伸長
させたＢＳＴ強誘電体キャパシタを使用することによ
り、化学的，熱的に安定なＢＳＴプロセスと、Ｐｂを使
用したＰＺＴ並みかそれ以上の強誘電特性を両立させる
ことが可能になった。
【０００９】ところで、上記の技術をＢＴＯ膜に適用し
て超高集積度の不揮発性半導体メモリを作成するために
は、トランジスタのソース／ドレイン電極上、或いはそ
の上部に成長させた単結晶Ｓｉプラグ上に酸化物強誘電
体キャパシタを形成する必要がある。このとき、Ｓｉ基
板とＢＴＯ強誘電体層の間には、下部電極，バリア層な
どの多層膜を形成しなければならないが、下部電極，バ
リア層などの多層膜に以下のような条件を満たすことが
要求される。
て超高集積度の不揮発性半導体メモリを作成するために
は、トランジスタのソース／ドレイン電極上、或いはそ
の上部に成長させた単結晶Ｓｉプラグ上に酸化物強誘電
体キャパシタを形成する必要がある。このとき、Ｓｉ基
板とＢＴＯ強誘電体層の間には、下部電極，バリア層な
どの多層膜を形成しなければならないが、下部電極，バ
リア層などの多層膜に以下のような条件を満たすことが
要求される。
【００１０】（１）全て導電性であること、（２）Ｓｉ
の格子定数０．５４３ｎｍとＢＴＯの面内格子定数０．
３９９ｎｍと２６％の大きな格子ミスマッチを緩和する
こと、（３）強誘電体キャパシタを形成後、サブミクロ
ンレベルに微細加工する際に強誘電体層に導入された歪
みが緩和せず、強誘電特性が劣化しないこと、（４）構
成元素の相互拡散が起こらないこと、（５）キャパシタ
形成時の酸素雰囲気、形成後の高温プロセスにより界面
の酸化反応が進行するような熱力学的に還元されやすい
材料でないこと。
の格子定数０．５４３ｎｍとＢＴＯの面内格子定数０．
３９９ｎｍと２６％の大きな格子ミスマッチを緩和する
こと、（３）強誘電体キャパシタを形成後、サブミクロ
ンレベルに微細加工する際に強誘電体層に導入された歪
みが緩和せず、強誘電特性が劣化しないこと、（４）構
成元素の相互拡散が起こらないこと、（５）キャパシタ
形成時の酸素雰囲気、形成後の高温プロセスにより界面
の酸化反応が進行するような熱力学的に還元されやすい
材料でないこと。
【００１１】本発明者らは、以上の（１）から（５）の
要求を満たす下部電極、バリアメタル材料の例として、
ＳｒＲｕＯ3 ／ＳｒＴｉＯ3 ：Ｎｂ／ＴｉＯ2 ：Ｎｂ／
ＴｉＡｌＮの４層からなる導電膜を開発し、その上部に
歪んだエピタキシャルＢＴＯ強誘電体薄膜を積層し、ベ
タ膜では良好な強誘電特性を確認している。また、全セ
ラミック構造で形成しているため、サブミクロンレベル
に微細加工してもＢＴＯの歪みの緩和が生じないことも
併せて確認している。
要求を満たす下部電極、バリアメタル材料の例として、
ＳｒＲｕＯ3 ／ＳｒＴｉＯ3 ：Ｎｂ／ＴｉＯ2 ：Ｎｂ／
ＴｉＡｌＮの４層からなる導電膜を開発し、その上部に
歪んだエピタキシャルＢＴＯ強誘電体薄膜を積層し、ベ
タ膜では良好な強誘電特性を確認している。また、全セ
ラミック構造で形成しているため、サブミクロンレベル
に微細加工してもＢＴＯの歪みの緩和が生じないことも
併せて確認している。
【００１２】しかしながら、この構造では酸素との結合
が弱いＳｒＲｕＯ3 を下部電極として使用しているた
め、ＢＴＯ膜成膜時の温度を上げるとＳｒＲｕＯ3 から
脱離した酸素が下方に拡散する。そして、バリアメタル
であるＴｉＡｌＮの酸化を引き起こし、コンタクト抵抗
の大幅な上昇、ひどい場合には酸化反応の進行と共に発
生する窒素ガスにより密着性が低下し、膜の剥離が起こ
ることが分かっている。また、下地の酸化を抑制しつつ
ＢＴＯ膜を酸素雰囲気中で積層する必要があるので、Ｂ
ＴＯ成膜のプロセスウィンドウが狭く、僅かな成膜条件
の変動により下地の酸化が発生してしまい、実用化が難
しいという問題点があった。
が弱いＳｒＲｕＯ3 を下部電極として使用しているた
め、ＢＴＯ膜成膜時の温度を上げるとＳｒＲｕＯ3 から
脱離した酸素が下方に拡散する。そして、バリアメタル
であるＴｉＡｌＮの酸化を引き起こし、コンタクト抵抗
の大幅な上昇、ひどい場合には酸化反応の進行と共に発
生する窒素ガスにより密着性が低下し、膜の剥離が起こ
ることが分かっている。また、下地の酸化を抑制しつつ
ＢＴＯ膜を酸素雰囲気中で積層する必要があるので、Ｂ
ＴＯ成膜のプロセスウィンドウが狭く、僅かな成膜条件
の変動により下地の酸化が発生してしまい、実用化が難
しいという問題点があった。
【００１３】以上の問題点から、ＳｒＲｕＯ3 に替わる
電極材料が望まれているが、ここで電極として必要な特
性を挙げると、以下の４点になる。
電極材料が望まれているが、ここで電極として必要な特
性を挙げると、以下の４点になる。
【００１４】（Ａ）ＢＴＯ膜を十分に歪ませ、良好な強
誘電特性を得るために、ＢＴＯ本来のａ軸長（０．３９
９ｎｍ）よりも０．５％以上ａ軸長が短いこと、（Ｂ）
強誘電体キャパシタ動作時の読み出し／書き込み時に加
わる電圧ストレスによる強誘電体膜中の酸素欠損の発生
を防止するために、酸素との結合が弱い電極材料である
こと、（Ｃ）酸化性雰囲気や結晶の不完全性に対して導
電性が安定であること、（Ｄ）還元性雰囲気に対して安
定であること。
誘電特性を得るために、ＢＴＯ本来のａ軸長（０．３９
９ｎｍ）よりも０．５％以上ａ軸長が短いこと、（Ｂ）
強誘電体キャパシタ動作時の読み出し／書き込み時に加
わる電圧ストレスによる強誘電体膜中の酸素欠損の発生
を防止するために、酸素との結合が弱い電極材料である
こと、（Ｃ）酸化性雰囲気や結晶の不完全性に対して導
電性が安定であること、（Ｄ）還元性雰囲気に対して安
定であること。
【００１５】上述した（Ｂ）から（Ｄ）の条件を満たす
下部電極材料としては、歪み誘起強誘電体キャパシタに
限らず、多くの材料が検討されてきた。特に歪み誘起強
誘電体キャパシタの場合は、上部強誘電体層と同じ結晶
構造を持つ導電性ペロブスカイト物質を使用すれば、高
い界面整合性が得られるため、強誘電特性の向上が期待
される。しかしながら、（Ａ）から（Ｄ）の全ての条件
を満たす材料を見出すのは容易ではなく、従来知られて
いる如何なる材料を用いても（Ａ）から（Ｄ）を満たす
ことはできない。
下部電極材料としては、歪み誘起強誘電体キャパシタに
限らず、多くの材料が検討されてきた。特に歪み誘起強
誘電体キャパシタの場合は、上部強誘電体層と同じ結晶
構造を持つ導電性ペロブスカイト物質を使用すれば、高
い界面整合性が得られるため、強誘電特性の向上が期待
される。しかしながら、（Ａ）から（Ｄ）の全ての条件
を満たす材料を見出すのは容易ではなく、従来知られて
いる如何なる材料を用いても（Ａ）から（Ｄ）を満たす
ことはできない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｓｉ
基板上に直接形成された強誘電体キャパシタ、特にエピ
タキシャル効果によりＢＴＯの強誘電性が強化された強
誘電体キャパシタにおいては、超高集積度の不揮発性メ
モリに使用される際に予想される前述した（Ａ）から
（Ｄ）の問題を克服することは困難であった。
基板上に直接形成された強誘電体キャパシタ、特にエピ
タキシャル効果によりＢＴＯの強誘電性が強化された強
誘電体キャパシタにおいては、超高集積度の不揮発性メ
モリに使用される際に予想される前述した（Ａ）から
（Ｄ）の問題を克服することは困難であった。
【００１７】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、前述した（Ａ）から
（Ｄ）の仕様を満足する下部電極を形成することがで
き、誘電特性の優れた信頼性の高い強誘電体キャパシタ
（薄膜キャパシタ）と、これを用いた半導体記憶装置を
提供することにある。
ので、その目的とするところは、前述した（Ａ）から
（Ｄ）の仕様を満足する下部電極を形成することがで
き、誘電特性の優れた信頼性の高い強誘電体キャパシタ
（薄膜キャパシタ）と、これを用いた半導体記憶装置を
提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。
するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１９】即ち本発明は、表面に立方晶系の（１０
０）面，又は正方晶系の（００１）面が表れているバリ
ア層と、このバリア層上にエピタキシャル成長された下
部電極と、この下部電極上にエピタキシャル成長された
ＢＴＯを主成分とする強誘電体層と、この強誘電体層上
に形成された上部電極とを具備した薄膜キャパシタにお
いて、前記下部電極がＳｒＮｂＯ3 を主成分とする導電
性ペロブスカイトからなり、前記バリア層のａ軸長Ａｂ
は前記強誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且
つ前記下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長Ａｅが
Ａｏよりも小さいことを特徴とする。
０）面，又は正方晶系の（００１）面が表れているバリ
ア層と、このバリア層上にエピタキシャル成長された下
部電極と、この下部電極上にエピタキシャル成長された
ＢＴＯを主成分とする強誘電体層と、この強誘電体層上
に形成された上部電極とを具備した薄膜キャパシタにお
いて、前記下部電極がＳｒＮｂＯ3 を主成分とする導電
性ペロブスカイトからなり、前記バリア層のａ軸長Ａｂ
は前記強誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且
つ前記下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長Ａｅが
Ａｏよりも小さいことを特徴とする。
【００２０】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが挙げられる。
は次のものが挙げられる。
【００２１】(1) 各ａ軸長Ａｂ，Ａｏ，Ａｅが、 Ａｂ／Ａｏ≦０．９９５ Ａｅ／Ａｏ≦０．９９５ の関係式を満足すること。
【００２２】(2) 下部電極の構成元素の一部が、Ｃａ，
Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なく
とも一種の元素で置換してあるか、又は構成元素の一部
に欠損があること。
Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なく
とも一種の元素で置換してあるか、又は構成元素の一部
に欠損があること。
【００２３】(3) バリア層が導電性ペロブスカイトＡＢ
Ｏ3 （Ａはアルカリ土類，希土類から選ばれた少なくと
も一種、ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒから選ばれた
少なくとも一種）からなること。
Ｏ3 （Ａはアルカリ土類，希土類から選ばれた少なくと
も一種、ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒから選ばれた
少なくとも一種）からなること。
【００２４】(4) バリア層がＩｒ及びＲｈの少なくとも
一方を含む金属膜からなること。
一方を含む金属膜からなること。
【００２５】(5) バリア層の下部が実質的にＴｉＮ，Ｔ
ｉ1-x Ａｌx Ｎから選ばれた一種で形成されているこ
と。
ｉ1-x Ａｌx Ｎから選ばれた一種で形成されているこ
と。
【００２６】(6) 強誘電体薄膜は、エピタキシャル後の
ｃ軸長Ｃe と、このｃ軸長Ｃe と対応するエピタキシャ
ル成長前の本来の正方晶系のｃ軸長或いは立方晶系のａ
軸長のＣｏが、Ｃｅ／Ｃｏ≧１．０２を満足すること。
ｃ軸長Ｃe と、このｃ軸長Ｃe と対応するエピタキシャ
ル成長前の本来の正方晶系のｃ軸長或いは立方晶系のａ
軸長のＣｏが、Ｃｅ／Ｃｏ≧１．０２を満足すること。
【００２７】(7) 下部電極が、Ｓｒ1-x ＮｂＯ3-d （０
≦ｘ≦０．５，０≦ｄ≦１）の化学式で表わされるこ
と。
≦ｘ≦０．５，０≦ｄ≦１）の化学式で表わされるこ
と。
【００２８】(8) バリア層が、Ｉｒ，Ｒｈ，又はＩｒ若
しくはＲｈの一部をＲｅ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉ
ｒ，Ｒｈの中から選択された少なくとも一種類の金属で
置換したｆｃｃ構造を持つ合金からなること。
しくはＲｈの一部をＲｅ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉ
ｒ，Ｒｈの中から選択された少なくとも一種類の金属で
置換したｆｃｃ構造を持つ合金からなること。
【００２９】(9) 強誘電体層が、ＡＢＯ3 の化学式で表
わされるペロブスカイト構造を持ち、ＡはＢａ，Ｓｒ，
Ｃａの中から選ばれた少なくとも一種であり、ＢはＴ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｎｂの中から選ばれた少なくと
も一種であること。
わされるペロブスカイト構造を持ち、ＡはＢａ，Ｓｒ，
Ｃａの中から選ばれた少なくとも一種であり、ＢはＴ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｎｂの中から選ばれた少なくと
も一種であること。
【００３０】(10)下部電極としてのＳｒＮｂＯ3 は、酸
素を含まない不活性ガス（例えばＡｒ）雰囲気中でＲＦ
マグネトロンスパッタにより形成されること。或いは、
還元性ガス（例えばＨ2 ）を含む雰囲気中でＲＦマグネ
トロンスパッタにより形成されること。
素を含まない不活性ガス（例えばＡｒ）雰囲気中でＲＦ
マグネトロンスパッタにより形成されること。或いは、
還元性ガス（例えばＨ2 ）を含む雰囲気中でＲＦマグネ
トロンスパッタにより形成されること。
【００３１】また本発明は、トランジスタと薄膜キャパ
シタからなる半導体記憶装置において、前記薄膜キャパ
シタは、表面に立方晶系の（１００）面，又は正方晶系
の（００１）面が表れているバリア層と、このバリア層
上にエピタキシャル成長されたＳｒＮｂＯ3 を主成分と
する導電性ペロブスカイトからなる下部電極と、この下
部電極上にエピタキシャル成長されたＢＴＯを主成分と
する強誘電体層と、この強誘電体層上に形成された上部
電極とを具備してなり、前記バリア層のａ軸長Ａｂは前
記誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且つ前記
下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅがＡｏよ
りも小さいことを特徴とする。
シタからなる半導体記憶装置において、前記薄膜キャパ
シタは、表面に立方晶系の（１００）面，又は正方晶系
の（００１）面が表れているバリア層と、このバリア層
上にエピタキシャル成長されたＳｒＮｂＯ3 を主成分と
する導電性ペロブスカイトからなる下部電極と、この下
部電極上にエピタキシャル成長されたＢＴＯを主成分と
する強誘電体層と、この強誘電体層上に形成された上部
電極とを具備してなり、前記バリア層のａ軸長Ａｂは前
記誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且つ前記
下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅがＡｏよ
りも小さいことを特徴とする。
【００３２】（作用）本発明では、バリア層，下部電
極，強誘電体層，上部電極を積層したキャパシタ構造に
おいて、強誘電体層にＢＴＯを主成分とするペロブスカ
イト、下部電極にＳｒＮｂＯ3 を主成分とする導電性ペ
ロブスカイトを用い、バリア層のａ軸長Ａｂを強誘電体
層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且つ下部電極のエ
ピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅをＡｏよりも小さくし
ている。これにより、前述した（Ａ）から（Ｄ）の仕様
を満足する下部電極を形成することができる。
極，強誘電体層，上部電極を積層したキャパシタ構造に
おいて、強誘電体層にＢＴＯを主成分とするペロブスカ
イト、下部電極にＳｒＮｂＯ3 を主成分とする導電性ペ
ロブスカイトを用い、バリア層のａ軸長Ａｂを強誘電体
層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且つ下部電極のエ
ピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅをＡｏよりも小さくし
ている。これにより、前述した（Ａ）から（Ｄ）の仕様
を満足する下部電極を形成することができる。
【００３３】従って本発明によれば、エピタキシャル成
長時に導入される歪みを利用した強誘電体薄膜を利用し
たキャパシタを、Ｓｉ上に良好な膜質で作成し、キャパ
シタ成膜時及びキャパシタ形成後のプロセスにおいて下
部電極／バリア層の界面が劣化することなく、良好な強
誘電特性を保持することが可能になる。そして、本発明
の強誘電体キャパシタとトランジスタをＳｉ基板上に高
度に集積することにより、信頼性の高い超高集積化した
強誘電体メモリを作成することが可能になる。
長時に導入される歪みを利用した強誘電体薄膜を利用し
たキャパシタを、Ｓｉ上に良好な膜質で作成し、キャパ
シタ成膜時及びキャパシタ形成後のプロセスにおいて下
部電極／バリア層の界面が劣化することなく、良好な強
誘電特性を保持することが可能になる。そして、本発明
の強誘電体キャパシタとトランジスタをＳｉ基板上に高
度に集積することにより、信頼性の高い超高集積化した
強誘電体メモリを作成することが可能になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】実施形態を説明する前に、本発明
の基本原理について説明する。
の基本原理について説明する。
【００３５】前述した目的を達成するために、本発明者
らは様々な導電膜の組み合わせについて検討した。その
結果、格子定数の小さいバリア層上に導電性ペロブスカ
イトＳｒＮｂＯ3 層をエピタキシャル成長することによ
り、ａ軸長を本来の値よりも短くして使用することが不
可欠であることを見出した。以下、この技術について詳
述する。
らは様々な導電膜の組み合わせについて検討した。その
結果、格子定数の小さいバリア層上に導電性ペロブスカ
イトＳｒＮｂＯ3 層をエピタキシャル成長することによ
り、ａ軸長を本来の値よりも短くして使用することが不
可欠であることを見出した。以下、この技術について詳
述する。
【００３６】まず、歪み誘起強誘電体キャパシタの電極
材料について検討する。ペロブスカイト系酸化物強誘電
体（本発明ではＢＴＯ）を使用したキャパシタにおい
て、動作電圧を繰り返し印加したときに強誘電体内部の
酸素欠陥の生成に伴う強誘電特性の劣化を防止するとい
う観点から、電極は酸化物であることが望ましい。特
に、界面整合性が良いことから、強誘電体と同じ結晶構
造である導電性ペロブスカイト酸化物が望ましい。
材料について検討する。ペロブスカイト系酸化物強誘電
体（本発明ではＢＴＯ）を使用したキャパシタにおい
て、動作電圧を繰り返し印加したときに強誘電体内部の
酸素欠陥の生成に伴う強誘電特性の劣化を防止するとい
う観点から、電極は酸化物であることが望ましい。特
に、界面整合性が良いことから、強誘電体と同じ結晶構
造である導電性ペロブスカイト酸化物が望ましい。
【００３７】次に、上部にＢＴＯをエピタキシャル成長
させた場合に良好な強誘電特性を得るためには、ＢＴＯ
の面内格子定数を０．５％以上圧縮する必要があること
が理論上示されている。図４は、ＢＴＯのａ軸長とｃ軸
長の関係を示す図（理論計算値）であり、ａ軸長が大き
くなるに伴いｃ軸長は小さくなっている。ここで、ＢＴ
Ｏはｃ軸長が０．４１ｎｍ以上になると良好な強誘電性
が得られることが分かっており、このときのａ軸長は
０．３９７以下である。ＢＴＯの本来のａ軸長は０．３
９９ｎｍであるから、ａ軸長を０．５％以上圧縮するこ
とにより良好な強誘電特性が得られる。
させた場合に良好な強誘電特性を得るためには、ＢＴＯ
の面内格子定数を０．５％以上圧縮する必要があること
が理論上示されている。図４は、ＢＴＯのａ軸長とｃ軸
長の関係を示す図（理論計算値）であり、ａ軸長が大き
くなるに伴いｃ軸長は小さくなっている。ここで、ＢＴ
Ｏはｃ軸長が０．４１ｎｍ以上になると良好な強誘電性
が得られることが分かっており、このときのａ軸長は
０．３９７以下である。ＢＴＯの本来のａ軸長は０．３
９９ｎｍであるから、ａ軸長を０．５％以上圧縮するこ
とにより良好な強誘電特性が得られる。
【００３８】このように、ＢＴＯのａ軸長はエピタキシ
ャル成長後には０．３９７ｎｍ以下に圧縮される必要が
あり、誘電体膜の歪み緩和がない場合でも下部電極のａ
軸長は０．３９７ｎｍ以下である必要がある。ＳｒＲｕ
Ｏ3 を始めとして、ＡサイトとしてＳｒを使用した多く
の導電性ペロブスカイトはこの条件を満足する。
ャル成長後には０．３９７ｎｍ以下に圧縮される必要が
あり、誘電体膜の歪み緩和がない場合でも下部電極のａ
軸長は０．３９７ｎｍ以下である必要がある。ＳｒＲｕ
Ｏ3 を始めとして、ＡサイトとしてＳｒを使用した多く
の導電性ペロブスカイトはこの条件を満足する。
【００３９】 ＳｒＶＯ3 （０．３８４２ｎｍ） ＳｒＣｒＯ3 （０．３８１８ｎｍ） ＳｒＦｅＯ3 （０．３８５０ｎｍ） ＳｒＣｏＯ3 （０．３８５ｎｍ） ＳｒＲｕＯ3 （０，３９３ｎｍ） ＳｒＭｏＯ3 （０．３９７５ｎｍ） ＳｒＮｂＯ3 （０．４０２ｎｍ） しかしながら、上記の導電性ペロブスカイトを含めて、
Ｂサイトに遷移金属を有する導電性ペロブスカイトの多
くは酸素との結合が強いとはいえず、還元雰囲気、或い
は電極形成後の熱工程において脱離した酸素が下方に拡
散して、下地窒化物バリアメタル層を酸化するおそれが
ある。下地バリアメタル層の酸化は、コンタクト抵抗の
著しい増加をもたらし、またひどい場合には酸化反応の
生成物として窒素ガスを発生し、膜の剥離を引き起こ
す。従って、電極には酸素との結合の強い導電性酸化物
を使用することが望ましい。
Ｂサイトに遷移金属を有する導電性ペロブスカイトの多
くは酸素との結合が強いとはいえず、還元雰囲気、或い
は電極形成後の熱工程において脱離した酸素が下方に拡
散して、下地窒化物バリアメタル層を酸化するおそれが
ある。下地バリアメタル層の酸化は、コンタクト抵抗の
著しい増加をもたらし、またひどい場合には酸化反応の
生成物として窒素ガスを発生し、膜の剥離を引き起こ
す。従って、電極には酸素との結合の強い導電性酸化物
を使用することが望ましい。
【００４０】さらに、電極形成後のプロセスで導電性が
容易に失われないことも重要である。例えば、絶縁体で
あるＳｒＴｉＯ3 にＮｂ，Ｌａなどをドーピングした
り、酸素欠損を導入したりすれば、熱力学的に安定な、
酸素との結合の強い導電性酸化物材料の候補となる。し
かしながら、絶縁体である母物質を酸素欠損や元素置換
により導電体化した材料は、膜の結晶性が僅かに劣化し
ただけで導電性が消失する、欠損量や置換量が僅かに異
なっただけで導電性が大きく変化してしまい導電性の制
御が困難である、といった問題がある。
容易に失われないことも重要である。例えば、絶縁体で
あるＳｒＴｉＯ3 にＮｂ，Ｌａなどをドーピングした
り、酸素欠損を導入したりすれば、熱力学的に安定な、
酸素との結合の強い導電性酸化物材料の候補となる。し
かしながら、絶縁体である母物質を酸素欠損や元素置換
により導電体化した材料は、膜の結晶性が僅かに劣化し
ただけで導電性が消失する、欠損量や置換量が僅かに異
なっただけで導電性が大きく変化してしまい導電性の制
御が困難である、といった問題がある。
【００４１】本発明者らは、様々な導電性酸化物を比較
検討した結果、以上の条件を全て満たすためには下地と
の格子ミスマッチを利用してａ軸長を圧縮した導電性ペ
ロブスカイトＳｒＮｂＯ3 が最適であることを見出し
た。即ち、 （ｉ）ＳｒＮｂＯ3 は酸素との結合が強く、その安定性
はＳｒＴｉＯ3 に匹敵すること。
検討した結果、以上の条件を全て満たすためには下地と
の格子ミスマッチを利用してａ軸長を圧縮した導電性ペ
ロブスカイトＳｒＮｂＯ3 が最適であることを見出し
た。即ち、 （ｉ）ＳｒＮｂＯ3 は酸素との結合が強く、その安定性
はＳｒＴｉＯ3 に匹敵すること。
【００４２】（ii）ＳｒＮｂＯ3 は単結晶だけでなく、
多結晶でも導電性を示し、膜の結晶性によって導電性が
失われたりしないこと。
多結晶でも導電性を示し、膜の結晶性によって導電性が
失われたりしないこと。
【００４３】（iii）ＳｒＮｂＯ3 は強誘電体であるＢ
ＴＯとは異なり、面内に圧縮され膜厚方向に伸張しても
分極によるエネルギーの得が見込めないため、歪みによ
ってａ軸長を制御することは困難ではあるが、成膜方法
及び成膜条件を最適化して格子定数の小さい下地膜上に
エピタキシャル成長させればａ軸長が０．３９７ｎｍ以
下に歪むこと。
ＴＯとは異なり、面内に圧縮され膜厚方向に伸張しても
分極によるエネルギーの得が見込めないため、歪みによ
ってａ軸長を制御することは困難ではあるが、成膜方法
及び成膜条件を最適化して格子定数の小さい下地膜上に
エピタキシャル成長させればａ軸長が０．３９７ｎｍ以
下に歪むこと。
【００４４】（iV）構成元素からなる化合物の中に不安
定な物質が含まれないため、成膜装置内の汚染、ダスト
の発生などを引き起こさず、また加工も容易であるため
プロセス適合性が良いこと。
定な物質が含まれないため、成膜装置内の汚染、ダスト
の発生などを引き起こさず、また加工も容易であるため
プロセス適合性が良いこと。
【００４５】などが理由である。
【００４６】以上説明したように、ＳｒＮｂＯ3 を主成
分とした下部電極を、格子定数の小さなバリア層上にエ
ピタキシャル成長させ面内格子定数を圧縮することで、
前記（Ａ）〜（Ｄ）の条件を全て満たすことが初めて可
能になり、半導体メモリとして最適な歪み誘起エピタキ
シャル強誘電体キャパシタを作成することが可能にな
る。
分とした下部電極を、格子定数の小さなバリア層上にエ
ピタキシャル成長させ面内格子定数を圧縮することで、
前記（Ａ）〜（Ｄ）の条件を全て満たすことが初めて可
能になり、半導体メモリとして最適な歪み誘起エピタキ
シャル強誘電体キャパシタを作成することが可能にな
る。
【００４７】次に、本発明者らはＳｒＮｂＯ3 の組成に
ついて詳細な検討を行った。下部電極としてのＳｒＮｂ
Ｏ3 の構成元素の一部を、Ｃａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍ
ｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なくとも一種の元素で置
換するか、又は構成元素の一部に欠損を設けた。このよ
うにＳｒＮｂＯ3 のＡ，Ｂ各サイトに対して添加物を加
えるか、又はＡサイト欠損，酸素欠損を加えることによ
り、ＳｒＮｂＯ3 の特性、具体的には導電性，格子定数
がより精密に制御可能となる。
ついて詳細な検討を行った。下部電極としてのＳｒＮｂ
Ｏ3 の構成元素の一部を、Ｃａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍ
ｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なくとも一種の元素で置
換するか、又は構成元素の一部に欠損を設けた。このよ
うにＳｒＮｂＯ3 のＡ，Ｂ各サイトに対して添加物を加
えるか、又はＡサイト欠損，酸素欠損を加えることによ
り、ＳｒＮｂＯ3 の特性、具体的には導電性，格子定数
がより精密に制御可能となる。
【００４８】ＳｒＮｂＯ3 はＳｒ欠損、或いはＡサイト
のＣａ置換、ＢサイトのＴｉ置換などにより格子定数を
小さくできることが知られている。先にも説明したよう
に、下地との格子定数差を利用してＳｒＮｂＯ3 の単位
格子を面内に圧縮させることで、面内格子定数を制御す
ることは可能だが、特に下地バリア層が格子定数の小さ
なＩｒ系金属（ａ＝0.384nm）であるような場合は、格
子ミスマッチ量が大きくなり、良好な結晶性のＳｒＮｂ
Ｏ3 エピタキシャル膜を形成することが困難である。そ
こで、Ｓｒ欠損，ＢサイトのＴｉ置換，ＡサイトのＣａ
置換によって、本来の格子定数を小さくすることが必要
となる。
のＣａ置換、ＢサイトのＴｉ置換などにより格子定数を
小さくできることが知られている。先にも説明したよう
に、下地との格子定数差を利用してＳｒＮｂＯ3 の単位
格子を面内に圧縮させることで、面内格子定数を制御す
ることは可能だが、特に下地バリア層が格子定数の小さ
なＩｒ系金属（ａ＝0.384nm）であるような場合は、格
子ミスマッチ量が大きくなり、良好な結晶性のＳｒＮｂ
Ｏ3 エピタキシャル膜を形成することが困難である。そ
こで、Ｓｒ欠損，ＢサイトのＴｉ置換，ＡサイトのＣａ
置換によって、本来の格子定数を小さくすることが必要
となる。
【００４９】しかしながら、上記のような構成元素の置
換は、いずれも比抵抗値の増大をもたらし、電極として
使用することを考えると、好ましくない手法である。そ
こで、導電性の低下を補うために、Ｎｂの４ｄ軌道から
なる伝導バンドの直下にレベルを作るドーパントを添加
してやればよい。具体的には、Ｒｕ，Ｍｏ，Ｖなどが挙
げられるが、このようなドーパント物質はいずれも酸素
との結合が弱い酸化物を形成するので、ドーパント量と
しては３０％以下であることが好ましい。
換は、いずれも比抵抗値の増大をもたらし、電極として
使用することを考えると、好ましくない手法である。そ
こで、導電性の低下を補うために、Ｎｂの４ｄ軌道から
なる伝導バンドの直下にレベルを作るドーパントを添加
してやればよい。具体的には、Ｒｕ，Ｍｏ，Ｖなどが挙
げられるが、このようなドーパント物質はいずれも酸素
との結合が弱い酸化物を形成するので、ドーパント量と
しては３０％以下であることが好ましい。
【００５０】このように、組成制御によって面内格子定
数を小さくしたＳｒＮｂＯ3 を使用することにより、Ｉ
ｒのようにＳｒＮｂＯ3 との格子ミスマッチが大きな膜
の上にも、結晶性，平坦性が共に優れたＳｒＮｂＯ3 導
電性ペロブスカイトをエピタキシャル成長することが可
能となる。
数を小さくしたＳｒＮｂＯ3 を使用することにより、Ｉ
ｒのようにＳｒＮｂＯ3 との格子ミスマッチが大きな膜
の上にも、結晶性，平坦性が共に優れたＳｒＮｂＯ3 導
電性ペロブスカイトをエピタキシャル成長することが可
能となる。
【００５１】次に、本発明者らはＳｒＮｂＯ3 下部電極
の下地となるバリア層に関して検討した。バリア層は非
酸化物である下地バリアメタル層の上部に形成すること
から、熱力学的に安定でなくてはならない。従って、熱
力学的には極めて安定だが絶縁体であるＳｒＴｉＯ3 の
一部をＮｂやＬａで置換して導電性を発現させた導電性
ＳｒＴｉＯ3 膜をバリア層として使用することが好まし
い。誘電体膜を形成する場合とは異なり、ＳｒＮｂＯ3
下部電極をエピタキシャル成長させるときのスパッタ雰
囲気は無酸素雰囲気であるので、例えば酸素欠損の導入
により導電体化したＳｒＴｉＯ3 をバリア層に用いて
も、下部電極成膜中に導電性を失う恐れはない。
の下地となるバリア層に関して検討した。バリア層は非
酸化物である下地バリアメタル層の上部に形成すること
から、熱力学的に安定でなくてはならない。従って、熱
力学的には極めて安定だが絶縁体であるＳｒＴｉＯ3 の
一部をＮｂやＬａで置換して導電性を発現させた導電性
ＳｒＴｉＯ3 膜をバリア層として使用することが好まし
い。誘電体膜を形成する場合とは異なり、ＳｒＮｂＯ3
下部電極をエピタキシャル成長させるときのスパッタ雰
囲気は無酸素雰囲気であるので、例えば酸素欠損の導入
により導電体化したＳｒＴｉＯ3 をバリア層に用いて
も、下部電極成膜中に導電性を失う恐れはない。
【００５２】また、ＳｒＴｉＯ3 のａ軸長は０．３９０
ｎｍであり、上部にＳｒＮｂＯ3 がエピタキシャル成長
した場合に下地に整合してａ軸長が圧縮されるので、歪
み誘起強誘電体の下部電極として使用することができ
る。さらに、この構造を使用する場合、Ｓｉ基板から上
部強誘電体膜まで全てセラミック材料を用いているた
め、微細加工により歪みが緩和して強誘電特性が劣化す
ることがなく、超高集積化した場合の強誘電体キャパシ
タのプロセス適合性が高い。
ｎｍであり、上部にＳｒＮｂＯ3 がエピタキシャル成長
した場合に下地に整合してａ軸長が圧縮されるので、歪
み誘起強誘電体の下部電極として使用することができ
る。さらに、この構造を使用する場合、Ｓｉ基板から上
部強誘電体膜まで全てセラミック材料を用いているた
め、微細加工により歪みが緩和して強誘電特性が劣化す
ることがなく、超高集積化した場合の強誘電体キャパシ
タのプロセス適合性が高い。
【００５３】このような観点から、バリア層としてエピ
タキシャル成長した導電性ペロブスカイトＡＢＯ3 （Ａ
はアルカリ土類，希土類から選ばれた少なくとも一種、
ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒから選ばれた少なくと
も一種）を使用するのが望ましい。
タキシャル成長した導電性ペロブスカイトＡＢＯ3 （Ａ
はアルカリ土類，希土類から選ばれた少なくとも一種、
ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒから選ばれた少なくと
も一種）を使用するのが望ましい。
【００５４】また、バリア層としてＩｒ及びＲｈの少な
くとも一方を含む金属膜を用いるのが望ましい。Ｉｒ及
びＲｈは格子定数がそれぞれ０．３８４ｎｍ，０．３８
０ｎｍと小さく、またＰｔのような軟質な金属とは異な
り硬いため、強誘電体膜の歪みの緩和が起きないという
メリットを持つ。また、酸化物も導電性を示すため、ど
のようなプロセス下でも界面が劣化しコンタクト抵抗が
上昇するようなことはない。しかしながら、ＳｒＮｂＯ
3 とは若干格子ミスマッチが大きいので、結晶性良くＳ
ｒＮｂＯ3 膜をエピタキシャル成長させるためには、前
述したようにＳｒ欠損を導入したり、構成元素をＴｉで
置換したりすることにより、ＳｒＮｂＯ 3 の格子定数を
短くすることが好ましい。
くとも一方を含む金属膜を用いるのが望ましい。Ｉｒ及
びＲｈは格子定数がそれぞれ０．３８４ｎｍ，０．３８
０ｎｍと小さく、またＰｔのような軟質な金属とは異な
り硬いため、強誘電体膜の歪みの緩和が起きないという
メリットを持つ。また、酸化物も導電性を示すため、ど
のようなプロセス下でも界面が劣化しコンタクト抵抗が
上昇するようなことはない。しかしながら、ＳｒＮｂＯ
3 とは若干格子ミスマッチが大きいので、結晶性良くＳ
ｒＮｂＯ3 膜をエピタキシャル成長させるためには、前
述したようにＳｒ欠損を導入したり、構成元素をＴｉで
置換したりすることにより、ＳｒＮｂＯ 3 の格子定数を
短くすることが好ましい。
【００５５】以下、本発明の詳細を図示の実施形態及び
比較例によって説明する。
比較例によって説明する。
【００５６】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる薄膜キャパシタ、特に強誘電体メモ
リに用いられる薄膜キャパシタの素子構造を示す断面図
である。
の実施形態に係わる薄膜キャパシタ、特に強誘電体メモ
リに用いられる薄膜キャパシタの素子構造を示す断面図
である。
【００５７】本実施形態は、薄膜キャパシタの下部電極
として歪みＳｒＮｂＯ3 を用いたことを特徴としてお
り、図中の１はＳｉ基板、２は素子分離絶縁膜、３はゲ
ート絶縁膜、４はゲート電極（ワード線）、５はｎ型拡
散層（ソース・ドレイン領域）、６，８，９は層間絶縁
膜、７はビット線、１０はＳｉプラグ、１１はＴｉＡｌ
Ｎバリア層、１２はＴｉＮｂ（ＴｉＯ2 ：Ｎｂ）膜、１
３はＳｒＴｉＮｂＯ3 膜、１４はＳｒＮｂＯ3 下部電
極、１５は強誘電体膜としてのＢａＴｉＯ3（ＢＴ
Ｏ）、１６はＳｒＲｕＯ3 上部電極を示している。
として歪みＳｒＮｂＯ3 を用いたことを特徴としてお
り、図中の１はＳｉ基板、２は素子分離絶縁膜、３はゲ
ート絶縁膜、４はゲート電極（ワード線）、５はｎ型拡
散層（ソース・ドレイン領域）、６，８，９は層間絶縁
膜、７はビット線、１０はＳｉプラグ、１１はＴｉＡｌ
Ｎバリア層、１２はＴｉＮｂ（ＴｉＯ2 ：Ｎｂ）膜、１
３はＳｒＴｉＮｂＯ3 膜、１４はＳｒＮｂＯ3 下部電
極、１５は強誘電体膜としてのＢａＴｉＯ3（ＢＴ
Ｏ）、１６はＳｒＲｕＯ3 上部電極を示している。
【００５８】まず、単結晶Ｓｉ（（１００）方位）で作
成したＳｉプラグ１０まで完成している基板上に、超高
真空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用いて
第１のバリア層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜１１を１０ｎ
ｍ堆積した。さらにこの上部に、ＤＣスパッタ装置を用
いてＴｉＮｂ膜１２を８ｎｍ堆積した。（Ｔｉ，Ａｌ）
ＮはＴｉＡｌ合金ターゲットを用いてＡｒ／Ｎ2 雰囲気
で、ＴｉＮｂはＴｉＮｂ合金ターゲットを用いてＡｒ雰
囲気でスパッタを行っている。
成したＳｉプラグ１０まで完成している基板上に、超高
真空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用いて
第１のバリア層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜１１を１０ｎ
ｍ堆積した。さらにこの上部に、ＤＣスパッタ装置を用
いてＴｉＮｂ膜１２を８ｎｍ堆積した。（Ｔｉ，Ａｌ）
ＮはＴｉＡｌ合金ターゲットを用いてＡｒ／Ｎ2 雰囲気
で、ＴｉＮｂはＴｉＮｂ合金ターゲットを用いてＡｒ雰
囲気でスパッタを行っている。
【００５９】この上部に熱力学的に安定な導電性ペロブ
スカイトバリア層として、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 膜１
３を３０ｎｍ堆積した。このときの成膜雰囲気はＡｒ
0.1 Ｐａであるが、酸化物ターゲットからの酸素により
ＴｉＮｂ膜１２は酸化され、アナターゼ構造の導電性Ｔ
ｉＯ2 ：Ｎｂ単層が形成されていることをＸ線回折によ
り確認している。
スカイトバリア層として、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 膜１
３を３０ｎｍ堆積した。このときの成膜雰囲気はＡｒ
0.1 Ｐａであるが、酸化物ターゲットからの酸素により
ＴｉＮｂ膜１２は酸化され、アナターゼ構造の導電性Ｔ
ｉＯ2 ：Ｎｂ単層が形成されていることをＸ線回折によ
り確認している。
【００６０】なお、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 バリア層１
３のＮｂ置換量としては、多過ぎるとａ軸長が大きくな
り、下部電極としてのＳｒＮｂＯ3 のａ軸長も下地に整
合して大きくなるため、強誘電体膜としてのＢＴＯ膜が
良好な強誘電特性を示さない。逆に、Ｎｂ置換量が少な
過ぎると、安定した導電性が得られない。従って、Ｎｂ
置換量は０．１％から６０％が好ましく、さらに１％か
ら２０％が最も好ましい領域である。
３のＮｂ置換量としては、多過ぎるとａ軸長が大きくな
り、下部電極としてのＳｒＮｂＯ3 のａ軸長も下地に整
合して大きくなるため、強誘電体膜としてのＢＴＯ膜が
良好な強誘電特性を示さない。逆に、Ｎｂ置換量が少な
過ぎると、安定した導電性が得られない。従って、Ｎｂ
置換量は０．１％から６０％が好ましく、さらに１％か
ら２０％が最も好ましい領域である。
【００６１】このバリア層１３の上部に下部電極として
ＳｒＮｂＯ3 膜１４をＲＦマグネトロンスパッタを用い
て３０ｎｍ堆積した。その上に強誘電体としてＢＴＯ膜
１５を２０ｎｍ、さらにその上に上部電極としてＳｒＲ
ｕＯ3 膜１６を１００ｎｍ堆積し、強誘電体キャパシタ
を作成した。このときの成膜雰囲気は、ＳｒＮｂＯ3膜
１４はＡｒ雰囲気、ＢＴＯ膜１５はＡｒ／Ｏ2 雰囲気で
あり、温度は６００℃としている。
ＳｒＮｂＯ3 膜１４をＲＦマグネトロンスパッタを用い
て３０ｎｍ堆積した。その上に強誘電体としてＢＴＯ膜
１５を２０ｎｍ、さらにその上に上部電極としてＳｒＲ
ｕＯ3 膜１６を１００ｎｍ堆積し、強誘電体キャパシタ
を作成した。このときの成膜雰囲気は、ＳｒＮｂＯ3膜
１４はＡｒ雰囲気、ＢＴＯ膜１５はＡｒ／Ｏ2 雰囲気で
あり、温度は６００℃としている。
【００６２】作成した薄膜キャパシタのＸ線回折を行っ
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜１１，Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎ
ｂ）Ｏ3 膜１３，ＳｒＮｂＯ3 下部電極１４，ＢＴＯ誘
電体膜１５，ＳｒＲｕＯ3 上部電極１６の全てがエピタ
キシャル成長していることが分かった。さらに、断面電
子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ膜１１とＳｒ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 膜１３と
の界面の荒れは見受けられなかった。
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜１１，Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎ
ｂ）Ｏ3 膜１３，ＳｒＮｂＯ3 下部電極１４，ＢＴＯ誘
電体膜１５，ＳｒＲｕＯ3 上部電極１６の全てがエピタ
キシャル成長していることが分かった。さらに、断面電
子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ膜１１とＳｒ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 膜１３と
の界面の荒れは見受けられなかった。
【００６３】また、四軸Ｘ線回折装置により格子定数を
測定したところ、ＳｒＮｂＯ3 下部電極１４のａ軸長が
０．３９６ｎｍと下地に整合して０．５％以上歪んでい
ることが確認できた。即ち、格子定数の小さいバリア層
上に導電性ペロブスカイトＳｒＮｂＯ3 を先の条件でエ
ピタキシャル成長することにより、ａ軸長を本来の値よ
りも短くすることができた。そして、このＳｒＮｂＯ3
下部電極１４上のＢＴＯ膜１５はｃ軸長が０．４２５ｎ
ｍと十分に歪んでおり、（００２）回折ピークのロッキ
ングカーブの半値幅も０．５°と結晶性も良好であっ
た。
測定したところ、ＳｒＮｂＯ3 下部電極１４のａ軸長が
０．３９６ｎｍと下地に整合して０．５％以上歪んでい
ることが確認できた。即ち、格子定数の小さいバリア層
上に導電性ペロブスカイトＳｒＮｂＯ3 を先の条件でエ
ピタキシャル成長することにより、ａ軸長を本来の値よ
りも短くすることができた。そして、このＳｒＮｂＯ3
下部電極１４上のＢＴＯ膜１５はｃ軸長が０．４２５ｎ
ｍと十分に歪んでおり、（００２）回折ピークのロッキ
ングカーブの半値幅も０．５°と結晶性も良好であっ
た。
【００６４】また、キャパシタとしての強誘電特性を測
定したところ、残留分極０．５２Ｃ／ｃｍ2 、抗電圧
２．１Ｖの特性が得られ、かつ２Ｖ印加時のリーク電流
密度は２×１０-7Ａ／ｃｍ2 以下であった。さらに、１
５ＶのＤＣストレスを印加しても絶縁破壊は発生しなか
った。
定したところ、残留分極０．５２Ｃ／ｃｍ2 、抗電圧
２．１Ｖの特性が得られ、かつ２Ｖ印加時のリーク電流
密度は２×１０-7Ａ／ｃｍ2 以下であった。さらに、１
５ＶのＤＣストレスを印加しても絶縁破壊は発生しなか
った。
【００６５】このように、Ｓｉ／ＴｉＡｌＮ／Ｔｉ
Ｏ2 ：Ｎｂ／ＳｒＴｉＮｂＯ3 ／ＳｒＮｂＯ3 ／ＢＴＯ
／ＳｒＲｕＯ3 構造のキャパシタにおいては、熱力学的
に安定なＳｒＮｂＯ3 を下部電極として使用しているた
め、バリアメタル層の酸化を抑制することができる。し
かも、下部電極としてのＳｒＮｂＯ3 を下地バリア層に
整合させてａ軸長が本来の値よりも短くなるようにして
いるので、強誘電体膜としてのＢＴＯを十分に歪ませる
ことができ、良好な強誘電特性のキャパシタが作成可能
となる。
Ｏ2 ：Ｎｂ／ＳｒＴｉＮｂＯ3 ／ＳｒＮｂＯ3 ／ＢＴＯ
／ＳｒＲｕＯ3 構造のキャパシタにおいては、熱力学的
に安定なＳｒＮｂＯ3 を下部電極として使用しているた
め、バリアメタル層の酸化を抑制することができる。し
かも、下部電極としてのＳｒＮｂＯ3 を下地バリア層に
整合させてａ軸長が本来の値よりも短くなるようにして
いるので、強誘電体膜としてのＢＴＯを十分に歪ませる
ことができ、良好な強誘電特性のキャパシタが作成可能
となる。
【００６６】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態に係わる薄膜キャパシタの素子構造を示す断
面図である。なお、図１と同一部部には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
の実施形態に係わる薄膜キャパシタの素子構造を示す断
面図である。なお、図１と同一部部には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。
【００６７】本実施形態は、第１の実施形態と同様に、
薄膜キャパシタの下部電極として歪みＳｒＮｂＯ3 を用
いており、更にバリア層としてＩｒを用いている。
薄膜キャパシタの下部電極として歪みＳｒＮｂＯ3 を用
いており、更にバリア層としてＩｒを用いている。
【００６８】まず、単結晶Ｓｉ（（１００）方位）で作
成したＳｉプラグ１０まで完成している基板上に、超高
真空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用い
て、第１のバリア層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜２１を１
０ｎｍ堆積した。さらにこの上部に、ＤＣスパッタ装置
を用いて第２のバリア層としてのＩｒ膜２２を２０ｎｍ
堆積した。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜２１はＴｉＡｌ合金ター
ゲットを用いてＡｒ／Ｎ 2 雰囲気で、Ｉｒ膜２２はＩｒ
ターゲットを用いてＡｒ雰囲気でスパッタを行うことに
より形成している。
成したＳｉプラグ１０まで完成している基板上に、超高
真空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用い
て、第１のバリア層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜２１を１
０ｎｍ堆積した。さらにこの上部に、ＤＣスパッタ装置
を用いて第２のバリア層としてのＩｒ膜２２を２０ｎｍ
堆積した。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜２１はＴｉＡｌ合金ター
ゲットを用いてＡｒ／Ｎ 2 雰囲気で、Ｉｒ膜２２はＩｒ
ターゲットを用いてＡｒ雰囲気でスパッタを行うことに
より形成している。
【００６９】Ｉｒバリア層２２の上部にＲＦマグネトロ
ンスパッタを用いて、下部電極としてＳｒＴｉ0.25Ｎｂ
0.75Ｏ3 膜２４を３０ｎｍ堆積した。ここで、下部電極
２４としてＳｒＮｂＯ3 ではなく一部をＴｉで置換した
のは、先にも説明したように下部電極２４と下地バリア
層２２としてのＩｒとの格子ミスマッチを小さくするた
めである。下地バリア層２２としてＩｒの代わりにＲｈ
を用いた場合にも同様にすればよい。
ンスパッタを用いて、下部電極としてＳｒＴｉ0.25Ｎｂ
0.75Ｏ3 膜２４を３０ｎｍ堆積した。ここで、下部電極
２４としてＳｒＮｂＯ3 ではなく一部をＴｉで置換した
のは、先にも説明したように下部電極２４と下地バリア
層２２としてのＩｒとの格子ミスマッチを小さくするた
めである。下地バリア層２２としてＩｒの代わりにＲｈ
を用いた場合にも同様にすればよい。
【００７０】そして、下部電極２４上に強誘電体膜とし
てＢＴＯ膜２５を２０ｎｍ、さらにその上に上部電極と
してＳｒＲｕＯ3 膜２６を１００ｍ堆積し、強誘電体キ
ャパシタを作成した。このときの成膜雰囲気は、ＳｒＴ
ｉ0.25Ｎｂ0.75Ｏ3 膜２４はＡｒ雰囲気、ＢＴＯ膜２５
はＡｒ／Ｏ2 雰囲気であり、温度は６００℃としてい
る。
てＢＴＯ膜２５を２０ｎｍ、さらにその上に上部電極と
してＳｒＲｕＯ3 膜２６を１００ｍ堆積し、強誘電体キ
ャパシタを作成した。このときの成膜雰囲気は、ＳｒＴ
ｉ0.25Ｎｂ0.75Ｏ3 膜２４はＡｒ雰囲気、ＢＴＯ膜２５
はＡｒ／Ｏ2 雰囲気であり、温度は６００℃としてい
る。
【００７１】作成した薄膜キャパシタのＸ線回折を行っ
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎバリア層２１，Ｉｒバリア
層２２，ＳｒＴｉ0.25Ｎｂ0.75Ｏ3 下部電極２４，ＢＴ
Ｏ誘電体膜２５，ＳｒＲｕＯ3 上部電極２６の全てがエ
ピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断
面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う表
面モフォロジ荒れは見受けられなかった。
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎバリア層２１，Ｉｒバリア
層２２，ＳｒＴｉ0.25Ｎｂ0.75Ｏ3 下部電極２４，ＢＴ
Ｏ誘電体膜２５，ＳｒＲｕＯ3 上部電極２６の全てがエ
ピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断
面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う表
面モフォロジ荒れは見受けられなかった。
【００７２】また、四軸Ｘ線回折装置により格子定数を
測定したところ、下部電極２４としてのＳｒＴｉ0.25Ｎ
ｂ0.75Ｏ3 のａ軸長が０．３９２ｎｍと下地に整合して
歪んでいることが確認できた。そして、その上部のＢＴ
Ｏ膜２５はｃ軸長が０．４３５ｎｍと十分に歪んでお
り、（００２）回折ピークのロッキングカーブの半値幅
も０．４°と結晶性も良好であった。
測定したところ、下部電極２４としてのＳｒＴｉ0.25Ｎ
ｂ0.75Ｏ3 のａ軸長が０．３９２ｎｍと下地に整合して
歪んでいることが確認できた。そして、その上部のＢＴ
Ｏ膜２５はｃ軸長が０．４３５ｎｍと十分に歪んでお
り、（００２）回折ピークのロッキングカーブの半値幅
も０．４°と結晶性も良好であった。
【００７３】また、キャパシタとしての強誘電特性を測
定したところ、残留分極０．６０Ｃ／ｃｍ2 、抗電圧
１．９Ｖの特性が得られ、かつ２Ｖ印加時のリーク電流
密度は１．５×１０-7Ａ／ｃｍ2 以下であった。さら
に、１５ＶのＤＣストレスを印加しても絶縁破壊は発生
しなかった。
定したところ、残留分極０．６０Ｃ／ｃｍ2 、抗電圧
１．９Ｖの特性が得られ、かつ２Ｖ印加時のリーク電流
密度は１．５×１０-7Ａ／ｃｍ2 以下であった。さら
に、１５ＶのＤＣストレスを印加しても絶縁破壊は発生
しなかった。
【００７４】（比較例１）図３は、本発明の比較例とし
ての薄膜キャパシタの素子構造を示す断面図である。な
お、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。
ての薄膜キャパシタの素子構造を示す断面図である。な
お、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。
【００７５】まず、単結晶Ｓｉ（（１００）方位）で作
成したＳｉプラグ１０まで完成している基板上に、超高
真空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用いて
第１のバリア層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１を１０ｎ
ｍ堆積した。さらにこの上部に、ＤＣスパッタ装置を用
いてＴｉＮｂ膜３２を８ｎｍ堆積した。（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｎ膜３１はＴｉＡｌ合金ターゲットを用いてＡｒ／Ｎ2
雰囲気で、ＴｉＮｂ膜３２はＴｉＮｂ合金ターゲットを
用いてＡｒ雰囲気でスパッタを行うことにより形成して
いる。
成したＳｉプラグ１０まで完成している基板上に、超高
真空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用いて
第１のバリア層として（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１を１０ｎ
ｍ堆積した。さらにこの上部に、ＤＣスパッタ装置を用
いてＴｉＮｂ膜３２を８ｎｍ堆積した。（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｎ膜３１はＴｉＡｌ合金ターゲットを用いてＡｒ／Ｎ2
雰囲気で、ＴｉＮｂ膜３２はＴｉＮｂ合金ターゲットを
用いてＡｒ雰囲気でスパッタを行うことにより形成して
いる。
【００７６】ＴｉＮｂ膜３２の上部に、熱力学的に安定
な導電性ペロブスカイトバリア層として、Ｓｒ（Ｔｉ，
Ｎｂ）Ｏ3 膜３３を３０ｎｍ堆積した。このときの成膜
雰囲気はＡｒ0.1 Ｐａであるが、酸化物ターゲットから
の酸素によりＴｉＮｂ膜３２は酸化され、アナターゼ構
造の導電性ＴｉＯ2 ：Ｎｂ単層が形成されていることを
Ｘ線回折により確認している。
な導電性ペロブスカイトバリア層として、Ｓｒ（Ｔｉ，
Ｎｂ）Ｏ3 膜３３を３０ｎｍ堆積した。このときの成膜
雰囲気はＡｒ0.1 Ｐａであるが、酸化物ターゲットから
の酸素によりＴｉＮｂ膜３２は酸化され、アナターゼ構
造の導電性ＴｉＯ2 ：Ｎｂ単層が形成されていることを
Ｘ線回折により確認している。
【００７７】導電性ペロブスカイトバリア層３３上に、
ＲＦマグネトロンスパッタを用いて下部電極としてＳｒ
ＲｕＯ3 膜３４を３０ｎｍ、さらにその上に強誘電体薄
膜としてＢＴＯ膜３５を２０ｎｍ、さらにその上に上部
電極としてＳｒＲｕＯ3 膜３６を１００ｎｍ堆積し、強
誘電体キャパシタを作成した。このときの成膜雰囲気
は、ＳｒＲｕＯ3 ，ＢＴＯ共にＡｒ／Ｏ2 雰囲気であ
り、温度は６００℃としている。
ＲＦマグネトロンスパッタを用いて下部電極としてＳｒ
ＲｕＯ3 膜３４を３０ｎｍ、さらにその上に強誘電体薄
膜としてＢＴＯ膜３５を２０ｎｍ、さらにその上に上部
電極としてＳｒＲｕＯ3 膜３６を１００ｎｍ堆積し、強
誘電体キャパシタを作成した。このときの成膜雰囲気
は、ＳｒＲｕＯ3 ，ＢＴＯ共にＡｒ／Ｏ2 雰囲気であ
り、温度は６００℃としている。
【００７８】作成した薄膜キャパシタのＸ線回折を行っ
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１，Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎ
ｂ）Ｏ3 膜３３，ＳｒＲｕＯ3 下部電極３４，ＢＴＯ誘
電体膜３５，ＳｒＲｕＯ3 上部電極３６の全てがエピタ
キシャル成長していることが分かった。
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１，Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎ
ｂ）Ｏ3 膜３３，ＳｒＲｕＯ3 下部電極３４，ＢＴＯ誘
電体膜３５，ＳｒＲｕＯ3 上部電極３６の全てがエピタ
キシャル成長していることが分かった。
【００７９】しかしながら、走査型電子顕微鏡により表
面観察を行ったところ、全面に渡って直径１μｍ程度の
膨れが生じていた。さらに、断面電子顕微鏡観察を行っ
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１とＴｉＯ2 ：Ｎｂと
の界面で膜の剥離が生じていた。次に、この積層膜をリ
ソグラフィー及びエッチング技術によりＳｉプラグまで
キャパシタに加工し、リーク特性を評価したところ、測
定した４００個のキャパシタのうち９９％のキャパシタ
が短絡により測定不可能であった。
面観察を行ったところ、全面に渡って直径１μｍ程度の
膨れが生じていた。さらに、断面電子顕微鏡観察を行っ
たところ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１とＴｉＯ2 ：Ｎｂと
の界面で膜の剥離が生じていた。次に、この積層膜をリ
ソグラフィー及びエッチング技術によりＳｉプラグまで
キャパシタに加工し、リーク特性を評価したところ、測
定した４００個のキャパシタのうち９９％のキャパシタ
が短絡により測定不可能であった。
【００８０】また、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜３１の酸化を抑
えるために、ＳｒＲｕＯ3 下部電極成膜時の温度を５０
０℃に下げてキャパシタを形成したところ、上述したよ
うな表面モフォロジ荒れは観察されなかったものの、Ｘ
線回折の結果、結晶性の指標となるロッキングカーブの
半値幅が、ＳｒＲｕＯ3 （００２）ピークは２．０°、
ＢＴＯ（００２）ピークに関しては１．８°と結晶性が
悪く、良好な強誘電特性が得られなかった。
えるために、ＳｒＲｕＯ3 下部電極成膜時の温度を５０
０℃に下げてキャパシタを形成したところ、上述したよ
うな表面モフォロジ荒れは観察されなかったものの、Ｘ
線回折の結果、結晶性の指標となるロッキングカーブの
半値幅が、ＳｒＲｕＯ3 （００２）ピークは２．０°、
ＢＴＯ（００２）ピークに関しては１．８°と結晶性が
悪く、良好な強誘電特性が得られなかった。
【００８１】このように、ＳｒＲｕＯ3 ／ＢＴＯ／Ｓｒ
ＲｕＯ3 ／ＳｒＴｉＯ3 ：Ｎｂ／ＴｉＯ2 ：Ｎｂ／Ｔｉ
ＡｌＮ／Ｓｉ構造のキャパシタにおいては、下部電極３
４に酸素との結合が弱いＳｒＲｕＯ3 を使用しているた
め、膜質を向上させるために成膜時温度を上げると下地
窒化物バリアメタル層が酸化してモフオロジが荒れると
いう問題があった。また、ＳｒＲｕＯ3 を使わずにＳｒ
（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 層を下部電極にするという方法も考
えられるが、前述したようにＮｂが少ない領域では導電
性が結晶の不完全性や酸素雰囲気に対して不安定であ
る。逆に、Ｎｂが多い場合は格子定数が大きくなってし
まい、上部にＢＴＯをエピタキシャル成長したときに十
分に歪まないため、良好な強誘電特性が得られないとい
う問題がある。
ＲｕＯ3 ／ＳｒＴｉＯ3 ：Ｎｂ／ＴｉＯ2 ：Ｎｂ／Ｔｉ
ＡｌＮ／Ｓｉ構造のキャパシタにおいては、下部電極３
４に酸素との結合が弱いＳｒＲｕＯ3 を使用しているた
め、膜質を向上させるために成膜時温度を上げると下地
窒化物バリアメタル層が酸化してモフオロジが荒れると
いう問題があった。また、ＳｒＲｕＯ3 を使わずにＳｒ
（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3 層を下部電極にするという方法も考
えられるが、前述したようにＮｂが少ない領域では導電
性が結晶の不完全性や酸素雰囲気に対して不安定であ
る。逆に、Ｎｂが多い場合は格子定数が大きくなってし
まい、上部にＢＴＯをエピタキシャル成長したときに十
分に歪まないため、良好な強誘電特性が得られないとい
う問題がある。
【００８２】これに対し先の第１及び第２の実施形態で
は、下部電極にＳｒＮｂＯ3 を用い、且つその下地と製
造条件の最適化によりａ軸長を本来の値よりも短くする
ことによって、ＢＴＯ強誘電体膜のａ軸長を下部電極に
整合して０．５％以上歪ませる（圧縮する）ことがで
き、これにより良好な強誘電性と結晶性を得ることがで
きた。キャパシタに加工しても、大きな残留分極，抗電
圧２．１Ｖの特性が得られ、かつリーク電流も小さくで
き、さらにＤＣストレスに対する耐性も十分大きくでき
た。
は、下部電極にＳｒＮｂＯ3 を用い、且つその下地と製
造条件の最適化によりａ軸長を本来の値よりも短くする
ことによって、ＢＴＯ強誘電体膜のａ軸長を下部電極に
整合して０．５％以上歪ませる（圧縮する）ことがで
き、これにより良好な強誘電性と結晶性を得ることがで
きた。キャパシタに加工しても、大きな残留分極，抗電
圧２．１Ｖの特性が得られ、かつリーク電流も小さくで
き、さらにＤＣストレスに対する耐性も十分大きくでき
た。
【００８３】即ち、下地バリア層との格子不整合を利用
して、熱力学的に極めて安定な導電性ペロブスカイトＳ
ｒＮｂＯ3 の面内格子定数を短くすることで、上部に十
分に歪んだＢＴＯ強誘電体膜をより好ましい成膜条件に
てエピタキシャル成長することができ、良好な強誘電特
性や高い信頼性を持つキャパシタが得られる。
して、熱力学的に極めて安定な導電性ペロブスカイトＳ
ｒＮｂＯ3 の面内格子定数を短くすることで、上部に十
分に歪んだＢＴＯ強誘電体膜をより好ましい成膜条件に
てエピタキシャル成長することができ、良好な強誘電特
性や高い信頼性を持つキャパシタが得られる。
【００８４】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では、表面に立方晶系の
（１００）面が表れているバリア層の例を説明したが、
バリア層は正方晶系の（００１）面が表れているもので
あってもよい。また、下部電極はＳｒＮｂＯ3 に限るも
のではなく、その構成元素の一部が、Ｃａ，Ｂａ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なくとも一種
の元素で置換してあるか、又は構成元素の一部に欠損が
あるものであってもよい。さらに、バリア層は、導電性
ペロブスカイトＡＢＯ3 （Ａはアルカリ土類，希土類か
ら選ばれた少なくとも一種、ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｃｒから選ばれた少なくとも一種）からなるもので
あればよい。
されるものではない。実施形態では、表面に立方晶系の
（１００）面が表れているバリア層の例を説明したが、
バリア層は正方晶系の（００１）面が表れているもので
あってもよい。また、下部電極はＳｒＮｂＯ3 に限るも
のではなく、その構成元素の一部が、Ｃａ，Ｂａ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なくとも一種
の元素で置換してあるか、又は構成元素の一部に欠損が
あるものであってもよい。さらに、バリア層は、導電性
ペロブスカイトＡＢＯ3 （Ａはアルカリ土類，希土類か
ら選ばれた少なくとも一種、ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｃｒから選ばれた少なくとも一種）からなるもので
あればよい。
【００８５】また、本発明の薄膜キャパシタは必ずしも
強誘電体メモリに限るものではなく、各種の半導体回路
の要素デバイスとして使用することが可能である。さら
に、バリア層，下部電極，強誘電体膜等の製法は必ずし
もスパッタに限るものではなく、エピタキシャル成長で
きる方法であればよい。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。
強誘電体メモリに限るものではなく、各種の半導体回路
の要素デバイスとして使用することが可能である。さら
に、バリア層，下部電極，強誘電体膜等の製法は必ずし
もスパッタに限るものではなく、エピタキシャル成長で
きる方法であればよい。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００８６】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、バ
リア層，下部電極，強誘電体層，上部電極を積層したキ
ャパシタ構造において、強誘電体層にＢＴＯを主成分と
するペロブスカイト、下部電極にＳｒＮｂＯ3 を主成分
とする導電性ペロブスカイトを用い、バリア層のａ軸長
Ａｂを強誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且
つ下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅをＡｏ
よりも小さく設定することにより、エピタキシャル成長
時に導入される歪みを利用したＢＴＯ強誘電体薄膜をＳ
ｉ上に良好な膜質で作成し、キャパシタ成膜時及びキャ
パシタ形成後のプロセスにおいて下部電極／バリア層の
界面が劣化することなく、良好な強誘電特性を保持する
ことが可能になる。そして、本発明の強誘電体キャパシ
タとトランジスタをＳｉ基板上に高度に集積することに
より、信頼性の高い超高集積化した強誘電体メモリを作
成することが可能になる。
リア層，下部電極，強誘電体層，上部電極を積層したキ
ャパシタ構造において、強誘電体層にＢＴＯを主成分と
するペロブスカイト、下部電極にＳｒＮｂＯ3 を主成分
とする導電性ペロブスカイトを用い、バリア層のａ軸長
Ａｂを強誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且
つ下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅをＡｏ
よりも小さく設定することにより、エピタキシャル成長
時に導入される歪みを利用したＢＴＯ強誘電体薄膜をＳ
ｉ上に良好な膜質で作成し、キャパシタ成膜時及びキャ
パシタ形成後のプロセスにおいて下部電極／バリア層の
界面が劣化することなく、良好な強誘電特性を保持する
ことが可能になる。そして、本発明の強誘電体キャパシ
タとトランジスタをＳｉ基板上に高度に集積することに
より、信頼性の高い超高集積化した強誘電体メモリを作
成することが可能になる。
【図１】第１の実施形態に係わる薄膜キャパシタの素子
構造を示す断面図。
構造を示す断面図。
【図２】第２の実施形態に係わる薄膜キャパシタの素子
構造を示す断面図。
構造を示す断面図。
【図３】本発明の比較例に係わる薄膜キャパシタの素子
構造を示す断面図。
構造を示す断面図。
【図４】ＢＴＯにおけるａ軸長とｃ軸長との関係を示す
図。
図。
１…Ｓｉ基板 ２…素子分離絶縁膜 ３…ゲート絶縁膜 ４…ゲート電極（ワード線） ５…ｎ型拡散層（ソース・ドレイン領域） ６，８，９…層間絶縁膜 ７…ビット線 １０…Ｓｉプラグ １１，２１…ＴｉＡｌＮ膜（バリア層） １２…ＴｉＮｂ（ＴｉＯ2 ：Ｎｂ）膜（バリア層） １３…ＳｒＴｉＮｂＯ3 膜（バリア層） １４，２４…ＳｒＮｂＯ3 膜（下部電極） １５，２５…ＢａＴｉＯ3（ＢＴＯ）膜（強誘電体膜） １６，２６…ＳｒＲｕＯ3 膜（上部電極） ２２…Ｉｒ膜（バリア層）
フロントページの続き (72)発明者 福島 伸 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 川久保 隆 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5F083 AD22 JA14 JA15 JA36 JA39 JA40 JA43 JA45 MA05 MA06 MA17 PR25
Claims (7)
- 【請求項１】表面に立方晶系の（１００）面，又は正方
晶系の（００１）面が表れているバリア層と、このバリ
ア層上にエピタキシャル成長された下部電極と、この下
部電極上にエピタキシャル成長されたＢａＴｉＯ3 を主
成分とする強誘電体層と、この強誘電体層上に形成され
た上部電極とを具備した薄膜キャパシタにおいて、 前記下部電極がＳｒＮｂＯ3 を主成分とする導電性ペロ
ブスカイトからなり、前記バリア層のａ軸長Ａｂは前記
強誘電体層の本来のａ軸長Ａｏよりも小さく、且つ前記
下部電極のエピタキシャル成長後のａ軸長ＡｅがＡｏよ
りも小さいことを特徴とする薄膜キャパシタ。 - 【請求項２】前記各ａ軸長Ａｂ，Ａｏ，Ａｅが、 Ａｂ／Ａｏ≦０．９９５ Ａｅ／Ａｏ≦０．９９５ の関係式を満足することを特徴とする請求項１記載の薄
膜キャパシタ。 - 【請求項３】前記下部電極の構成元素の一部が、Ｃａ，
Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｒｕから選ばれた少なく
とも一種の元素で置換してあるか、又は構成元素の一部
に欠損があることを特徴とする請求項１記載の薄膜キャ
パシタ。 - 【請求項４】前記バリア層が導電性ペロブスカイトＡＢ
Ｏ3 （Ａはアルカリ土類，希土類から選ばれた少なくと
も一種、ＢはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒから選ばれた
少なくとも一種）からなることを特徴とする請求項１記
載の薄膜キャパシタ。 - 【請求項５】前記バリア層がＩｒ及びＲｈの少なくとも
一方を含む金属膜からなることを特徴とする請求項１記
載の薄膜キャパシタ。 - 【請求項６】前記バリア層の下部が実質的にＴｉＮ，Ｔ
ｉ1-x Ａｌx Ｎから選ばれた一種で形成されていること
を特徴とする請求項１記載の薄膜キャパシタ。 - 【請求項７】トランジスタと薄膜キャパシタからなる半
導体記憶装置において、 前記薄膜キャパシタは、表面に立方晶系の（１００）
面，又は正方晶系の（００１）面が表れているバリア層
と、このバリア層上にエピタキシャル成長されたＳｒＮ
ｂＯ3 を主成分とする導電性ペロブスカイトからなる下
部電極と、この下部電極上にエピタキシャル成長された
ＢａＴｉＯ3 を主成分とする強誘電体層と、この強誘電
体層上に形成された上部電極とを具備してなり、 前記バリア層のａ軸長Ａｂは前記誘電体層の本来のａ軸
長Ａｏよりも小さく、且つ前記下部電極のエピタキシャ
ル成長後のａ軸長ＡｅがＡｏよりも小さいことを特徴と
する半導体記憶装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000267527A JP2002076294A (ja) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | 薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000267527A JP2002076294A (ja) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | 薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002346185A Division JP2003179210A (ja) | 2002-11-28 | 2002-11-28 | 半導体記憶装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002076294A true JP2002076294A (ja) | 2002-03-15 |
Family
ID=18754439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000267527A Pending JP2002076294A (ja) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | 薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002076294A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7033521B2 (en) * | 2002-03-27 | 2006-04-25 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric actuator, ink jet head, and discharge apparatus |
| US7163874B2 (en) | 2003-03-26 | 2007-01-16 | Seiko Epson Corporation | Ferroelectric thin film manufacturing method, ferroelectric element manufacturing method, surface acoustic wave element, frequency filter, oscillator, electronic circuit, and electronic apparatus |
-
2000
- 2000-09-04 JP JP2000267527A patent/JP2002076294A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7033521B2 (en) * | 2002-03-27 | 2006-04-25 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric actuator, ink jet head, and discharge apparatus |
| US7163874B2 (en) | 2003-03-26 | 2007-01-16 | Seiko Epson Corporation | Ferroelectric thin film manufacturing method, ferroelectric element manufacturing method, surface acoustic wave element, frequency filter, oscillator, electronic circuit, and electronic apparatus |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5889299A (en) | Thin film capacitor | |
| JP3188179B2 (ja) | 強誘電体薄膜素子の製造方法及び強誘電体メモリ素子の製造方法 | |
| US5821005A (en) | Ferroelectrics thin-film coated substrate and manufacture method thereof and nonvolatile memory comprising a ferroelectrics thinfilm coated substrate | |
| US6060735A (en) | Thin film dielectric device | |
| US6162293A (en) | Method for manufacturing ferroelectric thin film, substrate covered with ferroelectric thin film, and capacitor | |
| US20010015448A1 (en) | Ferroelectric capacitor and semiconductor device | |
| JP2001085624A (ja) | 薄膜積層体、薄膜キャパシタ、およびその製造方法 | |
| JP3474352B2 (ja) | 薄膜キャパシタ及び半導体装置 | |
| KR20070089638A (ko) | 반도체 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 | |
| JP3595098B2 (ja) | 薄膜キャパシタ | |
| JPH08139292A (ja) | 薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置 | |
| JPH11261028A (ja) | 薄膜キャパシタ | |
| JP2002076294A (ja) | 薄膜キャパシタ及び半導体記憶装置 | |
| KR20010029911A (ko) | 반도체장치 및 그 제조방법 | |
| JPH10214947A (ja) | 薄膜誘電体素子 | |
| JPH1187634A (ja) | 薄膜キャパシタ | |
| JPH11274419A (ja) | 薄膜キャパシタ | |
| JP2003179210A (ja) | 半導体記憶装置 | |
| JP3480767B2 (ja) | 薄膜キャパシタ | |
| JP3347010B2 (ja) | 薄膜誘電体素子 | |
| JPH1093029A (ja) | 薄膜誘電体素子 | |
| JP3085285B2 (ja) | 強誘電体膜の形成方法 | |
| JP3625417B2 (ja) | キャパシタ及びこれを用いた半導体装置 | |
| JP4126093B2 (ja) | 薄膜電子部品 | |
| JP2001250923A (ja) | 誘電体薄膜コンデンサ |