JP2003007979A

JP2003007979A - 強誘電体キャパシタ及びこれを用いた半導体記憶装置

Info

Publication number: JP2003007979A
Application number: JP2001189512A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawakubo; 隆川久保; Kenya Sano; 賢也佐野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶性および強誘電特性に優れた強誘電体キ
ャパシタ及びこれを用いた強誘電体記憶装置を提供す
る。【解決手段】シリコン（１００）基板４１上に、Ｃｏ
Ｓｉ_２などのシリサイド層４２、Ａｇ層４３、Ｉｒ層４
４、導電性ペロブスカイト酸化物からなる下部電極４
５、ペロブスカイト強誘電体層４６、導電性ペロブスカ
イト酸化物からなる上部電極４７が順次積層された強誘
電体キャパシタ及びこれとトランジスタを電気的に接続
した半導体記憶装置。

Description

【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
タ及びこれを用いた半導体記憶装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、記憶媒体として強誘電体薄膜を用
いた記憶装置（強誘電体メモリ）の開発が行われてお
り、一部はすでに実用化されている。強誘電体メモリは
不揮発性メモリであり、電源を落とした後も記憶内容が
失われない。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一つのトランジスタと一つの強
誘電体キャパシタで作成することができるため、メモリ
の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。

【０００４】このような要求が必要な強誘電体材料とし
ては、主としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）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。ジルコン酸鉛とチタン酸鉛がほぼ１：１の
モル比で固溶したものが、自発分極が大きく低い電界で
も反転することができ、記憶媒体として優れていると考
えられている。また、ＰＺＴは、強誘電体相と常誘電体
相の転移温度（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である
１２０℃以下では、記憶された内容が熱によって失われ
る心配は少ないという特徴がある。

【０００５】しかしながら、ＰＺＴは、良質な薄膜の作
成が難しいという問題がある。例えば、ＰＺＴの主成分
である鉛は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。また、ＰＺＴがペロブスカイト
型結晶構造を形成したときにはじ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が特に形成
しにくく、強誘電性を有しないパイロクロアと呼ばれる
結晶構造のほうが容易に得られやすいという問題があ
る。

【０００６】また、ＰＺＴは、シリコンデバイスに応用
した場合には、主成分である鉛がシリコン中へ拡散して
しまいトランジスタの特性を低下させる問題もある。

【０００７】一方、ＰＺＴ以外ではチタン酸バリウム
（ＢａＴｉＯ_３）が代表的な強誘電体として知られてい
る。チタン酸バリウムはＰＺＴと同じくペロブスカイト
型結晶を持ち、キュリー温度は約１２０℃であるが、Ｐ
ｂと比べるとＢａは蒸発しにくいので、チタン酸バリウ
ムは、組成の制御が比較的容易であり薄膜を作製しやす
いという特徴がある。また、チタン酸バリウムが結晶化
した場合は、ペロブスカイト型以外の結晶構造をとるこ
とはほとんどなく安定であるという特徴がある。また、
チタン酸バリウムはＰｂがないのでシリコンデバイスに
応用した場合にもトランジスタの特性を低下させ難いと
いう特徴がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、ＰＺＴ
と比べて組成の制御が比較的容易で安定であるチタン酸
バリウムをシリコン基板上に形成した強誘電体キャパシ
タ及びこれを用いた強誘電体メモリの開発を行ってい
る。

【０００９】メモリの集積度を向上するためにはトラン
ジスタのソース電極及びドレイン電極上或いはその上に
形成した単結晶Ｓｉプラグ上にエピタキシャル導電膜を
直接形成し、さらにその上にほぼ格子整合したエピタキ
シャル強誘電体薄膜を形成する必要がある。その導電膜
(単層ないしは多層膜)には次のような仕様を満足するこ
とが要求される。

【００１０】（１）すべて導電性であること。（２）Ｓ
ｉ（１００）面上にエピタキシャル成長し、強誘電体と
接する下部電極層は、およそ０．４ｎｍの格子定数を持
つこと。（３）導電膜の一部が酸素の拡散に対するバリ
ア性を有し、強誘電体層を成長する際に、下地のＳｉを
酸化させない。すなわち絶縁性のシリコン酸化膜を形成
しないこと。（４）導電膜の一部がＳｉの拡散に対する
バリア性を有し、強誘電体層を成長する際に、下地のＳ
ｉが強誘電体キャパシタ層に拡散してケイ化物などを生
成しないこと。（５）強誘電体キャパシタとして繰り返
し書込み及び読み出しによる疲労劣化を生じないこと。

【００１１】発明者らは、このような導電層としてＴｉ
_ｘＡｌ_１−ｘＮ／Ｐｔ／ＳＲＯの３層からなる導電膜を
開発し、その上に歪んだエピタキシャルＢａＴｉＯ
_３（ＢＴＯ）強誘電体膜を積層し、ベタ膜においては比
較的良好な強誘電特性を確認している。この構造は、第
１層目の窒化膜であるＴｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮ膜がＳｉ基板
からＳｉが強誘電体膜へ拡散するのを防止するバリア膜
となっている。第２層目のＰｔ層は強誘電体膜を成長す
る時の酸素雰囲気から下地であるＳｉ基板へ酸素が拡散
するのを防止するバリア層となっている。第３層目のＳ
ＲＯ膜は疲労特性を良好に保証する下部電極となってい
る。

【００１２】この構造の強誘電体キャパシタは比較的優
れた強誘電特性を有している。しかしながら単結晶ＳＴ
Ｏ基板上にＢＴＯ強誘電体を成長したようなＳＴＯ基板
／ＳＲＯ電極／ＢＴＯ強誘電体／ＳＲＯ電極等の格子整
合系からなる組合せで作製した強誘電体キャパシタの特
性に比較すると、特に強誘電ヒステリシスにおける角型
比や、分極保持特性が劣っている。

【００１３】本発明者らは、その原因を追求した結果、
第１層目のＴｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮ膜は、（１００）Ｓｉ基
板に対して（１００）方位でエピタキシャル成長してい
るものの、ＳｉとＴｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮの間の格子定数が
３０％近くも異なるため、結晶性が悪いことが原因であ
ることが解った。

【００１４】全て格子整合系であるＳＴＯ基板／ＳＲＯ
電極／ＢＴＯ強誘電体／ＳＲＯ電極の組合せで作製した
場合は、結晶性を表すＸ線回折法で測定した配向半値幅
が全て０．２°以下と優れているのに対し、Ｓｉ基板／
Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮ／Ｐｔ／ＳＲＯ電極／ＢＴＯ強誘電
体／ＳＲＯ電極の組合せでは、Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮ膜よ
り上に形成される膜の結晶の配向半値幅が全て１．５°
以上ある。このことが強誘電特性を劣化させる原因であ
ることが分かった。

【００１５】本発明は、このような問題点に鑑みて成さ
れたもので、強誘電体膜を成長する際に、下地のＳｉ基
板が酸化せず、かつＳｉ基板から上部のペロブスカイト
型強誘電体膜にＳｉが拡散せず、かつ結晶性が良好な格
子整合系の組合せを有する強誘電体キャパシタを提供す
ることを目的とする。また、本発明は、このような強誘
電体キャパシタを用いて繰り返し書込み及び読み出しに
よる疲労劣化を生じない、半導体記憶装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に
形成されたＡｇを主成分とする第１の金属膜と、前記第
１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ及び
Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素からなる第２の
金属膜と、前記第２の金属膜上に形成されたペロブスカ
イト型強誘電体薄膜とを具備することを特徴とする強誘
電体キャパシタを提供する。

【００１７】また、本発明は、シリコン基板と、前記シ
リコン基板上に形成されたＡｇを主成分とする第１の金
属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、
Ｐｔ、Ｐｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素
からなる第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形成さ
れたペロブスカイト型酸化物導電膜と、前記ペロブスカ
イト型酸化物導電膜上に形成されたペロブスカイト型強
誘電体薄膜とを具備することを特徴とする強誘電体キャ
パシタを提供する。

【００１８】また、本発明は、シリコン基板と、前記シ
リコン基板上に形成されたＭＳｉ_２（ＭはＮｉ、Ｃｏ及
びＭｎから選ばれる少なくとも１種の元素）膜と、前記
ＭＳｉ_２膜上に形成されたＡｇを主成分とする第１の金
属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、
Ｐｔ、Ｐｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素
からなる第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形成さ
れたペロブスカイト型強誘電体薄膜とを具備することを
特徴とする強誘電体キャパシタを提供する。

【００１９】また、本発明は、シリコン基板と、前記シ
リコン基板上に形成されたからＭＳｉ_２（ＭはＮｉ、Ｃ
ｏ及びＭｎから選ばれる少なくとも１種の元素）膜と、
前記ＭＳｉ_２膜上に形成されたＡｇを主成分とする第１
の金属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒ
ｈ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の
元素からなる第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形
成されたペロブスカイト型酸化物導電膜と、前記ペロブ
スカイト型酸化物導電膜上に形成されたペロブスカイト
型強誘電体薄膜とを具備することを特徴とする強誘電体
キャパシタを提供する。

【００２０】また、本発明は、前記ペロブスカイト型強
誘電体がチタン酸バリウムからなることが好ましい。

【００２１】また、本発明は、前記シリコン基板に形成
された半導体トランジスタを具備し、前記強誘電体キャ
パシタと前記半導体トランジスタとが電気的に接続さ
れ、前記強誘電体薄膜に情報を蓄積可能であることを特
徴とする前記強誘電体キャパシタを用いた半導体記憶装
置。

【００２２】

【発明の実施の形態】先ず、本発明に係る強誘電体キャ
パシタは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成され
たＡｇを主成分とする第１の金属膜と、第１の金属膜上
に形成されたＩｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＡｕから選ば
れる少なくとも１種の元素からなる第２の金属膜と、第
２の金属膜上に形成されたペロブスカイト型強誘電体薄
膜とを具備する。

【００２３】第１の金属膜として用いられるＡｇ或いは
Ａｇ合金は、下地であるシリコン基板からＳｉが上層の
ペロブスカイト型強誘電体薄膜に拡散するのを防ぐバリ
ア層として作用する。Ｓｉに対するバリア層として金属
を検討すると、Ｓｉと反応してシリサイドを生成しない
ことが必要である。Ａｇは融点が少なくとも強誘電体膜
の成膜温度である６００℃以上である。したがって強誘
電体膜を成膜中においても安定でありＳｉと反応しない
ためＳｉが拡散することもない。またＡｇは、ペロブス
カイト系の強誘電体キャパシタがエピタキシャル成長す
るために必要な面心立方格子であり、かつほぼ格子定数
が一致する。Ａｇの格子定数は４．０９オングストロー
ムと、ペロブスカイト系の強誘電体の格子定数３．９〜
４．１オングストロームに極めて近いので、転位等の欠
陥の発生を最小限にすることができ強誘電体薄膜の結晶
性も良好となる。

【００２４】バリア層としての第１の金属膜は、Ａｇを
純金属として使用しても良いし、またＡｇに固溶する金
属元素であるＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｍ
ｎ、Ｔｉ、ＺｎをＡｇの結晶性を損なわず、またＳｉに
対するバリア性を損なわない範囲で添加しても良い。こ
のような金属元素を添加する場合には、Ａｇの硬さが上
昇するなどの効果が見られることがある。ただし添加し
たときの結晶構造はｆｃｃである必要があり、添加量は
全体の２０％程度以内であることが望ましい。また、第
１の金属膜の厚さは薄すぎるとバリア性の効果が低くな
り、厚すぎると生産性が悪くなる。この観点より１０ｎ
ｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。

【００２５】第２の金属膜として用いられるＡｕ、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ及びこれらの合金は、上層のペロ
ブスカイト型強誘電体薄膜から酸素が下地のシリコン基
板に拡散することを防ぐバリア層として作用する。

【００２６】酸素のバリア層として金属を検討すると、
耐酸化性が強く酸化されても導電性があり、かつ融点が
少なくとも強誘電体薄膜の成膜温度である６００℃以上
であり、ペロブスカイト系の強誘電体キャパシタがエピ
タキシャル成長するために結晶系が面心立方格子でほぼ
格子定数が一致する必要がある。これらの条件を満たす
金属元素は、貴金属の中からＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、
Ｒｈが挙げられる。発明者らの実験の結果、これらの中
では特にＩｒ及びＲｈが酸素バリア性に優れていた。こ
れらの金属の格子定数は３．８０オングストロームから
４．０８オングストロームの範囲にあり、やはりペロブ
スカイト系の強誘電体の格子定数３．９オングストロー
ム〜４．１オングストロームに極めて近い。

【００２７】第２の金属膜として、これらの金属を純金
属として使用しても良いし、またＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉ
ｒ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅから選ばれた１種以上の元
素を、結晶性を損なわず、また酸素に対するバリア性を
損なわない範囲で添加しても良い。添加した場合には、
硬さが上昇するなどの効果が見られることがある。ただ
し添加したときの結晶構造はｆｃｃである必要があり、
添加量は全体の２０％程度以内であることが望ましい。

【００２８】また、本発明の強誘電体キャパシタは、第
２の金属膜上に形成されたペロブスカイト型酸化物導電
膜をさらに具備し、このペロブスカイト型酸化物導電膜
上にペロブスカイト型強誘電体薄膜が形成されている。

【００２９】ペロブスカイト型酸化物導電膜を第２の金
属膜とペロブスカイト型強誘電体薄膜との間に形成する
と、強誘電体キャパシタとして繰り返し書込み及び読み
出しによる疲労劣化を生じないようにすることが可能と
なる。このペロブスカイト型酸化物導電膜がない場合、
動作電圧を繰り返し印加したときにペロブスカイト型強
誘電体薄膜の内部に酸素空孔欠陥を作って強誘電特性が
劣化する。ペロブスカイト型酸化物導電膜がペロブスカ
イト型強誘電体薄膜の下地に存在すると酸素をペロブス
カイト型強誘電体薄膜中に供給できるため酸素空孔欠陥
を防ぐことができるためである。特にペロブスカイト型
強誘電体薄膜と同じ結晶構造を持つ、ペロブスカイト型
酸化物導電膜が望ましい。

【００３０】ペロブスカイト型酸化物導電膜としては、
例えばＢａ_ｘＳｒ_ｙＣａ_{１−ｘ−ｙ}ＲｕＯ_３やＢａ_ｘＳ
ｒ_ｙＣａ_{１−ｘ−ｙ}ＭｏＯ_３など、あるいはＢａ_ｘＳｒ
_ｙＣａ_{１−ｘ−ｙ}ＴｉＯ_３にＮｂやＬａをドーピングし
たものが代表的である。また、上層に形成するペロブス
カイト型強誘電体薄膜の格子定数と比較して、ペロブス
カイト型酸化物導電膜の格子定数が若干小さいものを選
択し、両者をエピタキシャル成長することにより、ペロ
ブスカイト型強誘電体薄膜の格子を膜厚方向に歪ませる
ことができ、強誘電性を人工的に増強することが可能に
なる。この場合の歪量として、２％以上であることが望
ましい。このような組合せとしては、ペロブスカイト型
酸化物導電膜としてＳｒＴｉＯ_３と、ペロブスカイト型
強誘電体薄膜としてＢａ_ｘＳｒ_１−ｘＴｉＯ_３とがあ
る。

【００３１】なお、ペロブスカイト型強誘電体薄膜のエ
ピタキシャル成長後の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Ｃｏが、下記の関係式を満足
するように形成すると、強誘電特性が向上するために好
ましい。

【００３２】Ｃｅ／Ｃｏ＞１．０２また、ペロブスカイト型強誘電体材料として、ＡＢＯ_３
の組成式で表される材料があげられる。Ａとしては主と
してＢａからなり、その一部をＳｒあるいはＣａのうち
少なくとも１種類の元素で置換しても構わない。Ｂとし
て、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｈｆなどおよびそれらの固溶
系、さらにはＭｇ_１／３Ｔａ_２／３、Ｍｇ _１／３Ｎｂ
_２／３、Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３、Ｚｎ_１／３Ｔａ_２／３
などの複合酸化物およびそれらの固溶系を使用すること
ができる。

【００３３】また、ペロブスカイト型導電性酸化膜とし
て、ルテニウム酸ストロンチウム、モリブデン酸ストロ
ンチウムや、チタン酸ストロンチウムの一部をニオブや
ランタンで置換したものなどを使用することができる。

【００３４】また、本発明に係る強誘電体キャパシタ
は、シリコン基板上に形成されたＭＳｉ_２（ＭはＮｉ、
Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくとも１種の元素）膜と
をさらに具備し、ＭＳｉ_２膜上に形成されたＡｇを主成
分とする第１の金属膜と、第１の金属膜上に形成された
Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＡｕから選ばれる少なくと
も１種の元素からなる第２の金属膜と、第２の金属膜上
に形成されたペロブスカイト型強誘電体薄膜とを具備す
る。

【００３５】本発明者らは、シリコン基板と、第１の金
属膜であるＡｇ或いはＡｇ合金層との間の格子整合性に
ついてさらに詳細な検討を行なった。この結果、シリコ
ン基板の（１００）面の格子定数にほぼ一致したシリサ
イド層を、シリコン基板上にエピタキシャル成長させた
後にＡｇ或いはＡｇ合金からなる第１の金属膜をエピタ
キシャル成長することが良いことが分かった。

【００３６】Ａｇ或いはＡｇ合金は、Ｓｉの拡散を防ぐ
ためのバリア性に優れてはいるが、シリコン基板上に直
接エピタキシャル成長させることは困難である。発明者
らは、シリコン基板上に、先ずシリコンと格子整合する
シリサイド層をエピタキシャル成長し、その上に第１の
金属膜を結晶性良くエピタキシャル成長させることがよ
り強誘電体キャパシタの特性を向上させることを見出し
た。

【００３７】シリコンの（１００）面と格子整合するシ
リサイドとして、ＮｉＳｉ_２やＣｏＳｉ_２が挙げられ
る。ＮｉＳｉ_２やＣｏＳｉ_２の格子定数と、Ａｇの格子
定数は３０％程度の違いがある。しかしながら以下に示
すようにＮｉＳｉ_２やＣｏＳｉ _２の格子定数を１／√２
倍するとＡｇの格子定数とほぼ一致することから、Ａｇ
の格子を面内で４５度回転させることで格子整合する関
係になることが分かる。方位関係でいえばＮｉＳｉ
_２（００１）／／Ａｇ（００１）、ＮｉＳｉ_２＜１１０
＞／／Ａｇ＜１００＞で格子整合する。Ｓｉ立方晶（ダイヤモンド構造）格子定数０．
５４３ｎｍＮｉＳｉ_２立方晶（ＣａＦ_２）格子定数０．５４１ｎ
ｍ、格子定数／√２＝０．３８３ｎｍＣｏＳｉ_２立方晶（ＣａＦ_２）格子定数０．５４１ｎ
ｍ、格子定数／√２＝０．３８３ｎｍＡｇ立方晶（ｆｃｃ）格子定数０．４０９ｎｍこのようにＮｉやＣｏのシリサイドを使用することによ
り、Ｓｉとは１：１の格子関係でエピタキシャル成長が
可能であり、またその上のＡｇに対しては√２：１の格
子関係でエピタキシャル成長が可能になる。したがっ
て、非常に良質な膜質の、例えばロッキングカーブの半
値幅が０．１°以下で、非常に平坦なエピタキシャル膜
をＳｉ基板上に積層することが可能になる。

【００３８】なお、エピタキシャル・シリサイド膜の作
成方法として、いくつかの方法が知られているが、シリ
コン（１００）基板上にＣｏＳｉ_２を形成する場合、例
えば６００℃程度に昇温したシリコン基板上にスパッ
タ、熱蒸着、レーザ蒸着などの方法でＣｏ或いはＣｏと
Ｓｉを小さな成膜速度で供給しながら反応させてエピタ
キシャル・シリサイド膜を形成する方法が適している。

【００３９】また、シリコン（１００）基板上にＮｉＳ
ｉ_２を形成する場合、室温でシリコン基板上にスパッ
タ、熱蒸着、レーザ蒸着などの方法でＮｉとＳｉを数ｎ
ｍ程度成膜し、シリコン基板を加熱して反応によりエピ
タキシャル・シリサイド膜を形成する方法が適してい
る。

【００４０】以下図面を用いて本発明に係る強誘電体キ
ャパシタ及びこれを用いた強誘電体メモリの実施形態に
ついて詳細に説明する。

【００４１】先ず、図１は、本発明の第１の実施形態に
係る強誘電体キャパシタの断面図である。

【００４２】図１に示すように、この強誘電体キャパシ
タは、シリコン（１００）基板４１上にシリサイド膜と
してＣｏＳｉ_２（１００）層４２が形成されている。こ
のＣｏＳｉ_２層４２上には、第１の金属膜としてＡｇ
（１００）層４３が形成されている。このＡｇ層４３上
には、第２の金属膜としてＩｒ（１００）層４４が形成
されている。このＩｒ層４４上には、ペロブスカイト型
酸化物導電膜としてＳｒＲｕＯ_２（ＳＲＯ）（１００）
下部電極４５が形成されている。このＳＲＯ下部電極４
５上には、ペロブスカイト型強誘電体薄膜としてＢａＴ
ｉＯ_２（ＢＴＯ）（００１）強誘電体膜４６が形成され
ている。このＢＴＯ強誘電体膜４６上には、ペロブスカ
イト型酸化物導電膜としてＳｒＲｕＯ_２（ＳＲＯ）（１
００）上部電極４７が形成されている。

【００４３】この強誘電体キャパシタは、シリコン（１
００）基板４１（格子定数０．５４３ｎｍ）の表面に、
ＲＦマグネトロンスパッタ法により基板温度６００℃
で、順にＣｏＳｉ_２層４２（立方晶：格子定数０．５３
７６ｎｍ）、Ａｇ層４３（立方晶：格子定数０．４０９
ｎｍ）、Ｉｒ層４４（立方晶：格子定数０．３８４ｎ
ｍ）、ＳｒＲｕＯ_３下部電極４５（擬立方晶：格子定数
０．３９１ｎｍ）、ＢａＴｉＯ_３強誘電体膜４６（正方
晶：ａ軸格子定数０．３９９ｎｍ、ｃ軸格子定数０．４
０３ｎｍ）、ＳｒＲｕＯ_３上部電極４７をエピタキシャ
ル成長させて形成した。

【００４４】ＣｏＳｉ_２層４２は、Ｃｏターゲットを用
いてＡｒ雰囲気で、０．０１ｎｍ／ｓの速度でＣｏを供
給することにより、シリコン基板４１と反応させて形成
した。Ａｇ層４３は、Ａｇターゲットを用いてＡｒ雰囲
気で成膜した。Ｉｒ層４４は、Ｉｒターゲットを用いて
Ａｒ雰囲気で成膜した。ＳＲＯ層４５、４７及びＢＴＯ
層４６は酸化物ターゲットを用いてＡｒ：Ｏ_２＝４：１
の雰囲気中で成膜した。

【００４５】Ｘ線回折によりＣｏＳｉ_２層４２、Ａｇ層
４３、Ｉｒ層４４、ＳＲＯ層４５及び４７、ＢＴＯ層４
６ともにシリコン基板４１面に対して（００１）方位で
エピタキシャル成長していることが確かめられた。ただ
し面内の方位関係は、Ｓｉ基板４１＜１００＞／／Ｃｏ
Ｓｉ_２層４２＜１００＞／／Ａｇ層４３＜１１０＞／／
Ｉｒ層４４＜１１０＞／／ＳＲＯ層４５＜１１０＞／／
ＢＴＯ層４６＜１１０＞／／ＳＲＯ層４７＜１１０＞で
あり、Ａｇ層４３以上に形成された層はＳｉ基板４１に
対して４５度面内に回転した関係であった。

【００４６】またＢＴＯ層４６のｃ軸長は０．４２９ｎ
ｍとバルクのＢＴＯ結晶のｃ軸長に比較して約７％伸び
ていた。また、各成長層の（００２）ピークのロッキン
グカーブを測定して半値幅を測ったところ、ＣｏＳｉ_２
層４２が０．２°、Ａｇ層４３が０．３°、Ｉｒ層４４
が０．３°、ＳＲＯ層４５、４７が０．４°、ＢＴＯ層
４６が０．４°と結晶性が大幅に向上している。

【００４７】次に、この積層膜のＳＲＯ上部電極４７を
リソグラフィー及びドライエッチング技術により５０ｍ
ｍ□の大きさに加工した強誘電体キャパシタの分極保持
特性を測定したところ、室温では分極値は全く減少せ
ず、８５℃においても外挿すると初期の分極値の半分以
下になる時間が１０年以上であることが確かめられた。

【００４８】このようにＳｉ基板４１上に、先ず格子整
合系の金属であるＣｏＳｉ_２膜を直接形成して結晶性の
良いエピタキシャル膜を得、その上にＡｇ層４３／Ｉｒ
層４４／ＳＲＯ層４５／ＢＴＯ層４６／ＳＲＯ層４７を
積層した構造の強誘電体キャパシタにおいては、誘電体
膜の結晶性も優れているとともに、強誘電分極の保持特
性が大幅に優れていることが実証された。

【００４９】次に、図２は、本発明の第２の実施形態に
係る強誘電体キャパシタの断面図である。

【００５０】図２に示すように、この強誘電体キャパシ
タは、シリコン（１００）基板５１（格子定数０．５４
３ｎｍ）上にシリサイド膜としてＮｉＳｉ_２（１００）
層５２（立方晶：格子状数０．５４１ｎｍ）が形成され
ている。このＮｉＳｉ_２層５２上には、第１の金属膜と
してＡｇ（１００）層５３が形成されている。このＡｇ
層４３上には、第２の金属膜としてＲｈ（１００）層５
４が形成されている。このＲｈ層５４上には、ペロブス
カイト型酸化物導電膜としてＳｒ（Ｔｉ_０．８Ｎｂ
_０．２）Ｏ_３（１００）下部電極５５が形成されてい
る。このＳｒ（Ｔｉ_０ _．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３（１００）
下部電極５５上には、ペロブスカイト型強誘電体薄膜と
してＢａＴｉＯ_２（ＢＴＯ）（００１）強誘電体膜５６
が形成されている。このＢＴＯ強誘電体膜５６上には、
ペロブスカイト型酸化物導電膜Ｓｒ（Ｔｉ_０．８Ｎｂ
_０．２）Ｏ_３（１００）上部電極５７が形成されてい
る。

【００５１】この強誘電体キャパシタは、先ず、シリコ
ン（１００）基板５１（格子定数０．５４３ｎｍ）の表
面に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により室温で、３ｎ
ｍの厚さでＮｉＳｉ_２層５２（立方晶：格子定数０．５
３７６ｎｍ）を成膜する。次に基板温度を６００℃に上
げて、ＮｉＳｉ_２層５２をエピタキシャル固相成長させ
る。次にＲＦマグネトロンスパッタ法によりＡｒ雰囲気
中、基板温度６００℃で、Ａｇ層５３（立方晶：格子定
数０．４０９ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。同様
に、ＲＦマグネトロンスパッタ法によりＡｒ雰囲気中、
基板温度６００℃で、Ｒｈ層５４（立方晶：格子定数
０．３８４ｎｍ）をエピタキシャル成長させる。次に、
ＲＦマグネトロンスパッタ法によりＡｒ雰囲気中、基板
温度５５０℃で、Ｓｒ（Ｔｉ_０．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３
下部電極５５（立方晶：格子定数０．３９３ｎｍ）、Ｂ
ａＴｉＯ_３強誘電体膜５６（正方晶：ａ軸格子定数０．
３９９ｎｍ、ｃ軸格子定数０．４０３ｎｍ）、Ｓｒ
（Ｔｉ_０．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３上部電極５７をエピタキ
シャル成長させて形成した。

【００５２】Ｘ線回折によりＮｉＳｉ_２層５２、Ａｇ層
５３、Ｒｈ層５４、Ｓｒ（Ｔｉ_０ _．８Ｎｂ_０．２）Ｏ
_３層５５及び５７、ＢＴＯ層５６ともに基板面に対して
（００１）方位でエピタキシャル成長していることが確
かめられた。ただし面内の方位関係は、Ｓｉ基板５１＜
１００＞／／ＮｉＳｉ_２層５２＜１００＞／／Ａｇ層５
３＜１１０＞／／Ｒｈ層５４＜１１０＞／／Ｓｒ（Ｔ
ｉ_０．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３層５５＜１１０＞／／ＢＴＯ
層５６＜１１０＞／／Ｓｒ（Ｔｉ_０．８Ｎｂ _０．２）
Ｏ_３層５７＜１１０＞であり、Ａｇ層５３以上に形成さ
れた層はＳｉ基板５１に対して４５度面内に回転した関
係であった。

【００５３】またＢＴＯ層５６のｃ軸長は０．４３０ｎ
ｍとバルクのＢＴＯ結晶のｃ軸長に比較して約８％伸び
ていた。また、各成長層の（００２）ピークのロッキン
グカーブを測定して半値幅を測ったところ、ＮｉＳｉ_２
層５２が０．２°、Ａｇ層５３が０．３°、Ｒｈ層５４
が０．３°、Ｓｒ（Ｔｉ_０．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３層５
５、５７が０．５°、ＢＴＯ層５６が０．５°と結晶性
が大幅に向上している。

【００５４】次に、この積層膜のＳｒ（Ｔｉ_０．８Ｎｂ
_０．２）Ｏ_３上部電極をリソグラフィー及びドライエッ
チング技術により５０ｍｍ□の大きさに加工した強誘電
体キャパシタの分極保持特性を測定したところ、室温で
は分極値は全く減少せず、８５℃においても外挿すると
初期の分極値の半分以下になる時間が１０年以上である
ことが確かめられた。

【００５５】このようにＳｉ基板５１上に、先ず格子整
合系の金属であるＮｉＳｉ_２膜５２を直接形成して結晶
性の良いエピタキシャル膜を得、その上に４５°の面内
回転で整合するＡｇ層５３／Ｒｈ層５４／Ｓｒ（Ｔｉ
_０．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３層５５／ＢＴＯ層５６／Ｓｒ
（Ｔｉ_０．８Ｎｂ_０．２）Ｏ_３層５７を積層した構造の
強誘電体キャパシタにおいては、誘電体膜の結晶性も優
れているとともに、強誘電分極の保持特性が大幅に優れ
ていることが実証された。

【００５６】次に、図１及び図２で説明した強誘電体キ
ャパシタをＳｉ基板上に形成したトランジスタと接続し
て作成した半導体メモリ素子の一つである強誘電体メモ
リ（ＦＲＡＭ）について述べる。

【００５７】図３及び図４は、このようなＦＲＡＭ用メ
モリセルの工程順模式断面図である。

【００５８】先ず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板
１に素子間分離絶縁膜３を形成する。次に、シリコン基
板１上にゲート酸化膜４を形成する。次に、ゲート酸化
膜４上にゲート電極８及び素子間分離絶縁膜３上にワー
ド線５をポリシリコンにより形成する。

【００５９】次に、ゲート電極４及びワード線５の側壁
に側壁絶縁膜１００をＣＶＤにより形成する。このとき
ゲート電極４上及びワード線５上には酸化膜９が形成さ
れる。次に、このゲート電極８及びワード線５及びこれ
らの側壁に形成された側壁絶縁膜１００をマスクにして
セルフアラインメントにイオンインプラしアニールして
不純物拡散層２を形成する。このようにしてトランジス
タ部が形成される。

【００６０】このトランジスタ部のドレイン領域２上に
単結晶シリコン層６を選択エピタキシャル成長する。こ
の工程は、シリコン基板１上の電極にトランジスタ作製
時に用いるＲＩＥ工程で生じた表面の損傷層を取り除く
ため、フッ化水素蒸気によりエッチングした後に、その
まま真空中でＣＶＤ室に搬送し、０．１Ｐａの圧力でＳ
ｉＨ_４ガスとドナーとして加えた０．０１Ｐａの圧力で
ＡｓＨ_３ガスを使用して７５０℃で選択エピタキシャル
成長を行った。次に、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法に
より平坦化する。

【００６１】次に、図３（ｂ）に示すように、単結晶
シリコン層６にＣＭＰ工程で生じた表面の損傷層を取り
除くため、フッ化水素蒸気によりエッチングする。この
後、単結晶シリコン層６上に、ＣｏＳｉ_２層１２を反応
性スパッタ法により６００℃で作成する。この上に引き
続きＡｇ層１３を、Ａｇターゲットを使用してＡｒ雰囲
気中でスパッタ法により６００℃で成膜する。この上に
引き続きＩｒ層１４をスパッタ法により６００℃で成膜
する。この上に引き続きＳＲＯ層１５を、セラミックタ
ーゲットを使用してスパッタ法により６００℃で５０ｎ
ｍの厚さに成膜する。この上に引き続きＢＴＯ層１６
を、セラミックターゲットを使用してスパッタ法により
６００℃で４０ｎｍの厚さに成膜する。この上に引き続
きＳＲＯ層１７を、セラミックターゲットを使用してス
パッタ法により６００℃で５０ｎｍの厚さに成膜する。

【００６２】このとき単結晶シリコン層６の上には、Ｃ
ｏＳｉ_２層１２、Ａｇ層１３、Ｉｒ層１４、ＳＲＯ下部
電極１５、ＢＴＯ強誘電体膜１６、ＳＲＯ上部電極１７
の全てがエピタキシャル成長を生じて単結晶になった。
ただしワード線５上に形成された絶縁膜９上は全て多結
晶として成長した。

【００６３】次に、図４（ａ）に示すように、リソグラ
フィー及びＲＩＥ法により、ＳＲＯ上部電極１７のパタ
ーニングを行なう。引き続きＢＴＯ強誘電体膜１６のパ
ターニングを行なう。さらにＣｏＳｉ_２層１２、Ａｇ層
１３、Ｉｒ層１４、ＳＲＯ下部電極１５のパターニング
を一括して行なう。このようにＳＲＯ上部電極１７とＳ
ＲＯ下部電極１５とを別にパターニングしてひな壇形状
にすることで絶縁性を向上させることができる。

【００６４】次に、図４（ｂ）に示すように、パターニ
ングした溝内にＴＥＯＳを原料ガスとして使用したプラ
ズマＣＶＤ法により酸化シリコン絶縁膜７を埋め込み、
ＣＭＰ法により平坦化を行った。その後既知のパターニ
ングや成膜法により、プレート電極２０、ビット線コン
タクト２１、ビット線２２などを作成した。

【００６５】このような工程で作成した後、Ｘ線回折装
置により膜方位を測定したところ、ＣｏＳｉ_２層１２、
Ａｇ層１３、Ｉｒ層１４、ＳＲＯ下部電極１５、ＢＴＯ
強誘電体膜１６、ＳＲＯ上部電極１７の全てが（００
１）方位にエピタキシャル成長していることが確かめら
れ、またＢＴＯ膜の膜厚方向の格子定数は０．４３４ｎ
ｍと大きく伸びていた。また、形成した強誘電体薄膜キ
ャパシタの誘電特性を測定したところ、残留分極量とし
て５５μＣ／ｃｍ^２と大きな値が得られた。また分極の
保持特性も８５℃で１０年以上あることが確かめられ
た。この強誘電体膜を使用したキャパシタによりＦＲＡ
Ｍの動作が確認された。

【００６６】本発明では、ペロブスカイト型強誘電体材
料としてはチタン酸バリウムに限らず、シリコンの拡散
により特性が害されるもの、酸素等シリコンと結合して
絶縁物を構成してしまうものに対して有効である。

【００６７】また、強誘電体キャパシタは、強誘電体メ
モリをはじめ、焦電センサ用のキャパシタ、圧電アクチ
ュエータ等の用途にももちろん好適である。

【００６８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、シ
リコン基板上に非常に誘電特性の優れた強誘電体キャパ
シタを提供できる。またこの信頼性の高い強誘電体キャ
パシタを用いた半導体記憶装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態にかかる強誘電キャ
パシタの断面図。

【図２】本発明の第２の実施形態にかかる強誘電キャ
パシタの断面図。

【図３】本発明のＦＲＡＭメモリセルの工程断面図。

【図４】本発明のＦＲＡＭメモリセルの工程断面図。

【符号の説明】

４１・・・シリコン基板４２・・・ＣｏＳｉ_２層４３・・・Ａｇ層４４・・・Ｉｒ層４５・・・ＳＲＯ下部電極４６・・・ＢＴＯ強誘電体膜４７・・・ＳＲＯ上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F083 FR02 JA13 JA35 JA38 JA39 JA43 JA45 MA06 MA18 PR03 PR22 PR25 PR40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたＡｇを主成分とする第
１の金属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素からなる
第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形成されたペロブスカイト型強誘
電体薄膜とを具備することを特徴とする強誘電体キャパ
シタ。
【請求項２】シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたＡｇを主成分とする第
１の金属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素からなる
第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形成されたペロブスカイト型酸化
物導電膜と、前記ペロブスカイト型酸化物導電膜上に形成されたペロ
ブスカイト型強誘電体薄膜とを具備することを特徴とす
る強誘電体キャパシタ。
【請求項３】シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたＭＳｉ_２（ＭはＮｉ、
Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくとも１種の元素）膜
と、前記ＭＳｉ_２膜上に形成されたＡｇを主成分とする第１
の金属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素からなる
第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形成されたペロブスカイト型強誘
電体薄膜とを具備することを特徴とする強誘電体キャパ
シタ。
【請求項４】シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたからＭＳｉ_２（ＭはＮ
ｉ、Ｃｏ及びＭｎから選ばれる少なくとも１種の元素）
膜と、前記ＭＳｉ_２膜上に形成されたＡｇを主成分とする第１
の金属膜と、前記第１の金属膜上に形成されたＩｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ及びＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素からなる
第２の金属膜と、前記第２の金属膜上に形成されたペロブスカイト型酸化
物導電膜と、前記ペロブスカイト型酸化物導電膜上に形成されたペロ
ブスカイト型強誘電体薄膜とを具備することを特徴とす
る強誘電体キャパシタ。
【請求項５】前記ペロブスカイト型強誘電体がチタン酸
バリウムからなることを特徴とする請求項１乃至請求項
４のいずれか一項に記載の強誘電体キャパシタ。
【請求項６】前記シリコン基板に形成された半導体トラ
ンジスタを具備し、前記強誘電体キャパシタと前記半導
体トランジスタとが電気的に接続され、前記強誘電体薄
膜に情報を蓄積可能であることを特徴とする請求項１乃
至請求項５のいずれかから選ばれる強誘電体キャパシタ
を用いた半導体記憶装置。