JP2007043166A - 多層下部電極及び多層上部電極を含む強誘電体構造物及びそれの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】向上された特性を有する強誘電体構造物及びそれの製造方法が開示される。
【解決手段】第１金属酸化物を用いて第１下部電極膜を形成した後、第１下部電極膜上に第２下部電極膜を形成する。第２下部電極膜は、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を用いて形成される。第２下部電極膜上に強誘電体層を形成した後、強誘電体層上に第２金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成する。第１上部電極膜上に第２合金を用いて第２上部電極膜を形成する。第１上部膜及び第２上部電極膜を含む強誘電体構造物の分極またはデータ保持力の向上、疲労抵抗の増加、センシングマージンの増加などのように強誘電的及び電気的特性を大きく改善することができ、このような強誘電体構造物を有する強誘電体キャパシタの強誘電体的及び電気的特性を著しく向上させることができる。
【選択図】図３
【解決手段】第１金属酸化物を用いて第１下部電極膜を形成した後、第１下部電極膜上に第２下部電極膜を形成する。第２下部電極膜は、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を用いて形成される。第２下部電極膜上に強誘電体層を形成した後、強誘電体層上に第２金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成する。第１上部電極膜上に第２合金を用いて第２上部電極膜を形成する。第１上部膜及び第２上部電極膜を含む強誘電体構造物の分極またはデータ保持力の向上、疲労抵抗の増加、センシングマージンの増加などのように強誘電的及び電気的特性を大きく改善することができ、このような強誘電体構造物を有する強誘電体キャパシタの強誘電体的及び電気的特性を著しく向上させることができる。
【選択図】図３
Description
本発明は、強誘電体構造物及びそれの製造方法に関わり、より詳細には、本発明は改善された強誘電的及び電気的特性を有する強誘電体構造物及びそれの製造方法に関する。
一般的に、半導体メモリ装置は、大きく揮発性半導体メモリ装置と不揮発性半導体メモリ装置に区分することができる。揮発性半導体メモリ装置はＤＲＡＭ装置やＳＲＡＭ装置のように電源供給が中断された場合に保存されたデータが喪失するメモリ装置である。これに対し、ＥＰＲＯＭ装置、ＥＥＰＲＯＭ、及びフラッシュメモリ装置などの不揮発性半導体メモリ装置は、電源供給が中断されても保存されたデータを喪失しない装置である。前記揮発性メモリ装置の場合、データの揮発性によって使用に制限があり、前記不揮発性半導体メモリ装置の場合にもその集積度が低く、動作速度が遅く、高電圧を必要とする短所によってその使用が制限的である。前述した問題点を解決するために、強誘電性物質を用いた半導体メモリ装置に対する研究が活発に進行しつつある。
ＰＺＴ［Ｐｔ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）またはＢＬＴ［（Ｂｉ，Ｌａ）ＴｉＯ３］などのような強誘電体は、印加される電界によって発生した分極が電界が除去された後にも残存し、このような分極の配列方向を印加される電界の方向に沿って変化させることができる物質を示す。前記強誘電体を用いたＦＲＡＭ装置は強誘電体の二重安定的な分極状態を用いた不揮発性半導体装置に属する。前記ＦＲＡＭ装置はＤＲＡＭ装置の誘電体を強誘電体に代替した構造を有することができ、電源が持続的に印加されなくても保存された情報を維持する特性を有する。また、前記ＦＲＡＭ装置は速い動作速度、低電圧における動作及び高い耐久性によって次世代不揮発性半導体メモリ装置として注目を浴びている。現在、強誘電性物質としてＰＺＴ［Ｐｔ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］、ＳＢＴ[Ｓｒ（Ｂｉ，Ｔｉ）Ｏ３]またはＢＬＴ［Ｂｉ（Ｌａ，Ｔｉ）Ｏ３］などが活発に研究されている。
前述した強誘電体を含む強誘電体キャパシタは、特許文献１、特許文献２、特許文献３、Ｙａｍａｋａｗａなどに許与された特許文献４、またはＦｕｊｉｋｉなどに許与された特許文献５に開示されている。
図１は、前記特許文献２に開示した強誘電体キャパシタの断面図を示したものである。
図１を参照すると、従来の強誘電体キャパシタ６０は、熱酸化膜１０を有する半導体基板５上に形成される。強誘電体キャパシタ６０は、下部電極２５、強誘電体層４５、及び上部電極５７を含む。
図１を参照すると、従来の強誘電体キャパシタ６０は、熱酸化膜１０を有する半導体基板５上に形成される。強誘電体キャパシタ６０は、下部電極２５、強誘電体層４５、及び上部電極５７を含む。
下部電極２５は、熱酸化膜１０上に形成された第１イリジウム酸化物（ＩｒＯｘ）層１５とイリジウム酸化物層１５上に形成された白金（Ｐｔ）層２０を具備する。下部電極２５は、熱酸化膜１０より小さい面積に形成される。
強誘電体層４５は、白金層２０上に順次形成された第１乃至第３ＰＺＴ系物質層（３０、３５、４０）を含む。第１乃至３ＰＺＴ系物質層（３０、３５、４０）は、それぞれスピンコーティング工程及び熱分解工程を通じて白金層２０上に順序に積層される。強誘電体層４５は、下部電極２５より小さい面積を有する。
強誘電体層４５上に形成された上部電極５７は、ストロンチウムルテニウム酸化物（ＳｒＲｕＯ３；ＳＲＯ）層５０及び第２イリジウム酸化物層５５を含む。ストロンチウムルテニウム酸化物層５０と第２イリジウム酸化物層５５は、強誘電体層４５と同一の面積に形成される。上部電極５７は、主にスパッタリング工程を用いて形成される。ストロンチウムルテニウム酸化物層５０の結晶性を向上させると共に前記スパッタリング工程の期間に発生した損傷をキュアリングするために、上部電極５７に対して約６００℃の温度にて約１分間熱処理工程を行う。
図２は、図１に示した従来のキャパシタの上部電極に対する熱温度によるストレスを示すグラフである。図２において、“○”は第２イリジウム酸化物層５５とＰＺＴ系強誘電体層４５との間に発生するストレスを示し、“△”は第２イリジウム酸化物層５５とストロンチウムルテニウム酸化物層５０との間に発生するストレスを示す。
前述した従来の強誘電体キャパシタにおいて、図２に示したように約６００℃の温度にて上部電極５７を熱処理する間、第２イリジウム酸化物層５５は、非常に強い圧縮応力を受けるようになる。したがって、第２イリジウム酸化物層５５の下部のストロンチウムルテニウム酸化物層５０とＰＺＴ系強誘電体層４５は、相対的に大きい引張応力を受ける。このように、ストロンチウムルテニウム酸化物層５０及びＰＺＴ系強誘電体層４５に強い引張応力が発生した場合には、ストロンチウムルテニウム酸化物層５０とＰＺＴ系強誘電体層４５との間に酸素欠損の拡散などによる欠陥が発生する。これによって、ＰＺＴ系強誘電体層４５と上部電極５７との間に強誘電的特性を有しない界面層が形成される。一般的に、デッドレイヤー（ｄｅａｄ ｌａｙｅｒ）ともいう前記界面層が上部電極５７とＰＺＴ系強誘電体層４５との間に形成される場合、強誘電体キャパシタ６０の疲労特性の低下及びデータ保持特性の減少などのような強誘電的特性が劣化するという問題が発生する。また、前記界面層を通じて漏洩電流が発生することによって、強誘電体キャパシタ６０の電気的な特性も低下する問題が発生する。
大韓民国公開特許第１９９８−２８５８７号
大韓民国公開特許第２００３−４５６３１号
特開２００２−２７０７８５号公報
米国特許第６，３５１，００６号明細書
米国特許第６，１９４，２２８号明細書
本発明の目的は、改善された強誘電的及び電気的特性を有する強誘電体構造物及びそれの製造方法を提供することにある。
前述した本発明の目的を達成するために、本発明の望ましい実施例による強誘電体構造物は、第１下部電極膜及び第２下部電極膜を有する下部電極、強誘電体層、及び、第１上部電極膜及び第２上部電極膜を有する上部電極を含む。前記第１下部電極膜は、第１金属窒化物を含み、前記第２下部電極膜は、前記第１下部電極膜上に形成され、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を含む。例えば、前記第１下部電極膜は、チタニウム窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物、チタニウムシリコン窒化物またはタンタルシリコン窒化物を含む。これらは単独または混合して用いることができる。前記第２下部電極膜は、イリジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物またはイリジウムルテニウム合金を含む。例えば、前記第２下部電極膜は、前記第１金属、第１金属酸化物または前記第１合金で構成された単一膜の構造を有することができる。また、前記第２下部電極膜は、前記第１金属酸化物／前記第１金属で構成された二重膜構造を有することができる。前記強誘電体層は、前記第２下部電極膜上に形成される。例えば、前記誘電体層は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、またはＢＳＴのような強誘電性物質を含む。また、前記強誘電体層は、カルシウム、ランタン、マンガン、またはビスマスがドープされた強誘電性物質を含むことができる。前記第１上部電極膜は、前記強誘電体層上に形成され、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、またはカルシウムルテニウム酸化物を含む。前記第２上部電極膜は、前記第１上部電極膜上に形成され、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、または白金パラジウム合金を含む。例えば、前記第２上部電極膜は、約３０〜５０原子量％のイリジウム及び約５０〜７０原子量％のルテニウムを含有するイリジウムルテニウム合金を含む。前記第１下部電極膜の下には、第２金属または第２金属窒化物を含む接着層を更に形成することができる。例えば、前記接着層は、チタニウム、タンタル、アルミニウム、タングステン、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物、またはタングステン窒化物を含む。
また、前述した本発明の目的を達成するために、本発明の望ましい実施例による強誘電体構造物の製造方法において、第１金属酸化物を用いて第１下部電極膜を形成した後、前記第１下部電極膜上に第２下部電極膜を形成する。前記第２下部電極膜は、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を用いて形成される。前記第２下部電極膜上に強誘電体層を形成した後、前記強誘電体層上に第２金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成する。続けて、前記第１上部電極膜上に第２合金を用いて第１上部電極膜を形成する。例えば、前記第１下部電極膜または第２下部電極膜は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成され、前記強誘電体層はゾルゲル工程、有機金属化学気相蒸着工程、原子層積層工程、液相エピタキシ工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成される。また、前記第１上部電極膜は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成され、前記第２上部電極膜は、スパッタリング工程を用いて形成される。この場合、前記第２上部電極膜は、イリジウムターゲット、及びルテニウムターゲットから前記第１上部電極膜上にイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングして形成するか、イリジウムルテニウム合金ターゲットから前記第１上部電極膜上にイリジウムルテニウム合金をスパッタリングして形成される。
本発明の望ましい実施例による強誘電体キャパシタは、下部構造物が形成された基板、前記下部構造物に電気的に連結される下部電極、前記下部電極上に形成された強誘電体層パターン及び前記強誘電体層パターン上に形成された上部電極を含む。前記下部電極は、第１金属窒化物を含む第１下部電極膜パターンと、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を含む第２下部電極膜パターンを具備する。前記上部電極は、第２金属酸化物を含む第１上部電極膜パターンと、第２合金を含む第２上部電極膜パターンを具備する。前記基板上には、前記下部構造物を覆う絶縁構造物と前記絶縁構造物と前記第１下部電極膜パターンとの間に形成された接着層をさらに含むことができる。
本発明の望ましい実施例による強誘電体キャパシタの製造方法において、基板上に下部構造物を形成した後、第１金属窒化物を用いて前記下部構造物に電気的に連結される第１下部電極膜を形成する。第１金属酸化物及び第１合金からなる群より選択された少なくとも一つを用いて前記第１下部電極膜上に第２下部電極膜を形成した後、前記第２下部電極膜上に強誘電体層を形成する。第２金属酸化物を用いて前記強誘電体層上に第１上部電極膜を形成した後、第２合金を用いて前記第１上部膜上に前記第２上部電極膜を形成する。前記第２上部電極膜、前記第１上部電極膜、前記強誘電体層、前記第２下部電極膜及び前記第１下部電極膜をエッチングして下部電極、強誘電体層パターン、及び上部電極を含む強誘電体キャパシタを形成する。前記第２上部電極膜は、イリジウムターゲット及びルテニウムターゲットからイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングするか、イリジウムルテニウム合金ターゲットからイリジウムルテニウム合金をスパッタリングして形成される。前記第１及び第２上部電極膜を急速熱処理工程で熱処理することができる。
本発明の望ましい実施例による半導体は、コンタクト領域が形成された半導体基板、前記半導体基板上に形成された少なくとも一つの絶縁膜、前記絶縁膜を貫通して前記コンタクト領域に接触される少なくとも一つのパッド、前記パッド及び前記絶縁膜上に形成され、第１及び第２下部電極膜パターンを有する下部電極、前記下部電極上に形成される強誘電体層パターン、及び、前記強誘電体層パターン上に形成され、第１上部電極膜パターン及び第２上部電極膜パターンを有する上部電極を含む。前記第１下部電極膜パターンは、第１金属窒化物を含み、前記第２下部膜パターンは、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を含む。前記第１上部電極膜パターンは、第２金属酸化物を含み、前記第２上部電極膜パターンは第２合金を含む。
また、本発明の望ましい実施例による半導体装置の製造方法において、半導体基板にコンタクト領域を形成した後、前記半導体基板上に少なくとも一つの層間絶縁膜を形成する。前記層間絶縁膜を貫通して前記コンタクト領域に接触される少なくとも一つのパッドを形成した後、第１金属窒化物を用いて前記パッド及び前記絶縁膜上に第１下部電極膜を形成する。第１金属、第１金属酸化物、及び第１合金からなる群より選択された少なくとも一つを用いて前記第１下部電極膜上に第２下部電極膜を形成する。その後、前記第２下部電極上に形成される強誘電体層を形成した後、第２金属酸化物を用いて前記強誘電体層上に第１上部電極膜を形成する。第２合金を用いて前記第１上部電極膜を形成する。続けて、前記第２上部電極膜、前記第１上部電極膜、前記強誘電体層、前記第２下部電極膜、及び前記第１下部電極膜をエッチングして下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を形成する。
本発明によると、ストロンチウムルテニウム酸化物のような金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成し、イリジウムルテニウム合金のような合金を用いて第２上部電極膜を形成した後、前記第１及び第２上部電極膜に対して熱処理工程を行う。したがって、前記第１及び第２上部電極膜を含む強誘電体構造物の分極またはデータの保持力の向上及び疲労抵抗の増加のように強誘電的及び電気的特性を大きく改善することができ、このような強誘電体構造物を有する強誘電体キャパシタの強誘電的及び電気的特性を著しく向上させることができる。また、イリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜をエッチングする間、活発な揮発性を有するルテニウム酸化物（ＲｕＯ４）のようなエッチング副生成物が生成されるので、強誘電体キャパシタの側壁が約８０〜９０°の大きい傾斜角度を有することができる。したがって、強誘電体キャパシタの有効面積が拡張されデータセンシングマージンが増加する。更に、前記強誘電体構造物をＦＲＡＭ装置などの半導体装置に適用する場合、前記半導体装置の信頼性と電気的特性を大きく改善することができる。
本発明によると、ストロンチウムルテニウム酸化物のような金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成し、イリジウムルテニウム合金のような合金を用いて第２上部電極膜を形成した後、前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜に対して熱処理工程を行う。したがって、前記第１及び第２上部電極膜を含む強誘電体構造物の分極またはデータ保持力の向上及び疲労抵抗の増加などのように強誘電的及び電気的特性を大きく改善することができ、このような強誘電体構造物を有する強誘電体キャパシタの強誘電的及び電気的特性を著しく向上することができる。また、イリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜をエッチングする間、活発な揮発性を有するルテニウム酸化物（ＲｕＯ４）のようなエッチング副生成物が生成されるので、強誘電体キャパシタの側壁が約８０〜９０°の大きい傾斜角度を有することができる。したがって、強誘電体キャパシタの有効面積が拡張されてデータセンシングマージンが増加する。更に、強誘電体構造物をＦＲＡＭ装置などの半導体装置に適用する場合、前記半導体装置の信頼性と電気的な特性を大きく改善することができる。
以下、本発明による望ましい実施例による強誘電体構造物、強誘電体構造物の製造方法、強誘電体構造物を含む半導体装置及びそれの製造方法を添付した図面を参照して詳細に説明する。
（強誘電体構造物及びそれの製造方法）
図３は、本発明の一実施例による強誘電体構造物の断面図を示す。
図３を参照すると、強誘電体構造物１４０は、下部電極１１０、下部電極１１０上に形成された強誘電体層１１５、及び強誘電体層１１５上に形成された上部電極１３０を含む。
図３は、本発明の一実施例による強誘電体構造物の断面図を示す。
図３を参照すると、強誘電体構造物１４０は、下部電極１１０、下部電極１１０上に形成された強誘電体層１１５、及び強誘電体層１１５上に形成された上部電極１３０を含む。
下部電極１１０は、シリコンウエハ、金属酸化物単結晶基板またはＳＯＩ基板などのような基板(図示せず)上に直接形成することができる。本発明の他の実施例によると、下部電極１１０は、酸化物、窒化物、または酸窒化物からなる絶縁構造物（図示せず）を介在して前記基板上に形成することができる。本発明の他の実施例において、前記基板上にはコンタクト領域、パッド、プラグ、導電性配線、導電性パターン及び／またはトランジスタを含む導電性構造物（図示せず）を形成することができる。この場合、下部電極１１０は、前記導電性構造物に直接接触されるか、電気的に連結される。
下部電極１１０は、第１下部電極膜１００と第２下部電極膜１０５を含む。第１下部電極膜１００は第１金属窒化物からなる。例えば、第１下部電極膜１００は、チタニウム窒化物（ＴｉＮ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、チタニウムアルミニウム窒化物（ＴｉＡｌＮ）、タングステン窒化物（ＷＮ）、タンタル窒化物（ＴａＮ）、チタニウムシリコン窒化物（ＴｉＳｉＮ）、タンタルシリコン窒化物（ＴａＳｉＮ）、またはこれらの組み合わせで構成される。第１下部電極膜１００は、約５０〜５００Åの厚さを有する。また、第１下部電極膜１００は、電子ビーム蒸着（Ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着（ＣＶＤ）工程、原子層積層（ＡＬＤ）工程、またはパルスレーザー工程（ＰＬＤ）を用いて形成される。例えば、第１下部電極膜１００は、チタニウムアルミニウム窒化物をスパッタリング工程で蒸着して形成される。
第２下部電極膜１０５は、第１下部電極膜１００上に位置する。第２下部電極膜１０５は、第１金属、第１合金及び／または第１金属酸化物で構成される。例えば、第２下部電極膜１０５は、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム酸化物（ＩｒＯ２）、ルテニウム酸化物（ＲｕＯ３）、ストロンチウムルテニウム酸化物（ＳＲＯ）またはイリジウムルテニウム合金（ＩｒＸＲｕ１−Ｘ）で構成される。これらは単独にまたは混合して用いることができる。本発明の他の実施例によると、第２下部電極膜１０５は、前記第１金属酸化物及び第１金属を含む二重膜構造を有することができる。例えば、第２下部電極膜１０５は、ストロンチウムルテニウム酸化物／イリジウムまたはイリジウム酸化物／イリジウムを含む二重膜構造を有する。第２下部電極膜１０５は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成される。例えば、第２下部電極膜１０５は、イリジウムをスパッタリング工程で蒸着して形成される。第２下部電極膜１０５は、第１下部電極膜１００の上面から約５００〜１５００Åの厚さに形成される。
本発明の他の実施例において、下部電極１１０と前記絶縁構造物との間、または下部電極１１０と前記基板との間には、下部電極１１０と前記絶縁構造物または前記基板の間の接着力を向上させるために接着層を形成することができる。前記接着層は、第２金属または第２金属窒化物からなる。例えば、前記接着層は、チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物またはタングステン窒化物からなる。これらは単独または混合して用いることができる。また、前記接着層は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成される。例えば、前記接着層はチタニウムをスパッタリング工程で蒸着して形成される。
第１下部電極膜１００は、強誘電体層１１５から酸素が拡散されることを防止する障壁層の役割を果たし、第２下部電極膜１０５は強誘電体層１１５を構成する強誘電体の結晶性を向上させる機能を果たす。また、第１下部電極膜１００は、前記基板または前記絶縁構造物と下部電極１１０との間に前記接着層が形成されない場合、前記絶縁構造物または前記基板と第２下部電極１０５との間の接着力を向上させる機能も果たす。言い換えれば、第１下部電極膜１００は、前記障壁層と接着層の役割を同時に果たすことができる。
強誘電体層１１５は、第２下部電極膜１０５上に位置する。強誘電体層１１５は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ[Ｐｂ（Ｌａ，Ｚｒ）ＴｉＯ３]、またはＢＳＴ[（Ｂｉ，Ｓｒ）ＴｉＯ３]のような強誘電性物質からなる。本発明の他の実施例によると、強誘電体層１１５は、金属がドープされた前記強誘電性物質で形成することができる。例えば、強誘電体層１１５は、カルシウム（Ｃａ）、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、またはビスマス（Ｂｉ）などの金属がドープされたＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、またはＢＳＴなどの強誘電性物質で形成することができる。本発明の更に他の実施例によると、強誘電体層１１５は、強誘電性を有する金属酸化物で構成することができる。例えば、強誘電体層１１５は、チタニウム酸化物（ＴｉＯＸ）、タンタル酸化物（ＴａＯＸ）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯＸ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯＸ）またはハフニウム酸化物（ＨｆＯＸ）で構成することができる。
一方、強誘電体層１１５は、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）工程、ゾルゲル工程、液相エピタキシ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＬＰＥ）工程または原子層積層工程を用いて形成される。例えば、強誘電体層１１５は、ＰＺＴを有機金属化学気相蒸着工程で蒸着して形成される。強誘電体層１１５は、第２下部電極膜１０５の上面を基準として約２００〜１２００Åの厚さを有する。
上部電極１３０は、強誘電体層１１５上に順序に形成された第１上部電極膜１２０及び第２上部電極膜１２５を含む。第１上部電極膜１２０は、第２金属酸化物からなる。例えば、第１上部電極膜１２０は、インジウムスズ酸化物（Ｉｎ２Ｓｎ２Ｏ７；ＩＳＯ）、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物（ＳＲＯ）、ストロンチウムチタニウム酸化物（ＳｒＴｉＯ３；ＳＴＯ）、ランタンニッケル酸化物（ＬｎＮｉＯ３；ＬＮＯ）またはカルシウムルテニウム酸化物（ＣａＲｕＯ３；ＣＲＯ）で構成される。本発明の一実施例によると、第１上部電極膜１２０を構成する前記第２金属酸化物と第２下部電極膜１０５を構成する前記第１金属酸化物は実質的に同一な物質であってもよい。本発明の他の実施例によると、第２下部電極膜１０５と第１上部電極膜１２０は、互いに異なる金属酸化物を含むことができる。
第１上部電極膜１２０は、強誘電体層１１５の上面から約１０〜３００Åの厚さを有する。また、第１上部電極膜１２０は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成される。例えば、第１上部電極膜１２０は、ストロンチウムルテニウム酸化物をスパッタリグ工程で蒸着して形成される。
前記第２上部電極膜１２５は、第２合金からなる。例えば、第２上部電極膜１２５は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、またはルテニウム白金合金で構成される。第２上部電極膜１２５は、イリジウムルテニウム合金で構成する場合、第２上部電極膜１２５は、約３０〜５０原子量％のイリジウムと約５０〜７０原子量％程度のルテニウムを含む。即ち、第２上部電極膜１２５内のイリジウムとルテニウムとの含量比は、約１：１．０〜１：１．４程度になる。例えば、第２上部電極膜１２５は、約４０原子量％のイリジウム及び約６０原子量％のルテニウムを含む。第２上部電極膜１２５は、第１上部電極膜１２０の上面を基準として約３００〜１０００Å程度の厚さを有する。本発明の一実施例において、第２上部電極膜１２５を構成する前記第２合金と第２下部電極膜１０５を構成する前記第１合金は実質的に同一である。本発明の他の実施例によると、第２上部電極膜１２５と第２下部電極膜１０５は互いに異なる合金を用いて形成することができる。
一方、第２上部電極膜１２５は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成される。本発明の一実施例によると、前記第２合金で構成された第２上部電極膜１２５を形成するための前記スパッタリング工程において、イリジウムを含む第１ターゲットとルテニウムで構成された第２ターゲットとを同時に用いてイリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜１２５を形成する。即ち、前記第１ターゲットから前記第１上部電極膜１２０上にイリジウムをスパッタリングすると共に前記第２ターゲットから第１上部電極膜１２０上にルテニウムをスパッタリングしてイリジウムルテニウム合金からなる第２上部電極膜１２５を形成する。この場合、前記第１ターゲットと前記第２ターゲットは基板１００に対して互いに異なる軸線上に位置する。また、前記第１ターゲット及び第２ターゲットに印加される電力を調節して第２上部電極膜１２５内のイリジウムとルテニウムの含量比を調節することができる。本発明の他の実施例によると、イリジウムルテニウム合金からなる一つのターゲットを用いて第１上部電極膜１２０上にイリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜１２５を形成することができる。
強誘電体層１１５上に第１上部電極膜１２０及び第２上部電極膜１２５を有する上部電極１３０を形成した後、第１上部電極膜１２０からルテニウム、チタニウム、またはニッケルなどの金属が揮発することを防止すると共に前記スパッタリング工程の間、第２上部電極膜１２５の損傷をキュアリングするために上部電極１３０に対して熱処理工程を行う。例えば、上部電極１３０は、急速熱処理工程を用いて熱処理される。また、上部電極１３０に対する前記熱処理工程は、酸素雰囲気または窒素雰囲気下で行われる。例えば、上部電極１３０は約５００〜７００℃の温度にて熱処理される。
図４は、本発明の他の実施例による強誘電体構造物の断面図を示したものである。
図４参照すると、強誘電体構造物１９０は、接着層１５０、第１下部電極膜１５５及び第２下部電極膜１６０を有する下部電極１６５、下部電極１６５上に形成された強誘電体層１７０、および、強誘電体層１７０上に順序に第１上部電極膜１７５及び第２上部電極膜１８０を有する上部電極１８５を含む。
図４参照すると、強誘電体構造物１９０は、接着層１５０、第１下部電極膜１５５及び第２下部電極膜１６０を有する下部電極１６５、下部電極１６５上に形成された強誘電体層１７０、および、強誘電体層１７０上に順序に第１上部電極膜１７５及び第２上部電極膜１８０を有する上部電極１８５を含む。
接着層１５０は、基板（図示せず）上に直接形成されるか、絶縁構造物（図示せず）を介在して前記基板上に形成することができる。前記基板上には、コンタクト領域、パッド、プラグ、導電性配線、導電性パターン及び／またはトランジスタを含む導電性構造物（図示せず）を形成することができる。接着層１５０は、前記導電性構造物に直接接触されるか電気的に連結される。
接着層１５０は、前記基板または前記絶縁構造物上に金属または金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。接着層１５０は、前記基板または前記絶縁構造物と第１下部電極膜１５５との間の接着力を向上させる。したがって、下部電極１６５が前記基板または前記絶縁構造物から浮き上がる（リフトされる）現象を防止することができる。
第１下部電極膜１５５は、接着層１５０上に形成される。第１下部電極膜１５５は、接着層１５０上に金属または金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。第１下部電極膜１５５は、強誘電体層１７０から酸素が拡散されることを防止する障壁層の役割を果たす。
第２下部電極膜１６０は、第１下部電極膜１５５上に形成される。第２下部電極膜１５５は、金属、合金、及び／または金属酸化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。本発明の一実施例によると、第２下部電極膜１６０は、イリジウム、ルテニウム、白金、パラジウム、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、またはイリジウムルテニウム合金からなる単一膜の構造を有する。本発明の他の実施例によると、第２下部電極膜１６０は、ストロンチウムルテニウム酸化物／イリジウムまたはイリジウム酸化物／イリジウムを含む二重膜の構造を有することができる。
第２下部電極膜１６０上には、強誘電体層１７０が形成される。強誘電体層１７０は、強誘電性物質、金属がドープされた強誘電性物質または強誘電性を有する金属酸化物を有機金属化学気相蒸着工程、ゾルゲル工程、液相エピタキシ工程または原子層積層工程で蒸着して形成される。
強誘電体層１７０上には、第１上部電極膜１７５が形成される。第１上部電極膜１７５は、金属酸化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。
第２上部電極膜１８０は、第１上部電極膜１７５上に形成される。第２上部電極膜１８０は、合金を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成する。例えば、第２上部電極膜１８０は、約３０〜５０原子量％のイリジウムと約５０〜７０原子量％のルテニウムを含有するイリジウムルテニウム合金を用いて形成される。本発明の一実施例において、イリジウムターゲットとルテニウムターゲットとを同時に用いてイリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜１８０を形成する。前述したように、イリジウムターゲットとルテニウムターゲットに印加される電力を調節して第２上部電極膜１８０内のイリジウムとルテニウムとの含量比を調節することができる。本発明の他の実施例によると、イリジウムルテニウム合金ターゲットを用いてイリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜１８０を形成することができる。
強誘電体層１７０上に第１上部電極膜１７５及び第２上部電極膜１８０を有する上部電極１８５を形成した後、第１上部電極膜１７５の金属酸化物に含まれた金属が揮発されることを防止するために、上部電極１８５に対して酸素雰囲気または窒素雰囲気下で熱処理工程を行う。
（強誘電体キャパシタ及びそれの製造方法）
図５は、本発明の一実施例による強誘電体キャパシタの断面図を示したものである。
図５は、本発明の一実施例による強誘電体キャパシタの断面図を示したものである。
図５を参照すると、強誘電体キャパシタ２６０は、下部構造物２０５を含む基板２００、基板２００上に形成された絶縁構造物２１０、絶縁構造物２１０を貫通して下部構造物２０５に接触されるパッド２２０、絶縁構造物２１０及びパッド２２０上に形成された下部電極２３５、下部電極２３５上に形成された強誘電体層パターン２４０、および強誘電体層パターン２４０上に形成された上部電極２５５を具備する。
基板２００は、シリコンウエハ、金属酸化物単結晶基板またはＳＯＩ基板を含む。下部構造物２０５は、基板２００上に形成されたトランジスタ、コンタクト領域、パッド、導電性パターン、導電性配線、ゲート構造物、及び／またはトラジスタを含む。
絶縁構造物２１０は、下部構造物２０５を満たし、かつ基板２００上に形成される。絶縁構造物２１０は、下部構造物２０５及び基板２００上に形成された少なくとも一つの絶縁層を含む。絶縁構造物２１０は、酸化物、窒化物、または酸窒化物からなる。例えば、絶縁構造物２１０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＵＳＧ、ＳＯＧ、ＦＯＸ、ＴＥＯＳ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物、シリコン窒化物、またはシリコン酸窒化物で構成される。
絶縁構造物２１０には、下部構造物２０５を露出させる開口２１５が形成される。パッド２２０は、開口２１５を満たしながら下部構造物２０５上に形成される。パッド２２０は、金属または金属窒化物で構成される。例えば、パッド２２０は、タングステン、アルミニウム、チタニウム、タンタル、銅、タングステン窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウム窒化物、またはタンタル窒化物からなる。
第１下部電極膜パターン２２５は、絶縁構造物２１０及びパッド２２０上に形成される。下部電極膜パターン２２５は、チタニウム窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物、タングステン窒化物、タンタル窒化物、チタニウムシリコン窒化物、またはタンタルシリコン窒化物のような第１金属窒化物からなる。第１下部電極膜パターン２２５は、絶縁構造物２１０の上面を基準として約５０〜５００Åの厚さを有する。第１下部電極膜パターン２２５は、パッド２２０を通じて下部構造物２０５に電気的に連結される。また、第１下部電極膜パターン２２５は、絶縁構造物２１０と下部電極２３５との間の接着力を向上させると共に強誘電体層パターン２４０から酸素が拡散することを防止する。
第２下部電極膜パターン２３０は、第１下部電極膜パターン２２５上に位置する。第２下部電極膜パターン２３０は、第１下部電極膜パターン２２５の上面から約５００〜１５００Åの厚さを有する。第２下部電極膜パターン２３０は、第１金属、第１金属酸化物、及び／または第１合金で構成される。例えば、第２下部電極膜パターン２３０は、イリジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ルテニウム酸化物、またはイリジウムルテニウム合金からなる。また、第２下部電極膜パターン２３０は、第１金属酸化物及び第１金属を含む二重膜の構造を有することができる。
第１下部電極膜パターン２２５及び第２下部電極膜パターン２３０を含む下部電極２３５の側壁は、基板２００に水平な方向に対して相対的に大きい傾斜角度を有する。例えば、下部電極２３５の側壁は、約８０〜９０°の垂直に近い傾斜を有する。
強誘電体層パターン２４０は、第２下部電極膜パターン２３０上に形成される。強誘電体層パターン２４０は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、またはＢＳＴのような強誘電性物質で構成される。また、前記強誘電体層パターン２４０は、カルシウム、ランタン、マンガン、またはビスマスがドープされた前記強誘電性物質で構成することができる。更に、強誘電体層パターン２４０は、チタニウム酸化物、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、またはハフニウム酸化物などの強誘電性を有する金属酸化物で構成することができる。強誘電体層パターン２４０は、第２下部電極膜パターン２３０の上面から約２００〜１２００Åの厚さを有する。
強誘電体パターン２４０は、下部電極２３５より若干小さい面積を有し、かつ下部電極２３５上に形成される。強誘電体パターン２４０の側壁も基板２００に水平な方向に対して相対的に大きい傾斜角度を有する。例えば、強誘電体パターン２４０の側壁は約８０〜９０°の角度を有する。
第１上部電極膜パターン２４５は、第２金属酸化物を含み、強誘電体層パターン２４０上に位置する。例えば、第１上部電極膜パターン２４５は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、またはカルシウムルテニウム酸化物からなる。第１上部電極膜パターン２４５は、強誘電体層パターン２４０の上面を基準として約１０〜３００Åの厚さを有する。
第２上部電極膜パターン２５０は第２合金で構成され、第１上部電極膜パターン２４５上に形成される。例えば、第２上部電極膜パターン２５０は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、または白金パラジウム合金からなる。例えば、第２上部電極膜パターン２５０は、約３０〜５０原子量％のイリジウムと約５０〜７０原子量％のルテニウムを含有するイリジウム白金合金で構成される。
第１上部電極膜パターン２４５及び第２上部電極膜パターン２５０を含む上部電極２５５は、強誘電体層パターン２４０より若干小さい面積を有する。前述したことと同様に、上部電極２５５の側壁も基板２００に水平な方向に対して相対的に大きい傾斜角度、例えば、約８０〜９０°の傾斜角度を有する。これによって、下部電極２３５、強誘電体層パターン２４０、及び上部電極２５５を含む強誘電体キャパシタ２６０の側壁は、全体的に基板２００に水平な方向に対して約８０〜９０°の大きい傾斜角度を有する。強誘電体キャパシタ２６０が高い側壁傾斜角度を有する場合、強誘電体キャパシタ２６０の有効面積を拡張してデータセンシングマージンをより大きく確保することができ、データ保持力または分極保持力などのような強誘電的特性も改善することができる。
図６は、本発明の一実施例による強誘電体キャパシタの製造方法を説明するための工程順序図であり、図７乃至図１０は、図６に示した強誘電体キャパシタの製造方法を説明するための断面図である。図７乃至図１０において、図５と同一部材に対しては同一の参照符号を付与する。
図６及び図７を参照すると、基板２００上に下部構造物２０５を形成する（段階Ｓ１０）。基板２００は、金属酸化物単結晶基板、シリコンウエハまたはＳＯＩ基板などを含み、下部構造物２０５は、このような基板２００上に形成されたコンタクト領域、導電性配線、導電性パターン、パッド、プラグ、ゲート構造物、及び／またはトランジスタなどを具備する。
下部構造物２０５を覆い、かつ基板２００上に絶縁構造物２１０を形成する（段階Ｓ２０）。絶縁構造物２１０は、少なくとも一つ酸化物層、少なくとも一つの窒化物層及び／または一つの酸窒化物層を含む。絶縁構造物２１０は、化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、原子層積層工程、または高密度プラズマ化学気相蒸着工程を用いて形成される。例えば、絶縁構造物２１０は、ＰＳＧ、ＵＳＧ、ＳＯＧ、ＦＯＸ、ＴＥＯＳ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物、シリコン窒化物、及び／またはシリコン酸窒化物を用いて形成される。
絶縁構造物２１０上にフォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて絶縁構造物２１０を部分的にエッチングすることで、絶縁構造物２１０に前記コンタクト領域を含む下部構造物２０５を露出させる開口２１５を形成する。
開口２１５を満たしかつ絶縁構造物２１０上に導電膜２１８を形成する。導電膜２１８は、金属または金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、パルスレーザー蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。例えば、導電膜２１８は、タングステン、アルミニウム、タンタル、銅、チタニウム、タングステン窒化物、アルミニウム窒化物、タンタル窒化物、またはチタニウム窒化物を用いて形成される。
図６及び図８を参照すると、化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックを組み合わせた工程を用いて絶縁構造物２１０が露出されるまで、導電膜２１８を部分的に除去することで、開口２１５を満たし、かつ露出された下部構造物２０５上にパッド２２０を形成する（段階Ｓ３０）。
絶縁構造物２１０及びパッド２２０上に第１下部電極膜２３３及び第２下部電極膜２２７を含む下部電極層２３３を形成する。第１下部電極膜２３３は絶縁構造物２１０及びパッド２２０上に形成される。第１下部電極膜２２３は、第１金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成する。例えば、第１下部電極膜２２３は、チタニウム窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物、タンタル窒化物、チタニウムシリコン窒化物、またはタンタルシリコン窒化物を用いて形成される。
第１下部電極膜２２３上には、第２下部電極膜２２７が形成される。第２下部電極膜２２７は、第１金属、第１金属酸化物、及び／または第１合金を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、パルスレーザー蒸着工程または原子層積層工程で蒸着して形成する。例えば、第２下部電極膜２２７は、イリジウム、白金、ルテニウム、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム合金、ストロンチウムルテニウム酸化物／イリジウムまたはイリジウム酸化物／イリジウムを用いて形成される。第１下部電極膜２２３上に第２下部電極膜２２７を形成する工程において、基板２００は、反応チャンバ内に導入され、前記反応チャンバは約２０〜３５０°の温度及び約３〜１０ｍＴｏｒｒの低い圧力に維持される。また、第２下部電極膜２２７は、不活性ガス雰囲気下で、約３００〜１０００Ｗの電力を印加して形成する。例えば、前記不活性ガスはアルゴンガス、窒素ガス、またはヘリウムガスを含む。
下部電極層２３３上に強誘電体層２３７を形成する（段階Ｓ５０）。強誘電体層２３７は、強誘電性物質を有機金属化学気相蒸着工程、液相エピタキシ工程、ゾルゲル工程、スパッタリング工程、パルスレーザー蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。例えば、強誘電体層２３７は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、またはＢＳＴのような強誘電性物質、カルシウム、ランタン、マンガン、またはビスマスなどの金属がドープされた強誘電体性物質、またはチタニウム酸化物、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、またはハフニウム酸化物などのような強誘電体性を有する金属酸化物を用いて形成される。前記有機金属化学気相蒸着工程を用いて強誘電体層２３７を形成する場合、第２下部電極膜２３３が形成された基板２００を反応チャンバ内にロードさせた後、前記反応チャンバを約５００〜６００℃の温度及び約１〜１０Ｔｏｒｒの圧力に維持する。その後、有機金属前駆体を第２下部電極膜２３３上に導入した後、酸化剤を供給して第２下部電極膜２３３上にＰＺＴを含む強誘電体層２３７を形成する。例えば、前記有機金属前駆体は、鉛または鉛を含む第１化合物、ジルコニウムまたはジルコニウムを含む第２化合物、および、チタニウムまたはチタニウムを含む第２化合物で構成され、前記酸化剤は酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、二酸化窒素（ＮＯ２）、または酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を含む。
図６及び図９を参照すると、強誘電体層２３７上に第１上部電極膜２４３及び第２上部電極膜２４７を含む上部電極層２５３を形成する（段階Ｓ６０）。第１上部電極膜２４３は、強誘電体層２３７上に第２金属酸化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。例えば、第１上部電極膜２４３は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、またはカルシウムルテニウム酸化物を用いて形成される。前記スパッタリング工程を通じて第１上部電極膜２４３を形成した後、強誘電体層２３７が形成された基板２００を反応チャンバ内に位置させた後、前記反応チャンバ内の温度及び圧力をそれぞれ約３００〜５００℃及び約３〜１０ｍＴｏｒｒに維持する。また、第１上部電極膜２４３は、不活性ガス雰囲気下で約３００〜１０００Ｗの電力を印加して形成される。この場合、前記不活性ガスはアルゴンガスのみを含む。
第２上部電極膜２４７は、第２合金を第１上部電極膜２４３上にスパッタリング工程、電子ビーム蒸着工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成する。例えば、第２上部電極膜２４７は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、または白金パラジウム合金を用いて形成される。本発明の一実施例において、前記スパッタリング工程を用いて第２上部電極膜２４７を形成する場合、第１上部電極膜２４３が形成された基板２００を反応チャンバ内にロードした後、イリジウムを含有する第１ターゲットとルテニウムとを含有する第２ターゲットを同時に用いてイリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜２４７を形成する。前記反応チャンバは、常温の温度及び約３〜１０ｍＴｏｒｒ程度の圧力に維持され、前記第１ターゲット及び第２ターゲットには、それぞれ約４００〜６００Ｗの電力が印加される。ここで、前記第１ターゲット及び第２ターゲットは、それぞれ基板２００に対して異なる軸線上に位置する。また、前記スパッタリング工程は、アルゴンガスのみを含む不活性ガス雰囲気下で形成される。例えば、前記アルゴンガスは約３０ｓｃｃｍの流量で供給され、前記第１及び第２ターゲットと基板２００との間に間隔はそれぞれ約１００ｎｍ以下に維持される。前述した工程の条件下で、スパッタリング工程を行うようになると、第１上部電極膜２４３上に約３０〜５０原子量％のイリジウムと約５０〜７０原子量％のルテニウムを含有するイリジウムルテニウム合金を含んで構成された第２上部電極膜２４７が形成される。ここで、前記第１ターゲット及び前記第２ターゲットに印加される電力に応じて第２上部電極膜２４７内のイリジウム及びルテニウムの含量比を調節することができる。本発明の他の実施例によると、イリジウムルテニウム合金からなる一つのターゲットを用いて第２上部電極膜２４７を形成することができる。ここで、前記イリジウムルテニウム合金ターゲットは、約３０〜５０原子量％のイリジウムと約５０〜７０原子量％のルテニウムを含有する。
第１上部電極膜２４３及び第２上部電極膜２４７を含む上部電極層２５３に対して熱処理工程を行って第１上部電極膜２４３から金属の揮発を防止すると共に前記スパッタリング工程の間、第２上部電極膜２４７に発生した損傷をキュアリングする（段階Ｓ７０）。前記上部電極層２５３は、酸素ガス、窒素ガス、またはこれらの混合ガスの雰囲気下で急速熱処理工程（ＲＴＰ）を用いて熱処理される。前記急速熱処理工程は約５００〜７００℃の温度にて約３０秒〜２分間行われる。
第２上部電極膜２４７上には、強誘電体キャパシタ２６０（図１０を参照）を形成するためのハードマスクパターン２５７を形成する（段階Ｓ８０）。ハードマスクパターン２５７は、酸化物、窒化物、酸窒化物、または金属酸化物を化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、電子ビーム蒸着工程、原子層積層工程またはパルスレーザー蒸着工程で積層して形成される。例えば、ハードマスクパターン２５７は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、またはストロンチウムルテニウム酸化物を用いて形成される。
図６及び図１０を参照すると、ハードマスクパターン２５７をエッチングマスクとして用いて上部電極層２５３、強誘電体層２３７及び下部電極層２３３を順序にパターニングすることで、絶縁構造物２１０及びパッド２２０上に下部電極２３５、強誘電体層パターン２４０及び上部電極２５５を順次形成する（段階Ｓ９０）。下部電極２３５は、第１下部電極膜パターン２２５及び第２下部電極膜パターン２３０を含み、上部電極２５５は第１上部電極膜パターン２４５及び第２上部電極膜パターン２５０を具備する。
本発明の他の実施例によると、強誘電体パターン２４０及び上部電極２５５を含む強誘電体キャパシタ２６０に対して追加的な工程を行って第１上部電極膜パターン２４５及び強誘電体層パターン２４０を構成する物質を結晶化することができる。例えば、第１上部電極膜パターン２４５及び強誘電体層パターン２４０は、酸素ガス、窒素ガス、またこれらの混合ガス雰囲気下で急速熱処理工程（ＲＴＰ）で熱処理される。この場合、前記急速熱処理工程は、約５００〜６５０℃の温度にて約３０秒〜３分間行われる。
図１１は、本発明の他の実施例の他の強誘電体キャパシタの断面図を示したものである。
図１１を参照すると、強誘電体キャパシタ３７０は、基板３００、基板３００上に形成された下部構造物３０５、基板３００上に形成された絶縁構造物３１０、絶縁構造物３１０を貫通して下部構造物３０５に接触されるパッド３２０、絶縁構造物３１０、及びパッド３２０上に形成された接着層パターン３２５、接着層パターン３２５上に形成された下部電極３４０、下部電極３４０上に形成された強誘電体層パターン３４５、および強誘電体層パターン３４５上に形成された上部電極３６０を具備する。下部電極３４０は、接着層パターン３２５上に形成された第１下部電極膜パターン３３０及び第１下部電極膜パターン３３０上に形成された第２下部電極膜パターン３３５を含む。また、上部電極３６０は、強誘電体層パターン３４５上に順序に形成された第１上部電極膜パターン３５０及び第２上部電極膜パターン３５５を具備する。
図１１を参照すると、強誘電体キャパシタ３７０は、基板３００、基板３００上に形成された下部構造物３０５、基板３００上に形成された絶縁構造物３１０、絶縁構造物３１０を貫通して下部構造物３０５に接触されるパッド３２０、絶縁構造物３１０、及びパッド３２０上に形成された接着層パターン３２５、接着層パターン３２５上に形成された下部電極３４０、下部電極３４０上に形成された強誘電体層パターン３４５、および強誘電体層パターン３４５上に形成された上部電極３６０を具備する。下部電極３４０は、接着層パターン３２５上に形成された第１下部電極膜パターン３３０及び第１下部電極膜パターン３３０上に形成された第２下部電極膜パターン３３５を含む。また、上部電極３６０は、強誘電体層パターン３４５上に順序に形成された第１上部電極膜パターン３５０及び第２上部電極膜パターン３５５を具備する。
下部構造物３０５は、基板３００上に形成されたトランジスタ、コンタクト領域、パッド、導電性パターン導電性配線、ゲート構造物、及び／またはトランジスタを含み、絶縁構造物３１０は下部構造物３０５を覆い、かつ基板３００上に形成される。絶縁構造物３１０は、下部構造物３０５及び基板３００を覆う少なくとも一つの絶縁層を含む。絶縁構造物３１０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＵＳＧ、ＳＯＧ、ＦＯＸ、ＴＥＯＳ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物のような酸化物、シリコン窒化物などの窒化物またはシリコン酸窒化物などの酸窒化物で構成される。
絶縁構造物３１０には、下部構造物３０５を露出させる開口３１５が形成され、パッド３２０は、開口３１５を満たしかつ下部構造物３０５に接触される。パッド３２０はタングステン、アルミニウム、チタニウム、タンタル、または銅などの金属、あるいはタングステン窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウム窒化物、またはタンタル窒化物などの金属窒化物で構成される。
接着層パターン３２５は、絶縁構造物３１０及びパッド３２０上に形成される。接着層パターン３２５は、金属または金属窒化物で構成される。例えば、接着層パターン３２５は、チタニウム、タンタル、アルミニウム、タングステン、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物、またはタングステン窒化物で構成される。接着層パターン３２５の側壁は、基板３００に対して、例えば、約８０〜９０°の相対的に大きい傾斜角度を有する。接着層パターン３２５は、絶縁構造物３１０と第１下部電極膜パターン３３０との間の接着力を向上させる。
接着層パターン３２５上に位置する第１下部電極膜パターン３３０は、第１金属窒化物を含む。例えば、第１下部電極膜パターン３３０は、チタニウム窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物、タングステン窒化物、タンタル窒化物、チタニウムシリコン窒化物、またはタンタルシリコン窒化物で構成される。第１下部電極膜パターン３３０は、接着層パターン３２５の上面から約５０〜５００Åの厚さを有する。第１下部電極膜パターン３３０は、接着層パターン３２５及びパッド３２０を通じて下部構造物３０５に電気的に連結される。第１下部電極膜パターン３３０は、強誘電体層パターン３４５から酸素が拡散されることを防止する障壁層の機能を果たす。第１下部電極膜パターン３３０は、接着層パターン３２５より若干小さい面積を有する。
第２下部電極膜パターン３３５は、第１下部電極膜パターン３３０上に形成される。第２下部電極膜パターン３３５は、第１下部電極膜パターン３３０の上面を基準として約５００〜１５００Åの厚さを有する。第２下部電極膜パターン３３５は、第１金属、第１金属酸化物、及び／または第１合金で構成される。例えば、第２下部電極膜パターン３３５は、イリジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ルテニウム酸化物、またはイリジウムルテニウム合金からなる。第２下部電極膜パターン３３５は、前記第１金属、前記第１金属酸化物、または前記第１合金で構成された単一膜の構造を有する。本発明の他の実施例によると、第２下部電極膜パターン３３５は、第１金属酸化物及び第１金属を含む二重膜構造を有することができる。第２下部電極膜パターン３３５は、第１下部電極膜パターン３３０より若干小さい面積を有する。
第１下部電極膜パターン３３０及び第２下部電極膜パターン３３５を含む下部電極３４０の側壁は基板３００に水平な方向に対して約８０〜９０°程度の相対的に大きい傾斜角度を有する。
強誘電体層パターン３４５は、第２下部電極膜パターン３３５上に形成される。強誘電体層パターン３４５は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、またはＢＳＴのような強誘電性物質、カルシウム、ランタン、マンガン、またはビスマスなどの金属がドープされた強誘電性物質またはチタニウム酸化物、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、またはハフニウム酸化物などの強誘電性を有する金属酸化物で構成される。強誘電体層パターン３４５は、第２下部電極膜パターン３３５の上面を基準として約２００〜１２００Åの厚さを有する。強誘電体層パターン３４５は、下部電極３４０より若干小さい面積を有する。強誘電体層パターン３４５の側壁も基板３００に水平な方向に対して約８０〜９０°の相対的に大きい傾斜角度を有する。
第２金属酸化物で構成された第１上部電極膜パターン３５０は、強誘電体層パターン３４５上に形成される。例えば、第１上部電極膜パターン３５０は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、またはカルシウムルテニウム酸化物で構成される。第１上部電極膜パターン３５０は、強誘電体層パターン３４５の上面から約１０〜３００Åの厚さを有する。第１上部電極膜パターン３５０は、強誘電体層パターン３４５より若干小さい面積を有する。
イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、または白金パラジウム合金などの第２合金で構成された第２上部電極膜パターン３５５は、第１上部電極膜パターン３５０上に位置する。例えば、第２上部電極膜パターン３５５は、約３０〜５０原子量％のイリジウムと約５０〜７０％のルテニウムを含むイリジウム白金合金で構成される。第２上部電極膜パターン３５５は、第１上部電極膜パターン３５０より若干小さい面積を有する。
第１上部電極膜パターン３５０及び第２上部電極膜パターン３５５を含む上部電極３６０は、全体的に強誘電体層パターン３４５より若干小さい面積を有する。前述したことの同様に、上部電極３６０の側壁も基板２００に水平な方向に対して約８０〜９０°程度の相対的に大きい傾斜角度を有する。したがって、接着層パターン３２５、下部電極３４０、強誘電体層パターン３４５、及び上部電極３６０を含む強誘電体キャパシタ３７０の側壁は全体的に基板３００に水平な方向に対して約８０〜９０°程度の大きい傾斜角度を有する。
図１２乃至図１４は、図１１に示した強誘電体キャパシタの製造方法を説明するための断面図である。図１１乃至図１４において、図１１と同一の部材に対しては同一の参照符号を付与する。
図１２を参照すると、基板３００上にコンタクト領域を含む下部構造物３０５を形成した後、下部構造物３０５を覆いかつ基板３００上に絶縁構造物３１０を形成する。少なくとも一つの酸化物層、少なくとも一つの窒化物層及び／または少なくとも一つの酸窒化物層を含む絶縁構造物３１０は、化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、原子層積層工程、または高密度化学気相蒸着工程を用いて形成される。
絶縁構造物３１０上に第１フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第１フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて絶縁構造物３１０を部分的にエッチングする。これによって、絶縁構造物３１０を貫通して前記コンタクト領域を含む外部構造物３０５を露出させる開口３１５が形成される。
金属または金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、パルスレーザー蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して開口３１５を満たし、かつ絶縁構造物３１０上に導電膜を形成する。前記導電膜は、タングステン、アルミニウム、タンタル、銅、チタニウム、タングステン窒化物、アルミニウム窒化物、タンタル窒化物、またはチタニウム窒化物を用いて形成される。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程を用いて絶縁構造物３１０が露出されるまで前記導電膜を部分的に除去することで、開口３１５を満たし、かつ下部構造物３０５に接触されるパッド３２０を形成する。前記第１フォトレジストパターンは、アッシング工程及び／またはストリップ工程を通じて除去される。
絶縁構造物３１０及びパッド３２０上に接着層３２３を形成する。接着層３２３は、金属または金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。例えば、接着層３２３は、チタニウム、タンタル、アルミニウム、タングステン、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物、またはタングステン窒化物を用いて形成される。
第１下部電極膜３２７及び第２下部電極膜３３３を含む外部電極層３３７は、接着層３２３上に形成される。第１下部電極膜３２７は、接着層３２３上に第１金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。例えば、第１下部電極膜３２７は、チタニウム窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物、タンタル窒化物、チタニウムシリコン窒化物、またはタンタルシリコン窒化物を用いて形成される。
第２下部電極膜３３３は、第１金属、第１金属酸化物、及び／または第１合金を第１下部電極膜３２７上に電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、パルスレーザー蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成する。例えば、第２下部電極膜３３３は、イリジウム、白金、ルテニウム、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム合金、ストロンチウムルテニウム酸化物／イリジウム、またはイリジウム酸化物／イリジウムを用いて形成される。
図１３を参照すると、有機金属化学気相蒸着工程、液相エピタキシ工程、ゾルゲル工程、スパッタリング工程、パルスレーザー工程、または原子層積層工程を用いて下部電極層３３７上に強誘電体層３４３を形成する。強誘電体層３４３は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、またはＢＳＴのような強誘電性物質、カルシウム、ランタン、マンガン、またはビスマスなどの金属がドープされた強誘電体性物質、またはチタニウム酸化物、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、またはハフニウム酸化物などのような強誘電性を有する金属酸化物を用いて形成される。
強誘電体層３４３上には、第１上部電極膜３４７、及び第２上部電極膜３５３を含む上部電極層３５７が形成される。第１上部電極膜３４７は、第２金属酸化物を強誘電体層３４３上に電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。例えば、第１上部電極膜３４７は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、またはカルシウムルテニウム酸化物を用いて形成される。
前記第２上部電極膜３５３は、第２合金を第１上部電極膜３４７上にスパッタリング工程、電子ビーム蒸着工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で蒸着して形成される。例えば、第２上部電極膜３５３は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、または白金パラジウム合金を用いて形成される。
第１上部電極膜３４７及び第２上部電極膜３５３を含む上部電極層３５７に対して熱処理工程を行って第１上部電極膜３４７から金属の揮発を防止する一方、第２上部電極膜３５３に発生した損傷をキュアリングする。前記電極層３５７は、酸素ガス、窒素ガス、またはこれらの混合ガス雰囲気下で約５００〜７００℃の温度にて約３０秒〜２分間急速熱処理工程を行って熱処理される。
第２上部電極膜３５３上にハードマスク層を形成した後、前記ハードマスク層上に第２フォトレジストパターン（図示せず）を形成する。前記ハードマスク層は、酸化物、窒化物、酸窒化物、または金属酸化物を化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、電子ビーム蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程で積層して形成される。例えば、前記ハードマスク層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、またはストロンチウムルテニウム酸化物を用いて形成される。
前記第２フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて前記ハードマスク層を部分的にエッチングすることで、第２上部電極膜３５３上に強誘電体キャパシタ３７０（図１３参照）を形成するためのハードマスク膜パターン３５９を形成する。
図１３を参照すると、ハードマスクパターン３５９をエッチングマスクとして用いて上部電極層３５７、強誘電体層３４３、下部電極層３３７、及び接着層３２３を順序にエッチングすることで、絶縁構造物３１０及びパッド３２０上に順次に接着層パターン３２５、下部電極３４０、強誘電体層パターン３４５、及び上部電極３６０を形成する。下部電極３４０は、接着層パターン３２５上に順序に形成された第１下部電極膜パターン３３０及び第２下部電極膜パターン３３５を具備する。上部電極３６０は、強誘電体層パターン３４５上に順次に形成された第１上部電極膜パターン３５０及び第２上部電極膜パターン３５５を含む。強誘電体パターン３４５及び上部電極３６０を含む強誘電体キャパシタ３７０に対して追加的な熱処理工程を行って第１上部電極膜パターン３５０及び強誘電体層パターン３４５を構成する物質を結晶化することができる。
（強誘電体キャパシタの特性測定）
以下、添付された図面を参照して本発明の実験例及び比較例によって製造された強誘電体キャパシタの強誘電的及び電気的特性を測定した結果を説明する。
以下、添付された図面を参照して本発明の実験例及び比較例によって製造された強誘電体キャパシタの強誘電的及び電気的特性を測定した結果を説明する。
（実験例１）
基板上にスパッタリング工程を用いて第１下部電極膜及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物を用いて形成したが、前記第２下部電極膜は、イリジウムを用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
基板上にスパッタリング工程を用いて第１下部電極膜及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物を用いて形成したが、前記第２下部電極膜は、イリジウムを用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
前記強誘電体層上に約３５０℃の温度にてスパッタリング工程を用いてストロンチウムルテニウム酸化物を蒸着して第１上部電極膜を形成した。前記第１上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。前記第１上部電極膜の厚さは、約５０Åであった。
前記第１上部電極膜上に常温にてイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングして第２上部電極膜を形成した。前記第２上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。前記第２上部電極膜内のイリジウム及びルテニウムの含量は、それぞれ約４０〜６０原子量％であった。前記第２上部電極膜の厚さは約１０００Å程度であった。
前記第１及び第２上部電極膜を有する上部電極層が形成された基板に対して約６００℃の温度にて約６０秒間急速熱処理工程を行った。前記急速熱処理工程は、酸素ガス雰囲気下で行われた。
前記上部電極層、前記強誘電体層、及び前記下部電極層をパターニングして、前記基板上に下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を含む強誘電体キャパシタを形成した。
前記上部電極層、前記強誘電体層、及び前記下部電極層をパターニングして、前記基板上に下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を含む強誘電体キャパシタを形成した。
（実施例２）
基板上にスパッタリング工程を用いて第１及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物を用いて形成し、前記第２下部電極膜は、イリジウムを用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
基板上にスパッタリング工程を用いて第１及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物を用いて形成し、前記第２下部電極膜は、イリジウムを用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
前記強誘電体層上に約３５０℃でスパッタリング工程を用いてストロンチウムルテニウムを蒸着して第１上部電極膜を形成した。前記第１上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。前記第１上部電極膜の厚さは約５０Åであった。
前記第１上部電極膜上に常温でイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングして第２上部電極膜を形成した。前記第２上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。前記第２上部電極膜内のイリジウム及びルテニウムの含量はそれぞれ約５０原子量％及び約５０原子量％であった。前記第２上部電極膜の厚さは、約１０００Åであった。
前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜を有する上部電極層が形成された基板に対して約６００℃の温度にて約６０秒間急速熱処理工程を行った。前記急速熱処理工程は、酸素ガス雰囲気下で行われた。
前記上部電極層、前記強誘電体層及び前記下部電極層をパターニングして、前記基板上に下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を含む強誘電体キャパシタを形成した。
（比較例１）
基板上に第１及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物をスパッタリング工程で蒸着して形成し、前記第２下部電極膜は、イリジウムをスパッタリング工程を用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
基板上に第１及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物をスパッタリング工程で蒸着して形成し、前記第２下部電極膜は、イリジウムをスパッタリング工程を用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
前記強誘電体層上に約３５０℃の温度でスパッタリング工程を用いてストロンチウムルテニウムを蒸着して第１上部電極膜を形成した。前記第１上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。前記第１上部電極膜の厚さは約５０Åであった。
前記第１上部電極膜上に常温でイリジウムをスパッタリングして第２上部電極膜を形成した。前記第２上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。イリジウムのみで形成された前記第２上部電極膜の厚さ約６００Åであった。
前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜を有する上部電極層が形成された基板に対して約６００℃の温度にて約６０秒間急速熱処理工程を行った。前記急速熱処理工程は、酸素ガス雰囲気下で行われた。
前記上部電極層、前記強誘電体層及び前記下部電極層をパターニングして、前記基板上に下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を含む強誘電体キャパシタを形成した。
（比較例２）
基板上に第１及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物をスパッタリング工程で蒸着して形成し、前記第２下部電極膜は、白金をスパッタリング工程を用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
基板上に第１及び第２下部電極膜を有する下部電極層を形成した。前記第１下部電極膜は、チタニウムアルミニウム窒化物をスパッタリング工程で蒸着して形成し、前記第２下部電極膜は、白金をスパッタリング工程を用いて形成した。前記下部電極層上に約５７５℃の温度にて有機金属化学気相蒸着工程でＰＺＴを蒸着して強誘電体層を形成した。
前記強誘電体層上に約３５０℃の温度にてスパッタリング工程を用いてストロンチウムルテニウムを蒸着して第１上部電極膜を形成した。前記第１上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。前記第１上部電極膜の厚さは約５０Åであった。
前記第１上部電極膜上に常温でイリジウムをスパッタリングして第２上部電極膜を形成した。前記第２上部電極膜は、アルゴンガス雰囲気下で形成された。イリジウムのみで形成された前記第２上部電極膜の厚さ約６００Åであった。前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜を有する上部電極層が形成された基板に対して約６００℃の温度にて約６０秒間急速熱処理工程を行った。前記急速熱処理工程は、酸素ガス雰囲気下で行われた。
前記上部電極層、前記強誘電体層及び前記下部電極層をパターニングして、前記基板上に下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を含む強誘電体キャパシタを形成した。
図１５は、本発明の実験例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜との間に発生するストレスを示すグラフである。
図１５は、本発明の実験例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜との間に発生するストレスを示すグラフである。
図１５を参照すると、実施例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜と間に発生するストレスは、約２．６９×１０９ｄｙｎｅ／ｃｍ２程度であって、図２に示した従来の強誘電体キャパシタの場合に比べて約１／１０以下に減少することがわかる。また、図２に示したように、従来の強誘電体キャパシタの場合には、発生するストレスが熱処理工程の前後を通じて圧縮応力から引用応力に大きく変わる。しかし、図１５に示したように、本発明の第１による強誘電体キャパシタにおいては、発生するストレスが熱処理工程の前後で全て圧縮応力で大きく変化しないことがわかる。したがって、実験例１による強誘電体キャパシタは、強誘電体層パターンと上部電極との間にデッドレイヤー（ｄｅａｄ ｌａｙｅｒ）に該当する界面層が形成することを抑制して向上された強誘電的特性を有する。
図１６は、実施例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜との間に発生したストレスと、比較例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜との間に発生したストレスを示すグラフである。図１６において、“Ｉ”は比較例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜との間に発生したストレスを示し、“ＩＩ”は実験例１による強誘電体キャパシタの第１上部電極膜と第２上部電極膜との間に発生したストレスを示す。図１７は、比較例１による強誘電体キャパシタの断面を電子顕微鏡を用いて撮影した写真である。
図１６を参照すると、実験例１による強誘電体キャパシタが比較例１による強誘電体キャパシタに比べて温度変化によりストレスの変化が著しく小さく示された。このような結果は、図１７に示したように、比較例１による強誘電体キャパシタの場合には、ストロンチウムルテニウム酸化物で構成された第１上部電極膜とイリジウムからなる第２上部電極膜を含む上部電極と強誘電体層パターンとの間にストレスによる浮き上がり（リフティング）のような欠陥（ＩＩＩ）が生成されることが分かる。
図１８は、比較例１による強誘電体キャパシタの印加される電圧による分極を示す分極−電圧履歴曲線（Ｐ−Ｖヒステリシス）を示すグラフであり、図１９は、比較例２による強誘電体キャパシタの印加される電圧による分極を示す分極−電圧履歴曲線を示すグラフである。
図１８において、＋Ｖｃは約０．６５Ｖであり、−Ｖｃは約０．４５Ｖであり、＋２Ｐｒは約４１μＣ／ｃｍ２程度であり、−２Ｐｒは約−４０μＣ／ｃｍ２であった。図１８を参照すると、比較例１による強誘電体キャパシタは、相対的には優秀な分極特性を示すが、上部電極と強誘電体層パターンとの間に発生されるストレスによって＋Ｖｃの値と−Ｖｃの値とが非対称になることという劣化した強誘電的特性を示す。
図１９において、＋Ｖｃは約０．８７Ｖであり、−Ｖｃは約０．２３Ｖであり、＋２Ｐｒは約３９μＣ／ｃｍ２程度であり、−２Ｐｒは約−３８μＣ／ｃｍ２であった。図１９を参照すると、比較例２による強誘電体キャパシタは、上部電極と強誘電体層パターンとの間に発生するストレスによって分極特性も劣化するだけでなく、＋Ｖｃの値と−Ｖｃの値とが大きく非対称になるという、大きく低下した強誘電的特性を示す。特に、図１９に示した比較例２による強誘電体キャパシタの場合には、過度なストレスによって時間が経過することによって分極−電圧履歴曲線の正シフト（ポジティブシフト）が深刻化する現象を示すので、このような強誘電体キャパシタは信頼性をテストする工程にて失格（不合格）になる可能性が非常に高くなる。
図２０は、実験例１及び比較例１による強誘電体キャパシタの分極−電圧履歴曲線を比較したグラフである。図２０において、“ＩＶ”は比較例１による強誘電体キャパシタの分極−電圧履歴曲線を示し、“Ｖ”は、実験例１による強誘電体キャパシタの分極−電圧履歴曲線を意味する。
図２０を参照すると、比較例１による強誘電体キャパシタ（ＩＶ）において、印加された電圧が約１．２Ｖである場合、２Ｐｒ値は約４２．３μＣ／ｃｍ２程度であった。これに対して、実験例１による強誘電体キャパシタ（Ｖ）の場合には、印加された電圧が約１．１４Ｖである場合、２Ｐｒ値が約４６．３８μＣ／ｃｍ２であった。
図２１は、実験例１及び比較例１による強誘電体キャパシタが印加された電圧による最大分極値及び最小分極値を測定したグラフである。図２１において、“ＩＶ””は比較例１による強誘電体キャパシタの最大分極を示し、“ＩＶ’”は比較例１による強誘電体キャパシタの最小分極を示す。また、“Ｖ””は実験例１による強誘電体キャパシタの最大分極を示し、“Ｖ’”は、実験例１による強誘電体キャパシタの最小分極を示す。また、図２２は、実験例１及び比較例１による強誘電体キャパシタの印加された電圧による２Ｐｒ値を測定したグラフである。図２２において、“ＶＩ”は、比較例１による強誘電体キャパシタの２Ｐｒ値を示し、“ＶＩＩ”は、実験例１による強誘電体キャパシタの２Ｐｒ値を示す。
図２１及び図２２を参照すると、印加された電圧が約２．０Ｖ程度である場合、比較例１による強誘電体キャパシタの最大分極値（ＩＶ”）は約６９μＣ／ｃｍ２であり、最小分極値（ＩＶ’）は約１７μＣ／ｃｍ２であるので、比較例１による強誘電体キャパシタの２Ｐｒ値（ＶＩ）は、約５２μＣ／ｃｍ２であった。これに対して、実験例１による強誘電体キャパシタの最大分極値（Ｖ”）は、約７１μＣ／ｃｍ２であり、最小分極値（Ｖ’）は約１５μＣ／ｃｍ２として実験例１による強誘電体キャパシタの２Ｐｒ値は約５６程度μＣ／ｃｍ２であった。
図２０乃至図２２に示したように、イリジウムルテニウム合金で構成された第２上部電極膜を含む実験例１による強誘電体キャパシタがイリジウムのみで構成された第２上部電極膜を具備する比較例１による強誘電体キャパシタに比べて優秀な強誘電的特性を有することがわかる。
図２３は、実験例１による強誘電体キャパシタのプログラミングサイクルによる分極の変化を示すグラフである。図２３において、“■”は最大分極値を示し、“●”は最小分極値を示し、“▲”は２Ｐｒ値を示す。図２３に示した実験例１による強誘電体キャパシタの最小分極値及び最大分極値は、約８５℃の温度で下部電極に約１．６Ｖ程度の電圧を印加しながら約１．１７×１０１０回程度のプログラミングサイクルを行った後に測定した結果である。また、図２４は、実験例１による強誘電体キャパシタのプログラミングサイクルによる分極−電圧履歴曲線の変化を示すグラフである。図２４において、“ＶＩＩＩ”は、プログラミングを行う前に、強誘電体キャパシタ分極−電圧履歴を示し、“ＩＸ”は、約１．１７×１０１０回程度のプログラミングサイクルを行った後の強誘電体キャパシタの分極−電圧履歴曲線を示す。
図２３及び図２４を参照すると、実験例１による強誘電体キャパシタの−Ｐｒの値は、約−４８．２９３μＣ／ｃｍ２から約−４６．５９４μＣ／ｃｍ２程度であって、約１．１７×１０１０回程度のプログラミングサイクルを行った後にも約９６．７％程度の−２Ｐｒ値を維持した。
図２５は、比較例１による強誘電体キャパシタの時間による分極値の変化を示すグラフであり、図２６は、実験例１による強誘電体キャパシタの時間による分極値を示すグラフである。図２５及び図２６において、“Ａ”及び“Ａ’”は、それぞれ約１５０℃の温度にて約４８時間が経過した後の比較例１及び実験例１による強誘電体キャパシタの分極値を示し、“Ｂ”及び“Ｂ’”は、それぞれ約１５０℃の温度にて約６７．５時間が経過した後の比較例１及び実験例１による強誘電体キャパシタの分極値を示す。また、“Ｃ”または“Ｃ’”は、それぞれ約１５０℃の温度にて約１１５．５時間が経過した後の比較例１及び実験例１による強誘電体キャパシタの分極値を示す。
図２５を参照すると、比較例１による強誘電体キャパシタの各テストに対して分極値は最初の分極値からそれぞれ９６．５％（Ａ）、約９４．２％（Ｂ）、及び約９０．５％（Ｃ）まで減少した。しかし、図２６に示したように、実験例１による強誘電体キャパシタは、各テストに対して最初の分極値からそれぞれ約９７．５％（Ａ’）、約９６．７％（Ｂ’）、及び約９４．４％（Ｃ’）に減少した。
図２５及び図２６に示したように、実験例１による強誘電体キャパシタの分極保持特性が比較例１による強誘電体キャパシタの分極保持特性に比べて更に優秀であることがわかる。これによって、実験例１による強誘電体キャパシタのデータ保持力などのような電気的な特性が比較例１による強誘電体キャパシタの電気的特性に比べて改善されることがわかる。
（半導体装置及びそれの製造方法）
図２７は、本発明の一実施例による半導体装置の断面を示した図である。
図２７を参照すると、ＦＲＡＭ装置のような前記半導体装置は、基板４００に形成された第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０、基板４００上に形成されたゲート構造物４３０、 第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０に接触される第１パッド４５０及び第２パッド４５５、第２パッド４５５上に形成された下部配線４７０、第１パッド４５０上に形成された第３パッド４８０、第３パッド４８０に連結される強誘電体キャパシタ５２５、強誘電体キャパシタ５２５上に形成される層間絶縁膜及び配線ラインを含む。
図２７は、本発明の一実施例による半導体装置の断面を示した図である。
図２７を参照すると、ＦＲＡＭ装置のような前記半導体装置は、基板４００に形成された第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０、基板４００上に形成されたゲート構造物４３０、 第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０に接触される第１パッド４５０及び第２パッド４５５、第２パッド４５５上に形成された下部配線４７０、第１パッド４５０上に形成された第３パッド４８０、第３パッド４８０に連結される強誘電体キャパシタ５２５、強誘電体キャパシタ５２５上に形成される層間絶縁膜及び配線ラインを含む。
図２８乃至図３０は、図２７に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
図２８を参照すると、シャロートレンチ素子分離（ＳＴＩ）工程またはシリコン部分酸化法（ＬＯＣＯＳ）などのような素子分離工程を用いて半導体基板４００上に素子分離膜４０５を形成することで、半導体基板４００にアクティブ領域及びフィールド領域を定義する。半導体基板４００は、シリコンウエハまたはＳＯＩ基板を含む。
図２８を参照すると、シャロートレンチ素子分離（ＳＴＩ）工程またはシリコン部分酸化法（ＬＯＣＯＳ）などのような素子分離工程を用いて半導体基板４００上に素子分離膜４０５を形成することで、半導体基板４００にアクティブ領域及びフィールド領域を定義する。半導体基板４００は、シリコンウエハまたはＳＯＩ基板を含む。
熱酸化法や化学気相蒸着工程で素子分離膜４０５が形成された半導体基板４００上に薄い厚さのゲート酸化膜を形成した後、前記ゲート酸化膜上にゲート導電膜及びゲートマスク層を順次形成する。前記ゲート導電膜は、不純物でドープされたポリシリコンを用いて形成され、前記ゲートマスク層は、シリコン窒化物のような窒化物を用いて形成される。
前記ゲートマスク層上に第１フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第１フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて前記ゲートマスク層、前記ゲート導電膜及び前記ゲート酸化膜を順次エッチングすることで、半導体基板４００上にそれぞれゲート酸化膜パターン４１０、ゲート電極４１５、及びゲートマスク４２０を含むゲート構造物４３０を形成する。
前記ゲート構造物４３０が形成された半導体基板４００上にシリコン窒化物のような窒化物からなる第１絶縁膜を形成した後、前記第１絶縁膜を異方性エッチングして各ゲート構造物４３０の側面にゲートスペーサ４２５を形成する。
ゲートスペーサ４２５が形成されたゲート構造物４３０をイオン注入マスクとして用いてゲート構造物４３０の間に露出される半導体基板４００にイオン注入工程で不純物を注入することで、半導体基板４００にソース／ドレイン領域に該当する第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０を形成する。第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０は、強誘電体キャパシタ５２５（図２９を参照）のための第１パッド４５０と下部配線４７０のための第２パッド４５５がそれぞれ接触されるキャパシタコンタクト領域及び下部配線コンタクト領域に区分する。これによって、半導体基板４００上にはそれぞれゲート構造物４３０、ゲートスペーサ４２５、および第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０を含むトランジスタが形成される。
再び図２８を参照すると、ゲート構造物４３０を覆い、かつ半導体基板４００上に酸化物を用いて第１層間絶縁膜４４５を形成する。第１層間絶縁膜４４５は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程を用いて第１層間絶縁膜４４５の上部を除去することで、第１層間絶縁膜４４５の上面を平坦化させる。
第１層間絶縁膜４４５上に、第２フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第２フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて第１層間絶縁膜４４５を部分的に異方性エッチングすることで、第１層間絶縁膜４４５に第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０を露出させる第１コンタクトホール（図示せず）を形成する。前記第１コンタクトホールの一部は、第１コンタクト領域４３５を露出させ、前記第１コンタクトホールの他の部分は、第２コンタクト領域４４０を露出させる。
前記第２フォトレジストパターンをアッシング及び／またはストリップ工程を通じて除去した後、第１コンタクト領域４３５及び第２コンタクト領域４４０を露出させる前記第１コンタクトホールを満たし、かつ第１層間絶縁膜４４５上に第１導電膜を形成する。前記第１導電膜は、高濃度の不純物でドープされたポリシリコン、または金属を用いて形成する。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程を用いて第１層間絶縁膜４４５の上面が露出されるまで、前記第１導電膜を部分的に除去することで、それぞれ前記第１コンタクトホールを満たす自己整列されたコンタクト（ＳＡＣ）パッドである第１パッド４５０及び第２パッド４５５を形成する。第１パッド４５０は、キャパシタコンタクト領域である第１コンタクト領域４３５に接触され、第２パッド４５５は下部配線コンタクト領域である第２コンタクト領域４４０に接触される。
第１パッド４５０及び第２パッド４５５を含む第１層間絶縁膜４４５上に第２層間絶縁膜４６０を形成する。第２層間絶縁膜４６０は、後続して形成される下部配線４７０と第１パッド４５０を電気的に絶縁させる。第２層間絶縁膜４６０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度プラズマ化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成する。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程を用いて第２層間絶縁膜４６０を部分的に除去することで、第２層間絶縁膜４６０の上面を平坦化させる。
第２層間絶縁膜４６０上に第３フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第３フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて第２層間絶縁膜４６０を部分的にエッチングすることで、第２層間絶縁膜４６０に、第１層間絶縁膜４４５に満たされた第２パッド４５５を露出させる第２コンタクトホール４６５を形成する。
図２９を参照すると、前記第３フォトレジストパターンをアッシング及び／またはストリップ工程を用いて除去した後、第２コンタクトホール４６５を満たし、かつ第２層間絶縁膜４６０上に第２導電膜を形成する。
前記第２導電膜上に第４フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第４フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて前記第２導電膜をエッチングすることで、第２コンタクトホール４６５を満たし、かつ第２層間絶縁膜４６０上に下部配線４７０を形成する。
化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度プラズマ気相蒸着工程、または原子層積層工程を用いて下部配線４７０を覆い、かつ第２層間絶縁膜４６０上に第３層間絶縁膜４７５を形成する。第３層間絶縁膜４７５は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を用いて形成される。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程で第３層間絶縁膜４７５を部分的に除去することで第３層間絶縁膜４７５の上面を平坦化させる。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程で第３層間絶縁膜４７５を部分的に除去することで第３層間絶縁膜４７５の上面を平坦化させる。
第３層間絶縁膜４７５上に第５フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第５フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて第３層間絶縁膜４７５及び第２層間絶縁膜４６０を部分的にエッチングすることで、第１パッド４５０を露出させる第３コンタクトホール（図示せず）を形成する。前記第３コンタクトホールは、それぞれキャパシタコンタクトホールに該当する。本発明の他の実施例によると、前記第３コンタクトホールを形成した後、追加的な洗浄工程を行って前記第３コンタクトホールを通じて露出される第１パッド４５０の表面に存在する自然酸化膜やポリマーまたは各種異物などを除去することができる。
再び図２９を参照すると、前記第３コンタクトホールを満たし、かつ第３層間絶縁膜４７５上に第３導電膜を形成した後、化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または、これらを組み合わせた工程を用いて第３層間絶縁膜４７５の上面が露出されるまで前記第３導電膜を部分的に除去することで、前記第３コンタクトホール内にそれぞれ第３パッド４８０を形成する。第３パッド４８０は、大体不純物でドープされたポリシリコンからなり、第１パッド４５０と後続して形成される下部電極５１５とを互いに電気的に連結させる役割を果たす。下部電極５１５は、第３パッド４８０及び第１パッド４５０を通じて第１コンタクト領域４３５に電気的に連結される。
第３パッド４８０及び第３層間絶縁膜４７５上に第１下部電極膜及び第２下部電極膜を順次形成する。前記第１下部電極膜は、第１金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、パルスレーザー蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。前記第２下部電極膜は、第１金属、第１金属酸化物及び／または第１合金を電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、パルスレーザー蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成する。本発明の他の実施例によると、前記第１下部電極膜を形成する前に、第３パッド４８０及び第３層間絶縁膜４７５上に金属または金属酸化物を用いて接着層を形成することができる。
前記第２下部電極膜上に強誘電体層を形成する。前記強誘電体層は、強誘電性物質や金属がドープされた強誘電性物質または強誘電体性を有する金属酸化物を有機金属化学気相蒸着工程、液相エピタキシ工程、ゾルゲル工程、化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。
前記強誘電体層上に第２金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成した後、前記第１上部電極膜上に第２合金を用いて第２上部電極膜を形成する。
前記第２上部電極膜を形成した後、前記第１及び第２上部電極膜を酸素ガス、窒素ガス、またはこれらの混合ガス雰囲気下で急速熱処理工程で熱処理する。
前記第２上部電極膜を形成した後、前記第１及び第２上部電極膜を酸素ガス、窒素ガス、またはこれらの混合ガス雰囲気下で急速熱処理工程で熱処理する。
再び図２９を参照すると、前記第１上部電極上にハードマスク（図示せず）を形成した後、前記ハードマスクをエッチングマスクとして用いて、前記第１上部電極膜、前記第１上部電極膜、前記強誘電体層、前記第２下部電極膜、及び前記第１下部電極膜を順序にパターニングすることで、第３パッド４８０及び第３層間絶縁膜４７５上に下部電極５１５、強誘電体層パターン４９５、及び上部電極５２０を含む強誘電体キャパシタ５２５を形成する。下部電極５１５は、第１下部電極膜パターン４８５及び第２下部電極膜パターン４９０を具備し、上部電極５２０は、第１上部電極膜パターン５００及び第２上部電極膜パターン５０５を含む。前述したエッチング工程を通じて、強誘電体キャパシタ５２５は、全体的に半導体基板４００に水平な方向に対して約８０°〜９０°の大きい角度に傾いた側壁を有する。
強誘電体キャパシタ５２５を覆い、かつ第３層間絶縁膜４７５上に障壁層５１０を形成する。障壁層５１０は、金属酸化物または金属窒化物を電子ビーム蒸着工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはスパッタリング工程で積層して形成される。障壁層５１０は、水素の拡散を抑制して強誘電体層パターン４９５の特性が低下することを防止する役割を果たす。
再び図２９を参照すると、障壁層５１０上に第４層間絶縁膜５３０を形成する。第４層間絶縁膜５３０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度プラズマ化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成される。
化学機械的研磨工程、エッチバック工程、または化学機械的研磨とエッチバックとを組み合わせた工程を用いて上部電極５２０が露出されるまで第４層間絶縁膜５３０及び障壁層５１０を部分的に除去する。
第４層間絶縁膜５３０及び露出された上部電極５２０上に化学気相蒸着工程、スパッタリング工程、または原子層積層工程を用いて第４導電膜を形成する。前記第４導電膜は、金属、導電性金属酸化物、または導電性金属窒化物を用いて形成する。
前記第４導電膜上に第６フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第６フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて前記第４導電膜をエッチングすることで、上部電極５２０に接触されるローカルプレートライン５３５を形成する。ローカルプレートライン５３５は、隣接する強誘電体キャパシタ５２５の上部電極５２０に共通的に接触される。
ローカルプレートライン５３５及び第４層間絶縁膜５３０上に第５層間絶縁膜５４０を形成する。第５層間絶縁膜５４０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度プラズマ化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成する。
図３０を参照すると、第５層間絶縁膜５４０上に金属または導電性金属窒化物をスパッタリング工程、原子層積層工程、または化学気相蒸着工程で蒸着して第５導電膜を形成する。
前記第５導電膜上に第７フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第７フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて前記第５導電膜をエッチングすることで、第５層間絶縁膜５４０上に部分的に上部配線５４５を形成する。
前記第１上部配線５４５及び第５層間絶縁膜５４０上に第６層間絶縁膜５５０を形成する。第６層間絶縁膜５５０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度プラズマ化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成する。
前記第１上部配線５４５及び第５層間絶縁膜５４０上に第６層間絶縁膜５５０を形成する。第６層間絶縁膜５５０は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＳＯＧ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＵＳＧ、またはＨＤＰ−ＣＶＤ酸化物を化学気相蒸着工程、プラズマ増大化学気相蒸着工程、高密度プラズマ化学気相蒸着工程、または原子層積層工程で蒸着して形成する。
第６層間絶縁膜５５０上に第８フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第８フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて第６層間絶縁膜５５０及び第５層間絶縁膜５４０を部分的にエッチングすることで、ローカルプレートライン５３５を露出させる。
露出されたローカルプレートライン５３５上に第６導電膜を形成する。前記第６導電膜は、アルミニウム、チタニウム、タングステン、チタニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物などをスパッタリング工程、原子層積層工程、または化学気相蒸着工程で蒸着して形成される。
前記第６導電膜上に第９フォトレジストパターン（図示せず）を形成した後、前記第９フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて前記第６導電膜をエッチングすることで、ローカルプレートライン５３５に接触されるメインプレートライン５５５を形成する。これによって、半導体基板４００上には、強誘電体キャパシタ５２５を含む半導体装置が完成する。
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離脱することなく、本発明を修正または変更できる。
１００、１５５、２２３、３２７ 第１下部電極膜
１０５、１６０、２２７、３３３ 第２下部電極膜
１１０、１６５、２３５、３４０、５１５ 下部電極
１１５、１７０、２３７、３４３ 強誘電体層
１２０、１７５、２４３、３４７ 第１上部電極膜
１２５、１８０、２４７、３５３ 第２上部電極膜
１３０、１８５、２５５、３５７、５２０ 上部電極
１４０、１９０ 強誘電体構造物
１５０、３２３ 接着層
２００、３００ 基板
２０５、３０５ 下部構造物
２１０、３１０ 絶縁構造物
２２０、３２０ パッド
２２５、３３０、４８５ 第１下部電極膜パターン
２３０、３３５、４９０ 第２下部電極膜パターン
２４０、３４５、４９５ 強誘電体層パターン
２４５、３５０、５００ 第１上部電極膜パターン
２５０、３５５、５０５ 第２上部電極膜パターン
２５７、３５９ ハードマスクパターン
２６０、３６０、５２５ 強誘電体キャパシタ
３２５ 接着層パターン
４００ 半導体基板
４０５ 素子分離膜
４１０ ゲート酸化膜パターン
４１５ ゲート電極
４２０ ゲートマスク
４２５ ゲートスペーサ
４３０ ゲート構造物
４３５ 第１コンタクト領域
４４０ 第２コンタクト領域
４４５ 第１層間絶縁膜
４５０ 第１パッド
４５５ 第２パッド
４６０ 第２層間絶縁膜
４７０ 下部配線
４７５ 第３層間絶縁膜
４８０ 第３パッド
５１０ 障壁層
５３０ 第４層間絶縁膜
５３５ ローカルプレートライン
５４０ 第５層間絶縁膜
５４５ 上部配線
５５０ 第６層間絶縁膜
５５５ メインプレートライン
１０５、１６０、２２７、３３３ 第２下部電極膜
１１０、１６５、２３５、３４０、５１５ 下部電極
１１５、１７０、２３７、３４３ 強誘電体層
１２０、１７５、２４３、３４７ 第１上部電極膜
１２５、１８０、２４７、３５３ 第２上部電極膜
１３０、１８５、２５５、３５７、５２０ 上部電極
１４０、１９０ 強誘電体構造物
１５０、３２３ 接着層
２００、３００ 基板
２０５、３０５ 下部構造物
２１０、３１０ 絶縁構造物
２２０、３２０ パッド
２２５、３３０、４８５ 第１下部電極膜パターン
２３０、３３５、４９０ 第２下部電極膜パターン
２４０、３４５、４９５ 強誘電体層パターン
２４５、３５０、５００ 第１上部電極膜パターン
２５０、３５５、５０５ 第２上部電極膜パターン
２５７、３５９ ハードマスクパターン
２６０、３６０、５２５ 強誘電体キャパシタ
３２５ 接着層パターン
４００ 半導体基板
４０５ 素子分離膜
４１０ ゲート酸化膜パターン
４１５ ゲート電極
４２０ ゲートマスク
４２５ ゲートスペーサ
４３０ ゲート構造物
４３５ 第１コンタクト領域
４４０ 第２コンタクト領域
４４５ 第１層間絶縁膜
４５０ 第１パッド
４５５ 第２パッド
４６０ 第２層間絶縁膜
４７０ 下部配線
４７５ 第３層間絶縁膜
４８０ 第３パッド
５１０ 障壁層
５３０ 第４層間絶縁膜
５３５ ローカルプレートライン
５４０ 第５層間絶縁膜
５４５ 上部配線
５５０ 第６層間絶縁膜
５５５ メインプレートライン
Claims (46)
- 第１金属窒化物を含む第１下部電極膜と、前記第１下部電極膜上に形成され、第１金属、第１金属酸化物、及び第１合金からなる群より選択された少なくとも一つを含む第２下部電極膜と、を有する下部電極と、
前記下部電極上に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成され、第２金属酸化物を含む第１上部電極膜と、前記第１上部電極膜上に形成され、第２合金を含む第２上部電極膜と、を有する上部電極と、を具備することを特徴とする強誘電体構造物。 - 前記第１下部電極膜は、チタニウム窒化物、アルミニウム窒化物、チタニウムアルミニウム窒化物、タンタル窒化物、タングステン窒化物、チタニウムシリコン窒化物、及びタンタルシリコン窒化物からなる群より選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第２下部電極膜は、イリジウム、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、及びイリジウムルテニウム合金からなる群より選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第２下部電極膜は、前記第１金属及び前記第１金属酸化物を含む二重膜構造を有することを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第１金属酸化物及び前記第１合金は、それぞれ前記第２金属酸化物及び前記第２合金と同一であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記強誘電体層は、ＢａＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＬＴ、ＰＬＺＴ、及びＢＳＴからなる群より選択されたいずれか一つの強誘電体物質を含むことを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第１上部電極膜は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、及びカルシウムルテニウム酸化物からなる群より選択されたいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第２上部電極膜は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、及び白金パラジウム合金からなる群より選択されたいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第２上部電極膜は、３０〜５０原子量％のイリジウム及び５０〜７０原子量％のルテニウムを含むことを特徴とする請求項８記載の強誘電体構造物。
- 前記第２上部電極膜内のイリジウムとルテニウムの含量比は、１：１．０〜１：１．４であることを特徴とする請求項８記載の強誘電体構造物。
- 前記第１下部電極膜の下に形成され、第２金属または第２金属窒化物を含む接着層を更に具備することを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記接着層は、チタニウム、タンタル、アルミニウム、タングステン、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物、及びタングステン窒化物からなる群より選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１記載の強誘電体構造物。
- 基板、及び、前記基板上に形成された下部構造体を含み、前記下部電極は、前記下部構造物に電気的に連結されて強誘電体キャパシタを提供することを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。
- 前記第２下部電極膜は、前記第１金属及び前記第１金属酸化物を含む二重膜構造を有することを特徴とする請求項１３記載の強誘電体構造物。
- 前記第１上部電極膜は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、及びカルシウムルテニウム酸化物からなる群より選択されたいずれか一つを含み、
前記第２上部電極膜は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金からなる群より選択されたいずれか一種を含むことを特徴とする請求項１３記載の級誘電体構造物。 - 前記第２上部電極膜は、３０〜５０原子量％のイリジウム、及び５０〜７０原子量％のルテニウムを含有するイリジウムルテニウム合金を含むことを特徴とする請求項１３記載の強誘電体構造物。
- 前記下部構造物を覆う絶縁構造物と、
前記絶縁構造物と前記第１下部電極膜との間に形成され、チタニウム、タンタル、アルミニウム、タングステン、チタニウム窒化物、タンタル窒化物、アルミニウム窒化物、及びタングステン窒化物からなる群より選択された少なくとも一つを含む接着層と、を更に具備することを特徴とする請求項１３記載の強誘電体構造物。 - コンタクト領域が形成された基板と、
前記基板上に形成された少なくとも一つの絶縁膜と、
前記絶縁膜を貫通して前記コンタクト領域に接触される少なくとも一つのパッドを更に含み、前記下部電極は前記パッド及び前記絶縁膜上に配置されることを特徴とする請求項１記載の強誘電体構造物。 - 前記第１金属酸化物及び前記第１合金は、それぞれ前記第２金属酸化物及び前記第２合金と同一であることを特徴とする請求項１８記載の強誘電体構造物。
- 前記第１上部電極膜は、インジウムスズ酸化物、イリジウム酸化物、ストロンチウムルテニウム酸化物、ストロンチウムチタニウム酸化物、ランタンニッケル酸化物、及びカルシウムルテニウム酸化物からなる群より選択されたいずれか一つを含み、
前記第２上部電極膜は、イリジウムルテニウム合金、イリジウム白金合金、イリジウムパラジウム合金、ルテニウム白金合金、ルテニウムパラジウム合金、及び白金パラジウム合金からなる群より選択されたいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１８記載の強誘電体構造物。 - 前記第２上部電極膜は、３０〜５０原子量％のイリジウム及び５０〜７０原子量％のルテニウムを含むことを特徴とする請求項１８記載の強誘電体構造物。
- 前記絶縁膜と前記第１下部電極膜との間に形成され、第２金属または第２金属窒化物を含む接着層を更に具備することを特徴とする請求項１８記載の強誘電体構造物。
- チタニウムアルミニウム窒化物及びイリジウムを含む下部電極と、
前記下部電極上に形成され、ＰＺＴを含む強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成され、３０〜５０原子量％のイリジウム及び５０〜７０原子量％のルテニウムを含有するイリジウムルテニウム合金と、ストロンチウムルテニウム酸化物と、を含む上部電極を具備する強誘電体構造物。 - 前記下部電極は、
前記チタニウムアルミニウム窒化物を含む第１下部電極膜と、
前記第１下部電極膜上に形成され、前記イリジウムを含む第２下部電極膜と、を具備することを特徴とする請求項２３記載の強誘電体構造物。 - 前記第１下部電極膜の下に形成され、チタニウムを含む接着層をさらに具備することを特徴とする請求項２４記載の強誘電体構造物。
- 前記上部電極は、
前記強誘電体層上に形成され、前記ストロンチウムルテニウム酸化物を含む第１上部電極膜と、
前記第１上部電極膜上に形成され、前記イリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜と、を具備することを特徴とする請求項２３記載の強誘電体構造物。 - 基板、及び、前記基板上に形成された下部構造体を含み、前記下部電極は、前記下部構造物に電気的に連結されて強誘電体キャパシタを提供することを特徴とする請求項２３記載の強誘電体構造物。
- 前記下部電極は、
前記下部構造物に電気的に連結され、前記チタニウムアルミニウム窒化物を含む第１下部電極膜パターンと、
前記第１下部電極膜パターン上に形成され、前記イリジウムを含む第２下部電極膜パターンと、を具備することを特徴とする請求項２７記載の強誘電体構造物。 - 前記下部構造物を覆う絶縁構造物と、
前記絶縁構造物と前記第１下部電極膜パターンとの間に形成され、チタニウムを含む接着層パターンと、を更に具備することを特徴とする請求項２８記載の強誘電体構造物。 - 前記上部電極は、
前記強誘電体層上に形成され、前記ストロンチウムルテニウム酸化物を含む第１上部電極膜パターンと、
前記第１上部電極膜パターン上に形成され、前記イリジウムルテニウム合金を含む第２上部電極膜パターンと、を具備することを特徴とする請求項２７記載の強誘電体構造物。 - 第１金属酸化物を用いて第１下部電極膜を形成する段階と、
第１金属、第１金属酸化物、及び第１合金からなる群より選択された少なくとも一つを用いて第２下部電極膜を前記第１下部電極膜上に形成する段階と、
前記第２下部電極膜上に強誘電体層を形成する段階と、
前記強誘電体層上に第２金属酸化物を用いて第１上部電極膜を形成する段階と、
前記第１上部電極膜上に第２合金を用いて第２上部電極膜を形成する段階と、を含むことを特徴とする強誘電体構造物の製造方法。 - 前記第１下部電極膜は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成されることを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記強誘電体層は、ゾルゲル工程、有機金属化学気相蒸着工程、原子層積層工程、液相エピタキシ工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成されることを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１上部電極膜は、電子ビーム蒸着工程、スパッタリング工程、化学気相蒸着工程、原子層積層工程、またはパルスレーザー蒸着工程を用いて形成されることを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第２上部電極膜は、スパッタリング工程を用いて形成されることを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第２上部電極膜は、イリジウムターゲット及びルテニウムターゲットからイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングして形成することを特徴とする請求項３５記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第２上部電極膜は、イリジウムルテニウム合金ターゲットからイリジウムルテニウム合金をスパッタリングして形成することを特徴とする請求項３５記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜を熱処理する段階を更に含むことを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜は、酸素ガス、窒素ガス、または酸素及び窒素の混合ガスの雰囲気下で５００℃〜７００℃の温度にて３０秒〜２分間熱処理されることを特徴とする請求項４１記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１下部電極膜を形成する前に、基板上に下部構造物を形成する段階を更に含み、前記第１下部電極膜は、前記第１金属窒化物を用いて前記下部構造物に電気的に連結されるように形成され、
前記第２上部電極膜を形成した後に前記第２上部電極膜、前記第１上部電極膜、前記強誘電体層、前記第２下部電極膜、及び前記第１下部電極膜をエッチングして下部電極、強誘電体層パターン、及び上部電極を形成して強誘電体キャパシタを形成することを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。 - 前記第２上部電極膜は、イリジウムターゲット及びルテニウムターゲットからイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングして形成されることを特徴とする請求項４０記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第２上部電極膜は、イリジウムルテニウム合金ターゲットからイリジウムルテニウム合金をスパッタリングして形成されることを特徴とする請求項４０記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜を急速熱処理工程で熱処理する段階を更に含むことを特徴とする請求項４０記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１下部電極膜を形成する前に、半導体基板にコンタクト領域を形成する段階と、前記半導体基板上に少なくとも一つの層間絶縁膜を形成する段階と、及び前記層間絶縁膜を貫通して前記コンタクト領域に接触される少なくとも一つのパッドを形成する段階と、を更に含み、前記第１下部電極膜は、前記第１金属窒化物を用いて前記パッド及び前記絶縁膜上に形成され、
前記第２上部電極膜を形成した後、前記第２上部電極膜、前記第１上部電極膜、前記強誘電体層、前記第２下部電極膜、及び前記第１下部電極膜をエッチングして下部電極、強誘電体層パターン及び上部電極を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項３１記載の強誘電体構造物の製造方法。 - 前記第２上部電極膜は、イリジウムターゲット及びルテニウムターゲットからイリジウム及びルテニウムを同時にスパッタリングして形成されるか、イリジウムルテニウム合金ターゲットからイリジウムルテニウム合金をスパッタリングして形成されることを特徴とする請求項４４記載の強誘電体構造物の製造方法。
- 前記第１上部電極膜及び第２上部電極膜を急速熱処理工程で熱処理する段階を更に含むことを特徴とする請求項４４記載の強誘電体構造物の製造方法。
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