JP2007115906A - 強誘電体キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＯＣＶＤ法により、１００ｎｍ以下の膜厚においても高い残留分極密度を有するタンタル酸ストロンチウムビスマス膜を備えた強誘電体キャパシタ、特に立体的な構造を有する強誘電体キャパシタを実現できるようにする。
【解決手段】強誘電体キャパシタは、基板１０の上に形成された強誘電体膜１２と、強誘電体膜１２の下に形成された下部電極１１と、強誘電体膜１０の上に形成された上部電極１３とを備えている。強誘電体膜１２は、少なくともストロンチウムと、ビスマスと、タンタルと、酸素とを含み、一般式がＳｒ_xＢｉ_yＴａ₂Ｏ₉（但し、０．６９≦ｘ≦０．８１であり、２．０９≦ｙ≦２．３１である。）で表される化合物である。
【選択図】図１

Description

本発明は、強誘電体キャパシタに関し、特に、タンタル酸ストロンチウムビスマス系材料からなる強誘電体膜を容量絶縁膜とする強誘電体キャパシタに関する。

強誘電体キャパシタの保持電荷量は、強誘電体膜の残留分極密度（２Ｐｒ）と分極発現面積との積で決まる。半導体装置の微細化が進むに従い、分極発現面積が縮小されるため、従来の平面構造キャパシタでは必要な電荷量を保持できなくなってきている。そこで、十分な分極発現面積を確保し且つキャパシタの占有面積を大幅に縮小するために立体構造キャパシタの開発が行われている。

立体構造キャパシタの実現には、高い２Ｐｒを有する強誘電体膜を均一に立体形成することが不可欠である。しかし、強誘電体膜の形成に現在用いられているスピンコート法及びスパッタ法では、強誘電体膜を立体的に形成することが困難であり、膜厚が均一な立体的構造を有する強誘電体膜を得ることが困難である。このため、新たな強誘電体膜の形成方法として有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法が注目されている。

強誘電体膜の２Ｐｒは、強誘電体膜の組成、製造方法及び膜厚等によって変化する。従って、ＭＯＣＶＤ法を用いて、高い２Ｐｒを有する強誘電体膜を得るためには、強誘電体膜の組成を最適化する必要がある。特許文献１には、ＭＯＣＶＤ法により高い２Ｐｒを有するタンタル酸ストロンチウムビスマス（Ｓｒ_xＢｉ_yＴａ₂Ｏ₉、以下ＳＢＴという。）を形成方法が開示されている。特許文献１によれば、ストロンチウムの組成比ｘ及びビスマスの組成比ｙをそれぞれ、０．９０≦ｘ＜１．００、１．７０＜ｙ≦３．２０とすることにより、２Ｖの電圧を印加した際に１６μＣ／ｃｍ²程度の高い２Ｐｒを示す強誘電体膜の膜組成が開示されている。
特表２００２−５８１２９号公報

しかしながら、前記従来のＭＯＣＶＤ法を用いた強誘電体膜の製造方法において、高い２Ｐｒを有する強誘電体膜が得られるのは、膜厚が３００ｎｍ程度の厚さの場合に限られるという問題がある。

強誘電体キャパシタは微細化とともに低電圧での高速書き込み動作を要求されている。書き込み速度は強誘電体膜に印加される電界の大きさに比例する。印加電界は印加電圧に比例し、強誘電体膜の膜厚に反比例する。従って、低電圧で高速書き込みを行うためには強誘電体膜の薄膜化が不可欠となる。また、立体構造キャパシタの占有面積は上部電極、強誘電体膜、下部電極のトータル膜厚によってほぼ決まるため、占有面積を縮小するためにも強誘電体膜の薄膜化は必要であり、ＳＢＴ膜の膜厚を１００ｎｍ以下にすることが求められている。

しかし、本願発明者は、実際に膜厚が１００ｎｍのＳＢＴ膜を形成したが、特許文献１に記載された組成においては、最大でも２Ｐｒが１０μＣ／ｃｍ²程度のＳＢＴ膜しか得られなかった。

本発明は、前記従来の問題を解決し、１００ｎｍ以下の膜厚においても高い残留分極密度を有するタンタル酸ストロンチウムビスマス膜を備えた強誘電体キャパシタを実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は強誘電体キャパシタを、一般式がＳｒ_xＢｉ_yＴａ₂Ｏ₉（但し、０．６９≦ｘ≦０．８１であり、２．０９≦ｙ≦２．３１である。）強誘電体膜により形成する構成とする。

具体的に本発明に係る第１の強誘電体キャパシタは、基板の上に形成された強誘電体膜と、強誘電体膜の下に形成された下部電極と、強誘電体膜の上に形成された上部電極とを備え、強誘電体膜は、一般式がＳｒ_xＢｉ_yＴａ_2-zＮｂ_zＯ₉（但し、０．６９≦ｘ≦０．８１であり、２．０９≦ｙ≦２．３１であり、ｚ＝０又は０．３５≦ｚ≦０．９８である。）で表される化合物であることを特徴とする。

第１の強誘電体キャパシタによれば、強誘電体膜は、一般式がＳｒ_xＢｉ_yＴａ_2-zＮｂ_zＯ₉（但し、０．６９≦ｘ≦０．８１であり、２．０９≦ｙ≦２．３１であり、ｚ＝０又は０．３５≦ｚ≦０．９８である。）で表される化合物であるため、強誘電体膜の膜厚が薄い場合にも、強誘電体膜が層状ペロブスカイト結晶構造をとりやすい。従って、低電圧で且つ高速に動作する強誘電体キャパシタを実現することが可能となる。またＮｂを含んでいる場合には、強誘電体膜の膜内における残留分極密度のばらつきを小さくすることができるので、強誘電体キャパシタの歩留まりを向上させることができる。

本発明の強誘電体キャパシタにおいて、ストロンチウムの組成比とビスマスの組成比との和は３．００±０．０７であることが好ましい。このような構成とすることにより、ストロンチウムの組成比とビスマスの組成比との和が、化学量論比である３とほぼ一致するため、良好な層状ペロブスカイト結晶構造を有する強誘電体膜を確実に形成することができる。

本発明の強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体膜の膜厚は１００ｎｍ以下であることを特徴することが好ましい。このような構成であっても、１４．２μＣ／ｃｍ²〜１７．４μＣ／ｃｍ²の残留分極密度を実現できる。

本発明の強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体膜は有機金属化学的気相堆積法により形成された膜であることが好ましい。このような構成とすることにより、残留分極密度が高い強誘電体膜を立体的に形成でき、微細な立体構造キャパシタを実現できる。

本発明の強誘電体キャパシタは、基板の上に形成され、凹部を有する層間絶縁膜をさらに備え、強誘電体膜は、凹部の壁面及び底面に沿って形成されており、強誘電体膜の凹部の壁面及び底面に形成された部分における膜厚の最大値と最小値との比は０．８以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、立体構造を有し、占有面積が小さい強誘電体キャパシタが実現できる。また、強誘電体膜の膜厚のばらつきが小さく、強誘電体膜に印加される電界の強さが均一となるため、高速に動作する強誘電体キャパシタが実現できる。

本発明の強誘電体キャパシタにおいて、下部電極は、凸状に形成され、強誘電体膜は、下部電極の側面及び上面に沿って形成されており、強誘電体膜の下部電極の側面及び上面に形成された部分における膜厚の最大値と最小値との比は０．８以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、立体構造を有し、占有面積が小さい強誘電体キャパシタが実現できる。また、強誘電体膜の膜厚のばらつきが小さく、高速に動作する強誘電体キャパシタが実現できる。

本発明の強誘電体キャパシタにおいて、下部電極は、金属酸化物の単層膜又は強誘電体膜に最も近い層が金属酸化物からなる積層膜であることが好ましい。金属酸化物電極は金属電極に比べ、ＳＢＴ層状ペロブスカイト結晶との格子不整合度が大きいため、ＳＢＴ膜を熱処理により結晶成長させる際に、残留分極密度がゼロであるｃ軸方位への結晶成長を緩和できる。従って、残留分極密度をさらに高くすることが可能となる。

本発明の強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体膜は希土類元素を含有することが好ましい。このような構成とすることにより、残留分極密度をさらに高くすることが可能となる。

本発明の強誘電体キャパシタによれば、ＭＯＶＣＤ法により、１００ｎｍ以下の膜厚においても高い残留分極密度を有するタンタル酸ストロンチウムビスマス膜を備えた強誘電体キャパシタ、特に立体的な構造を有する強誘電体キャパシタを実現できる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る強誘電体キャパシタの断面構成を示している。図１に示すように第１の実施形態に係る強誘電体キャパシタは、基板１０の上に形成された膜厚が５０ｎｍの酸化イリジウムからなる下部電極１１と、下部電極１１の上に形成された膜厚が６０ｎｍのタンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）膜１２と、ＳＢＴ膜１２の上に形成された膜厚が１００ｎｍの酸化イリジウムからなる上部電極１３とを備えた平面構造キャパシタである。

本実施形態の強誘電体キャパシタは、以下の方法で製造した。まず、シリコン基板１０の上にプラズマＣＶＤ法により膜厚が２００ｎｍの酸化シリコン膜（図示せず）を形成する。形成した酸化シリコン膜の上にスパッタ法により膜厚が５０ｎｍの酸化イリジウムからなる下部電極１１を形成する。次に、下部電極１１の上にＭＯＣＶＤ法により４００℃以下の基板温度で膜厚が６０ｎｍのＳＢＴ膜１２を堆積する。堆積されたＳＢＴ膜１２は、この段階ではアモルファスである。次に、ＳＢＴ膜１２の上にスパッタ法により膜厚が１００ｎｍの酸化イリジウムからなる上部電極１３を形成する。次に、上部電極１３の上に５０μｍ四方のレジストパターンを形成し、レジストをマスクとして上部電極１３及びＳＢＴ膜１２をエッチングする。次に、レジストを除去した後、酸素雰囲気にて８００℃で１分の熱処理を行いＳＢＴ膜１２を結晶化する。

ここで、ＳＢＴ膜組成はＳｒ、Ｂｉ及びＴａの各有機金属原料の基板への供給流量を調整することにより変更できる。なお、ＳＢＴ膜組成は蛍光Ｘ線装置（テクノス株式会社製、ＳＭＡＴ２２５０）を用いて評価した。

本実施形態の強誘電体キャパシタを用いて、残留分極密度（２Ｐｒ）の値とＳＢＴ膜組成との関係を調べた。図２に、組成領域Ａは従来例に係る組成領域であり、組成領域Ｂは本実施形態に係る組成領域である。図２において横軸はＴａ組成を２として規格化した際のＳｒ組成ｘであり、縦軸はＢｉ組成ｙである。組成領域Ａは、０．９０≦ｘ＜１．００及び１．７０＜ｙ≦３．２０の範囲であり、組成領域Ｂは、０．６９≦ｘ≦０．８１及び２．０９≦ｙ≦２．３１の範囲である。

図３は種々のＳｒ組成ｘ及びＢｉ組成ｙのＳＢＴ膜について残留分極密度２Ｐｒの値を測定した結果を示している。なお、２Ｐｒの値を測定する際にＳＢＴ膜に印加した電圧は１．８Ｖである。また、図中の直線はＳｒ組成ｘとＢｉ組成ｙとの和が３となるラインを示している。

従来例に係る組成領域Ａにおいては、２Ｐｒの値が６μＣ／ｃｍ²〜１２μＣ／ｃｍ²のＳＢＴ膜しか得ることができなかった。一方、図３に示すように本実施形態に係る組成領域Ｂにおいては、２Ｐｒの値が１４．２μＣ／ｃｍ²〜１７．６μＣ／ｃｍ²となり、安定して高い値が得られた。一例として、図４にＳｒ組成ｘが０．７９でＢｉ組成ｙが２．１８の場合におけるＳＢＴ膜のＰ−Ｖヒステリシス曲線を示す。この場合に得られた２Ｐｒの値は１６．６μＣ／ｃｍ²であった。

図３に示すように組成領域Ｂのｘ＋ｙ＝３．００±０．０７の関係を満たす直線の近傍において特に高い２Ｐｒが得られている。一方、組成領域Ｂをはずれた領域においては、２Ｐｒの値が急激に低下している。このように、組成領域Ｂにおいて組成領域Ａを含む他の領域と比べて２Ｐｒの値が高いＳＢＴ膜を得ることができた理由を以下に説明する。

２Ｐｒの値は、ＳＢＴ膜の組成及び結晶品質に依存する。ＳＢＴ膜の組成は、ＳＢＴ膜の製造方法によらず、一般にＳｒ欠損（ｘ＜１）、Ｂｉ過剰（ｙ＞２）が良いとされる。これは、Ｓｒ原子サイトにＢｉ原子が置換した結晶構造となる結果、各構成原子が大きく変位するためと考えられている。２Ｐｒの値と各原子の変位量との間には比例関係がある。

結晶品質は、熱処理条件及び熱処理前のＳＢＴ膜の膜質に依存する。以下では、熱処理による層状ペロブスカイト結晶化前のＳＢＴ膜のことをＳＢＴ前駆体と呼ぶ。ＳＢＴ前駆体が層状ペロブスカイト結晶構造に原子再配置しやすい構造又は組成を有している場合には、熱処理により良好な結晶品質が得られる。ＳＢＴ前駆体は、その製造方法（原料の選択を含む）によって、巨視的構造は同じアモルファスであっても微視的構造は異なると考えられる。以下に、ＭＯＣＶＤ法によりＳＢＴ前駆体を堆積した場合の微視的構造についって説明する。なお、ＭＯＣＶＤ法における基板温度は４００℃以下の場合を想定している。

ＭＯＣＶＤ法とスパッタ法とにより同一基板温度（４００℃以下）でＳＢＴ前駆体を成膜したときのＳＢＴ前駆体の構造には次のような違いがあると推測される。ＭＯＣＶＤ法では、基板表面において有機金属原料の熱分解及び化学反応が起こることにより成膜が行われる。一方、スパッタ法では基板表面においてターゲット材料の化学反応はほとんど起こらず、物理的に成膜が行われる。従って、成膜の際に化学反応が生じているＭＯＣＶＤ法により成膜したＳＢＴ前駆体は、スパッタ法により成膜したＳＢＴ前駆体と比べて層状ペロブスカイトに近い構造になっていると考えられる。

従って、ＭＯＣＶＤ法で成膜したＳＢＴ前駆体は、その組成が層状ペロブスカイト結晶の化学量論組成と同じときに最も層状ペロブスカイト結晶に原子再配置しやすく、良好な結晶品質が得られると考えられる。化学量論組成はｘが１及びｙが２である。このため、ｘとｙとの和が３付近の場合には、層状ペロブスカイトのＳｒ原子サイトをＢｉ原子で置換するような組成となり、原子再配置が行われやすいと考えられる。つまり、ＭＯＣＶＤ法で製造したＳＢＴ膜が高い２Ｐｒを示すためには、Ｓｒ組成ｘとＢｉ組成ｙとの和が３付近である必要があると考えられる。

但し、Ｓｒ組成ｘには最適な範囲がある。すでに述べたように、Ｓｒ組成ｘを少なくするほど各構成原子の変位量が大きくなり２Ｐｒの値が増加する傾向が認められる。しかし、Ｓｒ組成ｘが小さくなりすぎると層状ペロブスカイト構造を維持することができなくなり、結晶欠陥が増えるため、逆に２Ｐｒの値が低下する。これが、図３に示すように組成領域Ｂをはずれた領域においては２Ｐｒの値が急激に低下する原因であると考えられる。

以上より、ＭＯＣＶＤ法により形成された組成領域Ｂを満たす組成のＳＢＴ膜は、膜厚を１００ｎｍ以下とした場合においても安定して高い２Ｐｒの値を示す。その結果、低電圧で高速書き込みが可能な強誘電体キャパシタが実現できる。

なお、本実施形態の強誘電体キャパシタにおいては、電極材料に酸化イリジウムを用いている。このように電極材料に酸化イリジウムを用いることにより、２Ｐｒの値を向上させることが可能となる。

例えば、組成領域Ａに含まれる組成のＳＢＴ膜を用いて強誘電体キャパシタを形成する際に、白金を電極材料とした場合には、２Ｐｒの値が５μＣ／ｃｍ²〜１０μＣ／ｃｍ²となった。しかし、酸化イリジウムを電極材料とした場合には、２Ｐｒの値が６μＣ／ｃｍ²〜１２μＣ／ｃｍ²となり、電極材料に白金を用いた場合よりも２Ｐｒの値が向上した。

また、組成領域Ｂに含まれる組成のＳＢＴ膜を用いた場合にも同様に、電極材料を酸化イリジウムとした方が２Ｐｒの値が向上した。白金を電極材料とした場合には、２Ｐｒの値が８μＣ／ｃｍ²〜１０μＣ／ｃｍ²であったのに対し、酸化イリジウムを電極材料とした場合には、２Ｐｒの値が１４．２μＣ／ｃｍ²〜１７．６μＣ／ｃｍ²となった。

このように、電極材料によって２Ｐｒの値が変化する理由は、酸化イリジウム等の金属酸化物はイリジウムや白金等の金属と比べて、一般にアモルファス成分が多いため、ＳＢＴ層状ペロブスカイト結晶との格子不整合度が大きく、ＳＢＴ膜を熱処理により結晶化させる際に残留分極密度がゼロであるｃ軸方位への結晶成長を緩和できたためと考えられる。本実施形態においては金属酸化物として酸化イリジウムを用いているが、酸化ルテニウム又は酸化ストロンチウムルテニウムなどを用いてもよい。

また、下部電極とタングステン等のプラグが接続されている場合に、下部電極に金属酸化物を用いると、プラグが酸化される恐れがある。このような場合には、下部電極を積層構造とし、ＳＢＴ膜と接する部分を金属酸化膜とし、プラグと接する部分を白金等の金属膜とすればよい。また、酸素バリア膜を設けてもよい。

（第１の実施形態の一変形例）
以下に、第１の実施形態の一変形例について図面を参照して説明する。第１の実施形態の一変形例に係る強誘電体キャパシタは、ＳＢＴ膜のタンタル（Ｔａ）の一部がニオブ（Ｎｂ）に置換されていることを特徴とする。従って、本変形例の強誘電体膜は一般式がＳｒ_xＢｉ_yＴａ_2-zＮｂ_zＯ₉（但し、０．６９≦ｘ≦０．８１であり、２．０９≦ｙ≦２．３１であり、０．３５≦ｚ≦０．９８である。）で表されるＳＢＴＮ膜である。

本変形例の強誘電体キャパシタは、強誘電体膜としてＳＢＴＮ膜を形成する以外は、第１の実施形態と同様の方法により形成することができる。ＳＢＴＮ膜は、ＭＯＣＶＤ法により強誘電体膜を成膜する際にＮｂを含む化合物を原料にさらに加えて基板に供給することにより形成する。本変形例においては、ｘを０．７２、ｙを２．２５とし、ＴａとＮｂの組成だけを変えるように各原料流量の配分を調整した。

図５はこのようにして形成した強誘電体キャパシタにおける２Ｐｒの値とＮｂ組成ｚとの相関を示している。図５に示す２Ｐｒの値は、８インチウェハの上に複数の強誘電体キャパシタを形成し、ウェハ面内の９点について２Ｐｒの値を測定した平均値である。また、本変形例においては、強誘電体膜を結晶化する際の熱処理温度が７９０℃の場合と、８００℃の場合についての比較も行った。

図５に示すように強誘電体膜を結晶化する熱処理温度が高い方が、２Ｐｒの平均値が大きくなった。これは、熱処理温度が高い方がＳＢＴ膜の結晶性が向上するためである。しかし、２Ｐｒの平均値はＮｂの組成ｚが変化しても一定の値を示した。これは熱処理温度が７９０℃の場合も、８００℃の場合も同じであった。

図６は２Ｐｒの値のばらつき（σ／Ａｖｅ）とＮｂ組成ｚとの相関を示している。図６においてばらつきは、ウェハ面内の９点における２Ｐｒの標準偏差σを平均値Ａｖｅで割った値を示している。図６に示すようにＮｂ組成ｚの値が小さい場合には、２Ｐｒの値のばらつきが大きく、特に熱処理温度が低いほどばらつきが大きい。しかし、Ｎｂ組成ｚが増加するに従いばらつきが小さくなり、Ｎｂ組成ｚが７％の場合には、熱処理温度が７９０℃の場合及び８００℃の場合のいずれについても、ばらつきが１０％以下となった。

以上の結果から、Ｎｂ組成ｚを０．３５以上とすることにより、結晶化が不十分であるため２Ｐｒの値が低くなる７９０℃で１分の熱処理の場合においても、２Ｐｒの値のウェハ面内におけるばらつきを、８００℃で１分の熱処理の場合と同等にすることができる。２Ｐｒの値のばらつきを小さくすることにより、強誘電体キャパシタの歩留まりを向上させることが可能となる。また、熱処理温度を低くすることができ、基板に形成された他の素子に対するダメージを低減することができる。

一方、Ｎｂ組成ｚの増加に伴い、図７に示すように抗電圧（２Ｖｃ）が増加する。低電圧で高速の書き込み動作を行うためには２Ｖｃの値が小さい必要があるため、Ｎｂ組成には上限がある。例えば、印加電圧が１．８Ｖの場合に数百ナノ秒でデータを十分に書き込むためには２Ｖｃの値は１．２Ｖ以下であることが好ましい。Ｎｂ組成ｚが０．１８及び０．３５の場合の２Ｖｃの値を元に、２Ｖｃの値が１．２ＶとなるＮｂ組成ｚを外挿により求めると０．９８となる。従ってＮｂ組成ｚは０．３５以上且つ０．９８以下とすることが好ましい。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図８は第２の実施形態に係る強誘電体キャパシタの断面構成を示している。図８に示すように本実施形態の強誘電体キャパシタは断面凹型（コンケーブ型）の立体構造を有する強誘電体キャパシタである。基板１０の上に形成された層間絶縁膜２０には、凹部２４が形成されており、凹部２４の底面には酸化イリジウムからなる下部電極２１が形成され、凹部２４の側壁には酸化イリジウムからなる下部電極２３が形成されている。なお、下部電極２１と下部電極２３とは一体となっている。下部電極２１の上及び層間絶縁膜２０の上面における凹部２４の周辺領域にはＳＢＴ膜である強誘電体膜２２が形成されている。強誘電体膜２２の上には酸化イリジウムからなる上部電極２５が形成されている。

本実施形態の強誘電体キャパシタの製造方法は、以下の通りである。まず、シリコン基板１０の上にプラズマＣＶＤ法により膜厚が２００ｎｍの酸化シリコン膜（図示せず）を形成する。次に、酸化シリコン膜の上にスパッタ法により膜厚が１００ｎｍの酸化イリジウムからなる下部電極２１を形成する。

次に、下部電極２１の上にプラズマＣＶＤ法により酸化シリコンからなる膜厚が６００ｎｍの層間絶縁膜２０を形成する。次に、パターニングしたレジストをマスクとして、層間絶縁膜２０及び下部電極２１の一部をエッチングし、凹部２４を形成する。この際に、下部電極２１を約５０ｎｍエッチングすることにより、エッチングされた下部電極２１が凹部２４の側壁に再デポして、凹部２４の側壁に酸化イリジウムからなる下部電極２３が形成される。

次に、レジストを除去した後、ＭＯＣＶＤ法によりＳＢＴ膜２２を形成する。この際に、凹部２４の側壁に沿って形成されるＳＢＴ膜を、最も薄い部分の膜厚が約６０ｎｍとなり、Ｓｒ組成ｘが０．７９、Ｂｉ組成ｙが２．１８となるように原料流量の配分と成膜時間を調整する。実際に、ＳＥＭ断面観察によるエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により、凹部２４の側壁に沿って形成したＳＢＴ膜の組成を測定したところ、ほぼ目標組成が得られた。

次に、ＳＢＴ膜２２の上にスパッタ法により膜厚が１００ｎｍの酸化イリジウムからなる上部電極２５を形成した後、酸素雰囲気にて８００℃で１分の熱処理を行いＳＢＴ膜２２を結晶化する。

図９は上部電極形成前の本実施形態に係る強誘電体キャパシタの断面構成を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果を示している。図９に示した結果から凹部２４の側壁及び底面に沿って形成されたＳＢＴ膜２２の膜厚が最も厚い部分の膜厚と、最も薄い部分の膜厚をを求めた。その結果、最も厚い部分の膜厚は７３．３ｎｍであり、最も薄い部分の膜厚は６６．７ｎｍであった。従って、最も膜厚が薄い部分の膜厚を最も膜厚が厚い部分の膜厚で割った膜厚比は０．９１であった。

強誘電体膜に印加される電界の大きさは、強誘電体膜の膜厚に依存する。従って、強誘電体キャパシタにおいて強誘電体膜の膜厚にばらつきがある場合には、強誘電体キャパシタ内において、強誘電体膜に印加される電界の大きさがばらつき、高速な書き込み動作ができなくなる恐れがある。このため、強誘電体膜の膜厚比は０．８以上とする必要がある。このような膜厚比が大きな強誘電体膜を従来のスパッタ法等により形成することは実質的に不可能である。しかし、本実施形態の強誘電体キャパシタは、ＭＯＣＶＤ法により強誘電体膜を形成しているため、ＳＢＴ膜の膜厚比を非常に高くすることができる。従って、膜厚が最も厚い部分に印加される電界の大きさと、最も薄い部分に印加される電界の大きさとに有意な差が生じず、高速な書き込みが可能となる。また、ＳＢＴ膜の最も厚い部分においても膜厚が７３ｎｍと薄いため、２Ｖ以下の低電圧において高速な書き込みが可能である。

また、本実施形態の立体構造を有する強誘電体キャパシタに用いたＳＢＴ膜は、膜厚が１００ｎｍ以下であっても１６．６μＣ／ｃｍ²という高い２Ｐｒの値を発現できるので、微細な立体キャパシタが実現できる。

なお、本実施形態の強誘電体キャパシタにおいても、第１の実施形態の一変形例と同様にＳＢＴＮ膜を用いてもよい。

（第２の実施形態の一変形例）
以下に、本発明の第２の実施形態の一変形例について図面を参照して説明する。図１０は第２の実施形態の一変形例に係る強誘電体キャパシタの断面構成を示している。

図１０に示すように本変形例の強誘電体キャパシタは、シリコン基板１０の上に形成された凸状の下部電極３１と、下部電極３１の側面及び上面に沿って形成されたＳＢＴ膜３２と、ＳＢＴ膜３２を覆う上部電極３３とから形成されている。このような、凸状の下部電極の側面及び上面に沿って強誘電体膜が形成された、立体構造を有する強誘電体キャパシタにおいても、ＳＢＴ膜の膜厚を薄く且つ膜厚のばらつきを小さくすることができるため、低電圧において高速な書き込みが可能な強誘電体キャパシタを実現できる。

なお、各実施形態及び変形例において、強誘電体膜が若干の希土類元素を含んでいてもよい。希土類元素を添加することにより、２Ｐｒの値をさらに向上させることが可能である。希土類元素としては、プラセオジム等を用いればよく、添加量は１％未満が好ましい。

なお、各実施形態及び変形例において、記載を省略したが、ＭＯＳトランジスタ及びＭＯＳトランジスタと強誘電体キャパシタとを接続するコンタクトプラグ等が形成されていてもよい。

本発明の強誘電体キャパシタは、１００ｎｍ以下の膜厚においても高い残留分極密度を有するタンタル酸ストロンチウムビスマス膜を備えた強誘電体キャパシタを実現できるという効果を有し、強誘電体メモリ等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る強誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜の膜組成を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る強誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜の膜組成と残留分極密度との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る強誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜のＰ−Ｖヒステリシス曲線の一例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の一変形例に係る強誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜のニオブ組成と残留分極密度との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の一変形例に係る強誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜のニオブ組成と残留分極密度のばらつきとの関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の一変形例に係る強誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜のニオブ組成と抗電圧との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る強誘電体キャパシタの上部電極形成前における断面を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の第２の実施形態の一変形例に係る強誘電体キャパシタを示す断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 下部電極
１２ 強誘電体膜
１３ 上部電極
２０ 層間絶縁膜
２１ 下部電極
２２ 強誘電体膜
２３ 下部電極
２４ 凹部
２５ 上部電極

Claims (8)

1. 基板の上に形成された下部電極と、
   前記下部電極の上に形成された強誘電体膜と、
   前記強誘電体膜の上に形成された上部電極とを備え、
   前記強誘電体膜は、一般式がＳｒ_xＢｉ_yＴａ_2-zＮｂ_zＯ₉（但し、０．６９≦ｘ≦０．８１であり、２．０９≦ｙ≦２．３１であり、ｚ＝０又は０．３５≦ｚ≦０．９８である。）で表される化合物であることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
2. 前記ストロンチウムの組成比とビスマスの組成比との和は３．００±０．０７であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。
3. 前記強誘電体膜の膜厚は０ｎｍよりも大きく且つ１００ｎｍ以下であることを特徴することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の強誘電体キャパシタ。
4. 前記強誘電体膜は有機金属化学的気相堆積法により形成された膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の強誘電体キャパシタ。
5. 前記基板の上に形成され、凹部を有する層間絶縁膜をさらに備え、
   前記強誘電体膜は、前記凹部の壁面及び底面に沿って形成されており、
   前記強誘電体膜における前記凹部の壁面及び底面に形成された部分の膜厚の最大値と最小値との比の値は０．８以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の強誘電体キャパシタ。
6. 前記下部電極は、断面凸状に形成され、
   前記強誘電体膜は、前記下部電極の側面及び上面に沿って形成されており、
   前記強誘電体膜における前記下部電極の側面及び上面に形成された部分の膜厚の最大値と最小値との比の値は０．８以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の強誘電体キャパシタ。
7. 前記下部電極は、金属酸化物の単層膜又は前記強誘電体膜に最も近い層が金属酸化物からなる積層膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の強誘電体キャパシタ。
8. 前記強誘電体膜は希土類元素を含有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の強誘電体キャパシタ。