JP2008075134A - イリジウム酸化膜、電極、誘電体キャパシタ、及び半導体装置、並びにこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イリジウム酸化膜の表面上に他の膜を形成した場合に、その他の膜とイリジウム酸化膜との界面における密着性の高い、イリジウム酸化膜、及びその製造方法、また、金属膜とイリジウム酸化膜との界面における密着性の高い電極、誘電体キャパシタ、及び半導体装置、並びにこれらの製造方法を提供する。
【解決手段】（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜である。また、イリジウムを含むターゲットを用い、酸素を含むガスを導入しながらスパッタリングする反応性スパッタリング法により、成膜温度が２７５℃以上４００℃以下の条件およびスパッタ圧力が０．６９Ｐａ（５．２ｍＴｏｒｒ）以上１．０９Ｐａ（８．２ｍＴｏｒｒ）以下の条件下で、イリジウム酸化膜を形成する方法である。
【選択図】図５

Description

本発明は、イリジウム酸化膜、電極、誘電体キャパシタ、及び半導体装置、並びにこれらの製造方法に関するものである。

これまでに実用化されている誘電体キャパシタを用いた半導体装置の多くは、プレーナー型と呼ばれる構造を有している。プレーナー型は、誘電体キャパシタの下部電極がプレート線になっており、上部電極がセルトランジスタの拡散層と電気的に接続されている構造である。

しかし、プレーナー型の構造においては、セルトランジスタ直上に誘電体キャパシタを形成することが困難であり、そのため１つのセルがトランジスタ領域とキャパシタ領域それぞれに分かれていることとなり、半導体回路の微細化には適さない。

一方、半導体回路の微細化を勧めるために、スタック型の半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１）。スタック型は、誘電体キャパシタの上部電極をプレート線とし（あるいは上部電極をプレート線と電気的に接続し）、下部電極をトランジスタの拡散層と電気的に接続した構造を有している。

よってスタック型の構造を用いる場合は、プレーナー型の構造を用いる場合と異なり、下部電極を構成する膜はすべて導電膜でなくてはならない。そこで、上方からＰｔ膜／ＩｒＯｘ膜／Ｉｒ膜／ＴｉＡｌＮ膜の順に積層させた下部電極の構造が提案されており（例えば、特許文献２）、Ｐｔ膜の上にはＢｉ層状強誘電体（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）膜やチタン酸ジルコン酸塩（Ｐｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３）膜等の強誘電体膜が形成され、ＴｉＡｌＮ膜の下にはＷプラグあるいはポリＳｉプラグが形成された形で用いられている。
特開平９−１０２５９１号公報 特開２００１−２３７３９５号公報

誘電体キャパシタを製造する際には、下部電極上に誘電体膜を形成した後、酸素雰囲気において熱処理をする工程が不可欠である。よって上記のように、金属膜等の他の膜とイリジウム酸化膜を積層させた下部電極を用いる場合、それぞれの膜における熱膨張係数が異なるため、酸素雰囲気下における熱処理によって非常に大きな熱ストレスが発生し、他の膜とイリジウム酸化膜との界面で剥離が生じてしまうという問題があった。

特に、プラチナ膜は表面に酸化物を形成しづらい上に、プラチナ膜の熱膨張係数とイリジウム酸化膜の熱膨張係数との差は非常に大きい。そのため、上記他の膜がプラチナを含む金属膜である場合には、界面における剥離の問題がよりいっそう生じやすくなる。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、イリジウム酸化膜の表面上に他の膜を形成した場合に、その他の膜とイリジウム酸化膜との界面における密着性の高い、イリジウム酸化膜、及びその製造方法を提供することを目的とする。また本発明は、金属膜とイリジウム酸化膜との界面における密着性の高い電極、誘電体キャパシタ、及び半導体装置、並びにこれらの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明のイリジウム酸化膜は、（１１０）結晶面が選択的に配向していることを特徴としている。

本発明のイリジウム酸化膜では、（１１０）結晶面が選択的に配向していることにより、従来の膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、イリジウム酸化膜の表面上に他の膜（例えば金属膜等）を形成した場合における、他の膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高くすることができる。

本発明のイリジウム酸化膜の製造方法は、イリジウムを含むターゲットを用い、酸素を含むガスを導入しながらスパッタリングする反応性スパッタリング法により、成膜温度が２７５℃以上４００℃以下の条件およびスパッタ圧力が０．６９Ｐａ（５．２ｍＴｏｒｒ）以上１．０９Ｐａ（８．２ｍＴｏｒｒ）以下の条件下で、イリジウム酸化膜を形成することを特徴としている。

本発明のイリジウム酸化膜の製造方法では、上記条件下により（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜を形成することができるため、イリジウム酸化膜の表面上に他の膜（例えば金属膜等）を形成した場合における、他の膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性が高い、イリジウム酸化膜を得ることができる。

本発明の電極は、前記本発明のイリジウム酸化膜と、前記イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜と、を含むことを特徴としている。

本発明の電極では、上述したように本発明のイリジウム酸化膜が（１１０）結晶面が選択的に配向していることにより、従来の膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性が高く、界面における剥離を防止することができる。

本発明の電極において、前記金属膜としては、プラチナを含む膜が挙げられる。

本発明の電極の製造方法は、前記本発明のイリジウム酸化膜の製造方法を用いてイリジウム酸化膜を形成するイリジウム酸化膜形成工程と、前記イリジウム酸化膜の表面上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の電極の製造方法では、上述したように、本発明のイリジウム酸化膜の製造方法により、（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜を形成し、その表面上に金属膜を形成することができるため、金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高く、界面における剥離が起こりにくい電極を得ることができる。

本発明の電極の製造方法において、前記金属膜としては、プラチナを含む膜が挙げられる。

本発明の誘電体キャパシタは、前記本発明のイリジウム酸化膜、及び、前記イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜を少なくとも有する第一電極と、前記第一電極の前記金属膜の表面上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜の表面上に形成された第二電極と、を備えることを特徴としている。

本発明の誘電体キャパシタでは、上述したように、第一電極に含まれる本発明のイリジウム酸化膜が、（１１０）結晶面が選択的に配向していることにより従来の膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高くし、界面における剥離を防止することにより、誘電体キャパシタとしての性能を最大限に引き出すことができる。

本発明の誘電体キャパシタにおいて、前記金属膜としては、プラチナを含む膜が挙げられる。

本発明の誘電体キャパシタの製造方法は、前記本発明の電極の製造方法を用いて第一電極を形成する第一電極形成工程と、前記第一電極の前記金属膜の表面上に誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、前記誘電体膜の表面上に第二電極を形成する第二電極形成工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の誘電体キャパシタの製造方法では、上述したように、本発明の電極の製造方法により、（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜の上に金属膜が形成された第一電極を形成することができるため、金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高く、界面における剥離が起こりにくいことから、性能の高い誘電体キャパシタを得ることができる。

本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたトランジスタと、前記半導体基板の上方に配設された前記本発明の誘電体キャパシタであって、前記半導体基板側から、前記第一電極、前記誘電体膜、前記第二電極が順次形成された誘電体キャパシタと、を備えることを特徴としている。

本発明の半導体装置では、上述したように、第一電極に含まれる本発明のイリジウム酸化膜が、（１１０）結晶面が選択的に配向していることにより従来の膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高くし、界面における剥離を防止することにより、半導体装置の性能を最大限に引き出すことができる。

本発明の半導体装置において、前記誘電体キャパシタの前記第一電極と、前記トランジスタと、が電気的に接続されていることが好適である。

上記構成においては、例えばトランジスタ直上にキャパシタを設けることができるので、微細化に適する。これに加え、上述したように、第一電極に含まれる本発明のイリジウム酸化膜が（１１０）結晶面が選択的に配向していることにより、従来の膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高くし、界面における剥離を防止することにより、半導体装置の性能を最大限に引き出すことができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板を準備する半導体基板準備工程と、前記半導体基板にトランジスタを形成するトランジスタ形成工程と、前記半導体基板の上方に、本発明の誘電体キャパシタの製造方法を用いて誘電体キャパシタを形成する誘電体キャパシタ形成工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の半導体装置の製造方法では、上述したように、本発明の誘電体キャパシタの製造方法により、（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜の上に金属膜が形成された第一電極を形成することができるため、金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性が高く、界面における剥離が起こりにくいことから、性能の高い半導体装置を得ることができる

本発明の半導体装置の製造方法において、前記誘電体キャパシタの前記第一電極と、前記トランジスタと、を電気的に接続する接続工程を更に含むことが好適である。

上記工程においては、例えばトランジスタ直上にキャパシタを設けることができるので、微細化に適する。これに加え、上述したように、本発明の誘電体キャパシタの製造方法により、（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜の上に金属膜が形成された第一電極を形成することができるため、金属膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性が高く、界面における剥離が起こりにくいことから、性能の高い半導体装置を得ることができる。

本発明によれば、イリジウム酸化膜の表面上に他の膜を形成した場合に、その他の膜とイリジウム酸化膜との界面における密着性の高い、イリジウム酸化膜、及びその製造方法を提供することができる。また本発明によれば、金属膜とイリジウム酸化膜との界面における密着性の高い電極、誘電体キャパシタ、及び半導体装置、並びにこれらの製造方法を提供することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。

［１］イリジウム酸化膜
本発明のイリジウム酸化膜は、（１１０）結晶面が選択的に配向している。本発明において「（１１０）結晶面が選択的に配向している」とは、（１１０）結晶面からのＸ線回折強度をＩ_１１０、（２００）結晶面からのＸ線回折強度をＩ_２００とした場合において、Ｉ_１１０／Ｉ_２００の値が８以上またはＩ_２００＝０であることを意味する。

Ｉ_１１０／Ｉ_２００値は、２０以上であることが好ましく、３０以上であることがより好ましい。

またＸ線回折強度は、市販のＸ線回折装置（例えば、島津製作所製、ＭＡＸＩＭＡ＿Ｘ ＸＲＤ−７０００）を用いて測定することができる。
ちなみに、Ｘ線回折強度の絶対値（例えば、Ｉ_１１０、Ｉ_２００など）は、Ｘ線源の強度、サンプル膜厚、積算時間等に依存した非物理量となるが、本発明において定義したＩ_１１０／Ｉ_２００値は同一サンプルにおけるＩ_１１０値とＩ_２００値との比であるため、測定条件に依存せず、純粋に膜中に含まれる結晶面の配向比を示している。（１１０）結晶面の配向と（２００）結晶面の配向が１：１で混合しているイリジウム酸化膜（例えば、パウダー状態等）のＩ_１１０／Ｉ_２００値は４となる（例えば、ＪＣＰＤＳカード参照）。

本発明のイリジウム酸化膜の製造方法は、「イリジウムを含むターゲット」を用い、「酸素を含むガス」を導入しながらスパッタリングする反応性スパッタリング法により、成膜温度が２７５℃以上４００℃以下の条件およびスパッタ圧力が０．６９Ｐａ（５．２ｍＴｏｒｒ）以上１．０９Ｐａ（８．２ｍＴｏｒｒ）以下の条件下で、イリジウム酸化膜を形成する。

本発明において成膜温度とは、スパッタリング中における基板の温度を言う。成膜温度は、２７５℃以上４００℃以下であるが、３００℃以上３５０℃以下が好ましく、３１５℃以上３３５℃以下がより好ましい。

本発明においてスパッタ圧力とは、成膜チャンバー内における「酸素を含むガス」の全圧力を言う。スパッタ圧力は、０．６９Ｐａ（５．２ｍＴｏｒｒ）以上１．０９Ｐａ（８．２ｍＴｏｒｒ）であるが、０．７６Ｐａ（５．７ｍＴｏｒｒ）以上１．０３Ｐａ（７．７ｍＴｏｒｒ）以下が好ましい。

成膜温度及びスパッタ圧力を上記条件とすることで、（１１０）結晶面が選択的に配向するイリジウム酸化膜が得られる。具体的には、例えばＩ_１１０／Ｉ_２００値が８以上のイリジウム酸化膜が得られる。

「イリジウムを含むターゲット」においては、例えば、純度が３Ｎ５（９９．９５％）以上（好ましくは４Ｎ（９９．９９％）以上）のイリジウム単体が用いられる。

「酸素を含むガス」においては、例えば不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いることができる。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、二酸化炭素ガス、希ガス等が挙げられる。希ガスとしては例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガスなどが挙げられる。これらの中でも希ガスが好ましく、特にアルゴンガスが好ましい。

「酸素を含むガス」中に含まれる酸素の含有量は、酸素ガスの流量をＦ_Ｏ２、酸素以外のガスの流量をＦ_Ｉとすると、Ｆ_Ｏ２／Ｆ_Ｉ値が０．２５以上０．４０以下であること好ましく、０．３以上０．３５以下であることがより好ましい。

スパッタリング時の出力（ＤＣスパッタパワー）は、０．５ｋＷ以上１ｋＷ以下が好ましく、０．５０ｋＷ以上０．７５ｋＷ以下がより好ましい。
ＤＣスパッタパワーが０．５ｋＷ以上１ｋＷ以下であることにより、安定に放電させることができ、還元された膜（イリジウム膜）の生成を抑えることができる。

以上説明した本発明のイリジウム酸化膜は、従来のイリジウム酸化膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、イリジウム酸化膜の表面上に他の膜（例えば金属膜等）を形成した場合における、他の膜とイリジウム酸化膜との界面の密着性を高くすることができる。

ここで図１に、本発明のイリジウム酸化膜の一例を断面図で示す。なお図１は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像である。図１に示すイリジウム酸化膜は、組成がＩｒＯ_２で（１１０）結晶面が選択的に配向しており、例えばＩ_１１０／Ｉ_２００値が３５である。

また図１に示すイリジウム酸化膜は、例えば、次のように成膜したものである。すなわち、イリジウム含有率が９９．９５％のイリジウムターゲットを用い、酸素ガスとアルゴンガスの混合ガス（Ｆ_Ｏ２／Ｆ_Ｉ＝０．３３）を導入しながら、成膜温度が３２５℃、スパッタ圧力が０．８９Ｐａ（０．６７ｍＴｏｒｒ）、ＤＣスパッタパワーが０．５ｋＷの条件下で、スパッタリングしたものである。

一方図２に、比較のために従来のイリジウム酸化膜の一例を断面図で示す。なお図２もＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像である。図２に示す従来のイリジウム酸化膜は、組成がＩｒＯ_２で（２００）結晶面が選択的に配向しており、例えばＩ_１１０／Ｉ_２００値が０．１である。

また図２に示す従来のイリジウム酸化膜は、例えば次のように成膜したものである。すなわち、イリジウム含有率が９９．９５％のイリジウムターゲットを用い、酸素ガスとアルゴンガスの混合ガス（Ｆ_Ｏ２／Ｆ_Ｉ＝０．３３）を導入しながら、成膜温度が３００℃、混合ガスの圧力が１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、ＤＣスパッタパワーが０．５ｋＷの条件下で、スパッタリングしたものである。

図１と図２との比較からわかるように、図１に示すイリジウム酸化膜表面の凸凹が、図２に示す従来のイリジウム酸化膜表面の凸凹に比べて、大きい。

イリジウム酸化膜表面の凸凹が大きいことにより、イリジウム酸化膜と他の膜との界面における密着性が高くなるメカニズムについては明らかではないが、理論上では以下の二つが考えられる。

一つ目は、機械的結合作用によるものであり、アンカー効果として知られている。アンカー効果とは、表面状態が荒れた膜の界面では接触面積が増大するため、その結果として、相互の膜成分の拡散や、粒界及び空隙への互いの膜の入り込みによって、密着力が上がることである。

二つ目は、物理的相互作用によるものであり、ファン・デル・ワールス力として知られている、分子相互に働く電磁気学的な力によるものである。

上記二つの作用については、直接的に膜間に働く力を評価することは困難なため、以下の方法により、イリジウム酸化膜とプラチナ膜との間の密着エネルギーを、イリジウム酸化膜として図１に示すイリジウム酸化膜を用いた場合と、図２に示す従来のイリジウム酸化膜を用いた場合との、差異で比較することができる。

具体的には、上記密着エネルギーを算出するために、図１または図２に示すイリジウム酸化膜の表面上にプラチナ膜を積層した後、７５０℃において０．５時間の高温処理を施すことによってプラチナ膜を意図的に凝集させてプラチナ凝集体を形成させ、プラチナ凝集体の接触角を求めた。

イリジウム酸化膜として図１に示すイリジウム酸化膜を用いた場合における高温処理後の積層膜の断面図の一例を図３に示す。一方、イリジウム酸化膜として図２に示す従来のイリジウム酸化膜を用いた場合における高温処理後の積層膜の断面図の一例を図４に示す。なお、図３および図４も、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像である。

ここで、プラチナ凝集体の接触角は、以下のようにして求めることができる。
上記断面ＳＥＭ像を用い、イリジウム酸化膜表面とプラチナ凝集体表面のなす角を計測する。この計測を１５ヶ所（１５サンプル）について行い、得られた値の平均値を接触角とする。

上記のようにして求められた、図３および図４に示す高温処理後の積層膜におけるプラチナの接触角は、それぞれ４８度および６９．１度であった。

また、イリジウム酸化膜とプラチナ膜との間の密着エネルギーＥ_ＩｒＰｔは、下記式で表すことができる。
式：Ｅ_ＩｒＰｔ＝γ_Ｐｔ（１＋ｃｏｓθ）
ここで、θは上記プラチナ凝集体の接触角、γ_Ｐｔはプラチナ凝集体の表面エネルギーを示す。

上記の式より、図２に示す従来のイリジウム酸化膜を用いた場合における上記密着エネルギーを１とした場合の、図１に示すイリジウム酸化膜を用いた場合における上記密着エネルギーの相対値は、１．２３となった。よって、図２に示す従来のイリジウム酸化膜に比べて、図１に示すイリジウム酸化膜は、２３％の密着エネルギーの改善効果が得られたことが分かる。

以上の結果からも、本発明のイリジウム酸化膜は、上記の通り（１１０）結晶面が選択的に配向していることにより、従来のイリジウム酸化膜に比べて膜表面の凸凹が大きいため、上記アンカー効果やファン・デル・ワールス力による効果により、密着性が高くなると考えられる。

一方、このような（１１０）結晶面が選択的に配向しているイリジウム酸化膜は、上述のように、その成膜において、成膜温度およびスパッタ圧力を所定の範囲に制御することで得られる。

ここで、図１に示すイリジウム酸化膜の成膜条件を変え、（１１０）結晶面からのＸ線回折強度Ｉ_１１０、及び（２００）結晶面からのＸ線回折強度Ｉ_２００の変化を調べた。なお、Ｉ_１１０及びＩ_２００は、相対強度である。

具体的には、図１に示すイリジウム酸化膜の成膜条件において、スパッタ圧力を０．６９Ｐａ（５．２ｍＴｏｒｒ）、０．８９Ｐａ（６．７ｍＴｏｒｒ）、１．０９Ｐａ（８．２ｍＴｏｒｒ）、１．２８Ｐａ（９．６ｍＴｏｒｒ）、１．４７Ｐａ（１１．０ｍＴｏｒｒ）と変えて成膜を行った。スパッタ圧力の変化に対する、Ｉ_１１０及びＩ_２００の変化を図５に示す。

一方、図１に示すイリジウム酸化膜の成膜条件において、成膜温度を２００℃、２５０℃、２７５℃、３００℃、３５０℃、３７５℃、４００℃、４２５℃、５００℃と変えて成膜を行った。温度の変化に対する、Ｉ_１１０及びＩ_２００の変化を図６に示す。

図５および図６に示すように、イリジウム酸化膜の成膜時に、成膜温度およびスパッタ温度を所定の範囲に制御（具体的には、上記範囲）することで、（１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜を得られることが分かる。

［２］電極、誘電体キャパシタ、半導体装置
以下、本発明の電極、誘電体キャパシタ、及び半導体装置、並びに、それらの製造方法について、図面を参照しつつ説明する。なお、実質的に同一の機能を有する部材には全図面通して同じ符号を付与し、重複する説明は省略する場合がある。

図７は、本発明の半導体装置の好適な一実施形態の構造を示す断面図である。本実施形態における半導体装置はスタック型の半導体装置である。

図７に示す半導体装置１０は、素子分離絶縁層１４により分離された領域をもつ半導体基板１２を有し、半導体基板１２上にトランジスタ２０が形成されている。また半導体基板１２およびトランジスタ２０の上方には、第一層間絶縁膜３０を介して誘電体キャパシタ４０が形成されている。さらに、誘電体キャパシタ４０を覆うように第二層間絶縁膜７０が形成されている。

誘電体キャパシタ４０は、本発明の誘電体キャパシタを適用している。図７に示すように、誘電体キャパシタ４０は、半導体基板１２に近い側から、下部電極膜５０、誘電体膜６０、上部電極膜６２、が順に積層した構成となっている。

下部電極膜５０は、本発明の電極を適用している。図７に示すように、下部電極膜５０は、例えば半導体基板１２に近い側から、ＴｉＡｌＮ膜５２、イリジウム膜５４、イリジウム酸化膜５６、プラチナ膜５８、が順に積層した構成となっている。
ここでイリジウム酸化膜５６は、上述した本発明のイリジウム酸化膜を適用している。

ＴｉＡｌＮ膜５２、イリジウム膜５４、イリジウム酸化膜５６、プラチナ膜５８の膜厚は、本実施形態においては、例えばそれぞれ５０ｎｍ、５０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍである。上記膜厚は、半導体装置の機能等によって、随時最適化することができる。

下部電極膜５０は、上記構成に限られず、例えば半導体基板１２に近い側から、ＴｉＮ膜／イリジウム膜／イリジウム酸化膜／プラチナ膜等の４層構成、ＴｉＡｌＮ膜／イリジウム酸化膜／プラチナ膜等の３層構成であってもよく、無論イリジウム酸化膜／プラチナ膜等の２層構成であってもよい。またプラチナ膜５８の代わりに、例えば、Ｐｄ膜、Ａｕ膜等の金属膜を用いてもよい。ただし本実施形態においては、下部電極膜５０は、少なくとも、半導体基板１２に近い側からイリジウム酸化膜／金属膜の構成を含む。
また下部電極膜５０は、本実施形態における半導体装置がスタック型であるため、積層されたすべての膜が導電膜である必要がある。

誘電体膜６０は、本実施形態においては、例えばＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９膜を用いている。しかし誘電体膜６０は、これに限られず、例えば、その他の金属酸化物強誘電体（以下、「強誘電体」と略す場合がある）、金属酸化物常誘電体（以下、「高誘電体」と略す場合がある）等の膜を用いることができる。本発明において高誘電体は、比誘電率が１０以上の常誘電体と定義する。

強誘電体としては、例えば、Ｂｉ層状化合物（ＳＢＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等が挙げられる。Ｂｉ層状化合物としては例えば、本実施形態で用いているＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、他の組成におけるＳｒＢｉＴａＯ化合物、及びＳｒＢｉＴａＯに添加物（例えば、Ｎｂなど）を加えた（または置換した）化合物等が挙げられる。またチタン酸ジルコン酸鉛としては、Ｐｂ（Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３、他の組成におけるＰｂＺｒＴｉＯ、及びＰｂＺｒＴｉＯに添加物（例えば、Ｌａ，Ｃａなど）を加えた（または置換した）化合物、チタン酸ビスマスにランタンを添加した化合物（ＢＬＴ）等が挙げられる。また強誘電体として、以上に述べた強誘電体材料にその他の誘電体材料を固溶したものも含まれる。
また高誘電体としては、例えば、ＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）、ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ_３）などが挙げられる。
誘電体膜６０の膜厚は、本実施形態においては例えば１２０ｎｍであるが、半導体装置の機能等によって随時最適化することができる。

上部電極膜６２は、本実施形態においては、例えばプラチナ膜を用いている。しかし上部電極膜６２は、これに限られず、例えばイリジウム酸化膜、ルテニウム酸化膜などを用いることができる。上部電極膜６２の膜厚は、本実施形態においては例えば１５０ｎｍであるが、半導体装置の機能等によって随時最適化することができる。

トランジスタ２０は、図７に示すように、半導体基板１２上の、素子分離絶縁層１４により分離された領域に形成されており、ソース領域２２、ドレイン領域２４、ゲート絶縁膜２６、及びゲート電極２８で構成されている。
ソース領域２２およびドレイン領域２４は、半導体基板１２の表面上に、イオン等の不純物を注入することにより、互いに離間するように形成されている。またゲート電極２８は、ソース領域２２及びドレイン領域２４の間にある活性領域の上に、ゲート絶縁膜２６を介して形成されている。

半導体基板１２は、本実施形態においてはシリコン基板を用いているがこれに限られず、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等を用いることもできる。

素子分離絶縁層１４は、本実施形態においては、例えば半導体基板１２の表面を局所酸化させた構成であるが、これに限られず、半導体基板１２の表面上に形成された絶縁性の薄膜等、他の構成を適用することもできる。

第一層間絶縁膜３０は、トランジスタ２０を覆うように形成されている。また第二層間絶縁膜７０は、第一層間絶縁膜３０及び誘電体キャパシタ４０を覆うように形成されている。

第一層間絶縁膜３０及び第二層間絶縁膜７０には、図７に示すように、それぞれ第一コンタクトホール３２及び第三コンタクトホール７２が形成され、そこに第一プラグ３６及び第三プラグ７６が埋め込まれている。第一プラグ３６は、一方がトランジスタ２０のドレイン領域２４に、他方が第三プラグ７６に、電気的に接続されている。また第三プラグ７６は、一方が第一プラグ３６に電気的に接続され、他方が外部と電気的に接続できるようになっている。この構成により、トランジスタ２０のドレイン領域２４は、外部と電気的に接続させている。

また第一層間絶縁膜３０には、図７に示すように、第二コンタクトホール３４が形成され、そこに第二プラグ３８が埋め込まれている。第二プラグ３８は、一方がトランジスタ２０のソース領域２２に、他方が誘電体キャパシタ４０の下部電極膜５０に、電気的に接続されている。この構成により、トランジスタ２０のソース領域は、誘電体キャパシタと電気的に接続されている。

さらに第二層間絶縁膜７０には、図７に示すように、第四コンタクトホール７４が形成され、そこに第四プラグ７８が埋め込まれている。第四プラグ７８は、一方が誘電体キャパシタ４０の上部電極膜６２に電気的に接続され、他方が外部と電気的に接続できるようになっている。この構成により、誘電体キャパシタ４０は、外部と電気的に接続させている。

第一プラグ３６、第二プラグ３８、第三プラグ７６、第四プラグ７８は、本実施形態においては、例えばタングステンが用いられているが、これに限られず、銅等の導電性材料を用いることができる。

次に、本実施形態に係る半導体装置１０を、図を参照しつつ、本実施形態の半導体装置の製造方法に従ってより詳細に説明する。

まず図８−１（Ａ）に示すように、半導体基板１２を準備する。
次に、図８−１（Ｂ）に示すように、半導体基板１２表面上の所定の位置を例えば局所的に酸化させることにより、素子と素子を分離するための素子分離絶縁層１４を形成する。

次に、素子分離絶縁層１４により分離された領域の一部に例えばイオン注入を行うことによって拡散層を形成し、ソース領域２２及びドレイン領域２４とする。ここで、ソース領域及びドレイン領域は、互いに離間するように形成し、当該領域間に活性領域を形成する。

次に、半導体基板１２の上記活性領域の表面上に、例えばシリコン酸化膜及びポリシリコン膜をそれぞれ順次積層し、フォトリソグラフィーおよびエッチングによりパターニングすることにより、それぞれゲート絶縁膜２６及びゲート電極２８を形成する。

次に図８−１（Ｃ）に示すように、半導体基板１２上のトランジスタ２０および素子分離絶縁層１４を覆うように、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法により絶縁膜（例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等）を形成し、膜の表面を例えば化学機械的研磨（ＣＭＰ）法により平坦化して、第一層間絶縁膜３０を形成する。

次に、第一層間絶縁膜３０に対してフォトリソグラフィー及びエッチングを順次行うことにより、第一層間絶縁膜３０を貫通し、トランジスタ２０のドレイン領域２４及びソース領域２２に到達するように、それぞれ第一コンタクトホール３２及び第二コンタクトホール３４を形成する。

さらに第一コンタクトホール３２および第二コンタクトホール３４の内部に、例えばスパッタ法により例えばタングステンを埋め込んだ後、第一層間絶縁膜３０の表面と実質的に同一面位置となるまでＣＭＰを行うことにより、第一プラグ３６および第二プラグ３８を形成する。

図８−２（Ｄ）に示すように、第一層間絶縁膜３０上に、誘電体キャパシタ４０を、その下部電極膜５０が第二プラグ３８と電気的に接続するように形成する。

具体的には、まず第一層間絶縁膜３０表面上に、ＴｉＡｌＮ膜５２及びイリジウム膜５４を、スパッタ法により順次形成する。ＴｉＡｌＮ膜５２は、第二プラグ３８と電気的に接続されるように形成される。
次に、イリジウム膜５４の表面上に、本発明のイリジウム酸化膜の製造方法を用いて、イリジウム酸化膜５６を形成する。
さらに、イリジウム酸化膜５６の表面上に、プラチナ膜５８をスパッタ法により形成する。

次に、プラチナ膜５８の表面上に、誘電体膜６０を形成する。誘電体膜６０の形成は、例えば以下のようにして行う。まずプラチナ膜５８の表面上に、ストロンチウム（Ｓｒ）、ビスマス（Ｂｉ）、及びタンタル（Ｔａ）を含有するＳＢＴ前駆体溶液を、例えばスピンコート法などにより塗布し、その後酸素雰囲気下中にて７５０℃で５時間の熱処理が施される。

さらに誘電体膜６０の表面上に、スパッタ法を用いて、上部電極膜６２を形成する。

最後に、上記形成した各膜を、フォトリソグラフィーおよびエッチングを順次行うことにより、ＴｉＡｌＮ膜５２、イリジウム膜５４、イリジウム酸化膜５６、及びプラチナ膜５８からなる下部電極膜５０と、誘電体膜６０と、上部電極膜６２とを有する誘電体キャパシタ４０を形成する。

図８−３（Ｅ）に示すように、誘電体キャパシタ４０および第一層間絶縁膜３０を覆うように、例えばＣＶＤ法により絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等）を形成し、膜の表面を例えばＣＭＰ法により平坦化する事により、第二層間絶縁膜７０を形成する。

次に、第二層間絶縁膜７０に対してフォトリソグラフィー及びエッチングを順次行うことにより、第二層間絶縁膜７０を貫通し、第一プラグ３６及び誘電体キャパシタ４０の上部電極膜６２に到達するように、それぞれ第三コンタクトホール７２及び第四コンタクトホール７４を形成する。

さらに第三コンタクトホール７２および第四コンタクトホール７４の内部に、例えばスパッタ法により例えばタングステンを埋め込んだ後、第二層間絶縁膜７０の表面と実質的に同一面位置となるまでＣＭＰを行うことにより、第三プラグ７６および第四プラグ７８を形成する。

このようにして、本実施形態における半導体装置１０を製造することができる。

以上説明した本実施形態における半導体装置１０では、イリジウム酸化膜５６として本発明のイリジウム酸化膜を用いているため、イリジウム酸化膜５６とプラチナ膜５８との間における密着性が高く、半導体装置の製造過程（特に、下部電極を形成後に誘電体膜を形成する過程）において、高温処理が加わっても、熱膨張係数の違いに起因するイリジウム酸化膜とプラチナ膜との層間剥離が抑制される。このため、半導体装置１０の性能を最大限に引き出すことができる。

さらに本実施形態における半導体装置１０は、イリジウム酸化膜５６を形成する工程に、本発明のイリジウム酸化膜の製造方法を用いているため、イリジウム酸化膜５６とプラチナ膜５８との間における密着性が高く、上記同様に、半導体装置１０の性能を最大限に引き出すことができる。

またこのため本発明は、本実施形態における半導体装置のように、下部電極をすべて導電膜で構成しなければならないスタック型の半導体装置に、特に有効である。

なお本実施形態においては、スタック型の半導体装置を用いているが、場合に応じて、プレーナー型等のその他の構成の半導体装置を用いることもできる。

本発明のイリジウム酸化膜の一例の断面図である。 従来のイリジウム酸化膜の一例の断面図である。 本発明のイリジウム酸化膜を用いた場合における、高温処理後の、酸化イリジウムープラチナ積層膜の一例の断面図である。 従来のイリジウム酸化膜を用いた場合における、高温処理後の、酸化イリジウムープラチナ積層膜の一例の断面図である。 イリジウム酸化膜の成膜条件のうち、スパッタ圧力を変化させたときのイリジウム酸化膜結晶面配向性を示すグラフである。 イリジウム酸化膜の成膜条件のうち、成膜温度を変化させたときのイリジウム酸化膜結晶面配向性を示すグラフである。 本発明の半導体装置の好適な一実施形態の構造を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。

符号の説明

１０…半導体装置
１２…半導体基板
２０…トランジスタ
４０…誘電体キャパシタ
５０…下部電極膜（第一電極）
５６…イリジウム酸化膜
５８…プラチナ膜（金属膜）
６０…誘電体膜
６２…上部電極膜（第二電極）

Claims (13)

1. （１１０）結晶面が選択的に配向したイリジウム酸化膜。
2. イリジウムを含むターゲットを用い、酸素を含むガスを導入しながらスパッタリングする反応性スパッタリング法により、成膜温度が２７５℃以上４００℃以下の条件およびスパッタ圧力が０．６９Ｐａ（５．２ｍＴｏｒｒ）以上１．０９Ｐａ（８．２ｍＴｏｒｒ）以下の条件下で、イリジウム酸化膜を形成するイリジウム酸化膜の製造方法。
3. 請求項１に記載のイリジウム酸化膜と、
   前記イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜と、を含む電極。
4. 前記金属膜は、プラチナを含むことを特徴とする請求項３に記載の電極。
5. 請求項２に記載のイリジウム酸化膜の製造方法を用いてイリジウム酸化膜を形成するイリジウム酸化膜形成工程と、
   前記イリジウム酸化膜の表面上に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を含む電極の製造方法。
6. 前記金属膜は、プラチナを含むことを特徴とする請求項５に記載の電極の製造方法。
7. 請求項１に記載のイリジウム酸化膜、及び、前記イリジウム酸化膜の表面上に形成された金属膜を少なくとも有する第一電極と、
   前記第一電極の前記金属膜の表面上に形成された誘電体膜と、
   前記誘電体膜の表面上に形成された第二電極と、を備える誘電体キャパシタ。
8. 前記金属膜は、プラチナを含むことを特徴とする請求項７に記載の誘電体キャパシタ。
9. 請求項５又は６に記載の電極の製造方法を用いて第一電極を形成する第一電極形成工程と、
   前記第一電極の前記金属膜の表面上に誘電体膜を形成する誘電体膜形成工程と、
   前記誘電体膜の表面上に第二電極を形成する第二電極形成工程と、を含む誘電体キャパシタの製造方法。
10. 半導体基板と、
    前記半導体基板に形成されたトランジスタと、
    前記半導体基板の上方に配設された、請求項７又は８に記載の誘電体キャパシタであって、前記半導体基板側から、前記第一電極、前記誘電体膜、前記第二電極が順次形成された誘電体キャパシタと、を備える半導体装置。
11. 前記誘電体キャパシタの前記第一電極と、前記トランジスタと、が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 半導体基板を準備する半導体基板準備工程と、
    前記半導体基板にトランジスタを形成するトランジスタ形成工程と、
    前記半導体基板の上方に、請求項９に記載の誘電体キャパシタの製造方法を用いて誘電体キャパシタを形成する誘電体キャパシタ形成工程と、を含む半導体装置の製造方法。
13. 前記誘電体キャパシタの前記第一電極と、前記トランジスタと、を電気的に接続する接続工程を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。