JP2008135642A - 強誘電体キャパシタ - Google Patents
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Abstract
【課題】低電圧で駆動する強誘電体キャパシタを提供する。
【解決手段】強誘電体キャパシタ１００は、白金膜２６を含む電極２０と、電極２０の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＸＣＸ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるシード層２８と、シード層２８の上方に形成された強誘電体層３０とを含み、Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である。
【選択図】図１
【解決手段】強誘電体キャパシタ１００は、白金膜２６を含む電極２０と、電極２０の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＸＣＸ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるシード層２８と、シード層２８の上方に形成された強誘電体層３０とを含み、Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である。
【選択図】図１
Description
本発明は、強誘電体キャパシタに関する。
強誘電体材料は、上部電極と下部電極に挟まれたキャパシタ構造の素子として用いられることが覆い。このようなキャパシタは、強誘電体メモリや圧電素子等に適用することができる。強誘電体キャパシタを低電圧で駆動するためには、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が極めて重要である。
たとえば、特開２００４−２１４２７４号公報は、強誘電体層の配向を制御して分極軸方向を揃える技術を開示している。
特開２００４−２１４２７４号公報
本発明は、低電圧で駆動する強誘電体キャパシタを提供することにある。
本発明にかかる強誘電体キャパシタは、
白金膜を含む電極と、
前記電極の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＸＣＸ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるシード層と、
前記シード層の上方に形成された強誘電体層と、
を含み、
Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、
Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、
Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、
Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である。
白金膜を含む電極と、
前記電極の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＸＣＸ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるシード層と、
前記シード層の上方に形成された強誘電体層と、
を含み、
Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、
Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、
Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、
Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である。
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいては、電極と強誘電体層との間に上記シード層が設けられているため、強誘電体層における界面での結晶性を良好にすることができ、低電圧での駆動を可能にすることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
Ｘは、０．０１≦Ｘ≦０．２０の範囲であることができる。
Ｘは、０．０１≦Ｘ≦０．２０の範囲であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記シード層の膜厚は、１．５ｎｍ以上であることができる。
前記シード層の膜厚は、１．５ｎｍ以上であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記シード層の膜厚は、５．０ｎｍ以下であることができる。
前記シード層の膜厚は、５．０ｎｍ以下であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記強誘電体層の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＹＣＹ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるトップ層をさらに含み、
Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、
Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、
Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、
Ｙは、０＜Ｙ＜１の範囲であることができる。
前記強誘電体層の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＹＣＹ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるトップ層をさらに含み、
Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、
Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、
Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、
Ｙは、０＜Ｙ＜１の範囲であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
Ｙは、０．０１以上であることができる。
Ｙは、０．０１以上であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記トップ層の膜厚は、１．５ｎｍ以上であることができる。
前記トップ層の膜厚は、１．５ｎｍ以上であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記トップ層の膜厚は、５．０ｎｍ以下であることができる。
前記トップ層の膜厚は、５．０ｎｍ以下であることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記トップ層の上方に、白金膜を含む他の電極が形成されていることができる。
前記トップ層の上方に、白金膜を含む他の電極が形成されていることができる。
本発明にかかる強誘電体キャパシタにおいて、
前記電極は、イリジウム膜と、イリジウム膜上に形成された酸化イリジウム膜と、酸化イリジウム膜上に形成された白金膜とを有し、
前記シード層は、前記白金膜上に形成され、
前記強誘電体層は、前記シード層上に形成されていることができる。
前記電極は、イリジウム膜と、イリジウム膜上に形成された酸化イリジウム膜と、酸化イリジウム膜上に形成された白金膜とを有し、
前記シード層は、前記白金膜上に形成され、
前記強誘電体層は、前記シード層上に形成されていることができる。
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
１．強誘電体キャパシタ
図１は、本実施の形態の強誘電体キャパシタ１００を模式的に示す断面図である。強誘電体キャパシタ１００は、基体１０上に形成され、基体１０側から順に形成されたＴｉＡｌＮ膜１２、第１電極２０、シード層２８、強誘電体層３０、および第２電極４０とを含む。第１電極２０は、基体１０側から順に形成された、第１のイリジウム膜２２と、第１の酸化イリジウム膜２４と、第１の白金膜２６とを有する。第２電極４０は、強誘電体層３０側から順に形成された、第２の白金膜４２、第２の酸化イリジウム膜４４、および第２のイリジウム膜４６を有する。
図１は、本実施の形態の強誘電体キャパシタ１００を模式的に示す断面図である。強誘電体キャパシタ１００は、基体１０上に形成され、基体１０側から順に形成されたＴｉＡｌＮ膜１２、第１電極２０、シード層２８、強誘電体層３０、および第２電極４０とを含む。第１電極２０は、基体１０側から順に形成された、第１のイリジウム膜２２と、第１の酸化イリジウム膜２４と、第１の白金膜２６とを有する。第２電極４０は、強誘電体層３０側から順に形成された、第２の白金膜４２、第２の酸化イリジウム膜４４、および第２のイリジウム膜４６を有する。
基体１０は、基板を含む。基板は、たとえばシリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ等の化合物半導体等の半導体基板、Ｐｔ等の金属基板、サファイア基板、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ガラス等の絶縁性基板が挙げられる。また基体１０は、基板上に単数または複数のトランジスタが含んでもよい。トランジスタは、ソース領域又はドレイン領域となる不純物領域と、ゲート絶縁層と、ゲート電極と、を含む。各トランジスタの間には素子分離領域が形成されていてもよく、これによりトランジスタ間の電気的絶縁が図られている。
ＴｉＡｌＮ膜１２は、期待１０上に形成されている。ＴｉＡｌＮ膜１２は、チタンとアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなり、酸素バリア機能を有する。またＴｉＡｌＮ膜１２は、面心立方型結晶構造を有し、たとえば（１１１）面または（２００）面に優先配向している。ここで「優先配向」とは、Ｘ線回折法のθ−２θスキャンにおいて（１１１）面または（２００）面からの回折ピーク強度が他の結晶面からの回折ピークより大きい状態を意味する。
第１のイリジウム膜２２は、ＴｉＡｌＮ膜１２上に形成されており、第１の酸化イリジウム膜２４は、第１のイリジウム膜２２上に形成されている。第１のイリジウム膜２２および第１の酸化イリジウム膜２４は、その少なくとも一部が（１１１）面に優先配向していることが好ましい。
第１の白金膜２６は、第１の酸化イリジウム膜２４上に形成されている。第１の白金膜２６は、（１１１）面に優先配向している。これにより、その上に形成されるシード層２８および強誘電体層３０が（１１１）面に優先配向しやすくなる。
なお、第１電極２０は、上述した膜の全てを有してもよいし、第１の白金膜２６のみであってもよいし、第１の白金膜２６と、第１のイリジウム膜２２または第１の酸化イリジウム膜２４とによって構成されていてもよい。
シード層２８は、第１の白金膜２６上に形成され、下記一般式で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなる。
Ａ（Ｂ１−ＸＣＸ）Ｏ３
〔Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である。〕
〔Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である。〕
シード層２８は、上述した構成からなることにより、強誘電体層３０の格子定数と、第１の白金膜２６の格子定数との間の格子定数を有することができる。これにより、シード層２８は、第１の白金膜２６と強誘電体層３０の格子定数の違いを吸収するバッファとして機能し、格子不整合を低減することができる。また、上述したシード層２８は、導電性を有する酸化物であるため、強誘電体層３０の下層に誘電体が設けられている場合と比べて閾値電圧が高くなるのを抑え、低電圧駆動を可能にすることができる。さらに、シード層２８を構成するＡサイトおよびＢサイトの原子のいずれが強誘電体３０に拡散したとしても、強誘電体層３０を導電体に変えることはないため、電流リークを防止することができる。
シード層２８は、たとえばニオブをドープしたＳｒ（Ｔｉ１−ＸＮｂＸ）Ｏ３（以下、Ｎｂ：ＳＴＯとする）からなることができる。Ｎｂ：ＳＴＯに含まれるＳｒは、Ｐｂ等の強誘電体層に用いられる原子に比べて欠損し難いため、Ｎｂ：ＳＴＯをシード層２８として適用することにより、信頼性の高い強誘電体層３０を得ることができる。
なお、Ｎｂ：ＳＴＯにおいて、Ｘは、０．０１以上であることが好ましい。Ｘの割合に応じてシード層２８の導電性が定まり、Ｘが０．０１未満の場合には、導電性が低すぎるため、閾値電圧が高くなってしまうからである。またＸは、０．２０以下であることが好ましい。Ｘが０．２０より大きい場合には、シード層の結晶性が悪くなり上部の強誘電体層の結晶性に悪影響を及ぼすからである。
またシード層２８は、１．５ｎｍ〜５．０ｎｍの膜厚であることができる。シード層２８が１．５ｎｍ未満の膜厚になると、格子定数の違いを吸収するための機能を十分に発揮できず、シード層２８が５．０ｎｍより大きい膜厚になると、低電圧で駆動することができなくなってしまうからである。
強誘電体層３０は、第１電極２０の上、即ち第１の白金膜２６の上に形成される。強誘電体層３０は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物であることが好ましい。中でも、一般式Ａ（Ｂ１−ＺＣＺ）Ｏ３で示され、Ａ元素は、少なくともＰｂであり、Ｂ元素は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、ＷおよびＨｆの少なくとも１つからなり、Ｃ元素は、Ｌａ、Ｓｒ、ＣａおよびＮｂの少なくとも１つからなる強誘電体化合物であることが好ましい。強誘電体層３０は、良好な分極特性を引き出すために、（１１１）面に優先配向していることができる。
第２電極４０を構成する第２の白金膜４２、第２の酸化イリジウム膜４４、および第２のイリジウム膜４６は、それぞれ上述した第１の白金膜２６、第１の酸化イリジウム膜２４、第１のイリジウム膜２２と同様の材質であるので説明を省略する。
なお、第２電極４０は、上述した膜の全てを有してもよいし、第２の白金膜４２のみであってもよいし、第２の白金膜４２と、第２のイリジウム膜４６または第２の酸化イリジウム膜４４とによって構成されていてもよい。
本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタの構成は以上のとおりである。本実施の形態では、強誘電体層３０の下に第１の白金膜２６およびシード層２８を形成している。これによれば、自己配向性が強く導電性の高い白金からなる第１の白金膜２６を下地に形成することにより、その上に形成されるシード層２８および強誘電体層３０の結晶性を良好にし、低電圧駆動を可能にすることができる。またシード層２８を形成することにより、強誘電体層３０と第１の白金膜２６との間の格子不整合を低減することで、さらに結晶性を良好にすることができる。
２．強誘電体キャパシタの製造方法
まず、基体１０し、その上方にＴｉＡｌＮ膜１２、第１のイリジウム膜２２、第１の酸化イリジウム膜２４、および第１の白金膜２６を順に形成する。
まず、基体１０し、その上方にＴｉＡｌＮ膜１２、第１のイリジウム膜２２、第１の酸化イリジウム膜２４、および第１の白金膜２６を順に形成する。
ＴｉＡｌＮ膜１２の成膜方法としては、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。成膜条件は、たとえばスパッタリング法で成膜する場合、プロセスガスとしてアルゴンと窒素の混合ガスを用いて、混合ガスの窒素の量を調整することにより、ＴｉＡｌＮ膜１２を（２００）面または（１１１）面に優先配向させることができる。
第１のイリジウム膜２２、および第１の酸化イリジウム膜２４の成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法の他、化学気相成長法（ＣＶＤ）を適用することができる。第１の白金膜２６の成膜方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等を用いることができる。
以上により、第１のイリジウム膜２２、第１の酸化イリジウム膜２４、第１の白金膜２６によって構成される第１電極２０が形成される。
次に、第１電極２０上にシード層２８を形成する。シード層２８の成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、溶液塗布法（ゾル・ゲル法、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法などを含む）、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などを適用することができる。たとえばゾル・ゲル法を適用してＮｂ：ＳＴＯを成膜する場合には、ストロンチウム、ニオブ、およびチタンのゾル・ゲル原料を含む前駆体をスピンコート等によって塗布し、その後熱処理を行う。ストロンチウムの原料としては、酢酸ストロンチウムやオクチル酸ストロンチウムなどのカルボン酸塩等が挙げられる。チタンの原料としては、オクチル酸チタンなどのカルボン酸塩や、チタニウムイソプロポキシドなどのアルコキシド等が挙げられる。ニオブの原料としては、オクチル酸ニオブなどのカルボン酸塩や、ニオブエトキシドなどのアルコキシド等が挙げられる。
次に、第１電極２０上に強誘電体層３０を形成する。強誘電体層３０の成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、溶液塗布法（ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法などを含む）、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法などを適用することができる。成膜後、必要に応じて熱処理を施す。なお熱処理は、後述する第２電極４０形成後に行ってもよい。
次に強誘電体層３０上に第２電極４０を形成する。具体的には、第２の白金膜４２、第２の酸化イリジウム膜４４、及び第２のイリジウム膜４６の順に成膜する。本実施の形態において第２電極４０は、第２の白金膜４２と、第２の酸化イリジウム膜４４と、第２のイリジウム膜４６とを有し、上述した第１のイリジウム膜２２と、第１の酸化イリジウム膜２４と、第１の白金膜２６のそれぞれと同様の材料を用いて形成される。成膜方法としては、上述した第１電極２０と同様の成膜方法を用いることができる。第２電極４０は、上述したものに限定されず、たとえば、Ｐｔ又はＩｒ等の貴金属や、その酸化物（たとえば、ＩｒＯx等）を材料として用いることができる。また、第２電極４０は、これらの材料の単層でもよいし、複数の材料からなる層を積層した多層構造であってもよい。その後、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、パターニングを行う。
以上の工程により、本実施の形態にかかる誘電体キャパシタ１００を製造することができる。
３．実験例
次に本実施の形態にかかる実験例を説明する。
次に本実施の形態にかかる実験例を説明する。
３．１．実験例１〜３
実験例１〜３にかかる強誘電体キャパシタの製造方法は以下のとおりである。
実験例１〜３にかかる強誘電体キャパシタの製造方法は以下のとおりである。
まず、シリコン基板の表面を熱酸化し、膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。次いでシリコン酸化膜上にＲＦスパッタ法により膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ膜を形成した。次いでＴｉＡｌＮ膜上にＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍのイリジウム膜および膜厚３０ｎｍの酸化イリジウム膜を形成した。次いで、酸化イリジウム膜上に蒸着法により膜厚１００ｎｍの第１の白金膜を形成した。
次に第１の白金膜上にスピンコート法によりＮｂ：ＳＴＯ前駆体を成膜して３００℃４分間の脱脂処理により乾燥させて膜厚３ｎｍのシード層を形成した。
次にシード層上にスピンコート法によりＰｂＺｒ０．１５Ｔｉ０．７０Ｎｂ０．１５Ｏ３（以下ＰＺＴＮとする）前駆体を成膜して６５０℃５分間のランプ加熱により結晶化させて膜厚１００ｎｍのＰＺＴＮ膜層を形成した。次いでＰＺＴＮ膜上にメタルマスクを用いたＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの第２の白金膜を形成した。次いで６５０℃５分間のランプ加熱によりＰＺＴＮ膜の回復処理を行なった。
以上の工程により強誘電体キャパシタを製造した。ここでＳｒ（Ｔｉ１−ＸＮｂＸ）Ｏ３のＸが０．０１のサンプルをサンプル１（実験例１）、Ｘが０．０５のサンプルをサンプル２（実験例２）、Ｘが０．２０のサンプルをサンプル３（実験例３）とした。
３．２．実験例４（比較例）
実験例４では、シード層を形成せずに、第１の白金膜の上に直接強誘電体層を設けた。実験例４にかかる強誘電体キャパシタの製造方法は以下のとおりである。
実験例４では、シード層を形成せずに、第１の白金膜の上に直接強誘電体層を設けた。実験例４にかかる強誘電体キャパシタの製造方法は以下のとおりである。
まず、シリコン基板の表面を熱酸化し、膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。次いでシリコン酸化膜上にＲＦスパッタ法により膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ膜を形成した。次いでＴｉＡｌＮ膜上にＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍのイリジウム膜および膜厚３０ｎｍの酸化イリジウム膜を形成した。次いで、酸化イリジウム膜上に蒸着法により膜厚１００ｎｍの第１の白金膜を形成した。
次に第１の白金膜上にスピンコート法によりＰＺＴＮ前駆体を成膜して６５０℃５分間のランプ加熱により結晶化させて膜厚１００ｎｍのＰＺＴＮ膜層を形成した。次いでＰＺＴＮ膜上にメタルマスクを用いたＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの第２の白金膜を形成した。次いで６５０℃５分間のランプ加熱によりＰＺＴＮ膜の回復処理を行なった。
以上の工程によりサンプル４を製造した。
３．３．実験例５（比較例）
実験例５では、シード層としてニオブをドープしていないＳｒＴｉＯ３を用いた。実験例５にかかる強誘電体キャパシタの製造方法は以下のとおりである。
実験例５では、シード層としてニオブをドープしていないＳｒＴｉＯ３を用いた。実験例５にかかる強誘電体キャパシタの製造方法は以下のとおりである。
まず、シリコン基板の表面を熱酸化し、膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。次いでシリコン酸化膜上にＲＦスパッタ法により膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ膜を形成した。次いでＴｉＡｌＮ膜上にＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍのイリジウム膜および膜厚３０ｎｍの酸化イリジウム膜を形成した。次いで、酸化イリジウム膜上に蒸着法により膜厚１００ｎｍの第１の白金膜を形成した。
次に第１の白金膜上にスピンコート法によりＳｒＴｉＯ３前駆体を成膜して３００℃４分間の脱脂処理により乾燥させて膜厚３ｎｍのシード層を形成した。
次にシード層上にスピンコート法によりＰＺＴＮ前駆体を成膜して６５０℃５分間のランプ加熱により結晶化させて膜厚１００ｎｍのＰＺＴＮ膜層を形成した。次いでＰＺＴＮ膜上にメタルマスクを用いたＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの第２の白金膜を形成した。次いで６５０℃５分間のランプ加熱によりＰＺＴＮ膜の回復処理を行なった。
以上の工程によりサンプル５を製造した。
３．４．評価１
サンプル１〜５の評価を行った。評価は、サンプル１〜５について残留分極値および疲労特性について行った。図２は、残留分極量（２Ｐｒ）の印加電圧依存性を示す図である。図２において、横軸は印加電圧値であり、縦軸は残留分極量である。図２では、シード層を設けていないサンプル４に比べて、シード層を設けているサンプル１〜３の残留分極量が大きく、低電圧で飽和していた。従って、本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタは、低電圧で良好な特性を示すことができることが確認された。
サンプル１〜５の評価を行った。評価は、サンプル１〜５について残留分極値および疲労特性について行った。図２は、残留分極量（２Ｐｒ）の印加電圧依存性を示す図である。図２において、横軸は印加電圧値であり、縦軸は残留分極量である。図２では、シード層を設けていないサンプル４に比べて、シード層を設けているサンプル１〜３の残留分極量が大きく、低電圧で飽和していた。従って、本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタは、低電圧で良好な特性を示すことができることが確認された。
図３は、強誘電体キャパシタの疲労特性を示す図である。図３において、横軸は、サイクル数であり、縦軸は残留分極量（２Ｐｒ）である。ここでは１．８Ｖ、１００ｋＨｚの双極の方形波による疲労特性を示す。図３において、特に１０６サイクル後では、シード層を設けていないサンプル４に比べて、シード層を設けているサンプル１〜３の残留分極量の低下が抑えられ、疲労特性を改善できたことが確認された。
３．５．実験例６
実験例６にかかるサンプル６の製造方法は以下のとおりである。
実験例６にかかるサンプル６の製造方法は以下のとおりである。
シリコン基板の表面に熱酸化により膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。シリコン酸化膜上にＤＣスパッタ法によりチタン膜を形成し、熱酸化により膜厚４０ｎｍのチタン酸化膜層を形成した。チタン酸化膜上にイオンスパッタ法および蒸着法により膜厚２００ｎｍの第１の白金膜を形成した。第１の白金膜上にスピンコート法によりＳｒ（Ｔｉ１−０．０１Ｎｂ０．０１）Ｏ３前駆体を成膜して３００℃４分間の脱脂処理により乾燥させて膜厚３ｎｍのＳｒ（Ｔｉ１−０．０１Ｎｂ０．０１）Ｏ３からなるシード層を形成した。次いでスピンコート法によりＰＺＴＮ前駆体を成膜して６５０℃５分間のランプ加熱により結晶化させて膜厚１００ｎｍのＰＺＴＮ膜層を形成した。
３．６．実験例７
実験例６では、シード層を形成せずに、第１の白金膜の上に直接強誘電体層を設けた。実験例６にかかるサンプル７の製造方法は以下のとおりである。
実験例６では、シード層を形成せずに、第１の白金膜の上に直接強誘電体層を設けた。実験例６にかかるサンプル７の製造方法は以下のとおりである。
シリコン基板の表面に熱酸化により膜厚４００ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。シリコン酸化膜上にＤＣスパッタ法によりチタン膜を形成し、熱酸化により膜厚４０ｎｍのチタン酸化膜層を形成した。チタン酸化膜上にイオンスパッタ法および蒸着法により膜厚２００ｎｍの第１の白金膜を形成した。次いでスピンコート法によりＰＺＴＮ前駆体を成膜して６５０℃５分間のランプ加熱により結晶化させて膜厚１００ｎｍのＰＺＴＮ膜層を形成した。
３．７．評価２
強誘電体層の下にシード層を設けたサンプル６と、シード層を設けなかったサンプル７についてＸ線回折分析を行った。
強誘電体層の下にシード層を設けたサンプル６と、シード層を設けなかったサンプル７についてＸ線回折分析を行った。
図４は、サンプル６およびサンプル７のＸＲＤパターンを示す。２θ＝３８．５°付近のピークは、（１１１）配向を有するＰＺＴＮに由来すると推測される。図４によれば、シード層を設けているサンプル６のピーク強度は、シード層を設けていないサンプル７のピーク強度の１．５倍以上であった。よって、シード層を設けることにより、結晶配向性が向上したことが確認された。
４．適用例
次に、本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタを含む強誘電体メモリの一例について、説明する。図５は、適用例にかかる強誘電体メモリを説明するための断面図である。
次に、本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタを含む強誘電体メモリの一例について、説明する。図５は、適用例にかかる強誘電体メモリを説明するための断面図である。
図５に示すように、半導体層であるシリコン基板１１０にＭＯＳトランジスタ１１８を形成する。この工程の一例を以下に記す。まず、シリコン基板１１０に活性領域を限定するための素子分離膜１１６を形成する。ついで、画定された活性領域にゲート酸化膜１１１を形成する。ゲート酸化膜１１１上にゲート電極１１３を形成し、ゲート電極１１３の側壁にサイドウォール１１５を形成し、さらに、素子領域に位置するシリコン基板１１０に、ソース及びドレインとなる不純物領域１１７，１１９を形成する。このようにして、シリコン基板１１０にＭＯＳトランジスタ１１８が形成される。
次に、ＭＯＳトランジスタ１１８の上に、酸化シリコンを主成分とする第１の層間絶縁膜１２６を形成し、さらに、第１の層間絶縁膜１２６に、不純物領域１１７，１１９へつながるコンタクトホールを形成する。ここでは不純物領域１１９へつながるコンタクトホールのみを図示する。これらコンタクトホールに、密着層（図示せず）及びＷプラグ１２２を埋め込む。ついで、第１の層間絶縁膜１２６の上に、Ｗプラグ１２２に接続する強誘電体キャパシタ１００を形成する。
強誘電体キャパシタ１００は、下部電極２０、強誘電体層３０、上部電極４０をこの順に積層した構造である。強誘電体キャパシタ１００の形成方法は上述した通りである。ついで、強誘電体キャパシタ１００上に、酸化シリコンを主成分とする第２の層間絶縁膜１４０を形成し、強誘電体キャパシタ１００上に位置するビアホールを形成する。ビアホールに、強誘電体キャパシタ１００に接続する密着層及びＷプラグ１３２を埋め込む。第２の層間絶縁膜１４０上に、Ｗプラグ１３２に接続するＡｌ合金配線１３０を形成する。その後、第２の層間絶縁膜１４０上及びＡｌ合金配線１３０上に、パッシベーション膜１４２を形成する。
５．変形例
次に本実施の形態にかかる変形例について説明する。変形例にかかる強誘電体キャパシタ２００は、さらにトップ層を含む点で、本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ１００と異なる。
次に本実施の形態にかかる変形例について説明する。変形例にかかる強誘電体キャパシタ２００は、さらにトップ層を含む点で、本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ１００と異なる。
図６は、変形例にかかる強誘電体キャパシタ２００を模式的に示す断面図である。強誘電体キャパシタ２００は、基体１０側から順に形成されたＴｉＡｌＮ膜１２、第１電極２０、シード層２８、強誘電体層３０、トップ層１２８、および第２電極４０とを含む。トップ層１２８は、強誘電体層３０に形成され、シード層２８と同様に、下記一般式で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなる。
Ａ（Ｂ１−ＹＣＹ）Ｏ３
〔Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、Ｙは、０＜Ｙ＜１の範囲である。〕
〔Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、Ｙは、０＜Ｙ＜１の範囲である。〕
トップ層１２８は、上述した構成からなることにより、強誘電体層３０の格子定数と、第２の白金膜４２の格子定数との間の格子定数を有することができる。これにより、トップ層１２８は、第２の白金膜４２と強誘電体層３０の格子定数の違いを吸収するバッファとして機能し、格子不整合を低減することができ、第２の白金膜４２と強誘電体層３０との界面の結晶性を良好にすることができる。また、上述したトップ層１２８は、導電性を有する酸化物であるため、強誘電体層３０の上層に誘電体が設けられている場合と比べて閾値電圧が高くなるのを抑え、低電圧駆動を可能にすることができる。さらに、トップ層１２８を構成するＡサイトおよびＢサイトの原子のいずれが強誘電体３０に拡散したとしても、強誘電体層３０を導電体に変えることはないため、電流リークを防止することができる。
トップ層１２８は、たとえばニオブをドープしたＳｒ（Ｔｉ１−ＹＮｂＹ）Ｏ３（以下、Ｎｂ：ＳＴＯとする）からなることができる。Ｎｂ：ＳＴＯに含まれるＳｒは、Ｐｂ等の強誘電体層に用いられる原子に比べて欠損し難いため、Ｎｂ：ＳＴＯをトップ層１２８として適用することにより、信頼性の高い強誘電体層３０を得ることができる。
なお、Ｎｂ：ＳＴＯにおいて、Ｙは、０．０１以上であることが好ましい。Ｘの割合に応じてトップ層１２８の導電性が定まり、Ｙが０．０１未満の場合には、導電性が低すぎるため、閾値電圧が高くなってしまうからである。
またトップ層１２８は、１．５ｎｍ〜５．０ｎｍの膜厚であることができる。トップ層１２８が１．５ｎｍ未満の膜厚になると、格子定数の違いを吸収するための機能を十分に発揮できず、またトップ層１２８は、５．０ｎｍより大きい膜厚になると、第２の白金膜４２に比べて導電性が低く、低電圧で駆動することができなくなってしまうからである。
次に変形例にかかる強誘電体キャパシタ２００の製造方法について説明する。強誘電体層３０の形成工程までは、上述したとおりに行う。
次に、強誘電体層３０上にトップ層１２８を形成する。トップ層１２８の成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、溶液塗布法（ゾル・ゲル法、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法などを含む）、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などを適用することができる。たとえばゾル・ゲル法を適用してＮｂ：ＳＴＯを成膜する場合には、ストロンチウム、ニオブ、およびチタンのゾル・ゲル原料を含む前駆体をスピンコート等によって塗布し、その後熱処理を行う。ストロンチウムの原料としては、酢酸ストロンチウムやオクチル酸ストロンチウムなどのカルボン酸塩等が挙げられる。チタンの原料としては、オクチル酸チタンなどのカルボン酸塩や、チタニウムイソプロポキシドなどのアルコキシド等が挙げられる。ニオブの原料としては、オクチル酸ニオブなどのカルボン酸塩や、ニオブエトキシドなどのアルコキシド等が挙げられる。
次に、トップ層１２８上に第２の白金膜４２を形成する。第２の白金膜４２の形成工程以降における工程については、上述した強誘電体キャパシタ１００の製造方法と同様であるので説明を省略する。
変形例にかかる強誘電体キャパシタ２００の他の構成については、上述した強誘電体キャパシタ１００の他の構成および製造方法と同様であるので説明を省略する。
また本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１０ 基体、１２ ＴｉＡｌＮ膜、２０ 第１電極、２２ 第１のイリジウム膜、２４ 第１の酸化イリジウム膜、２６ 第１の白金膜、２８ シード層、３０ 強誘電体層、４０ 第２電極、４２ 第２の白金膜、４４ 第２の酸化イリジウム膜、４６ 第２のイリジウム膜、１００ 強誘電体キャパシタ、１１０ シリコン基板、１１１ ゲート酸化膜、１１３ ゲート電極、１１５ サイドウォール、１１６ 素子分離膜、１１７ 不純物領域、１１８ ＭＯＳトランジスタ、１１９ 不純物領域、１２２ Ｗプラグ、１２６ 第１の層間絶縁膜、１３０ Ａｌ合金配線、１３２ Ｗプラグ、１４０ 第２の層間絶縁膜、１４２ パッシベーション膜１４２
Claims (10)
- 白金膜を含む電極と、
前記電極の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＸＣＸ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるシード層と、
前記シード層の上方に形成された強誘電体層と、
を含み、
Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、
Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、
Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、
Ｘは、０＜Ｘ＜１の範囲である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項１において、
Ｘは、０．０１≦Ｘ≦０．２０の範囲である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項１または２において、
前記シード層の膜厚は、１．５ｎｍ以上である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記シード層の膜厚は、５．０ｎｍ以下である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記強誘電体層の上方に形成され、一般式Ａ（Ｂ１−ＹＣＹ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型構造を有する酸化物からなるトップ層をさらに含み、
Ａは、Ｓｒ、Ｃａの少なくとも一方からなり、
Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくとも１からなり、
Ｃは、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも一方からなり、
Ｙは、０＜Ｙ＜１の範囲である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項５において、
Ｙは、０．０１以上である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項５または６において、
前記トップ層の膜厚は、１．５ｎｍ以上である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項５ないし７のいずれかにおいて、
前記トップ層の膜厚は、５．０ｎｍ以下である、強誘電体キャパシタ。 - 請求項５ないし８のいずれかにおいて、
前記トップ層の上方に、白金膜を含む他の電極が形成されている、強誘電体キャパシタ。 - 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記電極は、イリジウム膜と、イリジウム膜上に形成された酸化イリジウム膜と、酸化イリジウム膜上に形成された白金膜とを有し、
前記シード層は、前記白金膜上に形成され、
前記強誘電体層は、前記シード層上に形成されている、強誘電体キャパシタ。
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