JP2018010934A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな、強誘電体キャパシタを有する半導体装置を実現する。【解決手段】ＦＲＡＭの強誘電体キャパシタ３０は、主成分がＩｒ又はＲｕの第１下部電極１９ａ上に、結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ3の第２下部電極２０ａが形成され、第２下部電極２０ａ上に主配向が（１１１）であるＰＺＴの強誘電体膜２１を挟んで上部電極２２ａが形成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。

近年では、強誘電体メモリ（以下、「ＦＲＡＭ（登録商標）」とする）の微細化に伴い、キャパシタ面積の縮小と、強誘電体回路の２Ｔ２Ｃ方式から１Ｔ１Ｃ方式への移行とが進められている。１Ｔ１Ｃ方式では、１個のメモリセルに１個のトランジスタと１個のキャパシタが設けられる。２Ｔ２Ｃ方式では、１個のメモリセルに２個のトランジスタと２個のキャパシタとが設けられる。

キャパシタ面積を縮小すると実質的に利用できる電荷量が小さくなり、１Ｔ１Ｃ方式では、回路動作マージンが２Ｔ２Ｃ方式よりも小さくなる。これを補うため、強誘電体膜に大きな分極反転電荷量を持たせる。通常は、強誘電体膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」とする）膜が用いられている。強誘電体メモリの微細化に伴い、強誘電体キャパシタの分極反転電圧を低くする要請もある。このための方法として、ＰＺＴ膜の薄膜化が進められている。

特開２００８−５３２６４号公報 国際公開第２００７／０４３１２８号 特開２０１５−５３４３７号公報 特開２００６−７０３１０号公報

１Ｔ１Ｃに適用される材料として、分極反転電荷量の大きいＰＺＴが有望であるが、成膜方法や結晶の配向によって分極反転電荷量は異なる。微細なキャパシタで、薄膜かつ大きな分極反転電荷量を得る成膜方法として、有機金属気相成長（以下、「ＭＯＣＶＤ」とする）法が望ましい。また、ＰＺＴの配向としては、（１１１）が望ましい。

ＭＯＣＶＤ法では緻密な結晶を実現できるので、キャパシタの微細化や強誘電体膜の薄膜化を行っても、分極反転電荷量は大きな値を維持できる。これは、スパッタ法やゾルゲル法等のように、所望の膜厚まで強誘電体膜をアモルファスで成膜した後に結晶化を行うプロセスでは実現できない特徴である。ＭＯＣＶＤ法は、結晶化しながら所望の膜厚まで成膜を行うため、結晶間のストレスが発生し難く結晶粒界の隙間ができ難い。それ故に緻密な膜が実現できる。

（１１１）配向のＰＺＴは、その他の配向と比べて大きな分極反転電荷量が期待できる。ＰＺＴの結晶構造はＺｒとＴｉとの組成によって、前者が多い場合には菱面体構造、後者が多い場合には正方晶構造になり、後者を用いることが多い。その場合、分極は（００１）方向となり、ＰＺＴが(００１)配向すると最も大きな分極反転電荷量となる。しかしながら、（００１）配向を所望した場合、（１００）や（０１０）も同じ確率で生成されるため、実際に得られる分極反転電荷量は（００１）配向のみの場合の３３％程度になる。同様に、（１０１）配向を所望した場合、（１１０）も生成されるため、実際に得られる分極反転電荷量は（００１）配向のみの場合の４７％程度になる。一方、（１１１）配向を所望した場合には、（１１１）配向のみが生成されるため、実際に得られる分極反転電荷量は（００１）配向のみの場合の５８％程度になる。それ故、（１１１）配向では最も大きな分極反転電荷量が期待できる。

一般に、ＰＺＴ膜等の強誘電体膜の形成においては、強誘電体膜の結晶配向を揃えるために、下部電極に白金（以下、「Ｐｔ」とする）を用いている（例えば、特許文献１を参照）。また、同様に、イリジウム（以下、「Ｉｒ」とする）を用いることも多い。ＰｔやＩｒは、ＰＺＴ膜の結晶化に必要な高温に耐えられる材料であり、また、ＰＺＴ膜の結晶配向を一定方向に揃えることができる。ＰＺＴ膜の酸素空孔を抑制するために、下部電極として酸化イリジウム（以下、「ＩｒＯ₂」とする）膜や酸化ストロンチウムルテニウム（以下、「ＳｒＲｕＯ₃」とする）膜を用いる場合もある。この場合、ＰＺＴ膜を一定方向に配向させるために下地のＩｒＯ₂膜やＳｒＲｕＯ₃膜の結晶配向を整え、膜厚を最適化する。

ＰＺＴ膜を（１１１）方向に優先配向させるために、下部電極膜の下に（１１１）配向を助長させる膜を配置する構成も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。これにより、下部電極の（１１１）配向比率が向上し、その結果、ＰＺＴの（１１１）配向比率が向上し、結果として、分極反転電荷量が増加する。

しかしながら、強誘電体膜の結晶構造が立方晶又は疑似立方晶で、（１１１）配向である場合には、膜表面に突起を作り易くモフォロジーが悪化し易いという問題点がある。また、強誘電体膜をＭＯＣＶＤ法で形成する場合、結晶化しながら成膜するため、アモルファスで成膜してから結晶化するスパッタ法等とは異なり、下部電極表面のモフォロジーが増幅していき、強誘電体膜表面のモフォロジーが悪化し易いという問題点がある。即ち、（１１１）配向の強誘電体膜をＭＯＣＶＤ法で形成すると、上記の２つの効果により表面モフォロジーが悪化することになる。そのため、特許文献２のような構造を採用すると、大きな分極反転電荷量が得られる反面、表面モフォロジーが悪化することが課題となっている。

表面モフォロジーの悪い強誘電体膜を持つ強誘電体キャパシタでは、電界集中により信頼性が低下する。また、強誘電体キャパシタの上部電極部とのコンタクト不良を起こすおそれがある。従って、強誘電体膜の表面モフォロジーを良好に保つことが望まれる。

強誘電体膜の表面モフォロジーを良好に保つために、ＰＺＴ等の強誘電体膜を（１１１）配向にしない方法が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。Ｐｔ膜若しくはＩｒ膜の下方に、下部電極の一部として、又は下部電極の下地として、特定の結晶配向を持たないＳｒＲｕＯ₃膜を配置する。これにより、Ｐｔ膜又はＩｒ膜の自己配向性を抑制し、Ｐｔ膜又はＩｒ膜上に成膜する強誘電体膜の（１１１）配向の顕在化を抑制している。しかしながら、特許文献３のような構造を採用すると、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好に保たれる反面、小さな分極反転電荷量しか得られないことが課題となっている。

そこで、緻密な膜ができるＭＯＣＶＤ法を用いて、強誘電体膜の配向を大きな分極反転電荷量が得られる（１１１）にした場合においても、強誘電体膜の表面モフォロジーを良好に保つことが可能な膜構造が模索されている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、強誘電体膜の表面のモフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな強誘電体キャパシタを有する信頼性の高い半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。

半導体装置の一態様は、半導体基板と、強誘電体キャパシタとを備えた半導体装置であって、前記強誘電体キャパシタは、第１下部電極と、前記第１下部電極上に形成された、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの第２下部電極と、
前記第２下部電極上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された上部電極とを含む。

半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板と、強誘電体キャパシタとを備えた半導体装置の製造方法であって、前記強誘電体キャパシタを形成するに際して、第１下部電極膜を形成する第１工程と、前記第１下部電極膜上に、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの第２下部電極膜を形成する第２工程と、前記第２下部電極膜上に強誘電体膜を形成する第３工程と、前記強誘電体膜上に上部電極膜を形成する第４工程とを含む。

上記の諸態様によれば、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな、強誘電体キャパシタを有する半導体装置が実現する。

ＳｒＩｒＲｕＯ₃の結晶構造を説明するための模式図である。 第１の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図２に引き続き、第１の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図３に引き続き、第１の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図４に引き続き、第１の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 下部電極構成の違いによるＰＺＴの（１１１）配向比率の違いを示す特性図である。 下部電極構成の違いによる電極表面のモフォロジーの違いを示す特性図である。 下部電極構成の違いによるＰＺＴ表面のモフォロジーの違いを示す特性図である。 下部電極構成の違いによる分極反転電荷量の違いを示す特性図である。 第２の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。 第２の実施形態の変形例によるＦＲＡＭの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。

以下、強誘電体キャパシタを備えた半導体装置である強誘電体メモリの諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（本実施形態の基本骨子）
先ず、本実施形態によるＦＲＡＭの基本骨子について説明する。
本実施形態によるＦＲＡＭでは、強誘電体キャパシタにおいて、主成分がＩｒ又はルテニウム（以下、「Ｒｕ」とする）の第１下部電極が用いられる。この第１下部電極上に、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウム（以下、「ＳｒＩｒＲｕＯ₃」とする）の第２下部電極が形成される。第２下部電極上に、強誘電体膜を挟んで上部電極が形成される。

図１に示すように、ＳｒＩｒＲｕＯ₃は、その組成が、ＳｒＲｕＯ₃と、酸化ストロンチウムイリジウム（以下、「ＳｒＩｒＯ₃」とする）との間の状態にあるものである。ＳｒＩｒＲｕＯ₃の組成には、図示のように相境界が存在し、ＳｒＲｕＯ₃側の領域Ｒ１では結晶構造が斜方晶（擬似立方晶）となり、ＳｒＩｒＯ₃側の領域Ｒ２では結晶構造が単斜晶となる。本実施形態では、ＳｒＩｒＯ₃側の領域Ｒ２における単斜晶とされたＳｒＩｒＲｕＯ₃で第２下部電極を形成する。

結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃は、表面モフォロジーが良好である。第２下部電極上に成膜する強誘電体膜として、大きな分極反転電荷量が得られる例えば（１１１）配向比率が高い強誘電体膜を形成した場合でも、強誘電体膜の表面モフォロジーの増加が抑制されて良好な表面モフォロジーが保たれる。この構成を採用することにより、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で加工が容易であり、且つ大きな分極反転電荷量を確保してデバイス特性の優れた信頼性の高い強誘電体キャパシタが実現する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態によるＦＲＡＭの構成について、その製造方法と共に説明する。図２〜図５は、第１の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

先ず、図２（ａ）に示すように、トランジスタ１５、層間絶縁膜１６、及びプラグ電極１を形成する。
詳細には、先ず、半導体基板１１上にトランジスタ１５を形成し、半導体基板１１の全面に層間絶縁膜１６を形成する。トランジスタ１５は、ゲート絶縁膜１３を介して半導体基板１１上に形成されるゲート電極１４と、ゲート絶縁膜１３直下のチャネル領域を挟んで半導体基板１１に形成されるソース／ドレイン不純物拡散領域１２ａ，１２ｂを有する。

次に、リソグラフィー及びエッチングにより層間絶縁膜１６を貫通して、ソース／ドレイン不純物拡散領域１２ａ，１２ｂに到達する貫通孔（ドレイン領域１２ｂへの貫通孔のみを図示する）を形成する。所定の金属で貫通孔を充填し、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）等で金属を平坦化する。以上により、プラグ電極１が形成される。

続いて、図２（ｂ）に示すように、導電性密着膜１７を形成する。
詳細には、層間絶縁膜１６上に、ＴｉＮ等の導電性密着膜１７を形成する。一例として、層間絶縁膜１６上にＣＶＤ法やスパッタ法等でＴｉ膜を形成し、Ｔｉ膜に窒素雰囲気下で熱処理を施してＴｉＮ膜１７を形成する。窒化のための熱処理温度は、例えば５００℃以上、６５０℃未満である。熱処理温度を６５０℃未満とすることでトランジスタ１５の特性への影響を抑制する。５００℃以上とすることで窒化処理を短縮化する。

続いて、図２（ｃ）に示すように、酸素バリア膜１８を形成する。
詳細には、導電性密着膜１７上に酸素バリア膜１８を形成する。ここでは、導電性密着膜１７上にスパッタ法やＣＶＤ法等を用いて、ＴｉＡｌＮの酸素バリア膜１８を形成する。

続いて、図３（ａ）に示すように、第１下部電極膜１９を形成する。
詳細には、酸素バリア膜１８上に、例えばスパッタ法やＣＶＤ法を用いて電極材料、ここではＩｒを堆積し、第１下部電極膜１９を形成する。電極材料として、Ｉｒの代わりにＲｕを堆積しても良い。

続いて、図３（ｂ）に示すように、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の第２下部電極膜２０を形成する。
詳細には、例えばマグネトロンＤＣスパッタ装置を用いて、第１下部電極膜１９上にＳｒＩｒＲｕＯ₃を堆積する。スパッタのターゲットとして、ＳｒＩｒＲｕＯ₃を用い、例えば成膜パワー０．３ｋＷ、Ａｒ供給レート１００ｓｃｃｍ、６０℃で２秒間の条件で成膜する。これにより、膜厚１ｎｍ程度のＳｒＩｒＲｕＯ₃が得られる。成膜時間を調整することで、所望の膜厚を得ることができる。たとえば成膜時間を１０秒間として、膜厚５ｎｍ程度のＳｒＩｒＲｕＯ₃を得ることができる。このようにして成膜されるＳｒＩｒＲｕＯ₃は、アモルファス状態である。ＳｒＩｒＲｕＯ₃にアルゴン雰囲気下で熱処理を施して結晶化し、結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃の第２下部電極膜２０が形成される。ターゲットのＳｒＩｒＲｕＯ₃において、Ｉｒの組成を図１の領域Ｒ２の結晶状態となる値に調節することにより、所定の熱処理により結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃が形成される。結晶化のための熱処理温度は、例えば６５０℃である。

ここで、ＳｒＩｒＲｕＯ₃を成膜する際に、上記のようにアモルファス状態に堆積する代わりに、例えば有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）装置を用いて、第１下部電極膜１９上に単斜晶の結晶状態にＳｒＩｒＲｕＯ₃を堆積し、第２下部電極膜２０を形成しても良い。

続いて、図３（ｃ）に示すように、強誘電体膜２１を形成する。
詳細には、ＭＯＣＶＤ法により、第２下部電極膜２０上にＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_x、Ｔｉ_1-x）Ｏ₃（０．３≦ｘ≦０．４５））膜を堆積する。或いは、ＰＺＴにカルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ランタン（Ｌａ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素がドーピングされた膜を堆積する。以上により、主配向が（１１１）である強誘電体膜２１が形成される。

ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内に供給する有機金属原料ガスの組み合わせとしては、例えばＰｂ（ＤＩＢＭ）₂、Ｚｒ（ＤＩＢＭ）₄、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂の組み合わせ、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂、Ｚｒ（ＤＩＢＭ）₄、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂の組み合わせ、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂、Ｚｒ（ＩＢＰＭ）₄、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂の組み合わせ、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂、Ｚｒ（ＯｉＰｒ）（ＤＰＭ）₃、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂の組み合わせ、Ｐｂ（ＤＰＭ）₂、Ｚｒ（ＯｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂、Ｔｉ（ＯｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂の組み合わせ等が挙げられる。ここで、ＤＩＢＭはＣ₉Ｈ₁₅Ｏ₂（ジイソブチリルメタナト）、ＩＢＰＭはＣ₁₀Ｈ₁₇Ｏ₂（イソブチリルピバロイルメタナト）、ＤＰＭはＣ₁₁Ｈ₁₉Ｏ₂（ジピバロイルメタナト）、ＯｉＰｒはＯ−ｉ−Ｃ₃Ｈ₇をそれぞれ示している。

これらの原料と酸素を流しながら、半導体基板１１の加熱温度を、例えば６２０℃として成膜する。一例として、酸素の流量は２０００ｓｃｃｍであり、酸素ガス中の酸素量が有機金属原料ガスを反応させるために必要な酸素量以上としている。形成時間は、例えば６００秒程度である。

続いて、図４（ａ）に示すように、上部電極膜２２を形成する。
詳細には、スパッタ法やＣＶＤ法により、強誘電体膜２１上に例えばＩｒＯ₂を堆積する。これにより、上部電極膜２２が形成される。結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃の第２下部電極膜２０の存在により、強誘電体膜２１の表面モフォロジーは良好である。従って、上部電極膜２２と強誘電体膜２１との間で良好なコンタクト接触が得られる。

続いて、図４（ｂ）に示すように、強誘電体キャパシタ３０を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びエッチングにより、導電性密着膜１７、酸素バリア膜１８、第１下部電極膜１９、第２下部電極膜２０、強誘電体膜２１、及び上部電極膜２２の積層構造をキャパシタ形状に加工する。以上により、酸素バリア膜１８上に、第１下部電極１９ａ、第２下部電極２０ａ、強誘電体膜２１、及び上部電極２２ａの積層構造である強誘電体キャパシタ３０が形成される。

続いて、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜２３を形成する。
詳細には、半導体基板１１の全面に、強誘電体キャパシタ３０を埋め込むように層間絶縁膜２３を形成する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、プラグ電極２を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びエッチングにより層間絶縁膜２３を貫通して、強誘電体キャパシタ３０の上部電極２２ａに到達する貫通孔を形成する。所定の金属で貫通孔を充填し、ＣＭＰ等で金属を平坦化する。これにより、プラグ電極２が形成される。
以上により、強誘電体キャパシタ３０を有するＦＲＡＭ１０が得られる。

図６は、下部電極構成の違いによる強誘電体膜２１であるＰＺＴ膜の（１１１）配向比率の相違を示す特性図である。
サンプルとして、シリコン基板上のＳｉＯ₂膜上に異なる構成で下部電極を形成し、下部電極上にＰＺＴ膜を形成して、Ｘ線回折装置を用いてＰＺＴ膜の結晶配向測定を行った。ここで、下部電極がＩｒとして示されているサンプルは、第１下部電極膜１９としてＩｒを形成し、その上の第２下部電極膜２０が無い状態で、強誘電体膜２１として正方晶構造のＰＺＴを形成したものである。また、下部電極がＳｒＲｕＯ₃として示されているサンプルは、第１下部電極膜１９としてＩｒを形成し、その上に第２下部電極膜２０としてＳｒＲｕＯ₃を形成し、更にその上に強誘電体膜２１として正方晶構造のＰＺＴを形成したものである。同様に、下部電極がＳｒＩｒＲｕＯ₃として示されているサンプルは、第２下部電極膜２０として結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃を用いたものである。ＰＺＴ膜に起因するピークとして、（１００）／（００１）、（１１０）／（１０１）、（１１１）の３種類が観測された。其々のピークの積分強度を求めて、ＪＣＰＤＳ５０−０３４６を用いて強度比率を配向比率に換算することで、（１１１）配向比率を導出した。ＰＺＴの（１１１）配向比率は、下部電極がＩｒの場合には２８％、ＳｒＲｕＯ₃の場合には２４％とほぼ同じであるのに対して、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には９５％であり（１１１）配向比率が非常に高い。

図７は、下部電極構成の相違による電極表面のモフォロジーの相違を示す特性図である。
サンプルとして、シリコン基板上のＳｉＯ₂膜上に異なる構成で下部電極を形成し、原子間力顕微鏡（以下、「ＡＦＭ」とする）を用いて電極表面のモフォロジー測定を実施した。ＡＦＭ測定より得られた電極表面の平均面粗さは、Ｉｒの場合には０．４９ｎｍ、ＳｒＲｕＯ₃の場合には０．５８ｎｍ、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には０．４２ｎｍである。通常、Ｉｒのような金属電極上に導電性酸化膜を形成すると、ＳｒＲｕＯ₃のＡＦＭ測定結果で示されたように、表面モフォロジーは悪化する。それにも拘らず、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の表面モフォロジーは、Ｉｒの表面よりも良化している。

図８は、下部電極構成の相違による強誘電体膜２１であるＰＺＴの表面のモフォロジーの違いを示す特性図である。
サンプルは、図７で使用された夫々の下部電極上に、ＰＺＴを形成したものであり、図６で使用されたものと同じである。ＡＦＭ測定より得られたＰＺＴ表面の平均面粗さは、下部電極がＩｒの場合には２．７９ｎｍ、ＳｒＲｕＯ₃の場合には３．５８ｎｍ、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には２．７２ｎｍである。下部電極がＩｒの場合と比較して、ＳｒＲｕＯ₃の場合に表面モフォロジーが悪い理由は、図７で示したように、下部電極の表面モフォロジーがＳｒＩｒＲｕＯ₃よりもＳｒＲｕＯ₃の方が悪いためである。このように、電極表面のモフォロジーの悪化はＰＺＴ表面のモフォロジーの悪化に直結する。それでも、下部電極がＳｒＲｕＯ₃の場合にＰＺＴ表面の平均面粗さが３．５８ ｎｍ程度で抑制されているのは、ＰＺＴの（１１１）配向比率が２４％と低いことが挙げられる。通常、下部電極がＳｒＲｕＯ₃の場合にＰＺＴ膜の配向を（１１１）にすると、ＰＺＴ表面の平均面粗さは５ｎｍを簡単に超えるためである。これに対して、下部電極がＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合のＰＺＴ表面の平均面粗さは２．７２ｎｍであり、下部電極がＩｒの場合の２．７９ｎｍよりもさらに良い。ここで、図２で示したＰＺＴ膜の（１１１）配向比率は、下部電極がＩｒの場合には２８％であるのに対して、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には９５％と非常に高い。それにも関わらず、下部電極がＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合のＰＺＴ膜の表面モフォロジーが非常に良い理由は、図３で示したように、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の表面モフォロジーが非常に良いためである。

図９は、下部電極構成の相違による、分極反転電荷量の違いを示す特性図である。
測定は、電圧１．８Ｖで行った。分極反転電荷量は、下部電極がＩｒの場合には２８．８μＣ/ｃｍ²、ＳｒＲｕＯ₃の場合には３０．０μＣ/ｃｍ²、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には３４．８μＣ/ｃｍ²である。下部電極がＩｒの場合と比べて、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には、分極反転電荷量が２０％以上向上している。この分極反転電荷量の増加は、図６に示したように、下部電極がＳｒＩｒＲｕＯ₃の場合には、大きな分極反転電荷量が期待されるＰＺＴの（１１１）配向比率が９５％と非常に大きいためである。一方、下部電極がＩｒの場合と比べて、ＳｒＲｕＯ₃の場合に、分極反転電荷量が少し向上している理由は、ＳｒＲｕＯ₃の抗電圧が少し低いためであると考えられる。

ここで、ＳｒＩｒＲｕＯ₃のＩｒ／Ｒｕ比率と表面モフォロジーの関係を調べると、一定以上のＩｒ／Ｒｕ比率の場合に、良好な表面モフォロジーを備えたＳｒＩｒＲｕＯ₃が得られる。良好な表面モフォロジーを備えたＳｒＩｒＲｕＯ₃と、そうでないＳｒＩｒＲｕＯ₃膜の結晶構造を調べると、前者が単斜晶の結晶構造であるのに対して、後者は斜方晶構造であった。即ち、良好な表面モフォロジーを得るには、単斜晶の結晶構造のＳｒＩｒＲｕＯ₃を用いれば良い。一方、ＳｒＩｒＲｕＯ₃のＩｒ／Ｒｕ比率と抗電圧の関係を調べると、Ｉｒ／Ｒｕ比率が増加すると抗電圧は増加傾向を示す。即ち、良好な表面モフォロジーを得るには、単斜晶の結晶構造のＳｒＩｒＲｕＯ₃を用いれば良く、更に抗電圧を低くしたい場合には、単斜晶の結晶構造の中でＩｒ濃度が比較的低い結晶領域を選択するのが望ましい。

ここで、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の膜厚と表面モフォロジーの関係を調べると、膜厚が１ｎｍと非常に薄い場合においても有効であった。このような薄い膜の場合には、結晶構造を調べることは一般的に困難であるが、電極表面のモフォロジーとＩｒ／Ｒｕ比率は厚膜の場合と同様の傾向を示す。即ち、結晶構造のみならず、ＳｒＩｒＲｕＯ₃やその上層のＰＺＴ、更に上層の上部電極膜等の表面モフォロジーを活用することでも、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の結晶構造と同様に本実施形態を用いることが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな、強誘電体キャパシタ３０を有するＦＲＡＭが実現する。
本実施形態では、第１下部電極膜１９上に電極材料としてＳｒＩｒＲｕＯ₃を形成するため、所期のＩｒ濃度の単斜晶構造のＳｒＩｒＲｕＯ₃を所期の膜厚に、比較的容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
次いで、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、強誘電体キャパシタを有するＦＲＡＭを開示するが、第２下部電極膜の形成方法が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図１０は、第２の実施形態によるＦＲＡＭの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。

先ず、第１の実施形態と同様に、図１（ａ）〜図３（ａ）の各工程を行う。このとき、酸素バリア膜１８上にＩｒの第１下部電極膜１９が形成される。ここで、第１下部電極膜１９の表面モフォロジーを比較的大きくすることが望ましい。

続いて、図１０（ａ）に示すように、ＳｒＲｕＯ₃３１を成膜する。
詳細には、例えばマグネトロンＤＣスパッタ装置を用いて、Ｉｒの第１下部電極膜１９上に、アモルファス状態のＳｒＲｕＯ₃３１を非常に薄い膜厚、例えば１ｎｍ程度以下（ここでは１ｎｍ程度）に堆積する。

続いて、図１０（ｂ）に示すように、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の第２下部電極膜２０を形成する。
詳細には、アモルファス状態のＳｒＲｕＯ₃３１に熱処理を施す。これにより、第１下部電極膜１９のＩｒとＳｒＲｕＯ₃３１とが効率良く混合し、結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃が形成される。ＳｒＲｕＯ₃３１の厚みを１ｎｍ程度以下にすることにより、第１下部電極膜１９のＩｒとの十分な混合が得られる。以上により、第１下部電極膜１９上に第２下部電極膜２０が形成される。

続いて、第１の実施形態と同様に、図３（ｃ）〜図４（ｂ）の各工程を行う。このとき、図１０（ｃ）に示すように、酸素バリア膜１８上に、第１下部電極１９ａ、第２下部電極２０ａ、強誘電体膜２１、及び上部電極２２ａの積層構造である強誘電体キャパシタ３０が形成される。

続いて、第１の実施形態と同様に、図５（ａ）〜図５（ｂ）の各工程を行う。以上により、強誘電体キャパシタ３０を有するＦＲＡＭ１０が得られる。

以上説明したように、本実施形態によれば、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな、強誘電体キャパシタ３０を有するＦＲＡＭが実現する。
本実施形態では、ＳｒＩｒＲｕＯ₃のターゲット等のような電極材料を用いることなく、既存のＳｒＲｕＯ₃のターゲット等を用いれば良く、これにより所望のＳｒＩｒＲｕＯ₃を容易に得ることができるため、製造コストを廉価に抑えることができる。

（変形例）
次いで、第２の実施形態の変形例について説明する。本例では、第２の実施形態と同様に、強誘電体キャパシタを有するＦＲＡＭを開示するが、第２下部電極膜の形成方法が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図１１は、第２の実施形態の変形例によるＦＲＡＭの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。

先ず、第１の実施形態と同様に、図１（ａ）〜図３（ａ）の各工程を行う。このとき、酸素バリア膜１８上にＲｕの第１下部電極膜１９が形成される。ここで、第１下部電極膜１９の表面モフォロジーを比較的大きくすることが望ましい。

続いて、図１１（ａ）に示すように、ＳｒＩｒＯ₃３２を成膜する。
詳細には、例えばマグネトロンＤＣスパッタ装置を用いて、Ｒｕの第１下部電極膜１９上に、アモルファス状態のＳｒＩｒＯ₃３２を非常に薄い膜厚、例えば１ｎｍ程度以下（ここでは１ｎｍ程度）に堆積する。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、ＳｒＩｒＲｕＯ₃の第２下部電極膜２０を形成する。
詳細には、アモルファス状態のＳｒＩｒＯ₃３２に熱処理を施す。これにより、第１下部電極膜１９のＲｕとＳｒＩｒＯ₃３２とが効率良く混合し、結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃が形成される。ＳｒＩｒＯ₃３２の厚みを１ｎｍ程度以下にすることにより、第１下部電極膜１９のＲｕとの十分な混合が得られる。以上により、第１下部電極膜１９上に第２下部電極膜２０が形成される。

続いて、第１の実施形態と同様に、図３（ｃ）〜図４（ｂ）の各工程を行う。このとき、図１１（ｃ）に示すように、酸素バリア膜１８上に、第１下部電極１９ａ、第２下部電極２０ａ、強誘電体膜２１、及び上部電極２２ａの積層構造である強誘電体キャパシタ３０が形成される。

続いて、第１の実施形態と同様に、図５（ａ）〜図５（ｂ）の各工程を行う。以上により、強誘電体キャパシタ３０を有するＦＲＡＭ１０が得られる。

以上説明したように、本実施形態によれば、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな、強誘電体キャパシタ３０を有するＦＲＡＭが実現する。
本実施形態では、ＳｒＩｒＲｕＯ₃のターゲット等のような電極材料を用いることなく、既存のＳｒＩｒＯ₃のターゲット等を用いれば良く、これにより所望のＳｒＩｒＲｕＯ₃を容易に得ることができるため、製造コストを廉価に抑えることができる。

なお、第１及び第２の実施形態及び変形例では、所謂スタック型の強誘電体キャパシタについて例示した。スタック型の強誘電体キャパシタとは、強誘電体キャパシタの下部電極については下部電極の下方に、上部電極については上部電極の上方にそれぞれ接続用のプラグ電極を設けるものである。本発明は、スタック型に限定されるものではなく、所謂プレーナ型の強誘電体キャパシタにも適用可能である。プレーナ型の強誘電体キャパシタとは、強誘電体キャパシタの下部電極及び上部電極について、共に下部電極及び上部電極の上方にそれぞれ接続用のプラグ電極を設けるものである。

プレーナ型の強誘電体キャパシタとする場合にも、上述したスタック型と同様に、第１下部電極上に結晶構造が単斜晶であるＳｒＩｒＲｕＯ₃の第２下部電極を形成し、その上に強誘電体膜及び上部電極を形成する。これにより、強誘電体膜の表面モフォロジーが良好で、且つ分極反転電荷量が大きな、プレーナ型の強誘電体キャパシタを有するＦＲＡＭが実現する。

以下、半導体装置及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）半導体基板と、強誘電体キャパシタとを備えた半導体装置であって、
前記強誘電体キャパシタは、
第１下部電極と、
前記第１下部電極上に形成された、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの第２下部電極と、
前記第２下部電極上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成された上部電極と
を含むことを特徴とする半導体装置。

（付記２）前記強誘電体膜は、主配向が（１１１）であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。

（付記３）前記強誘電体膜は、結晶構造が正方晶であり、主成分がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置。

（付記４）前記第１の下部電極は、主成分がイリジウム又はルテニウムであることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。

（付記５）半導体基板と、強誘電体キャパシタとを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記強誘電体キャパシタを形成するに際して、
第１下部電極膜を形成する第１工程と、
前記第１下部電極膜上に、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの第２下部電極膜を形成する第２工程と、
前記第２下部電極膜上に強誘電体膜を形成する第３工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極膜を形成する第４工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記６）前記強誘電体膜は、主配向が（１１１）であることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。

（付記７）前記強誘電体膜は、結晶構造が正方晶であり、主成分がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする付記５又は６に記載の半導体装置の製造方法。

（付記８）前記第２工程では、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムを結晶として成膜し、前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする付記５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記９）前記第２工程では、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムをアモルファス状態で成膜し、アニール処理により結晶化して、前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする付記５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１０）前記第１工程では、イリジウムが主成分である前記第１下部電極膜を形成し、
前記第２工程では、前記下部電極膜上に酸化ストロンチウムルテニウムをアモルファス状態で成膜し、アニール処理により結晶化して、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする付記５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１１）前記酸化ストロンチウムルテニウムを１ｎｍ以下の厚みに形成することを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１２）前記第１工程では、ルテニウムが主成分である前記第１下部電極膜を形成し、
前記第２工程では、前記第１下部電極膜上に酸化ストロンチウムイリジウムをアモルファス状態で成膜し、アニール処理により結晶化して、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする付記５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１３）前記酸化ストロンチウムイリジウムを１ｎｍ以下の厚みに形成することを特徴とする付記１２に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１４）前記第３工程では、前記強誘電体膜を有機金属気相成長法により形成することを特徴とする付記５〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

１，２ プラグ電極
１０ ＦＲＡＭ
１１ 半導体基板
１２ａ ソース／ドレイン不純物拡散領域
１２ｂ ソース／ドレイン不純物拡散領域
１３ ゲート絶縁膜
１４ ゲート電極
１５ トランジスタ
１６，２３ 層間絶縁膜
１７ 導電性密着膜
１８ 酸素バリア膜
１９ 第１下部電極膜
１９ａ 第１下部電極
２０ 第２下部電極膜
２０ａ 第２下部電極
２１ 強誘電体膜
２２ 上部電極膜
２２ａ 上部電極
３０ 強誘電体キャパシタ
３１ ＳｒＲｕＯ₃
３２ ＳｒＩｒＯ₃

Claims (10)

1. 半導体基板と、強誘電体キャパシタとを備えた半導体装置であって、
   前記強誘電体キャパシタは、
   第１下部電極と、
   前記第１下部電極上に形成された、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの第２下部電極と、
   前記第２下部電極上に形成された強誘電体膜と、
   前記強誘電体膜上に形成された上部電極と
   を含むことを特徴とする半導体装置。
2. 前記強誘電体膜は、主配向が（１１１）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記強誘電体膜は、結晶構造が正方晶であり、主成分がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 半導体基板と、強誘電体キャパシタとを備えた半導体装置の製造方法であって、
   前記強誘電体キャパシタを形成するに際して、
   第１下部電極膜を形成する第１工程と、
   前記第１下部電極膜上に、結晶構造が単斜晶である酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの第２下部電極膜を形成する第２工程と、
   前記第２下部電極膜上に強誘電体膜を形成する第３工程と、
   前記強誘電体膜上に上部電極膜を形成する第４工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記強誘電体膜は、主配向が（１１１）であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記強誘電体膜は、結晶構造が正方晶であり、主成分がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第２工程では、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムを結晶として成膜し、前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第２工程では、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムをアモルファス状態で成膜し、アニール処理により結晶化して、前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１工程では、イリジウムが主成分である前記第１下部電極膜を形成し、
   前記第２工程では、前記下部電極膜上に酸化ストロンチウムルテニウムをアモルファス状態で成膜し、アニール処理により結晶化して、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記第１工程では、ルテニウムが主成分である前記第１下部電極膜を形成し、
    前記第２工程では、前記第１下部電極膜上に酸化ストロンチウムイリジウムをアモルファス状態で成膜し、アニール処理により結晶化して、前記酸化ストロンチウムイリジウムルテニウムの前記第２下部電極膜を形成することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

Images