JP4697437B2 - 強誘電体メモリおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体メモリおよびその製造方法に関する。
強誘電体メモリ装置（ＦｅＲＡＭ）は、低電圧および高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが１トランジスタ／１キャパシタ（１Ｔ／１Ｃ）で構成できるため、ＤＲＡＭなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。
強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体キャパシタの強誘電体特性を最大限に発揮させるには、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。
特開２０００−２７７７０１号公報
本発明の目的は、強誘電体層の結晶配向性が良好に制御された強誘電体メモリおよびその製造方法を提供することである。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法は、
（ａ）基体の上方にチタンを構成元素として含む第１の金属層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の金属層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｃ）前記第１電極の上方に強誘電体層を形成する工程と、
（ｄ）前記強誘電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｅ）前記第１の金属層、前記第１電極、前記強誘電体層、および前記第２電極をパターニングする工程と、
（ｆ）前記第１の金属層の側面を窒化する工程と、
を含む。
（ａ）基体の上方にチタンを構成元素として含む第１の金属層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の金属層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｃ）前記第１電極の上方に強誘電体層を形成する工程と、
（ｄ）前記強誘電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｅ）前記第１の金属層、前記第１電極、前記強誘電体層、および前記第２電極をパターニングする工程と、
（ｆ）前記第１の金属層の側面を窒化する工程と、
を含む。
このように、第１電極３２を成膜する前にチタンを構成元素として含む第１の金属層を形成することによって、優れた結晶配向の第１電極および強誘電体層を形成することができる。すなわち、本発明によれば、所望の結晶配向を有する強誘電体層を形成することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体メモリを得ることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）と（ｂ）の間に、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア膜を前記第１の金属層の上方に形成する工程をさらに含むことができる。
前記工程（ａ）と（ｂ）の間に、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア膜を前記第１の金属層の上方に形成する工程をさらに含むことができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記第１の金属層は、チタン層であり、
前記バリア膜は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。
前記第１の金属層は、チタン層であり、
前記バリア膜は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｆ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層を加熱することにより窒化することができる。
前記工程（ｆ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層を加熱することにより窒化することができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記第１の金属層は、チタン層またはチタンアルミニウム層であることができる。
前記第１の金属層は、チタン層またはチタンアルミニウム層であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）と（ｂ）の間に、チタンを構成元素として含む第２の金属層を前記第１の金属層の上方に形成する工程をさらに含むことができる。
前記工程（ａ）と（ｂ）の間に、チタンを構成元素として含む第２の金属層を前記第１の金属層の上方に形成する工程をさらに含むことができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｆ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層および第２の金属層を加熱することにより、前記第１の金属層および前記第２の金属層の側面を窒化することができる。
前記工程（ｆ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層および第２の金属層を加熱することにより、前記第１の金属層および前記第２の金属層の側面を窒化することができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記第１の金属層は、チタン層であり、
前記第２の金属層は、チタンアルミニウム層であることができる。
前記第１の金属層は、チタン層であり、
前記第２の金属層は、チタンアルミニウム層であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）の前に、アンモニアガスのプラズマを励起して、前記第１の金属層の形成領域の表面に、当該プラズマを照射することができる。
前記工程（ａ）の前に、アンモニアガスのプラズマを励起して、前記第１の金属層の形成領域の表面に、当該プラズマを照射することができる。
本発明にかかる強誘電体メモリは、
基体の上方に形成され、チタンを構成元素として含む配向制御層と、
前記第１の金属層の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成された第２電極と、
を含み、
前記配向制御層は、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有する。
基体の上方に形成され、チタンを構成元素として含む配向制御層と、
前記第１の金属層の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成された第２電極と、
を含み、
前記配向制御層は、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有する。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層の上面に形成されたバリア層をさらに有することができる。
前記配向制御層の上面に形成されたバリア層をさらに有することができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記バリア層は、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなることができる。
前記バリア層は、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層は、チタン層からなる配向制御領域と、当該チタン層の側面に形成されたチタンの窒化物からなるバリア領域とを有し、
前記バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなることができる。
前記配向制御層は、チタン層からなる配向制御領域と、当該チタン層の側面に形成されたチタンの窒化物からなるバリア領域とを有し、
前記バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層の上面に形成され、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第２の配向制御層をさらに含むことができる。
前記配向制御層の上面に形成され、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第２の配向制御層をさらに含むことができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層は、チタン層からなる配向制御領域と、当該チタン層の側面に形成されたチタンの窒化物からなるバリア領域とを有し、
前記第２の配向制御層は、チタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有することができる。
前記配向制御層は、チタン層からなる配向制御領域と、当該チタン層の側面に形成されたチタンの窒化物からなるバリア領域とを有し、
前記第２の配向制御層は、チタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有することができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
前記配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層の前記バリア領域に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
前記配向制御層の前記バリア領域に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記バリア層、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
前記配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記バリア層、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記配向制御層、前記第２の配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層および前記第２の配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
前記配向制御層、前記第２の配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層および前記第２の配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記バリア層の前記バリア領域に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
前記バリア層の前記バリア領域に含まれる結晶は、（１１１）配向であることができる。
本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記基体は、絶縁層と、前記絶縁層を貫通するコンタクトホールと、前記コンタクトホールに形成された導電層と、前記導電層を介して前記第１電極と電気的に接続されたスイッチングトランジスタとを有することができる。
前記基体は、絶縁層と、前記絶縁層を貫通するコンタクトホールと、前記コンタクトホールに形成された導電層と、前記導電層を介して前記第１電極と電気的に接続されたスイッチングトランジスタとを有することができる。
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．強誘電体メモリ
図１は、本実施の形態の強誘電体メモリ１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ１００は、強誘電体キャパシタ３０と、配向制御層１２と、絶縁層２６と、プラグ２０と、強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含む。なお、本実施形態においては、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルに限定されない。
図１は、本実施の形態の強誘電体メモリ１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ１００は、強誘電体キャパシタ３０と、配向制御層１２と、絶縁層２６と、プラグ２０と、強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含む。なお、本実施形態においては、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルに限定されない。
トランジスタ１８は、ゲート絶縁層１１と、ゲート絶縁層１１上に設けられたゲート導電層１３と、ソース／ドレイン領域である第１不純物領域１７および第２不純物領域１９とを含む。また、プラグ（導電層）２０はスイッチングトランジスタ１８と電気的に接続されている。強誘電体キャパシタ３０とトランジスタ１８との間には絶縁層２６が形成されている。絶縁層２６の材質は、特に限定されないが、たとえば酸化シリコンからなることができる。
強誘電体キャパシタ３０は、絶縁層２６に設けられたプラグ２０の上方に設けられている。このプラグ２０は、第２不純物領域１９の上方に形成されている。プラグ２０は、絶縁層２６を貫通するコンタクトホール２２内を埋めるように形成されている。プラグ２０は例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、ニッケルなどの高融点金属からなり、素子の信頼性の観点からタングステンからなることが好ましい。
また強誘電体メモリ１００は、コンタクトホール２２の側面および底面に形成されたバリア層２７を、コンタクトホール２２内にさらに含む。プラグ２０は、バリア層２７によって覆われている。
バリア層２７は、導電性材料からなることができ、たとえば、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）のうち少なくとも一層からなることができる。このバリア層２７によって、プラグ２０の密着性を向上させ、また、プラグ２０の拡散および酸化を防止することができ、ひいてはプラグ２０の低抵抗化を図ることができる。
配向制御層１２は、プラグ２０および絶縁層２６上に形成されており、配向制御領域１２１と、バリア領域１２２とを有する。バリア領域１２２は、平面視において、配向制御領域１２１の周囲を取り囲むように形成されている。配向制御領域１２１は、チタン層またはチタンアルミニウム層からなることができる。バリア領域１２２は、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなることができる。配向制御領域１２１およびバリア領域１２２は、少なくとも一部が結晶質であることができ、特に、配向制御領域１２１は、自己配向性の強いチタン層またはチタンアルミニウム層からなるため、配向性の優れた結晶を有することができる。
また、配向制御領域１２１の周囲を取り囲むようにバリア領域１２２を形成することによって、プラグ２０が酸化されるのを防止することができ、プラグ２０の低抵抗化を図ることができる。
強誘電体キャパシタ３０は、配向制御層１２の上に設けられた第１電極３２と、第１電極３２の上に設けられた強誘電体層３４と、強誘電体層３４の上に設けられた第２電極３６とを含む。第１電極３２、および強誘電体層３４は、少なくとも一部が結晶質であることができる。第１電極３２はイリジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、およびイリジウムから選ばれる少なくとも１種の金属からなることができ、好ましくは白金またはイリジウムからなり、より好ましくは素子の信頼性の高いイリジウムからなる。また、第１電極３２は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。
強誘電体層３４は、強誘電体物質を含む。この強誘電体物質は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、Ａ１−ｂＢ１−ａＸａＯ３の一般式で示されることができる。Ａは、Ｐｂを含む。Ｂは、ＺｒおよびＴｉのうちの少なくとも１つからなる。Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷのうちの少なくとも１つからなる。強誘電体層３４に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体層として使用可能な公知の材料を使用することができ、例えば、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２（ＢＬＴ）等のペロブスカイト型酸化物やビスマス層状化合物が挙げられる。中でも、強誘電体層３４の材料としてはＰＺＴが好ましい。
また、強誘電体層３４としてＰＺＴを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多いことがより好ましい。このような組成のＰＺＴは正方晶に属し、その自発分極軸はｃ軸となるため、理想的にはｃ軸配向させることで最大の分極電荷が得られる。ところが実際は、ｃ軸と直交するａ軸配向成分が同時に存在してしまう。このａ軸配向成分は分極反転に寄与しないため、ａ軸配向成分の存在によって素子の強誘電特性が損なわれるおそれがある。この場合、強誘電体層３４に用いられるＰＺＴの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、すべての結晶成分を分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体層３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向が（１１１）配向であるのが好ましい。
第２電極３６は、第１電極３２に使用可能な材料として例示した上記材料からなることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケルなどからなることができる。また、第２電極３６は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。好ましくは、第２電極３６は、白金、あるいはイリジウムオキサイドとイリジウムとの積層膜からなる。
次に、配向制御層１２の配向制御機能について説明する。配向制御層１２は、結晶質であり、所望の結晶配向を有する。具体的には、配向制御層１２の配向制御領域１２１は、チタン層またはアルミニウムチタン層からなるため、その結晶配向は自己配向性に起因して（００１）配向であることができる。また配向制御層１２のバリア領域１２２は、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であるため、（１１１）配向を有することができる。
そこで、第１電極３２は、たとえば白金やイリジウム等の上述した材質からなる場合に、このような配向制御層１２上に形成されているため、配向制御層１２の結晶配向の影響を受けて、（１１１）配向を有することができる。即ち、第１電極３２は、（００１）配向を有するチタン層またはアルミニウムチタン層、および（１１１）配向を有するチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物の上で（１１１）配向しやすい。よって、第１電極３２は、良好な結晶質の（１１１）配向を有することができる。
強誘電体層３４は、第１電極３２上に形成されているため、その材質が結晶質である場合に第１電極３２の結晶配向の影響を受けて、第１電極３２と等しい配向を有することができる。強誘電体層３４は、上述したように、ペロブスカイト型酸化物やビスマス層状化合物からなることができ、その結晶配向が（１１１）配向であることが望ましい。本実施の形態において強誘電体層３４は、配向制御層１２および第１電極３２の上方に形成されることによって、容易に（１１１）配向を有することができる。よって、強誘電体メモリ１００は、優れたヒステリシス特性を得ることができる。
２．強誘電体メモリの製造方法
次に、図１に示す強誘電体メモリ１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２〜図１０はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。
次に、図１に示す強誘電体メモリ１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２〜図１０はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、図２に示すように、トランジスタ１８および素子分離領域１６を形成する。より具体的には、半導体基板１０にトランジスタ１８、素子分離領域１６を形成し、その上に絶縁層２６を積層する。トランジスタ１８、素子分離領域１６、および絶縁層２６は、公知の方法を用いて形成することができる。
次に、図３に示すように、絶縁層２６を貫通するようにコンタクトホール２２を設ける。コンタクトホール２２は、たとえば第２不純物領域１９上に設けることができる。フォトリソグラフィ技術を適用してコンタクトホール２２を形成してもよい。具体的には、絶縁層２６の一部を開口するようにレジスト層（図示せず）を形成し、レジスト層の開口領域をエッチングすることによってコンタクトホール２２を形成することができる。
次に、図４に示すように、コンタクトホール２２の側面および底面と、絶縁層２６上とに連続的にバリア層２７ａを形成する。バリア層２７ａは、チタンの窒化物（たとえばＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）からなることができ、反応性スパッタリング等の公知の方法によって形成されることができる。
次いで、図５に示すように、コンタクトホール２２に導電性材料を埋め込むことにより、導電層２０ａを形成する。導電層２０ａの埋め込みは例えば、ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて行なうことができる。
次に、図６に示すように、導電層２０ａおよびバリア層２７ａの一部を研磨し、除去することによってプラグ２０およびバリア層２７を形成する。研磨工程では、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａl Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｍｅｎｔ）法による工程を適用することができる。この研磨工程により、絶縁層２６を露出させることができる。
なお、絶縁層２６がバリア層２７ａより研磨されにくい材質からなる場合には、コンタクトホール２２の内部にリセス（凹部）が発生することがある。リセスが発生した場合には、バリア層２７ａと同様の材料等を用いて、スパッタリング等によりリセスを埋め込んでもよい。これにより絶縁層２６からプラグ２０の形成領域まで連続的に平坦化することができる。以上の工程により基体の一例としての、半導体基板１０、トランジスタ１８、絶縁層２６、プラグ２０、バリア層２７、および素子分離領域１６が形成される。
次に、絶縁層２６およびプラグ２０の上面に、金属層１２ａ（図８参照）を形成する。まず、図７に示すように、アンモニアガスのプラズマを励起して、金属層１２ａが形成される領域の表面１２ｓに、当該プラズマを照射する（以下、「アンモニアプラズマ処理」とする）。このアンモニアプラズマ処理により、表面１２ｓが−ＮＨで終端され、後述する工程で金属層１２ａを成膜する際に、金属層１２ａを構成する原子が表面１２ｓ上でマイグレーションし易くなる。その結果、金属層１２ａの構成原子がその自己配向性に起因して、規則的な配列（ここでは最密充填）になるように促進され、結晶配向性に優れた金属層１２ａを成膜することができると推測される。
次いで、図８に示すように、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる金属層（第１の金属層）１２ａを成膜する。この金属層１２ａ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、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。また、金属層１２ａを成膜する際の基板温度は、その材質に応じて適宜選択が可能であり、例えば、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で、スパッタリング法により金属層１２ａを形成することができる。この場合、金属層１２ａを成膜する際の基板温度は、室温から４００℃の間であることが好ましく、１００〜４００℃の間がより好ましく、１００〜３００℃の間がさらに好ましい。
次に、図９に示すように、金属層１２ａ上に第１電極３２ａを形成する。ここで、第１電極３２ａを金属層１２ａ上に形成することにより、金属層１２ａの結晶配向性を第１電極３２ａに反映させることができる。本実施の形態では、金属層１２ａの少なくとも一部が（１００）配向を有する結晶質であるため、第１電極３２ａを（１１１）配向に形成することができる。第１電極３２ａ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、ＣＶＤ法を適用することができる。
次いで、図９に示すように、第１電極３２ａ上に強誘電体層３４ａを形成する。ここで、強誘電体層３４ａを第１電極３２ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶配向性を強誘電体層３４ａに反映させることができる。本実施の形態では、第１電極３２ａの少なくとも一部が（１１１）配向を有する結晶質であるため、強誘電体層３４ａを（１１１）配向に形成することができる。
強誘電体層３４ａ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。
次いで、図９に示すように、強誘電体層３４ａ上に第２電極３６ａを形成する。第２電極３６ａ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、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。
次に、図１０に示すように、金属層１２ａ、第１電極３２ａ、強誘電体層３４ａおよび第２電極３６ａをパターニングする。まず、図９に示すように、所定のパターンのレジスト層Ｒ１を第２電極３６ａ上に形成し、このレジスト層Ｒ１をマスクとして、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行なう。これにより、第１電極３２と、第１電極３２上に設けられた強誘電体層３４と、強誘電体層３４上に設けられた第２電極３６とを有する、スタック型の強誘電体キャパシタ３０と、強誘電体キャパシタ３０の下に形成された金属層１２ｂが得られる。
次に、図１に示すように、金属層１２ｂの側面を窒化して、窒化物からなる結晶質のバリア領域１２２を形成する。金属層１２ｂの側面の窒化方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、窒素を含む雰囲気中で金属層１２ｂをアニールすることにより窒化する方法が挙げられる。窒素を含む雰囲気としては、アンモニアあるいはそのプラズマを含む雰囲気であってもよい。ここで、アニールは金属層１２ｂの融点未満で行なうことが好ましい。この温度範囲でアニールを行なうことにより、金属層１２ｂの結晶配向を保持した状態で、金属層１２ｂを構成する結晶質の結晶格子の隙間に窒素原子を導入することができる。アニールは、３５０〜６５０℃で行なうのがより好ましく、５００〜６５０℃で行なうのがさらに好ましい。これにより、窒化されていない配向制御領域１２１と、窒化されたバリア領域１２２とを有する配向制御層１２を得ることができる。
ここで金属層１２ｂがチタンおよびアルミニウムを含む場合、バリア領域１２２は、チタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）であることができ、金属層１２ｂがチタンを含む場合（例えばＴｉ）、バリア領域１２２は、チタンの窒化物（例えばＴｉＮ）であることができる。ＴｉおよびＴｉＡｌは六方晶に属し、（００１）配向である。また、この金属層１２ｂを窒化して得られたバリア領域１２２は面心立方晶のＴｉＮまたはＴｉＡｌＮからなり、ＴｉＮおよびＴｉＡｌＮは、原料であるＴｉまたはＴｉＡｌ（金属層１２ｂ）の配向性に影響されて、（１１１）配向となる。なお、配向制御領域１２１は、金属層１２ｂが窒化されずに残った領域であるため、六方晶に属し、（００１）配向を有する。
ここで、（１１１）配向性を有するバリア領域１２２が得られる理由としては、以下のとおりである。まず金属層１２ｂを構成するＴｉまたはＴｉＡｌにおいてはその自己配向性が強く発現する。金属層１２ｂは、この自己配向性により（００１）配向の結晶を有する。このため、窒化工程により、金属層１２ｂのＴｉまたはＴｉＡｌが（００１）配向を有する状態のまま、その隙間に窒素原子が入り込み、（１１１）配向を有するバリア領域１２２を得ることができると推測される。なお、チタン層およびチタンアルミニウム層においては、チタンの割合が大きい程、自己配向性が高いため、チタン層を適用することによって最も配向性の優れた配向制御領域１２１を得ることができ、ひいては強誘電体層３４の配向性を良好にすることができる。一方で、チタン層およびチタンアルミニウム層においては、アルミニウムの割合が大きい程、酸素バリア性が高いため、チタンアルミニウム層を適用することによって、より確実にプラグ２０の酸化を防止することができる。また、上述したように、アンモニアプラズマ処理を施した後にチタン層またはチタンアルミニウム層からなる金属層１２ａを成膜することにより、配向性に優れた金属層１２ａを得ることができる。
以上の工程により強誘電体メモリ１００を製造することができる。本実施の形態の強誘電体メモリ１００の製造方法では、自己配向性の強いチタン層またはチタンアルミニウム層からなる金属層１２ａの上に強誘電体キャパシタ３０を形成するため、第１電極３２ａおよび強誘電体層３４ａの結晶配向を良好にして、強誘電体メモリ１００のヒステリシス特性を向上させることができる。
３．第１の変形例
以下に、第１の変形例にかかる強誘電体メモリ２００について図面を参照しながら説明する。変形例にかかる強誘電体メモリ２００は、第２バリア層２５をさらに含む点で、本実施の形態にかかる強誘電体メモリ１００と異なる。
以下に、第１の変形例にかかる強誘電体メモリ２００について図面を参照しながら説明する。変形例にかかる強誘電体メモリ２００は、第２バリア層２５をさらに含む点で、本実施の形態にかかる強誘電体メモリ１００と異なる。
３．１．強誘電体メモリ
図１１は、変形例にかかる強誘電体メモリ２００を模式的に示す断面図である。
図１１は、変形例にかかる強誘電体メモリ２００を模式的に示す断面図である。
第２バリア層２５は、配向制御層１２と第１電極３２との間に形成されている。第２バリア層２５は、酸素バリア機能を有する。第２バリア層２５は、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなり、なかでも酸素バリア性の高いＴｉＡｌＮからなることが好ましい。このように酸素バリア性の高い第２バリア層２５を形成することによって、製造工程におけるプラグ２０の酸化を防止することもできる。なお第２バリア層２５は、少なくとも一部が結晶質であることができる。
強誘電体メモリ２００の他の構成については、上述した強誘電体メモリ１００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メモリ２００によれば、第２バリア層２５は、配向制御層１２上に形成されているため、その材質が結晶質である場合に配向制御層１２の結晶配向の影響を受ける。上述したように配向制御層１２の配向制御領域１２１は、チタン層またはアルミニウムチタン層からなるため、その結晶配向は自己配向性に起因して（００１）配向であることができる。また配向制御層１２のバリア領域１２２は、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であるため、（１１１）配向を有することができる。
第２バリア層２５は、このような配向の配向制御層１２の上に形成されているため、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物である場合に（１１１）配向を有しやすい。よって、第２バリア層２５は、良好な結晶質の（１１１）配向を有することができ、第２バリア層２５上に形成されている第１電極３２についても、良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。
また配向制御層１２が、自己配向性の強いチタン層からなる配向制御領域１２１と、チタンの窒化物からなるバリア領域１２２とを有し、第２バリア層２５が、酸素バリア性の高いチタンおよびアルミニウムの窒化物からなることによって、結晶配向性に優れ、かつ酸素バリア性に優れた強誘電体メモリ１００を形成することができる。
３．２．強誘電体メモリの製造方法
次に、図１１に示す強誘電体メモリ２００の製造方法について説明する。
次に、図１１に示す強誘電体メモリ２００の製造方法について説明する。
まず、上述した製造方法（図２〜図８）により、半導体基板１０上にトランジスタ１８、絶縁層２６、プラグ２０、バリア層２７、素子分離領域１６、および金属層１２ａを形成する。
次に、金属層１２ａ上に第２バリア層２５を成膜する。第２バリア層２５は、チタンの窒化物（たとえばＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）からなることができ、反応性スパッタリング等の公知の方法によって形成されることができる。ここで第２バリア層２５を金属層１２ａ上に形成することにより、金属層１２ａの結晶配向性を第２バリア層２５に反映させることができ、第２バリア層２５の結晶性を著しく向上させることができる。
次に第１電極３２ａ、強誘電体層３４ａ、第２電極３６ａを成膜する。その後、金属層１２ａ、第２バリア層２５、第１電極３２ａ、強誘電体層３４ａ、および第２電極３６ａをパターニングして、強誘電体キャパシタ３０を形成する。
次に、金属層１２ｂの側面を窒化して、窒化物からなる結晶質のバリア領域１２２を形成する。金属層１２ｂの側面の窒化方法は、上述した窒化方法と同様の方法を用いることができる。以上の工程により強誘電体メモリ２００を製造することができる。
４．第２の変形例
以下に、第２の変形例にかかる強誘電体メモリ３００について図面を参照しながら説明する。強誘電体メモリ３００は、第２の配向制御層１４をさらに含む点で、本実施の形態にかかる強誘電体メモリ１００と異なる。
以下に、第２の変形例にかかる強誘電体メモリ３００について図面を参照しながら説明する。強誘電体メモリ３００は、第２の配向制御層１４をさらに含む点で、本実施の形態にかかる強誘電体メモリ１００と異なる。
４．１．強誘電体メモリ
図１２は、第２の変形例にかかる強誘電体メモリ３００を模式的に示す断面図である。
図１２は、第２の変形例にかかる強誘電体メモリ３００を模式的に示す断面図である。
第２の配向制御層１４は、プラグ２０および絶縁層２６と配向制御層１２との間に形成されている。第２の配向制御層１４は、上述した第１の配向制御層１２と同様に、配向制御領域１４１と、バリア領域１４２とを有する。バリア領域１４２は、平面視において、配向制御領域１４１の周囲を取り囲むように形成されている。配向制御領域１４１は、チタン層またはチタンアルミニウム層からなることができる。バリア領域１４２は、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなることができる。配向制御領域１４１およびバリア領域１４２は、少なくとも一部が結晶質であることができ、特に、配向制御層１２上に形成されているため、配向制御層１２より優れた配向性の結晶を有することができる。よって、第２の配向制御層１４上に形成されている第１電極３２についても、より良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。また、配向制御領域１４１の周囲を取り囲むようにバリア領域１２２を形成することによって、プラグ２０が酸化されるのを防止することができ、プラグ２０の低抵抗化を図ることができる。
なお、強誘電体メモリ３００の他の構成については、上述した強誘電体メモリ１００と同様であるので説明を省略する。
４．２．強誘電体メモリの製造方法
次に、図１２に示す強誘電体メモリ３００の製造方法について説明する。
次に、図１２に示す強誘電体メモリ３００の製造方法について説明する。
まず、上述した製造方法（図２〜図８）により、半導体基板１０上にトランジスタ１８、絶縁層２６、プラグ２０、バリア層２７、素子分離領域１６、および金属層１２ａを形成する。
次に、金属層１２ａ上にチタン層またはチタンアルミニウム層からなる第２の金属層を成膜する。この第２の金属層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、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。また、第２の金属層を成膜する際の基板温度は、その材質に応じて適宜選択が可能であり、例えば、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で、スパッタリング法により第２の金属層を形成することができる。
次に第１電極３２ａ、強誘電体層３４ａ、第２電極３６ａを成膜する。その後、金属層１２ａ、第２の金属層、第１電極３２ａ、強誘電体層３４ａ、および第２電極３６ａをパターニングして、強誘電体キャパシタ３０を形成する。
次に、金属層１２ｂおよび第２の金属層の側面を窒化して、窒化物からなる結晶質のバリア領域１２２、１４２を形成する。金属層１２ｂおよび第２の金属層の側面の窒化方法は、上述した窒化方法と同様の方法を用いることができる。以上の工程により強誘電体メモリ２００を製造することができる。なお、強誘電体メモリ３００の製造方法における他の工程については、上述した強誘電体メモリ１００の製造方法と同様であるので説明を省略する。
強誘電体メモリ３００の製造方法によれば、配向制御層１２より結晶配向性に優れた第２の配向制御層１４の上に強誘電体キャパシタ３０が形成されているため、第１電極３２、および強誘電体層３４の結晶配向を良好にして、強誘電体メモリ１００のヒステリシス特性を向上させることができる。
また、たとえば、配向制御層１２として自己配向性の強いチタン層およびチタンの窒化物を用い、第２の配向制御層１４として酸素バリア層の高いチタンアルミニウム層およびチタンおよびアルミニウムの窒化物を用いることにより、結晶配向性に優れ、かつ酸素バリア性に優れた強誘電体メモリ１００を形成することができる。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
また、本実施の形態にかかる強誘電体メモリに含まれる強誘電体キャパシタ、配向制御層等の各構成およびその製造方法は、例えば、圧電素子等に含まれるキャパシタに応用することができる。
１０ 半導体基板、 １１ ゲート絶縁層、 １２ 配向制御層、 １２ａ、１２ｂ 金属層 １３ ゲート導電層、 １４ 第２の配向制御層、 １５ サイドウォール絶縁層、 １６ 素子分離領域、 １７ 第１不純物領域、 １８ トランジスタ、 １９ 第２不純物領域、 ２０ プラグ、２０ａ 導電層、 ２２ コンタクトホール、 ２５ 第２バリア層、 ２７、２７ａ バリア層、 ２６ 絶縁層、 ３０ 強誘電体キャパシタ、 ３２、３２ａ 第１電極、 ３４、３４ａ 強誘電体膜、 ３６、３６ａ 第２電極、 １００、２００、３００ 強誘電体メモリ、 １２１、１４１ 配向制御領域、 １２２、１４２ バリア領域、 Ｒ１ レジスト層
Claims (21)
- （ａ）基体の上方にチタンを構成元素として含む第１の金属層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の金属層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｃ）前記第１電極の上方に強誘電体層を形成する工程と、
（ｄ）前記強誘電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｅ）前記第１の金属層、前記第１電極、前記強誘電体層、および前記第２電極をパターニングする工程と、
（ｆ）前記第１の金属層の側面を窒化する工程と、
をこの順に行うことを含む、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項１において、
前記工程（ａ）と（ｂ）の間に、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア膜を前記第１の金属層の上方に形成する工程をさらに含む、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項２において、
前記第１の金属層は、チタン層であり、
前記バリア膜は、チタンおよびアルミニウムの窒化物である、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記工程（ｆ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層を加熱することにより窒化する、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項１または２において、
前記第１の金属層は、チタン層またはチタンアルミニウム層である、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項１において、
前記工程（ａ）と（ｂ）の間に、チタンを構成元素として含む第２の金属層を前記第１の金属層の上方に形成する工程をさらに含む、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項６において、
前記工程（ｆ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層および第２の金属層を加熱することにより、前記第１の金属層および前記第２の金属層の側面を窒化する、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項６または７において、
前記第１の金属層は、チタン層であり、
前記第２の金属層は、チタンアルミニウム層である、強誘電体メモリの製造方法。 - 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記工程（ａ）の前に、アンモニアガスのプラズマを励起して、前記第１の金属層の形成領域の表面に、当該プラズマを照射する、強誘電体メモリの製造方法。 - 基体の上方に形成され、チタンを構成元素として含む配向制御層と、
前記第１の金属層の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成された第２電極と、
を含み、
前記配向制御層は、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有する、強誘電体メモリ。 - 請求項１０において、
前記配向制御層の上面に形成されたバリア層をさらに有する、強誘電体メモリ。 - 請求項１１において、
前記バリア層は、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる、強誘電体メモリ。 - 請求項１２において、
前記配向制御層は、チタン層からなる配向制御領域と、当該チタン層の側面に形成されたチタンの窒化物からなるバリア領域とを有し、
前記バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる、強誘電体メモリ。 - 請求項１０において、
前記配向制御層の上面に形成され、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有する第２の配向制御層をさらに含む、強誘電体メモリ。 - 請求項１４において、
前記配向制御層は、チタン層からなる配向制御領域と、当該チタン層の側面に形成されたチタンの窒化物からなるバリア領域とを有し、
前記第２の配向制御層は、チタンアルミニウム層からなる配向制御領域と、その側面に形成されたチタンおよびアルミニウムの窒化物からなるバリア領域とを有する、強誘電体メモリ。 - 請求項１０ないし１５のいずれかにおいて、
前記配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向である、強誘電体メモリ。 - 請求項１６において、
前記配向制御層の前記バリア領域に含まれる結晶は、（１１１）配向である、強誘電体メモリ。 - 請求項１２または１３において、
前記配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（００１）配向であり、
前記バリア層、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向である、強誘電体メモリ。 - 請求項１４または１５において、
前記配向制御層、前記第２の配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記配向制御層および前記第２の配向制御層の前記配向制御領域に含まれる結晶は、（
００１）配向であり、
前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向である、強誘電体メモリ。 - 請求項１９において、
前記配向制御層および前記第２の配向制御層の前記バリア領域に含まれる結晶は、（１１１）配向である、強誘電体メモリ。 - 請求項１０ないし２０のいずれかにおいて、
前記基体は、絶縁層と、前記絶縁層を貫通するコンタクトホールと、前記コンタクトホールに形成された導電層と、前記導電層を介して前記第１電極と電気的に接続されたスイッチングトランジスタとを有する、強誘電体メモリ。
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