JP4797717B2 - 強誘電体メモリ装置、強誘電体メモリ装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体メモリ装置、強誘電体メモリ装置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。このような強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体キャパシタは、上下電極間に強誘電体層が挟持された構成を有し、各電極には周辺回路と当該電極とを導通するための配線が接続されている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−１５０２４０号公報
そのような配線として窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）を用いる場合、十分に窒化したＴｉＡｌＮを用いると抵抗が非常に高くなってしまう場合があった。そこで、窒化の促進を抑えると、抵抗を低く抑えることができるが、その代償として、（１）構成元素のＡｌが遊離して容易にキャパシタへ拡散する、（２）耐酸化性が弱くなる、（３）水素バリア性能を期待できない、等の多くのデメリットを伴ってしまう場合がある。
本発明の目的は、強誘電体キャパシタを備えた強誘電体メモリ装置において、強誘電体キャパシタと周辺回路等とを電気的に接続する配線として窒化チタンアルミニウムを用いた場合にも、抵抗値を抑えつつ、且つ（１）構成元素のＡｌが遊離して容易にキャパシタへ拡散する、（２）耐酸化性が弱くなる、（３）水素バリア性能を期待できない、等の問題も生じることがないものとし、信頼性の高い強誘電体メモリ装置を提供することにある。また、本発明は、そのような強誘電体メモリ装置の製造方法について提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の強誘電体メモリ装置は、基板上に、第１電極と強誘電体層と第２電極とを前記基板側からこの順に積層してなる強誘電体キャパシタを備えた強誘電体メモリ装置であって、前記第２電極に接続される配線は、前記第２電極側から順に、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる第１配線層と、当該第１配線層を配向制御の下地層として前記第１配線層上に形成され、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンアルミニウムからなる第２配線層と、を含み、前記第２配線層を構成する窒化チタンアルミニウムは、Ｔｉ （１−ｘ） Ａｌ ｘ Ｎ ｙ （０＜ｘ≦０．３、０．５≦ｙ≦１．５）を満たすことを特徴とする。
このような強誘電体メモリ装置によると、強誘電体キャパシタの電極に接続される配線が、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる第１配線層と、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンアルミニウムからなる第２配線層とを含むものであるため、当該配線の結晶配向性が非常に優れたものとなる。このように結晶配向性に優れた配線は、窒素の含有量を大きくして配線を十分に窒化した場合にも、抵抗値の増大を抑制することができる。また、このように窒素の含有量を大きくして十分に窒化できるため、（１）構成元素のＡｌが遊離して強誘電体キャパシタへ拡散することを防止でき、また（２）耐酸化性が弱くなることを防止でき、さらに（３）水素バリア性能を具備させることができるようになる。その結果、信頼性の高い強誘電体メモリ装置を提供することが可能となる。
なお、上記強誘電体メモリ装置において、前記強誘電体キャパシタ上に層間絶縁膜が配設され、当該層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記第１電極又は前記第２電極と前記配線とが接続されてなるものとすることができる。このような層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールにおいても、上述の通り第１配線層及び第２配線層からなる結晶配向性の高い配線を形成することで、低抵抗の配線とすることができ、当該配線に耐酸化性及び水素バリア性を具備させることが可能となる。
また、前記配線が、前記強誘電体キャパシタを平面視覆うように形成されてなるものとすることができる。この場合、強誘電体キャパシタに対する水素バリア性が一層高まることとなる。
さらに、前記第２配線層を構成する窒化チタンアルミニウムは、Ｔｉ（１-ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０．５≦ｙ≦１．５）を満たすものとすることができる。窒化チタンアルミニウムのうち窒素組成比ｙが０．５未満である場合、極端に窒素含率が低いため耐酸化性が若干低下する場合がある他、水素バリア性も若干低下する場合がある。また、窒化チタンアルミニウムのうち窒素組成比ｙが１．５を超えると、極端に窒素含率が高いため抵抗値が若干高くなる場合がある。
次に、上記課題を解決するために、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、基板上に、第１電極と第２電極との間に強誘電体層を有してなる強誘電体キャパシタを形成する工程と、前記強誘電体キャパシタを含む基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に対して、前記第２電極まで開口するコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール内を含む層間絶縁膜上に、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる第１配線層を形成する工程と、前記第１配線層上に、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンアルミニウムからなる第２配線層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
このような製造方法により、上述した本発明に係る強誘電体メモリ装置を好適に製造することが可能となる。具体的には、配線を形成する工程において、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる第１配線層を形成した後、当該第１配線層上に窒化チタンアルミニウムを成膜することで、当該窒化チタンアルミニウムが下地層たる第１配線層の結晶構造を反映して（１１１）面方位に配向性を具備することとなり、上記構成の強誘電体メモリ装置が提供される。この場合、結晶性に優れた配線を具備するため、窒化チタンアルミニウムにおいて窒素の含有量を大きくして配線を十分に窒化した場合にも、抵抗値の増大を抑制することができる。また、このように窒素の含有量を大きくして十分に窒化できるため、（１）構成元素のＡｌが遊離して強誘電体キャパシタへ拡散することを防止でき、また（２）耐酸化性が弱くなることを防止でき、さらに（３）水素バリア性能を具備させることができるようになる。その結果、信頼性の高い強誘電体メモリ装置を提供することが可能となる。
また、前記第１配線層を形成する工程は、前記コンタクトホール内を含む層間絶縁膜上にチタン層を形成する工程と、前記チタン層を窒化処理して窒化チタン層とする工程と、を含むものとすることができる。このような第１配線層の形成方法により、（１１１）面方位に配向した窒化チタン層からなる第１配線層を簡便且つ確実に形成することが可能となる。つまり、（００１）面方位に自己配向するチタン層を形成した後、これを窒化処理することで、（１１１）面方位に配向した窒化チタン層を形成することができるのである。
また、前記第１配線層を形成する工程は、前記コンタクトホール内を含む層間絶縁膜上に対してアンモニアプラズマ処理を施す工程を含むものとすることができる。このようなアンモニアプラズマ処理を施すことで、形成する窒化チタン層の（１１１）面方位の配向性を高めることが可能となる。
なお、第１配線層及び第２配線層の成膜にはＣＶＤ法を採用することができる。また、第１電極及び第２電極としては、例えばイリジウム、白金、ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、白金合金のいずれかからなるものを採用することができる。さらに、強誘電体層としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴと略記）をはじめとするペロブスカイト型酸化物や、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９等のビスマス層状化合物を採用することができる。
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［強誘電体メモリ装置］
図１は、本発明に係る強誘電体メモリ装置１００の一実施の形態を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ装置１００は、半導体基板１０の上方に、強誘電体キャパシタ３０と、プラグ２０と、配線４４と、配線強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含んで構成されている。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、本発明に係る強誘電体メモリ装置１００の一実施の形態を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ装置１００は、半導体基板１０の上方に、強誘電体キャパシタ３０と、プラグ２０と、配線４４と、配線強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含んで構成されている。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および第２不純物領域１７，１９とを含んでいる。また、プラグ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おり、隣接するトランジスタ（図示略）とは、素子分離領域１６で分離されている。
強誘電体キャパシタ３０は、バリア層１４と、バリア層１４上に積層された第１電極３２と、第１電極３２上に積層された強誘電体層３４と、強誘電体層３４上に積層された第２電極３６と、を含んでいる。また、この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の上に設けられている。
プラグ２０は、第２不純物領域１９の上に形成されており、開口部（コンタクトホール）２４内に設けられたプラグ導電層２２を含んで構成されている。プラグ導電層２２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、タングステンからなることが好ましい。
バリア層１４は、プラグ２０のプラグ導電層２２と電気的に導通するように、当該プラグ２０上に形成されている。このようなバリア層１４は、結晶質を含み、導電性を有するとともに、酸素バリア性を有する材料からなるのであれば特に限定されないが、その結晶質が（１１１）配向を有することが好ましい。バリア層１４の上方に、バリア層１４の結晶配向を反映した結晶配向を有する第１電極３２を形成することができるため、第１電極３２の結晶配向を（１１１）配向にすることができるからである。そのようなバリア層１４の構成材料としては、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮを挙げることができ、なかでも、チタン、アルミニウム、および窒素を含む層（ＴｉＡｌＮ）であることがより好ましい。なお、バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、バリア層１４におけるチタン，アルミニウム，窒素の組成（原子比）は、バリア層１４の組成を化学式Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙで表すとき、０＜ｘ≦０．３であり、且つ０＜ｙであるのがより好ましい。
次に、第１電極３２は白金、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、若しくはこれらの酸化物、或いは合金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。第１電極３２が結晶質である場合、第１電極３２の結晶配向とバリア層１４との結晶配向は互いに接する界面においてエピタキシャルの方位関係となることが好ましい。この場合、強誘電体層３４の結晶配向と、第１電極３２との結晶配向も互いに接する界面においてエピタキシャルの方位関係となることが好ましい。
例えば、バリア層１４が立方晶系に属し、その結晶配向が（１１１）配向である場合、あるいはバリア層１４が六方晶系に属し、その結晶配向が（００１）配向である場合、第１電極３２の結晶配向が（１１１）配向であることが好ましい。この構成によれば、第１電極３２上に強誘電体層３４を形成する際に、強誘電体層３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易になる。
強誘電体層３４は、強誘電体材料を含んで構成されている。この強誘電体材料は、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。ここで、Ｐｂの一部をＬａに置換することもできる。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、Ｗ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＭｇ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材料としては、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）が挙げられる。
なかでも、強誘電体層３４の材料としてはＰＺＴが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第１電極３２はイリジウムであるのがより好ましい。
なかでも、強誘電体層３４の材料としてはＰＺＴが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第１電極３２はイリジウムであるのがより好ましい。
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。この場合、ｃ軸と直交するａ軸配向成分が同時に存在するため、ＰＺＴをｃ軸配向させたときは、このａ軸配向成分が分極反転に寄与しないため、強誘電特性が損なわれるおそれがある。これに対して、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、ａ軸を基板法線から一定の角度だけオフした方向に向けることができる。すなわち分極軸が基板法線方向の成分をもつようになるため、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ものとすることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケル等からなるものとすることができる。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。
強誘電体キャパシタ３０上には層間絶縁膜４０が配設され、層間絶縁膜４０には強誘電体キャパシタ３０の第２電極３６表面まで開口するコンタクトホール４５が形成されている。コンタクトホール４５及び層間絶縁膜４０上には、強誘電体キャパシタ３０（詳しくは第２電極３６）と図示しない周辺回路とを接続する配線（ローカルインターコネクト）４４が形成されており、本実施の形態では当該配線が２層構造を有して構成されている。
具体的には、配線４４は、第２電極３６ないし層間絶縁膜４０上に形成される下地層（第１配線層）４１と、下地層４１上に形成される配線主体層（第２配線層）４２とを有している。本実施の形態では、配線４４は強誘電体キャパシタ３０を平面視覆うように配設されて、当該強誘電体キャパシタ３０に対して高い水素バリア性を付与している。
下地層４１は、（１１１）面方位に配向した窒化チタン（ＴｉＮ）からなり、コンタクトホール４５の内面及び層間絶縁膜４０上に形成したチタンの膜を窒化処理してなるものである。なお、下地層４１としては、例えばｃ軸配向したチタン膜からなるものを採用してもよい。一方、配線主体層４２は窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）からなり、下地層４１の結晶構造を反映して（１１１）面方位に配向を有して構成されている。なお、配線主体層４２を構成する窒化チタンアルミニウムは、Ｔｉ（１-ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０．５≦ｙ≦１．５）を満たすものとすることができる。窒化チタンアルミニウムのうち窒素組成比ｙが０．５未満である場合、極端に窒素含率が低いため耐酸化性が若干低下する場合がある他、水素バリア性も若干低下する場合がある。また、窒化チタンアルミニウムのうち窒素組成比ｙが１．５を超えると、極端に窒素含率が高いため抵抗値が若干高くなる場合がある。
下地層４１の膜厚は５ｎｍ〜５０ｎｍ、配線主体層４２の膜厚は５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度とすることができる。
下地層４１の膜厚が５ｎｍ未満であると、成膜が困難となる場合がある他、上記配向制御機能が十分に発現され難くなる場合があり、一方、５０ｎｍを超えると、形成する配線４４の特性低下に繋がる場合もある。
また、配線主体層４２の膜厚が５０ｎｍ未満であると配線４４として抵抗が大きくなってしまう場合があり、
下地層４１の膜厚が５ｎｍ未満であると、成膜が困難となる場合がある他、上記配向制御機能が十分に発現され難くなる場合があり、一方、５０ｎｍを超えると、形成する配線４４の特性低下に繋がる場合もある。
また、配線主体層４２の膜厚が５０ｎｍ未満であると配線４４として抵抗が大きくなってしまう場合があり、
このような構成を具備した本実施の形態の強誘電体メモリ装置１００においては、強誘電体キャパシタ３０（第２電極３６）と周辺回路とを電気的に接続する配線４４が、（１１１）面方位に配向を有した窒化チタンアルミニウムからなる配線主体層４２を有するため、当該配線４４の結晶配向性が非常に優れたものとなる。このように結晶配向性に優れた配線４４は、窒素の含有量を大きくして配線を十分に窒化した場合にも、抵抗値の増大を抑制することができる。また、このように窒素の含有量を大きくして十分に窒化できるため、構成元素のＡｌが遊離して強誘電体キャパシタ３０へ拡散することを防止でき、また当該配線４４の耐酸化性が弱くなることを防止でき、さらに当該配線４４に水素バリア性能を具備させることができるようになる。その結果、強誘電体メモリ装置１００は非常に信頼性が高いものとなる。
［強誘電体メモリ装置の製造方法］
次に、図１に示した強誘電体メモリ装置１００の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）、図４（ａ）〜図４（ｄ）、および図５（ａ）〜図５（ｂ）は、それぞれ図１の強誘電体メモリ装置１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図３〜図５においては、図１の強誘電体メモリ装置１００のうち一部構成を省略する場合があり、省略した構成の詳細は図１を参照するものとする。
次に、図１に示した強誘電体メモリ装置１００の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）、図４（ａ）〜図４（ｄ）、および図５（ａ）〜図５（ｂ）は、それぞれ図１の強誘電体メモリ装置１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図３〜図５においては、図１の強誘電体メモリ装置１００のうち一部構成を省略する場合があり、省略した構成の詳細は図１を参照するものとする。
本態様の強誘電体メモリ装置１００の製造方法は、概ね、基板１０上にトランジスタ（能動素子）１８を形成する工程と、トランジスタ１８を含む基板１０上に層間絶縁膜２６を形成する工程と、層間絶縁膜２６にコンタクトホール２４を形成する工程と、コンタクトホール２４内にプラグ２０を形成する工程と、プラグ２０の上方にバリア層１４を形成する工程と、バリア層１４の上方に第１電極３２と、強誘電体層３４と、第２電極３６とを積層して強誘電体キャパシタ３０を形成する工程と、強誘電体キャパシタ３０上に層間絶縁膜４０を形成する工程と、層間絶縁膜４０にコンタクトホール４５を形成する工程と、コンタクトホール４５内に配線４４を形成する工程と、を含むものである。
まず、図３（ａ）に示すように、基板１０にトランジスタ（能動素子）１８、ソース／ドレイン領域である第１および第２不純物領域１７，１９（一部図示略）を形成し、該トランジスタ１８を含む基板１０上に層間絶縁膜２６を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２６にドライエッチング等により開口部（コンタクトホール）２４を形成し、さらに図３（ｃ）に示すように、形成した開口部２４内に、トランジスタ１８と導通するプラグ導電層２２を埋め込んでプラグ２０を形成する。プラグ導電層２２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、絶縁層２６の上面に積層されたプラグ導電層２２を、例えば化学的機械研磨により除去して、プラグ２０が形成される。層間絶縁膜２６はシリコン酸化膜からなるもので、プラグ導電層２２はタングステンからなるものである。
なお、本実施形態では、形成したプラグ２０を含む層間絶縁膜２６に対して、アンモニアプラズマ処理を施すものとしている。具体的には、アンモニアガスのプラズマを励起して、これをプラグ２０及び層間絶縁膜２６の表面に照射するものとしている。このようなアンモニアプラズマ処理の条件としては、例えばチャンバ内に導入されるアンモニアのガス流量を３５０ｓｃｃｍ、チャンバ内の圧力を１Ｔｏｒｒ、基板温度を４００℃、基板に供給される１３．５６ＭＨｚの高周波電源のパワーを１００Ｗ、プラズマ発生領域に供給される３５０ｋＨｚの高周波電源のパワーを５５Ｗ、電極と基板間の距離を３５０ｍｉｌｓ、プラズマ照射時間を６０秒に設定して行うものとした。
次に、図３（ｄ）に示すように、プラグ２０及び層間絶縁膜２６上にバリア層１４を成膜する。バリア層１４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。当該バリア層１４は、その下地が上述の通りアンモニアプラズマ処理されているため配向性に優れたものとなる。このようなバリア層１４は結晶質であるのが好ましく、（１１１）配向であるのがより好ましい。例えば、チタン，アルミニウム，および窒素を含む層からなるバリア層１４を形成する場合、バリア層１４は、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなることができる。バリア層１４が（１１１）配向を有することにより、後に形成する第１電極３２の結晶配向を（１１１）配向にすることができる。これにより、第１電極３２上に形成される強誘電体層３４を（１１１）配向にすることができる。
なお、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の結晶配向は（１１１）配向であるのが好ましい。よって、バリア層１４の結晶配向を（１１１）配向にすることにより、第１電極３２および強誘電体層３４ともに（１１１）配向にすることができるため、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。なお、バリア層１４を成膜する際の基板温度は特に限定されず、例えば、室温から５００℃の間で適宜選択可能である。
次に、図４（ａ）に示すように、バリア層１４上に第１電極３２を形成する。ここで、第１電極３２を結晶質のバリア層１４上に形成することにより、第１電極３２の結晶性が著しく向上し、かつ、バリア層１４の結晶配向を第１電極３２に反映させることができる。例えば、バリア層１４の結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２を（１１１）配向に形成することができる。第１電極３２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、同じく図４（ａ）に示すように、第１電極３２上に強誘電体層３４を形成する。ここで、強誘電体層３４を第１電極３２上に形成することにより、第１電極３２の結晶配向を強誘電体層３４に反映させることができる。例えば、第１電極３２の少なくとも一部が（１１１）配向を有する結晶質である場合、バリア層１４の結晶配向を（１１１）配向に形成することができる。強誘電体層３４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、スピンオン法，スパッタリング法，ＭＯＣＶＤ法が挙げられる。
さらに、同じく図４（ａ）に示すように、強誘電体層３４上に第２電極３６を形成する。第２電極３６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。
その後、所定のパターンのレジスト層を第２電極３６上に形成し、このレジスト層をマスクとして、バリア層１４ないし第２電極３６からなる積層膜につい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、図４（ｂ）に示すように、スタック型の強誘電体キャパシタ３０が形成される。
次に、図４（ｃ）に示すように、形成した強誘電体キャパシタ３０上に層間絶縁膜４０を形成するとともに、図４（ｄ）に示すように、層間絶縁膜４０にドライエッチング等により開口部（コンタクトホール）４５を形成する。なお、開口部４５は強誘電体キャパシタ３０の第２電極３６の表面が露出する深さまで開口するものとしている。
次いで、図５（ａ）に示すように、開口部４５内を含む層間絶縁膜４０上に窒化チタン層４１を形成する。ここでは、開口部４５内及び層間絶縁膜４０上に対してアンモニアプラズマ処理を施した後、当該開口部４５内及び層間絶縁膜４０上にチタン層を形成し、このチタン層を窒化処理することにより窒化チタン層からなる下地層４１を形成するものとしている。
このような形成方法によると、アンモニアプラズマ処理を施した開口部４５内及び層間絶縁膜４０上でチタンは自己配向性に優れ、（００１）面方位に配向を示すチタン層として形成される。そして、これを窒化処理した窒化チタン層は（１１１）面方位に配向を示すものとなる。なお、窒化処理は、窒素を含む雰囲気下で熱処理（５００℃〜６５０℃）を施すことで、チタン層を窒化チタン層に変化させる処理である。ここで、熱処理の温度が６５０℃を超えると、トランジスタ１８の特性に影響を及ぼすことがあり、一方、熱処理の温度が５００℃未満であると、チタン層の窒化に要する時間が長くなりすぎるため、好ましくない。
なお、形成する下地層４１は、上層に形成される窒化チタンアルミニウムからなる配線主体層４２の結晶配向性を制御するための機能層であり、当該制御機能を発現するために５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の膜厚とするのが良い。５ｎｍ未満では、成膜が困難となる場合がある他、上記配向制御機能が十分に発現され難くなる場合があり、一方、５０ｎｍを超えると、形成する配線４４の特性低下に繋がる場合もある。
次に、図５（ｂ）に示すように、窒化チタンからなる下地層４１上に窒化チタンアルミニウムからなる配線主体層４２を形成する。具体的には、窒化チタンアルミニウム（Ｔｉ（１-ｘ）ＡｌｘＮｙ）をスパッタリング法やＣＶＤ法により下地層４１上に成膜する手法を採用することができる。このような窒化チタンアルミニウムは結晶性に優れ、下地層４１の結晶構造を反映して（１１１）面方位に配向を示すものとなる。以上の下地層４１と配線主体層４２との積層膜により配線４４が構成される。そして、配線４４をフォトリソグラフィ法等のパターニング技術により、所定パターンに形成して、本発明に係る強誘電体メモリ装置１００が製造される。
以上説明したような本態様の強誘電体メモリ装置１００の製造方法によれば、以下の作用効果を有する。
まず、配線４４を形成する工程において、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる下地層４１（第１配線層）を形成した後、当該下地層４１上に窒化チタンアルミニウムを成膜することで、当該窒化チタンアルミニウムが下地層４１の結晶構造を反映して（１１１）面方位に配向性を具備することとなり、結晶配向性に優れた配線４４を形成することが可能となる。このように結晶配向性に優れた配線４４を形成すれば、窒化チタンアルミニウムにおいて窒素の含有量を大きくして配線４４を十分に窒化した場合にも、抵抗値の増大を抑制することができるようになる。また、このように窒素の含有量を大きくして十分に窒化できるため、配線４４（配線主体層４２）の構成元素のＡｌが遊離して強誘電体キャパシタ３０へ拡散することを防止でき、また当該配線４４の耐酸化性が弱くなることを防止でき、さらに当該配線４４に対して水素バリア性能を具備させることができるようになる。その結果、信頼性の高い強誘電体メモリ装置１００を提供することが可能となる。
まず、配線４４を形成する工程において、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる下地層４１（第１配線層）を形成した後、当該下地層４１上に窒化チタンアルミニウムを成膜することで、当該窒化チタンアルミニウムが下地層４１の結晶構造を反映して（１１１）面方位に配向性を具備することとなり、結晶配向性に優れた配線４４を形成することが可能となる。このように結晶配向性に優れた配線４４を形成すれば、窒化チタンアルミニウムにおいて窒素の含有量を大きくして配線４４を十分に窒化した場合にも、抵抗値の増大を抑制することができるようになる。また、このように窒素の含有量を大きくして十分に窒化できるため、配線４４（配線主体層４２）の構成元素のＡｌが遊離して強誘電体キャパシタ３０へ拡散することを防止でき、また当該配線４４の耐酸化性が弱くなることを防止でき、さらに当該配線４４に対して水素バリア性能を具備させることができるようになる。その結果、信頼性の高い強誘電体メモリ装置１００を提供することが可能となる。
図２は、配線主体層４２の窒素（Ｎ）含量ｙに対してシート抵抗値をプロットしたグラフである。グラフ中白丸は下地層４１を形成せず窒化チタンアルミニウムのみから構成した配線の抵抗値を示したもので、×印は下地層４１を形成し、その上に配線主体層４２を形成した本実施の形態に係る構成の配線４４の抵抗値を示したものである。このように下地層４１を形成することにより抵抗値を大幅に抑えることが可能となった。
また、図６は本実施の形態に係る配線４４のＸ線回折チャート、図７は下地層４１を形成せずに窒化チタンアルミニウムのみから構成した配線のＸ線回折チャートである。ここで、窒化チタンアルミニウムのＸ線回折チャートにおいて２θ＝３７°付近の回折ピークは（１１１）面方位の配向を示すものである。これらから（１１１）面方位に配向した窒化チタンからなる下地層４１上に、窒化チタンアルミニウムからなる配線主体層４２を形成して配線４４とした場合には、当該配線４４が（１１１）面方位に高く配向することが分かる。そして、このように配線４４の結晶配向性を高めることで、配線主体層４２を十分に窒化した場合にも抵抗値の増大が生じないものとなるのである。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限られるものではない。例えば、本実施の形態では、下地層４１の上に配線主体層４２を積層するものとしているが、配向主体層４２の結晶配向性を損なわない範囲で、当該下地層４１と配線主体層４２の間に中間層を介在させるものとしてもよい。
３０…強誘電体キャパシタ、３２…第１電極（下部電極）、３４…強誘電体層、３６…第２電極（上部電極）、４１…下地層（第１配線層）、４２…配線主体層（第２配線層）、４４…配線
Claims (6)
- 基板上に、第１電極と強誘電体層と第２電極とを前記基板側からこの順に積層してなる強誘電体キャパシタを備えた強誘電体メモリ装置であって、
前記第２電極に接続される配線は、前記第２電極側から順に、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる第１配線層と、当該第１配線層を配向制御の下地層として前記第１配線層上に形成され、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンアルミニウムからなる第２配線層と、を含み、
前記第２配線層を構成する窒化チタンアルミニウムは、Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０．５≦ｙ≦１．５）を満たすことを特徴とする強誘電体メモリ装置。 - 前記強誘電体キャパシタ上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜を厚さ方向に貫通して前記第２電極に達するコンタクトホールとを有し、
前記配線が、前記コンタクトホール内を含む前記層間絶縁膜上に形成され、前記第２電極と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体メモリ装置。 - 前記配線が、平面視において前記強誘電体キャパシタを覆うように前記強誘電体キャパシタ上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体メモリ装置。
- 基板上に、第１電極と第２電極との間に強誘電体層を有してなる強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタを含む基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に対して、前記第２電極まで開口するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール内を含む層間絶縁膜上に、（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンからなる第１配線層を形成する工程と、
前記第１配線層を配向制御の下地層として用い、前記第１配線層上に、Ｔｉ（１−ｘ）ＡｌｘＮｙ（０＜ｘ≦０．３、０．５≦ｙ≦１．５）なる組成を有するとともに（１１１）面方位に配向を有する窒化チタンアルミニウムからなる第２配線層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。 - 前記第１配線層を形成する工程は、前記コンタクトホール内を含む層間絶縁膜上にチタン層を形成する工程と、前記チタン層を窒化処理して窒化チタン層とする工程と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
- 前記第１配線層を形成する工程は、前記コンタクトホール内を含む層間絶縁膜上に対してアンモニアプラズマ処理を施す工程を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
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