JP5093236B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、強誘電体キャパシタを備える半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。

近年、ディジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを高速に処理または保存する傾向が高まっている。このため、電子機器に使用される半導体装置の高集積化および高性能化が要求されている。

半導体記憶装置に関しては、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の高集積化を実現するため、その容量絶縁膜として、従来の酸化シリコン（ＳｉＯ）膜や窒化シリコン（ＳｉＮ）膜に替えて、強誘電体材料や高誘電率材料を用いる技術が研究され始めている。

従来、電源を断っても記憶情報が消失しない不揮発性メモリとして、フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ（Ferro-electric Random Access Memory）が知られている。
フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）のゲート絶縁膜中にフローティングゲートが埋め込まれた構造を有し、そのフローティングゲートに電荷を蓄積することによって情報を記憶する。情報の書き込み／消去には絶縁膜を通過するトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧を必要とする。

ＦｅＲＡＭは、容量絶縁膜に強誘電体膜を用い、その強誘電体膜を一対の電極で挟んだ強誘電体キャパシタを備えている。強誘電体キャパシタは、電極間の印加電圧に応じて分極を生じ、印加電圧を取り去っても自発分極を有する。印加電圧の極性を反転すれば、自発分極の極性も反転する。この自発分極を検出して情報を読み出す。ＦｅＲＡＭは、フラッシュメモリに比べて低電圧で動作し、省電力で高速の書き込みが可能であり、ＦｅＲＡＭを採用したＳＯＣ（System On Chip）がＩＣカード用途等に検討されている。

ＦｅＲＡＭに用いる強誘電体膜には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）等のＢｉ層状構造化合物が用いられる。その形成には、ゾルゲル法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等が用いられる。強誘電体膜の形成にゾルゲル法を用いる場合およびスパッタ法を用いる場合、通常は、まず下部電極上にアモルファスまたは微結晶の強誘電体膜を形成し、その後熱処理によってペロブスカイト構造やＢｉ層状構造へと結晶構造を変化させる。強誘電体膜の形成にＭＯＣＶＤ法を用いる場合は、高温で形成するので、その形成過程でペロブスカイト構造やＢｉ層状構造の結晶構造が得られる。

また、強誘電体キャパシタの電極には、酸化しにくい材料、あるいは酸化しても導電性を維持できる材料を用いることが必要であり、一般的に白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），酸化イリジウム（ＩｒＯ_X）等の白金族系金属やその酸化物が広く用いられている。

なお、ＦｅＲＡＭの配線材料としては、通常の半導体デバイスと同様、アルミニウム（Ａｌ）を用いるのが一般的である。
ＦｅＲＡＭも、他の半導体デバイス同様、より一層の高集積化および高性能化が要求されており、今後セル面積の低減が必要となってくる。ＦｅＲＡＭの構造は、プレーナ構造とスタック構造の２種類に大別されるが、セル面積低減のためには、スタック構造を採用することが有効である。スタック構造のＦｅＲＡＭでは、トランジスタのソース・ドレイン領域に接続されたプラグの直上に、バリアメタル、下部電極、強誘電体膜および上部電極がこの順で積層されて強誘電体キャパシタが形成される。バリアメタルは、プラグの酸化を防止する役割を果たす。近年では、下部電極にバリアメタルの機能を兼ねることも多くなっており、それらを明確に分離することができなくなってきているが、バリアメタルと下部電極に相当する部分には、窒化チタン（ＴｉＮ），窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ），Ｉｒ，ＩｒＯ₂，Ｐｔ，ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ₃（ＳＲＯ））等の材料が用いられている。

電気特性がよく、製品歩留まりの高いＦｅＲＡＭを形成するためには、その強誘電体キャパシタを構成する強誘電体膜の配向ができるだけ均一になるように制御することが重要である。そして、この強誘電体膜の配向は、その下地の下部電極の配向に大きく影響される。したがって、下部電極の配向ができるだけ均一になるように制御することにより、その上に形成される強誘電体膜の配向性を向上させることが可能になる。

なお、従来、下部電極とバリアメタルに相当する部分に、例えばＩｒＯ₂（３０ｎｍ）／Ｉｒ（３０ｎｍ）／Ｔｉ（３０ｎｍ）／ＴｉＮ（５０ｎｍ）積層構造を用いる方法や（特許文献１参照）、強誘電体キャパシタのリーク電流低減を目的として、下部電極にＰｔ／ＰｔＯ_X／ＩｒＯ_X／Ｉｒ積層構造を用いる方法が提案されている（特許文献２参照）。

また、下部電極をＩｒおよびＩｒＯ_Xを用いて形成するに当たり、スパッタ法により、Ｉｒ膜を４００℃〜５５０℃、ＩｒＯ_Xを５３０℃〜５５０℃で形成する方法や（特許文献３参照）、Ｘ線回折強度でＩｒＯ₂／Ｉｒが１０以上のＩｒＯ₂膜を用いる方法も提案されている（特許文献４参照）。さらに、ＩｒＯ₂／Ｉｒ積層構造をスパッタ法で連続して形成する方法や（特許文献５参照）、ＰＺＴ膜の配向性向上を目的として、Ｉｒ膜を４５０℃以上、ＩｒＯ₂膜を３００℃以上でそれぞれ形成した後、さらに３５０℃以上で熱処理を行う方法も提案されている（特許文献６参照）。

また、Ｉｒ膜上に、（１）ＩｒＯ₂₊膜を形成する方法、（２）結晶のＩｒＯ₂膜を形成し、その上にアモルファスのＩｒＯ₂膜を形成して、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時にそのアモルファスのＩｒＯ₂膜を還元した後、それを再度酸化する方法、（３）酸素添加Ｉｒ膜を形成する方法、（４）ＩｒＯ₂膜を形成し、その上にＩｒ膜を形成して、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時にそのＩｒ膜に酸素を拡散させる方法、等も提案されている（特許文献７〜１４参照）。

また、Ｉｒ膜を形成した後、熱酸化を行ってその表層部に結晶のＩｒＯ₂膜を形成し、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時にそのＩｒＯ₂膜をアモルファスのＩｒ膜にする方法が提案されている（特許文献１５参照）。

また、上部電極として、または上部電極上に、アモルファスのＩｒＯ_X膜を形成し、ＰＺＴ膜を化学的・機械的劣化から保護する方法（特許文献１６参照）等も提案されている。
特開２００５−１５９１６５号公報 特開２００３−１９７８７４号公報 特開２００１−２３７３９２号公報 特開２００２−１５１６５６号公報 特開２０００−９１２７０号公報 特開２００３−６８９９１号公報 特開２００３−２８２８４４号公報 米国特許第６５００６７８号明細書 米国特許第６５２８３２８号明細書 米国特許第６５４８３４３号明細書 米国特許第６５９６５４７号明細書 米国特許第６６３５４９７号明細書 米国特許第６６８６２３６号明細書 米国特許第６８７２６６９号明細書 特開２００４−２５３６２７号公報 特開２００２−２６１２５１号公報

例えば、下部電極をＩｒ膜によって構成し、その上に強誘電体膜としてＰＺＴ膜をＭＯＣＶＤ法で形成する場合を考える。
ＭＯＣＶＤ法でＰＺＴ膜を形成する場合、一般的には６００℃以上の高温でその形成が行われる。その際は、まず、配向を制御したＩｒ膜の形成まで行ったウェハをチャンバにセットし、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気や酸素（Ｏ₂）ガス雰囲気で、目的の温度まで昇温し、その後、チャンバに原料ガスを導入し、Ｉｒ膜上にＰＺＴ膜を形成する。ＰＺＴ膜は、その生産性と分極の観点から、（１１１）面に優先配向させることが好ましい。したがって、その下地のＩｒ膜を（１１１）面に優先配向させておくことが好ましい。

ところが、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成に際し、Ａｒガス雰囲気で昇温を行った場合には、形成されるＰＺＴ膜に（１１１）面のほかに（１００）面や（１０１）面も生成され、（１１１）面の配向率が低くなり、その結果、強誘電体キャパシタの電気特性（スイッチング電荷量）が低下してしまうという問題点があった。

また、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成に際し、Ｏ₂ガス雰囲気で昇温を行った場合にも、いくつかの問題点があった。すなわち、まず第１の問題点として、ＰＺＴ膜の形成を複数ウェハに連続して行うと、その（１１１）面（あるいは（２２２）面）の配向率が複数ウェハ間でばらつきやすいという点がある。

ここで、図４０〜図４３は複数ウェハに形成した各ＰＺＴ膜の配向を調べた結果を示す図であって、図４０はウェハ中心部のＰＺＴ（１１１）面の積分強度を示す図、図４１はウェハ周辺部のＰＺＴ（１１１）面の積分強度を示す図、図４２はウェハ中心部のＰＺＴ（２２２）面の配向率を示す図、図４３はウェハ周辺部のＰＺＴ（２２２）面の配向率を示す図である。

なお、ＰＺＴ（２２２）面の配向率は、次式（１）によって算出している。
ＰＺＴ（２２２）面の配向率（％）＝｛ＰＺＴ（２２２）面の積分強度｝／｛ＰＺＴ（１００）面の積分強度＋ＰＺＴ（１０１）面の積分強度＋ＰＺＴ（２２２）面の積分強度｝×１００…（１）
この式（１）において、ＰＺＴ（２２２）面（ＰＺＴ（１１１）面）の積分強度、およびＰＺＴ（１００）面並びにＰＺＴ（１０１）面の積分強度は、Ｘ線回折装置による測定結果から求めている。

ＭＯＣＶＤ法によって複数ウェハに連続してＰＺＴ膜を形成する際、Ｏ₂ガス雰囲気で昇温を行った場合には、図４０および図４１に示すように、ウェハの中心部と周辺部とに関わらず、ＰＺＴ（１１１）面の積分強度が複数ウェハ間で大きくばらついてしまう。ＰＺＴ（２２２）面の配向率は、図４２および図４３に示すように、不安定で、低く、特にウェハ周辺部では極めて低くなってしまう。

そして、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成に際してＯ₂ガス雰囲気で昇温を行った場合の第２の問題点として、形成されるＰＺＴ膜の表面が粗くなりやすいという点がある。特に、ウェハ周辺部には、非常に大きな表面荒れ、いわゆる白濁が発生しやすい。

これらの問題は、Ｏ₂ガス雰囲気で昇温を行ったときに、そのＯ₂ガスによって下部電極のＩｒ膜が酸化することによる。酸化によって形成されたＩｒＯ_X膜は、原理的には、昇温に続いて導入される原料ガス中の溶媒成分（例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、酢酸ブチル等）によって再びＩｒに還元することができる。しかしながら、Ｏ₂ガス雰囲気の昇温過程では、Ｉｒ膜の異常酸化が起こりやすく、そのような異常酸化によって形成されたＩｒＯ_Xが、原料ガス中の溶媒成分によって還元されたときには、還元後のＩｒ膜の配向が悪化し、あるいは、完全に還元できなくなり、その結果、その上に形成されるＰＺＴ膜の配向が悪化してしまうようになる。

従来、Ｉｒ膜上に結晶のＩｒＯ_X膜を形成する方法が提案されているが、ＰＺＴ膜をＭＯＣＶＤ法で形成する場合には、その形成時に結晶のＩｒＯ_X膜が均一に還元されにくく、または、完全にＩｒへ還元できなく、ＰＺＴ（１１１）面の配向分布がウェハ面内あるいはウェハ間でばらつく、一定レベル以上の配向率を安定して確保することができない、といった課題が残る。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであり、高特性でかつ信頼性に優れた強誘電体キャパシタを備える半導体装置を安定して形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような強誘電体キャパシタを備える半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、強誘電体キャパシタを備える半導体装置の製造方法において、トランジスタに電気的に接続された第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜上にアモルファスまたは微結晶の金属酸化膜を形成する工程と、前記金属酸化膜を還元して第２の金属膜とすると共に、前記第２の金属膜上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に導電膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。

このような半導体装置の製造方法によれば、トランジスタに電気的に接続された第１の金属膜上に金属酸化膜を形成し、その金属酸化膜を還元して第２の金属膜とすると共に、その第２の金属膜上に強誘電体膜を形成する。そして、強誘電体膜上に導電膜を形成し、強誘電体キャパシタを構成する。第１，第２の金属膜は、下部電極として機能する。第２の金属膜となる金属酸化膜は、アモルファスまたは微結晶であり、均一に還元されやすく、第１の金属膜上に配向性の良い第２の金属膜が形成可能になり、それにより、第２の金属膜上には、配向性の良い強誘電体膜が形成されるようになる。

また、本発明の一観点によれば、強誘電体キャパシタを備える半導体装置において、トランジスタに電気的に接続された第１の金属膜と、前記第１の金属膜上に形成され、前記第１の金属膜より結晶粒径が小さく、前記第１の金属膜の配向性に基づいた結晶面に優先配向された第２の金属膜と、前記第２の金属膜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導電膜と、を有する半導体装置が提供される。

このような半導体装置によれば、第２の金属膜が第１の金属膜より小さな結晶粒径で形成され、その上に強誘電体膜が形成され、さらに導電膜が形成される。そのような第２の金属膜上には配向性の良い強誘電体膜が形成され、したがって、強誘電体キャパシタの性能および信頼性の向上が図られるようになる。

本発明では、トランジスタに電気的に接続された第１の金属膜上にアモルファスまたは微結晶の金属酸化膜を形成し、その金属酸化膜が還元されて形成される第２の金属膜上に強誘電体膜を形成し、その強誘電体膜上に導電膜を形成することによって、半導体装置の強誘電体キャパシタを構成する。これにより、配向性の良い強誘電体膜を有する強誘電体キャパシタを安定して形成することが可能になる。したがって、強誘電体キャパシタを備える、高性能かつ高信頼性の半導体装置が実現可能になる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

強誘電体キャパシタの形成フローの一例を示す図である。 下部電極下地形成まで行った後の要部断面模式図である。 下部電極用金属膜形成工程の要部断面模式図である。 下部電極用金属酸化膜形成工程の要部断面模式図である。 強誘電体膜形成工程の要部断面模式図である。 上部電極形成工程の要部断面模式図である。 強誘電体キャパシタパターニング用ハードマスク形成工程の要部断面模式図である。 強誘電体キャパシタパターニング工程の要部断面模式図である。 保護膜形成工程の要部断面模式図である。 配線層形成まで行った後の要部断面模式図である。 ＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１００）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１０１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１１１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（２２２）面の配向率の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１１１）面のロッキングカーブ半値幅の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ膜形成後のＩｒ（１１１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（１００）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（１０１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（１１１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（２２２）面の配向率の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（１００）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（１０１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（１１１）面の積分強度の関係を示す図である。 ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（２２２）面の配向率の関係を示す図である。 昇温前後のＩｒＯ_X膜のＸ線回折データである。 ＰＺＴ膜のＸ線回折データである。 ＢＦ-ＳＴＥＭ像である。 ＥＤＸスペクトルである。 複数ウェハのＰＺＴ（１１１）面の積分強度を示す図である。 複数ウェハのＰＺＴ（２２２）面の配向率を示す図である。 第２の実施の形態のグルー膜およびＷプラグの形成まで行った後の要部断面模式図である。 第２の実施の形態の下地導電膜形成工程の要部断面模式図である。 第２の実施の形態のＦｅＲＡＭの要部断面模式図である。 スイッチング電荷量の測定結果を示す図（その１）である。 スイッチング電荷量の測定結果を示す図（その２）である。 スイッチング電荷量の測定結果を示す図（その３）である。 リーク電流密度の測定結果を示す図である。 第３の実施の形態のＦｅＲＡＭの要部断面模式図である。 第４の実施の形態のＦｅＲＡＭの要部断面模式図である。 ウェハ中心部のＰＺＴ（１１１）面の積分強度を示す図である。 ウェハ周辺部のＰＺＴ（１１１）面の積分強度を示す図である。 ウェハ中心部のＰＺＴ（２２２）面の配向率を示す図である。 ウェハ周辺部のＰＺＴ（２２２）面の配向率を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は強誘電体キャパシタの形成フローの一例を示す図である。
強誘電体キャパシタは、半導体基板に形成されたトランジスタに電気的に接続された（例えばトランジスタに接続されたプラグ上に形成された）下部電極、その下部電極上に形成された強誘電体膜、およびその強誘電体膜上に形成された上部電極によって構成される。

このような強誘電体キャパシタを形成する場合、ここでは、まず、その下部電極の一部（下層部）を構成する金属膜（第１の金属膜）を形成する（ステップＳ１）。この第１の金属膜は、所定の結晶面が優先配向されるような条件で形成する。

第１の金属膜としては、例えば、Ｉｒ，ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ），ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属膜や、そのような貴金属膜を２層以上積層したものを用いることができる。あるいは、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕのうち２種以上を含む合金膜や、そのような合金膜を２層以上積層したものを用いることもできる。

第１の金属膜の形成後は、その上に、同じく下部電極の一部（上層部）を構成する金属酸化膜を形成する（ステップＳ２）。
金属酸化膜としては、例えば、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕ等の貴金属酸化膜や、そのような貴金属酸化膜を２層以上積層したものを用いることができる。あるいは、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕのうち２種以上を含む合金酸化膜や、そのような合金酸化膜を２層以上積層したものを用いることもできる。

そして、このステップＳ２では、金属酸化膜を第１の金属膜上に形成する際、アモルファスまたは微結晶（多結晶）の金属酸化膜を、その下地の第１の金属膜より薄い所定の膜厚で形成する。なお、本発明では、アモルファスと結晶粒とが混在している不完全な結晶状態を微結晶と称している。

金属酸化膜の形成後は、ＭＯＣＶＤ法によって強誘電体膜を形成する（ステップＳ３）。
強誘電体膜の材料としては、ＰＺＴのほか、ＬａをドープしたＰＺＴ（ＰＬＺＴ）、微量のカルシウム（Ｃａ），ストロンチウム（Ｓｒ），シリコン（Ｓｉ）等をドープしたＰＺＴ系材料、ＳＢＴやタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ₂（Ｔａ、Ｎｂ）₂Ｏ₉（ＳＢＴＮ））等のＢｉ層状構造化合物等を用いることができる。

ＭＯＣＶＤ法による強誘電体膜の形成では、下部電極の第１の金属膜と金属酸化膜の形成まで行ったウェハをチャンバにセットし、所定の雰囲気中で所定の温度まで昇温し、その後、そのチャンバに強誘電体膜の原料ガスを導入する。その原料ガス中には、ＴＦＴや酢酸ブチル等、強誘電体膜原料の溶媒成分が含まれる。

昇温後、そのような原料ガスがチャンバに導入されると、その原料ガス中の溶媒成分によって下部電極の上層部の金属酸化膜が還元され、その結果、最終的には、下部電極の下層部の第１の金属膜上にさらに別の金属膜（第２の金属膜）が積層された構造が得られる。また、その後あるいはそれと同時に、その第２の金属膜上には、原料ガス中の原料成分によって強誘電体膜が形成される。

このような強誘電体膜の形成過程において、金属酸化膜は、アモルファスまたは微結晶の状態で形成されているため、原料ガス中の溶媒成分によって均一に還元されやすい。金属酸化膜の膜厚は、この強誘電体膜の形成過程で完全に還元されるような膜厚にあらかじめ設定しておけばよい。また、その還元によって最終的に得られる第２の金属膜は、その下の第１の金属膜よりも結晶粒径が小さくなる。

上記ステップＳ１の第１の金属膜形成段階、および上記ステップＳ２の金属酸化膜形成段階では、例えば所定の結晶状態の第１の金属膜や所定の膜厚の金属酸化膜が得られるように、それらの形成条件をあらかじめ適切に設定しておく。それにより、このステップＳ３の強誘電体膜形成段階では、還元によって配向性の良好な第２の金属膜が得られるようになる。したがって、そのような第２の金属膜上に形成される強誘電体膜は、その配向性が非常に良好となる。さらに、ウェハ面内の配向分布およびウェハ間の再現性も向上させることが可能になる。

なお、このようなＭＯＣＶＤ法による強誘電体膜の形成後、その表面平坦化を目的として、必要に応じ、スパッタ法等を用いてさらに別の強誘電体膜を形成するようにしてもよい。

強誘電体膜の形成後は、その強誘電体膜上に上部電極となる所定の導電膜を形成する（ステップＳ４）。
その後は、第１，第２の金属膜の積層構造を備えた下部電極、強誘電体膜および上部電極の積層体に対し、パターニングや保護膜（水素や水分のブロック膜）形成を行い（ステップＳ５）、強誘電体キャパシタを構成する。

以後は、常法に従い、層間絶縁膜、プラグおよび配線等の形成を行ってＦｅＲＡＭを完成させればよい。なお、強誘電体キャパシタの強誘電体膜には、通常、ＦｅＲＡＭ形成過程で加わるダメージの回復等を目的として、適当な段階で所定の熱処理が施される。

図１に示したような強誘電体キャパシタの形成フローによれば、下部電極とその上の強誘電体膜の配向性を向上させることができる。さらに、ウェハ面内の配向分布を向上させ、ウェハ間のばらつきも抑制することができるようになる。したがって、スイッチング電荷量が高く、信頼性の高い強誘電体キャパシタを得ることができるようになる。また、それにより、高性能かつ高信頼性のＦｅＲＡＭを実現することが可能になる。

以下、上記のような原理を用いたＦｅＲＡＭの形成例を具体的に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
図２〜図１０はＦｅＲＡＭの各形成工程の説明図である。以下、順に説明する。

図２は下部電極下地形成まで行った後の要部断面模式図である。
まず、ｎ型またはｐ型のＳｉ基板１に、トランジスタの活性領域を画定するＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）２を形成する。なお、ＳＴＩ２に替えて、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法によって素子分離領域を形成してもよい。

次いで、Ｓｉ基板１の活性領域にｐ型不純物を導入してｐウェル３を形成した後、その活性領域の表面を熱酸化する。熱酸化後、全面にアモルファスまたは多結晶のＳｉ膜を形成し、パターニングを行って、ゲート絶縁膜４ａ，４ｂおよびゲート電極５ａ，５ｂを形成する。

次いで、ゲート電極５ａ，５ｂをマスクにｎ型不純物のイオン注入を行い、各ゲート電極５ａ，５ｂ両側のＳｉ基板１に第１，第２のソース・ドレイン・エクステンション領域６ａ，６ｂを形成する。その後、全面にＣＶＤ法によりＳｉＯ膜等の絶縁膜を形成した後、それをエッチバックし、各ゲート電極５ａ，５ｂにサイドウォール９ａ，９ｂを形成する。そして、ゲート電極５ａ，５ｂとサイドウォール９ａ，９ｂをマスクにｎ型不純物のイオン注入を行い、ゲート電極５ａ，５ｂ両側のＳｉ基板１に第１，第２のソース・ドレイン領域１０ａ，１０ｂを形成する。

ここまでの工程により、Ｓｉ基板１の活性領域に、２つのＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが形成される。
次いで、スパッタ法により全面にコバルト（Ｃｏ）等の高融点金属膜を形成し、加熱を行い、第１，第２のソース・ドレイン領域１０ａ，１０ｂおよびゲート電極５ａ，５ｂの表面をシリサイド化する。その後、全面にプラズマＣＶＤ法により膜厚２００ｎｍの酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜を形成してカバー絶縁膜１２を形成し、カバー絶縁膜１２上に、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）ガスを使用するプラズマＣＶＤ法により膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ膜（第１の層間絶縁膜）１３を形成する。そして、その第１の層間絶縁膜１３の上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により研磨して平坦化する。なお、この平坦化後、第１の層間絶縁膜１３の膜厚は、Ｓｉ基板１の平坦面上から７００ｎｍとなる。

次いで、フォトリソグラフィにより第１の層間絶縁膜１３とカバー絶縁膜１２のパターニングを行い、第１，第２のソース・ドレイン領域１０ａ，１０ｂに通じる、例えば０．２５μｍ径のコンタクトホールを形成する。そして、全面に膜厚３０ｎｍのＴｉ膜および膜厚２０ｎｍのＴｉＮ膜を形成した後、ＣＶＤ法により膜厚３００ｎｍのタングステン（Ｗ）膜を形成し、余分なＷ膜、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜をＣＭＰ法により除去する。それにより、そのコンタクトホール内に、Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜からなる密着膜（グルー膜）１４ａ，１４ｂを介して、Ｗプラグ１５ａ，１５ｂを形成する。

なお、このＣＭＰ工程では、Ｗ膜、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜の研磨速度が、下地の第１の層間絶縁膜１３よりも速くなるようなスラリ（例えばCabot Microelectronics Corporation製のＳＳＷ２０００）を使用する。そして、第１の層間絶縁膜１３上に研磨残渣を発生さないように、このＣＭＰの研磨量は各膜の合計膜厚よりも厚く設定し、オーバー研磨する。

次いで、全面にプラズマＣＶＤ法により膜厚１３０ｎｍのＳｉＯＮ膜（酸化防止膜）１６を形成し、さらにその上に、ＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により膜厚３００ｎｍのＳｉＯ膜（第２の層間絶縁膜）１７を形成する。なお、酸化防止膜１６は、ＳｉＯＮ膜のほか、ＳｉＮ膜や酸化アルミニウム（ＡＬＯ）膜で形成してもよい。その後、第２の層間絶縁膜１７と酸化防止膜１６を貫通し、第１のソース・ドレイン領域１０ａに接続されたＷプラグ１５ａに通じるコンタクトホールを形成し、グルー膜１４ａ，１４ｂおよびＷプラグ１５ａ，１５ｂと同様にして、そこにグルー膜１８およびＷプラグ１９を形成する。

次いで、グルー膜１８およびＷプラグ１９の形成後の表面に対し、アンモニア（ＮＨ₃）プラズマ処理を行う。このＮＨ₃プラズマ処理により、第２の層間絶縁膜１７表面のＯ原子にＮＨ基が結合し、この上に後述のようにＴｉ膜を形成した場合にも、そのＴｉ原子がＯ原子に捕獲されずに第２の層間絶縁膜１７表面を移動しやすくなる。その結果、第２の層間絶縁膜１７上に、自己組織化されて（００２）面に優先配向されたＴｉ膜を形成することが可能になる。

なお、このＮＨ₃プラズマ処理は、例えば、被処理ウェハに対して９ｍｍ離間した位置に対向電極を有する平行平板型のプラズマ処理装置を用い、２６６Ｐａの圧力下、基板温度が４００℃に保持されたチャンバ内にＮＨ₃ガスを３５０ｓｃｃｍで供給し、被処理ウェハ側に１３．５６ＭＨｚの高周波を１００Ｗのパワーで、また対向電極に３５０ｋＨｚの高周波を５５Ｗのパワーで、６０秒間供給することにより実行することができる。

このようなＮＨ₃プラズマ処理後に、例えば、被処理ウェハとターゲットの間の距離を６０ｍｍに設定したスパッタ装置を用い、０．１５ＰａのＡｒ雰囲気中、基板温度を２０℃とし、２．６ｋＷのスパッタパワーを５秒間供給することにより、膜厚２０ｎｍのＴｉ膜を形成する。このＴｉ膜は、前述のように、（００２）面に優先配向させて形成することができる。

ＮＨ₃プラズマ処理を経てＴｉ膜を形成した後は、窒素（Ｎ₂）ガス雰囲気中、６５０℃、６０秒間のＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）処理を行ってそのＴｉ膜を窒化し、その上層に形成される膜の配向性を向上させる役割を果たす、（１１１）面に優先配向されたＴｉＮ膜（下地導電膜）２０を形成する。そして、この下地導電膜２０上に、ＴｉＡｌＮ膜からなる酸化防止膜２１を形成する。このＴｉＡｌＮ膜は、例えば、ＴｉおよびＡｌの合金化したターゲットを用いた反応性スパッタにより、４０ｓｃｃｍのＡｒガスと１０ｓｃｃｍのＮ₂ガスの混合ガス雰囲気中、２５３．３Ｐａの圧力下、基板温度４００℃、１．０ｋＷのスパッタパワーで、膜厚１００ｎｍで形成する。

ここまでの工程により図２に示したような状態が得られる。
図３は下部電極用金属膜形成工程の要部断面模式図である。
酸化防止膜２１の形成まで行った後は、図３に示すように、その上に下部電極の下層部を構成する金属膜として、Ｉｒ膜３０を形成する。Ｉｒ膜３０は、例えば、Ａｒガス雰囲気中、０．２Ｐａの圧力下、基板温度を４５０℃とし、０．３ｋＷのスパッタパワーで、膜厚６０ｎｍ〜１００ｎｍで形成する。

さらに、形成したＩｒ膜３０の配向性を向上させるため、不活性ガス（例えばＡｒガス）雰囲気中、６５０℃〜７５０℃、６０秒間のＲＴＡ処理を行う。これにより、所定の結晶面、例えばＩｒ（１１１）面が優先配向されたＩｒ膜３０を得る。なお、金属膜には、Ｉｒ膜３０のほか、Ｒｕ膜、Ｒｈ膜およびＰｄ膜等を用いてもよい。

図４は下部電極用金属酸化膜形成工程の要部断面模式図である。
Ｉｒ膜３０の形成後は、図４に示すように、その上に下部電極の上層部を構成する金属酸化膜として、アモルファスまたは微結晶のＩｒＯ_X膜３１を形成する。ＩｒＯ_X膜３１は、例えば、ＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中、０．１１Ｐａの圧力下、基板温度を２０℃〜３００℃とし、１ｋＷのスパッタパワーで、膜厚５ｎｍ〜５０ｎｍで形成する。

なお、ＩｒＯ_X膜３１の形成条件（形成温度、膜厚、形成速度、ＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気におけるＯ₂ガス比率）の詳細については後述する。
図５は強誘電体膜形成工程の要部断面模式図である。

ＩｒＯ_X膜３１の形成後は、強誘電体膜としてＰＺＴ膜３２を形成する。ＰＺＴ膜３２は、ここでは、まずＭＯＣＶＤ法により第１のＰＺＴ膜を形成した後、その上層に第２のＰＺＴ膜を形成することによって構成する。

第１のＰＺＴ膜は、例えば、次のようにして形成することができる。
まず、Ｐｂ原料としてビスジピバロイルメタネート鉛（Ｐｂ（ＤＰＭ）₂）、Ｚｒ原料としてテトラキスジメチルへプタンジオネートジルコニウム（Ｚｒ（ＤＭＨＤ）₄）、Ｔｉ原料としてビスイソプロポキシビスジピバロイルメタネートチタン（Ｔｉ（Ｏ−ｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂）を用い、これらをそれぞれＴＨＦ溶媒中に０．３ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解し、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの各液体原料を準備する。次いで、これらの各液体原料を、ＭＯＣＶＤ装置の気化器に、流量０．４７４ｍＬ／分のＴＨＦ溶媒と共に、それぞれ０．３２６ｍＬ／分、０．２００ｍＬ／分、０．２００ｍＬ／分の流量で供給して気化させる。それにより、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの各原料ガスを調製する。そして、チャンバにＯ₂ガスを導入して昇温し、昇温後は、例えばＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気、圧力６６５Ｐａ、基板温度を６２０℃に保持したチャンバに各原料ガスを導入し、６２０秒間作用させる。これにより、膜厚１００ｎｍの第１のＰＺＴ膜を形成する。

このような第１のＰＺＴ膜の形成過程において、図４に示したＩｒＯ_X膜３１は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの各原料ガス中に含まれるＴＨＦ溶媒成分により、最終的にＩｒ膜３１ａに還元される。ＩｒＯ_X膜３１は、アモルファスまたは微結晶としているため、まずＯ₂ガス雰囲気の昇温で均一に酸化（結晶化）され、続く原料ガス導入後の還元雰囲気では、その下のＩｒ膜３０の配向性に基づいて所定の結晶面に優先配向された、結晶粒径の小さいＩｒ膜３１ａへと均一に還元される。そして、そのようにして得られたＩｒ膜３１ａ上には、その配向性に基づいて所定の結晶面に優先配向された第１のＰＺＴ膜が形成されるようになる。なお、アモルファスまたは微結晶のＩｒＯ_X膜３１から形成されるＩｒ膜３１ａの平均結晶粒径は、大体２０ｎｍ以下となる。

なお、このようなアモルファスまたは微結晶のＩｒＯ_X膜３１に替えて、結晶のＩｒＯ_X膜を形成した場合には、Ｏ₂ガス雰囲気の昇温で異常酸化が発生しやすく、その後、原料ガスが導入されても、それに含まれる溶媒成分によってＩｒＯ_X膜が均一に還元されにくい。したがって、Ｉｒ膜３１ａのような結晶粒径が小さい均一なＩｒ膜を形成することは難しい。

ＩｒＯ_X膜３１をアモルファスまたは微結晶とし、結晶粒径の小さい均一なＩｒ膜３１ａを形成することにより、その上に形成される第１のＰＺＴ膜の配向性が向上するようになり、安定な歩留まりを得ることが可能になる。このように配向の揃った下部電極と強誘電体膜の界面は、特に、低電圧動作に有利となる。また、このようにして第１のＰＺＴ膜を形成すると、いわゆる白濁の発生等がない、綺麗な第１のＰＺＴ膜表面を得ることも可能になる。

なお、このようにアモルファスまたは微結晶のＩｒＯ_X膜３１の形成を経て得られる第１のＰＺＴ膜の特性の詳細については後述する。
第１のＰＺＴ膜の形成後は、全面に、例えば、スパッタ法により、膜厚１ｎｍ〜３０ｎｍのアモルファスの第２のＰＺＴ膜を形成する。第２のＰＺＴ膜を形成することにより、よりいっそう平坦なＰＺＴ膜３２が得られるようになる。また、この第２のＰＺＴ膜は、ＭＯＣＶＤ法により形成することも可能であり、その場合は、Ｐｂ原料としてＰｂ（ＤＰＭ）₂、Ｚｒ原料としてＺｒ（ＤＭＨＤ）₄、Ｔｉ原料としてＴｉ（Ｏ−ｉＰｒ）₂（ＤＰＭ）₂が用いられ、それらをそれぞれＴＨＦ溶媒に溶解したものを用いて原料ガスを調製する。

このようにして第１，第２のＰＺＴ膜を形成することにより、図５に示したように、Ｉｒ膜３１ａ上にＰＺＴ膜３２を形成する。
図６は上部電極形成工程の要部断面模式図である。

ＰＺＴ膜３２の形成後は、その上に上部電極３３を形成する。この上部電極３３は、例えば、次のようにして形成することができる。
まず、ＰＺＴ膜３２上に、スパッタ法により、形成時点で結晶の膜厚２５ｎｍのＩｒＯ_X膜を形成する。例えば、形成温度３００℃、１４０ｓｃｃｍのＡｒガスと６０ｓｃｃｍのＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中、１ｋＷ〜２ｋＷ程度のスパッタパワーで、そのようなＩｒＯ_X膜を形成する。

次いで、ＲＴＡ法により、７２５℃、２０００ｓｃｃｍのＡｒガスと２０ｓｃｃｍのＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中、６０秒間の熱処理を行う。この熱処理は、ＰＺＴ膜３２を完全に結晶化させてＰＺＴ膜３２中の酸素欠損を補償すると共に、上部電極用のＩｒＯ_X膜形成時のプラズマダメージを回復させる目的で行われる。

次いで、膜厚５０ｎｍ〜１５０ｎｍのＩｒＯ_Y膜を形成する。例えば、Ａｒガス雰囲気中、０．８Ｐａの圧力下、１．０ｋＷのスパッタパワーで４５秒間の堆積を行うと、膜厚１２５ｎｍのＩｒＯ_Y膜を形成することができる。このＩｒＯ_Y膜は、その異常成長を抑制するために、形成温度を１００℃以下にして形成することが望ましい。また、水素に対する触媒作用を抑え、ＰＺＴ膜３２が水素ラジカルによって還元されてしまうのを回避し、強誘電体キャパシタの水素耐性を向上させるために、ＩｒＯ_Y膜は、ＩｒＯ₂の化学量論組成に近い組成となるように形成することが望ましい。

次いで、ＩｒＯ_Y膜上に、水素バリア膜兼導電性向上膜として、スパッタ法により、Ｉｒ膜を形成する。例えば、Ａｒガス雰囲気中、１Ｐａの圧力下、１．０ｋＷのスパッタパワーで、膜厚５０ｎｍ〜１００ｎｍのＩｒ膜を形成する。

このようにしてＩｒ／ＩｒＯ_Y／ＩｒＯ_X積層構造の上部電極３３を形成する。
なお、上部電極３３を形成する際には、ＩｒＯ_X膜やＩｒＯ_Y膜に替えて、Ｉｒ膜、Ｒｕ膜、Ｒｈ膜、レニウム（Ｒｅ）膜、オスミウム（Ｏｓ）膜およびＰｄ膜や、それらの酸化膜、ＳＲＯ膜等の導電性酸化膜、あるいはこれらの積層構造を用いるようにしてもよい。また、上部電極３３の最上層には、Ｉｒ膜に替えて、Ｒｕ膜、Ｒｈ膜およびＰｄ膜等を用いるようにしてもよい。

図７は強誘電体キャパシタパターニング用ハードマスク形成工程の要部断面模式図、図８は強誘電体キャパシタパターニング工程の要部断面模式図である。
上部電極３３の形成後は、ウェハの背面洗浄を行った後、強誘電体キャパシタのパターニング用に、第１，第２のマスク層４０ａ，４０ｂからなるハードマスク４０を形成する。このハードマスク４０は、例えば、次のようにして形成する。

まず、全面に、第１のマスク層４０ａとしてスパッタ法によりＴｉＮ膜またはＴｉＡｌＮ膜を形成し、その第１のマスク層４０ａ上に、第２のマスク層４０ｂとしてＴＥＯＳガスを用いたＣＶＤ法によりＳｉＯ膜を形成する。次いで、その第２のマスク層４０ｂを島状にパターニングし、そのパターニング後の第２のマスク層４０ｂをマスクにして第１のマスク層４０ａをエッチングする。これにより、図７に示したような、第１、第２マスク層４０ａ，４０ｂで構成されるハードマスク４０を形成する。

このようにしてハードマスク４０を形成した後は、臭化水素（ＨＢｒ）、Ｏ₂ガス、Ａｒガスおよびオクタフルオロブタン（Ｃ₄Ｆ₈）の混合ガスをエッチングガスとするプラズマエッチングにより、ハードマスク４０で覆われていない部分の上部電極３３、ＰＺＴ膜３２およびＩｒ膜３１ａ，３０をパターニングする。

次いで、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、第２のマスク層４０ｂを選択的に除去した後、第１のマスク層４０ａを残した状態でドライエッチングを行い、酸化防止膜２１および下地導電膜２０を除去すると共に、その第１のマスク層４０ａを除去する。これにより、図８に示したような強誘電体キャパシタ構造を得る。

図９は保護膜形成工程の要部断面模式図である。
強誘電体キャパシタの形成後は、その強誘電体キャパシタを覆うように、保護膜として第１のＡＬＯ膜４１を形成する。この第１のＡＬＯ膜４１は、例えば、スパッタ法により、膜厚２０ｎｍで形成する。あるいはＭＯＣＶＤ法により、膜厚１ｎｍ〜５ｎｍのＡＬＯ膜４１を形成する。

第１のＡＬＯ膜４１の形成後は、これまでの工程で加わったＰＺＴ膜３２のダメージを回復させる目的で、回復アニールを行う。この回復アニールは、例えば、Ｏ₂ガス含有雰囲気中、炉内のウェハ温度を５５０℃〜７００℃、好ましくは６００℃とし、６０分間行う。

図１０は配線層形成まで行った後の要部断面模式図である。
第１のＡＬＯ膜４１の形成および回復アニール後は、第１のＡＬＯ膜４１上に、例えば、ＣＶＤ法により、膜厚３８ｎｍの第２のＡＬＯ膜４２を形成する。

次いで、全面に、例えば、ＴＥＯＳガス、Ｏ₂ガスおよびヘリウム（Ｈｅ）ガスの混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、膜厚１５００ｎｍのＳｉＯ膜からなる第３の層間絶縁膜４３を形成する。なお、この第３の層間絶縁膜４３として、絶縁性を有する無機膜等を形成してもよい。第３の層間絶縁膜４３の形成後は、ＣＭＰ法により、その平坦化を行う。

その後、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスまたはＮ₂ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気にて、熱処理を行う。この熱処理の結果、第３の層間絶縁膜４３中の水分が除去されると共に、第３の層間絶縁膜４３の膜質が変化して、その内部に水分が入り込みにくくなる。

次いで、全面に、例えば、スパッタ法またはＣＶＤ法により、膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＡＬＯ膜からなるバリア膜４４を形成する。このバリア膜４４は、平坦化された第３の層間絶縁膜４３上に形成されるため、平坦な状態で形成される。

次いで、全面に、例えば、ＴＥＯＳガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、膜厚３００ｎｍ〜５００ｎｍのＳｉＯ膜からなる第４の層間絶縁膜４５を形成する。なお、この第４の層間絶縁膜４５として、ＳｉＯＮ膜やＳｉＮ膜等を形成してもよい。第４の層間絶縁膜４５の形成後は、ＣＭＰ法により、その平坦化を行う。

次いで、まず、第２のソース・ドレイン領域１０ｂに接続されたＷプラグ１５ｂに通じるコンタクトホールを形成した後、グルー膜４６ａを介してＷプラグ４７ａを形成する。その後、強誘電体キャパシタの上部電極３３に通じるコンタクトホールを形成する。そのコンタクトホールの形成後は、Ｏ₂ガス雰囲気中、４５０℃の熱処理を行い、そのコンタクトホール形成に伴ってＰＺＴ膜３２に生じた酸素欠損を回復させる。熱処理後、そのコンタクトホールにグルー膜４６ｂを介してＷプラグ４７ｂを形成する。

なお、グルー膜４６ａ，４６ｂは、ＴｉＮ膜を単層で形成するのが好ましいが、Ｔｉ膜をスパッタにより形成し、その上にＴｉＮ膜をＭＯＣＶＤ法により形成した積層構造とすることも可能である。このようにＴｉＮ膜によりあるいはＴｉＮ膜を用いてグルー膜４６ａ，４６ｂを形成する場合は、ＴｉＮ膜から炭素（Ｃ）を除去するためにＮ₂ガスと水素（Ｈ₂）ガスを用いたプラズマ処理を行うことが好ましい。上記のように上部電極３３には水素バリア膜としてＩｒ膜を形成しているため、そのようなプラズマ処理によって、その下層のＩｒＯ_X膜等が還元されてしまうことはない。

このようにしてグルー膜４６ａ，４６ｂおよびＷプラグ４７ａ，４７ｂの形成まで行った後は、それらのＷプラグ４７ａ，４７ｂ上に配線４８をそれぞれ形成する。配線４８は、例えば、スパッタ法により、膜厚６０ｎｍのＴｉ膜と膜厚３０ｎｍのＴｉＮ膜のＴｉＮ／Ｔｉ積層膜４８ａ、膜厚３６０ｎｍのＡｌＣｕ合金膜４８ｂ、および膜厚５ｎｍのＴｉ膜と膜厚７０ｎｍのＴｉＮ膜のＴｉＮ／Ｔｉ積層膜４８ｃを順次形成した後、それをパターニングすることによって形成することができる。これにより、第１層目の配線層が形成される。

以後は、同様に第２層目以降の配線層を形成し、ＦｅＲＡＭを完成させればよい。
ここで、以上のようなフローでＦｅＲＡＭを形成する場合における、下部電極用のアモルファスまたは微結晶のＩｒＯ_X膜の形成条件、およびそのようなＩｒＯ_X膜の形成を経て得られるＰＺＴ膜（第１のＰＺＴ膜）の特性について、詳細に説明する。

まず、ＩｒＯ_X膜の形成温度について説明する。
ここでは、強誘電体キャパシタの下部電極の下層部を構成するＩｒ膜上に、スパッタ法により、１８６ｓｃｃｍのＡｒガスと１４ｓｃｃｍのＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中（Ｏ₂ガス比率７％）、０．５ｋＷのスパッタパワー、形成速度１．６ｎｍ／秒、形成時間１９秒で、膜厚３０ｎｍのＩｒＯ_X膜を形成した。その際、その形成温度は、室温（２５℃），５０℃，１００℃，２００℃，３００℃と変化させた。そして、各形成温度条件で得られたＩｒＯ_X膜上に、ＭＯＣＶＤ法によりＰＺＴ膜を形成し、形成後のＰＺＴ膜およびその下のＩｒ膜の結晶構造をＸ線回折装置を用いて調査した。また、比較のため、Ｉｒ膜上に、ＩｒＯ_X膜を形成することなく、ＰＺＴ膜を形成し、その結晶構造をＸ線回折装置を用いて調査した。それらの結果を次の図１１〜図１６に示す。なお、ＰＺＴ膜は、上記第１のＰＺＴ膜形成時（図５）の条件にて行っている。

図１１はＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１００）面の積分強度の関係を示す図、図１２はＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１０１）面の積分強度の関係を示す図、図１３はＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１１１）面の積分強度の関係を示す図、図１４はＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（２２２）面の配向率の関係を示す図、図１５はＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ（１１１）面のロッキングカーブ半値幅(ＦＷＨＭ)の関係を示す図、図１６はＩｒＯ_X膜の形成温度とＰＺＴ膜形成後のＩｒ（１１１）面の積分強度の関係を示す図である。

なお、以下の説明において、ウェハの中心部とは、ウェハを平面から見たときのその中心部をいうものとする。また、ウェハの下部、上部、左部、右部とは、それぞれ、所定の向きのウェハを平面から見たときのその中心部に対する下部、上部、左部、右部をいうものとする。ここでは、ウェハの中心部に対するノッチ方向を下向きとしてウェハの下部、上部、左部、右部を設定している。

まず、図１１より、ウェハの中心部、上部および右部の各ＰＺＴ（１００）面の積分強度はそれぞれ、形成温度が２５℃，５０℃，１００℃の場合に、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合（Ｗ／Ｏ ＩｒＯ_X）および形成温度が２００℃，３００℃の場合よりも小さくなった。同様に、図１２より、ウェハの中心部、上部および右部の各ＰＺＴ（１０１）面の積分強度はそれぞれ、形成温度が２５℃，５０℃，１００℃の場合に、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合および形成温度が２００℃，３００℃の場合よりも小さくなった。図１３より、ウェハの中心部、上部および右部の各ＰＺＴ（１１１）面の積分強度はそれぞれ、形成温度が２５℃，５０℃，１００℃，２００℃の場合には、ほぼ同程度であったが、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合および形成温度が３００℃の場合には、それより小さくなった。

図１１〜図１３の結果を用い、上記の式（１）に従ってＰＺＴ（２２２）面の配向率を求めると、図１４に示すように、ウェハの中心部、上部および右部の各ＰＺＴ（２２２）面の配向率はそれぞれ、形成温度が２５℃，５０℃，１００℃の場合には、高い配向率が得られるものの、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合および形成温度が２００℃，３００℃の場合には、それより配向率が低くなった。図１５より、ウェハの中心部および右部の各ＰＺＴ（１１１）面のロッキングカーブ半値幅を見ると、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合および形成温度が３００℃の場合に比較的大きくなる傾向が見られた。

また、図１６より、ＰＺＴ膜形成後のウェハの中心部、上部および右部の各Ｉｒ（１１１）面の積分強度は、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合に、ＩｒＯ_X膜を形成した場合（形成温度２５℃，５０℃，１００℃，２００℃，３００℃）に比べて低くなる傾向が見られた。

このように、まず、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合には、ＩｒＯ_X膜を形成した場合に比べ、Ｉｒ（１１１）面の積分強度が低くなる（図１６）。また、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合には、ＰＺＴ（１００）面およびＰＺＴ（１０１）面の生成によってＰＺＴ（１１１）面の生成が抑えられ（図１１〜図１３）、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が低くなる（図１４）。ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合、特にウェハの右部のＰＺＴ（１１１）面の積分強度およびＰＺＴ（２２２）面の配向率が、ウェハの他の部分に比べて極端に低くなり、ウェハ面内の配向分布が非常に悪くなる（図１４）。また、ＰＺＴ（１１１）面のロッキングカーブ半値幅も広くなる（図１５）。

一方、ＩｒＯ_X膜を形成した場合には、その形成温度の違いで、ＰＺＴ膜形成後のＩｒ膜のＩｒ（１１１）面の積分強度に顕著な差は見られないが（図１６）、その上に形成したＰＺＴ膜の配向性には大きな差が生じる。これは次のような理由によるものと考えられる。

すなわち、まず、ＩｒＯ_X膜の形成温度を２００℃，３００℃とした場合、形成されるＩｒＯ_X膜は、完全に結晶化され、そのような結晶のＩｒＯ_X膜上に、所定条件のＭＯＣＶＤ法によりＰＺＴ膜が形成される。その際は、まずＯ₂ガス雰囲気の昇温でそのＩｒＯ_X膜が酸化されるが、結晶のＩｒＯ_X膜の場合、その酸化が不均一になりやすい。酸化後のＩｒＯ_X膜は、所定の形成温度到達後に原料ガスが導入されてそれに含まれている溶媒成分によって還元されるが、ＩｒＯ_X膜の酸化が不均一であると、そのＩｒＯ_X膜は均一なＩｒ膜に還元されにくい。その結果、その上に形成されるＰＺＴ膜には、ＰＺＴ（１００）面やＰＺＴ（１０１）面が生成しやすくなり（図１１〜図１３）、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が低くなってしまう（図１４）。

一方、ＩｒＯ_X膜の形成温度を２５℃，５０℃，１００℃とした場合、２５℃で形成したＩｒＯ_X膜はアモルファスとなり、５０℃，１００℃で形成したＩｒＯ_X膜は均一な微結晶となる。アモルファスまたは微結晶のＩｒＯ_X膜は、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時に、まずＯ₂ガス雰囲気の昇温で均一に酸化されて結晶化され、所定の形成温度到達後に原料ガスが導入されると、それに含まれている溶媒成分により、結晶粒径の小さい均一なＩｒ膜へと還元される。その結果、その上に形成されるＰＺＴ膜には、ＰＺＴ（１００）面やＰＺＴ（１０１）面の生成が抑えられ（図１１〜図１３）、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が高くなり、かつ、ウェハ面内の配向分布も良好で（図１４）、ＰＺＴ（１１１）面のロッキングも比較的シャープとなる（図１５）。

したがって、ＩｒＯ_X膜の形成温度は、２５℃〜１００℃とすることが好ましい。ただし、形成温度が２５℃に近くなるほど、温度の安定化が難しくなり、さらに、複数ウェハに対して連続して形成を行ったときには温度が上昇していきやすくなり、それによってＩｒＯ_X膜の部分的な結晶化を招く虞もある。ＩｒＯ_X膜の形成温度は、そのマージンを考慮すると、２５℃〜１００℃の中心値である６０℃程度に設定しておくことがより好ましい。

続いて、ＩｒＯ_X膜の膜厚について説明する。
ここでは、強誘電体キャパシタの下部電極の下層部を構成するＩｒ膜上に、スパッタ法により、１８６ｓｃｃｍのＡｒガスと１４ｓｃｃｍのＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中（Ｏ₂ガス比率７％）、０．５ｋＷのスパッタパワー、形成温度６０℃（２５℃〜１００℃の中心値）でＩｒＯ_X膜を形成した。その際は、形成速度を１．６ｎｍ／秒とし、膜厚１５ｎｍ，２５ｎｍ，３５ｎｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍのＩｒＯ_X膜を形成した。そして、各膜厚で形成したＩｒＯ_X膜上に、ＭＯＣＶＤ法によりＰＺＴ膜を形成し、その結晶構造をＸ線回折装置を用いて調査した。それらの結果を次の図１７〜図２０に示す。なお、ＰＺＴ膜は、上記第１のＰＺＴ膜形成時（図５）の条件にて行っている。

図１７はＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（１００）面の積分強度の関係を示す図、図１８はＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（１０１）面の積分強度の関係を示す図、図１９はＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（１１１）面の積分強度の関係を示す図、図２０はＩｒＯ_X膜の膜厚とＰＺＴ（２２２）面の配向率の関係を示す図である。

図１７および図１８より、ウェハの中心部、上部、右部および下部の各ＰＺＴ（１００）面および各ＰＺＴ（１０１）面の積分強度はそれぞれ、ＩｒＯ_X膜の膜厚を５０ｎｍとした場合に大きくなる。また、図１９より、ウェハの中心部、上部、右部および下部の各ＰＺＴ（１１１）面の積分強度はそれぞれ、ＩｒＯ_X膜の膜厚を５０ｎｍとした場合に小さくなった。そして、図２０より、ＰＺＴ（２２２）面の配向率も、ＩｒＯ_X膜の膜厚を５０ｎｍとした場合に低くなる。

ＩｒＯ_X膜の膜厚を５０ｎｍとした場合、その厚みのために、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時に、その原料ガス中の溶媒成分によって完全に還元されにくくなる。その結果、下部電極にはＩｒＯ_X膜が残ってしまい、その上に形成されるＰＺＴ膜には、ＰＺＴ（１００）面やＰＺＴ（１０１）面が生成しやすく（図１７〜図１９）、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が低くなる（図２０）。したがって、ＩｒＯ_X膜の膜厚は、５０ｎｍ未満、より好ましくは４０ｎｍ以下とする。

一方、ＩｒＯ_X膜の膜厚を１５ｎｍとした場合には、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時に、まずＯ₂ガス雰囲気の昇温でそのＩｒＯ_X膜が酸化されるが、その薄さのために、その下のＩｒ膜もわずかに酸化されると考えられる。そのＩｒ膜の酸化部分は、均一なＩｒＯ_Xとはならず、異常酸化されたＩｒＯ_Xである可能性が高い。異常酸化されたＩｒＯ_Xは、原料ガスを導入してそれに含まれている溶媒成分によって還元しても、均一な結晶粒子が得られず、ＰＺＴ（１００）面やＰＺＴ（１０１）面が生成しやすく（図１７〜図１９）、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が低くなり、ウェハ上の位置によっては、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が９０％を下回ってしまうようになる（図２０）。

ただし、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜の形成時の昇温条件を調整すれば、ＩｒＯ_X膜の酸化速度を小さくし、その下のＩｒ膜の酸化を防いで、ＰＺＴ（２２２）面の配向率を高めることも可能である。このように昇温条件によっては、ＩｒＯ_X膜の膜厚を１０ｎｍとした場合でも、高いＰＺＴ（２２２）面の配向率を得ることができた。したがって、ＩｒＯ_X膜の膜厚は、１０ｎｍ以上に設定することが可能である。

このように、ＩｒＯ_X膜の膜厚は、好ましくは１０ｎｍ〜４０ｎｍとする。それにより、Ｉｒ膜上に、結晶粒径の小さい膜厚１０ｎｍ〜４０ｎｍのＩｒ膜が積層された下部電極が得られるようになる。なお、強誘電体キャパシタやそれを備えるＦｅＲＡＭの特性、生産コスト、生産効率等を考慮すると、ＩｒＯ_X膜の膜厚は、２５ｎｍ〜３０ｎｍとすることがより好ましい。

続いて、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率および形成速度について説明する。
ここでは、強誘電体キャパシタの下部電極の下層部を構成するＩｒ膜上に、スパッタ法により、ＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー、形成速度１．６ｎｍ／秒、形成時間１９秒で、膜厚３０ｎｍのＩｒＯ_X膜を形成した。その際、そのＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気におけるＯ₂ガス比率を、５％（Ａｒガス１９０ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス１０ｓｃｃｍ），７％（Ａｒガス１８６ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス１４ｓｃｃｍ），１０％（Ａｒガス１８０ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス２０ｓｃｃｍ），２０％（Ａｒガス１６０ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス４０ｓｃｃｍ），２５％（Ａｒガス１５０ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス５０ｓｃｃｍ），３０％（Ａｒガス１４０ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス６０ｓｃｃｍ），３５％（Ａｒガス１３０ｓｃｃｍ，Ｏ₂ガス７０ｓｃｃｍ）と変化させた。そして、各Ｏ₂ガス比率条件で得られたＩｒＯ_X膜上に、ＭＯＣＶＤ法によりＰＺＴ膜を形成し、その結晶構造をＸ線回折装置を用いて調査した。それらの結果を次の図２１〜図２４に示す。なお、ＰＺＴ膜は、上記第１のＰＺＴ膜形成時（図５）の条件にて行っている。

図２１はＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（１００）面の積分強度の関係を示す図、図２２はＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（１０１）面の積分強度の関係を示す図、図２３はＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（１１１）面の積分強度の関係を示す図、図２４はＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率とＰＺＴ（２２２）面の配向率の関係を示す図である。

図２１〜図２４より、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率が５％〜１０％の範囲では、ウェハの中心部、上部、右部および下部の各ＰＺＴ（２２２）面の配向率が９０％以上になる（図２４）。これは、そのようなＯ₂ガス比率で形成したＩｒＯ_X膜上にＭＯＣＶＤ法によってＰＺＴ膜を形成する際には、そのＩｒＯ_X膜が均一に酸化され、さらに、その後、均一に還元され、それにより、ＰＺＴ（１００）面およびＰＺＴ（１０１）面の生成が抑えられるためである（図２１〜図２３）。

一方、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率をより高くすると、形成されるＩｒＯ_X膜の酸化度が高くなる。そのようなＩｒＯ_X膜上にＭＯＣＶＤ法によってＰＺＴ膜を形成する際には、そのＩｒＯ_X膜が異常酸化しやすく、その後の還元で均一なＩｒ膜を得ることが難しくなり、ＰＺＴ（１００）面およびＰＺＴ（１０１）面の生成を効果的に抑えることができなくなる（図２１〜図２３）。その結果、ウェハの中心部、上部、右部および下部の各ＰＺＴ（２２２）面の配向率が低くなる（図２４）。

したがって、ＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー（形成速度１．６ｎｍ／秒）の条件でＩｒＯ_X膜を形成する場合には、そのときのＯ₂ガス比率を５％〜１０％とすることが好ましい。

なお、ＩｒＯ_X膜形成時のスパッタパワーの条件を変更したときには、それに応じてＯ₂ガス比率の最適条件が変化する点に留意する。例えば、スパッタパワーが０．５ｋＷのとき、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率５％では、その形成速度が１．５ｎｍ／秒となる。スパッタパワーが１．０ｋＷのとき、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率１０％では、その形成速度が３．０ｎｍ／秒となる。スパッタパワーが２．０ｋＷのとき、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率１８％では、その形成速度が６．０ｎｍ／秒となる。これらの条件でそれぞれ形成されるＩｒＯ_X膜の膜質は同等で、比抵抗はいずれも３００Ω・ｃｍである。

したがって、ＩｒＯ_X膜形成時のスパッタパワー（形成速度）を考慮しつつ、Ｏ₂ガス比率の最適化を図る必要がある。例えば、ＩｒＯ_X膜の形成速度を１．０ｎｍ〜２．５ｎｍ／秒とするときには、Ｏ₂ガス比率の最適範囲は２％〜１５％になる。ＩｒＯ_X膜の形成速度を２．６ｎｍ〜４．０ｎｍ／秒とするときには、Ｏ₂ガス比率の最適範囲は４％〜２０％になる。ＩｒＯ_X膜の形成速度を４．１ｎｍ〜７．０ｎｍ／秒とするときには、Ｏ₂ガス比率の最適範囲は６％〜３０％になる。

ここで、一例として、Ｏ₂ガス比率７％の雰囲気中、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー（形成速度１．６ｎｍ／秒）の条件で形成したＩｒＯ_X膜の配向性、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜形成時の昇温後のＩｒＯ_X膜の配向性、および形成されたＰＺＴ膜の配向性を調べた結果について述べる。

図２５は昇温前後のＩｒＯ_X膜のＸ線回折データ、図２６はＰＺＴ膜のＸ線回折データである。
図２５より、Ｏ₂ガス比率７％の雰囲気中、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー条件でＩｒＯ_X膜を形成した場合（ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜形成時の昇温に相当する熱処理を行う前）、そのＸ線回折データにはＩｒＯ_Xのピークが現れず、形成直後のＩｒＯ_X膜は結晶ではなかった。このようなＩｒＯ_X膜に対し、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜形成時の昇温に相当する熱処理（Ｏ₂ガス１００％）を行ったところ、その熱処理後のＸ線回折データにはＩｒＯ_X（１１０）面およびＩｒＯ_X（１０１）面のピークが現れ、その熱処理によってＩｒＯ_X膜が結晶化したことが確認された。

Ｏ₂ガス比率７％の雰囲気中、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー条件でＩｒＯ_X膜を形成し、所定の昇温過程を経てＰＺＴ膜の形成まで行ったところ、図２６より、そのＰＺＴ膜形成後のＸ線回折データにはＩｒＯ_X（１１０）面およびＩｒＯ_X（１０１）面のピークが現れず、Ｉｒ（１１１）面のピークが強くなり、ＰＺＴ膜の形成過程でＩｒＯ_X膜がＩｒ（１１１）面に優先配向されたＩｒ膜に還元されたことが確認された。

さらに、形成したＰＺＴ膜および下部電極の断面を、ＢＦ-ＳＴＥＭ（Bright Field - Scanning Transmission Electron Microscopy）、およびＥＤＸ分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）により調べた。

図２７はＢＦ-ＳＴＥＭ像、図２８はＥＤＸスペクトルである。
ＢＦ-ＳＴＥＭ観察を行ったところ、図２７に示すように、下部電極５０は、粒径が異なる柱状結晶のＩｒ膜５０ａ，５０ｂの２層構造になっており、そのような下部電極５０上にＰＺＴ膜５１が形成されているのが確認された。この上層部のＩｒ膜５０ｂが、元はＩｒＯ_X膜でＰＺＴ膜形成時に還元された部分であり、その下層部のＩｒ膜５０ａが、そのＩｒＯ_X膜の下に形成されていた部分である。下部電極５０の上層部のＩｒ膜５０ｂは、下層部のＩｒ膜５０ａに比べてその結晶粒径が小さく、平均粒径は１１ｎｍであった。

図２８には、このようなＢＦ-ＳＴＥＭ観察を行った断面内の、ＰＺＴ膜５１中（Ａ点）、ＰＺＴ膜５１／Ｉｒ膜５０ｂ界面付近（Ｂ点）、Ｉｒ膜５０ｂ中（Ｃ点）の各点について得られたＥＤＸスペクトルを示している。Ｓｉを除き、Ａ点ではＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｏが検出され、Ｂ点ではＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｉｒ，Ｏが検出され、Ｃ点ではＩｒが検出された。すなわち、Ａ点のＰＺＴ膜５１からはＩｒが検出されず、Ｂ点のＰＺＴ膜５１／Ｉｒ膜５０ｂ界面付近およびＣ点のＩｒ膜５０ｂからのみＩｒが検出され、Ｉｒ膜５０ｂからＰＺＴ膜５１内部（Ａ点）へのＩｒの拡散は認められなかった。

図２８より、Ｃ点のＩｒ膜５０ｂからはＩｒのみが検出されており（Ｓｉを除く）、ＩｒＯ_X膜はＰＺＴ膜形成時に完全に還元されているということができる。したがって、ＩｒＯ_X膜の形成条件を制御すれば、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ膜形成時に、そのＩｒＯ_X膜を結晶粒径が小さいＩｒ膜へと完全に還元することができ、それにより、ＰＺＴ膜の配向性を大幅に向上させることができるようになる。

さらに、ウェハ面内の配向分布およびウェハ間のばらつきを調べた結果を次の図２９および図３０に示す。
図２９は複数ウェハのＰＺＴ（１１１）面の積分強度を示す図、図３０は複数ウェハのＰＺＴ（２２２）面の配向率を示す図である。

ここでは、２５枚のウェハについて、Ｉｒ膜、ＩｒＯ_X膜およびＰＺＴ膜を連続して形成した。その際、ＩｒＯ_X膜は、上記知見に基づき、１８６ｓｃｃｍのＡｒガスと１４ｓｃｃｍのＯ₂ガスの混合ガス雰囲気中（Ｏ₂ガス比率７％）、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー、形成速度１．６ｎｍ／秒の条件で、３０ｎｍの膜厚に形成した。また、ＰＺＴ膜は、上記図５に示した第１のＰＺＴ膜形成時の条件にて形成した。そして、各ウェハのＰＺＴ膜の結晶構造をＸ線回折装置を用いて調査した。

図２９より、ウェハの中心部および右部の各ＰＺＴ（１１１）面の積分強度は、２５枚の各ウェハ間でそのばらつきが非常に小さく、ＰＺＴ膜を連続形成した場合にも良好な再現性が得られた。図３０より、ウェハの中心部および右部の各ＰＺＴ（２２２）面の配向率の差は非常に小さく、すべて９４％以上であり、また、各ウェハ間のＰＺＴ（２２２）面の配向率の差も非常に小さくなった。

以上説明したように、この第１の実施の形態のＦｅＲＡＭの形成方法によれば、配向性が良く、ばらつきが抑えられた強誘電体キャパシタを得ることができ、高性能で信頼性の高いＦｅＲＡＭを、安定して形成することが可能になる。

次に、第２の実施の形態について説明する。なお、この第２の実施の形態の説明においては、上記第１の実施の形態で述べた要素と同一の要素については同一の符号を付している。

図３１は第２の実施の形態のグルー膜およびＷプラグの形成まで行った後の要部断面模式図である。
上記第１の実施の形態では、図２に示したように、グルー膜１８およびＷプラグ１９の形成段階において、まず第２の層間絶縁膜１７にコンタクトホールを形成し、その後、全面にＴｉ膜、ＴｉＮ膜およびＷ膜を形成して、それらを第２の層間絶縁膜１７が露出するようにＣＭＰ法により研磨（オーバー研磨）するようにした。そして、その後、下地導電膜２０および酸化防止膜２１を形成するようにした。

ただし、その研磨の際には、図３１に示すように、Ｗプラグ１９に凹部６０が形成されて研磨後の表面が平坦にならない場合がある。このような凹部６０が形成される場合、その深さは２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であり、後に形成される下部電極やＰＺＴ膜の配向性に大きな影響を与える。そこで、この第２の実施の形態では、その研磨後に形成する下地導電膜２０を厚くし、それによってそのような凹部６０を埋め込む。

その場合、まず、グルー膜１８およびＷプラグ１９を形成するための研磨後、凹部６０が形成された表面に対し、ＮＨ₃プラズマ処理を行う。このＮＨ₃プラズマ処理は、上記第１の実施の形態で述べたのと同様の条件にて行うことができる。

図３２は第２の実施の形態の下地導電膜形成工程の要部断面模式図である。
ＮＨ₃プラズマ処理後、全面に、例えば、被処理ウェハとターゲットの間の距離を６０ｍｍに設定したスパッタ装置を用い、０．１５ＰａのＡｒ雰囲気中、基板温度２０℃、２．６ｋＷのスパッタパワーを３５秒間供給することにより、（００２）面に優先配向された膜厚１００ｎｍのＴｉ膜を形成する。そして、Ｎ₂ガス雰囲気中、６５０℃、６０秒間のＲＴＡ処理を行い、（１１１）面に優先配向されたＴｉＮ膜からなる下地導電膜２０を形成する。なお、下地導電膜２０は、ここでは膜厚１００ｎｍ程度となるが、凹部６０の深さ等に応じ、膜厚１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で適宜設定することができる。また、下地導電膜２０は、ここではＴｉＮ膜としたが、Ｗ膜、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ｃｕ膜等で形成することもできる。

下地導電膜２０の形成直後は、凹部６０を反映して、下地導電膜２０表面にも凹部が形成されるため、下地導電膜２０の形成に続き、その表層部をＣＭＰ法により研磨する。これにより、その研磨後には、凹部６０の影響が抑えられた、平坦な下地導電膜２０表面を得る。なお、下地導電膜２０の研磨には、例えば、Cabot Microelectronics Corporation製のＳＳＷ２０００を使用する。また、研磨後の下地導電膜２０の膜厚は、５０ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍとする。

このように下地導電膜２０の表層部を研磨すると、研磨後の下地導電膜２０表面付近の結晶に歪みが発生しやすい。このような歪みは、やはり後に形成される下部電極やＰＺＴ膜の配向性に大きな影響を与える。そのため、例えば、研磨後の下地導電膜２０表面に対し、上記同様のＮＨ₃プラズマ処理を行う。それにより、研磨後の下地導電膜２０表面付近の結晶に生じた歪みを除去する。

ここまでの工程により、図３２に示したような状態が得られる。
図３３は第２の実施の形態のＦｅＲＡＭの要部断面模式図である。
上記のようにして研磨およびＮＨ₃プラズマ処理まで行った後は、上記第１の実施の形態と同様のフローとなる。

すなわち、まず、その下地導電膜２０上に酸化防止膜２１を形成する。そして、Ｉｒ膜３０、ＩｒＯ_X膜３１（Ｉｒ膜３１ａに還元）、ＰＺＴ膜３２、上部電極３３を形成し、これらのパターニングを行い、さらに、下層の酸化防止膜２１および下地導電膜２０のパターニングを行う。その後、第１，第２のＡＬＯ膜４１，４２、第３の層間絶縁膜４３、バリア膜４４、第４の層間絶縁膜４５、グルー膜４６ａ，４６ｂおよびＷプラグ４７ａ，４７ｂを形成し、配線４８を形成して、第１層目の配線層を形成する。これにより、図３３に示したような構造を得る。

以後は、同様に第２層目以降の配線層を形成し、ＦｅＲＡＭを完成させればよい。
ここで、この第２の実施の形態で述べたような方法を用いて形成されるＦｅＲＡＭの電気特性を調べた結果について述べる。

ここでは、Ｉｒ膜上に、ＩｒＯ_X膜（アモルファスまたは微結晶）を異なる条件で形成した後、ＰＺＴ膜および上部電極の形成を行って、強誘電体キャパシタを形成した。また、Ｉｒ膜上に、ＩｒＯ_X膜を形成せずに、ＰＺＴ膜および上部電極の形成を行って、強誘電体キャパシタを形成した。ＩｒＯ_X膜を形成する場合、ＩｒＯ_X膜は、Ｏ₂ガス比率５％，６％，７％の各雰囲気中、形成温度６０℃、０．５ｋＷのスパッタパワー、形成速度１．６ｎｍ／秒の条件で、膜厚３０ｎｍで形成した。Ｉｒ膜、ＰＺＴ膜、上部電極は、それぞれ上記第１の実施の形態の図３，図５，図６の工程で例示した条件にて形成した。各強誘電体キャパシタの形成後、第５層目の配線層まで形成し、その強誘電体キャパシタの電気特性を測定した。結果を次の図３４〜図３７に示す。

図３４〜図３６はスイッチング電荷量の測定結果を示す図、図３７はリーク電流密度の測定結果を示す図である。
図３４には、Ｓｉ基板上に平面サイズ５０μｍ×５０μｍの強誘電体キャパシタを上記所定の条件で孤立に５０個形成した場合（ディスクリートタイプ）と、Ｓｉ基板上に平面サイズ０．７μｍ×０．７μｍの強誘電体キャパシタを上記所定の条件で５１５２個密集させて形成したセル領域を５０箇所形成した場合（セルアレイタイプ）について、印加電圧１．８Ｖのときのスイッチング電荷量を測定した結果を示している。

図３４より、ＩｒＯ_X膜を形成しない場合（Ｗ／Ｏ ＩｒＯ_X）には、ＩｒＯ_X膜を形成した場合（Ｏ₂ガス比率５％，６％，７％）に比べ、ディスクリートタイプおよびセルアレイタイプ共にスイッチング電荷量が低くなった。前述のように、ＩｒＯ_X膜を形成しない場合には、分極反転に寄与するＰＺＴ（１１１）面の配向が弱く、このように強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量が低くなる。一方、ＩｒＯ_X膜を形成した場合には、ＰＺＴ（１１１）面の配向がより強くなり、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量が大きくなる。

なお、ＩｒＯ_X膜形成時のＯ₂ガス比率５％，６％，７％の条件を比較すると、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量は、Ｏ₂ガス比率６％，７％のとき、Ｏ₂ガス比率５％のときよりも若干高くなる傾向が認められた。

また、図３５および図３６には、印加電圧を変化させて強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量を測定した結果を示している。図３５はディスクリートタイプで得られた結果、図３６はセルアレイタイプで得られた結果である。

図３５および図３６より、ディスクリートタイプおよびセルアレイタイプ共に、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量は、その飽和電圧に至るまで、ＩｒＯ_X膜を形成した場合（Ｏ₂ガス比率５％，６％，７％）の方が、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合（Ｗ／Ｏ ＩｒＯ_X）を上回った。また、低電圧領域の勾配は、Ｏ₂ガス比率５％，６％，７％の条件でＩｒＯ_X膜を形成した場合の方が、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合に比べ、大きくなった。所定条件でＩｒＯ_X膜を形成してＰＺＴ膜の配向性を向上させると、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量と印加電圧の関係も良好となり、特に低電圧動作に有利である。

また、図３７には、セルアレイタイプの強誘電体キャパシタの印加電圧とリーク電流密度の関係を示している。図３７より、強誘電体キャパシタのリーク電流密度は、ＩｒＯ_X膜を形成した場合（Ｏ₂ガス比率５％，６％，７％）と、ＩｒＯ_X膜を形成しなかった場合（Ｗ／Ｏ ＩｒＯ_X）とで、大きな差は認められなかった。所定の条件でＩｒＯ_X膜を形成することによる、強誘電体キャパシタのリーク電流密度への影響は認められなかった。

以上述べたような第２の実施の形態のＦｅＲＡＭの形成方法によれば、平坦で、配向性が良く、ばらつきが抑えられた強誘電体キャパシタを得ることができ、高性能で信頼性の高いＦｅＲＡＭを、安定して形成することが可能になる。

次に、第３の実施の形態について説明する。なお、この第３の実施の形態の説明においては、上記第２の実施の形態で述べた要素と同一の要素については同一の符号を付している。

図３８は第３の実施の形態のＦｅＲＡＭの要部断面模式図である。
上記第２の実施の形態では、図３２に示したように、下地導電膜２０の研磨後に、第２の層間絶縁膜１７、グルー膜１８およびＷプラグ１９がすべて下地導電膜２０で覆われた状態になるようにした。

これに対し、この第３の実施の形態では、下地導電膜２０を第２の層間絶縁膜１７が露出するまで研磨し、図３８に示したように、その研磨後にはＷプラグ１９の凹部６０のみが下地導電膜２０で埋め込まれた状態になるようにする。以降の工程は、上記第２の実施の形態と同様のフローで行うことができる。

この第３の実施の形態のＦｅＲＡＭの形成方法によっても、上記第２の実施の形態と同様、平坦で、配向性が良く、ばらつきが抑えられた強誘電体キャパシタを得ることができる。

次に、第４の実施の形態について説明する。なお、この第４の実施の形態の説明においては、上記第１の実施の形態で述べた要素と同一の要素については同一の符号を付している。

図３９は第４の実施の形態のＦｅＲＡＭの要部断面模式図である。
この第４の実施の形態のＦｅＲＡＭは、グルー膜１４ａおよびＷプラグ１５ａ上に下地導電膜２０および酸化防止膜２１を介して強誘電体キャパシタが形成され、その強誘電体キャパシタに直接配線７２が形成されている点で、上記第１の実施の形態のＦｅＲＡＭと相違する。このようなＦｅＲＡＭは、次のようにして形成することができる。

まず、上記第１の実施の形態で述べたようにして第１の層間絶縁膜１３まで形成した後、そこに第１のソース・ドレイン領域１０ａに接続されたグルー膜１４ａおよびＷプラグ１５ａを形成する。そして、グルー膜１４ａおよびＷプラグ１５ａを形成した第１の層間絶縁膜１３上に、下地導電膜２０および酸化防止膜２１を形成する。次いで、Ｉｒ膜３０、ＩｒＯ_X膜３１（Ｉｒ膜３１ａに還元）、ＰＺＴ膜３２、上部電極３３を形成し、これらのパターニングを行い、下層の酸化防止膜２１と下地導電膜２０のパターニングを行う。その後、第１，第２のＡＬＯ膜４１，４２および第３の層間絶縁膜４３を形成し、さらに、第２のソース・ドレイン領域１０ｂに達するコンタクトホールを形成してグルー膜７０およびＷプラグ７１を形成する。そして、強誘電体キャパシタの上部電極３３に達するコンタクトホールを形成した後、例えばＴｉＮ／Ｔｉ積層膜７２ａ、ＡｌＣｕ合金膜７２ｂ、ＴｉＮ／Ｔｉ積層膜７２ｃを順に積層し、配線７２を形成する。

この第４の実施の形態のＦｅＲＡＭの形成方法によっても、上記第１の実施の形態と同様、高性能で信頼性の高いＦｅＲＡＭを形成することができる。
以上、第１〜第４の実施の形態について説明したが、上記の強誘電体キャパシタの形成原理は、例示したようなスタック構造を採用したＦｅＲＡＭのほか、プレーナ構造を採用したＦｅＲＡＭにも、同様に適用可能である。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ ＳＴＩ
３ ｐウェル
４ａ，４ｂ ゲート絶縁膜
５ａ，５ｂ ゲート電極
６ａ 第１のソース・ドレイン・エクステンション領域
６ｂ 第２のソース・ドレイン・エクステンション領域
９ａ，９ｂ サイドウォール
１０ａ 第１のソース・ドレイン領域
１０ｂ 第２のソース・ドレイン領域
１２ カバー絶縁膜
１３ 第１の層間絶縁膜
１４ａ，１４ｂ，１８，４６ａ，４６ｂ，７０ グルー膜
１５ａ，１５ｂ，１９，４７ａ，４７ｂ，７１ Ｗプラグ
１６，２１ 酸化防止膜
１７ 第２の層間絶縁膜
２０ 下地導電膜
３０，３１ａ，５０ａ，５０ｂ Ｉｒ膜
３１ ＩｒＯ_X膜
３２，５１ ＰＺＴ膜
３３ 上部電極
４０ ハードマスク
４０ａ 第１のマスク層
４０ｂ 第２のマスク層
４１ 第１のＡＬＯ膜
４２ 第２のＡＬＯ膜
４３ 第３の層間絶縁膜
４４ バリア膜
４５ 第４の層間絶縁膜
４８，７２ 配線
４８ａ，４８ｃ，７２ａ，７２ｃ ＴｉＮ／Ｔｉ積層膜
４８ｂ，７２ｂ ＡｌＣｕ合金膜
５０ 下部電極
６０ 凹部

Claims (14)

1. 強誘電体キャパシタを備える半導体装置の製造方法において、
   トランジスタに電気的に接続された第１の金属膜を形成する工程と、
   前記第１の金属膜上にアモルファスまたは微結晶の金属酸化膜を形成する工程と、
   前記金属酸化膜を還元して第２の金属膜とすると共に、前記第２の金属膜上に強誘電体膜を形成する工程と、
   前記強誘電体膜上に導電膜を形成する工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記金属酸化膜を形成する工程においては、
   前記金属酸化膜を、前記強誘電体膜を形成する際に前記金属酸化膜が前記第２の金属膜に完全に還元される膜厚で形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記金属酸化膜を形成する工程においては、
   前記金属酸化膜の形成温度を制御することによって、前記金属酸化膜をアモルファスまたは微結晶にすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記金属酸化膜を形成する工程においては、
   前記金属酸化膜を酸素ガス含有雰囲気で形成し、前記金属酸化膜を形成する際の酸素ガス比率を制御することによって、還元する前記金属酸化膜の酸化度を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記金属酸化膜を形成する際の形成速度によって前記酸素ガス比率を変化させることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記強誘電体膜を形成する工程においては、
   前記強誘電体膜をＭＯＣＶＤ法により形成し、前記金属酸化膜の形成後、前記強誘電体膜の原料ガスを導入し、前記原料ガス中に含まれる成分によって前記金属酸化膜を前記第２の金属膜に還元すると共に、前記原料ガスによって前記第２の金属膜上に前記強誘電体膜を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記原料ガスの導入前に、前記強誘電体膜を形成する温度まで昇温する昇温過程を有し、前記昇温過程において前記金属酸化膜を結晶化することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第１の金属膜の形成後、前記金属酸化膜の形成前に、不活性ガス雰囲気で熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記金属酸化膜の形成温度は、１０℃〜１００℃とすることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記金属酸化膜の形成温度は、６０℃とすることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
11. 強誘電体キャパシタを備える半導体装置において、
    トランジスタに電気的に接続された第１の金属膜と、
    前記第１の金属膜上に形成され、前記第１の金属膜より結晶粒径が小さく、前記第１の金属膜の配向性に基づいた結晶面に優先配向された第２の金属膜と、
    前記第２の金属膜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導電膜と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
12. 前記第２の金属膜は、前記第１の金属膜より薄く形成されていることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置。
13. 前記第２の金属膜は、前記第１の金属膜と同一元素であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置。
14. 強誘電体キャパシタを備える半導体装置の製造方法において、
    下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、
    前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、を含み、
    前記下部電極を形成する工程は、
    第１の金属膜を形成する工程と、
    前記第１の金属膜上に、１０〜１００℃の温度範囲で金属酸化膜を形成する工程と、を有し、
    前記強誘電体膜を形成する工程は、
    前記金属酸化膜を還元して第２の金属膜とすると共に、前記第２の金属膜上に前記強誘電体膜を形成する工程を有する、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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