JP4858685B2 - 強誘電体メモリおよびその製造方法 - Google Patents

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の金属層を窒化して窒素化合物からなる第１の配向制御層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の配向制御層の上方にチタンを構成元素として含む第２の金属層を形成する工程と、
（ｄ）前記第２の金属層を窒化して窒素化合物からなる第２の配向制御層を形成する工程と、
（ｅ）前記第２の配向制御層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｆ）前記第１電極の上方に強誘電体層を形成する工程と、
（ｇ）前記強誘電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
を含む。

このように、第１の配向制御層および第２の配向制御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）では、第１の金属層としてチタン層を形成し、
前記工程（ｂ）では、第１の配向制御層としてチタンの窒化物からなる層を形成することができる。

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）では、第１の金属層としてチタンアルミニウム層を形成し、
前記工程（ｂ）では、第１の配向制御層としてチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる層を形成することができる。

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｂ）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、
前記工程（ｃ）では、第２の金属層としてチタン層を形成し、
前記工程（ｄ）では、第２の配向制御層としてチタンの窒化物からなる層を形成することができる。

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｃ）では、第２の金属層としてチタンアルミニウム層を形成し、
前記工程（ｄ）では、第２の配向制御層としてチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる層を形成することができる。

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｄ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第２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の製造方法において、
前記工程（ｄ）と（ｅ）の間に、前記第２の配向制御層の上方にバリア層を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であることができる。

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たチタンを構成元素として含む窒素化合物からなる第１の配向制御層と、
前記第１の配向制御層の上面に形成されたチタンを構成元素として含む窒素化合物からなる第２の配向制御層と、
前記第２の配向制御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、
を含む。

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
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、をさらに含み、
前記第１の配向制御層は、前記導電層の上方に形成されていることができる。

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第２の配向制御層と前記第１電極との間に形成されたバリア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、
前記第１の配向制御層、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、
前記第１の配向制御層および前記第２の配向制御層に含まれる結晶は、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶の配向と等しい配向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、
前記第１の配向制御層、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に含まれる結晶は、（１１１）配向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、
前記第２の配向制御層に含まれる結晶の（１１１）配向成分は、前記第１の配向制御層に含まれる結晶の（１１１）配向成分より多いことができる。

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層および前記第２の配向制御層は、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、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、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、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、および前記バリア層に含まれる結晶は、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶の配向と等しい配向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、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向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、
前記第１の配向制御層は、チタンの窒化物であり、
前記バリア層は、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において、
前記導電層と電気的に接続されたスイッチングトランジスタをさらに含むことができる。

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、第１の配向制御層１２と、第２の配向制御層１１２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第１バリア層２９と、プラグ２０上に形成された第２バリア層２３とを、コンタクトホール２２内にさらに含む。プラグ２０は、第１バリア層２９と第２バリア層２３とによって囲まれている。

第１バリア層２９は、コンタクトホール２２の底面および側面に形成される。第１バリア層２９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。この第１バリア層２９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。

第２バリア層２３は、プラグ２０の上面に形成される。第２バリア層２３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。

第１の配向制御層１２は、絶縁層２６上および第２バリア層２３上に形成されている。この第１の配向制御層１２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、なかでも配向制御性の高いＴｉＮからなることが好ましい。なお第１の配向制御層１２は、少なくとも一部が結晶質であることができる。

第２の配向制御層１１２は、第１の配向制御層１２上に形成されている。この第２の配向制御層１１２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。なお第２の配向制御層１１２は、少なくとも一部が結晶質であることができる。

強誘電体キャパシタ３０は、第２の配向制御層１１２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、Ａ_１−ｂＢ_１−ａＸ_ａＯ_３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）Ｏ_３）（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９（ＳＢＴ）、（Ｂｉ，Ｌａ）_４Ｔｉ_３Ｏ_１２（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軸となるが、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とがある。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、ａ軸配向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。

ここで第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２が有する結晶の配向性について説明する。第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、結晶質であり、等しい配向を有することができる。

本実施の形態によれば、第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、とも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であるため、（１１１）配向を有することができる。第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、後述するように、チタンを構成元素として含む金属層を窒化して得られるが、この金属層は（００１）配向の自己配向性を有する。よって、第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、（００１）配向の金属層を窒化して得られる（１１１）配向の結晶を有することができる。

第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、（１１１）配向の結晶の他に、（１１１）配向以外の配向の結晶を有する。特に第１の配向制御層１２は、プラグ２０上においてはこのプラグ２０の結晶配向に自己配向性を阻害される場合があり、（１１１）配向の結晶の割合を大きくすることは困難である。一方、第２の配向制御層１１２は、第１の配向制御層１２上に形成されているため、少なくとも（１１１）配向の結晶の上では、この配向の影響を受けて（００１）配向の金属層が形成される。また（１１１）配向以外の結晶の上では、金属層は格子マッチングしないため、界面エネルギーが最低となる最密充填の面方位、すなわち自己配向面である（００１）に配向することができる。したがって、第２の配向制御層１１２は、第１の配向制御層１２より多くの（１１１）配向率を示すことができる。

なお、第２の配向制御層１１２は、複数層形成されてもよい。第２の配向制御層１１２が複数層形成されることによって、最上面の第２の配向制御層１１２における（１１１）配向の結晶を増加させることができる。

このように、強誘電体メモリ１００が第１電極３２の下に、優れた結晶質の第２の配向制御層１１２を有することにより、良好な結晶質の第１電極３２を得ることができる。即ち、第１電極３２は、第２の配向制御層１１２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２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。本実施の形態よれば、第２の配向制御層１１２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り、（１１１）配向を有する。よって、第１電極３２の結晶配向を容易に（１１１）配向にすることができる。即ち、第２の配向制御層１１２が良好な結晶質の（１１１）配向を有することにより、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。

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。即ち、強誘電体層３４は、第２の配向制御層１１２の上方に形成されているため、第２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。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（１１１）配向を有することができる。よって、強誘電体層３４の結晶配向を容易に（１１１）配向にすることができる。即ち、第２の配向制御層１１２、および第１電極３２が良好な結晶質の（１１１）配向を有することにより、強誘電体層３４についても良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。

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、第２の配向制御層１１２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１３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上とに連続的に第１バリア層２９ａを形成する。第１バリア層２９ａ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および第１バリア層２９ａの一部を研磨し、除去することによってプラグ２０および第１バリア層２９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。絶縁層２６が第１バリア層２９ａより研磨されにくい材質からなる場合には、図６に示すようにコンタクトホール２２の内部にリセス（凹部）が発生することがある。このようにリセスが発生した場合には、図７に示すように、第２バリア層２３をプラグ２０上に形成してもよい。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。第２バリア層２３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。このようにして、基体の一例としての、トランジスタ１８、プラグ２０、絶縁層２６等を形成することができる。

次に、第１の配向制御層１２ａ（図１０参照）を形成する。まず、図８に示すように、アンモニアガスのプラズマを励起して、第１の配向制御層１２ａが形成される領域の表面１４ｓ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１４ｓが−ＮＨで終端され、後述する工程で第１の金属層１４ａを成膜する際に、第１の金属層１４ａを構成する原子が表面１４ｓ上でマイグレーションし易くなる。その結果、第１の金属層１４ａ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第１の金属層１４ａを成膜することができると推測される。

次いで、図９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第１の金属層１４ａを成膜する。この第１の金属層１４ａ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１の金属層１４ａ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１の金属層１４ａを形成することができる。この場合、第１の金属層１４ａを成膜する際の基板温度は、第１の配向制御層１２が（１１１）配向を有する点で、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。

ここで、（１１１）配向性を有する第１の配向制御層１２ａが得られる理由としては、以下のとおりである。まず第１の金属層１４ａ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。第１の金属層１４ａ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、後述する窒化工程により、第１の金属層１４ａ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）配向を有する第１の配向制御層１２ａ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第１の配向制御層１２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。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第１の金属層１４ａを成膜することにより、配向性に優れた第１の金属層１４ａを得ることができる。

次いで、図１０に示すように、第１の金属層１４ａを窒化して、窒化物からなる結晶質の第１の配向制御層１２ａを形成する。第１の金属層１４ａ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第１の金属層１４ａをアニールすることにより、第１の金属層１４ａを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、アニールは第１の金属層１４ａ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、第１の金属層１４ａの結晶配向を保持した状態で、第１の金属層１４ａ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、第１の配向制御層１２ａを得ることができる。

ここで第１の金属層１４ａがチタンおよびアルミニウムを含む場合、第１の配向制御層１２ａ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、第１の金属層１４ａがチタンを含む場合（例えばＴｉ）、第１の配向制御層１２ａ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、この第１の金属層１４ａを窒化して得られた第１の配向制御層１２ａ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（第１の金属層１４ａ）の配向性に影響されて、（１１１）配向となる。

次に、第２の配向制御層１１２ａ（図１２参照）を形成する。まず、図１１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第２の金属層１１４ａを成膜する。この第２の金属層１１４ａの成膜方法としては、上述した第１の金属層１４ａと同様の成膜方法を適用することができる。第１の金属層１４ａと同様にここで成膜された第２の金属層１１４ａは、その構成元素であるＴｉまたはＴｉＡｌが自己配向性を強く発現し、かつ（１１１）配向を有する配向制御層１２ａの結晶配向の影響を受けるため、（００１）配向の結晶を有する。

次いで、図１２に示すように、第２の金属層１１４ａを窒化して、窒化物からなる結晶質の第２の配向制御層１１２ａを形成する。第２の金属層１１４ａの窒化方法としては、上述した第１の金属層１４ａと同様の窒化方法を適用することができる。

ここで第２の金属層１１４ａがチタンおよびアルミニウムを含む場合、第２の配向制御層１１２ａ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、第２の金属層１１４ａがチタンを含む場合（例えばＴｉ）、第２の配向制御層１１２ａは、チタンの窒化物（例えばＴｉＮ）であることができる。ここで第２の配向制御層１１２ａにおけるＴｉＮおよびＴｉＡｌＮは、原料であるＴｉまたはＴｉＡｌ（第１の金属層１４ａ）の配向性に影響されて、（１１１）配向となる。

以上の第２の配向制御層１１２ａの形成工程は、複数回繰り返し行ってもよい。繰り返し行うことにより、複数層の第２の配向制御層１１２ａが形成される。複数層の第２の配向制御層１１２ａにおいては、上方にいくにつれて結晶配向性に優れた第２の配向制御層１１２ａを得ることができる。

次に、図１３に示すように、第２の配向制御層１１２ａ上に第１電極３２ａを形成する。ここで、第１電極３２ａを結晶性の第２の配向制御層１１２ａ上に形成することにより、第２の配向制御層１１２ａの結晶配向性を第１電極３２ａに反映させ、第１電極３２ａの結晶性を著しく向上させることができる。本実施の形態では、第２の配向制御層１１２ａの結晶配向が（１１１）配向であるため、第１電極３２ａの少なくとも一部を、（１１１）配向を有する結晶質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１３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１３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。その後、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２の配向制御層１１２上に設けられた第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が得られる（図１参照）。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の製造方法によれば、結晶配向性に優れた第１の配向制御層１２を形成することができる。また、この第１の配向制御層１２の上面に第２の配向制御層１１２を形成することによって、結晶配向性にさらに優れた第２の配向制御層１１２を形成することができる。

このような第２の配向制御層１１２を形成することにより、その上面に形成された第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．変形例
以下に、本実施の形態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３バリア層２５をさらに含む点、および第２バリア層２３を含まない点で、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１４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３バリア層２５は、第２の配向制御層１１２上に形成されている。第３バリア層２５は、酸素バリア機能を有する。第３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３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。また第３バリア層２５は、第１電極３２の密着性を向上させることもできる。なお第３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３バリア層２５は、第２の配向制御層１１２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２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。変形例にかかる強誘電体メモリ２００によれば、第２の配向制御層１１２および第３バリア層２５は、とも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であるため、（１１１）配向を有することができる。即ち、第２の配向制御層１１２が良好な結晶質の（１１１）配向を有することにより、第３バリア層２５についても良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。

また第１電極３２は、第３バリア層２５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３バリア層２５の結晶配向の影響を受けて、第３バリア層２５と等しい配向を有することができる。即ち、第１電極３２は、第２の配向制御層１１２の上方に形成されているため、第２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。よって、第１電極３２の結晶配向を容易に（１１１）配向にすることができる。

３．２．強誘電体メモリの製造方法
次に、図１４に示す強誘電体メモリ２００の製造方法について、図面を参照して説明する。図１５〜図１９はそれぞれ、図１４に示される強誘電体メモリ２００の一製造工程を模式的に示す断面図である。

まず、上述した製造方法によりトランジスタ１８、絶縁層２６および導電層２０ａを成膜し、導電層２０ａおよび第１バリア層２９の一部を研磨する。絶縁層２６と導電層２０ａの研磨されやすさが同じ場合には、図１５に示すように、リセスが発生せず、平坦が表面を形成することができる。

次に、図１６に示すように、第１の金属層１４ａを成膜し、その後窒化して第１の配向制御層１２ａを形成する。次いで図１７に示すように、第２の金属層１１４ａを成膜し、その後窒化して第２の配向制御層１１２ａを形成する。

次に、図１８に示すように、第２の配向制御層１１２ａ上に第３バリア層２５ａを形成する。第３バリア層２５ａ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３バリア層２５ａを第２の配向制御層１１２ａ上に形成することにより、第２の配向制御層１１２ａの結晶配向性を第３バリア層２５ａに反映させることができ、第３バリア層２５の結晶性を著しく向上させることができる。

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。

本発明の一実施の形態の強誘電体メモリを模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 変形例にかかる強誘電体メモリを模式的に示す断面図。 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。

符号の説明

１０ 半導体基板、 １１ ゲート絶縁層、 １２，１２ａ 第１の配向制御層、 １３ ゲート導電層、 １４ａ 第１の金属層、 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、２３、２３ａ 第２バリア層、 ２５、２５ａ 第３バリア層、 ２６ 絶縁層、 ２９、２９ａ 第１バリア層、 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 強誘電体メモリ、 １１２，１１２ａ 第２の配向制御層、 １１４ａ 第２の金属層、 ２００ 強誘電体メモリ、 Ｒ１ レジスト層

Claims (18)

1. （ａ）基体の上方に第１の金属層としてチタンアルミニウム層を形成する工程と、
   （ｂ）前記第１の金属層を窒化して第１の配向制御層としてチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる層を形成する工程と、
   （ｃ）前記第１の配向制御層の上方にチタンを構成元素として含む第２の金属層を形成する工程と、
   （ｄ）前記第２の金属層を窒化して窒素化合物からなる第２の配向制御層を形成する工程と、
   （ｅ）前記第２の配向制御層の上方に第１電極を形成する工程と、
   （ｆ）前記第１電極の上方に強誘電体層を形成する工程と、
   （ｇ）前記強誘電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
   を含む、強誘電体メモリの製造方法。
2. 請求項１において、
   前記工程（ｂ）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。
3. 請求項１または２において、
   前記工程（ｃ）では、第２の金属層としてチタン層を形成し、
   前記工程（ｄ）では、第２の配向制御層としてチタンの窒化物からなる層を形成する、強誘電体メモリの製造方法。
4. 請求項１または２において、
   前記工程（ｃ）では、第２の金属層としてチタンアルミニウム層を形成し、
   前記工程（ｄ）では、第２の配向制御層としてチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる層を形成する、強誘電体メモリの製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記工程（ｄ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第２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。
6. 請求項１ないし５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。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記工程（ｄ）と（ｅ）の間に、前記第２の配向制御層の上方にバリア層を形成する工程をさらに含む、強誘電体メモリの製造方法。
8. 請求項７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である、強誘電体メモリの製造方法。
9. 基体の上方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第１の配向制御層と、
   前記第１の配向制御層の上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第２の配向制御層と、
   前記第２の配向制御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、
   を含む、強誘電体メモリ。
10. 請求項９において、
    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、をさらに含み、
    前記第１の配向制御層は、前記導電層の上方に形成されている、強誘電体メモリ。
11. 請求項９または１０において、
    前記第２の配向制御層と前記第１電極との間に形成されたバリア層をさらに含む、強誘電体メモリ。
12. 請求項９ないし１１のいずれかにおいて、
    前記第１の配向制御層、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、
    前記第１の配向制御層および前記第２の配向制御層に含まれる結晶の一部は、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶の配向と等しい配向を有する、強誘電体メモリ。
13. 請求項１２において、
    前記第１の配向制御層、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に含まれる結晶は、（１１１）配向を有する、強誘電体メモリ。
14. 請求項１３において、
    前記第２の配向制御層に含まれる結晶の（１１１）配向成分は、前記第１の配向制御層に含まれる結晶の（１１１）配向成分より多い、強誘電体メモリ。
15. 請求項１１において、
    前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、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、
    前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、および前記バリア層に含まれる結晶の一部は、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶の配向と等しい配向を有する、強誘電体メモリ。
16. 請求項１５において、
    前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および
    前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向を有する、強誘電体メモリ。
17. 請求項１６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である、強誘電体メモリ。
18. 請求項９ないし１７のいずれかにおいて、
    前記導電層と電気的に接続されたスイッチングトランジスタをさらに含む、強誘電体メモリ。

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