JP4761031B2

JP4761031B2 - Ferroelectric capacitor, method of manufacturing the same, and ferroelectric memory device

Info

Publication number: JP4761031B2
Application number: JP2005225481A
Authority: JP
Inventors: 博明田村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP2007042870A

Description

本発明は、強誘電体キャパシタおよびその製造方法、ならびに強誘電体メモリ装置に関する。 The present invention relates to a ferroelectric capacitor, a method for manufacturing the same, and a ferroelectric memory device.

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。 A ferroelectric memory device (FeRAM) is a non-volatile memory capable of low voltage and high speed operation, and a memory cell can be composed of one transistor / one capacitor (1T / 1C), so that it can be integrated like a DRAM. Therefore, it is expected as a large-capacity nonvolatile memory.

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 In order to maximize the ferroelectric characteristics of the ferroelectric capacitor constituting the ferroelectric memory device, the crystal orientation of each layer constituting the ferroelectric capacitor is extremely important.
JP 2000-277701 A

本発明の目的は、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が良好に制御された強誘電体キャパシタおよびその製造方法、ならびに強誘電体メモリ装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a ferroelectric capacitor in which the crystal orientation of each layer constituting the ferroelectric capacitor is well controlled, a manufacturing method thereof, and a ferroelectric memory device.

本発明の強誘電体キャパシタは、第１バリア層の上方に設けられた第１電極と、前記第１電極の上に設けられた強誘電体膜と、前記強誘電体膜の上に設けられた第２電極と、を含み、前記第１バリア層がアモルファスである。 The ferroelectric capacitor of the present invention is provided on the first electrode provided above the first barrier layer, the ferroelectric film provided on the first electrode, and the ferroelectric film. The first barrier layer is amorphous.

本発明の強誘電体キャパシタによれば、前記第１バリア層がアモルファスであることにより、下層の結晶構造が反映されていない前記第１電極を設けることができる。 According to the ferroelectric capacitor of the present invention, since the first barrier layer is amorphous, it is possible to provide the first electrode that does not reflect the underlying crystal structure.

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタは、プラグ上に設けられた。 Here, the ferroelectric capacitor of the present invention was provided on a plug.

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタにおいて、前記第１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。前記材料は酸素バリア性を有するため、前記第１バリア層として好適である。 Here, in the ferroelectric capacitor of the present invention, the first barrier layer may be a nitride of titanium and aluminum. Since the material has an oxygen barrier property, it is suitable as the first barrier layer.

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタにおいて、前記第１バリア層と前記第１電極との間に、結晶質の第２バリア層を設けることができる。前記第２バリア層が設けられていることにより、前記第２バリア層上に設けられる前記第１電極の結晶配向性を高めることができる。これにより、結晶配向性に優れた強誘電体膜を設けることができるため、上記本発明の強誘電体キャパシタはヒステリシス特性に優れている。 Here, in the ferroelectric capacitor of the present invention, a crystalline second barrier layer can be provided between the first barrier layer and the first electrode. By providing the second barrier layer, the crystal orientation of the first electrode provided on the second barrier layer can be enhanced. As a result, a ferroelectric film having excellent crystal orientation can be provided, so that the ferroelectric capacitor of the present invention has excellent hysteresis characteristics.

この場合、前記第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムからなる合金であることができる。また、この場合、前記第２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。これらの材料は酸素バリア性を有するため、前記第２バリア層として好適である。 In this case, the second barrier layer may be an alloy made of titanium and aluminum. In this case, the second barrier layer may be a nitride of titanium and aluminum. Since these materials have oxygen barrier properties, they are suitable as the second barrier layer.

本発明の強誘電体キャパシタの製造方法は、
（ａ）アモルファスである第１バリア層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１バリア層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｃ）前記第１電極の上に強誘電体膜を形成する工程と、
（ｄ）前記強誘電体膜の上に第２電極を形成する工程と、
を含む。 The manufacturing method of the ferroelectric capacitor of the present invention is as follows.
(A) forming a first barrier layer that is amorphous;
(B) forming a first electrode above the first barrier layer;
(C) forming a ferroelectric film on the first electrode;
(D) forming a second electrode on the ferroelectric film;
including.

本発明の強誘電体キャパシタの製造方法によれば、アモルファスである第１バリア層の上方に第１電極を形成することにより、下層の結晶構造が反映されていない前記第１電極を簡便な方法にて形成することができる。 According to the method of manufacturing a ferroelectric capacitor of the present invention, the first electrode on which the lower layer crystal structure is not reflected is simplified by forming the first electrode above the amorphous first barrier layer. Can be formed.

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ａ）において、前記第１バリア層をプラグ上に形成することができる。 Here, in the method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, the first barrier layer can be formed on the plug in (a).

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記第１バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であり、前記（ａ）において、窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により前記第１バリア層を形成することができる。 Here, in the method for manufacturing a ferroelectric capacitor of the present invention, the first barrier layer is a nitride of titanium and aluminum, and in (a), the nitrogen partial pressure is 8% or more and less than 12%. In the atmosphere, the first barrier layer can be formed by a sputtering method.

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記（ａ）の後、前記（ｂ）の前に、（ｅ）前記第１のバリア層上に、結晶質の第２のバリア層を形成する工程をさらに含むことができる。 Here, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, after (a), before (b), (e) a crystalline second barrier on the first barrier layer. The method may further include forming a layer.

この場合、前記第２のバリア層は、チタンおよびアルミニウムからなる合金であることができる。また、この場合、前記第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であり、前記（ｅ）において、窒素分圧が１２％以上でかつ２０％以下である雰囲気中で、スパッタリング法により前記第２バリア層を形成することができる。ここで、前記（ｅ）において、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層を前記第１バリア層上に形成し、該シード層の存在下で前記第２バリア層を形成することができる。 In this case, the second barrier layer may be an alloy made of titanium and aluminum. In this case, the second barrier layer is a nitride of titanium and aluminum. In (e), the second barrier layer is formed by sputtering in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 12% or more and 20% or less. Two barrier layers can be formed. Here, in (e), a seed layer made of an alloy of titanium and aluminum can be formed on the first barrier layer, and the second barrier layer can be formed in the presence of the seed layer.

ここで、上記本発明の強誘電体キャパシタの製造方法において、前記第１および第２バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であり、前記（ａ）において、第１の窒素分圧を有する第１の雰囲気中で、スパッタリング法により前記第１バリア層を形成し、前記（ｅ）において、前記第１の窒素分圧より小さい第２の窒素分圧を有する第２の雰囲気中で、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層を前記第１バリア層上に形成し、次いで、前記第１の窒素分圧より大きい第３の窒素分圧を有する第３の雰囲気中で、該シード層の存在下、スパッタリング法により前記第２バリア層を形成することができる。上記方法によれば、雰囲気中における窒素分圧を変えることにより、第１バリア層、シード層および第２バリア層を順に形成することができる。すなわち、窒素分圧を制御するという簡便な方法によって、前記各層を形成することができる。 Here, in the method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, the first and second barrier layers are nitrides of titanium and aluminum, and in (a), the first nitrogen partial pressure is provided. In the first atmosphere, the first barrier layer is formed by a sputtering method. In (e), in the second atmosphere having a second nitrogen partial pressure lower than the first nitrogen partial pressure, titanium and A seed layer made of an alloy of aluminum is formed on the first barrier layer, and then in the presence of the seed layer in a third atmosphere having a third nitrogen partial pressure greater than the first nitrogen partial pressure. The second barrier layer can be formed by sputtering. According to the above method, the first barrier layer, the seed layer, and the second barrier layer can be sequentially formed by changing the nitrogen partial pressure in the atmosphere. That is, the layers can be formed by a simple method of controlling the nitrogen partial pressure.

この場合、前記第１の雰囲気中における第１の窒素分圧は８％以上でかつ１２％未満であり、前記第２の雰囲気中における第２の窒素分圧は８％未満であり、前記第３の雰囲気中における第３の窒素分圧は１２％以上でかつ２０％以下であることができる。 In this case, the first nitrogen partial pressure in the first atmosphere is 8% or more and less than 12%, the second nitrogen partial pressure in the second atmosphere is less than 8%, The third nitrogen partial pressure in the atmosphere 3 can be 12% or more and 20% or less.

本発明の強誘電体メモリ装置は、スイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタと電気的に接続されたプラグと、前記プラグ上に設けられた、上記本発明の強誘電体キャパシタと、を含む。 A ferroelectric memory device of the present invention includes a switching transistor, a plug electrically connected to the switching transistor, and the ferroelectric capacitor of the present invention provided on the plug.

本発明の強誘電体メモリ装置によれば、前記プラグ上に設けられた上記本発明の強誘電体キャパシタを含むことにより、前記プラグを構成する導電層の結晶構造が反映されていない前記第１電極が設けられている。これにより、前記第１電極上に、結晶配向性に優れた強誘電体膜が設けられているため、ヒステリシス特性に優れている。 According to the ferroelectric memory device of the present invention, since the ferroelectric capacitor of the present invention provided on the plug is included, the crystal structure of the conductive layer constituting the plug is not reflected. An electrode is provided. Accordingly, since the ferroelectric film having excellent crystal orientation is provided on the first electrode, the hysteresis characteristics are excellent.

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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

１．強誘電体メモリ装置
図１は、本発明の一実施の形態の強誘電体メモリ装置１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ装置１００は、強誘電体キャパシタ３０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。 1. Ferroelectric Memory Device FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a ferroelectric memory device 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the ferroelectric memory device 100 includes a ferroelectric capacitor 30, a plug 20, and a switching transistor 18 of the ferroelectric capacitor 30. Note that in this embodiment, a 1T / 1C type memory cell is described, but the present invention is not limited to a 1T / 1C type memory cell.

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とを含む。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いる。 The transistor 18 includes a gate insulating layer 11, a gate conductive layer 13 provided on the gate insulating layer 11, and first and second impurity regions 17 and 19 which are source / drain regions. The plug 20 is electrically connected to the switching transistor 18.

強誘電体キャパシタ３０は、第１バリア層１２の上方に設けられた第１電極３２と、第１電極３２の上に設けられた強誘電体膜３４と、強誘電体膜３４の上に設けられた第２電極３６とを含む。第１バリア層１２はアモルファスである。より具体的には、この強誘電体キャパシタ３０は、第１および第２バリア層１２，１４の上に設けられている。 The ferroelectric capacitor 30 is provided on the first electrode 32 provided above the first barrier layer 12, the ferroelectric film 34 provided on the first electrode 32, and the ferroelectric film 34. Second electrode 36 formed. The first barrier layer 12 is amorphous. More specifically, the ferroelectric capacitor 30 is provided on the first and second barrier layers 12 and 14.

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。このプラグ２０は、第２不純物領域１９の上に形成されている。プラグ２０は、開口部２４と、開口部２４内に設けられた導電層２２とを含む。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。 The ferroelectric capacitor 30 is provided on the plug 20 provided on the insulating layer 26. The plug 20 is formed on the second impurity region 19. The plug 20 includes an opening 24 and a conductive layer 22 provided in the opening 24. The conductive layer 22 is made of, for example, a refractory metal such as tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, or nickel, and is preferably made of tungsten.

第１バリア層１２は、少なくとも一部がプラグ２０上に設けられている。第１バリア層１２は、酸素バリア性を有する材料からなり、アモルファスであれば特に限定されないが、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮを挙げることができ、なかでも、チタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）であることがより好ましい。第１バリア層１２がＴｉＡｌＮからなる場合、第１バリア層１２におけるチタン，アルミニウム，窒素の組成（原子比）は、第１バリア層１２の組成をＴｉ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＮ_ｙの化学式で表すとき、０＜ｘ≦０．４であり、かつ、０＜ｙである。また、下層の結晶構造の影響を受けないためには、第１バリア層１２の膜厚は少なくとも２０ｎｍであることが好ましく、例えば、１００〜２００ｎｍであることがより好ましい。 The first barrier layer 12 is at least partially provided on the plug 20. The first barrier layer 12 is made of a material having an oxygen barrier property, and is not particularly limited as long as it is amorphous. More preferably (TiAlN). When the first barrier layer 12 is made of TiAlN, the composition (atomic ratio) of titanium, aluminum, and nitrogen in the first barrier layer 12 is the chemical formula of Ti _(1-x) Al _x N _y . In this case, 0 <x ≦ 0.4 and 0 <y. In order not to be affected by the crystal structure of the lower layer, the film thickness of the first barrier layer 12 is preferably at least 20 nm, and more preferably, for example, 100 to 200 nm.

第２バリア層１４は第１バリア層１２上に設けられており、第２バリア層１４上には第１電極３２が設けられている。第２バリア層１４は、酸素バリア性を有する材料からなり、結晶質であれば特に限定されないが、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮを挙げることができ、なかでも、チタンおよびアルミニウムからなる合金、またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であるのがより好ましい。また、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、第２バリア層１４の結晶配向性は（１１１）配向であることが好ましい。また、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、第２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、第２バリア層１４の組成をＴｉ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＮ_ｙの化学式で表すとき、０＜ｘ≦０．４であり、かつ、０＜ｙである。また、第１電極３２の配向性を制御するためには、第２バリア層１４の膜厚は少なくとも２０ｎｍであることが好ましく、例えば、１００〜２００ｎｍであることがより好ましい。 The second barrier layer 14 is provided on the first barrier layer 12, and the first electrode 32 is provided on the second barrier layer 14. The second barrier layer 14 is made of a material having an oxygen barrier property, and is not particularly limited as long as it is crystalline. More preferably, it is an alloy or a nitride of titanium and aluminum. Moreover, when the 2nd barrier layer 14 consists of TiAlN, it is preferable that the crystal orientation of the 2nd barrier layer 14 is (111) orientation. When the second barrier layer 14 is made of TiAlN, the composition (atomic ratio) of titanium, aluminum, and nitrogen in the second barrier layer 14 is the same as the composition of the second barrier layer 14 Ti _(1-x) Al _x N _y. In the chemical formula, 0 <x ≦ 0.4 and 0 <y. In order to control the orientation of the first electrode 32, the thickness of the second barrier layer 14 is preferably at least 20 nm, and more preferably, for example, 100 to 200 nm.

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３２ａの少なくとも一部が結晶質である場合、その結晶質における結晶配向が、第２バリア層１４の結晶配向と等しいことが好ましい。この場合、強誘電体膜３４の結晶配向を、第１電極３２ａの結晶質における結晶配向と等しいことが好ましい。例えば、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなり、第２バリア層１４の結晶配向が（１１１）配向である場合、第１電極３２の少なくとも一部が結晶性であり、その結晶配向が（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上に強誘電体膜３４を形成する際に、強誘電体膜３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易になる。 The first electrode 32 can be made of at least one metal selected from platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium, preferably made of platinum or iridium, and more preferably made of iridium. The first electrode 32 may be a single layer film or a laminated multilayer film. When at least a part of the first electrode 32 a is crystalline, it is preferable that the crystalline orientation in the crystalline is equal to the crystalline orientation of the second barrier layer 14. In this case, it is preferable that the crystal orientation of the ferroelectric film 34 is equal to the crystal orientation of the crystalline material of the first electrode 32a. For example, when the second barrier layer 14 is made of TiAlN and the crystal orientation of the second barrier layer 14 is (111) orientation, at least a part of the first electrode 32 is crystalline, and the crystal orientation is (111). The orientation is preferable. According to this configuration, when the ferroelectric film 34 is formed on the first electrode 32, the crystal orientation of the ferroelectric film 34 can be easily set to the (111) orientation.

強誘電体膜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。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。強誘電体膜１０２に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体膜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）が挙げられる。 The ferroelectric film 34 includes a ferroelectric material. This ferroelectric material has a perovskite crystal structure and can be represented by the general formula A _1-b B _1-a X _a O ₃ . A includes Pb. Here, a part of Pb can be replaced with La. B consists of at least one of Zr and Ti. X consists of at least one of V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Sr, and Mg. As the ferroelectric substance contained in the ferroelectric film 102, a known material that can be used as a ferroelectric film can be used. For example, (Pb (Zr, Ti) O ₃ ) (PZT), SrBi can be used. ₂ Ta ₂ O ₉ (SBT), (Bi, La) ₄ Ti ₃ O ₁₂ (BLT).

中でも、強誘電体膜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。 Among these, the material of the ferroelectric film 34 is preferably PZT. In this case, the first electrode 32 is more preferably iridium from the viewpoint of device reliability.

また、強誘電体膜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、強誘電体膜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、強誘電体膜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。 Further, when PZT is used as the ferroelectric film 34, it is more preferable that the content of titanium in the PZT is greater than the content of zirconium in order to obtain a larger amount of spontaneous polarization. PZT having such a composition belongs to a tetragonal crystal, and its spontaneous polarization axis is c-axis. However, since an a-axis orientation component orthogonal to the c-axis is present at the same time, when PZT is c-axis oriented, this a Since the axial alignment component does not contribute to polarization reversal, the ferroelectric characteristics may be impaired. On the other hand, by making the crystal orientation of PZT used for the ferroelectric film 34 the (111) orientation, the a-axis orientation component can contribute to the polarization inversion. Therefore, when the ferroelectric film 34 is made of PZT and the titanium content in the PZT is larger than the zirconium content, the crystal orientation of the PZT is preferably the (111) orientation in terms of good hysteresis characteristics. .

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。 The second electrode 36 can be made of the above-described materials exemplified as materials usable for the first electrode 32, or can be made of aluminum, silver, nickel, or the like. The second electrode 36 may be a single layer film or a laminated multilayer film. Preferably, the second electrode 36 is made of platinum or a laminated film of iridium oxide and iridium.

本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１電極３２が第１バリア層１２を介してプラグ２０上に設けられ、かつ、第１バリア層１２がアモルファスであることにより、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない第１電極３２を設けることができる。すなわち、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０は、プラグ２０上に設けられているが、第１電極３２には、下層（プラグ２０）の結晶構造が反映されていない。 According to the ferroelectric capacitor 30 of the present invention, the first electrode 32 is provided on the plug 20 via the first barrier layer 12 and the first barrier layer 12 is amorphous, so that the lower layer (plug 20 ), The first electrode 32 that does not reflect the crystal structure can be provided. That is, the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment is provided on the plug 20, but the first electrode 32 does not reflect the crystal structure of the lower layer (plug 20).

ここで、強誘電体キャパシタ３０の第１電極３２がプラグ２０の導電層２２上に直接配置されている場合を仮に想定する。この場合、導電層２２が、結晶性が高い材料からなる場合、導電層２０の結晶配向が第１電極３２の結晶配向に影響を及ぼすことがある。例えば、プラグ２０の導電層２２がタングステンからなる場合、タングステンは結晶性が高いため、このタングステンからなる導電層２２上に第１電極３２が直接設けられると、導電層２２の結晶構造が第１電極３２の結晶構造に影響を及ぼし、第１電極３２を所望の結晶構造にすることが困難となる。さらに、第１電極３２上には強誘電体膜３４が設けられているため、第１電極３２の結晶配向が、強誘電体膜３４の結晶配向に影響を及ぼすことがある。この場合、第１電極３２の結晶配向を反映した強誘電体膜３４の結晶配向により、望まない方向に分極が生じる結果、強誘電体キャパシタ３０のヒステリシス特性が低下することがある。 Here, it is assumed that the first electrode 32 of the ferroelectric capacitor 30 is directly disposed on the conductive layer 22 of the plug 20. In this case, when the conductive layer 22 is made of a material having high crystallinity, the crystal orientation of the conductive layer 20 may affect the crystal orientation of the first electrode 32. For example, when the conductive layer 22 of the plug 20 is made of tungsten, since tungsten has high crystallinity, when the first electrode 32 is directly provided on the conductive layer 22 made of tungsten, the crystal structure of the conductive layer 22 is the first. It affects the crystal structure of the electrode 32 and makes it difficult to make the first electrode 32 have a desired crystal structure. Further, since the ferroelectric film 34 is provided on the first electrode 32, the crystal orientation of the first electrode 32 may affect the crystal orientation of the ferroelectric film 34. In this case, as a result of polarization occurring in an undesired direction due to the crystal orientation of the ferroelectric film 34 reflecting the crystal orientation of the first electrode 32, the hysteresis characteristics of the ferroelectric capacitor 30 may deteriorate.

これに対して、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１バリア層１２がアモルファスであることにより、プラグ２０の導電層２２の結晶配向が、第１電極３２および強誘電体膜３４の結晶配向を反映するのを防止することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体キャパシタ３０を得ることができる。 On the other hand, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, since the first barrier layer 12 is amorphous, the crystal orientation of the conductive layer 22 of the plug 20 changes between the first electrode 32 and the ferroelectric material. Reflecting the crystal orientation of the film 34 can be prevented. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 having excellent hysteresis characteristics can be obtained.

なお、プラグ２０の断面積が同じである場合、強誘電体キャパシタ３０の平面面積が小さくなるほど、プラグ２０の断面積に対する強誘電体キャパシタ３０の平面面積の割合が小さくなるため、プラグ２０の導電層２２の結晶配向に起因して、第１電極３２から強誘電体膜３４に及ぼされる結晶配向の問題は深刻化する。したがって、本実施の強誘電体キャパシタ３０によれば、上述した理由により、より微細化された場合においても、ヒステリシス特性の低下を防止することができる点で有用である。 If the cross-sectional area of the plug 20 is the same, the smaller the plane area of the ferroelectric capacitor 30 is, the smaller the ratio of the plane area of the ferroelectric capacitor 30 to the cross-sectional area of the plug 20 is. Due to the crystal orientation of the layer 22, the problem of crystal orientation exerted from the first electrode 32 to the ferroelectric film 34 becomes serious. Therefore, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, it is useful in that it is possible to prevent a decrease in hysteresis characteristics even when it is further miniaturized for the reason described above.

また、本発明の強誘電体キャパシタ３０によれば、第１バリア層１２と第１電極３２との間に、結晶質の第２バリア層１４が設けられている。これにより、第２バリア層１４上に設けられる第１電極３２の結晶配向性を高めることができる。その結果、第１電極３２上に、結晶配向性に優れた強誘電体膜３４を設けることができるため、ヒステリシス特性に優れている。 Further, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present invention, the crystalline second barrier layer 14 is provided between the first barrier layer 12 and the first electrode 32. Thereby, the crystal orientation of the 1st electrode 32 provided on the 2nd barrier layer 14 can be improved. As a result, since the ferroelectric film 34 having excellent crystal orientation can be provided on the first electrode 32, the hysteresis characteristics are excellent.

特に、上述したように、強誘電体膜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。本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、アモルファスの第１バリア層１２がプラグ２０上に設けられていることにより、プラグ２０の導電層２２（タングステン）の結晶配向が上層に反映するのを防止することができる。さらに、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０によれば、結晶配向が（１１１）配向である第２バリア層１４が設けられていることにより、第１電極３２および強誘電体膜３４の結晶配向を（１１１）配向にすることが容易である。これにより、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０はヒステリシス特性に優れている。 In particular, as described above, when the ferroelectric film 34 is made of PZT and the content of titanium in the PZT is larger than the content of zirconium, the crystal orientation of the PZT is (111) oriented in that the hysteresis characteristics are good. Is preferred. According to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, since the amorphous first barrier layer 12 is provided on the plug 20, the crystal orientation of the conductive layer 22 (tungsten) of the plug 20 is reflected on the upper layer. Can be prevented. Furthermore, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, since the second barrier layer 14 having the (111) orientation is provided, the crystals of the first electrode 32 and the ferroelectric film 34 are provided. It is easy to make the orientation (111) orientation. Thereby, the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment is excellent in hysteresis characteristics.

さらに、本実施の強誘電体キャパシタ３０によれば、バリア層が第１および第２バリア層１２，１４の積層膜であることにより、耐酸化性を確保することができる。 Furthermore, according to the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, since the barrier layer is a laminated film of the first and second barrier layers 12 and 14, the oxidation resistance can be ensured.

２．強誘電体メモリ装置の製造方法
次に、図１に示す強誘電体メモリ装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ装置１００に含まれる強誘電体キャパシタ３０の一製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図２（ａ）〜（ｆ）においては、図１の強誘電体メモリ装置１００のうち、絶縁層２６およびプラグ２０近傍のみを示している。 2. Method for Manufacturing Ferroelectric Memory Device Next, a method for manufacturing the ferroelectric memory device 100 shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. 2A to 2F are cross-sectional views schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric capacitor 30 included in the ferroelectric memory device 100 shown in FIG. 2A to 2F show only the vicinity of the insulating layer 26 and the plug 20 in the ferroelectric memory device 100 of FIG.

まず、トランジスタ１８およびプラグ２０を形成する（図１参照）。より具体的には、半導体基板１０にトランジスタ１８を形成し、次いでトランジスタ１８上に絶縁層２６を積層する。次いで、絶縁層２６に開口部２４を形成し、この開口部２４に導電層２２を埋め込むことにより、プラグ２０を形成する。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る。 First, the transistor 18 and the plug 20 are formed (see FIG. 1). More specifically, the transistor 18 is formed on the semiconductor substrate 10, and then the insulating layer 26 is stacked over the transistor 18. Next, an opening 24 is formed in the insulating layer 26, and the conductive layer 22 is embedded in the opening 24, thereby forming the plug 20. The conductive layer 22 can be embedded using, for example, a CVD method or a sputtering method.

次に、強誘電体キャパシタ３０を形成する。本実施の形態にかかる強誘電体キャパシタ３０の製造方法は、（ａ）アモルファスである第１バリア層１２ａを形成する工程と、（ｂ）第１バリア層１２ａの上方に第１電極３２ａを形成する工程と、（ｃ）第１電極３２ａの上に強誘電体膜３４ａを形成する工程と、（ｄ）強誘電体膜３４ａの上に第２電極３６ａを形成する工程と、を含む。 Next, the ferroelectric capacitor 30 is formed. The manufacturing method of the ferroelectric capacitor 30 according to the present embodiment includes (a) a step of forming the amorphous first barrier layer 12a, and (b) forming the first electrode 32a above the first barrier layer 12a. (C) forming a ferroelectric film 34a on the first electrode 32a, and (d) forming a second electrode 36a on the ferroelectric film 34a.

まず、図２（ａ）に示すように、絶縁層２６およびプラグ２０上に第１バリア層１２ａを成膜する。第１バリア層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。 First, as shown in FIG. 2A, the first barrier layer 12 a is formed on the insulating layer 26 and the plug 20. A method for forming the first barrier layer 12a can be appropriately selected depending on the material, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method.

例えば、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第１バリア層１２ａを形成する場合、第１の窒素分圧を有する第１の雰囲気中で、スパッタリング法により第１バリア層１２ａを形成することができる。なお、ここで使用する雰囲気（第１〜第３の雰囲気）は例えば、窒素と不活性ガス（例えば、アルゴン）との混合物である。ここで、第１の窒素分圧は８％以上でかつ１２％未満であるのが好ましい。ここで、第１の窒素分圧は８％未満であると、窒化物を得ることができず、一方、１２％を超えると、結晶質の窒化物が生じてしまう。 For example, when the first barrier layer 12a made of nitride of titanium and aluminum is formed, the first barrier layer 12a can be formed by a sputtering method in a first atmosphere having a first nitrogen partial pressure. Note that the atmospheres (first to third atmospheres) used here are, for example, a mixture of nitrogen and an inert gas (for example, argon). Here, the first nitrogen partial pressure is preferably 8% or more and less than 12%. Here, if the first partial pressure of nitrogen is less than 8%, nitride cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 12%, crystalline nitride is generated.

なお、第１バリア層１２ａ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４００℃の間で適宜選択可能である。 In addition, the substrate temperature at the time of forming the first barrier layer 12a is not particularly limited, and can be appropriately selected between room temperature and 400 ° C., for example.

次に、図２（ｂ）に示すように、第１バリア層１２ａ上にシード層１４ｓを形成する。シード層１４ｓは第１バリア層１２ａの成膜方法として例示した方法にて形成することができ、なかでもスパッタリング法が好ましい。このシード層１４ｓは、結晶質の第２バリア層１４を形成するために設けられるものであり、結晶質（結晶の核）からなる。このシード層１４ｓとしては、結晶質であれば特に限定されないが、第２バリア層１４を構成する原子を含む材料であるのが好ましい。例えば、第２バリア層１４がＴｉＡｌＮからなる場合、シード層１４ｓはＴｉＡｌからなることができる。 Next, as shown in FIG. 2B, a seed layer 14s is formed on the first barrier layer 12a. The seed layer 14s can be formed by the method exemplified as the method for forming the first barrier layer 12a, and the sputtering method is particularly preferable. The seed layer 14s is provided to form the crystalline second barrier layer 14, and is made of a crystalline material (crystal nucleus). The seed layer 14 s is not particularly limited as long as it is crystalline, but is preferably a material containing atoms constituting the second barrier layer 14. For example, when the second barrier layer 14 is made of TiAlN, the seed layer 14s can be made of TiAl.

例えば、チタンおよびアルミニウムの合金からなるシード層１４ｓを形成する場合、前記第１の窒素分圧より小さい第２の窒素分圧を有する第２の雰囲気中で、スパッタリング法によりシード層１４ｓを形成することができる。ここで、第２の窒素分圧は８％未満であるのが好ましい。第２の窒素分圧が８％未満であることにより、チタンおよびアルミニウムの合金からなる結晶質のシード層１４ｓを得ることができる。 For example, when the seed layer 14s made of an alloy of titanium and aluminum is formed, the seed layer 14s is formed by a sputtering method in a second atmosphere having a second nitrogen partial pressure lower than the first nitrogen partial pressure. be able to. Here, the second nitrogen partial pressure is preferably less than 8%. When the second partial pressure of nitrogen is less than 8%, a crystalline seed layer 14s made of an alloy of titanium and aluminum can be obtained.

次いで、図２（ｃ）に示すように、シード層１４ｓの存在下で第２バリア層１４ａを形成する。第２バリア層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。 Next, as shown in FIG. 2C, the second barrier layer 14a is formed in the presence of the seed layer 14s. A method for forming the second barrier layer 14a can be appropriately selected according to the material, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method.

例えば、チタンおよびアルミニウムの窒化物からなる第２バリア層１４ａを形成する場合、前記第１の窒素分圧より大きい第３の窒素分圧を有する第３の雰囲気中で、スパッタリング法により第２バリア層１４ａを形成することができる。ここで、第３の窒素分圧は１２％以上でかつ２０％以下であるのが好ましい。第３の窒素分圧がこの範囲にあることにより、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮが得られる。第２バリア層１４ａが（１１１）配向を有することにより、第１電極３２の少なくとも一部において、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膜３４を（１１１）配向にすることができる。 For example, when the second barrier layer 14a made of titanium and aluminum nitride is formed, the second barrier layer is formed by sputtering in a third atmosphere having a third nitrogen partial pressure higher than the first nitrogen partial pressure. Layer 14a can be formed. Here, the third nitrogen partial pressure is preferably 12% or more and 20% or less. When the third partial pressure of nitrogen is within this range, TiAlN having a (111) orientation can be obtained. When the second barrier layer 14 a has the (111) orientation, the crystal orientation can be changed to the (111) orientation in at least a part of the first electrode 32. Thereby, the ferroelectric film 34 formed on the first electrode 32 can be (111) oriented.

上述したように、強誘電体膜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、第２バリア層１４ａの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、第１電極３２ａおよび強誘電体膜３４ａ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。 As described above, when the ferroelectric film 34 is made of PZT and the content of titanium in the PZT is larger than the content of zirconium, the crystal orientation of PZT is the (111) orientation in that the hysteresis characteristics are good. Is preferred. Therefore, by setting the crystal orientation of the second barrier layer 14a to the (111) orientation, both the first electrode 32a and the ferroelectric film 34a can be set to the (111) orientation. The capacitor 30 can be obtained.

一方、第３の窒素分圧が２０％を超えると、（２００）配向のＴｉＡｌＮが得られ、また、第３の窒素分圧が１２％以下であると、アモルファスのＴｉＡｌＮが得られ、第２バリア層１４ａの結晶配向を（１１１）配向にすることができないため、好ましくない。 On the other hand, when the third nitrogen partial pressure exceeds 20%, (200) -oriented TiAlN is obtained, and when the third nitrogen partial pressure is 12% or less, amorphous TiAlN is obtained. Since the crystal orientation of the barrier layer 14a cannot be (111) orientation, it is not preferable.

あるいは、例えば、チタンおよびアルミニウムからなる合金である第２バリア層１４ａを形成する場合、窒素分圧が８％未満である雰囲気中で、スパッタリング法により第２バリア層１４ａを形成することができる。 Alternatively, for example, when forming the second barrier layer 14a that is an alloy of titanium and aluminum, the second barrier layer 14a can be formed by a sputtering method in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of less than 8%.

なお、第２バリア層１４ａ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４００℃の間で適宜選択可能である。なお、第２バリア層１４ａと第１電極３２ａとの界面における結晶配向性を高めるために、第２バリア層１４ａ上にシード層（図示せず）を成膜してもよい。例えば、第２バリア層１４ａがＴｉＡｌＮからなる場合、ＴｉまたはＴｉＮからなる層をシード層（図示せず）として成膜してもよい。 In addition, the substrate temperature at the time of forming the second barrier layer 14a is not particularly limited, and can be appropriately selected between room temperature and 400 ° C., for example. A seed layer (not shown) may be formed on the second barrier layer 14a in order to improve the crystal orientation at the interface between the second barrier layer 14a and the first electrode 32a. For example, when the second barrier layer 14a is made of TiAlN, a layer made of Ti or TiN may be formed as a seed layer (not shown).

次いで、図２（ｄ）に示すように、第２バリア層１４ａ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バリア層１４ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶性が著しく向上し、かつ、第２バリア層１４ａの結晶配向性を第１電極３２ａに反映させることができる。例えば、第２バリア層１４ａの結晶配向が（１１１）配向である場合、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。 Next, as shown in FIG. 2D, the first electrode 32a is formed on the second barrier layer 14a. Here, by forming the first electrode 32a on the crystalline second barrier layer 14a, the crystallinity of the first electrode 32a is remarkably improved and the crystal orientation of the second barrier layer 14a is improved. 32a can be reflected. For example, when the crystal orientation of the second barrier layer 14a is the (111) orientation, at least a part of the first electrode 32a can be formed in a crystalline material having the (111) orientation.

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、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。 A method for forming the first electrode 32a can be selected as appropriate according to the material of the first electrode 32a, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method.

次いで、図２（ｅ）に示すように、第１電極３２ａ上に強誘電体膜３４ａを形成する。ここで、強誘電体膜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膜３４ａに反映させることができる。例えば、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場合、第２バリア層１４ａの結晶配向を（１１１）配向に形成することができる。 Next, as shown in FIG. 2E, a ferroelectric film 34a is formed on the first electrode 32a. Here, by forming the ferroelectric film 34a on the first electrode 32a, the crystal orientation of the first electrode 32a can be reflected in the ferroelectric film 34a. For example, when at least a part of the first electrode 32a is crystalline having (111) orientation, the crystal orientation of the second barrier layer 14a can be formed in (111) orientation.

強誘電体膜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、スピンオン法，スパッタリング法，ＭＯＣＶＤ法が挙げられる。 A method of forming the ferroelectric film 34a can be selected as appropriate according to the material, and examples thereof include a spin-on method, a sputtering method, and an MOCVD method.

次いで、図２（ｆ）に示すように、強誘電体膜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１および第２バリア層１２，１４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膜３４と、強誘電体膜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）。 Next, as shown in FIG. 2F, a second electrode 36a is formed on the ferroelectric film 34a. A method for forming the second electrode 36a can be appropriately selected according to the material of the second electrode 36a, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method. Thereafter, a resist layer R1 having a predetermined pattern is formed on the second electrode 36a, and patterning is performed by photolithography using the resist layer R1 as a mask. Thus, the first electrode 32 provided on the first and second barrier layers 12, 14, the ferroelectric film 34 provided on the first electrode 32, and the ferroelectric film 34 are provided. A stacked ferroelectric capacitor 30 having the second electrode 36 is obtained (see FIG. 1).

以上説明したように、本実施の形態の強誘電体キャパシタ３０の製造方法によれば、アモルファスである第１バリア層１２ａの上方に第１電極３２ａを形成することにより、下層の結晶構造が反映されていない第１電極３２ａを簡便な方法にて形成することができる。また、第１のバリア層１２ａ上に、結晶質の第２のバリア層１４ａを形成する工程をさらに含むことができる。 As described above, according to the method for manufacturing the ferroelectric capacitor 30 of the present embodiment, the lower electrode crystal structure is reflected by forming the first electrode 32a above the amorphous first barrier layer 12a. The first electrode 32a that is not formed can be formed by a simple method. Further, the method may further include a step of forming a crystalline second barrier layer 14a on the first barrier layer 12a.

３．実施例
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 3. Examples Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

３．１．実施例１
本実施例においては、図１および図２（ａ）に示す工程にしたがって、トランジスタ１８、絶縁層２６、およびプラグ２０を形成したうえで、プラグ２０上へのバリア層（「バリア層Ａ」とする）の成膜に最適な窒素分圧を検討した。 3.1. Example 1
In this embodiment, the transistor 18, the insulating layer 26, and the plug 20 are formed according to the steps shown in FIGS. 1 and 2A, and then the barrier layer (“barrier layer A”) on the plug 20 is formed. The optimum nitrogen partial pressure for the film formation was investigated.

まず、半導体基板（シリコン基板）１０にトランジスタ１８を形成し、次いでトランジスタ１８上に絶縁層２６を積層した。次いで、絶縁層２６に開口部２４を形成し、この開口部２４にＣＶＤ法によりタングステンを充填した後、化学的機械的研磨により、絶縁層２６の表面より上方のタングステンを研磨することにより、導電層２２を形成した。以上の工程により、プラグ２０を形成した（図１参照）。 First, the transistor 18 was formed on the semiconductor substrate (silicon substrate) 10, and then the insulating layer 26 was stacked on the transistor 18. Next, an opening 24 is formed in the insulating layer 26, and the opening 24 is filled with tungsten by a CVD method, and then the tungsten above the surface of the insulating layer 26 is polished by chemical mechanical polishing, thereby providing a conductive layer. Layer 22 was formed. The plug 20 was formed by the above process (see FIG. 1).

次に、絶縁層２６およびプラグ２０上に、スパッタリング法により、チタンおよびアルミニウムを含むバリア層Ａを成膜した。この成膜工程においては、アルゴンおよび窒素の混合ガスを雰囲気として用い、ターゲットとしてチタンおよびアルミニウムを選択し、かつ、窒素分圧を変えて、バリア層Ａの成膜を行なった。ここで、窒素分圧以外の条件は同じにした。窒素分圧以外の条件は、雰囲気の流量が５０［ｓｃｃｍ］であり，成膜パワーが１．０［ｋＷ］であり，基板温度が４００［℃］であった。 Next, a barrier layer A containing titanium and aluminum was formed on the insulating layer 26 and the plug 20 by sputtering. In this film forming step, the barrier layer A was formed by using a mixed gas of argon and nitrogen as an atmosphere, selecting titanium and aluminum as targets, and changing the nitrogen partial pressure. Here, conditions other than the nitrogen partial pressure were the same. The conditions other than the nitrogen partial pressure were an atmospheric flow rate of 50 [sccm], a deposition power of 1.0 [kW], and a substrate temperature of 400 [° C.].

各窒素分圧で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンを、図３（ａ）〜図３（ｆ）および図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す。図３（ａ）〜図３（ｆ）および図４（ａ）〜図４（ｃ）はそれぞれ、窒素分圧が０％，６％，８％，１０％，１２％，１４％，１６％，２０％，４０％の雰囲気中で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤパターンである。なお、図３（ａ）〜図３（ｆ）および図４（ａ）〜図４（ｃ）において、２θ＝３３°付近に観測されるピークは基板１０のＳｉである。 The XRD (X-ray diffraction) patterns of the barrier layer A formed at each nitrogen partial pressure are shown in FIGS. 3 (a) to 3 (f) and FIGS. 4 (a) to 4 (c). 3 (a) to 3 (f) and FIGS. 4 (a) to 4 (c), the nitrogen partial pressures are 0%, 6%, 8%, 10%, 12%, 14%, and 16%, respectively. , 20% and 40% of the XRD pattern of the barrier layer A formed in an atmosphere. In FIGS. 3A to 3F and FIGS. 4A to 4C, the peak observed in the vicinity of 2θ = 33 ° is Si of the substrate 10.

図３（ａ）および図３（ｂ）によれば、窒素分圧が６％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、２θ＝３７°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶質のＴｉＡｌであると推測される。また、図３（ｃ）〜図３（ｅ）によれば、窒素分圧が８％，１０％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、Ｓｉ以外のピークは観測されなかった。よって、窒素分圧８％，１０％の雰囲気中で形成されたバリア層Ａは、アモルファスのＴｉＡｌＮであると推測される。 According to FIG. 3A and FIG. 3B, a new peak was observed around 2θ = 37 ° in the barrier layer A formed in an atmosphere with a nitrogen partial pressure of 6%. This peak is presumed to be crystalline TiAl having a (111) orientation. Further, according to FIGS. 3C to 3E, no peak other than Si was observed in the barrier layer A formed in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 8% and 10%. Therefore, it is estimated that the barrier layer A formed in an atmosphere with a nitrogen partial pressure of 8% and 10% is amorphous TiAlN.

さらに、図３（ｅ），図３（ｆ），図４（ａ），および図４（ｂ）によれば、窒素分圧が１２％，１４％，１６％，２０％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、２θ＝３７．４°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶質のＴｉＡｌＮであると推測される。 Further, according to FIGS. 3 (e), 3 (f), 4 (a), and 4 (b), the nitrogen partial pressure is 12%, 14%, 16%, and 20%. In the formed barrier layer A, a new peak was observed around 2θ = 37.4 °. This peak is presumed to be crystalline TiAlN having a (111) orientation.

なお、図４（ｃ）によれば、窒素分圧が４０％の雰囲気中で成膜されたバリア層Ａでは、２θ＝３７．４°付近のピークとともに、２θ＝４３．５°付近に新たなピークが観測された。このピークは、（２００）配向を有する結晶質のＴｉＡｌＮであると推測される。 Note that, according to FIG. 4C, in the barrier layer A formed in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 40%, a new peak appears at 2θ = 43.5 °, along with a peak near 2θ = 37.4 °. A strong peak was observed. This peak is presumed to be crystalline TiAlN having a (200) orientation.

以上の結果から、雰囲気中の窒素分圧が８％未満である場合、ＴｉＡｌからなる結晶質層を形成でき、雰囲気中の窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満である場合、ＴｉＡｌＮからなるアモルファス層を形成でき、雰囲気中の窒素分圧が１２％以上でかつ２０％以下である場合、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層を形成でき、雰囲気中の窒素分圧が２０％を超える場合、（２００）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層が形成されることが明らかになった。特に、雰囲気中の窒素分圧が１６％の場合において、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層の結晶配向性が最も良好であることが明らかになった。 From the above results, when the nitrogen partial pressure in the atmosphere is less than 8%, a crystalline layer made of TiAl can be formed, and when the nitrogen partial pressure in the atmosphere is 8% or more and less than 12%, When the nitrogen partial pressure in the atmosphere is 12% or more and 20% or less, a crystalline layer made of TiAlN having (111) orientation can be formed, and the nitrogen partial pressure in the atmosphere is 20%. It has been clarified that a crystalline layer made of TiAlN having a (200) orientation is formed when the content exceeds 100%. In particular, when the nitrogen partial pressure in the atmosphere was 16%, it was revealed that the crystalline orientation of the crystalline layer made of TiAlN having (111) orientation was the best.

ＴｉＡｌからなる結晶質層は図２（ｂ）のシード層１４ｓに適しており、ＴｉＡｌＮからなるアモルファス層は図２（ａ）の第１バリア層１２ａに適しており、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質層は図２（ｃ）の第２バリア層１４ａに適していると推測される。 A crystalline layer made of TiAl is suitable for the seed layer 14s of FIG. 2B, and an amorphous layer made of TiAlN is suitable for the first barrier layer 12a of FIG. 2A, and TiAlN having a (111) orientation. It is estimated that the crystalline layer made of is suitable for the second barrier layer 14a of FIG.

したがって、アモルファスの第１バリア層１２ａ（図２（ａ）参照）を形成するためには、雰囲気中の窒素分圧を８％以上でかつ１２％未満にするのが好ましいことが確認された（図３（ｃ）〜図３（ｅ）参照）。また、雰囲気中の窒素分圧を８％未満にすることにより、ＴｉＡｌからなる結晶質層が得られたことから、ＴｉＡｌからなるシード層１４ｓ（図２（ｂ）参照）を形成するには、雰囲気中の窒素分圧を８％未満にするのが好ましいことが確認された（図３（ａ）〜図３（ｃ）参照）。さらに、（１１１）配向を有するＴｉＡｌＮからなる結晶質の第２バリア層１４を形成するためには、雰囲気中の窒素分圧を１２％以上でかつ２０％以下にするのが好ましいことが確認された（図３（ｅ），図３（ｆ），図４（ａ），および図４（ｂ）参照）。 Therefore, in order to form the amorphous first barrier layer 12a (see FIG. 2A), it was confirmed that the nitrogen partial pressure in the atmosphere is preferably 8% or more and less than 12% ( (Refer FIG.3 (c)-FIG.3 (e)). Further, since the crystalline layer made of TiAl was obtained by making the nitrogen partial pressure in the atmosphere less than 8%, in order to form the seed layer 14s made of TiAl (see FIG. 2B), It was confirmed that the nitrogen partial pressure in the atmosphere is preferably less than 8% (see FIGS. 3A to 3C). Furthermore, in order to form the crystalline second barrier layer 14 made of TiAlN having (111) orientation, it has been confirmed that the nitrogen partial pressure in the atmosphere is preferably 12% or more and 20% or less. (See FIG. 3 (e), FIG. 3 (f), FIG. 4 (a), and FIG. 4 (b)).

また、窒素分圧が８％以上でかつ１２％未満の場合に得られたバリア層Ａ（図３（ｃ）および図３（ｄ）参照）は、下層のプラグ２０を構成する導電層２２（タングステン）の結晶構造に依存せず、アモルファスであったことから、アモルファスの第１バリア層１２ａをプラグ２０上に成膜することにより、第１バリア層１２ａ上に形成される強誘電体キャパシタ３０の結晶配向に影響を与えないようにすることができると推測される。 Further, the barrier layer A (see FIG. 3C and FIG. 3D) obtained when the nitrogen partial pressure is 8% or more and less than 12% is the conductive layer 22 (see FIG. 3C and FIG. 3D). The ferroelectric capacitor 30 formed on the first barrier layer 12a is formed by forming the amorphous first barrier layer 12a on the plug 20 because it is amorphous without depending on the crystal structure of tungsten. It is presumed that the crystal orientation can be prevented from being affected.

さらに、以上の結果から、雰囲気中の窒素分圧を変えることにより、シード層１４ｓ、第１プラグ層１２ａ，および第２プラグ層１４ａの作り分けが可能であることが理解できる。 Furthermore, it can be understood from the above results that the seed layer 14s, the first plug layer 12a, and the second plug layer 14a can be separately formed by changing the nitrogen partial pressure in the atmosphere.

３．２．実施例２
本実施例においては、実施例１において、窒素分圧を１６％に固定して、成膜時の基板温度を変えてバリア層Ａを成膜した。窒素分圧および基板温度以外の条件は、実施例１と同様にした。 3.2. Example 2
In this example, the barrier layer A was formed by changing the substrate temperature during film formation while fixing the nitrogen partial pressure at 16% in Example 1. Conditions other than the nitrogen partial pressure and the substrate temperature were the same as in Example 1.

各基板温度で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンを、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）はそれぞれ、基板温度が室温，１５０℃，４００℃で成膜されたバリア層ＡのＸＲＤパターンである。 FIGS. 5A to 5C show XRD (X-ray diffraction) patterns of the barrier layer A formed at each substrate temperature. FIGS. 5A to 5C are XRD patterns of the barrier layer A formed at substrate temperatures of room temperature, 150 ° C., and 400 ° C., respectively.

図５（ａ）〜図５（ｃ）によれば、異なる基板温度においても、得られたバリア層Ａでは、２θ＝３７°付近にピークが観測された。このピークは、（１１１）配向を有する結晶質のＴｉＡｌであると推測される。 According to FIGS. 5A to 5C, a peak was observed in the vicinity of 2θ = 37 ° in the obtained barrier layer A even at different substrate temperatures. This peak is presumed to be crystalline TiAl having a (111) orientation.

以上の結果より、基板温度が室温，１５０℃，および４００℃である場合のいずれにおいても、（１１１）配向を有するＴｉＡｌからなる結晶質層が得られたことから、バリア層Ａの組成は基板温度に依存して変化しないことが確認された。 From the above results, since the crystalline layer made of TiAl having (111) orientation was obtained in any of the cases where the substrate temperature was room temperature, 150 ° C., and 400 ° C., the composition of the barrier layer A was the substrate It was confirmed that it did not change depending on the temperature.

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。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail. However, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. . Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

例えば、本実施の形態の強誘電体キャパシタ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。 For example, the ferroelectric capacitor and the manufacturing method thereof according to the present embodiment can be applied to a capacitor included in a piezoelectric element or the like, for example.

本発明の一実施の形態の強誘電体メモリ装置を模式的に示す断面図。1 is a cross-sectional view schematically showing a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention. （ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ装置に含まれる強誘電体キャパシタの一製造工程を模式的に示す断面図。(A)-(f) is sectional drawing which shows typically one manufacturing process of the ferroelectric capacitor contained in the ferroelectric memory device shown by FIG. （ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、実施例１において、異なる窒素分圧にて成膜されたバリア層のＸＲＤパターンを示す。(A)-(f) shows the XRD pattern of the barrier layer formed into a film in Example 1 by different nitrogen partial pressure, respectively. （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、実施例１において、異なる窒素分圧にて成膜されたバリア層のＸＲＤパターンを示す。(A)-(c) shows the XRD pattern of the barrier layer formed into a film in Example 1 by different nitrogen partial pressure, respectively. （ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、実施例２において、異なる基板温度にて成膜されたバリア層のＸＲＤパターンを示す。(A)-(f) each shows the XRD pattern of the barrier layer formed into a film in Example 2 at different substrate temperature.

Explanation of symbols

１０半導体基板、１１ゲート絶縁層、１２，１２ａ第１バリア層、１３ゲート導電層、１４，１４ａ第２バリア層、１４ｓシード層、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、２２導電層、２４開口部、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強誘電体メモリ装置、Ｒ１レジスト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate, 11 Gate insulating layer, 12, 12a 1st barrier layer, 13 Gate conductive layer, 14, 14a 2nd barrier layer, 14s seed layer, 15 Side wall insulating layer, 16 Element isolation region, 17 1st impurity region , 18 transistor, 19 second impurity region, 20 plug, 22 conductive layer, 24 opening, 26 insulating layer, 30 ferroelectric capacitor, 32, 32a first electrode, 34, 34a ferroelectric film, 36, 36a first 2 electrodes, 100 ferroelectric memory device, R1 resist layer

Claims

An amorphous first barrier layer made of titanium and aluminum nitride ;
A crystalline second barrier layer provided on the first barrier layer and having a (111) orientation and made of an alloy of titanium and aluminum;
A first electrode having a (111) orientation provided on the second barrier layer ;
A ferroelectric film having a (111) orientation provided on the first electrode;
The second electrode and the including provided on the ferroelectric film, a ferroelectric capacitor.

An amorphous first barrier layer made of titanium and aluminum nitride ;
A crystalline second barrier layer provided on the first barrier layer and having a (111) orientation and made of a nitride of titanium and aluminum;
A first electrode having a (111) orientation provided on the second barrier layer ;
A ferroelectric film having a (111) orientation provided on the first electrode;
The second electrode and the including provided on the ferroelectric film, a ferroelectric capacitor.

In claim 1 or 2 ,
A ferroelectric capacitor provided on the plug.

(A) forming an amorphous first barrier layer made of a nitride of titanium and aluminum by a sputtering method in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 8% or more and less than 12% ;
(B) A crystalline second barrier layer having a (111) orientation and made of an alloy of titanium and aluminum is formed on the first barrier layer by sputtering in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of less than 8%. Forming the step,
( C ) forming a first electrode having a (111) orientation on the second barrier layer;
( D ) forming a ferroelectric film having a (111) orientation on the first electrode;
( E ) forming a second electrode on the ferroelectric film;
A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, comprising:

(A) forming an amorphous first barrier layer made of a nitride of titanium and aluminum by a sputtering method in an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 8% or more and less than 12% ;
(B) A seed layer made of an alloy of titanium and aluminum is formed on the first barrier layer in an atmosphere where the nitrogen partial pressure is less than 8%, and then the nitrogen partial pressure is 12% or more and 20% or less. Forming a second barrier layer having a (111) orientation and a nitride of titanium and aluminum on the first barrier layer by sputtering in the presence of the seed layer,
( C ) forming a first electrode having a (111) orientation on the second barrier layer;
( D ) forming a ferroelectric film having a (111) orientation on the first electrode;
( E ) forming a second electrode on the ferroelectric film;
A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, comprising:

In claim 4 or 5 ,
In the method (a), the first barrier layer is formed on a plug.

A switching transistor;
Said plug said is switching transistor electrically connected,
The ferroelectric capacitor according to claim 3 provided on the plug;
Including a ferroelectric memory device.