JPH09252094A - 薄膜キャパシタ及び半導体装置 - Google Patents
薄膜キャパシタ及び半導体装置Info
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- JPH09252094A JPH09252094A JP8060616A JP6061696A JPH09252094A JP H09252094 A JPH09252094 A JP H09252094A JP 8060616 A JP8060616 A JP 8060616A JP 6061696 A JP6061696 A JP 6061696A JP H09252094 A JPH09252094 A JP H09252094A
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Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 誘電体層形成時におけるバリア層の酸化を抑
制し、かつエピタキシャル構造を保ったバリア層を形成
する。 【解決手段】 基板上に、バリア層とその上に形成され
た下部電極およびペロブスカイト型結晶構造を有する誘
電体材料からなる誘電体膜と、その誘電体膜の上に形成
された上部電極からなる薄膜キャパシタにおいて、前記
バリア層が少なくとも１種類の元素Ｍ（Ｍ：Ａｌ、Ｖ、
Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ）を含む（Ｔｉ1-x Ｍx）Ｎエピタキ
シャル層からなる。
制し、かつエピタキシャル構造を保ったバリア層を形成
する。 【解決手段】 基板上に、バリア層とその上に形成され
た下部電極およびペロブスカイト型結晶構造を有する誘
電体材料からなる誘電体膜と、その誘電体膜の上に形成
された上部電極からなる薄膜キャパシタにおいて、前記
バリア層が少なくとも１種類の元素Ｍ（Ｍ：Ａｌ、Ｖ、
Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ）を含む（Ｔｉ1-x Ｍx）Ｎエピタキ
シャル層からなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜キャパシタ及
び半導体装置に係り、特にエピタキシャル強誘電体薄膜
を用いた半導体記憶装置の下地バリア層に関する。
び半導体装置に係り、特にエピタキシャル強誘電体薄膜
を用いた半導体記憶装置の下地バリア層に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、記憶媒体として強誘電体薄膜を用
いた記憶装置（強誘電体メモリ）の開発が盛んに行われ
ており、一部実用化もされている。強誘電体メモリは不
揮発性であり、電源を落とした後も記憶容量が失われな
い、しかも膜厚が十分薄い場合には自発分極の反転が速
く、ＤＲＡＭ並みの高速の書き込み、読みだしが可能で
あるなどの特徴を持つ。また、１ビットのメモリセルを
一つのトランジスタと強誘電体キャパシタで作製するこ
とができるため、大容量化にも適している。
いた記憶装置（強誘電体メモリ）の開発が盛んに行われ
ており、一部実用化もされている。強誘電体メモリは不
揮発性であり、電源を落とした後も記憶容量が失われな
い、しかも膜厚が十分薄い場合には自発分極の反転が速
く、ＤＲＡＭ並みの高速の書き込み、読みだしが可能で
あるなどの特徴を持つ。また、１ビットのメモリセルを
一つのトランジスタと強誘電体キャパシタで作製するこ
とができるため、大容量化にも適している。
【０００３】強誘電体メモリに適した強誘電体薄膜に
は、残留分極が大きいこと、残留分極の温度依存性
が小さいこと、残留分極の長時間保持が可能であるこ
と、分極反転の繰り返しに対する残留分極の劣化が少
ないことなどが必要である。
は、残留分極が大きいこと、残留分極の温度依存性
が小さいこと、残留分極の長時間保持が可能であるこ
と、分極反転の繰り返しに対する残留分極の劣化が少
ないことなどが必要である。
【０００４】現在、強誘電体材料としては、主としてジ
ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられているが、キ
ュリー温度の高さ（３００℃以上）や、自発分極の大き
さにもかかわらず、主成分であるＰｂの拡散および蒸発
が比較的低い温度で起こりやすい（５００℃）などの点
より、微細化には対応できないと言われている。
ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられているが、キ
ュリー温度の高さ（３００℃以上）や、自発分極の大き
さにもかかわらず、主成分であるＰｂの拡散および蒸発
が比較的低い温度で起こりやすい（５００℃）などの点
より、微細化には対応できないと言われている。
【０００５】これに対して本発明者らは、Ｐｔ／ＭｇＯ
上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜を用いること
により、本来キュリー温度が１２０℃程度のチタン酸バ
リウム（以下ＢａＴｉＯ3 と略）が、膜厚６０ｎｍにお
いて２００℃以上のキュリー温度を持つこととを見出し
た。ＢａＴｉＯ3 は残留分極が小さく、しかも残留分極
の温度依存性が大きいことで実用メモリへの適用は困難
であるとされていたが、このエピタキシャルによる効果
でキュリー温度を高くすることができると強誘電体メモ
リの記憶媒体として使用できる可能性がある。さらに、
下部電極としてＰｔを使用し、強誘電体としてチタン酸
バリウムストロンチウム（Ｂａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 以下
ＢＳＴＯと呼ぶ）の組成領域ｘ＝０．３〜０．９を用い
る事により、本来強誘電性を示さないはずの組成領域に
おいても（ｘ≦０．７）強誘電性が発現することが、実
験的に確認されている。この報告によると膜厚２００ｎ
ｍ程度の比較的厚い膜厚でもエピタキシャル成長による
歪み誘起強誘電性が確認された。これにより、残留分極
の比較的大きい膜厚領域での強誘電性が確認され、実用
化が期待される。
上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜を用いること
により、本来キュリー温度が１２０℃程度のチタン酸バ
リウム（以下ＢａＴｉＯ3 と略）が、膜厚６０ｎｍにお
いて２００℃以上のキュリー温度を持つこととを見出し
た。ＢａＴｉＯ3 は残留分極が小さく、しかも残留分極
の温度依存性が大きいことで実用メモリへの適用は困難
であるとされていたが、このエピタキシャルによる効果
でキュリー温度を高くすることができると強誘電体メモ
リの記憶媒体として使用できる可能性がある。さらに、
下部電極としてＰｔを使用し、強誘電体としてチタン酸
バリウムストロンチウム（Ｂａx Ｓｒ1-x ＴｉＯ3 以下
ＢＳＴＯと呼ぶ）の組成領域ｘ＝０．３〜０．９を用い
る事により、本来強誘電性を示さないはずの組成領域に
おいても（ｘ≦０．７）強誘電性が発現することが、実
験的に確認されている。この報告によると膜厚２００ｎ
ｍ程度の比較的厚い膜厚でもエピタキシャル成長による
歪み誘起強誘電性が確認された。これにより、残留分極
の比較的大きい膜厚領域での強誘電性が確認され、実用
化が期待される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、実際にスイッ
チ用トランジスタを形成した半導体基板とペロブスカイ
ト系強誘電体からなるメモリセルを組み合わせる場合に
は、高誘電率薄膜を構成するＳｒ、Ｂａなどの元素がト
ランジスタ中に拡散するとスイッチング動作に悪影響を
及ぼすため、半導体基板との相互拡散を防ぐバリア層が
必要となる。また、前記エピタキシャル効果を得るため
には、このバリア層も半導体基板上にエピタキシャル成
長させる必要がある。しかし、ＭｇＯ基板をシリコンデ
バイス中に取り込むことは著しく困難である。
チ用トランジスタを形成した半導体基板とペロブスカイ
ト系強誘電体からなるメモリセルを組み合わせる場合に
は、高誘電率薄膜を構成するＳｒ、Ｂａなどの元素がト
ランジスタ中に拡散するとスイッチング動作に悪影響を
及ぼすため、半導体基板との相互拡散を防ぐバリア層が
必要となる。また、前記エピタキシャル効果を得るため
には、このバリア層も半導体基板上にエピタキシャル成
長させる必要がある。しかし、ＭｇＯ基板をシリコンデ
バイス中に取り込むことは著しく困難である。
【０００７】バリア層として窒化チタン（以下ＴｉＮ）
を用いることが考えられる。ＴｉＮはＭｇＯと格子定数
が近く（ミスフィット０．３％）、また現在のＳｉデバ
イスにおいてもバリアメタルとして利用されている。ま
た、高融点の化合物（３０００℃以上）であるため、熱
的にも非常に強い。また、比抵抗が多結晶で約５０μΩ
・ｃｍ程度、エピタキシャル膜で１８μΩ・ｃｍ程度と
非常に低く膜厚方向での電気特性を利用しようとする場
合、コンタクト抵抗が下げられるという利点が考えられ
る。
を用いることが考えられる。ＴｉＮはＭｇＯと格子定数
が近く（ミスフィット０．３％）、また現在のＳｉデバ
イスにおいてもバリアメタルとして利用されている。ま
た、高融点の化合物（３０００℃以上）であるため、熱
的にも非常に強い。また、比抵抗が多結晶で約５０μΩ
・ｃｍ程度、エピタキシャル膜で１８μΩ・ｃｍ程度と
非常に低く膜厚方向での電気特性を利用しようとする場
合、コンタクト抵抗が下げられるという利点が考えられ
る。
【０００８】しかしながら、ＴｉＮは（１００）または
（１１１）Ｓｉ基板とのミスマッチが約３０％程度と非
常に大きく、従来のスパッタリング法などによる方法で
はエピタキシャル成長させることは困難と考えられてい
た。
（１１１）Ｓｉ基板とのミスマッチが約３０％程度と非
常に大きく、従来のスパッタリング法などによる方法で
はエピタキシャル成長させることは困難と考えられてい
た。
【０００９】しかし、近年Ｊ．Ｎａｒａｙａｎ ｅｔ
ａｌ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ ｌｅｔｔ ６１（１１）
（１９９２）１２９０、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７５
（２）（１９９４）８６０にレーザー蒸着法を用いてＴ
ｉＮのＳｉ（１００）または（１１１）基板上へのエピ
タキシャル成長が報告されている。また、発明者らも、
反応性イオンビーム成膜法を用いてＴｉＮのＳｉ（１０
０）または（１１１）基板上へのエピタキシャル成長を
成功させた。さらに、我々はこのＴｉＮ（１００）／／
Ｓｉ（１００）エピタキシャル膜上で、基板温度６００
℃におけるｒｆスパッタリング法によりＰｔおよびＢＳ
ＴＯがエピタキシャル成長することを見出した。
ａｌ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ ｌｅｔｔ ６１（１１）
（１９９２）１２９０、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７５
（２）（１９９４）８６０にレーザー蒸着法を用いてＴ
ｉＮのＳｉ（１００）または（１１１）基板上へのエピ
タキシャル成長が報告されている。また、発明者らも、
反応性イオンビーム成膜法を用いてＴｉＮのＳｉ（１０
０）または（１１１）基板上へのエピタキシャル成長を
成功させた。さらに、我々はこのＴｉＮ（１００）／／
Ｓｉ（１００）エピタキシャル膜上で、基板温度６００
℃におけるｒｆスパッタリング法によりＰｔおよびＢＳ
ＴＯがエピタキシャル成長することを見出した。
【００１０】しかしながら、このＳｉ基板上ＢＳＴＯ
（Ｂａ：Ｓｒ＝１：１）エピタキシャル膜について薄膜
キャパシタの分極対電界（Ｐ−Ｅ）ヒステリシスを測定
したところ、このヒステリシス曲線より求めた残留分極
の値は０．０１Ｃ／ｍ2 と非常に小さい値しか得られな
かった。これは、すなわち、本来格子定数のミスマッチ
により導入されるべき歪みが酸素欠損により緩和されて
しまうことによると考えられる。このときのスパッタガ
ス組成はＯ2 ／Ａｒ比が２５％で成膜を行なっている。
事実、ＭｇＯ基板上のＰｔ／ＢＳＴＯ膜においてはスパ
ッタガス組成をＯ2 １００％とすると残留分極の値がＯ
2 ／Ａｒ比２５％の場合と比較し、約３倍になってい
る。
（Ｂａ：Ｓｒ＝１：１）エピタキシャル膜について薄膜
キャパシタの分極対電界（Ｐ−Ｅ）ヒステリシスを測定
したところ、このヒステリシス曲線より求めた残留分極
の値は０．０１Ｃ／ｍ2 と非常に小さい値しか得られな
かった。これは、すなわち、本来格子定数のミスマッチ
により導入されるべき歪みが酸素欠損により緩和されて
しまうことによると考えられる。このときのスパッタガ
ス組成はＯ2 ／Ａｒ比が２５％で成膜を行なっている。
事実、ＭｇＯ基板上のＰｔ／ＢＳＴＯ膜においてはスパ
ッタガス組成をＯ2 １００％とすると残留分極の値がＯ
2 ／Ａｒ比２５％の場合と比較し、約３倍になってい
る。
【００１１】しかし、Ｏ2 １００％のスパッタガス組成
を用い、ＴｉＮ（１００）／／Ｓｉ（１００）エピタキ
シャル膜上で、基板温度６００℃におけるｒｆスパッタ
リング法によりＰｔおよびＢＳＴＯの成膜を行なうと、
ＴｉＮの部分より酸化され、その上のＰｔ／ＢＳＴＯ双
方ともエピタキシャル成長はせず、多結晶膜となってし
まうという問題があった。
を用い、ＴｉＮ（１００）／／Ｓｉ（１００）エピタキ
シャル膜上で、基板温度６００℃におけるｒｆスパッタ
リング法によりＰｔおよびＢＳＴＯの成膜を行なうと、
ＴｉＮの部分より酸化され、その上のＰｔ／ＢＳＴＯ双
方ともエピタキシャル成長はせず、多結晶膜となってし
まうという問題があった。
【００１２】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、酸素欠損の少ないペロブスカイト誘電体層をエピタ
キシャル成長できる薄膜キャパシタ構造を提供すること
を目的とする。
で、酸素欠損の少ないペロブスカイト誘電体層をエピタ
キシャル成長できる薄膜キャパシタ構造を提供すること
を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、単結晶基板
と；この単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＴｉ
ＮとＭＮ（ただしＭはＡｌ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＴａか
ら選ばれた少なくとも一種）との固溶体からなるバリア
層と；このバリア層上にエピタキシャル成長された下部
電極と；この下部電極上にエピタキシャル成長されたペ
ロブスカイト型結晶構造を有する誘電体層と；この誘電
体層上に形成された上部電極とを具備したことを特徴と
する薄膜キャパシタである。またトランジスタなどの能
動素子が形成された半導体基板上にこの薄膜キャパシタ
を形成した半導体装置、例えばＦＲＡＭ（強誘電体メモ
リ）である。
と；この単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＴｉ
ＮとＭＮ（ただしＭはＡｌ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＴａか
ら選ばれた少なくとも一種）との固溶体からなるバリア
層と；このバリア層上にエピタキシャル成長された下部
電極と；この下部電極上にエピタキシャル成長されたペ
ロブスカイト型結晶構造を有する誘電体層と；この誘電
体層上に形成された上部電極とを具備したことを特徴と
する薄膜キャパシタである。またトランジスタなどの能
動素子が形成された半導体基板上にこの薄膜キャパシタ
を形成した半導体装置、例えばＦＲＡＭ（強誘電体メモ
リ）である。
【００１４】
【発明の実施の形態】ＴｉＮは、Ｂ１岩塩型構造（Ｎａ
Ｃｌ型）をとり、また、種々のＢ１型構造が安定な窒化
物と固溶体を形成する。Ｂ１型構造をとり得る窒化物に
は、 ３Ａ族：ＳｃＮ、ＹＮ ４Ａ族：ＺｒＮ、ＨｆＮ ５Ａ族：ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ ６Ａ族：ＣｒＮ ランタノイド：ＬａＮ、ＣｅＮ、ＰｒＮ、ＮｄＮ、Ｓｍ
Ｎ、ＥｕＮ、ＧｄＮ、ＴｂＮ、ＤｙＮ、ＨｏＮ、Ｅｒ
Ｎ、ＴｍＮ、ＹｂＮ、ＬｕＮ アクチノイド：ＴｈＮ、ＵＮ、ＰｕＮ などがある。これらはいずれも配位数が６：６であり、
固溶体を形成しやすい。また、特別な例として、ウルツ
鉱型構造をとる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とも固溶体
を作ることが知られている。これらの化合物を、スパッ
タ法、イオンビーム法、レーザー蒸着などの熱非平衡反
応を用いることにより、単結晶半導体基板上にエピタキ
シャル成長されるものである。
Ｃｌ型）をとり、また、種々のＢ１型構造が安定な窒化
物と固溶体を形成する。Ｂ１型構造をとり得る窒化物に
は、 ３Ａ族：ＳｃＮ、ＹＮ ４Ａ族：ＺｒＮ、ＨｆＮ ５Ａ族：ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ ６Ａ族：ＣｒＮ ランタノイド：ＬａＮ、ＣｅＮ、ＰｒＮ、ＮｄＮ、Ｓｍ
Ｎ、ＥｕＮ、ＧｄＮ、ＴｂＮ、ＤｙＮ、ＨｏＮ、Ｅｒ
Ｎ、ＴｍＮ、ＹｂＮ、ＬｕＮ アクチノイド：ＴｈＮ、ＵＮ、ＰｕＮ などがある。これらはいずれも配位数が６：６であり、
固溶体を形成しやすい。また、特別な例として、ウルツ
鉱型構造をとる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とも固溶体
を作ることが知られている。これらの化合物を、スパッ
タ法、イオンビーム法、レーザー蒸着などの熱非平衡反
応を用いることにより、単結晶半導体基板上にエピタキ
シャル成長されるものである。
【００１５】これらの化合物固溶体の中で、特にＡｌ、
Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａを含む（Ｔｉ1-x Ｍx ）Ｎエピタ
キシャル層と限定する理由は、特にこれら元素の酸化物
生成自由エネルギーがＴｉＮと同等または、それ以下の
ものであるためである。
Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａを含む（Ｔｉ1-x Ｍx ）Ｎエピタ
キシャル層と限定する理由は、特にこれら元素の酸化物
生成自由エネルギーがＴｉＮと同等または、それ以下の
ものであるためである。
【００１６】従って、これらの固溶体を用いることによ
り誘電体層形成時におけるバリア層自体の酸化を抑制
し、かつエピタキシャル構造を保ったバリア層を形成す
ることができる。これにより、酸素欠損の少ないエピタ
キシャル誘電体層を提供することが可能となる。従っ
て、強誘電体の場合は残留分極の値が大きくなり、半導
体基板上への良好な強誘電体メモリの形成が可能とな
る。
り誘電体層形成時におけるバリア層自体の酸化を抑制
し、かつエピタキシャル構造を保ったバリア層を形成す
ることができる。これにより、酸素欠損の少ないエピタ
キシャル誘電体層を提供することが可能となる。従っ
て、強誘電体の場合は残留分極の値が大きくなり、半導
体基板上への良好な強誘電体メモリの形成が可能とな
る。
【００１７】また、本発明で用いられ得るペロブスカイ
ト型結晶構造を有する誘電性材料としては、チタン酸バ
リウム（ＢａＴｉＯ3 ）、チタン酸ストロンチウム（Ｓ
ｒＴｉＯ3 ）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3 ）、
スズ酸バリウム（ＢａＳｎＯ3 ）、ジルコニウム酸バリ
ウム（ＢａＺｒＯ3 ）等の単純ペロブスカイト型酸化
物、マグネシウム酸ニオブ酸バリウム（Ｂａ（Ｍｇ1/3
Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 ）、マグネシウム酸タンタル酸バリウム
（Ｂａ（Ｍｇ1/3 Ｔａ2/3 ）Ｏ3 ）等の複合ペロブスカ
イト型酸化物や、これらの中から複数の酸化物を同時に
固溶させた系等が例示され、さらに化学量論比からの多
少のずれが許容されることはいうまでもない。
ト型結晶構造を有する誘電性材料としては、チタン酸バ
リウム（ＢａＴｉＯ3 ）、チタン酸ストロンチウム（Ｓ
ｒＴｉＯ3 ）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3 ）、
スズ酸バリウム（ＢａＳｎＯ3 ）、ジルコニウム酸バリ
ウム（ＢａＺｒＯ3 ）等の単純ペロブスカイト型酸化
物、マグネシウム酸ニオブ酸バリウム（Ｂａ（Ｍｇ1/3
Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 ）、マグネシウム酸タンタル酸バリウム
（Ｂａ（Ｍｇ1/3 Ｔａ2/3 ）Ｏ3 ）等の複合ペロブスカ
イト型酸化物や、これらの中から複数の酸化物を同時に
固溶させた系等が例示され、さらに化学量論比からの多
少のずれが許容されることはいうまでもない。
【００１８】このような誘電性材料からなる誘電体膜を
導電性基板の上にエピタキシャル成長させるときの成長
方位としては、誘電体膜及び導電性基板の正方晶系の
（００１）面あるいは立方晶系の（１００）面が互いに
平行となるように成長させることが好ましく、誘電体膜
の成膜方法としては、反応性蒸着、ｒｆスパッタリン
グ、レーザアブレーション、ＭＯＣＶＤ等が挙げられる
が、７０ｎｍ以上の厚い膜を形成するには特にスパッタ
リングが好ましい。
導電性基板の上にエピタキシャル成長させるときの成長
方位としては、誘電体膜及び導電性基板の正方晶系の
（００１）面あるいは立方晶系の（１００）面が互いに
平行となるように成長させることが好ましく、誘電体膜
の成膜方法としては、反応性蒸着、ｒｆスパッタリン
グ、レーザアブレーション、ＭＯＣＶＤ等が挙げられる
が、７０ｎｍ以上の厚い膜を形成するには特にスパッタ
リングが好ましい。
【００１９】また誘電体膜の膜厚は、強誘電体メモリに
使用されたときに充分な残留分極あるいは実効誘電率を
得る観点から７０ｎｍ以上であることが好ましく、実用
上は７０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内であることが望ま
れる。但し、ＤＲＡＭ等に用いられる常誘電性を示す誘
電体膜については、７０ｎｍ未満の膜厚でもＤＲＡＭの
メモリセルのキャパシタ等に十分適用され得る。
使用されたときに充分な残留分極あるいは実効誘電率を
得る観点から７０ｎｍ以上であることが好ましく、実用
上は７０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内であることが望ま
れる。但し、ＤＲＡＭ等に用いられる常誘電性を示す誘
電体膜については、７０ｎｍ未満の膜厚でもＤＲＡＭの
メモリセルのキャパシタ等に十分適用され得る。
【００２０】バリア層を（Ｔｉ1-x Ｍx ）Ｎと表わした
場合、Ｘは固溶範囲に設定する必要がある。また基板、
特にＳｉ基板にエピタキシャル成長する様に選定する必
要がある。好ましくはＯ＜Ｘ≦０．１５である。またＭ
元素の効果は少量の固溶であらわれるが、好ましくは
０．０１≦Ｘ≦０．１５である。
場合、Ｘは固溶範囲に設定する必要がある。また基板、
特にＳｉ基板にエピタキシャル成長する様に選定する必
要がある。好ましくはＯ＜Ｘ≦０．１５である。またＭ
元素の効果は少量の固溶であらわれるが、好ましくは
０．０１≦Ｘ≦０．１５である。
【００２１】（Ｔｉ1-x Ｍx ）Ｎのバリア層膜厚は、拡
散防止の効果が挙げられる範囲で薄い方が良く、好まし
くは１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。下部電極は誘電
体膜をエピタキシャル成長させるのに適当な格子定数を
もつものが必要であり、例えばＰｔなどが挙げられる。
必要に応じ合金元素を添加することも可能である。上記
電極としてもＰｔなどを用いることが可能である。
散防止の効果が挙げられる範囲で薄い方が良く、好まし
くは１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。下部電極は誘電
体膜をエピタキシャル成長させるのに適当な格子定数を
もつものが必要であり、例えばＰｔなどが挙げられる。
必要に応じ合金元素を添加することも可能である。上記
電極としてもＰｔなどを用いることが可能である。
【００２２】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図１は薄
膜キャパシタの概略図であり、同図（ａ）が平面図、同
図（ｂ）が断面図である。基板（１）上にバリア層
（５）、下部電極（２）、誘電体層（３）、上部電極
（４）が順次積層されている。この例では、上部電極
（４）が分別され、個々の電極が対応する領域が個々の
キャパシタとなる。
膜キャパシタの概略図であり、同図（ａ）が平面図、同
図（ｂ）が断面図である。基板（１）上にバリア層
（５）、下部電極（２）、誘電体層（３）、上部電極
（４）が順次積層されている。この例では、上部電極
（４）が分別され、個々の電極が対応する領域が個々の
キャパシタとなる。
【００２３】まず１ｖｏｌ％弗化水素酸溶液により３分
間表面エッチングを行ない、超純水にて３０分間リンス
オフしたＳｉ（１００）基板を、本実施例における基板
（１）とした。
間表面エッチングを行ない、超純水にて３０分間リンス
オフしたＳｉ（１００）基板を、本実施例における基板
（１）とした。
【００２４】この上にＴｉおよびＡｌターゲットを用い
た反応性ｒｆスパッタにより、（Ｔｉ1-x Ａｌx ）Ｎ膜
を形成した（バリア層（５））。このときスパッタガス
はＮ２：３ｓｃｃｍ、Ａｒ：３０ｓｃｃｍの混合ガスを
用い、基板温度は６００℃で行なった。この膜の結晶性
を、真空チャンバ内に装備したＲＨＥＥＤにより確認し
たところ、ＴｉＮと同じエピタキシャル膜の回析パター
ンであり、かつストリークが観察され、平坦なエピタキ
シャル膜が形成されたことを確認した。
た反応性ｒｆスパッタにより、（Ｔｉ1-x Ａｌx ）Ｎ膜
を形成した（バリア層（５））。このときスパッタガス
はＮ２：３ｓｃｃｍ、Ａｒ：３０ｓｃｃｍの混合ガスを
用い、基板温度は６００℃で行なった。この膜の結晶性
を、真空チャンバ内に装備したＲＨＥＥＤにより確認し
たところ、ＴｉＮと同じエピタキシャル膜の回析パター
ンであり、かつストリークが観察され、平坦なエピタキ
シャル膜が形成されたことを確認した。
【００２５】さらに、この膜の組成をＲＢＳにより測定
したところ、（Ｔｉ1-x Ａｌx ）Ｎのｘが０．１である
ことが確認された。なお、ＴｉＮにＡｌを固溶させエピ
タキシャル成長を行う場合、（Ｔｉ1-x Ａｌx ）Ｎにお
けるｘは０．１５以下であることが好ましい。この原因
は、本来窒化物を形成した時の配位数がＡｌは４であ
り、ＴｉＮ固溶体を形成し難いためである。
したところ、（Ｔｉ1-x Ａｌx ）Ｎのｘが０．１である
ことが確認された。なお、ＴｉＮにＡｌを固溶させエピ
タキシャル成長を行う場合、（Ｔｉ1-x Ａｌx ）Ｎにお
けるｘは０．１５以下であることが好ましい。この原因
は、本来窒化物を形成した時の配位数がＡｌは４であ
り、ＴｉＮ固溶体を形成し難いためである。
【００２６】このＴｉ0.9 Ａｌ0.1 Ｎ膜の上に、Ｐｔを
基板温度５００℃でｒｆマグネトロンスパッタにより形
成し、下地電極（３）とした。このとき、Ｐｔ膜の厚さ
は約１００ｎｍとした。さらにこの上にＢａ0.5 Ｓｒ
0.5 ＴｉＯ3 膜（誘電体層（４））を膜厚約２００ｎ
ｍ、ｒｆマグネトロンスパッタ法により形成した。この
とき、基板温度は６００℃、スパッタガスはＯ2 １００
％でおこなった。スパッタターゲットとしては同組成の
焼結体（４インチ、５ｍｍ厚））を用いた。さらにリフ
トオフを用いたｒｆスパッタリング法により室温にて上
部電極Ｐｔ（５）を形成した。
基板温度５００℃でｒｆマグネトロンスパッタにより形
成し、下地電極（３）とした。このとき、Ｐｔ膜の厚さ
は約１００ｎｍとした。さらにこの上にＢａ0.5 Ｓｒ
0.5 ＴｉＯ3 膜（誘電体層（４））を膜厚約２００ｎ
ｍ、ｒｆマグネトロンスパッタ法により形成した。この
とき、基板温度は６００℃、スパッタガスはＯ2 １００
％でおこなった。スパッタターゲットとしては同組成の
焼結体（４インチ、５ｍｍ厚））を用いた。さらにリフ
トオフを用いたｒｆスパッタリング法により室温にて上
部電極Ｐｔ（５）を形成した。
【００２７】この薄膜における下地バリア膜の酸化状態
を検討するため、オージェ電子分光法による深さ方向の
組成分析プロファイルを測定したところ、Ｔｉ0.9 Ａｌ
0.1Ｎ膜部分における酸素原子濃度は、図２に示す通り
オージェ電子の検出限界以下であり、殆ど酸化は見られ
なかった。
を検討するため、オージェ電子分光法による深さ方向の
組成分析プロファイルを測定したところ、Ｔｉ0.9 Ａｌ
0.1Ｎ膜部分における酸素原子濃度は、図２に示す通り
オージェ電子の検出限界以下であり、殆ど酸化は見られ
なかった。
【００２８】比較例として、図３にＴｉＮエピタキシャ
ル膜をバリア層として用いた場合の同条件でのプロファ
イルを示す。これにより、エピタキシャル成長させた固
溶体を用いることにより、耐酸化性は向上することが分
かった。
ル膜をバリア層として用いた場合の同条件でのプロファ
イルを示す。これにより、エピタキシャル成長させた固
溶体を用いることにより、耐酸化性は向上することが分
かった。
【００２９】また、この薄膜の結晶性をＸ線回析法によ
り評価した結果を図４に示した。なお、これは一般的に
φ−ｓｃａｎ法と呼ばれるもので、基板垂直な軸に対し
て所定の角度に位置する軸に対して、その面に対応する
θ−２θ角度にゴニオ軸を固定し、面内方向に回転させ
ることにより、軸の対称性に基づくピークを検出するも
のである。尚ここでは＜１１０＞軸に対してφ−ｓｃａ
ｎを行っている。図４に見られる通り、Ｐｔ、Ｔｉ0.9
Ａｌ0.1 Ｎ、ＢＳＴＯすべての（１００）面のエピタキ
シャル成長が確認された。
り評価した結果を図４に示した。なお、これは一般的に
φ−ｓｃａｎ法と呼ばれるもので、基板垂直な軸に対し
て所定の角度に位置する軸に対して、その面に対応する
θ−２θ角度にゴニオ軸を固定し、面内方向に回転させ
ることにより、軸の対称性に基づくピークを検出するも
のである。尚ここでは＜１１０＞軸に対してφ−ｓｃａ
ｎを行っている。図４に見られる通り、Ｐｔ、Ｔｉ0.9
Ａｌ0.1 Ｎ、ＢＳＴＯすべての（１００）面のエピタキ
シャル成長が確認された。
【００３０】さらに、このＢＳＴＯ膜を使用した薄膜キ
ャパシタの分極対電界（Ｐ−Ｅ）ヒステリシス曲線を測
定した。測定にはソーヤタワー回路を用い、５００Ｈｚ
の交流電圧を印加して室温（２２℃）で測定した。結
果、ヒステリシス曲線より求めた残留分極の大きさは
０．２Ｃ／ｍ2 と大きく、半導体基板上で強誘電体メモ
リの形成が可能となることが確認された。
ャパシタの分極対電界（Ｐ−Ｅ）ヒステリシス曲線を測
定した。測定にはソーヤタワー回路を用い、５００Ｈｚ
の交流電圧を印加して室温（２２℃）で測定した。結
果、ヒステリシス曲線より求めた残留分極の大きさは
０．２Ｃ／ｍ2 と大きく、半導体基板上で強誘電体メモ
リの形成が可能となることが確認された。
【００３１】また、Ａｌ以外のＭ元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｍ
ｏ）でも同様の効果が得られた。図５は、本発明のダイ
ナミックアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）半導体記憶装置の
一例を示す断面図である。４１は第１導電型半導体基
板、４２は素子間分離酸化膜、４３はゲート酸化膜、４
４はワード線、４５、４７は層間絶縁膜、４６は第２導
電型不純物拡散層、４８はビット線、４９は平坦化用絶
縁膜、５０は研磨停止層、５１は単結晶シリコンストレ
ージノード、５２はエピタキシャルバリア金属、５３は
エピタキシャル下部電極、５４はエピタキシャル誘電体
膜、５５は上部電極である。
ｏ）でも同様の効果が得られた。図５は、本発明のダイ
ナミックアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）半導体記憶装置の
一例を示す断面図である。４１は第１導電型半導体基
板、４２は素子間分離酸化膜、４３はゲート酸化膜、４
４はワード線、４５、４７は層間絶縁膜、４６は第２導
電型不純物拡散層、４８はビット線、４９は平坦化用絶
縁膜、５０は研磨停止層、５１は単結晶シリコンストレ
ージノード、５２はエピタキシャルバリア金属、５３は
エピタキシャル下部電極、５４はエピタキシャル誘電体
膜、５５は上部電極である。
【００３２】図５に示す例の工程順模式断面図を図６に
示す。図６（ａ）はメモリセルのトランジスタ部及びビ
ット線４８を形成した後、平坦化用絶縁膜４９及び研磨
停止層５０を形成した後の断面図である。ここでは、絶
縁膜を平坦化するためにエッチバック法を用いても良い
し、またＣＭＰ法などを用いても良い。なお、研磨停止
層５０としては、酸化アルミニウムなどの絶縁膜を用い
ることができる。
示す。図６（ａ）はメモリセルのトランジスタ部及びビ
ット線４８を形成した後、平坦化用絶縁膜４９及び研磨
停止層５０を形成した後の断面図である。ここでは、絶
縁膜を平坦化するためにエッチバック法を用いても良い
し、またＣＭＰ法などを用いても良い。なお、研磨停止
層５０としては、酸化アルミニウムなどの絶縁膜を用い
ることができる。
【００３３】次いで、図６（ｂ）に示すように、公知の
フォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、研
磨停止層５０の開孔部に引き続き第２導電型不純物拡散
層４６へのコンタクトホールを形成し、単結晶シリコン
の選択成長技術によりストレージノード５１を形成し
た。ストレージノード５１は、例えば、ジクロルシラン
を原料ガスとしたＬＰＣＶＤ法により、成長温度８２０
℃で単結晶シリコンを選択的に埋め込むことにより行う
ことができる。
フォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、研
磨停止層５０の開孔部に引き続き第２導電型不純物拡散
層４６へのコンタクトホールを形成し、単結晶シリコン
の選択成長技術によりストレージノード５１を形成し
た。ストレージノード５１は、例えば、ジクロルシラン
を原料ガスとしたＬＰＣＶＤ法により、成長温度８２０
℃で単結晶シリコンを選択的に埋め込むことにより行う
ことができる。
【００３４】次いで、図６（ｃ）に示すように、ＣＭＰ
ないしは機械的研磨により研磨停止層５０上に形成され
ている単結晶シリコンを除去した。次いで、図６（ｄ）
に示すように、フォトリソグラフィ及びプラズマエッチ
ングにより浅いトレンチを形成した後、エピタキシャル
バリア金属５２及び下部電極５３となる白金薄膜をスパ
ッタ法により形成した（図６（ｅ））。
ないしは機械的研磨により研磨停止層５０上に形成され
ている単結晶シリコンを除去した。次いで、図６（ｄ）
に示すように、フォトリソグラフィ及びプラズマエッチ
ングにより浅いトレンチを形成した後、エピタキシャル
バリア金属５２及び下部電極５３となる白金薄膜をスパ
ッタ法により形成した（図６（ｅ））。
【００３５】その後、再びＣＭＰ法により研磨停止層５
０上に形成されているエピタキシャルバリア金属及び白
金薄膜を除去した後、エピタキシャル誘電体膜５４及び
上部電極５５を順次形成する。なお、誘電体膜の形成に
は、公知のマグネトロンスパッタ法やＭＯＣＶＤ法など
を使用することができる。
０上に形成されているエピタキシャルバリア金属及び白
金薄膜を除去した後、エピタキシャル誘電体膜５４及び
上部電極５５を順次形成する。なお、誘電体膜の形成に
は、公知のマグネトロンスパッタ法やＭＯＣＶＤ法など
を使用することができる。
【００３６】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
おける組成の固溶体を用いることによりバリアメタル自
体の誘電体層形成時における酸化を抑制し、かつエピタ
キシャル構造を保ったバリア層を形成することができ
る。これにより、酸素欠損の少ないエピタキシャル誘電
体層を提供することが可能となり、従って強誘電体にお
いては残留分極の値が大きくなり、半導体基板上への良
好な強誘電体メモリの形成が可能となる。
おける組成の固溶体を用いることによりバリアメタル自
体の誘電体層形成時における酸化を抑制し、かつエピタ
キシャル構造を保ったバリア層を形成することができ
る。これにより、酸素欠損の少ないエピタキシャル誘電
体層を提供することが可能となり、従って強誘電体にお
いては残留分極の値が大きくなり、半導体基板上への良
好な強誘電体メモリの形成が可能となる。
【図１】 本発明の薄膜キャパシタ構造を示す概略図。
【図２】 Ｔｉ0.9 Ａｌ0.1 Ｎ膜をバリア層とした場合
のエピタキシャル膜のオージェ電子分光における深さ方
向プロファイル図。
のエピタキシャル膜のオージェ電子分光における深さ方
向プロファイル図。
【図３】 ＴｉＮ膜をバリア層とした場合のエピタキシ
ャル膜のオージェ電子分光における深さ方向プロファイ
ル図。
ャル膜のオージェ電子分光における深さ方向プロファイ
ル図。
【図４】 実施例におけるエピタキシャル膜のＸ線回折
図。
図。
【図５】 本発明半導体装置の実施例を示す概略断面
図。
図。
【図６】 本発明半導体装置の実施例を示す概略工程断
面図。
面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/788 29/792
Claims (2)
- 【請求項１】単結晶基板と；この単結晶基板上にエピタ
キシャル成長されたＴｉＮとＭＮ（ただしＭはＡｌ、
Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＴａから選ばれた少なくとも一種）
との固溶体からなるバリア層と；このバリア層上にエピ
タキシャル成長された下部電極と；この下部電極上にエ
ピタキシャル成長されたペロブスカイト型結晶構造を有
する誘電体層と；この誘電体層上に形成された上部電極
とを具備したことを特徴とする薄膜キャパシタ。 - 【請求項２】前記単結晶基板は能動素子が形成された半
導体基板であり、請求項１記載の薄膜キャパシタと前記
能動素子とを具備したことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06061696A JP3474352B2 (ja) | 1996-03-18 | 1996-03-18 | 薄膜キャパシタ及び半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06061696A JP3474352B2 (ja) | 1996-03-18 | 1996-03-18 | 薄膜キャパシタ及び半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09252094A true JPH09252094A (ja) | 1997-09-22 |
| JP3474352B2 JP3474352B2 (ja) | 2003-12-08 |
Family
ID=13147396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06061696A Expired - Fee Related JP3474352B2 (ja) | 1996-03-18 | 1996-03-18 | 薄膜キャパシタ及び半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3474352B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6198120B1 (en) | 1998-02-13 | 2001-03-06 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Ferroelectric thin film device and method of producing the same |
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