(57)【要約】【課題】強誘電体膜の配向率を改善し、強誘電体膜を有するデバイスの不良品発生率を小さくすること。【解決手段】  基板上に強誘電体材料膜を形成する第１の工程と、前記強誘電体材料膜を形成した前記基板を熱処理炉内に配置し、前記熱処理炉内に熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、前記第１の流量に対応する第２の流量で前記熱処理炉内を排気しながら、前記強誘電体材料膜を加熱して強誘電体膜を形成する第２の工程とを有すること。【選択図】図１３
2011023454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に強誘電体材料膜を形成する第１の工程と、
前記強誘電体材料膜を形成した前記基板を熱処理炉内に配置し、前記熱処理炉内に熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、前記第１の流量に対応する第２の流量で前記熱処理炉内を排気しながら、前記強誘電体材料膜を加熱して強誘電体膜を形成する第２の工程とを有する、
強誘電体膜を有するデバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１のデバイスの製造方法において、
前記第２の流量が、前記第１の流量に対して、０．９倍以上１．１倍以下であることを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のデバイスの製造方法において、
前記第２の工程を実施している間、前記熱処理炉に接続された排気バルブの開度を、前記第２の流量が一定に保たれるように制御することを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法において、
前記第２の工程における前記基板の配置が、滑らかな閉曲線に沿って前記熱処理炉内に設けられた内壁の内側で行われ、
前記第２の工程における前記熱処理雰囲気ガスの供給が、前記内壁の内側に設けられたガス供給口を通して行われ、
前記第２の工程における前記熱処理炉内の排気が、前記内壁の内側に設けられた排気口を通して行われることを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項５】
強誘電体材料膜が形成された基板の熱処理を行う熱処理炉と、
前記熱処理炉に熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、前記第１の流量に対応する第２の流量で前記熱処理炉内を排気する供給排気ユニットを、
有する熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体膜を有するデバイスの製造方法及び熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体膜は、メモリやセンサなど種々のデバイスに応用されている。強誘電体膜を応用したデバイスの中で、最も重要なデバイスは、強誘電体メモリ（Ferroelectric Random Access Memory; 以下、FeRAMと呼ぶ）である。
【０００３】
FeRAMは、強誘電体膜（強誘電体層）の分極反転を利用して情報を記録するメモリである。分極反転を利用するので、FeRAMは、電源を切っても情報を消失しない。更に、FeRAMは、高集積度、高速駆動、高耐久性、低消費電力という優れた特徴を有している。
【０００４】
ところで、FeRAMの強誘電体層は、次のように形成される。まず、強誘電体酸化物ターゲットをスパッタリングして、基板上に非晶質膜を堆積する。次に、この非晶質膜を熱処理して、強誘電体結晶膜を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０５２３５号公報
【特許文献２】特開２００８−１０７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
FeRAMの不良品発生率は、強誘電体材料膜（例えば、上記非晶質膜）の熱処理条件に大きく依存する。このため、不良品発生率が最小になるように最適化された条件で、強誘電体材料膜の熱処理が行われる。
【０００７】
しかし、最適化された条件で熱処理を行っているにも拘わらず、不良品発生率はばらつき、一定にならなかった。ロット（一緒に処理される基板の集団）毎の不良品発生率を測定すると、不良品発生率が非常に小さくなる場合もあるが、突如増加する場合もある。このため、相当数のロット（例えば、数十ロット）において不良品発生率の平均値を求めると、平均値は、例えば６％という高い値になる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、強誘電体膜を有するデバイスの不良品発生率のバラツキを小さくすることにより、製品全体としての不良品発生率が小さくなる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本製造方法の一観点によれば、まず、基板上に強誘電体材料膜を形成する。次に、上記基板を熱処理炉内に配置し、上記熱処理炉内に熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、上記第１の流量に対応する第２の流量で上記熱処理炉内を排気しながら、上記強誘電体材料膜を加熱して強誘電体膜を形成する。
【発明の効果】
【００１０】
本デバイスの製造方法によれば、強誘電体膜を有するデバイスの不良品発生率を定常的に小さくして、製品全体としての不良品発生率を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の熱処理炉の構成を説明する図である。
【図２】マスフローメータの構成を説明する図である。
【図３】実施の形態１の製造方法を説明する工程図である。
【図４】実施例１のFeRAMの構成を説明する断面図である。
【図５】強誘電体キャパシタの構成を説明する拡大断面図である。
【図６】実施例１の熱処理装置の構成を説明する図である。
【図７】実施例１のFeRAMの製造方法を説明する工程図である（その１）。
【図８】実施例１のFeRAMの製造方法を説明する工程図である（その２）。
【図９】実施例１のFeRAMの製造方法を説明する工程図である（その３）。
【図１０】実施例１のFeRAMの製造方法を説明する工程図である（その４）。
【図１１】実施例１のFeRAMの製造方法を説明する工程図である（その５）。
【図１２】実施例１のFeRAMの製造方法を説明する工程図である（その６）。
【図１３】強誘電体材料膜の熱処理工程を説明するフローチャートである。
【図１４】熱処理期間中のＳｉ基板の温度変化を説明する図である。
【図１５】実施例１の工程によって製造した、FeRAMの不良品発生率を説明する図である。
【図１６】比較例のFeRAMの不良品発生率を説明する図である。
【図１７】熱処理後の強誘電体膜の（２２２）配向率を説明する図である。
【図１８】比較例における強誘電体膜の（２２２）配向率を説明する図である。
【図１９】実施例１によって製造したFeRAMの疲労特性を説明する図である。
【図２０】比較例によって製造したFeRAMの疲労特性を説明する図である。
【図２１】実施例２の熱処理装置の構成を説明する断面図である。
【図２２】実施例２の熱処理装置の基板載置台及びその近傍の構成を説明する平面図である。
【図２３】実施例３の熱処理装置の基板載置台及びその近傍の構成を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の熱処理装置の構成を説明する図である。尚、図１には、後述する製造方法の説明を容易にするため、熱処理対象の基板も示されている。
【００１４】
熱処理装置
本熱処理装置２８は、強誘電体材料膜８が形成された基板（例えば、Ｓｉ基板２）の熱処理を行う熱処理炉１４を有している。熱処理炉１４は、例えば、急速加熱用のランプ１２を有するＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)装置である。
【００１５】
更に、本熱処理装置２８は、熱処理炉１４に熱処理雰囲気ガス１６を第１の流量で供給すると共に、第１の流量に対応する第２の流量（好ましくは、第１の流量に等しい流量）で熱処理炉１４の内部を排気する供給排気ユニット３０を有している。ここで、熱処理雰囲気ガス１６は、例えば、酸素とアルゴンの混合ガスである。
【００１６】
この供給排気ユニット３０は、図１に示すように、ガス供給ユニット１８と排気ユニット３１を有している。ここで、ガス供給ユニット１８は、熱処理炉１４に第１の流量で熱処理雰囲気ガス１６を供給する装置である。また、排気ユニット３１は、第１の流量に対応する第２の流量で熱処理炉内を排気する装置である。
【００１７】
ガス供給ユニット１８は、例えば、ガス供給バルブ（流量制御バルブ）を有し、熱処理の間、熱処理雰囲気ガスの流量が一定に保たれるように、ガス供給バルブの開度をフィードバック制御するマスフローメータである。このマスフローメータ３２ａのガス流入口は、配管２６ａによって、ガスボンベ等の熱処理雰囲気ガス貯蔵装置（図示せず）に接続されている。また、ガス供給ユニット１８は、マスフローメータ３２ａのガス流出口を、熱処理炉１４のガス供給口２０に接続する配管２６ｂを有している。尚、ガス供給ユニット１８は、熱処理雰囲気ガスを生成する装置であってもよい（実施例１参照）。
【００１８】
一方、排気ユニット３１は、排気バルブ（流量制御バルブ）を有し、熱処理の間、熱処理炉１４に接続された排気バルブの開度を、第２の流量（排気流量）が一定に保たれるようにフィードバック制御するマスフローメータ３２ｂを有している。
【００１９】
また、排気ユニット３１は、マスフローメータ３２ｂのガス流入口を、熱処理炉１４の排気口２２に接続する配管２６ｃを有している。一方、マスフローメータ３２ｂのガス流出口は、配管２６ｄによって排気ダクト２４に接続されている。この排気ダクト２４には他の製造装置が接続され、排気ダクト２４の終端は、集中排気装置に接続されている。
【００２０】
更に、熱処理装置２８は、図１では省略されているが、ランプ１２に電力を供給して点灯させる電源ユニットと、熱処理の間、熱処理対象物（例えば、Ｓｉ基板２）の温度を監視する温度モニタを有している。また、熱処理装置２８は、温度モニタの出力を電源ユニットにフィードバックして、熱処理対象物の温度が一定になるように、上記電源ユニットの出力を制御する温度制御装置を有している。
【００２１】
次に、本熱処理装置２８の動作を説明する。
【００２２】
Ｓｉ基板２が、熱処理炉１４の内部に配置されると、ガス供給ユニット１８は、ガス供給口２０を通して、熱処理雰囲気ガス１６を熱処理炉１４の内部に供給する。熱処理炉１４に供給された熱処理雰囲気ガス１６ａは、強誘電体材料膜８の表面に沿って流れ、下流側に開口した排気口２２から排気される。
【００２３】
次に、上記電源ユニットがランプ１２を点灯して、Ｓｉ基板２を加熱する。この際、上記温度制御装置は、温度モニタの出力と熱処理温度の設定値が一致するように、上記電源ユニットを制御する。
【００２４】
所定の熱処理時間の経過後、電源ユニットがランプ１２を消灯する。そして、熱処理が終了する。
【００２５】
ところで、本熱処理装置２８の熱処理炉１４は、排気ユニット３１を介して、排気ダクト２４に接続されている。しかし、排気ダクト２４に熱処理炉１４を直接接続すると、以下のような不都合が生じる。
【００２６】
通常、排気ダクトには、複数の製造装置が接続されている。このため、多くの製造装置を同時に運転すると、排気されるガスの総量が増加し、排気ダクト内の圧力が上昇する。一方、製造装置の運転台数が減少すると、排気ダクト内の圧力は低下する。
【００２７】
熱処理炉が直接排気ダクトに接続されている場合、熱処理炉１４から排気される熱処理雰囲気ガス（以下、排気ガスと呼ぶ）の流量は、熱処理１４内の圧力と排気ダクト２４内の圧力差によって決まる。従って、排気ダクト２４内の圧力が変動すると、熱処理炉１４から排出される排気ガスの流量も変動する。
【００２８】
排気ガスの流量が変動すると、熱処理炉１４内における熱処理雰囲気ガス１６ａの流速が変動する。その結果、後述するように、熱処理雰囲気ガス中の酸素濃度や強誘電体材料膜８の温度が変動し、その結果、強誘電体膜の形成に支障が生じる。
【００２９】
そこで、本熱処理装置２８では、供給排気ユニット３０によって、排気ガスの排気流量を一定にして、熱処理炉内における熱処理雰囲気ガス１６ａの流速が変動しないようにしている。
【００３０】
最後に、マスフローメータ３２ａ, ３２ｂの構成を説明する。図２は、マスフローメータ３２ａ, ３２ｂの構成を説明する図である。
【００３１】
マスフローメータ３２ａ, ３２ｂは、図２に示すように、流量センサ５０、バイパス５２、流量制御バルブ５４、バルブアクチュエータ５５、及び電気回路５６を有している。
【００３２】
ここで、電気回路５６は、ブリッジ回路６０と、フィードバック回路６２と、バルブ駆動回路と６４を有している。流量センサ５０は、分岐したガス管の一方６６と、この分岐したガス管の一方６６に巻き付けられた２本の抵抗体６８を有している。
【００３３】
尚、図２に示した例では、流量制御バルブ５４を開閉するバルブアクチュエータ５５は、ピエゾアクチュエータである。ピエゾアクチュエータの代わりに、ソレノイドアクチュエータ等を用いてもよい。また、図２に示した流量制御バルブ５４は、メタルダイアフラムである。メタルダイアフラムの代わりに、ガスケット取り付けバルブ、ニードルバルブ等を用いてもよい。
【００３４】
マスフローメータ３２ａ, ３２ｂは、まず、ガス流入口５８から流入したガスを、流量センサ５０とバイパス５２に分流する。流量センサ５０に分流されたガスは、流量センサ５０が有する２本の抵抗体６８に、流入ガスの質量流量に比例する抵抗値の差を発生させる。ブリッジ回路６０は、この抵抗値の差を電気信号に変換する。フィードバック回路６２は、この電気信号と外部からの設定信号の差信号を生成し、バルブ駆動回路６４に送信する。バルブ駆動回路６４は、この差信号がゼロになる方向に流量制御バルブ５４の開度を制御する。従って、マスフローメータ３２ａ,３２ｂのガス流出口７０からは、略一定の流量のガスが流出する。
【００３５】
このように、マスフローメータ３２ａ,３２ｂは、ガス流出口７０から流出するガスの流量が一定に保たれるように流量制御バルブの開度を制御する。尚、後述するマスフローメータ３２ｃ,３２ｄも、上記マスフローメータ３２ａ,３２ｂと同様の構造を有している。
【００３６】
製造方法
図３は、本実施の形態におけるFeRAMの製造方法を説明する工程図である。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、まずセルトランジスタ等が形成されたＳｉ基板２の上に、層間絶縁膜４と、FeRAMの下部電極となる金属層６を形成する。
【００３８】
次に、図３（ｂ）に示すように、強誘電体酸化物ターゲットをスパッタリングして、金属層６の上に強誘電体材料膜８を形成する。この強誘電体材料膜８は非晶質であり、強誘電体としての分極特性は有していない。この強誘電体材料膜８の組成は、ターゲットを形成する強誘電体酸化物に近いが、酸素が欠乏している。
【００３９】
次に、強誘電体材料膜８を形成したＳｉ基板２を熱処理炉２８の内部に配置する。その後、ガス供給排気ユニット３０を動作させて、熱処理炉１４の内部に熱処理雰囲気ガス１６を第１の流量で供給すると共に、第１の流量に対応する第２の流量（好ましくは、第１の流量に等しい流量）で熱処理炉１４の内部を排気する。ここで、熱処理雰囲気ガスは、酸素とアルゴンの混合ガスである。
【００４０】
この状態を維持したまま、熱処理装置２８の電源ユニット等を動作させて、強誘電体材料膜８を加熱（熱処理）し、強誘電体キャパシタの強誘電体層となる強誘電体膜９を形成する（図３（ｃ）参照）。
【００４１】
強誘電体材料膜８は、この熱処理により結晶化して強誘電体膜９になる。また、この時、欠乏していた酸素が、熱処理雰囲気ガスから強誘電体材料膜８に補充される。
【００４２】
その後、強誘電体膜９から強誘電体キャパシタを形成し、更に、複数の層間絶縁膜と複数の配線層を順次形成してFeRAMを完成する。
【００４３】
本実施の形態によれば、FeRAMの不良品発生率は、ロットが異なっても略一定の小さな値になる。従って、製品全体におけるFeRAMの不良品発生率も小さくなる（例えば、略１％）。このように不良品発生率が小さくなる理由は、以下のように説明することができる。
【００４４】
熱処理の間、熱処理雰囲気ガス中の酸素は、酸素の欠乏した強誘電体材料膜８と反応して消費される。従って、強誘電体材料膜８に沿って流れる熱処理雰囲気ガス１６ａの流速が減少すると下流側で酸素濃度が低くなり、形成される強誘電体膜９の膜質が低下する。
【００４５】
また、強誘電体材料膜８が有する熱は、表面に沿って流れる熱処理雰囲気ガス１６ａによって奪われる。従って、熱処理雰囲気ガス１６aの流速が変化すると、強誘電体材料膜８の温度が最適値から変化して、強誘電体膜の膜質が低下する。
【００４６】
熱処理炉１４を直接排気ダクト２４に接続した場合、熱処理雰囲気ガス１６ａの流速は、上述したように、他の製造装置の運転状況によって変動する。このため、強誘電体膜の膜質が、最適化した熱処理条件から期待される品質に達しない場合が頻発する。
【００４７】
しかし、本実施の形態では、熱処理炉１４を一定の流量で排気するので、熱処理炉１４内の熱処理雰囲気ガス１６ａの流速は一定になる。従って、本実施の形態によれば、熱処理によって形成される強誘電体膜の膜質（特に、後述する（２２２）配向率）が高くなり、FeRAMの不良品発生率が小さくなる。
【００４８】
ところで、第２の流量（排気流量）は、第１の流量（熱処理雰囲気ガスの流量）に等しい事が好ましい。しかし、第２の流量（排気流量）は、必ずしも、第１の流量（熱処理雰囲気ガスの供給流量）に等しくなくてもよい。
【００４９】
強誘電体材料膜の熱処理に要する時間は、通常、数十秒と短い。従って、第２の流量（排気流量）と第１の流量（熱処理雰囲気ガスの供給流量）が正確に一致していなくても、熱処理中に、熱処理炉内の圧力が大きく変化することはない。従って、熱処理雰囲気ガス１６ａの流速が、熱処理中（又は、熱処理の度）に変化する等の問題は生じない。
【００５０】
例えば、第２の流量（排気流量）は、第１の流量（熱処理雰囲気ガスの供給量）に対して０．９倍以上１．１倍以下であってもよい。或いは、第２の流量は、第１の流量に対して０．９５倍以上１．０５倍以下であってもよい。
【００５１】
すなわち、熱処理の間、供給排気ユニット３０は、熱処理炉に接続された供給バルブ（マスフローメータ３２ａの流量制御バルブ）の開度を、熱処理雰囲気ガスの流量が一定に保たれるように制御する。一方、排気ユニット３１は、熱処理炉１４に接続された排気バルブ（マスフローメータ３２ｂの流量制御バルブ）の開度を、排気流量が一定に保たれるように制御する。
【００５２】
すなわち、熱処理雰囲気ガスの流量及び排気流量は、上述したように、ガス流量が一定に保たれるように、流量制御バルブの開度を制御して得られる流量である。従って、熱処理雰囲気ガスの流量及び排気流量は、時間に対して厳密には一定ではない。しかし、熱処理雰囲気ガスの流量及び排気流量は、熱処理の間、略一定に保たれる。
【実施例１】
【００５３】
（１）デバイス構造
図４は、本実施例で製造するFeRAM１０２の構成を説明する断面図である。図４には、メモリセル１１８と周辺回路（センスアンプ等）１２０が接する領域の構成が示されている。以下、メモリセル１１８の構成を中心に説明する。図５は、FeRAM１０２を形成する強誘電体キャパシタ１２４の構成を説明する拡大断面図である。
【００５４】
本実施例のFeRAM１０２は、１Ｔ−１Ｃ（1 Transistor - 1 Capacitor）型のFeRAMである。図４に示すように、Ｓｉ基板２の上部には、各素子領域を分離する素子分離層１０４が設けられている。また、素子分離層１０４で分離された各素子領域には、ｐウェル１０６が設けられている。メモリセル１１８には、１つのｐウェル１０６に対し２つのトランジスタＴ１，Ｔ２が形成されている。すなわち、メモリセル１１８のｐウェル１０６の上には２本のゲート電極１０８が相互に平行に形成されている。ゲート電極１０８の両側には、トランジスタＴ１，Ｔ２のソース／ドレインとなる低濃度ｎ型不純物領域１１０及び高濃度ｎ型不純物領域１１２が形成されている。同様に、周辺回路１２０には、トランジスタＴ３が形成されている。
【００５５】
また、Ｓｉ基板２の上には、ゲート電極１０８を覆うように、ＳｉＯＮ膜１１４が形成されている。ＳｉＯＮ膜１１４の上には第１の層間絶縁膜１１６が形成されている。この第１の層間絶縁膜１１６の上面は平坦化されている。尚、後述するように、第１の層間絶縁膜１１６は、酸化膜の２度の堆積によって形成される。
【００５６】
図５に示すように、第１の層間絶縁膜１１６の上には、水素及び水分の侵入を防止するための第１の水素バリア層（以下、「水素バリア層」という）１２２が形成されている。水素バリア層１２２は、ＡｌＯ（酸化アルミニウム）膜である。この第１の水素バリア層１２２の上には、下部電極１２６、強誘電体層（強誘電体膜）１２８及び上部電極１３０を下からこの順で積層した強誘電体キャパシタ１２４が形成されている。ここで、強誘電体層１２８は、強誘電体によって形成されている。
【００５７】
強誘電体キャパシタ１２４の上には、第２の水素バリア層１３２が形成されている。更に、第２の水素バリア層１３２の上には、強誘電体キャパシタ１２４の側面を覆い、第１の層間絶縁膜１１６の上に延在する第３の水素バリア層１３４が形成されている。
【００５８】
尚、第２の水素バリア層１３２及び第３の水素バリア層１３４は、第１の水素バリア層１２２と同様、ＡｌＯ膜で形成されている。また、図４では、各バリア層１２２，１３２,１３４は、簡略化されている。
【００５９】
図５に示すように、第３の水素バリア層１３４の上には、第２の層間絶縁膜１３６が形成されている。この層間絶縁膜１３６の表面は、平坦化されている。
【００６０】
図４に示すように、本FeRAM１０２には、この第２の層間絶縁膜１３６の上面から、トランジスタＴ１,Ｔ２,Ｔ３の高濃度不純物領域１１２及び（ゲート１０８と同一面内の）配線１３９に到達するプラグ１４４が、形成されている。
【００６１】
更に、第２の層間絶縁膜１３６の上には、複数の配線を有する第１の配線層１３８が形成されている。図５に示すように、第１の配線層層１３８に含まれる配線の一部１４０は、プラグ１４６ａを介して強誘電体キャパシタ１２４の上部電極１３０に電気的に接続されている。上記配線の他の一部１４２は、プラグ１４６ｂを介して下部電極１２６に電気的に接続されている。
【００６２】
図４に示すように第１の配線層１３８の配線及び第２の層間絶縁膜１３６の上には、第3の層間絶縁膜１５０が形成されている。この第3の層間絶縁膜１５０内には、第3の層間絶縁膜１５０を上下方向に貫通して第１の配線層１３８の配線に電気的に接続する複数のＷプラグ１５２が形成されている。また、第3の層間絶縁膜１５０の上には、複数の配線を有する第２の配線層１５４が形成されている。図４に示すように、これらの配線はプラグ１５２を介して第１配線層１３８の配線に電気的に接続されている。
【００６３】
同様に、第2の配線層１５４及び第3の層間絶縁膜１５０の上には、第４の層間絶縁膜１５６、第３の配線層１５８、プラグ１６０が形成されている（図４参照）。更に、第３の配線層１５８及び第４の層間絶縁膜１５６の上には、第５の層間絶縁膜１６０、第４の配線層１６２、プラグ１６４が形成されている。
【００６４】
そして、第４の配線層１６２及び第５の層間絶縁膜１６０の上には、第１のパッシベーション膜１６５aと第２のパッシベーション膜１６５ｂが、順次形成されている。
【００６５】
そして、第４の配線層１６２に含まれる外部端子（図示せず）の上で、第１のパッシベーション膜１６５ａ及び第２のパッシベーション膜１６５ｂが除去されている。
【００６６】
（２）熱処理装置
図６は、本実施例の熱処理装置３４の構成を説明する図である。本熱処理装置３４は、図１を参照して説明した実施の形態１の熱処理装置２８の構成と共通する部分を有している。従って、重複する部分については説明を省略する。
【００６７】
本熱処理装置３４は、強誘電体材料膜が形成された基板の熱処理を行う熱処理炉１４ａを有している。この熱処理炉１４ａは、回転軸３８が接続された基板載置台４０を有している。この回転軸３８は、図示されていない駆動装置に接続されている。この駆動装置は、熱処理の間、基板載置台４０を回転する。また、熱処理炉１４ａは、基板載置台４０の上下に配置された強化ガラス４２を有している。熱処理の間、熱処理雰囲気ガスは、この強化ガラス４２で仕切られた空間を流れる。
【００６８】
更に、本熱処理装置３４は、熱処理炉１４ａに熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、第１の流量に対応する第２の流量（好ましくは、第１の流量に等しい流量）で熱処理炉内を排気する供給排気ユニット３０ｂを有している。
【００６９】
本供給排気ユニット３０ｂは、図６に示すように、ガス供給ユニット１８ａと、図１を参照して説明した、実施の形態１の排気ユニット３１を有している。すなわち、排気ユニット３１は、排気バルブ（流量制御バルブ）を有し、熱処理の間、排気バルブの開度を、第２の流量（排気流量）が一定に保たれるように制御するマスフローメータ３２ｂを有している。また、排気ユニット３１は、マスフローメータ３２ｂのガス流入口を、熱処理炉１４ａの排気口２２に接続する配管２６ｃを有している。そして、マスフローメータ３２ｂのガス流出口は、配管２６ｄによって排気ダクト２４に接続されている。
【００７０】
一方、本供給排気ユニット３０ｂのガス供給ユニット１８ａは、酸素ガスの貯蔵装置（図示せず）にガス流入口が接続されたマスフローメータ３２ｃを有している。このマスフローメータ３２ｃは、ガス供給バルブ（流量制御バルブ）を有し、熱処理の間、このガス供給バルブの開度を、酸素の流量が一定に保たれるように制御する。更に、ガス供給ユニット１８ａは、アルゴンガスの貯蔵装置（図示せず）にガス流入口が接続されたマスフローメータ３２ｄを有している。このマスフローメータ３２ｄも、ガス供給バルブ（流量制御バルブ）を有し、熱処理の間、このガス供給バルブの開度を、アルゴンの流量が略一定に保たれるように制御する。
【００７１】
更に、ガス供給ユニット１８ａは、マスフローメータ３２ｃが供給する酸素ガスとマスフローメータ３２ｄが供給するアルゴンガスを混合し、熱処理炉１４ａに供給するガス混合器３６を有している。
【００７２】
更に、ガス供給ユニット１８ａは、マスフローメータ３２ｃのガス流出口をガス混合器３６の第１のガス流入口に接続する配管２６ｅと、マスフローメータ３２ｄのガス流出口をガス混合器３６の第２のガス流入口に接続する配管２６ｆを有している。また、ガス供給ユニット１８ａは、ガス混合器３６のガス流出口を、熱処理炉１４ａのガス供給口２０に接続する配管２６ｇを有している。
【００７３】
このような構成により、ガス供給ユニット１８ａは、酸素ガスとアルゴンガスを混合して、濃度及び流量が一定の熱処理雰囲気ガスを生成し、熱処理炉１４ａに供給する。
【００７４】
尚、図６にはガス供給口２０は、一つだけ示されている。しかし、熱処理炉１４ａ内に、ガス供給口２０を複数設けてもよい。同様に、排気口２２を複数設けてもよい。
【００７５】
（３）製造方法
図７〜図１２は、本実施例のFeRAMの製造方法を説明する工程断面図である。
【００７６】
（i）熱処理前の工程（図７〜図９（ａ））
まず、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２の上に、トランジスタＴ１,Ｔ２,Ｔ３、配線１３９、及び素子分離層１０４を形成する（特許文献１参照）。
【００７７】
次に、図７（ｂ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。まず、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、Ｓｉ基板２の上側全面に、厚さ２００ｎｍのＳｉＯＮ膜１１４を形成する。更に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯＮ膜１１４の上に、厚さ６００ｎｍのＴＥＯＳ−ＮＳＧ（Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate -Nondoped Silicate Glass; SiO）膜１６６ａを形成する。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing; 化学的機械研磨）法により、このＴＥＯＳ−ＮＳＧを約２００ｎｍ研磨して表面を平坦化する。
【００７８】
次に、図８（ａ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。まず、平坦化したＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜１６６ａの上に、厚さ１００ｎｍのＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜１６６ｂを形成する。次に、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜１６６ａ,１６６ｂの形成されたＳｉ基板２を、窒素雰囲気中で、熱処理温度が６５０℃で熱処理時間が３０分の条件で熱処理して、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜１６６ａ,１６６ｂの脱水処理を行う。このＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜１６６ａ,１６６ｂが、第１の層間絶縁膜１１６になる。
【００７９】
次に、図８（ｂ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。まず、第１の層間絶縁膜１１６の上に、酸化アルミニウムターゲットをスパッタリングして、厚さ２０ｎｍのＡｌＯ膜（アルミナ膜）１６８ａを形成する。このＡｌＯ膜は、第１の水素バリア層１２２になる（図５参照）。
【００８０】
次に、このＡｌＯ膜（アルミナ膜）１６８ａを形成したＳｉ基板２をＲＴＡ装置内に載置して、熱処理を実施する。この熱処理は、酸素の供給流量が２０リットル／分、温度が６５０℃、処理時間が６０秒の条件で行う。尚、ガスの流量は、標準状態における流量である（以下の説明でも、同じである。）。
【００８１】
次に、ＡｌＯ膜１６８ａの上に強誘電体キャパシタの下部電極となる厚さ１５５ｎｍのＰｔ膜１７０を形成する。尚、Ｐｔ膜の代わりに、Ｉｒ膜、Ｒｕ膜、Ｒｈ膜、Ｒｅ膜、Ｏｓ膜、又はこれらの導電性酸化物を形成してもよい。
【００８２】
次に、図９（ａ）に示すように、Ｐｔ膜１７０の上に、ＰＺＴ(Pb(Zr,Ti)O3)ターゲットをスパッタリングして、厚さ１５０ｎｍ−２００ｎｍの強誘電体材料膜１７２を形成する。この強誘電体材料膜１７２は、非晶質である。
【００８３】
（ii）熱処理工程（図９（ｂ））
図１３は、強誘電体材料膜１７２の熱処理工程を説明するフローチャートである。
【００８４】
まず、強誘電体材料膜１７２を形成したＳｉ基板２を、熱処理炉１４ａの内部に搬入し、その後基板載置台４０の上に配置する（ステップ２）。
【００８５】
尚、本実施例では、基板載置台４０は回転させない。しかし、ここで基板載置台４０の回転を開始し、熱処理の間、基板載置台４０の回転を継続してもよい。
【００８６】
次に、マスフローメータ３２ｃを動作させて、０.０５〜０.１５リッタ/分（例えば、０.１リッタ/分）の流量で酸素をガス混合器３６に供給する（ステップＳ４）。
【００８７】
次に、マスフローメータ３２ｄを動作させて、１.０〜３.０リッタ/分（例えば、１.９リッタ/分）の流量でアルゴンをガス混合器３６に供給する（ステップＳ６）。尚、アルゴンの流量は、１.９リッタ/分に限られない。
【００８８】
ガス混合器３６は、酸素とアルゴンを混合して、熱処理雰囲気ガスを生成する。ガス混合器３６は、生成された熱処理雰囲気ガスを、一定の流量（２.０リッタ/分）で熱処理炉１４ａの内部に供給する。
【００８９】
次に、排気ユニット（マスフローメータ３２ｂ）に設けられた排気バルブを開放して、熱処理炉１４ａの内部を１分間排気する（ステップＳ８）。熱処理炉１４ａの内部体積は、２.０リッタである。従って、本ステップにより、熱処理炉１４ａの内部は、熱処理雰囲気ガスによって置換される。
【００９０】
このように、本実施例では、Ｓｉ基板２を熱処理炉内に配置してからＳｉ基板の加熱を開始するまでの間に、熱処理雰囲気ガスを熱処理炉に供給して、熱処理炉の内部を熱処理雰囲気ガスで置換する。ここで、供給する熱処理雰囲気ガスの量は、熱処理炉内部の体積以上であることが好ましい。但し、供給量が多くなると置換に要する時間が長くなるので、供給する熱処理雰囲気ガスの量は、熱処理炉の内部体積の１０倍以下であることが好ましい。
【００９１】
ところで、ステップ２のＳｉ基板２の搬入は、熱処理炉１４ａの扉を開けて行う。この際、熱処理炉１４ａの内部には、大気が侵入する。この大気が熱処理炉内に残留していると、熱処理雰囲気ガスの組成が変化して、FeRAMの不良品発生率が増加する。しかし、本実施例では、熱処理炉内を熱処理雰囲気ガスで置換するので、熱処理雰囲気ガスの組成が変化することはない。従って、FeRAMの不良品発生率が高くなることはない。
【００９２】
次に、マスフローメータ３２ｂの流量すなわち排気流量を、２.０リッタ/分に設定する。このまま、熱処理炉１４ａ内のガスの流れが安定するまで、１０〜３０秒待機する（ステップＳ１０）。
【００９３】
次に、熱処理雰囲気ガスの供給及び熱処理炉の排気を継続したまま、熱処理装置３４の電源ユニット、温度モニタ、及び温度制御装置を動作させて、強誘電体材料膜１７４の形成されたＳｉ基板２を加熱する（ステップＳ１２）。
【００９４】
熱処理温度は５５０℃〜５７０℃（例えば、５６３℃）であり、熱処理時間は６０秒〜１２０秒（例えば、９０秒）である。この熱処理の間、排気流量は、排気ユニット３１によって、一定になるように制御されている。従って、排気ダクト２４内の圧力が変動しても、熱処理炉１４ａ内の熱処理雰囲気ガスの流速は変動しない。故に、熱処理条件は最適化された条件に保たれ、熱処理によって形成される強誘電体膜の膜質は高く維持される。従って、FeRAMの不良品発生率が低下することはない。
【００９５】
図１４は、熱処理期間中のＳｉ基板２の温度変化を説明する図である。縦軸はＳｉ基板２の温度である。横軸は、ランプ１２が点灯してからの経過時間である。
【００９６】
図１４に示すように、ランプ１２が点灯するとＳｉ基板２の温度は、急速に上昇する（期間I）。その後、Ｓｉ基板２の温度は、上述した温度モニタ及び温度制御装置の働きにより、例えば、５６３℃に９０秒間保持される（期間II）。その後、ランプ１２が消灯し、Ｓｉ基板２の温度は除々に低下する（領域III）。
【００９７】
そして、Ｓｉ基板２の温度が、例えば３５０℃に低下した時点で、Ｓｉ基板２を熱処理炉１４ａから搬出する（ステップＳ１４）。
【００９８】
次に、Ｓｉ基板２を、クールプレートに載置する（ステップＳ１６）。
【００９９】
以上の工程により、強誘電体材料膜１７２を形成したＳｉ基板２の熱処理が終了する。
【０１００】
本実施例では、熱処理雰囲気ガスの供給流量と熱処理炉１４ａの排気流量を等しくする。しかし、熱処理雰囲気ガスの供給流量と熱処理炉１４ａの排気流量は、等しくなくてもよい。例えば、熱処理炉１４ａの排気流量は、熱処理雰囲気ガスの供給流量の０.９倍以上１.１倍以下であってもよい。
【０１０１】
熱処理時間が例えば９０秒である場合、熱処理炉１４ａ内の圧力は、熱処理終了時点で、大気圧の０.８５倍〜１.１５倍になる。しかし、熱処理炉内の圧力がこの程度変化しても、熱処理ガスの供給流量及び熱処理炉の排気流量を一定に保つことは可能である。
【０１０２】
熱処理炉１４ａの排気流量が、熱処理雰囲気ガスの供給流量の０.９５倍以上１.０５倍以下の場合は、熱処理終了時点における熱処理炉内の圧力が大気圧の０.９３倍〜１.８倍以下なので、更に好ましい。
【０１０３】
（iii）熱処理後の工程（図１０〜図１２）
次に、図１０（ａ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【０１０４】
まず、結晶化した強誘電体膜１７４の上に、スパッタリングにより、厚さ５０ｎｍのＩｒＯ２膜を形成する。尚、Ｐｔ膜の代わりに、Ｒｕ膜、Ｒｈ膜、Ｒｅ膜、Ｏｓ膜、又はこれらの導電性酸化物を形成してもよい。
【０１０５】
次に、ＩｒＯ２膜を形成したＳｉ基板２を、酸素とアルゴンの混合ガスを熱処理雰囲気ガスとして供給しながら、７００℃〜７２０℃（例えば、７０８℃）で１０秒間〜３０秒間（例えば、２０秒間）の条件で熱処理する。酸素の流量は０.０１リッタ/分〜０.０３リッタ/分（例えば、０.０２リッタ/分）であり、アルゴンの流量は１.０リッタ/分〜３.０リッタ/分（例えば、２.０リッタ/分）である。この熱処理により、図９（ｂ）を参照して説明した熱処理工程により結晶化した、強誘電体膜１７４の膜質が向上する。
【０１０６】
尚、以上のように熱処理を２度行わず、１度の熱処理により強誘電体膜を形成してもよい。その場合には、熱処理温度を、１度目の熱処理温度より高くする（例えば、５９０℃）。
【０１０７】
２度目の熱処理後、上記ＩｒＯ２膜の上に、スパッタリングにより厚さ２００ｎｍのＩｒＯ２膜を再度形成する。このような２度のＩｒＯ２膜の形成により、強誘電体膜１７４の上に、ＩｒＯ２膜１７５を形成する（図１０（ａ）参照）。このＩｒＯ２膜１７５は、強誘電体キャパシタ１２４の上部電極１３０になる。
【０１０８】
次に、図１０（ｂ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。まず、フォトリソグラフィ法により、強誘電体キャパシタの上部電極形成領域の上を覆うレジスト膜を形成する。その後、このレジスト膜をマスクとしてＩｒＯ２膜１７５をエッチングして、上部電極１３０を形成する。次いで、上部電極１３０の上のレジスト膜を除去する。
【０１０９】
次に、強誘電体膜１７４の回復アニールを実施する。すなわち、Ｓｉ基板２を加熱炉内に載置し、例えば酸素供給流量が２０リットル／分、温度が６５０℃、処理時間が６０分間の条件で熱処理を行う。
【０１１０】
強誘電体膜１７５の回復アニール処理後、フォトリソグラフィ法により、強誘電体キャパシタ形成領域の上方を覆うレジスト膜を形成する。そして、このレジスト膜をマスクとして強誘電体膜１７４をエッチングして、強誘電体層１２８を形成する。その後、強誘電体層１２８の上方のレジスト膜を除去する。
【０１１１】
次に、Ｓｉ基板２を加熱炉内に載置し、強誘電体層１２８の回復アニールを実施する。この回復アニールは、例えば加熱炉内への酸素供給流量が２０リットル／分、温度が３５０℃、処理時間が６０分間の条件で行う。
【０１１２】
次に、回復アニール後、スパッタリングにより、Ｓｉ基板２の全面にＡｌＯ膜（図示せず）を５０ｎｍ形成する。このＡｌＯ膜は、第２の水素バリア層１３２になる（図５参照）。その後、Ｓｉ基板２を加熱炉内に載置して、熱処理を実施する。この熱処理は、酸素供給流量が２０リットル／分、温度が５５０℃、処理時間が６０分間の条件で行う。
【０１１３】
次に、フォトリソグラフィ法により、強誘電体キャパシタの下部電極形成領域の上方を覆うレジスト膜を形成する。そして、このレジスト膜をマスクとして、上記ＡｌＯ膜及びＰｔ膜１７０をエッチングし、下部電極１２６を形成する。その後、下部電極１２６の上方のレジスト膜を除去する。
【０１１４】
次に、Ｓｉ基板２を加熱炉内に載置し、強誘電体層１２８の回復アニールを実施する。この回復アニールは、例えば加熱炉内への酸素供給流量が２０リットル／分、温度が６５０℃、処理時間が６０分間の条件で行う。このようにして、強誘電体キャパシタ１２４が完成する（図１０（ｂ）参照）。
【０１１５】
次に、強誘電体キャパシタ１２４を形成したＳｉ基板２の全面に、スパッタリングにより、ＡｌＯ膜（図示せず）を５０ｎｍ形成する。このＡｌＯ膜は、第３の水素バリア層１３４になる（図５参照）。その後、Ｓｉ基板２を加熱炉内に載置して、熱処理を実施する。この熱処理は、酸素供給流量が２０リットル／分、温度が５５０℃、処理時間が６０分間の条件で行う。
【０１１６】
次に、図１１（ａ）に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【０１１７】
まず、Ｓｉ基板２の上側全面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりＴＥＯＳ−ＮＳＧを１５００ｎｍの厚さに堆積させて第２の層間絶縁膜１３６を形成し、この第２の層間絶縁膜１３６により強誘電体キャパシタ１２４を覆う。その後、ＣＭＰ研磨により第２の層間絶縁膜１３６の上面を平坦化する。
【０１１８】
次に、第２の層間絶縁膜１３６の表面が平坦化されたＳｉ基板２をプラズマＣＶＤ装置に載置して、例えば基板温度が３５０℃で処理時間が２分間の条件で、第２の層間絶縁膜１３６のプラズマアニールを行う。プラズマの原料ガスは、Ｎ２Ｏガスである。このプラズマアニールによって、第２の層間絶縁膜１３６の表面が窒化される。
【０１１９】
次に、図１１（ｂ）に示す構造を形成するまでの工程について説明する。まず、第２の層間絶縁膜１３６の上にフォトレジスト膜１７６を形成する。そして、このフォトレジスト膜１７６を露光及び現像処理して、所定の位置に開口部１７８を形成する。その後、このフォトレジスト膜１７６をマスクとするエッチング処理を実施して、第２の層間絶縁膜１３６の上面から高濃度不純物領域１１２（トランジスタのソース／ドレイン）に到達するコンタクトホール１８０を形成する。
【０１２０】
なお、図１１（ｂ）に示すように、周辺回路形成領域において、コンタクトホール１８０と同時に、第２の層間絶縁膜１３６の上面から素子分離膜１０４上の配線１３９に到達するコンタクトホール１８０ａを形成する。
【０１２１】
次に、図１２に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
【０１２２】
まず、フォトレジスト膜１７６を除去する。その後、コンタクトホール１８０，１１８２ａを形成したＳｉ基板２の上側全面に、例えばスパッタリングにより、厚さが２０ｎｍのＴｉ膜と厚さが５０ｎｍのＴｉＮ膜（いずれも図示せず）とを順次形成する。その後、Ｓｉ基板２の上側全面に、例えばＣＶＤ法によりＷを堆積して、第２の層間絶縁膜１３６上にＷ膜を形成するとともに、コンタクトホール１８０，１８０ａにＷを充填する。
【０１２３】
次に、ＣＭＰ法により、第２の層間絶縁膜１３６上のＷ膜、ＴｉＮ膜及びＴｉ膜を除して、Ｗが充填されたプラグ１４４を形成する。
【０１２４】
次に、図４に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【０１２５】
まず、図１１（ｂ）及び図１２を参照して説明したプラグ１４４の形成工程と同様の手順によって、図５に示すように、強誘電体キャパシタ１２４の下部電極１２６及び上部電極１３０に接続するＷプラグ１４６ａ, １４６ｂを形成する。
【０１２６】
次に、Ｓｉ基板２の上側全面に、ＴｉＮを１５０ｎｍ、Ａｌ−Ｃｕ合金を５５０ｎｍ、Ｔｉを５ｎｍ、ＴｉＮを１５０ｎｍの厚さで順次堆積したアルミニウム積層膜を形成する。
【０１２７】
次に、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、このアルミニウム積層膜をパターニングして、第１配線層の配線１３８を形成する。第１配線層の配線１３８を形成した後、例えば窒素供給流量が２０リットル／分、温度が３５０℃、処理時間が３０分間の条件で熱処理を実施する。
【０１２８】
その後、上述した第２の層間絶縁膜１３６の形成工程、プラグ１４４の形成工程、及び第１の配線層１３８の形成工程と同様の手順を繰り返して、第３の層間絶縁膜１５０〜第５の層間絶縁膜１６０、プラグ１５２,１６０,１６４、第２の配線層１５４〜第４の配線層１６２を形成する。
【０１２９】
そして、プラズマＣＶＤ法により、第４の配線層１６２を形成したＳｉ基板２の上側全面にＴＥＯＳ−ＮＳＧを約１００ｎｍの厚さに堆積して、第４の配線層１６２を覆う第１のパッシベーション膜１６５ａを形成する。次に、この第１のパッシベーション膜１６５ａに、プラズマアニールを施す。その後、第１のパッシベーション膜１６５ａの上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮ膜を３５０ｎｍ堆積して、第２のパッシベーション膜１６５ｂを形成する。
【０１３０】
最後に、第２のパッシベーション膜１６５ｂの表面をポリイミド膜で覆い、第４の配線層１６２に含まれている外部端子の上で、パッシベーション膜１６５ａ,１６５bを除去する。
【０１３１】
以上の工程により、図４を参照して説明したFeRAMが完成する。
【０１３２】
（４）不良品発生率
図１５は、上記製造方法によって形成したFeRAMの不良品発生率を説明する図である。図１５に示す不良品発生率は、リテンション(Retention)不良率である。横軸は、ロットの処理順番を示すロット番号である。縦軸は、各ロットのリテンション不良率である。尚、夫々のロットは、直径８インチのＳｉウエハを２４枚有している。また、評価用のFeRAMを製造する際、上記製造方法において一定の範囲で示した製造条件（ガス流量、熱処理温度等）は、括弧内に例示した値を用いた（下記「（５）疲労特性」でも、同様である。）。
【０１３３】
リテンション(Retention)不良率は、以下のように測定する。
【０１３４】
まず、測定対象のロットから得られたFeRAMチップを全て動作させ、正常に動作するものを抽出する（１次試験）。
【０１３５】
次に、この１次試験に合格したチップに所定のデータパターン（例えば、”０”）を書込む。その後、温度が２５０℃で時間が４時間の条件で、このチップに１回目のエージング処理（熱処理）を施す。
【０１３６】
次に、１回目のエージング処理を施した全FeRAMチップを動作させて、書き込んだデータパターンが正しく保持されているチップを抽出する（２次試験）。
【０１３７】
この２次試験に合格したチップに、最初に書き込んだデータパターンとは逆のデータパターン（例えば、”１”）を書込む。その後、このチップに２回目のエージング処理（熱処理）を施す。２回目のエージング処理の温度及び時間も、夫々、１回目のエージング処理と同じ２５０℃及び４時間である。
【０１３８】
次に、２回目のエージング処理を施した全FeRAMチップを動作させて、上記逆のデータパターンが正しく保持されているチップを抽出する（３次試験）。
【０１３９】
この３時試験に合格したチップの数と１次試験に合格したチップの数の比が、各ロットのリテンション不良率である。
【０１４０】
図１５に示すように、本実施例によれば、いずれのロットに対してもリテンション不良率は１％前後であり、リテンション不良率のバラツキは小さい。従って、全ロットにおけるリテンション不良率の平均値も、約１％と小さくなっている。
【０１４１】
図１６は、排気口を直接排気ダクトに接続した熱処理炉を用いて製造したFeRAMの不良品発生率を説明する図である。すなわち、排気流量を一定に制御しない熱処理装置で、強誘電体材料膜１７２を熱処理して得たFeRAMのリテンション不良率である。但し、熱処理時の酸素流量は、０.０５５リッタ/分である。この酸素流量は、熱処理炉を直接排気ダクトに接続した場合の最適値である。尚、熱処理炉の排気口を直接排気ダクトに接続してFeRAMを製造する場合、その製造例を比較例と呼ぶこととする。比較例の製造工程は、上記酸素流量以外は、本実施例の製造方法と同じである。
【０１４２】
図１６に示すように、比較例においても、リテンション不良率が、１％以下になる場合がある。この値は、本実施例のリテンション不良率の最低値と略同じである。しかし、図１６の比較例では、リテンション不良率が大きく変動している。その結果、全ロットにおけるリテンション不良率の平均値は、約６％と大きな値になる。
【０１４３】
一方、上述したように、本実施例のリテンション不良率の平均値は、約１％である。このため、本実施例によれば、リテンション不良率の平均値すなわち製品全体としての不良品発生率が小さくなる。
【０１４４】
図１７は、本実施例における熱処理後の強誘電体膜１７４の（２２２）配向率を説明する図である。横軸は（２２２）配向率である。縦軸は、（２２２）配向率が横軸に示す各値になったＳｉ基板の枚数である。測定した全Ｓｉ基板の枚数は１００枚である。
【０１４５】
（２２２）配向率は、強誘電体膜１７４をＸ線回折（X-ray diffraction）で測定し、得られた主な結晶面のピーク強度の総和に対する（２２２）結晶面のピーク強度の比である。ここで、主な結晶面とは、（２２２）結晶面、（１０１）結晶面、及び（１００）結晶面である。ＸＤＲ測定は、２回目の熱処理（結晶化後の再熱処理）の後に行った。
【０１４６】
強誘電体材料膜１７２を熱処理すると、（２２２）方向に配向した結晶が成長する。但し、この結晶は、（１００）方向及び（１０１）方向に配向した微結晶を含有している。
【０１４７】
これらの結晶のうち、（２２２）方向に配向した部分が、強誘電体膜１２８の分極に寄与する。一方、（１００）方向に配向した部分は、分極に寄与しない。更に、（１０１）方向に配向した部分は、強誘電体層の分極を阻害する。
【０１４８】
ところで、強誘電体層１２８の分極量が大きいほど、FeRAMのデータ保持力が高くなり、リテンション不良率が小さくなる。従って、強誘電体膜１７４の（２２２）配向率が高いほど、リテンション不良率は小さくなる。
【０１４９】
図１８は、上記比較例における強誘電体膜の（２２２）配向率を説明する図である。  図１７と図１８を比較すると明らかなように、本実施例における（２２２）配向率（図１７参照）のバラツキは、比較例の配向率（図１８参照）のバラツキより小さい。この（２２２）配向率のバラツキがリテンション不良率に反映され、本実施例のリテンション不良率のバラツキ（図１５参照）を、比較例のリテンション不良率のバラツキ（図１６参照）より小さくしていると考えられる。
【０１５０】
（５）疲労特性
図１９は、本実施例によって製造したFeRAMの疲労特性を説明する図である。横軸は、FeRAMに"1"と"0"を交互に書き込んだ回数である。縦軸は、書き込みを横軸に示す回数を繰り返した後、強誘電体キャパシタに発生する残留分極量を測定した値である。図２０は、上記比較例によって製造したFeRAMの疲労特性を説明する図である。
【０１５１】
図１９には、同じ熱処理炉を用いて１０枚目に熱処理したＳｉ基板から得られたFeRAMの疲労特性１８４と、２０枚目に熱処理したＳｉ基板から得られたFeRAMの疲労特性１８６と、３０枚目に熱処理したＳｉ基板から得られたFeRAMの疲労特性１８８が示されている。
【０１５２】
同じく、図２０には、同じ熱処理炉を用いて１０枚目に熱処理したＳｉ基板から得られたFeRAMの疲労特性１８４ａと、２０枚目に熱処理したＳｉ基板から得られたFeRAMの疲労特性１８６ａと、３０枚目に熱処理したＳｉ基板から得られたFeRAMの疲労特性１８８ａが示されている。
【０１５３】
図１９に示すように、本実施例によれば、同じ熱処理炉を用いて強誘電体材料膜の熱処理を繰り返しても、得られるFeRAMの疲労特性は殆ど変化しない。一方、図２０に示すように、比較例によると、同じ熱処理炉を用いて強誘電体材料膜の熱処理を繰り返すことによって、得られるFeRAMの疲労特性は除々に劣化していく。
【０１５４】
FeRAMの疲労特性の劣化は、熱処理炉内に蓄積したＰｂ等の低融点金属が、熱処理中に、強誘電体膜に再付着するために起きると考えられる。比較例では、熱処理炉の排気が、排気ダクト２４の状態によって変動する。従って、熱処理によって強誘電体材料膜から蒸発したＰｂ等の低融点金属が、円滑に排気されない。このため、Ｐｂ等の低融点金属が、熱処理炉内に蓄積しやすい。このため、熱処理回数が増えるほど、図２０に示すように、疲労特性が劣化すると考えられる。
【０１５５】
一方、本実施例では、熱処理の間、熱処理炉を一定の流量で排気しているので、熱処理炉は常に円滑に排気されている。従って、熱処理炉内へのＰｂ等の蓄積が起こり難い。故に、同じ熱処理炉を用いて熱処理を繰り返しても、図１９に示すように、疲労特性は劣化しない。
【０１５６】
ところで、強誘電体材料膜の熱処理の間、熱処理雰囲気ガスの供給及び排気を停止しても、所定の性能を備えたFeRAMの製造は可能である。しかし、熱処理雰囲気ガスの供給及び排気を行わずにFeRAMの製造を続けると、疲労特性が、熱処理回数の増加とともに劣化する。しかも、熱処理回数に対する劣化の速度は、図２０に示す比較例における劣化速度より速い。
【０１５７】
熱処理炉の排気を行わないと、熱処理炉内は、熱処理の度Ｐｂ等の低融点金属によって確実に汚染される。このため、熱処理炉の排気を行わずに熱処理を行うと、疲労特性が急速に劣化する。
【０１５８】
一方、本実施例では、熱処理の間、熱処理炉内を常に所定の流量（＞０）で排気する。従って、同じ熱処理炉を用いて繰り返し熱処理を行っても、FeRAMの疲労特性が劣化することはない。
【０１５９】
（６）変形例
上述したFeRAMの製造方法では、熱処理の間、基板載置台４０を静止させている。しかし、Ｓｉ基板２を載置した基板載置台７２を回転させながら、熱処理を行ってもよい。Ｓｉ基板が回転すると、熱処理雰囲気ガスが、強誘電体材料膜１７２に均等に供給される。このため、強誘電体材料膜１７２の結晶化が強誘電体材料膜の表面全体に亘って均一に進み、同一基板内における膜質のバラツキが小さくなる。このため、FeRAMの不良品発生率が小さくなる。
【０１６０】
本実施例では、熱処理後の冷却期間(図１４の期間III)中も、熱処理中と同じ流量の熱処理雰囲気ガスを供給しながら熱処理炉を排気する。しかし、基板を冷却期している間、熱処理雰囲気ガス及び熱処理炉の排気流量を増加させもよい。例えば、冷却期間中のガス供給流量を、熱処理中のガス供給流量の１．１倍から１０倍に増加させてもよい。
【０１６１】
このようにすると、強誘電体材料膜１７２から蒸発した低融点金属を、熱処理炉内から効率的に除去することができる。従って、FeRAMの疲労特性の劣化速度を、更に遅くすることができる。この際、熱処理雰囲気ガスを予め加熱してから熱処理炉内に供給すると、より効果的である。熱処理雰囲気ガスの加熱は、熱処理炉１４ａとガス混合器３６の間に加熱器を設けて行えばよい。
【０１６２】
尚、熱処理期間中における基板載置台４０の回転数は、１回転以上が好ましい。回転数が２回転以上で且つ整数回であれば、更に好ましい。基板載置台４０を回転させるためには、回転軸３８に接続された駆動装置を動作させればよい。
【実施例２】
【０１６３】
本実施例は、実施例１と同様、FeRAMの製造方法に関するものである。従って、実施例１と重複する部分は、説明を省略する。
【０１６４】
図２１は、本実施例で使用する熱処理装置７２の構成を説明する断面図である。図２２は、本熱処理装置７２の基板載置台４０及びその近傍の構成を説明する平面図である。
【０１６５】
本実施例の熱処理装置７２は、図２１及び図２２に示すように、滑らかな閉曲線（円、楕円など）に沿って設けられ内壁７４と、この内壁７４の内側に設けられた基板載置台４０を有している。そして、本熱処理装置７２では、この内壁７４の内側に、熱処理雰囲気ガスの供給口２０と熱処理炉の排気口２２が設けられている。
【０１６６】
本実施例における強誘電体材料膜１７２の熱処理は、以下のように行われる。
【０１６７】
まず、熱処理炉１４ａの側面に設けられた扉（図示せず）及び内壁７４の側面に設けられた扉（図示せず）を開ける。次に、内壁７４の内側に設けられた基板載置台４０に、強誘電体材料膜１７２を形成したＳｉ基板２を配置する。
【０１６８】
次に、マスフローメータ３２ｃ,３２ｄを動作させて熱処理雰囲気ガスを生成し、
内壁７４の内側に設けられたガス供給口２０を通して、一定流量の熱処理雰囲気ガスを内壁７４の内側に供給する。
【０１６９】
次に、マスフローメータ３２ｂの排気バルブを開放し、内壁７４の内側に設けられた排気口２２を通して、熱処理炉１４ａの内部を排気する。そのまま所定の時間（例えば、１分間）待機し、熱処理炉１４ａの内部を、熱処理雰囲気ガスで置換する。
【０１７０】
次に、マスフローメータ３２ｂ（排気ユニット）の流量を一定値（例えば、熱処理雰囲気ガスの流量に等しい値）に設定して、熱処理炉１４ａ内のガスの流量が整流するまで待機する。
【０１７１】
その後、実施例１のステップＳ１２〜Ｓ１６と同様の工程を実施する。以上により、本実施例による強誘電体材料膜の熱処理工程が完了する。
【０１７２】
ところで、実施例１では熱処理炉が箱型なので、熱処理雰囲気ガスが、熱処理炉の隅に滞留しやすくなっている。
【０１７３】
しかし、本実施例では、熱処理雰囲気ガスが滑らかな閉曲線に沿って設けられ内壁の内側に供給されるので、熱処理雰囲気ガスの滞留は殆ど起こらない。従って、本実施例によれば、熱処理炉内へのＰｂ等の付着が抑制されので、Ｐｂ等の再付着によるFeRAMの疲労劣化の速度は更に遅くなる。
【実施例３】
【０１７４】
本実施例は、実施例１と同様、FeRAMの製造方法に関するものである。従って、実施例１と重複する部分は、説明を省略する。図２３は、本実施例の熱処理装置の基板載置台４０及びその近傍の構成を示す平面図である。
【０１７５】
本熱処理装置では、図２３に示すように、基板載置台４０の外周に沿って複数のガス供給口２０aが設けられている。複数のガス供給口２０ａは,複数のグループ１９０ａ,グループ１９０b,グループ１９０ｃ,グループ１９０ｄに分割れている。夫々のグループに属するガス供給口は、同時に熱処理雰囲気ガスを供給する。一方、夫々のグループは、他のグループが熱処理雰囲気ガスを供給している間は、熱処理雰囲気ガスを供給しない。そして、熱処理の間、所定の回転方向（右回り又は左回り）に沿って、熱処理雰囲気ガスを供給するグループが移動して行く(例えば、グループ１９０ａ→グループ１９０b→グループ１９０ｃ→グループ１９０ｄ→グループ１９０ａ)。
【０１７６】
すなわち、本実施例では、熱処理雰囲気ガスの供給が、Ｓｉ基板２の外周に沿って周回するガス供給位置（熱処理雰囲気ガスを供給しているグループの位置）を通して行われる。
【０１７７】
同様に、本熱処理装置では、図２３に示すように、基板載置台４０の外周に沿って複数の排気口２２aが設けられている。排気口２２ａは、複数のグループ１９２ａ,グループ１９２b,グループ１９２ｃ,グループ１９２ｄに分割されている。夫々のグループに属する排気口は、同時に熱処理炉を排気する。一方、夫々のグループは、他のグループが熱処理炉を排気している間は、熱処理炉を排気しない。
【０１７８】
そして、熱処理の間、所定の回転方向（右回り又は左回り）に沿って、熱処理炉を排気するグループが移動して行く(例えば、グループ１９２ａ→グループ１９２b→グループ１９２ｃ→グループ１９０２ｄ→グループ１９２ａ)。
【０１７９】
すなわち、本実施例では、熱処理炉の排気が、Ｓｉ基板２の外周に沿って周回する排気位置（熱処理炉を排気しているグループの位置）を通して行われる。ここで、熱処理雰炉を排気しているグループ（例えば、グループ１９２ａ）は、熱処理雰囲気ガスを供給しているガス供給口のグループ（例えば、グループ１９０ｃ）と、Ｓｉ基板２（基板載置台４０）を挟んで対向するように周回する。
【０１８０】
尚、図２３に示すように、ガス供給口２０ａは、Ｓｉ基板２の外周の外側であって、Ｓｉ基板２の上側に開口している。一方、排気口２２ａは、Ｓｉ基板２の外周の内側であって、Ｓｉ基板２の下側に開口している。
【０１８１】
本実施例では、熱処理雰囲気ガスの供給位置及び熱処理炉の排気位置がＳｉ基板の外周に沿って周回するので、熱処理の間、Ｓｉ基板２を回転しなくても、熱処理雰囲気ガスを強誘電体材料膜１７２の表面に均等に供給することができる。従って、強誘電体材料膜の結晶化が強誘電体材料膜の表面全体に亘って均一に進むので、同一基板内における膜質のバラツキが小さくなる。このため、FeRAMの不良品発生率が、更に小さくなる。
【０１８２】
尚、グループ化された複数のガス供給口の代わりに、円弧状のガス吸気口を用いてもよい。同様に、グループ化された排気口の代わりに、円弧状の排気口を用いてもよい。
【０１８３】
ところで、以上の例（実施例等）で製造するデバイスはFeRAMであるが、強誘電体膜を有する他のデバイス、例えば、圧電素子や焦電素子等の他のデバイスを製造してもよい。
【０１８４】
また、以上の例で製造するFeRAMは、１Ｔ１Ｃ型のFeRAMである。しかし、MFSFET(Metal Ferroelectric Insulator Semicondutor Fied Effect Transistor)型FeRAM等を、製造してもよい。
【０１８５】
また、以上の例では、Ｓｉ基板を用いているが、化合物半導体基板、金属基板、セラミック基板等の他の基板を用いてもよい。
【０１８６】
また、以上の例で説明した強誘電体膜は、PZTである。しかし、強誘電体膜は、他の強誘電体、例えば、ペロブスカイト結晶構造を有する強誘電体酸化物（例えば、SBT(SrBi2Ta2O9)）であってもよい。
【０１８７】
また、以上の例では、強誘電体材料膜を、強誘電体酸化物ターゲットをスッパターリングして形成している。しかし、ゾルゲル法により、強誘電体材料膜を形成してもよい。
【０１８８】
また、以上の例では、熱処理雰囲気ガスは、酸素とアルゴンの混合ガスである。しかし、熱処理雰囲気ガスは、他のガスであってもよい。例えば、酸素とキセンノン（或いは、ヘリウム、ネオン、窒素等の不活性ガス）との混合ガスであってもよい。
【０１８９】
また、以上の例では、マスフローメータにより排気流量等を一定にしている。しかし、マスフローメータの代わりに、圧力補償付流量制御弁など他の流量制御バルブを用いてもよい。
【０１９０】
以上の実施例１〜３を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１９１】
（付記１）
基板上に強誘電体材料膜を形成する第１の工程と、
前記強誘電体材料膜を形成した前記基板を熱処理炉内に配置し、前記熱処理炉内に熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、前記第１の流量に対応する第２の流量で前記熱処理炉内を排気しながら、前記強誘電体材料膜を加熱して強誘電体膜を形成する第２の工程とを有する、
強誘電体膜を有するデバイスの製造方法。
【０１９２】
（付記２）
付記１のデバイスの製造方法において、
前記第２の流量が、前記第１の流量に対して、０．９倍以上１．１倍以下であることを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【０１９３】
（付記３）
付記１又は２に記載のデバイスの製造方法において、
前記第２の工程を実施している間、前記熱処理炉に接続された排気バルブの開度を、前記第２の流量が一定に保たれるように制御することを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【０１９４】
（付記４）
付記１乃至３のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法において、
前記第２の工程における前記基板の配置が、滑らかな閉曲線に沿って前記熱処理炉内に設けられた内壁の内側で行われ、
前記第２の工程における前記熱処理雰囲気ガスの供給が、前記内壁の内側に設けられたガス供給口を通して行われ、
前記第２の工程における前記熱処理炉内の排気が、前記内壁の内側に設けられた排気口を通して行われることを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【０１９５】
（付記５）
付記１乃至４のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法において、
前記第２の工程において、前記基板を回転することを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【０１９６】
（付記６）
付記１乃至４のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法において、
前記第２の工程における前記熱処理雰囲気ガスの供給が、前記基板の外周に沿って周回するガス供給位置を通して行われ、
前記第２の工程における前記熱処理炉内の排気が、前記ガス供給位置に対向しながら、前記外周に沿って周回するガス排気位置を通して行われることを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【０１９７】
（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載のデバイスの製造方法において、
前記第１の工程と前記第２の工程の間に、前記熱処理炉内部の体積以上の前記熱処理雰囲気ガスを前記熱処理炉に供給して、前記熱処理炉の内部を前記熱処理雰囲気ガスで置換することを、
特徴とするデバイスの製造方法。
【０１９８】
（付記８）
強誘電体材料膜が形成された基板の熱処理を行う熱処理炉と、
前記熱処理炉に熱処理雰囲気ガスを第１の流量で供給すると共に、前記第１の流量に対応する第２の流量で前記熱処理炉内を排気する供給排気ユニットを、
有する熱処理装置。
【０１９９】
（付記９）
付記８に記載の熱処理装置において、
前記熱処理炉が前記基板を熱処理している間、前記供給排気ユニットが、前記第２の流量が一定に保たれるように、前記熱処理炉に接続された排気バルブの開度を制御することを、
特徴とする熱処理装置。                  
【０２００】
（付記１０）
付記８又は９に記載の熱処理装置において、
前記熱処理炉が、滑らかな閉曲線に沿って設けられた内壁と、前記内壁の内側に設けられた基板載置台を有し、
前記熱処理雰囲気ガスのガス供給口と前記熱処理炉の排気口が、前記内壁の内側に設けられていることを、
特徴とする熱処理装置。
【０２０１】
（付記１１）
付記８又は９に記載の熱処理装置において、
基板を載置する基板載置台と、
前記基板載置台の外周に沿って配置された複数のガス供給口と、
前記基板載置台の外周に沿って配置された複数の排気口とを有し、
熱処理の間、所定の回転方向に沿って、前記熱処理雰囲気ガスを供給しているガス供給口が移動し、
熱処理の間、前記所定の回転方向沿って、前記熱処理炉を排気している前記排気口が移動することを、
特徴とする熱処理装置。
【符号の説明】
【０２０２】
２・・・Ｓｉ基板
８・・・強誘電体材料膜      ９・・・強誘電体膜
１４・・・熱処理炉      １６,１６a・・・熱処理雰囲気ガス
２０,２０ａ・・・ガス供給口   ２２・・・排気口
３０,３０ａ, ３０b・・・供給排気ユニット
【図１】
2011023454.tif 000003
【図２】
2011023454.tif 000004
【図３】
2011023454.tif 000005
【図４】
2011023454.tif 000006
【図５】
2011023454.tif 000007
【図６】
2011023454.tif 000008
【図７】
2011023454.tif 000009
【図８】
2011023454.tif 000010
【図９】
2011023454.tif 000011
【図１０】
2011023454.tif 000012
【図１１】
2011023454.tif 000013
【図１２】
2011023454.tif 000014
【図１３】
2011023454.tif 000015
【図１４】
2011023454.tif 000016
【図１５】
2011023454.tif 000017
【図１６】
2011023454.tif 000018
【図１７】
2011023454.tif 000019
【図１８】
2011023454.tif 000020
【図１９】
2011023454.tif 000021
【図２０】
2011023454.tif 000022
【図２１】
2011023454.tif 000023
【図２２】
2011023454.tif 000024
【図２３】
2011023454.tif 000025