(57)【要約】【課題】Ｓｒ２（Ｔａ１−ｘＮｂｘ）Ｏ７（０≦ｘ≦１）の強誘電体膜の比誘電率を低下させつつ，抗電界を増大させる。【解決手段】スパッタリング装置１の処理室Ｓの内側表面であってターゲット１５の周辺に，ターゲット１５と同じ材質の保護部材３５が取り付けられる。そして，金属酸化物からなる下部導電体膜の形成されたウェハＷが，前記装置１においてスパッタ処理され，下部導電体膜上に強誘電体膜が形成される。強誘電体膜が形成されたウェハＷは，アニール装置において加熱され，強誘電体膜が酸化される。こうすることによって，従来実現できなかった比誘電率が３５で，抗電界が５０ｋＶ／ｃｍを超える強誘電体膜が形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられ，
比誘電率が４０未満で，かつ抗電界が５０ｋＶ／ｃｍを超えることを特徴とする，強誘電体膜。
【請求項２】
酸素ラジカルによって酸素成分が導入された膜層を有することを特徴とする，請求項１に記載の強誘電体膜。
【請求項３】
前記膜層は，希ガス成分を含有することを特徴とする，請求項２に記載の強誘電体膜。
【請求項４】
前記希ガス成分は，Ｋｒであることを特徴とする，請求項３に記載の強誘電体膜。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の強誘電体膜を有する半導体装置。
【請求項６】
前記強誘電体膜の下地の材料には，金属酸化物が用いられていることを特徴とする，請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記強誘電体膜の両面に，前記強誘電体膜を挟むように上部導電体膜と下部導電体膜を有し，
前記強誘電体膜，前記上部導電体膜及び前記下部導電体膜によってキャパシタが形成されていることを特徴とする，請求項５又は６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
ゲートに前記キャパシタが接続された電界効果型トランジスタを有することを特徴とする，請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
強誘電体膜の製造方法であって，
処理室の少なくともターゲット周辺の内側表面がターゲットと同様の構成材質で形成されている処理室内において，ターゲットに対しプラズマ中のイオンを衝突させ，当該衝突によって発生したターゲット原子を下地に堆積させることによって，強誘電体膜を形成する膜形成工程と，
前記強誘電体膜を加熱し，酸化する加熱工程と，を有することを特徴とする，強誘電体膜の製造方法。
【請求項１０】
前記膜形成工程は，
下地上に比較的に薄い下層強誘電体膜を形成する第１の膜形成工程と，
その後，前記下層強誘電体膜に，プラズマによって発生させた酸素ラジカルによって酸素成分を導入する酸素導入工程と，
その後，前記下層強誘電体膜の上に，比較的厚い上層強誘電体膜を形成する第２の膜形成工程と，を有することを特徴とする，請求項９に記載の強誘電体膜の製造方法。
【請求項１１】
前記加熱工程は，
強誘電体膜を結晶化させるための結晶化工程と，
強誘電体膜上に上部膜が形成された後に前記強誘電体膜の酸素成分量を回復させるための酸素成分回復工程と，を有することを特徴とする，請求項９又は１０のいずれかに記載の強誘電体膜の製造方法。
【請求項１２】
前記酸素成分回復工程では，プラズマにより発生させた酸素ラジカルによって強誘電体膜が酸化されることを特徴とする，請求項１１に記載の強誘電体膜の製造方法。
【請求項１３】
前記強誘電体膜の温度がキュリー温度以上になるように前記強誘電体膜を加熱し，その後当該強誘電体膜が降温し強誘電体膜の温度がキュリー温度を通過する際に，前記強誘電体膜に所定方向の電界を印可する工程を有することを特徴とする，請求項９，１０，１１又は１２のいずれかに記載の強誘電体膜の製造方法。
【請求項１４】
前記強誘電体膜の膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられ，
前記処理室の少なくともターゲット周辺の内側表面は，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする材質で形成されていることを特徴とする，請求項９，１０，１１，１２又は１３のいずれかに記載の強誘電体膜の製造方法。
【請求項１５】
強誘電体膜の温度がキュリー温度以上になるように強誘電体膜を昇温し，その後，当該強誘電体膜が降温し強誘電体膜の温度がキュリー温度を通過する際に，強誘電体膜に所定方向の電界を印可することを特徴とする，強誘電体膜の製造方法。
【請求項１６】
被処理体を収容する処理室において，ターゲットにプラズマ中のイオンを衝突させ，当該衝突によって飛び出したターゲット原子を被処理体に堆積させることによって，被処理体に強誘電体膜を形成する強誘電体膜の製造装置であって，
前記処理室の内側表面の少なくとも前記ターゲットの周辺部は，前記ターゲットと同様の構成材質で形成されていることを特徴とする，強誘電体膜の製造装置。
【請求項１７】
前記ターゲットの周辺部には，前記ターゲットと同様の構成材質の保護部材が取り付けられていることを特徴とする，請求項１６に記載の強誘電体膜の製造装置。
【請求項１８】
前記強誘電体膜の膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられており，
前記ターゲットと同様な構成材質は，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする材質であることを特徴とする，請求項１６又は１７のいずれかに記載の強誘電体膜の製造装置。
【請求項１９】
強誘電体膜をキュリー温度以上に加熱するための加熱手段と，
キュリー温度以上になった強誘電体膜が降温し強誘電体膜の温度が前記キュリー温度を通過する際に，当該強誘電体膜に所定方向の電界を印加するための電界印加手段と，を備えたことを特徴とする，強誘電体膜の製造装置。
【請求項２０】
前記強誘電体膜の膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられていることを特徴とする，請求項１９に記載の強誘電体膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，強誘電体膜，半導体装置，強誘電体膜の製造方法及び強誘電体膜の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
不揮発性の半導体メモリとして，強誘電体の自発分極状態を利用した強誘電体メモリがある。この強誘電体メモリは，電界の付加によって引き起こされる２つの安定した電気分極状態を「０」，「１」に対応させることによって記憶させている。この強誘電体メモリは，他の不揮発性のメモリに比べて消費電力が少なく，高速動作が可能なことで知られている。
【０００３】
強誘電体メモリは，例えばキャパシタ部分に強誘電体膜を有しており，例えばＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）型の強誘電体メモリには，シリコン半導体基板のチャンネル形成領域上に，ゲート絶縁膜，下部導電体膜，強誘電体膜，上部導電体膜が順に積層されているもの（ＭＦＭＩＳ−ＦＥＴ）やシリコン半導体基板上に，ゲート絶縁膜，強誘電体膜，上部導電体膜が順に積層されているもの（ＭＦＩＳ−ＦＥＴ）がある。
【０００４】
上記強誘電体膜の膜材料には，従来よりＰｂ２（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）（０≦ｘ≦１）（ＰＺＴ），ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）などの強誘電体材料が用いられてきたが，近年，比較的比誘電率が低く抑えることができ，かつ劣化し難いＳｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とするＳｒ２（Ｔａ１−ｘＮｂｘ）Ｏ７（０≦ｘ≦１）（以下「ＳＴＮ」という）が注目されている。
【０００５】
ところで，現在，ＳＴＮの強誘電体膜の成膜方法として，強誘電体材料の前駆体溶液を塗布し，乾燥し，有機物を蒸発させた後，高温で加熱して結晶化するゾル−ゲル法が用いられている（例えば，特許文献１参照。）。ＳＴＮはイオン化エネルギーの高いＴａやＮｂで組成されているため，ＴａやＮｂ原子の酸化には，極めて高いエネルギーが必要である。ゾル−ゲル法が採用されているのは，初めから前駆体内に酸素成分を含有し，比較的酸化エネルギーが少なくて済むためである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３２６８７２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上述のゾル−ゲル法を用いて成膜されたＳＴＮの強誘電体膜は，現在報告されているもので，比誘電率が４０で，強誘電性を示す抗電界が５０ｋＶ／ｃｍのものが最良であり，それ以上の特性を有するものが実現されていない。
【０００８】
強誘電体メモリは，強誘電体膜に電界を掛けたり電界を取り去ったりすることによって安定した分極状態を引き起こすものであり，強誘電体膜をより省電力で分極させるためには，強誘電体膜の比誘電率をより小さくする必要がある。また，強誘電体メモリの記憶等の動作をより安定して行うには，強誘電体膜の抗電界を大きくする必要がある。このように半導体メモリの省電力化，動作の安定化を図るため，さらに比誘電率が低く，抗電界の高い強誘電体膜の開発が重要な課題になっている。
【０００９】
本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，比誘電率がさらに低く，抗電界の大きいＳＴＮの強誘電体膜，当該強誘電体膜を有する半導体装置，強誘電体膜の製造方法及び強誘電体膜の製造装置を提供することをその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため，本発明の強誘電体膜は，膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられ，比誘電率が４０未満で，かつ抗電界が５０ｋＶ／ｃｍを超えることを特徴としている。
【００１１】
発明者らの検証によれば，スパッタリング処理を行う処理室のターゲット周辺の内側表面をターゲットと同じ材質で形成し，当該処理室内でスパッタリング処理により下地の表面に強誘電体膜を形成し，その後，当該強誘電体膜を加熱して酸化することによって，比誘電率が４０未満で，抗電界が５０ｋＶ／ｃｍを超えるＳＴＮの強誘電体膜が製造されることが分かった。この強誘電体膜によって，例えばより電力消費量が少なく，かつ動作の安定した強誘電体メモリが製造できる。
【００１２】
本発明の強誘電体膜は，酸素ラジカルによって酸素成分が導入された膜層を有していてもよい。強誘電体膜の一部の膜層に酸素成分が導入されていることによって，強誘電体膜内の酸素成分が不足することがなくなり，強誘電体膜の酸化が十分に行われる。したがって，強誘電体膜に，ＳＴＮのようなイオン化エネルギーの高い原子を有する膜材料を用いても，酸化が十分に行われ，抗電界などの特性の向上が図られる。
【００１３】
本発明の強誘電体膜の前記膜層は，希ガス成分を含有していてもよい。また，当該希ガス成分は，Ｋｒが好ましい。
【００１４】
本発明は，以上で記載した強誘電体膜を有する半導体装置であってもよい。この半導体装置の強誘電体膜の下地の材料には，金属酸化物が用いられていてもよい。
【００１５】
また，本発明の半導体装置は，前記強誘電体膜の両面に，前記強誘電体膜を挟むように上部導電体膜と下部導電体膜を有し，前記強誘電体膜，前記上部導電体膜及び前記下部導電体膜によってキャパシタが形成されていてもよい。さらに，本発明の半導体装置は，ゲートに前記キャパシタが接続された電界効果型トランジスタを有していてもよい。
【００１６】
本発明の強誘電体膜の製造方法は，処理室の少なくともターゲット周辺の内側表面がターゲットと同様の構成材質で形成されている処理室内において，ターゲットに対しプラズマ中のイオンを衝突させ，当該衝突によって発生したターゲット原子を下地に堆積させることによって，強誘電体膜を形成する膜形成工程と，前記強誘電体膜を加熱し，酸化する加熱工程と，を有することを特徴とする。
【００１７】
発明者らの検証によれば，本発明のように，処理室の内側表面のターゲット周辺をターゲットと同様な構成材質で形成し，当該処理室内でスパッタリング処理によって強誘電体膜の膜形成を行い，その後強誘電体膜を加熱し，酸化することによって，従来よりも比誘電率が低く，抗電界が大きく強誘電体膜が製造されることが分かった。本発明のようなスパッタリング法による成膜方法では，プラズマ中のイオンが過ってターゲット周辺に衝突することがある。本発明によれば，ターゲットの周辺をターゲット同様な材質で形成したため，当該ターゲットの周辺にイオンが衝突してもターゲットと同じターゲット原子しか飛び出すことはない。かかる点から，下地上に不純物のない高純度の膜が形成され，その結果，比誘電率が低く，抗電界の高い良質の強誘電膜が形成されていると推察できる。
【００１８】
また，本発明の強誘電体膜の製造方法における前記膜形成工程は，下地上に比較的に薄い下層強誘電体膜を形成する第１の膜形成工程と，その後，前記下層強誘電体膜に，プラズマによって発生させた酸素ラジカルによって酸素成分を導入する酸素導入工程と，その後，前記下層強誘電体膜の上に，比較的厚い上層強誘電体膜を形成する第２の膜形成工程と，を有していてもよい。かかる場合，強誘電体膜の下層に酸素成分が導入された薄い下層強誘電体膜が形成される。この下層強誘電体膜は，上層強誘電体膜内の酸素成分が下地側に拡散するのを防止する拡散防止層としての機能を果たす。したがって，強誘電体膜中の酸素成分が下地側に流出することがなくなるので，強誘電体膜が十分に酸化され，抗電界の高い良質の膜が形成される。
【００１９】
本発明の強誘電体膜の製造方法における前記加熱工程は，強誘電体膜を結晶化させるための結晶化工程と，強誘電体膜上に上部膜が形成された後に前記強誘電体膜の酸素成分量を回復させるための酸素成分回復工程と，を有していてもよい。
【００２０】
前記酸素成分回復工程では，プラズマにより発生させた酸素ラジカルによって強誘電体膜が酸化されてもよい。かかる場合，酸素ラジカルによって強誘電体膜がより強い酸化力で酸化されるので，比較的低温の加熱により強誘電体膜の酸素成分量の回復を行うことができる。
【００２１】
本発明は，前記強誘電体膜の温度がキュリー温度以上になるように前記強誘電体膜を加熱し，その後当該強誘電体膜が降温し強誘電体膜の温度がキュリー温度を通過する際に，前記強誘電体膜に所定方向の電界を印可する工程を有していてもよい。このようにキュリー温度の通過時に強誘電体膜に電界を印加することによって，強誘電体膜内の分極軸が一方向化される。この結果，抗電界が大きい良質の強誘電体膜が製造される。なお，「キュリー温度を通過する際」には，キュリー温度になった時点で電界を印加する場合のみならず，キュリー温度になる以前から電界を印可する場合をも含まれる。
【００２２】
また，本発明によれば，前記強誘電体膜の膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられ，前記処理室の少なくともターゲット周辺の内側表面は，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする材質で形成されていてもよい。
【００２３】
本発明によれば，強誘電体膜の温度がキュリー温度以上になるように強誘電体膜を昇温し，その後，当該強誘電体膜が降温し強誘電体膜の温度がキュリー温度を通過する際に，強誘電体膜に所定方向の電界を印可することを特徴とする強誘電体膜の製造方法が提供される。
【００２４】
この発明によれば，電界の印加によって強誘電体膜内の分極軸が一方向化される。この結果，より抗電界の大きい良質の強誘電体膜が形成される。
【００２５】
本発明の強誘電体膜の製造装置は，被処理体を収容する処理室において，ターゲットにプラズマ中のイオンを衝突させ，当該衝突によって飛び出したターゲット原子を被処理体に堆積させることによって，被処理体に強誘電体膜を形成する強誘電体膜の製造装置であって，前記処理室の内側表面の少なくとも前記ターゲットの周辺部は，前記ターゲットと同様の構成材質で形成されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば，イオンが過ってターゲットを外し，ターゲットの周辺に衝突した場合であっても，その衝突部からターゲットと同じ原子が飛び出す。したがって，被処理体に堆積される強誘電体膜に不純物が混入することがなく，純度の高い強誘電体膜が形成される。発明者らの検証によれば，かかる強誘電体膜の製造装置を用いることにより比誘電率が低く，抗電界が高い高品質の強誘電体膜が形成されることが確認されている。
【００２７】
本発明の強誘電体膜の製造装置において，前記ターゲットの周辺部には，前記ターゲットと同様の構成材質の保護部材が取り付けられていてもよい。また，本発明の強誘電体膜の製造装置では，前記強誘電体膜の膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられており，前記ターゲットと同様の構成材質は，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする材質であってもよい。
【００２８】
本発明の強誘電体膜の製造装置は，強誘電体膜をキュリー温度以上に加熱するための加熱手段と，キュリー温度以上になった強誘電体膜が降温し強誘電体膜の温度が前記キュリー温度を通過する際に，当該強誘電体膜に所定方向の電界を印加するための電界印加手段と，を備えたことを特徴とする。本発明における前記強誘電体膜の膜材料として，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とする強誘電体材料が用いられていてもよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について説明する。図１は，本発明の強誘電体膜の製造方法を実施するために用いた強誘電体膜の製造装置としてのスパッタリング装置１の縦断面の様子を模式的に示している。図２は，アニール装置２の縦断面の様子を模式的に示している。
【００３０】
スパッタリング装置１は，例えば上部が開口し，有底円筒状の処理容器１０と，処理容器１０の上部を閉鎖可能な蓋体１１とを備えている。蓋体１１により処理容器１０の上部を閉鎖することによって処理室Ｓが形成される。処理容器１０の底部には，強誘電体膜が形成される基板，例えば半導体ウェハ（以下「ウェハ」という）Ｗを載置する載置台１２が設けられている。この載置台１２には，図示しない吸引手段が設けられており，載置台１２は，載置したウェハＷを吸着保持できる。
【００３１】
載置台１２と対向する処理室Ｓの天井面，すなわち蓋体１１の下面の中央部には，例えば凹部１１ａが設けられており，この凹部１１ａには，電極１３が埋設されている。電極１３は，処理容器１０の外部に設けられた高周波電源１４からの電圧が印加自在になっている。電極１３の下面，つまり載置台１２と対向する面には，ターゲット１５が設けられている。ターゲット１５の材質は，ウェハＷに形成される強誘電体膜の種類によって定められており，ＳＴＮ（Ｓｒ２（Ｔａ１−ｘＮｂｘ）Ｏ７（０≦ｘ≦１））の強誘電体膜を形成する本実施の形態においては，ターゲット１５の材質には，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とするＳｒ２．５（Ｔａ０．７Ｎｂ０．３）２Ｏ７が用いられている。
【００３２】
例えば処理容器１０の一端の側面には，処理ガス導入口２０が設けられており，処理ガス導入口２０には，処理ガス供給源２１に通じる処理ガス供給管２２が接続されている。処理ガス供給管２２には，バルブ２３，マスフローコントローラ２４が設けられており，処理室Ｓ内には，所定圧の処理ガスを供給できる。本実施の形態においては処理ガス供給源２１に，処理ガスとして，酸素ガス（Ｏ２）と希ガスであるアルゴンガス（Ａｒ）の各供給源２５，２６が接続されている。なお，アルゴンガス（Ａｒ）の代わりにクリプトン（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ）等の他の希ガスを用いてもよい。
【００３３】
前記処理ガス導入口２０に対向する処理容器１０の他端の側面には，処理室Ｓ内を排気するための排気口３０が設けられている。排気口３０には，真空ポンプなどの排気装置３１に通じる排気管３２が接続されている。この排気口３０からの排気によって，例えば処理室Ｓ内を所定の圧力に減圧できる。
【００３４】
電極１３の高周波電圧によって，処理室Ｓ内に供給された処理ガスがプラズマ化し，アルゴンイオンが発生する。電極１３の電位を負電位に維持することによって，正電荷のアルゴンイオンがターゲット１５側に向けて飛翔し，衝突する。この衝突によって，ターゲット１５からターゲット原子であるＳＴＮ堆積種が飛び出す。このアルゴンイオンが衝突する可能性のある部分，例えば蓋体１１の下面におけるターゲット１５周辺部には，ターゲット１５と同様の構成材質で形成された保護部材３５が取り付けられている。つまり，保護部材３５は，Ｓｒ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とするＳｒ２．５（Ｔａ０．７Ｎｂ０．３）２Ｏ７の材質で形成されている。こうすることによって，アルゴンイオンが過ってターゲット１５の周辺部に衝突しても，その衝突部からＳＴＮ堆積種以外の他の不純物が飛び出ることがない。
【００３５】
また，処理ガスがプラズマ化された際に，処理室Ｓ内には酸素ラジカルが生じる。ターゲット１５から飛び出したＳＴＮ堆積種は，この酸素ラジカルによって酸化され，ウェハＷ表面に堆積する。処理室Ｓにおける酸素ラジカルに曝される部分，例えば処理室Ｓの内側表面であってウェハＷの高さより高い部分には，石英の被膜Ｋが被覆されている。この石英の被膜Ｋによって，酸素ラジカルの消失が抑制され，処理室Ｓ内のＳＴＮ堆積種がより確実に酸化される。
【００３６】
一方，アニール装置２は，図２に示すように例えば軸が水平方向に向けられた略円筒形状の筐体４０を有する。筐体４０の軸方向の側面部４０ａ，４０ｂは，フランジによって閉鎖されており，筐体４０内には，閉鎖された処理室Ｈが形成されている。筐体４０内の中央部には，ウェハＷを載置する載置板４１が設けられている。筐体４０の径方向の側面を覆う円筒部４０ｃは，肉厚に形成され，その中にヒータ４２が内蔵されている。ヒータ４２は，図３に示すように円筒部４０ｃの全周に渡って均等に内蔵されており，載置板４１上のウェハＷを全周方向から偏り無く加熱できる。図２に示すようにヒータ４２は，筐体４０の外部に設置された電源４３に接続されており，この電源４３からの給電によって発熱する。電源４３は，例えば温度コントローラ４４により制御されており，温度コントローラ４４は，電源４３の給電出力を変えることによってヒータ４２温度を制御できる。例えば載置板４１には，温度センサとしての熱電対Ｔが設けられている。熱電対Ｔによる温度測定結果は，温度コントローラ４４に出力でき，温度コントローラ４４は，この温度測定結果に基づいてヒータ４２温度を調整できる。
【００３７】
筐体４０の一端の側面部４０ａには，処理ガス導入口４５が開口しており，処理ガス導入口４５には，処理ガス供給源４６に通じる処理ガス供給管４７が接続されている。処理ガス供給管４７には，バルブ４８，マスフローコントローラ４９が設けられており，処理室Ｈ内に所定圧の処理ガスを供給できる。本実施の形態においては処理ガス供給源４６に，処理ガスとして，酸素ガスとアルゴンガスの各供給源５０，５１が接続されている。なお，アルゴンガスの代わりに窒素ガス（Ｎ２）を用いてもよい。
【００３８】
処理ガス導入口４５に対向する筐体４０の他端の側面部４０ｂには，筐体４０の外部に設置された排気装置５２に通じ処理室Ｈ内の雰囲気を排気するための排気口５３が設けられている。
【００３９】
スパッタリング装置１とアニール装置２は，以上のような構成を有しており，次に本発明の実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法を，半導体装置としての強誘電体メモリを製造する場合を例に採って説明する。
【００４０】
本実施の形態における強誘電体メモリは，例えば電界効果型トランジスタを用いた半導体メモリであり，例えば図４に示すようにシリコン（Ｓｉ）からなるウェハＷのチャンネル領域Ｒ上に，酸化シリコン（ＳｉＯ２）のゲートとしてのゲート絶縁膜Ｉが形成される。ゲート絶縁膜Ｉ上に，金属酸化膜，例えばＩｒＯ２膜からなる下部導電体膜Ｍ１が形成される。この下部導電体膜Ｍ１は，後述する強誘電体膜の下地膜として形成される。なお，この下部導電体膜Ｍ１は，後述する強誘電体膜と同じスパッタリング処理により形成されてもよい。
【００４１】
下部導電体膜Ｍ１が形成されたウェハＷは，スパッタリング装置１に搬送され，図１に示すように載置台１２上に保持される。ウェハＷが載置台１２に保持されると，排気口３０から処理室Ｓ内の気体が排気され，処理室Ｓ内が例えば４Ｐａ程度に減圧される。処理ガス供給口２０からは，アルゴンガスと酸素ガスが供給され，処理室Ｓ内がアルゴンガスと酸素ガスで満たされる。続いて，電極１３に負電位の高周波電圧が印加され，この高周波電圧によって処理室Ｓ内のガスがプラズマ化され，アルゴンガスはアルゴンイオンになる。このアルゴンイオンは，負電位の電極１３側に引き寄せられ，高速でターゲット１５に衝突する。ターゲット１５にアルゴンイオンが衝突すると，ターゲット１５からＳＴＮ堆積種が飛び出す。この飛び出したＳＴＮ堆積種は，酸素ガスがプラズマになることによって生じた酸素ラジカルによって酸化され，ウェハＷの表面に堆積される。こうしてウェハＷはスパッタリング処理され，図５に示すように下部導電体膜Ｍ１上にＳＴＮを膜材料とする強誘電体膜Ｆが形成される。
【００４２】
このＳＴＮ堆積種の堆積が所定時間継続され，例えば下部導電体膜Ｍ１上に２６０ｎｍの強誘電体膜Ｆが形成されると，高周波電圧の印加が停止され，スパッタリング装置１におけるスパッタリング処理が終了する。スパッタリング処理が終了すると，図２に示すようにウェハＷはアニール装置２に搬送され，ヒータ４２によって例えば９００℃に昇温された載置板４１上に載置される。処理ガス供給口４５から処理室Ｈ内に酸素ガスとアルゴンガスが導入されると共に，排気口５３からは処理室Ｈ内の気体が排気される。こうして処理室Ｈ内には，軸方向に流れる気流が形成され，処理室Ｈ内がパージされ続けると共に，処理室Ｈ内が酸素ガスとアルゴンガスの混合ガス雰囲気に置換される。９００℃に維持された載置板４１上に載置されたウェハＷは加熱され，強誘電体膜Ｆが酸化されて結晶化される。強誘電体膜Ｆが結晶化されると，ウェハＷがアニール装置２から取り出され，アニール処理が終了する。
【００４３】
アニール処理が終了すると，強誘電体膜Ｆ上に図６に示すような上部導電体膜Ｍ２が形成される。この上部導電体膜Ｍ２の成膜は，例えば上述したようなスパッタリング処理により行われる。上部導電体膜Ｍ２が形成されると，ウェハＷは，再びアニール装置２に搬送され，酸素ガス雰囲気内で加熱される。これにより，強誘電体膜Ｆの表面が再度酸化され，上部導電体膜Ｍ２の形成時に欠損した強誘電体膜Ｆ表面の酸素成分量が回復，補填される。その後，フォトリソグラフィー工程などが行われて，電界効果型トランジスタ型の強誘電体メモリが完成する。
【００４４】
次に，以上の方法で製造された強誘電体メモリの強誘電体膜Ｆの特性を図７，図８のグラフを用いて説明する。上記強誘電体膜Ｆのスパッタリング処理における処理条件は，
印加電圧の周波数：１３，５６ＭＨｚ
処理室圧力：４Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）
酸素分圧：６％
であり，強誘電体膜Ｆは，下地の下部導電体膜Ｍ１にＩｒＯ２が用いられ，ターゲット１５の周辺部に保護部材３５が取り付けられたスパッタリング装置１により形成された。図７は，強誘電体膜Ｆのヒステリシス特性を示すものであり，強誘電体膜Ｆの抗電界Ｅｃは５２ｋＶ／ｃｍであった。図８は，強誘電体膜ＦのＣ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）−Ｅ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）特性を示すものであり，強誘電体膜Ｆのキャパシタ面積Ｓが１．２×１０−３ｃｍ２で，膜厚ｄｆが２６０ｎｍの条件で，強誘電体膜Ｆの容量Ｃは１．４４×１０−４Ｆであった。これらの数値を，比誘電率εｆを算出する数式１：
εｆ＝（Ｃ・ｄｆ）／（ε０・Ｓ），（ε０：８．８５４×１０−１４Ｆ／ｃｍ）
に代入すると，強誘電体膜Ｆの比誘電率εｆは３５であった。
【００４５】
したがって，以上で記載した強誘電体膜の製造方法によれば，従来には無い比誘電率が４０以下で抗電界が５０ｋＶ／ｃｍを超える強誘電体膜Ｆが形成できる。発明者の知見によると，前記方法で実現された比誘電率の低下と抗電界の上昇は，ターゲット１５の周辺部に保護部材３５を取り付けたことによる。保護部材３５によって，アルゴンイオンの衝突部からＳＴＮ以外の堆積種が飛び出しウェハＷに堆積することを防止できるので，強誘電体膜Ｆへの不純物の混入を防止できる。この結果，純度の高い膜が形成され，比誘電率，抗電界の向上が図られている。また，強誘電体膜Ｆの下地に金属酸化膜を用いたので，強誘電体膜Ｆから下地を通じて酸素成分が流出し強誘電体膜Ｆの酸素成分が欠損することが防止できる。この結果，強誘電体膜Ｆ内のＴａ，Ｎｂ原子の酸化が十分に行われる。こうして製造された強誘電体膜Ｆを用いた強誘電体メモリは，例えば強誘電体膜Ｆとその両側の導電体膜Ｍ１，Ｍ２で構成されるキャパシタ部分に電界が掛かりやすくなる。この結果，より小さい電圧で強誘電体膜Ｆの分極状態を作り出すことができ，消費電力の少ない半導体メモリが実現できる。また，抗電界が大きいため，分極状態の安定した半導体メモリが実現できる。
【００４６】
以上の実施の形態で記載した強誘電体膜の製造方法では，一度のスパッタリング処理により強誘電体膜Ｆを形成していたが，先ず，薄い下層強誘電体膜を形成し，その薄い下層強誘電体膜に酸素ラジカルにより酸素を導入し，その後厚い上層強誘電体膜を形成するようにしてもよい。かかる場合を第２の実施の形態として説明する。
【００４７】
ここで，強誘電体膜に酸素ラジカルにより酸素を導入するためのプラズマ処理装置について説明する。図９は，プラズマ処理装置６０の縦断面の様子を模式的に示しており，このプラズマ処理装置６０は，例えばアルミニウム合金により形成されている。プラズマ処理装置６０は，天井部に開口部を備えた略円筒状の処理容器６１を備えている。この処理容器６１は接地されている。この処理容器６１の底部には，例えばウェハＷを載置するためのサセプタ６２が設けられている。このサセプタ６２は，処理容器６１の外部に設けられた交流電源６３からの給電によって，サセプタ６２内のヒータ６４が発熱し，サセプタ６２上のウェハＷを例えば４００℃程度まで加熱できる。
【００４８】
処理容器６１の底部には，ターボ分子ポンプなどの排気装置７０に通じ処理容器６１内の気体を排気するための排気口７１が設けられている。排気口７１は，例えば処理容器６１の側面部よりに設けられている。排気口７１のサセプタ６２を挟んだ反対側であって，処理容器６１の天井部には，供給口７２が設けられている。供給口７２には，処理ガス供給源７３に通じる供給管７４が接続されている。本実施の形態においては処理ガス供給源７３には，酸素ガスと希ガスのクリプトンガス（Ｋｒ）の各供給源７５，７６が接続されている。供給口７２から処理容器６１内に供給されたガスは，サセプタ６２のウェハＷ上を通過し，排気口７１から排気される。なお，クリプトンガスの代わりに他の希ガスを用いてもよい。
【００４９】
処理容器６１の上部開口には，気密性を確保するためのＯリングなどのシール材８０を介して，たとえば石英ガラスからなる誘電体窓８１が設けられている。この誘電体窓８１によって処理容器６１が閉鎖され，処理容器６１内に処理空間Ｕが形成される。
【００５０】
誘電体窓８１の上方には，アンテナ部材８２が設けられている。アンテナ部材８２の上部には，同軸導波管８３が接続されている。同軸導波管８３は，処理容器６１の外部に設置されたマイクロ波供給装置８４に接続されている。当該マイクロ波供給装置８４で発生させた例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は，同軸導波管８３を通じて，前記アンテナ部材８２に伝搬され，誘導体窓８１を介して処理空間Ｕ内に放射される。処理容器６１の側部には，ウェハＷを搬入出するための搬入出口９０と，当該搬入出口９０を開閉するシャッタ９１が設けられている。
【００５１】
次に，第２の実施の形態における強誘電体膜の製造方法について説明すると，例えば下部導電体膜Ｍ１の形成されたウェハＷがスパッタリング装置１に搬送される。このスパッタリング装置１において，上記第１の実施の形態と同様のプロセスで，例えば図１０に示すように下部導電体膜Ｍ１上に１ｎｍ以上，例えば２０ｎｍ程度の薄い膜層としての下層強誘電体膜Ｆ１が形成される。下層強誘電体膜Ｆ１が形成されると，ウェハＷはスパッタリング装置１から搬出され，プラズマ処理装置６０に搬送される。
【００５２】
プラズマ処理装置６０では，ウェハＷが搬入出口９０から搬入され，図９に示したように例えば４００℃に維持されたサセプタ６２上に載置される。続いて供給口７２から，酸素ガスとクリプトンガスの混合ガスが処理空間Ｕ内に供給され，処理空間Ｕ内が混合ガス雰囲気に置換される。排気管７１からは，処理空間Ｕ内の気体が排気され，処理空間Ｓ２内が所定の圧力，例えば１３３Ｐａ程度に減圧される。さらに，マイクロ波供給装置８４によってマイクロ波を発生させて，このマイクロ波がアンテナ部材８２に伝搬される。そして処理空間Ｕ内の混合ガスがマイクロ波によってプラズマ化され，それによって処理空間Ｕ内に発生した酸素ラジカルによって図１１に示すように下層強誘電体膜Ｆ１に酸素が導入される。なお，この際，下層強誘電体膜Ｆ１内には，少量のクリプトン成分も導入される。
【００５３】
所定時間，下層強誘電体膜Ｆ１に酸素ラジカルによって酸素が導入されると，アンテナ部材８２からのマイクロ波の放射が停止され，ウェハＷはプラズマ装置６０から搬出される。搬出されたウェハＷは，再度スパッタリング装置１に搬送され，図１２に示すように下層強誘電体膜Ｆ１上に，２４０ｎｍ程度のより厚い上層強誘電体膜Ｆ２が形成される。こうして，下部導電体膜Ｍ１上に，二層構造の強誘電体膜Ｆ（Ｆ１＋Ｆ２）が形成される。その後，ウェハＷは，アニール装置２に搬送され，強誘電体膜Ｆが結晶化され，その後上述した実施の形態と同様に上部導電体膜Ｍ２が形成され，その後ウェハＷには酸素回復のためのアニール処理が施される。
【００５４】
図１３は，上記製造方法のように下層強誘電体膜Ｆ１にプラズマ処理によって酸素が導入された場合（プラズマ処理あり）と，酸素の導入が行われなかった場合（プラズマ処理なし）の強誘電体膜Ｆのヒステリシス特性を比較したものである。図１４は，プラズマ処理ありとプラズマ処理なしの場合をＣ−Ｅ特性を示すものである。なお，このデータを採取する実験では，下地の下部導電体膜Ｍ１に非酸化物である白金が用いられた。図１３に示したように，プラズマ処理を行った強誘電体膜Ｆの抗電界Ｅｃ１は３５ｋＶ／ｃｍであり，プラズマ処理を行わない強誘電体膜の抗電界Ｅｃ２は１７ｋＶ／ｃｍであった。また，図１４に示すようにプラズマ処理ありの場合，キャパシタ面積Ｓが１．３５×１０−３ｃｍ２，膜厚が２４０ｎｍの条件で，容量Ｃが１．９５×１０−１０Ｆであり，プラズマ処理なしの場合，キャパシタ面積Ｓが１．２×１０−３ｃｍ２，膜厚が２４０ｎｍの条件で，容量Ｃが１．９５×１０−１０Ｆであった。したがって，上記数式１より，プラズマ処理ありの場合の強誘電体膜Ｆの比誘電率εｆは３９であり，プラズマ処理なしの場合の比誘電率εｆは４４であった。
【００５５】
かかる結果から，下層強誘電体膜Ｆ１を形成し，当該下層強誘電体膜Ｆ１に酸素ラジカルによって酸素を導入することによって，強誘電体膜Ｆ全体の比誘電率を低下させ，抗電界を増大させることが分かる。これは，酸素ラジカルによる酸素の導入によって下層強誘電体膜Ｆ１が酸素成分の遮断壁になり，上層強誘電体膜Ｆ２内の酸素成分が下部導電体膜Ｍ１に流出し強誘電体膜Ｆ全体の酸素成分が欠損することを抑制できたためである考えられる。
【００５６】
上記第２の実施の形態の強誘電体膜の製造方法によれば，下層強誘電体膜Ｆ１が形成されるので，強誘電体膜Ｆの下地の材料に酸素成分を吸収しやすい非酸化物が用いられたときであっても，酸素成分の流出を防止して，比誘電率が低く抗電界が高い強誘電体膜が形成される。また，強誘電体膜Ｆの下層に薄膜を形成しておくことによって，上層部分に下層の面方位に追従した所望の面方位を持つ強誘電体膜を形成できる。したがって，仮に下地がアモルファスであっても，抗電界の大きい良質の強誘電体膜が形成される。
【００５７】
以上の実施の形態で記載した強誘電体膜Ｆの酸素成分を補充させるアニール処理において，ウェハＷを強誘電体膜Ｆのキュリー温度まで昇温し，その後強誘電体膜Ｆの温度が降温しキュリー温度を通過する際に，強誘電体膜Ｆに電界を印加するようにしてもよい。かかる場合の強誘電体膜の製造方法を，第３の実施の形態として説明する。
【００５８】
図１５に示すように第３の実施の形態で用いられる製造装置としてのアニール装置１００には，上記アニール装置２の構成に加えて，例えば直流電源１０１と，一端が直流電源１０１の陽極端子に接続され他端がウェハＷに接続可能な陽極導線１０２と，一端が直流電源１０１の陰極端子に接続され他端がウェハＷに接続可能な陰極導線１０３が設けられている。なお，本実施の形態における電界印加手段は，直流電源１０１，陽極導線１０２及び陰極導線１０３によって構成され，加熱手段は，ヒータ４２，交流電源４３及び温度コントローラ４４によって構成されている。また，アニール装置１００のその他の部材は，アニール装置２と同様であるので，説明を省略する。
【００５９】
そして，第３の実施の形態における強誘電体膜の製造プロセスでは，上部導電体膜Ｍ２が形成されたウェハＷがアニール装置１００に搬送され，図１５に示すように載置板４１上に載置されると，図１６に示すように陽極導線１０２が上部導電体膜Ｍ２に接続され，陰極導線１０３が下部導電体膜Ｍ１に接続される。このとき，直流電源１０１はＯＦＦになっており，強誘電体膜Ｆには電界が付加されていない。続いて，ウェハＷはヒータ４２によって強誘電体膜Ｆのキュリー温度以上の温度，例えば９００℃程度まで昇温され，このとき強誘電体膜Ｆの酸素成分量が回復される。酸素成分量が回復されると，例えばヒータ４２の電源が切られ，ウェハＷが緩やかに冷却される。この冷却の間，例えば熱電対ＴによってウェハＷの温度が継続的に測定される。そして，ウェハＷの温度が強誘電体膜Ｆのキュリー温度，例えば６００℃を通過する際に，直流電源１０１が入れられ，上部導電体膜Ｍ２と下部導電体膜Ｍ１との間に電圧が印加される。これにより，強誘電体膜Ｆに電界が付加され，強誘電体膜Ｆの分極軸の一方向化が図られる。この結果，強誘電体膜Ｆの残留分極が増大し，抗電界も広げられる。
【００６０】
以上の第３の実施の形態では，強誘電体膜Ｆへの電界の印加工程を，酸素回復のための加熱処理時に行っていたが，例えば強誘電体膜Ｆを結晶化する結晶化加熱処理時や強誘電体膜Ｆの成膜するスパッタリング処理時に行ってもよい。
【００６１】
なお，第３の実施の形態で記載したような強誘電体膜に電界の印加する処理は，強誘電体膜Ｆの成膜方法が上述したようなスパッタリング法でない，例えばゾルーゲル法，ＣＶＤ法等を用いた場合にも適用可能であり，いずれの方法を用いた場合であっても強誘電体膜の特性の向上が図られる。
【００６２】
また，以上の実施の形態で記載した強誘電体膜Ｆの酸素を回復するアニール処理は，酸素ラジカルによって酸化させることによって行われてもよい。かかる場合，例えば酸素回復のアニール処理を，上述のプラズマ処理装置６０を用いて行ってもよい。例えば上部導電体膜Ｍ２が形成されたウェハＷがプラズマ処理装置６０に搬送され，ウェハＷが比較的低温の４００℃程度に維持されたサセプタ６２に載置される。そして，ウェハＷが４００℃で加熱されると共に，アンテナ部材８２によって処理空間Ｕ内の処理ガスがプラズマ化され，酸素ラジカルを発生させる。この発生させた酸素ラジカルによって強誘電体膜Ｆが酸化され，酸素が回復される。かかる場合，酸化能力の高い酸素ラジカルを用いて酸化が行われるので，強誘電体膜Ｆの酸素成分の回復を低温で行うことができる。
【００６３】
以上の実施の形態で記載した強誘電体膜の製造方法は，強誘電体メモリを製造する場合に限られず，強誘電体膜を用いた他の半導体装置の製造にも適用することができる。また，強誘電体膜の膜材料としてＳＴＮのみを用いていたが，ＳＴＮとＰＺＴ，ＳＢＴ等との混材の場合にも本発明は適用できる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば，強誘電体膜の比誘電率が低下し，抗電界が上がるので，例えば強誘電体膜を用いて，省電力で，かつ分極状態が安定したメモリを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を実施するためのスパッタリング装置の縦断面図である。
【図２】アニール装置を側面から見た縦断面図である。
【図３】アニール装置を正面から見たときの縦断面図である。
【図４】ゲート絶縁膜と下部導電体膜が形成されたウェハの縦断面図である。
【図５】図４の下部導電体膜上に強誘電体膜が形成されたウェハの縦断面図である。
【図６】図５の強誘電体膜上に上部導電体膜が形成されたウェハの縦断面図である。
【図７】図１のスパッタリング装置と図２のアニール装置を用いて製造された強誘電体膜のステリシス特性を示すグラフである。
【図８】図７の強誘電体膜のＣ−Ｅ特性を示すグラフである。
【図９】プラズマ処理装置の縦断面図である。
【図１０】薄い下層強誘電体膜が形成されたウェハの縦断面図である。
【図１１】下層強誘電体膜に酸素ラジカルにより酸素が導入されたウェハの縦断面図である。
【図１２】図１１の下層強誘電体膜上に上層強誘電体膜が形成されたウェハの縦断面図である。
【図１３】プラズマ処理を行った下層強誘電体膜を有する強誘電体膜と，プラズマ処理を行わない強誘電体膜とのステリシス特性を比較するグラフである。
【図１４】図１３の強誘電体膜のＣ−Ｅ特性を示すグラフである。
【図１５】電界印加手段を設けたアニール装置の縦断面図である。
【図１６】ウェハに電界を印加した様子を示すウェハの縦断面図である。
【符号の説明】
１    スパッタリング装置
２    アニール装置
１５    ターゲット
３５    保護部材
Ｍ１    下部導電体膜
Ｍ２    上部導電体膜
Ｆ    強誘電体膜
Ｗ    ウェハ
【図１】
2004265915.tif 000003
【図２】
2004265915.tif 000004
【図３】
2004265915.tif 000005
【図４】
2004265915.tif 000006
【図５】
2004265915.tif 000007
【図６】
2004265915.tif 000008
【図７】
2004265915.tif 000009
【図８】
2004265915.tif 000010
【図９】
2004265915.tif 000011
【図１０】
2004265915.tif 000012
【図１１】
2004265915.tif 000013
【図１２】
2004265915.tif 000014
【図１３】
2004265915.tif 000015
【図１４】
2004265915.tif 000016
【図１５】
2004265915.tif 000017
【図１６】
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