(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタが形成されている基板の上方に下部電極、強誘電体膜を順次積層する工程と、
前記強誘電体膜を、排気ゲートバルブを有する密閉室内で真空雰囲気にさらす工程と、
前記真空雰囲気にさらす工程の後に、前記密閉室内に酸素及びアルゴンを含むガスを導入する工程と、
前記ガスの導入を停止する工程と、
前記ガスの導入を停止する工程の後に、前記排気ゲートバルブを閉じた状態で前記密閉室内で前記強誘電体膜を熱処理する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理する工程の前に、前記ガスを循環する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理する工程は、前記酸素及び前記アルゴンの容量比率が１：３０から１：４０となる雰囲気を有する前記密閉室内で、前記強誘電体が結晶化する温度で前記基板の熱処理を行う工程と、
前記強誘電体膜の上に上部電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理する工程は、前記酸素及び前記アルゴンからなる混合気体の全圧が１気圧以上の圧力下で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理する工程は、前記密閉室の内壁の一部である強化ガラスを前記基板に接近させて、前記密閉室内の圧力を上昇させる工程を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理する工程の後に、前記強化ガラスを前記基板から離間させる工程を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法及び熱処理装置に関し、特に強誘電体メモリを備える半導体装置の製造方法及びその熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、強誘電体の分極反転を利用して情報を強誘電体キャパシタに保持される強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ：Ｆｅｒｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の素子特性向上に向けて開発が進められている。強誘電体メモリは、電源を切っても保持された情報が消失しない不揮発性メモリである。強誘電体メモリには、２つの電極間に強誘電体膜が挟まれて構成された強誘電体キャパシタが設けられている。
【０００３】
強誘電体キャパシタを構成する強誘電体膜の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴという。）膜等のペロブスカイト結晶構造を有する強誘電体酸化物が主として用いられている。これらの強誘電体膜は主に、スパッタ等のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理気相堆積）法で形成した後、結晶化するために高温の熱処理を行って形成されるのが一般的である。このような熱処理のために、半導体ウエハの表面を短時間で加熱し、その後、半導体ウエハを冷却する熱処置装置が使用されている。
【０００４】
このような強誘電体膜をＰＶＤ法によって形成した後の熱処理工程において、任意の温度を半導体ウエハに対して均一に与えることができる熱処理装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、このような強誘電体膜の熱処置工程において、熱処理室が真空排気されている雰囲気下で酸素ガスを供給して行うことができる熱処理装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献１の構成において、半導体ウエハの温度分布は厳密に管理することができる。しかしながら、特許文献１の構成は熱処理室内への気体を供給するためのチューブを備えるが、熱処理室内の酸素濃度を検出するための検出手段は備えていない。そのため、熱処理工程における熱処理室内の酸素濃度分布を制御することができない。特許文献２の構成において、熱処理工程における熱処理室内の雰囲気は、酸素濃度が熱処理室内に一定の量で導入され、その後、熱処理室内に導入された酸素は排気口から排気されているのみである。そのため、熱処理室中の酸素導入パイプと排気パイプ近傍における酸素濃度を比較するとばらつきが発生する。酸素濃度のばらつきが発生すると、強誘電体膜が結晶化される際の酸素の供給量に半導体ウエハ全体において局所的なばらつきが発生する。そのため、ウエハにおける熱処理工程後の強誘電体膜の配向率にも局所的なばらつきが発生する問題があった。
【特許文献１】特開平１１−１９５６１４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７１５４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、熱処理室内の真空引き且つ密閉された雰囲気下で、酸素量が管理された状態で強誘電体膜の酸素回復処理のための熱処理工程を実施することができる半導体装置の製造方法及び熱処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するため、本発明によれば、トランジスタが形成されている基板の上方に下部電極、強誘電体膜を順次積層する工程と、前記強誘電体膜を、排気ゲートバルブを有する密閉室内で真空雰囲気にさらす工程と、前記真空雰囲気にさらす工程の後に、前記密閉室内に酸素及びアルゴンを含むガスを導入する工程と、前記ガスの導入を停止する工程と、前記ガスの導入を停止する工程の後に、前記排気ゲートバルブを閉じた状態で前記密閉室内で前記強誘電体膜を熱処理する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、強誘電体膜の熱処理工程の際に、密閉された熱処理室において真空引きを行い、その後、熱処理室内に酸素の気圧が管理されて導入されている。そのため、熱処理室内の酸素濃度が管理された雰囲気下において強誘電体膜を熱処理工程することができる。そのため、半導体ウエハ上に形成された強誘電体膜において均一な配向率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例にかかる半導体装置の製造方法及び熱処理装置が説明される。ただし、本発明は各実施例に限定されるものではない。
【００１１】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例に係る半導体装置の製造方法及び熱処理装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１２】
第１実施例の熱処理装置においては、強誘電体膜の熱処理工程の際に、密閉された熱処理室において真空引きを行い、その後、酸素及びアルゴンの気圧が熱処理室内に管理されて導入されている。そのため、熱処理室内の酸素濃度が管理された雰囲気下において強誘電体膜を熱処理工程することができる。そのため、上記の熱処理装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、半導体ウエハ上に形成された強誘電体膜において均一な配向率を得ることができる。
【００１３】
図１から図２を用いて、本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法は工程順に説明される。
【００１４】
図１Ａは、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ１４上に強誘電体キャパシタの下部電極を形成した断面図を示す。図１Ａに示す断面図を形成する工程は以下に説明される。
【００１５】
先ず、図１Ａに示すように、シリコン基板等からなる半導体基板１１に、例えばＳＴＩ（ｓｈａｌｌｏｗ  ｔｒｅｎｃｈ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）が素子分離領域１２として周知の工程により形成される。
【００１６】
次いで、半導体基板１１に、Ｐ型ＭＩＳトランジスタが形成される領域、及びＮ型ＭＩＳトランジスタが形成される領域に対応した導電型を有するウェル１３が周知の工程により形成される。
【００１７】
続いて、周知の工程により、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８、シリサイド層１９、低濃度拡散層１５、サイドウォール２０及び高濃度拡散層１６がウェル１３上に形成されることにより、ＭＩＳトランジスタ１４が形成される。
【００１８】
なお、ＭＩＳトランジスタ１４間にある高濃度拡散層１６は共有される。
【００１９】
次に、全面に、シリコン酸窒化膜２１がＭＩＳトランジスタ１４を覆うようにＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成される。更に、全面にシリコン酸化膜２２がＣＶＤ法と形成されたシリコン酸化膜２２を研磨して平坦化するＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法とを繰り返して形成される。その後、シリコン酸化膜２２中に残存している水分を除去するための熱処理が行われる。
【００２０】
その後、各高濃度拡散層１６に接続するプラグを形成するためのコンタクトホールが、シリコン酸化膜２２及びシリコン酸窒化膜２１を貫通して形成される。
【００２１】
そして、コンタクトホール内に、密着膜２３として、ＴｉＮ膜及びＴｉ膜からなる積層膜がＰＶＤ（Ｐｈｉｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成される。次いで、積層膜が形成されたコンタクトホール内にＷ膜がＣＶＤ法により埋め込まれる。次いで、積層膜がＣＭＰ工程によって平坦化されることによって、Ｗ（タングステン）プラグ２４が形成される。
【００２２】
次いで、Ｗの酸化防止膜として、例えばＣＶＤ法によって不図示のＰ−ＳｉＯＮ膜が１３０〜１７０ｎｍの膜厚によって形成される。
【００２３】
次いで、全面にＡｌＯ膜２５ａがＰＶＤ法により形成される。ＡｌＯ膜２５ａを形成した後、熱処理がＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：急速高温熱処理）装置によって行われる。この熱処理工程によって、ＡｌＯ膜２５ａの結晶中の酸素欠損が補われる。この熱処理工程により、ＡｌＯ膜２５ａの結晶中の酸素欠陥の補充させることができ、後述する強誘電体キャパシタの下部電極となるＰｔ膜２５ｂの配向性を向上させることが可能となる。
【００２４】
次いで、ＡｌＯ膜２５ａの形成面上に、Ｐｔ膜２５ｂがＰＶＤ法により１００〜２００ｎｍの膜厚で形成される。Ｐｔ膜２５ｂは、強誘電体キャパシタの下部電極として形成されるものである。なお、Ｐｔ膜２５ｂは、後にＰｔ膜２５ｂの上に形成されるＰＺＴ膜２６の配向を（１１１）配向にそろえるため、（１１１）配向に形成する。
【００２５】
図１Ｂは、強誘電体キャパシタの強誘電体層を形成する工程を示す。図１Ｂに示すように、Ｐｔ膜２５ｂ上に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜２６を例えばＰＶＤ法によって１５０〜３００ｎｍの膜厚で形成する。なお、ＰＺＴ膜２６は、ＰＶＤ法の他にゾルゲル法で形成されてよい。このとき、ＰＺＴ膜２６の組成に関し、Ｐｂ量がＺｒ量及びＴｉ量に対して過剰に形成される。即ち、Ｐｂ量、Ｚｒ量、Ｔｉ量を、夫々［Ｐｂ］、［Ｚｒ］、［Ｔｉ］と表したとき、不等式［Ｐｂ］／（［Ｚｒ］＋［Ｔｉ］）＞１が成り立つようにする。上記の式を成立させることによって、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向させることができるからである。本工程によって、ＰＺＴ膜２６は、Ｐｔ膜２５ｂ上にアモルファス状態によって形成される。
【００２６】
ＰＺＴ膜２６を形成した後、ＰＺＴ膜２６を結晶化させるための熱処理を実施する。本熱処理は、酸素ガスとアルゴンガスとの比率が例えば１：３０から１：４０の密閉された雰囲気下で、５００〜６００度の温度で、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：急速高温熱処理）装置によって約９０秒間行われる。望ましくは、本熱処理の温度は５５０〜５７０度がよい。本熱処理工程（結晶化アニール）によって、ＰＺＴ膜２６の結晶化は下部電極であるＰｔ膜２５ｂ側から開始する。
【００２７】
なお、本熱処理工程に使用されるＲＴＡ装置に関しては後述する。本熱処理工程は、密閉された雰囲気の中で酸素及びアルゴンの容積比率を制御することによって実現することができる。
【００２８】
図２は、周知の工程により、強誘電体層２６上に上面電極２７を形成した後に、層間絶縁膜２９及びコンタクトプラグ３１を形成する工程を示す。
【００２９】
図２に示すように、ＩｒＯｘ膜２７は、ＰＶＤ法によってＰＺＴ膜２６上に５０ｎｍの膜厚で堆積される。
【００３０】
ＩｒＯｘ膜２７がＰＺＴ膜２６上に形成された後、例えばＲＴＡ装置によって熱処理が行われる。本熱処理は、ＩｒＯｘ膜２７の形成時等にＰＺＴ膜２６に生じた損傷を回復させると共に、ＩｒＯｘ膜２７中のＩｒ（イリジウム）をＰＺＴ膜２６中に拡散させるために行われる。
【００３１】
次いで、ＩｒＯｘ膜２７がＰＶＤ法によって２００ｎｍの膜厚で再度堆積される。その後、ＩｒＯｘ膜２７の熱処理が再度行われる。
【００３２】
次いで、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、ＡｌＯ膜２５ａ、Ｐｔ膜２５ｂ、ＰＺＴ膜２６及びＩｒＯｘ膜２７がパターニングされる。この工程によって、ＩｒＯｘ膜２７が上部電極となり、Ｐｔ膜２５ｂが下部電極となる。これら上部電極と下部電極との間にＰＺＴ膜２６が挟まれたスタック構造の強誘電体キャパシタが形成される。
【００３３】
次いで、強誘電体キャパシタを覆うアルミナ保護膜２８がＣＶＤ法によって全面に形成される。
【００３４】
次いで、全面に層間絶縁膜２９をＣＶＤ法により成膜した後、層間絶縁膜２９がＣＭＰにより平坦化される。
【００３５】
次いで、パターニング及びエッチング技術を用いて、層間絶縁膜２９及びアルミナ保護膜２８中にＷプラグ２４まで到達するコンタクトホールが形成される。コンタクトホールは、複数のＭＩＳトランジスタ１４により共有された高濃度拡散層１６に接続される。
【００３６】
次いで、このコンタクトホール内に密着膜３０としてＴｉＮ膜が形成される。その後、例えばＣＶＤ法によりＷ膜を埋め込み、ＣＭＰ法によって平坦化することによりＷプラグ３１が形成される。
【００３７】
前述した工程において、主な強誘電体キャパシタ層の形成は完了するが、この後、配線層が形成される。次いで、例えば、酸化膜(Ｐ-ＳＩＯ膜)、酸窒化膜（Ｐ-ＳＩＮ膜）又はポリイミド膜（ＰＩ膜）からなるＭＩＳトランジスタ１４及び強誘電体キャパシタを保護するためのパッシベーション膜を形成して、強誘電体キャパシタを有する半導体装置１０を完成させる。
【００３８】
なお、本実施例はスタック型キャパシタを例に挙げて記載しているが、本実施例はプレーナー型キャパシタにおいても適応可能である。
【００３９】
図３は、本実施例に係る熱処理装置１０００の全体構成を示す。図３において、熱処理装置１０００は装置ハウジング１００、制御部４００及び照射量設定装置５００によって構成されている。
【００４０】
図３において、装置ハウジング１００内は平行に配設した石英ガラス板１２０及び１３０により上下に三室に区画されており、上部室および下部室に赤外光を発するハロゲンランプ１４０が複数設けられている。中間室は熱処理室１１０となっている。熱処理室１１０は、被加熱材である半導体ウエハ１６０が、支持腕１５０に支持されて加熱処理される密閉室である。熱処理室１１０と支持腕１５０との接触面には、熱処理室１１０を密閉するための不図示のオーリングが形成されている。熱処理室１１０は、熱処理室１１０に半導体ウエハ１６０が導入された後に密閉される。排気パイプ２５０によって、熱処理室１１０内の空気は排気される。さらに、酸素導入パイプ２３０、アルゴン導入パイプ２４０によって酸素及びアルゴンが熱処理室１１０内に導入される。
【００４１】
半導体ウエハ１６０は円板形であり、ハロゲンランプ１４０は、半導体ウエハ１６０の板面全体をカバーする領域に、半導体ウエハ１６０の板面に向け多数設けられている。つまち、加熱部としてのハロゲンランプ１４０は、熱処理室１１０を挟み両側に設けられている。本実施例では上下の各ハロゲンランプ１４０は半導体ウエハ１６０の板面に対してそれぞれ中心から同心状に３ゾーンに区画されている。各ゾーンについて通電回路６００と通電制御回路７００がそれぞれ設けられている（１ゾーンのみ図示）。なお、ハロゲンランプ１４０は、熱処理室１１０の片面に設けられてもよい。
【００４２】
図３において、各ハロゲンランプ１４０は装置ハウジング１００の壁を貫通する配線により外部の照射量設定装置５００に接続されている。
【００４３】
照射量設定装置５００は、通電回路６００、通電制御回路７００、温度調節計８００、及び放射温度計９００より構成されている。放射温度計９００は半導体ウエハ１６０の中心部温度を測定するようにハウジング底壁に一台設置されている。
【００４４】
温度調節計８００は、放射温度計９００から得られる測定温度を、中心ゾーンの設定温度と比較する。設定温度と中心ゾーンとの温度の偏差が零になるように、通電制御回路７００中の増幅回路７２０およびゲートパルス回路７３０を介して、通電回路６００に設けた電源ユニット６１０のサイリスタが駆動される。検出回路６２０からは、ハロゲンランプ１４０に対する電源ユニット６１０からの供給電流値が、通電制御回路７００の変換回路７１０を経てフィードバックされている。通電制御回路７００は、フィードバックされた供給電流値の情報に基づいて、温度調節計８００における設定温度を維持するように電源ユニット６１０のサイリスタを駆動する。なお、ゲートパルス回路７３０は、後述する圧力センサ１９０による酸素ガスとアルゴンガスによる内圧の総和の検出情報に基づいて被加熱材である半導体ウエハ１６０の加熱を行うために電力ユニット６１０のサイリスタを駆動する。
【００４５】
残る他のゾーンについても電力のフィードバック制御を行っているが、その設定値は次のように設定される。つまり、ニッケル板やステンレス板で製作したダミーウエハ上の、上記各ゾーンに対応した所定位置に熱電対が取り付けられ、この状態でハロゲンランプ１４０が点灯され、各ゾーンの温度が中心ゾーンとほぼ同一温度になるような電力設定値の比を決定する。
【００４６】
装置ハウジング１００には、熱処理室１１０内に酸素ガスを導入するための酸素導入パイプ２３０、アルゴンガスを導入するためのアルゴン導入パイプ２４０、酸素ガス及びアルゴンガスを排出するための排気パイプ２５０、及び熱処理室１１０内の酸素ガスとアルゴンガスによる内圧の総和を測定するための圧力センサ１９０が設けられている。酸素導入パイプ２３０には、酸素ガスの流入量を０．０１０から０．１５０（リットル／ｍｉｎ）に制御するための酸素流量バルプ２１０、及び熱処理室１１０内への酸素ガスの導入を制御するための酸素ゲートバルブ１７０が設けられている。酸素ゲートバルブ１７０は、熱処理室１１０と酸素流量バルブ２３０との間に設けられている。酸素ガスの流入量は０．０５５（リットル／ｍｉｎ）近傍が望ましい。アルゴン導入パイプ２４０には、アルゴンガスの流入量を１．９９０から１．８５０（リットル／ｍｉｎ）に制御するためのアルゴン流量バルプ２２０、及び熱処理室１１０内へのアルゴンガスの導入を制御するためのアルゴンゲートバルブ１８０が設けられている。アルゴンゲートバルブ１８０は、熱処理室１１０とアルゴン流量バルブ２２０との間に設けられている。アルゴンガスの流入量は１．９５（リットル／ｍｉｎ）近傍が望ましい。排気パイプ２５０には、酸素ガス及びアルゴンガスの排気を制御するための排気バルブ２００が設けられている。
【００４７】
排気バルブ２００は、熱処理室１１０を真空引きするときは開かれ、密閉する時は閉される。酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０は、圧力センサ１９０が１気圧を示すまで、即ち熱処理室１１０内の圧力が１気圧になるまで制御部４００によって開放される。酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０は、熱処理室１１０内の圧力が１気圧になるまで酸素ガス及びアルゴンガスが導入されると閉められる。
【００４８】
制御部４００は、圧力センサ１９０からの熱処理室１１０内の圧力情報に基づいて、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、排気ゲートバルブ２００、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０の開放及び遮断、そしてゲートパルス回路７３０の駆動を制御する。
【００４９】
図４は、本実施例に係る熱処理装置１０００における半導体装置１０の熱処理工程を示すフローチャートである。最初に、制御部４００は、酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を閉める（Ｓ１）。次いで、半導体ウエハ１６０は、熱処理装置１０００まで搬送される（Ｓ２）。半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて装置ハウジング１００の熱処理室１１０内に導入される（Ｓ３）。次いで、制御部４００は、排気バルブ２００を開いて不図示の真空ポンプを用いて熱処理室１１０内を真空引きする（Ｓ４）。真空引きは、熱処理室１１０内の内部圧力が１．０×１０−１（Ｐａ）になるまで行われる。この真空引きの工程において、熱処理室１１０内の内部圧力は、圧力センサ１９０によって測定される。この真空引きは、熱処理室１１０内のガスを除去するために行われる。次いで、制御部４００は排気ゲートバルブ２００を閉じて密閉し、熱処理室１１０内を真空状態に保持する（Ｓ５）。次いで、制御部４００は酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を開く（Ｓ６）。次いで、制御部４００は酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を開き、酸素導入パイプ２３０及びアルゴン導入パイプ２４０から熱処理室１１０内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入する（Ｓ７）。この工程の際、酸素ガスの流入量は０．０１０から０．１５０（リットル／ｍｉｎ）であり、アルゴンガスの流入量は１．９９０から１．８５０（リットル／ｍｉｎ）である。熱処理室１１０内の酸素ガスとアルゴンガスの比率は、例えば１：３０から１：４０であることが望ましい。なお、後述する図６及び図７の実験結果を得るために、熱処理室１１０への酸素ガスの流入量を０．０５５（リットル／ｍｉｎ）と設定し、熱処理室１１０へのアルゴンガスの流入量を１．９５（リットル／ｍｉｎ）と設定した。次いで、制御部４００は、熱処理室１１０内の内部圧力が１気圧になるまで、熱処理室１１０内に酸素ガスとアルゴンガスを導入し続ける（Ｓ８）。なお、後述する熱処理工程の際には、内部気体の膨張に伴い熱処理室１１０内の内部圧力は上昇するが、圧力センサ１９０は熱処理工程前の内部圧力のみ検出する。次いで、制御部４００は、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を閉じ、熱処理室１１０内の酸素ガス及びアルゴンガスの容積比率を一定に保持する（Ｓ９）。次いで、制御部４００は、圧力センサ１９０によって測定された熱処理室１１０内の内部圧力情報に基づいて半導体ウエハ１６０の熱処理工程を実施する（Ｓ１０）。本熱処理工程は、５００〜６００度の熱処理が９０秒間行われる。次いで、本熱処理工程の終了後、半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０によって熱処理室１１０内から搬出される（Ｓ１１）。その後、半導体ウエハ１６０は、不図示の冷却板の上に搭載され、約３５０℃になるまで約５分間の間自然冷却される（Ｓ１２）。その後、熱処理工程において、各製造ロットの半導体ウエハ１６０の熱処理が終了するまで、本熱処理工程は実施される（Ｓ１３）。
【００５０】
図５は、本発明に係る図２の半導体装置１０の熱処理工程における処理時間と図３の半導体ウエハ１６０における温度の関係を示す。半導体ウエハ１６０は、熱処理装置１０００の熱処理室１１０内において約１０秒間で１５０℃から、５６０から５６５℃までの範囲まで昇温される。次いで、半導体ウエハ１６０の温度は、約９０秒間、５６０から５６５℃までの範囲に維持され、この間にＰＺＴ膜２６の結晶化が行われる。次いで、半導体ウエハ１６０は、約５分間、自然冷却され、約４１０℃になるまで放置される。その後、冷却板へ移動させ、ウエハの冷却を行う。
【００５１】
図６Ａ及び図６Ｂは、通常の熱処理装置を用いてＰＺＴ膜２６を結晶化させた半導体装置１０及び本実施例の半導体装置１０におけるＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率とその出現頻度を示す図である。
【００５２】
図６Ａは、半導体装置１０におけるＰＺＴ膜の（１１１）配向率とその出現頻度を示す図である。
【００５３】
図６Ａの横軸は、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率（％）を示す。図６Ａの縦軸は、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率を有する出現頻度を示す。即ち、図６Ａは、通常の熱処理装置を利用して半導体ウエハ１６０を１００枚熱処理して、半導体装置１０を製造した際の、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率を有するウエハの出現頻度を示すヒストグラムである。なお、熱処理室への酸素ガスの流入量は０．０５５（リットル／ｍｉｎ）と設定し、熱処理室へのアルゴンガスの流入量は１．９５（リットル／ｍｉｎ）と設定した。熱処理室内には酸素ガス及びアルゴンガスが上記一定量で導入され、熱処理室内に導入された酸素ガス及びアルゴンガスは排気される設定とした。ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率は大きいほど分極に寄与する結晶成分が多いことを示しているため、この数値は大きい程良いとされる。
【００５４】
図６Ａに示すように、半導体ウエハを１００枚熱処理して半導体装置１０を製造すると、９５〜９６％台のＰＺＴ膜２６の（１１１）配向性を有する半導体装置１０が、１５％程度製造されることがわかる。
【００５５】
通常の熱処理装置によって実施される熱処理工程におけるチャンバ雰囲気は、酸素及びアルゴンを熱処理室内に管理された量で導入し、その後、熱処理室内に導入された酸素及びアルゴンを排気することによって調整されている。しかしながら、熱処理室中の酸素導入パイプ及びアルゴン導入パイプ近傍と排気パイプ近傍における酸素濃度を比較するとばらつきが発生する。そのため、ウエハにおける熱処理工程後のＰＺＴ膜２６の（１１１）配向の出現箇所もばらつきが発生すると推定される。
【００５６】
図６Ｂは、本実施例の半導体装置１０におけるＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率とその出現頻度を示す図である。図６Ｂの横軸は、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率（％）を示す。図６Ｂの縦軸は、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率の出現頻度を示す。即ち、図６Ｂは、本実施例において半導体ウエハ１６０を１００枚熱処理して半導体装置１０を製造した際の、ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率のヒストグラムを示したものである。横軸はＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率を示し、縦軸には頻度を示してある。ＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率は大きい程、分極に寄与する結晶成分が多いことを示しているため、この数値は大きい程良いとされる。
【００５７】
図６Ｂに示すように、本実施例では、半導体ウエハ１６０を１００枚分、半導体装置１０で製造すると、全ての半導体ウエハ１６０でＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率９７％以上を得ることが可能となる。本実施例のように密閉した雰囲気の元で熱処理工程を実施した場合、酸素及びアルゴンの容積比率は熱処理室１１０中の酸素導入パイプ２３０、アルゴン導入パイプ２４０及び排気パイプ２５０近傍のいずれの箇所において略一定に管理することができる。そのため、半導体ウエハ１６０において酸素及びアルゴンの分布のばらつきを可及的に防ぐことができるため、通常の熱処理装置と比較して、半導体装置１０のＰＺＴ膜２６の（１１１）配向率における製造ばらつきを大幅に低減することができる。
【００５８】
図７は、半導体装置１０におけるロット番号と、リテンション不良発生率を示した図である。図７の縦軸は、左側に従来技術を利用した場合に発生するリテンション不良率のロット平均値（％）、右側に本発明を利用した場合に発生するリテンション不良率のロット平均値（％）を示す。本発明に係る半導体装置１０が有する強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ：Ｆｅｒｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）（ＦＲＡＭ）は不揮発性メモリのため、電源オフでも書き込まれたデータを保持することができる。このデータの保持能力のことをリテンションという。
【００５９】
図７の横軸における１から２５までの番号はロット番号を示しており、１つのマス目は１ロット（＝１２枚分）のリテンション不良率の平均値を出力している。図６は、半導体ウエハ１００枚を熱処理した場合に、１日１０枚ごと熱処理し、１０日間に渡る配向率の頻度の推移を示す。
【００６０】
図７によれば、通常の熱処理装置が利用された半導体装置１０のリテンション不良率は、最大値が２３．５％及び最小値が０．９％である。一方、本実施例に係る熱処理装置が利用された半導体装置１０のリテンション不良率は、最大値が１．７％及び最小値が０．７％である。したがって、図６で示したように、本実施例を利用した半導体装置１０は、従来技術を利用した半導体装置と比較して、リテンション不良率が低く、且つ安定していることがわかる。
【００６１】
第１実施例の熱処理装置においては、強誘電体膜の熱処理工程の際に、密閉された熱処理室において真空引きを行い、その後、酸素及びアルゴンが熱処理室内に気圧が管理されて導入されている。そのため、熱処理室内の酸素濃度が管理された雰囲気下において強誘電体膜を熱処理工程することができる。そのため、上記の熱処理装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、半導体ウエハ上に形成された強誘電体膜において均一な配向率を得ることができる。
【００６２】
（第２実施例）
以下、本発明の第２実施例に係る半導体装置の製造方法及び熱処理装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。第２実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理工程前に熱処理室内の酸素ガス及びアルゴンガスが加圧される。そのため、熱処理工程において強誘電体膜の表面からより内面に浸透させることができるようになる。そのため、半導体装置の強誘電体膜において、強誘電体膜の均一な配向率を得ることができる。
【００６３】
図８は、第２実施例に係る熱処理装置２０００の全体構成を示す。図３において、熱処理装置２０００は、装置ハウジング１０１、制御部４０１及び照射量設定装置５００によって構成されている。なお、第２実施例において、第１実施例で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６４】
装置ハウジング１０１は、熱処理室１１０、石英ガラス板１２０、石英ガラス板１３０、ハロゲンランプ１４０、支持腕１５０、半導体ウエハ１６０、酸素流入バルブ１７０、アルゴン流入バルブ１８０、圧力センサ１９０、排気バルブ２００、酸素流量バルブ２１０、アルゴン流量バルブ２２０、酸素導入パイプ２３１、アルゴン導入パイプ２４１、排気パイプ２５０、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０によって構成されている。
【００６５】
酸素導入パイプ２３１には、酸素ゲートバルブ１７０、酸素流量バルプ２１０及び酸素ガス加圧部２６０が設けられている。アルゴン導入パイプ２４１には、アルゴンゲートバルブ１８０、アルゴン流量バルプ２２０及びアルゴンガス加圧部２７０が設けられている。
【００６６】
排気バルブ２００は、熱処理室１１０を真空引き及び密閉する時に開放及び遮断される。酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０は、圧力センサ１９０によって熱処理室１１０内の圧力が２気圧になるまで開放される。酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０は、熱処理室１１０内の圧力が２気圧になるまで酸素ガス及びアルゴンガスが導入されると閉められる。酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０が開放されている間に、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０は、熱処理室１１０に導入される酸素ガスの流入量を０．０５５（リットル／ｍｉｎ）及びアルゴンガスの流入量を１．９５（リットル／ｍｉｎ）に制御するために用いられる。酸素ガス加圧部２６０は、酸素ガスの導入圧力を２気圧まで加圧するために用いられる。アルゴンガス加圧部２７０は、アルゴンガスの導入圧力を２気圧まで加圧するために用いられる。
【００６７】
制御部４０１は、圧力センサ１９０からの熱処理室１１０内の圧力検出情報に基づいて、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、排気ゲートバルブ２００、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０の開放及び遮断、そしてゲートパルス回路７３０の駆動を制御する。
【００６８】
図８は、本実施例に係る熱処理装置２０００における半導体装置１０の熱処理工程を示すフローチャートである。制御部４０１は、酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を閉める（Ｓ２１）。次いで、半導体ウエハ１６０は、熱処理装置２０００まで搬送される（Ｓ２２）。半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１０内に導入される（Ｓ２３）。次いで、制御部４０１は、排気パイプ２５０を開いて熱処理室１１０内を真空引きする（Ｓ２４）。真空引きは、熱処理室１１０内の内部圧力が１．０×１０−１（Ｐａ）になるまで行う。この真空引きの工程において、熱処理室１１０内の内部圧力は、圧力センサ１９０によって測定される。この真空引きは、熱処理室１１０内のガスを除去するために行うものである。次いで、制御部４０１は排気ゲートバルブ２００を閉じ、熱処理室１１０内を真空状態に保持する（Ｓ２５）。次いで、制御部４０１は酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を開く（Ｓ２６）。次いで、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を開き、酸素導入パイプ２３１及びアルゴン導入パイプ２４１から熱処理室１１０内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入する（Ｓ２７）。熱処理室１１０の酸素ガスとアルゴンガスの比率は、例えば1：３０から１：４０であることが望ましい。次いで、制御部４０１は、処理室１１０内の内部圧力が２気圧になるまで、熱処理室１１０内に酸素ガスとアルゴンガスを加圧導入する（Ｓ２８）。この際、酸素ガスの加圧は酸素ガス加圧部２６０により行う。アルゴンガスの加圧はアルゴンガス加圧部２７０により行う。次いで、制御部４０１は、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を閉じ、熱処理室１１０内の酸素ガス及びアルゴンガスの比率を一定に保持する（Ｓ２９）。なお、後述する熱処理工程の際には、内部気体の膨張に伴い熱処理室１１０内の内部圧力は上昇するが、圧力センサ１９０は熱処理工程前の内部圧力のみ検出する。次いで、制御部４０１は、圧力センサ１９０によって測定された熱処理室１１０内の内部圧力情報に基づいて半導体ウエハ１６０の熱処理工程を実施する（Ｓ３０）。本熱処理工程は、５５０〜５７０度の熱処理が９０秒間行われる。次いで、本熱処理工程の終了後、半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１０内から搬出される（Ｓ３１）。その後、半導体ウエハ１６０は、不図示の冷却板の上に搭載され、約３５０℃になるまで約５分間の間自然冷却される（Ｓ３２）。その後、熱処理工程において、各製造ロットの半導体ウエハ１６０の熱処理が終了するまで、本熱処理工程は実施される（Ｓ３３）。
【００６９】
第２実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理工程前に熱処理室内の酸素ガス及びアルゴンガスが加圧される。そのため、熱処理工程において強誘電体膜の表面から酸素をより内面に浸透させることができるようになる。そのため、半導体装置の強誘電体膜において、強誘電体膜の均一な配向率を得ることができる。
（第３実施例）
以下、本発明の第３実施例に係る半導体装置の製造方法及び熱処理装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。第３実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理室内の雰囲気をより厳密に調整するために、第１実施例及び第２実施例と比較して熱処理室内の容積が小さく形成されている。そのため、強誘電体膜をより安定した雰囲気下で熱処理することができる。そのため、半導体装置における強誘電体膜は、強誘電体膜の均一な配向率を得ることができる。
【００７０】
図１０は、本実施例に係る熱処理装置３０００の全体構成を示す。図１０において、熱処理装置３０００は装置ハウジング１０２、制御部４０１及び照射量設定装置５００によって構成されている。なお、第３実施例において、第２実施例で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
装置ハウジング１０２には、熱処理室１１１、強化ガラス板１２１、強化ガラス板１３１、ハロゲンランプ１４０、支持腕１５０、半導体ウエハ１６０、酸素流入バルブ１７０、アルゴン流入バルブ１８０、圧力センサ１９０、排気バルブ２００、酸素流量バルブ２１０、アルゴン流量バルブ２２０、酸素導入パイプ２３１、アルゴン導入パイプ２４１、排気パイプ２５０、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０が設けられている。
【００７２】
図１０において、装置ハウジング１０２内は平行に配設した強化ガラス板１２１及び１３１により上下に三室に区画されており、上部室および下部室にはハロゲンランプ１４０が複数設けてある。強化ガラス板１２１及び１３１は石英ガラス板からなり、第１実施例及び第２実施例における石英ガラス板１２０及び１３０と比較して強度が高い石英ガラス板によって形成されている。強化ガラス板１２１及び１３１は、第１実施例及び第２実施例における石英ガラス板１２０及び１３０よりも設置間隔が狭く形成されている。そのため、第３実施例における熱処理室１１１の容積は、第１実施例及び第２実施例の熱処理室１１０の容積と比較して小さくなるように形成されている。更に、強化ガラス板１２１及び１３１は、熱処理室１１１の容積が小さくなったことにより、酸素ガス及びアルゴンガスによる内圧の増加によって破損しないように内圧に耐えられる強度を有するように形成されている。
【００７３】
図１１は、本実施例に係る熱処理装置３０００における半導体装置１０の熱処理工程を示すフローチャートである。制御部４０１は、酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を閉める（Ｓ４１）。次いで、半導体ウエハ１６０は、熱処理装置３０００まで搬送される（Ｓ４２）。半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１１内に導入される（Ｓ４３）。次いで、制御部４０１は、排気バルブ２００を開いて熱処理室１１１内を真空引きする（Ｓ４４）。真空引きは、熱処理室１１１内の内部圧力が１．０×１０−１（Ｐａ）になるまで行う。この真空引きの工程において、熱処理室１１１内の内部圧力は、圧力センサ１９０によって測定される。この真空引きは、熱処理室１１１内のガスを除去するために行うものである。次いで、制御部４０１は排気ゲートバルブ２００を閉じ、熱処理室１１１内を真空状態に保持する（Ｓ４５）。次いで、制御部４０１は酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を開く（Ｓ４６）。次いで、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を開き、酸素導入パイプ２３１及びアルゴン導入パイプ２４１から熱処理室１１１内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入する（Ｓ４７）。この工程の際、酸素ガスの流量は０．０５５（リットル／ｍｉｎ）であり、アルゴンガスの流量は１．９５（リットル／ｍｉｎ）である。熱処理室１１１内の酸素ガスとアルゴンガスの比率は、例えば１：３０から１：４０であることが望ましい。次いで、制御部４０１は、熱処理室１１１内の内部圧力が２気圧になるまで、熱処理室１１１内に酸素ガスとアルゴンガスを加圧導入し続ける（Ｓ４８）。この際、酸素ガスの加圧は酸素ガス加圧部２６０により行う。アルゴンガスの加圧はアルゴンガス加圧部２７０により行う。次いで、制御部４０１は、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を閉じ、熱処理室１１１内の酸素ガス及びアルゴンガスの比率を一定に保持する（Ｓ４９）。次いで、制御部４０１は、圧力センサ１９０によって測定された熱処理室１１１内の内部圧力情報に基づいて半導体ウエハ１６０の熱処理工程を実施する（Ｓ５０）。本熱処理工程は、５５０〜５７０度の熱処理が９０秒間行われる。次いで、本熱処理工程の終了後、半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１１内から搬出される（Ｓ５１）。その後、半導体ウエハ１６０は、不図示の冷却板の上に搭載され、約３５０℃になるまで約５分間の間自然冷却される（Ｓ５２）。その後、熱処理工程において、各製造ロットの半導体ウエハ１６０の熱処理が終了するまで、本熱処理工程は実施される（Ｓ５３）。
【００７４】
第３実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、第１実施例及び第２実施例の熱処理装置と比較して熱処理室内の雰囲気をより厳密に調整するために、熱処理室内の容積が小さく形成されている。そのため、強誘電体膜をより安定した雰囲気下で熱処理することができる。そのため、半導体装置における強誘電体膜は、強誘電体膜の均一な配向率を得ることができる。
（第４実施例）
以下、本発明の第４実施例に係る半導体装置の製造方法及び熱処理装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。第４実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理工程の後の冷却工程の際、強化ガラス板からの放射熱の影響による強誘電体膜の特性変動を抑えるための強化ガラス板を半導体ウエハから離間する工程を有する。そのため、熱処理工程後の温度プロファイルを正確に制御することができる。
【００７５】
図１２は、本実施例に係る熱処理装置４０００の全体構成を示す。図１２において、熱処理装置４０００は装置ハウジング１０３、制御部４０２及び照射量設定装置５００によって構成されている。なお、第４実施例において、第３実施例で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７６】
装置ハウジング１０３には、熱処理室１１２、可動式強化ガラス板１２２、強化ガラス板１３１、ハロゲンランプ１４０、支持腕１５０、半導体ウエハ１６０、酸素流入バルブ１７０、アルゴン流入バルブ１８０、圧力センサ１９０、排気バルブ２００、酸素流量バルブ２１０、アルゴン流量バルブ２２０、酸素導入パイプ２３１、アルゴン導入パイプ２４１、排気パイプ２５０、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０が設けられている。
【００７７】
図１２において、装置ハウジング１０３内は平行に配設した可動式強化ガラス板１２２及び強化ガラス板１３１により上下に三室に区画されており、上部室および下部室にはハロゲンランプ１４０が複数設けてある。本実施例に係る可動式強化ガラス板１２２及び強化ガラス板１３１は、第３実施例と同様に強度が高い石英ガラス板によって形成されている。中間室は熱処理室１１２となっており、熱処理室１１２内には支持腕１５０に支持して被加熱材である半導体ウエハ１６０が装入されている。なお、可動式強化ガラス板１２２は、熱処理室１１２内を上下に移動できるように形成されている。更に、可動式強化ガラス板１２２は、半導体ウエハ１６０の熱処理終了、半導体ウエハ１６０から離間するように移動する。後述する半導体ウエハ１６０の熱処理後に、半導体ウエハ１６０に対する可動式強化ガラス板１２２から放射される放射熱の影響を抑制して強誘電体キャパシタの特性変動を抑えるためである。
【００７８】
制御部４０２は、圧力センサ１９０からの熱処理室１１２内の圧力検出情報に基づいて、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、排気ゲートバルブ２００、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０の開放及び遮断を制御、そしてゲートパルス回路７３０の駆動を制御する。更に、制御部４０２は、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０を制御する。更に、制御部４０２は、不図示の駆動部を用いて可動式強化ガラス板１２２を上下に移動させる。
【００７９】
図１３は、本実施例に係る熱処理装置４０００における半導体装置１０の熱処理工程を示すフローチャートである。制御部４０２は、酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を閉める（Ｓ６１）。次いで、半導体ウエハ１６０は、熱処理装置４０００まで搬送される（Ｓ６２）。半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１２内に導入される（Ｓ６３）。次いで、制御部４０２は、排気バルブ２００を開いて熱処理室１１２内を真空引きする（Ｓ６４）。真空引きは、熱処理室１１２内の内部圧力が１．０×１０−１（Ｐａ）になるまで行う。この真空引きの工程において、熱処理室１１２内の内部圧力は、圧力センサ１９０によって測定される。この真空引きは、熱処理室１１２内のガスを除去するために行うものである。次いで、制御部４０２は排気ゲートバルブ２００を閉じ、熱処理室１１２内を真空状態に保持する（Ｓ６５）。次いで、制御部４０２は酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を開く（Ｓ６６）。次いで、制御部４０２は酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を開き、酸素導入パイプ２３１及びアルゴン導入パイプ２４１から熱処理室１１２内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入する（Ｓ６７）。この工程の際、酸素ガスの流量は０．０５５（リットル／ｍｉｎ）であり、アルゴンガスの流量は１．９５（リットル／ｍｉｎ）である。熱処理室１１２内の酸素ガスとアルゴンガスの比率は、例えば1：３０から１：４０であることが望ましい。次いで、制御部４０２は、熱処理室１１２内の内部圧力が２気圧になるまで、熱処理室１１２内に酸素ガスとアルゴンガスを加圧導入する（Ｓ６８）。なお、後述する熱処理工程の際には、内部気体の膨張に伴い熱処理室１１２内の内部圧力は上昇するが、圧力センサ１９０は熱処理工程前の内部圧力のみ検出する。この際、酸素ガスの加圧は酸素ガス加圧部２６０により行う。アルゴンガスの加圧はアルゴンガス加圧部２７０により行う。次いで、制御部４０２は、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を閉じ、熱処理室１１２内の酸素ガス及びアルゴンガスの比率を一定に保持する（Ｓ６９）。次いで、制御部４０２は、圧力センサ１９０によって測定された熱処理室１１２内の内部圧力情報に基づいて半導体ウエハ１６０の熱処理工程を実施する（Ｓ７０）。本熱処理工程は、５５０〜５７０度の熱処理が９０秒間行われる。次いで、本熱処理工程の終了後、可動式石英ガラス板１２２は、半導体ウエハ１６０から離れた距離に移動される。（Ｓ７１）。その後、半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１２内から搬出される（Ｓ７２）。その後、半導体ウエハ１６０は、不図示の冷却板の上に搭載され、約３５０℃になるまで約５分間の間自然冷却される（Ｓ７３）。その後、熱処理工程において、各製造ロットの半導体ウエハ１６０の熱処理が終了するまで、本熱処理工程は実施される（Ｓ７４）。
【００８０】
第４実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理工程の後の冷却工程の際、強化ガラス板からの放射熱の影響による強誘電体膜の特性変動を抑えるための強化ガラス板を半導体ウエハから離間する工程を有する。そのため、熱処理工程後の半導体ウエハにおける冷却時の温度プロファイルを正確に制御することができる。
（第５実施例）
以下、本発明の第５実施例に係る半導体装置の製造方法及び熱処理装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。第５実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理工程時に可動式強化ガラス板を更に半導体ウエハに接近させることにより、熱処理室内の圧力を上げることができる。そのため、熱処理工程の際に強誘電体膜内に酸素を浸透させることができる。
【００８１】
図１４は、本実施例に係る熱処理装置５０００の全体構成を示す。図１４において、熱処理装置５０００は装置ハウジング１０４、制御部４０３及び照射量設定装置５００によって構成されている。なお、第５実施例において、第４実施例で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８２】
装置ハウジング１０４には、熱処理室１１３、可動式強化ガラス板１２３、強化ガラス板１３１、ハロゲンランプ１４０、支持腕１５０、半導体ウエハ１６０、酸素流入バルブ１７０、アルゴン流入バルブ１８０、圧力センサ１９０、排気バルブ２００、酸素流量バルブ２１０、アルゴン流量バルブ２２０、酸素導入パイプ２３１、アルゴン導入パイプ２４１、排気パイプ２５０、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０が設けられている。
【００８３】
なお、可動式強化ガラス板１２３は、熱処理室１１３内を上下に移動するように形成されている。可動式強化ガラス板１２３は、第４実施例に開示された可動式強化ガラス板１２２と比較して、半導体ウエハ１６０との間隔が約２０ｍｍまで近接する距離まで移動可能である。熱処理工程時に可動式強化ガラス板１２３を更に半導体ウエハ１６０に接近させることにより、熱処理室１１３内の圧力を上げることができる。そのため、熱処理工程の際に強誘電体膜内に酸素を浸透させることができる。
【００８４】
制御部４０３は、圧力センサ１９０からの熱処理室１１３内の圧力検出情報に基づいて、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、排気ゲートバルブ２００、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０の開放及び遮断、そしてゲートパルス回路７３０の駆動を制御する。更に、制御部４０３は、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０を制御する。更に、制御部４０３は、不図示の駆動部を用いて可動式強化ガラス板１２３を上下に移動させる。
【００８５】
図１５は、本実施例に係る熱処理装置５０００における半導体装置１０の熱処理工程を示すフローチャートである。制御部４０３は、酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を閉める（Ｓ８１）。次いで、半導体ウエハ１６０は、熱処理装置５０００まで搬送される（Ｓ８２）。半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１３内に導入される（Ｓ８３）。次いで、制御部４０３は、排気バルブ２００を開いて熱処理室１１３内を真空引きする（Ｓ８４）。真空引きは、熱処理室１１３内の内部圧力が１．０×１０-1（Ｐａ）になるまで行われる。この真空引きの工程において、熱処理室１１３内の内部圧力は、圧力センサ１９０によって測定される。この真空引きは、熱処理室１１３内のガスを除去するために行うものである。次いで、制御部４０３は排気ゲートバルブ２００を閉じ、熱処理室１１３内を真空状態に保持する（Ｓ８５）。次いで、制御部４０３は酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を開く（Ｓ８６）。次いで、制御部４０３は酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を開き、酸素導入パイプ２３１及びアルゴン導入パイプ２４１から熱処理室１１３内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入する（Ｓ８７）。この工程の際、酸素ガスの流量は０．０５５（リットル／ｍｉｎ）であり、アルゴンガスの流量は１．９５（リットル／ｍｉｎ）である。熱処理室１１３内の酸素ガスとアルゴンガスの比率は、例えば１：３０から１：４０であることが望ましい。次いで、制御部４０３は、熱処理室１１３内の内部圧力が２気圧になるまで、熱処理室１１３内に酸素ガスとアルゴンガスを加圧導入する（Ｓ８８）。この際、酸素ガスの加圧は酸素ガス加圧部２６０により行う。アルゴンガスの加圧はアルゴンガス加圧部２７０により行う。次いで、制御部４０３は、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を閉じ、熱処理室１１３内の酸素ガス及びアルゴンガスの比率を一定に保持する（Ｓ８９）。次いで、可動式耐熱ガラス板１２３を半導体ウエハ１６０に近づける（Ｓ９０）。この工程によって、熱処理室１１３の容積は小さくなり、熱処理室１１３内の内圧は増加する。その結果、半導体ウエハ１６０に印加される酸素ガス及びアルゴンガスの内圧は増加する。次いで、制御部４０３は、圧力センサ１９０によって測定された熱処理室１１３内の内部圧力情報に基づいて半導体ウエハ１６０の熱処理工程を実施する（Ｓ９１）。本熱処理工程は、５５０〜５７０度の熱処理が９０秒間行われる。本熱処理工程の終了後、可動式石英ガラス板１２３は、半導体ウエハ１６０から離れた距離に移動する（Ｓ９２）。次いで、半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１３内から搬出される（Ｓ９３）。その後、半導体ウエハ１６０は、不図示の冷却板の上に搭載され、約３５０℃になるまで約５分間の間自然冷却される（Ｓ９４）。その後、熱処理工程において、各製造ロットの半導体ウエハ１６０の熱処理が終了するまで、本熱処理工程は実施される（Ｓ９５）。
【００８６】
第５実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、熱処理工程時に可動式強化ガラス板を更に半導体ウエハに接近させることにより、熱処理室内の圧力を上げることができる。そのため、熱処理工程の際に強誘電体膜内に酸素を浸透させることができる。そのため、半導体装置における強誘電体膜は、強誘電体膜の均一な配向率を得ることができる。
（第６実施例）
以下、本発明の第６実施例に係る半導体装置の製造方法及び熱処理装置について添付の図面を参照して具体的に説明する。第６実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、ファンによって熱処理室内におけるアルゴンガス及び酸素ガスを循環させ、熱処理室内におけるアルゴン濃度分布及び酸素濃度分布が略均一になるように制御する。そのため、安定した雰囲気下で半導体装置における強誘電体膜の熱処理工程を実施することができる。
【００８７】
図１６は、本実施例に係る熱処理装置６０００の全体構成を示す。図１６において、熱処理装置６０００は、装置ハウジング１０５、制御部４０４及び照射量設定装置５００によって構成されている。なお、第６実施例において、第５実施例で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８８】
装置ハウジング１０５には、熱処理室１１４、可動式強化ガラス板１２３、石英ガラス板１３１、ハロゲンランプ１４０、支持腕１５０、半導体ウエハ１６０、酸素流入バルブ１７０、アルゴン流入バルブ１８０、圧力センサ１９０、排気バルブ２００、酸素流量バルブ２１０、アルゴン流量バルブ２２０、酸素導入パイプ２３１、アルゴン導入パイプ２４１、排気パイプ２５０、酸素ガス加圧部２６０、アルゴンガス加圧部２７０、ファン２８０及びファン２９０が設けられている。
【００８９】
ファン２８０及びファン２９０は、熱処理室１１４に面して配置されており、熱処理室１１４外に配置されている不図示のモータによって駆動回転される。ファン２８０及びファン２９０は、熱処理工程前及び熱処理工程中に、熱処理室１１４中の雰囲気を循環させ、熱処理室１１４中の酸素ガス及びアルゴンガスの分布を一定とするために設置される。
【００９０】
制御部４０４は、圧力センサ１９０からの熱処理室１１４内の圧力検出情報に基づいて、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、排気ゲートバルブ２００、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０の開放及び遮断、そしてゲートパルス回路７３０の駆動を制御する。更に、制御部４０２は、酸素ガス加圧部２６０及びアルゴンガス加圧部２７０を制御する。更に、制御部４０４は、不図示の駆動部を用いて可動式強化ガラス板１２２を上下に移動させる。更に、制御部４０４は、熱処理室１１４内の圧力検出情報に基づいて、圧力センサ１９０からの不図示のモータを用いてファン２８０及びファン２９０を回転させる。
【００９１】
図１７は、本実施例に係る熱処理装置６０００における半導体装置１０の熱処理工程を示すフローチャートである。制御部４０４は、酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を閉める（Ｓ１０１）。次いで、半導体ウエハ１６０は、熱処理装置６０００まで搬送される（Ｓ１０２）。半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１４内に導入される（Ｓ１０３）。次いで、制御部４０４は、排気バルブ２００を開いて熱処理室１１４内を真空引きする（Ｓ１０４）。真空引きは、熱処理室１１４内の内部圧力が１．０×１０−１（Ｐａ）になるまで行う。この真空引きの工程において、熱処理室１１４内の内部圧力は、圧力センサ１９０によって測定される。この真空引きは、熱処理室１１４内部のガスを除去するために行うものである。次いで、制御部４０４は排気ゲートバルブ２００を閉じ、熱処理室１１４内を真空状態に保持する（Ｓ１０５）。次いで、制御部４０４は酸素ゲートバルブ１７０及びアルゴンゲートバルブ１８０を開く（Ｓ１０６）。次いで、制御部４０４は酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を開き、酸素導入パイプ２３１及びアルゴン導入パイプ２４１から熱処理室１１４内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入する（Ｓ１０７）。この工程の際、酸素ガスの流量は０．０５５（リットル／ｍｉｎ）であり、アルゴンガスの流量は１．９５（リットル／ｍｉｎ）である。熱処理室１１４内の酸素ガスとアルゴンガスの比率は、例えば1：３０から１：４０であることが望ましい。次いで、制御部４０４は、熱処理室１１４内の内部圧力が２気圧になるまで、熱処理室１１４内に酸素ガスとアルゴンガスを加圧導入する（Ｓ１０８）。この際、酸素ガスの加圧は酸素ガス加圧部２６０により行う。アルゴンガスの加圧はアルゴンガス加圧部２７０により行う。次いで、制御部４０４は、酸素ゲートバルブ１７０、アルゴンゲートバルブ１８０、酸素流量バルブ２１０及びアルゴン流量バルブ２２０を閉じ、熱処理室１１４内の酸素ガス及びアルゴンガスの比率を一定に保持する（Ｓ１０９）。次いで、可動式耐熱ガラス板１２３を半導体ウエハ１６０に近づける（Ｓ１１０）。次いで、制御部４０４は、ファン２８０及びファン２９０を回転させて、熱処理室１１４内の酸素ガス及びアルゴンガスの雰囲気を循環させ、熱処理室１１４中の酸素ガス及びアルゴンガスの分布を略一定とする。次いで、制御部４０４は、圧力センサ１９０によって測定された熱処理室１１４内の内部圧力情報に基づいて半導体ウエハ１６０の熱処理工程を実施する（Ｓ１１１）。本熱処理工程は、５５０〜５７０度の熱処理が９０秒間行われる。本熱処理工程の終了後、制御部４０４は、ファン２８０及び２９０の回転を停止させる（Ｓ１１２）。その後、可動式石英ガラス板１２３は、半導体ウエハ１６０から離れた距離に移動する（Ｓ１１３）。次いで、半導体ウエハ１６０は、支持椀１５０に搭載されて熱処理室１１４内から搬出される（Ｓ１１４）。その後、半導体ウエハ１６０は、不図示の冷却板の上に搭載され、約３５０℃になるまで約５分間の間自然冷却される（Ｓ１１５）。その後、熱処理工程において、各製造ロットの半導体ウエハ１６０の熱処理が終了するまで、本熱処理工程は実施される（Ｓ１１６）。
【００９２】
第６実施例の半導体装置の製造方法及び熱処理装置によれば、ファンによって熱処理室内におけるアルゴンガス及び酸素ガスを循環させ、熱処理室内におけるアルゴン濃度分布及び酸素濃度分布が略均一になるように制御される。そのため、安定した雰囲気下で半導体装置における強誘電体膜の熱処理工程を実施することができる。
（付記１）
トランジスタが形成されている基板の上方に下部電極、強誘電体膜を順次積層する工程と、
前記強誘電体膜を密閉且つ真空雰囲気にさらす工程と、
前記密閉された強誘電体膜を熱処理する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。（１、図１）
（付記２）
前記強誘電体膜を熱処理する工程は、酸素の容積比率が管理された状態で行われることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。（２、図１）
（付記３）
前記熱処理する工程は、酸素及びアルゴンの容量比率が１：３０から１：４０となる雰囲気を有する密閉室内で、前記強誘電体が結晶化する温度で前記基板の熱処理処理を行う工程と、
前記強誘電体膜の上に上部電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする付記１又は付記２に記載の半導体装置の製造方法。（３、図１）
（付記４）
前記熱処理工程は、前記酸素及び前記アルゴンからなる混合気体の全圧が１気圧以上の圧力下で行われることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。（４、図１、図１０、図１２、図１５、図１７）
（付記５）
前記強誘電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とする付記８乃至付記１１の何れかに記載の半導体装置の製造方法。（図１）
（付記６）
前記強誘電体膜は、ＰＶＤ法又はゾルゲル法によって形成することを特徴とする付記８乃至付記１２の何れかに記載の半導体装置の製造方法。（図１）
（付記７）
前記強誘電体膜は、５０ｎｍから３００ｎｍの膜厚によって形成することを特徴とする付記８乃至付記１３の何れかにに記載の半導体装置の製造方法。（図１）
（付記８）
部材が挿入でき、且つ減圧可能である熱処理室と、
前記熱処理室に設けられた、前記熱処理室内への気体導入及び気体排気が可能である開口と、
前記熱処理室内における気体の圧力を検出し、前記圧力に関する検出情報を出力する検出部と、
前記熱処置室内の部材を加熱する加熱部と、
前記開口による前記熱処理室内の前記気体排気を可能にする制御と、前記熱処理室内の密閉、前記開口による前記熱処理室内の前記気体導入、及び前記加熱部による前記部材の加熱を前記検出情報に基づいて行う制御と、を行う制御部と、
を有することを特徴とする熱処理装置。（５、図３、図８、図１０、図１２、図１５、図１７）
（付記９）
前記熱処理室内への気体導入及び気体排気が可能となるように前記開口に接続された、前記熱処理室への気体導入を行う複数の導入パイプと、
前記熱処理室内への気体導入及び気体排気が可能となるように前記開口に接続された、前記熱処理室からの気体排気を行う排気パイプと、
気体の流量の制御を行う前記導入パイプに設けられた流量バルブと、
前記導入パイプの開放及び遮断を行う、前記流量バルブと前記熱処理室との間に設けられた導入ゲートバルブと、
前記排出パイプの開放及び遮断を行う、前記排気パイプに設けられた排気ゲートバルブと、
を更に有することを特徴とする付記８記載の熱処理装置。（６、図３、図８、図１０、図１２、図１５、図１７）
（付記１０）
前記検出部は、圧力センサであることを特徴とする付記８又は付記９に記載の熱処理装置。（７、図３、図８、図１０、図１２、図１５、図１７）
（付記１１）
前記熱処理室の内壁の一部は、強化ガラス板によって形成されていることを特徴とする付記８乃至付記１０の何れかに記載の熱処理装置。（８、図１２、図１５、図１７）
（付記１２）
前記導入パイプに備えられ、前記熱処理室に前記気体を加圧して導入する加圧部を備えることを特徴とする付記８乃至付記１１の何れかに記載の熱処理装置。（９、図１０、図１２、図１５、図１７）
（付記１３）
前記石英ガラス板の一部は、前記検出部からの圧力情報に基づいて可動することを特徴とする付記８乃至付記１２の何れかに記載の熱処理装置。（１０、図１０、図１２、図１５、図１７）
（付記１４）
前記熱処理室には、前記検出部からの圧力情報に基づいて雰囲気を循環させるために作動するファンが設けられていることを特徴とする付記８乃至付記１３の何れかに記載の熱処理装置。（図１７）
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】図１Ａは、本発明に係るＭＩＳトランジスタの平面図である。図１Ｂは、本発明に係るＭＩＳトランジスタの断面図である。
【図２】図２は、本発明に係るＭＩＳトランジスタの製造工程を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施例に係る熱処理装置の構成図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施例に係る半導体装置の熱処理工程を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第１実施例に係る半導体ウエハの温度プロファイルを示す図である。
【図６】図６Ａは、従来技術に係る半導体装置のＰＺＴ配向率分布を示す図である。図６Ｂは、本発明の第１実施例に係る半導体装置のＰＺＴ配向率分布を示す図である。
【図７】図７は、従来技術及び第１実施例に係る半導体装置のＲＥＴＥＮＳＩＯＮ（データ保持機能）不良率を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施例に係る熱処理装置の構成図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施例に係る半導体装置の熱処理工程を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施例に係る熱処理装置の構成図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施例に係る半導体装置の熱処理工程を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の第４実施例に係る熱処理装置の構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の第４実施例に係る半導体装置の熱処理工程を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の第５実施例に係る熱処理装置の構成図である。
【図１５】図１５は、本発明の第５実施例に係る半導体装置の熱処理工程を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の第６実施例に係る熱処理装置の構成図である。
【図１７】図１７は、本発明の第６実施例に係る半導体装置の熱処理工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９４】
１０  半導体装置
１１  半導体基板
１２  素子分離領域
１３  ウェル
１４  ＭＩＳトランジスタ
１５  低濃度拡散層
１６  高濃度拡散層
１７  ゲート絶縁膜
１８  ゲート電極
１９  シリサイド層
２０  サイドウォール
２１  シリコン酸窒化膜
２２  シリコン酸化膜
２３  密着膜
２４  Ｗプラグ
２５ａ  ＡｌＯ膜
２５ｂ  Ｐｔ膜
２６  ＰＺＴ膜
２７  ＩｒＯｘ膜
２８  ＡｌＯ膜
２９  層間絶縁膜
３０  密着膜
３１  Ｗプラグ
１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００  熱処理装置
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  装置ハウジング
１１０、１１１、１１２、１１３、１１４  熱処理室
１２０、１３０  石英ガラス板
１２１、１３１  強化ガラス板
１２２、１２３  可動式強化ガラス板
１４０  ハロゲンランプ
１５０  支持腕
１６０  半導体ウエハ
１７０  酸素ゲートバルブ
１８０  アルゴンゲートバルブ
１９０  圧力センサ
２００  排気ゲートバルブ
２１０  酸素流量バルブ
２２０  アルゴン流量バルブ
２３０、２３１  酸素導入パイプ
２４０、２４１  アルゴン導入パイプ
２５０  排気パイプ
２６０  酸素ガス加圧部
２７０  アルゴンガス加圧部
２８０、２９０  ファン
４００、４０１、４０２、４０３、４０４  制御部
５００  照射量設定装置
６００  通電回路
６１０  電源ユニット
６２０  検出回路
７００  通電制御回路
７１０  変換回路
７２０  増幅回路
７３０  ゲートパルス回路
８００  温度調節計
９００  放射温度計
【図２】
0005228495.tif 000002
【図４】
0005228495.tif 000003
【図９】
0005228495.tif 000004
【図１１】
0005228495.tif 000005
【図１３】
0005228495.tif 000006
【図１５】
0005228495.tif 000007
【図１７】
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【図１】
0005228495.tif 000009
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
0005228495.tif 000016
【図１４】
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【図１６】
0005228495.tif 000018