(57)【要約】【課題】ＦｅＲＡＭを安定的に量産する。【解決手段】ＦｅＲＡＭの強誘電体キャパシタを形成する際、下部電極層上にＰＺＴの層をスパッタした後（ステップＳ６，Ｓ７）、それを結晶化するため、そのスパッタで用いたターゲットのそれまでの使用量（使用時間）によらずデータ保持特性等の所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境下で第１のＲＴＡ処理を行う（ステップＳ８）。例えば、そのＲＴＡ処理時にＯ２ガス流量を適切な範囲に制御する。その後、上部電極層の形成や第２のＲＴＡ処理を行い（ステップＳ９〜Ｓ１１）、強誘電体キャパシタを形成する（ステップＳ１２）。これにより、所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタを歩留まり良く形成することができ、ＦｅＲＡＭが安定的に量産可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層に強誘電体材料を用いた強誘電体キャパシタの形成方法において、
下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に前記強誘電体材料の層をスパッタ法を用いて形成する工程と、
前記強誘電体材料の層の形成後に、前記スパッタ法において用いられたターゲットの使用量によらず所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境で熱処理を行う工程と、
前記熱処理後の前記強誘電体材料の層上に上部電極層を少なくとも一部形成する工程と、
を有することを特徴とする強誘電体キャパシタの形成方法。
【請求項２】
前記熱処理を行う工程においては、
前記熱処理を２体積％〜５体積％の範囲の酸素と不活性ガスとの混合ガスの環境で行うことを特徴とする請求項１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
【請求項３】
前記上部電極層を少なくとも一部形成する工程後に、
第２の熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
【請求項４】
強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法において、
下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に強誘電体材料の層をスパッタ法を用いて形成する工程と、
前記強誘電体材料の層の形成後に、前記スパッタ法において用いられたターゲットの使用量によらず所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境で熱処理を行う工程と、
前記熱処理後の前記強誘電体材料の層上に上部電極層を少なくとも一部形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記所定のキャパシタ性能は、少なくともデータ保持特性を含むことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理を行う工程においては、
前記熱処理を２体積％〜５体積％の範囲の酸素と不活性ガスとの混合ガスの環境で行うことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理は、急速昇温加熱処理であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記上部電極層を少なくとも一部形成する工程後に、
第２の熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記下部電極層は、酸化アルミニウム膜と白金膜との積層構造を有していることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記強誘電体材料の層は、チタン酸ジルコン酸鉛またはランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項４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】
本発明は強誘電体キャパシタの形成方法および半導体装置の製造方法に関し、特にその誘電体層に強誘電体材料を用いた強誘電体キャパシタの形成方法およびそのような強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、強誘電体の分極状態が外部電界によって反転制御可能である特性を利用した不揮発性半導体メモリ、いわゆるＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）の開発・製造が推し進められてきた。
【０００３】
ＦｅＲＡＭは、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）同様、スイッチングトランジスタとキャパシタからなるメモリセル構造を有しており、そのキャパシタの誘電体層に強誘電体材料が用いられている。強誘電体材料には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，ＰＺＴ）が用いられる。
【０００４】
このようなＦｅＲＡＭの強誘電体キャパシタは、例えば、スパッタ法等を用い、下部電極層、強誘電体材料の層、上部電極層を形成することによって得られる。その際、強誘電体材料の層の形成時には、成膜後にアモルファス状態にある強誘電体材料を結晶化するための所定条件のアニール処理が施される（特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１２６９５５号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、正方晶系のＰＺＴの分極軸は（００１）方向であるため、ＰＺＴはｃ軸に配向したときにその分極値が最も大きくなる。しかしながら、一般にＰＺＴを多結晶基板上でｃ軸に配向させて形成することは困難である。
【０００６】
そこで、ＰＺＴを用いてＦｅＲＡＭの強誘電体キャパシタを形成する場合には、まず、格子定数がＰＺＴのそれに比較的近い白金（Ｐｔ）を用いて下部電極層を形成する。Ｐｔは、例えばＤＣスパッタ法を用いて成膜すると、最密面である（１１１）面に配向しやすい。そして、この上に（１１１）面が優先配向するようにＰＺＴの層を形成する。このようにＰＺＴの層を形成すると、スイッチング（分極反転）方向が反転電界に対して４５°の角度をなすようになるため、（００１）面を優先配向させたときには及ばないものの、不揮発性メモリとして充分実用し得る比較的大きな分極値が得られ、特性および生産性に優れたＦｅＲＡＭを形成することが可能になる。
【０００７】
Ｐｔを用いた下部電極層上へのＰＺＴの層の形成には、例えば、ＲＦスパッタ法が用いられる。スパッタ直後のＰＺＴはアモルファス状態にあるため、その後、アニール処理によって結晶化される。このＰＺＴ結晶化のアニール処理は、通常、酸素（Ｏ２）が存在する環境下で行われる。従来のＦｅＲＡＭ形成では、このようにしてＰＺＴの層を形成する際、ＰＺＴの（１１１）面を優先配向させることができるように、その成膜条件やアニール条件が適宜選択されていた。
【０００８】
しかし、ＦｅＲＡＭの量産においては、ＰＺＴの層をＰＺＴターゲットを用いたスパッタ法により形成する場合に、ＰＺＴターゲットの使用量が多く（使用時間が長く）なると、その後に行われるＰＺＴ結晶化のアニール条件によっては、得られる強誘電体キャパシタの所定の電気特性が劣化してしまい、歩留まりが低下する場合があるという問題点があった。
【０００９】
図９はＰＺＴターゲットの使用量と強誘電体キャパシタの歩留まりとの関係を示す図である。この図９において、横軸はＰＺＴターゲットに供給された電力量（ｋＷｈ）を表し、縦軸は強誘電体キャパシタの歩留まり（％）を表している。なお、ここでの歩留まりは、あらかじめ動作確認がなされたキャパシタのうち所定の信頼性試験（例えば、高温放置後のデータ保持特性試験等。）をパスしたもの（一定のキャパシタ性能を有するもの）の割合によって評価している。
【００１０】
あるアニール条件で形成したときの強誘電体キャパシタの歩留まりは、図９に示すように、ＰＺＴターゲットのある程度の使用量までは概ね高い値を維持するが、ＰＺＴターゲットの使用量が一定値を越えると低下する傾向がある。
【００１１】
このような歩留まりの低下は、単ビット系の不良が原因である。一方、従来のようなＰＺＴの結晶配向性や分極値に基づく最適化方法では、結晶の平均構造や多数のセルキャパシタをつなぎ合わせた状態での電気特性しか確認されていないのが現状である。ＦｅＲＡＭの量産を長期にわたって安定的に行うためには、その製造プロセス条件をさらに最適化する必要がある。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタを歩留まり良く形成することのできる強誘電体キャパシタの形成方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、そのようにして形成される所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では上記課題を解決するために、誘電体層に強誘電体材料を用いた強誘電体キャパシタの形成方法において、下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層上に前記強誘電体材料の層をスパッタ法を用いて形成する工程と、前記強誘電体材料の層の形成後に、前記スパッタ法において用いられたターゲットの使用量によらず所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境で熱処理を行う工程と、前記熱処理後の前記強誘電体材料の層上に上部電極層を少なくとも一部形成する工程と、を有することを特徴とする強誘電体キャパシタの形成方法が提供される。
【００１５】
このような強誘電体キャパシタの形成方法によれば、スパッタ法を用いて強誘電体材料の層を形成した後の熱処理を、そのスパッタ法で用いられたターゲットの使用量によらず、所定のキャパシタ性能、例えばデータ保持特性が得られるように制御された環境下で行う。強誘電体材料の層をそのような環境下で熱処理することにより、所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタが歩留まり良く形成されるようになる。
【００１６】
また、本発明では、強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法において、下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層上に強誘電体材料の層をスパッタ法を用いて形成する工程と、前記強誘電体材料の層の形成後に、前記スパッタ法において用いられたターゲットの使用量によらず所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境で熱処理を行う工程と、前記熱処理後の前記強誘電体材料の層上に上部電極層を少なくとも一部形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１７】
このような半導体装置の製造方法によれば、それが有する強誘電体キャパシタを形成する際、スパッタ法を用いて強誘電体材料の層を形成した後の熱処理を、そのスパッタ法で用いられたターゲットの使用量によらず、所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境下で行う。それにより、強誘電体キャパシタが歩留まり良く形成され、強誘電体キャパシタを有する半導体装置が歩留まり良く形成されるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、強誘電体キャパシタを形成する際、スパッタ法を用いて強誘電体材料の層を形成した後の熱処理を、そのスパッタ法で用いられたターゲットの使用量によらず、所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境下で行うようにした。これにより、所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタを歩留まり良く形成することが可能になる。また、これにより、強誘電体キャパシタを有する半導体装置を安定的に量産することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図２はＦｅＲＡＭの一例の要部断面模式図である。
ＦｅＲＡＭ１は、データを保持する強誘電体キャパシタ２とそれにアクセスするＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ３を備えている。
【００２０】
ＭＯＳトランジスタ３は、シリコン（Ｓｉ）基板４を用い、フィールド酸化膜等の素子分離領域５で画定された所定導電型のウェル４ａ内の素子領域に形成されており、Ｓｉ基板４上には、ゲート絶縁膜６を介して、ＦｅＲＡＭ１のワード線として機能するゲート電極７が形成されている。ゲート電極７の両側には側壁絶縁膜８ａ，８ｂが形成されており、また、ゲート電極７の両側のＳｉ基板４内には所定導電型の不純物拡散領域９ａ，９ｂが形成されている。
【００２１】
このようなＭＯＳトランジスタ３が形成されているウェハ上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の層間絶縁膜１０が形成され、この層間絶縁膜１０を貫通するようにしてタングステン（Ｗ）等のプラグ１１ａ，１１ｂが形成されている。プラグ１１ａ，１１ｂはそれぞれ、不純物拡散領域９ａ，９ｂに接続されている。そして、層間絶縁膜１０上には、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等の酸化防止膜１２およびＳｉＯ２膜１３が形成され、その上に強誘電体キャパシタ２が形成されている。
【００２２】
強誘電体キャパシタ２は、下部電極層１４、誘電体層１５および上部電極層１６により構成されている。
下部電極層１４は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜上にＰｔ膜を積層した構造とすることができるほか、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）またはルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、その他導電性酸化物の膜、もしくはそれらの膜を適当に組み合わせて積層した構造とすることもできる。ただし、モフォロジーや生産性等を考慮すると、下部電極層１４には、Ａｌ２Ｏ３膜とＰｔ膜の積層構造を用いることが好ましい。
【００２３】
誘電体層１５は、例えば強誘電体であるＰＺＴを用いて形成される。また、上部電極層１６は、例えば酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）膜を用いて形成される。
強誘電体キャパシタ２の下部電極層１４、誘電体層１５および上部電極層１６は、雛壇状に形成されており、また、それらを覆うようにしてＰＺＴ等を用いてエンキャップ層１７が形成されている。
【００２４】
強誘電体キャパシタ２の下部電極層１４および上部電極層１６にはそれぞれ、エンキャップ層１７およびＳｉＯ２等の層間絶縁膜１８を貫通するコンタクトホールを介して、ローカル配線パターン１９ａ，１９ｂが接続されている。そのうち、上部電極層１６に接続されたローカル配線パターン１９ｂは、層間絶縁膜１８、ＳｉＯ２膜１３および酸化防止膜１２を貫通して、ＭＯＳトランジスタ３の不純物拡散領域９ｂに接続されたプラグ１１ｂに接続されている。これにより、強誘電体キャパシタ２とＭＯＳトランジスタ３とが電気的に接続されるようになる。
【００２５】
これらの素子構造は、その全体がＳｉＯ２等のパッシベーション膜２０で覆われている。そして、ＭＯＳトランジスタ３のもう一方の不純物拡散領域９ａに接続されたプラグ１１ａには、パッシベーション膜２０、層間絶縁膜１８、ＳｉＯ２膜１３および酸化防止膜１２を貫通する電極２１が接続されている。この電極２１は、ＦｅＲＡＭ１のビット線として機能する。また、下部電極層１４に接続されたローカル配線パターン１９ａには、パッシベーション膜２０を貫通する別の電極２２が接続されている。
【００２６】
このような構成を有するＦｅＲＡＭ１は、例えば、次の図１に示すようなフローで形成することができる。
図１はＦｅＲＡＭの形成フローの一例を示す図である。
【００２７】
まず、常法に従い、素子分離領域５で画定された素子領域にゲート絶縁膜６、ゲート電極７、側壁絶縁膜８ａ，８ｂおよび不純物拡散領域９ａ，９ｂを形成して、ＭＯＳトランジスタ３を形成する（ステップＳ１）。
【００２８】
次いで、ＭＯＳトランジスタ３を形成したウェハ上に膜厚約１０００ｎｍのＳｉＯ２をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて堆積し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化を行って層間絶縁膜１０を形成する（ステップＳ２）。
【００２９】
そして、その層間絶縁膜１０に不純物拡散領域９ａ，９ｂに通じるコンタクトホールを形成し、全面にＷ等を堆積して、同様にＣＭＰにより平坦化を行い、プラグ１１ａ，１１ｂを形成する（ステップＳ３）。
【００３０】
その後、ＳｉＯＮ等の酸化防止膜１２およびＳｉＯ２膜１３をそれぞれ膜厚約１００ｎｍおよび約１３０ｎｍで成膜し（ステップＳ４）、窒素（Ｎ２）雰囲気中、約６５０℃、約３０分間のアニール処理によって脱ガスを行う（ステップＳ５）。
【００３１】
次いで、下部電極層１４を例えばＰｔ／Ａｌ２Ｏ３積層構造で構成する場合には、ＤＣスパッタ法を用い、全面に膜厚約２０ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜と膜厚約１５５ｎｍのＰｔ膜を順次堆積し、下部電極層１４を形成する（ステップＳ６）。
【００３２】
次いで、ＲＦスパッタ法を用い、下部電極層１４上に膜厚約１５０ｎｍのＰＺＴを堆積する（ステップＳ７）。このＰＺＴのＲＦスパッタ法による堆積の際には、誘電体層１５として必要とされる組成比であらかじめ形成されているＰＺＴターゲットを用いる。このようなＰＺＴターゲットを用いて下部電極層１４上に堆積されたＰＺＴは、アモルファス状態である。
【００３３】
アモルファス状態のＰＺＴを結晶化するため、次にランプアニール装置等を用いて急速昇温加熱（Rapid Thermal Anneal，ＲＴＡ）処理を行う（ステップＳ８）。この段階のＲＴＡ処理は、主としてＰＺＴの結晶粒を生成させることを目的として行われる。このＲＴＡ処理は、所定分圧のＯ２ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガス雰囲気中、約５６３℃、約９０秒間の条件で行う。このＲＴＡ処理時の混合ガス中のＯ２ガスは、約０．１体積％〜約５０体積％、好ましくは約１体積％〜約５体積％、より好ましくは約２体積％〜約５体積％とする。なお、このＲＴＡ処理時のＯ２ガス量の詳細な条件、およびＰＺＴターゲットの使用量とＲＴＡ処理時のＯ２ガス量の関係については後述する。
【００３４】
このＲＴＡ処理後は、ＤＣスパッタ法を用い、まず上部電極層１６の一部となる、膜厚約５０ｎｍのＩｒＯｘ膜を形成する（ステップＳ９）。
その後、再びＲＴＡ処理を、Ｏ２／Ａｒ混合ガス（Ｏ２ガス約１体積％、残りはＡｒガス）雰囲気中、約７０８℃、約２０秒間の条件で行う（ステップＳ１０）。この段階のＲＴＡ処理は、主に先のＲＴＡ処理で生成された結晶粒を成長させることを目的として行われる。上記ステップＳ８のＲＴＡ処理（「第１のＲＴＡ処理」という。）とこのステップＳ１０のＲＴＡ処理（「第２のＲＴＡ処理」という。）により、所定の結晶構造のＰＺＴからなる誘電体層１５が形成される。
【００３５】
ステップＳ１０のＲＴＡ処理後は、膜厚約２００ｎｍのＩｒＯｘ膜を形成し、先にステップＳ９で形成したＩｒＯｘ膜との合計膜厚が約２５０ｎｍの上部電極層１６を形成する（ステップＳ１１）。
【００３６】
そして、上部電極層１６、誘電体層１５、下部電極層１４に対して順次パターニングとエッチングを行っていき、それらの各層を所定の領域にのみ雛壇状に残し、強誘電体キャパシタ２を形成する（ステップＳ１２）。
【００３７】
その後は、全面に層間絶縁膜１８を形成した後、下部電極層１４、上部電極層１６およびプラグ１１ｂに通じるコンタクトホールを形成し、ローカル配線パターン１９ａ，１９ｂを形成する（ステップＳ１３）。
【００３８】
そして、全面にパッシベーション膜２０を形成した後（ステップＳ１４）、プラグ１１ａおよびローカル配線パターン１９ａに通じるコンタクトホールを形成し、それぞれに電極２１，２２を形成する（ステップＳ１５）。以上の工程により、ＦｅＲＡＭ１が完成される。
【００３９】
ここで、上記ステップＳ８の第１のＲＴＡ処理の条件についてより詳細に説明する。
第１のＲＴＡ処理時には、前述のように、そのＯ２ガス量を約０．１体積％〜約５０体積％とすれば、スパッタ後のアモルファス状態のＰＺＴを結晶化することが可能である。ただし、一定値以上のスイッチング電荷量Ｑｓｗを示す強誘電体キャパシタ２を得るためには、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス量を約１体積％〜約５体積％とすることが好ましい。スイッチング電荷量Ｑｓｗにはある程度誘電体層１５のＰＺＴの結晶配向性が影響することがわかっているが、その結晶配向性は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス量に影響される。すなわち、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス量は、所望の結晶配向性を示すＰＺＴを形成するための制御パラメータのひとつになっている。
【００４０】
図３は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（２２２）面の配向率との関係を示す図、図４は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量と強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量との関係を示す図である。図３において、横軸は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量（ｓｃｃｍ）を表し、縦軸はＰＺＴ（２２２）面の配向率（％）を表している。また、図４において、横軸は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量（ｓｃｃｍ）を表し、縦軸は強誘電体キャパシタ２のスイッチング電荷量Ｑｓｗ（Ｃ／ｃｍ２）を表している。スイッチング電荷量Ｑｓｗは、２つの強誘電体キャパシタ２についてそれぞれ各Ｏ２ガス流量につき異なる５点（計１０点）について測定している。
【００４１】
なお、１ｓｃｃｍ＝１ｍｌ／ｍｉｎ（０℃，１０１．３ｋＰａ）である。また、第１のＲＴＡ処理は、下部電極層１４上にＰＺＴをスパッタした後のウェハをランプアニール装置のチャンバ内にセットし、Ｏ２ガス流量を１５ｓｃｃｍ〜３５ｓｃｃｍの範囲で変化させ、Ａｒガスとのトータル流量が２０００ｓｃｃｍになるように流通させ、約５６３℃、約９０秒間の条件で行っている。ＰＺＴ（２２２）面の配向率は、第２のＲＴＡ処理後にＸ線回折装置（X-Ray Diffraction，ＸＲＤ）による測定を行い、ＰＺＴ（１０１）面、（１００）面、（２２２）面の回折ピークから各結晶面の積分強度を求め、次式、ＰＺＴ（２２２）面の配向率（％）＝｛ＰＺＴ（２２２）面の積分強度｝／[｛ＰＺＴ（１００）面の積分強度｝＋｛ＰＺＴ（１０１）面の積分強度｝＋｛ＰＺＴ（２２２）面の積分強度｝]×１００、により算出している。なお、第１のＲＴＡ処理のＯ２ガス流量を変化させたことを除き、第２のＲＴＡ処理終了までの他の条件は同じにした。
【００４２】
前述のように、ＰＺＴは、（００１）面を優先配向させたときに分極値が最大になるが、ＦｅＲＡＭ１の生産性の観点からは、スイッチング方向が反転電界に対して４５°の角度をなし比較的大きな分極値が得られる（１１１）面（（２２２）面）を優先配向させることが好ましい。図３より、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量を１５ｓｃｃｍ（０．７５体積％）〜３５ｓｃｃｍ（１．７５体積％）の範囲で変化させると、ＰＺＴ（２２２）面の配向率は、Ｏ２ガス流量２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）とその前後辺りで特に高くなる。また、そのようなＯ２ガス流量であれば、図４より、比較的高いスイッチング電荷量Ｑｓｗを得ることが可能である。
【００４３】
したがって、第１のＲＴＡ処理の条件をＰＺＴの結晶配向性や分極値に基づいて最適化するのであれば、上記図３および図４の結果より、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量を２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）程度とすれば足りる。
【００４４】
続いて、より広いＯ２ガス流量範囲でのＰＺＴの結晶配向性について検討した結果を以下に示す。なお、ここでは第１のＲＴＡ処理を、上記同様、下部電極層１４上にＰＺＴをスパッタした後のウェハをランプアニール装置のチャンバ内にセットし、Ｏ２ガス流量を２５ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲で変化させ、Ａｒガスとのトータル流量が２０００ｓｃｃｍになるように流通させ、約５６３℃、約９０秒間の条件で行った。この第１のＲＴＡ処理のＯ２ガス流量を変化させたことを除き、第２のＲＴＡ処理終了までの他の条件は同じにした。第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量を２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）〜１００ｓｃｃｍ（５体積％）の範囲で変化させたときのＰＺＴの結晶配向性を測定した結果を次の図５から図７に示す。
【００４５】
図５は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（１０１）面の積分強度との関係を示す図、図６は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（１００）面の積分強度との関係を示す図、図７は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（２２２）面の積分強度との関係を示す図である。これら図５から図７において、横軸は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量（ｓｃｃｍ）を表し、縦軸は各結晶面の積分強度を表している。
【００４６】
また、図５から図７には、Ｏ２ガス流量を変化させて行う第１のＲＴＡ処理前に下部電極層１４上にＰＺＴをスパッタするときのそれまでのＰＺＴターゲットの使用量が比較的少ない場合（使用初期）と比較的多い場合（使用後期）のＯ２ガス流量と各結晶面の積分強度との関係についても併せて示している。なお、ＰＺＴターゲットの使用量は、ＰＺＴターゲットに供給された電力量（ｋＷｈ）によって評価し、使用初期のＰＺＴターゲットとして電力量１３４．０ｋＷｈのときのものを選択し、使用後期のＰＺＴターゲットとして電力量５３５．７ｋＷｈのときのものを選択した。
【００４７】
まず、図５より、ＰＺＴ（１０１）面の積分強度は、第１のＲＴＡ処理前に使用初期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、Ｏ２ガス流量が４０ｓｃｃｍ（２体積％），８５ｓｃｃｍ（４．２５体積％）のときには外れるものの、概ねＯ２ガス流量の増加に伴って減少する傾向が認められる。第１のＲＴＡ処理前に使用後期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合も同様、ＰＺＴ（１０１）面の積分強度は、概ねＯ２ガス流量の増加に伴って減少する傾向が認められる。
【００４８】
また、図５より、Ｏ２ガス流量が８５ｓｃｃｍ（４．２５体積％）のときを除けば、スパッタが使用後期のＰＺＴターゲットで行われている場合の方が、使用初期のＰＺＴターゲットで行われている場合に比べ、ＰＺＴ（１０１）面の積分強度は小さくなる。
【００４９】
次いで、図６より、ＰＺＴ（１００）面の積分強度は、第１のＲＴＡ処理前に使用初期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、Ｏ２ガス流量の増加に伴って増加する傾向が認められる。これに対し、第１のＲＴＡ処理前に使用後期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、ＰＺＴ（１００）面の積分強度は、Ｏ２ガス流量の増加に伴って増減を繰り返す傾向が認められる。
【００５０】
また、図６より、ＰＺＴターゲットが使用初期の場合と使用後期の場合とを比べると、Ｏ２ガス流量が２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）のときには、使用後期のものが用いられている場合の方がＰＺＴ（１００）面の積分強度が大きくなる。Ｏ２ガス流量が４０ｓｃｃｍ（２体積％），５５ｓｃｃｍ（２．７５体積％）のときには、使用初期と使用後期のＰＺＴターゲットでＰＺＴ（１００）面の積分強度は同程度になる。そして、Ｏ２ガス流量が７０ｓｃｃｍ（３．５体積％）を超えると、使用後期のＰＺＴターゲットの場合の方が、使用初期のＰＺＴターゲットの場合に比べ、ＰＺＴ（１００）面の積分強度は小さくなる。
【００５１】
次いで、図７より、ＰＺＴ（２２２）面の積分強度は、第１のＲＴＡ処理前に使用初期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、Ｏ２ガス流量の増加に伴って減少する傾向が認められる。第１のＲＴＡ処理前に使用後期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、ＰＺＴ（２２２）面の積分強度は、Ｏ２ガス流量が２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）〜８５ｓｃｃｍ（４．２５体積％）の範囲では、その増加に伴って減少する傾向が認められるが、Ｏ２ガス流量が１００ｓｃｃｍ（５体積％）のときには、Ｏ２ガス流量が５５ｓｃｃｍ（２．７５体積％）のときと同程度の積分強度が得られるようになる。
【００５２】
また、図７より、ＰＺＴ（２２２）面の積分強度は、Ｏ２ガス流量が２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）〜１００ｓｃｃｍ（５体積％）の全範囲にわたり、スパッタが使用後期のＰＺＴターゲットで行われている場合の方が、使用初期のＰＺＴターゲットで行われている場合に比べ、ＰＺＴ（２２２）面の積分強度が大きくなる。
【００５３】
上記の図５から図７の結果より、第１のＲＴＡ処理前に行うスパッタのＰＺＴターゲットが使用初期の場合と使用後期の場合のそれぞれについて、第１のＲＴＡ処理時の各Ｏ２ガス流量でのＰＺＴ（２２２）面の配向率を求めた。結果を次の図８に示す。
【００５４】
図８は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（２２２）面の配向率との関係を示す図である。図８において、横軸は第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量（ｓｃｃｍ）を表し、縦軸はＰＺＴ（２２２）面の配向率（％）を表している。
【００５５】
なお、この図８に示すＰＺＴ（２２２）面の配向率は、次式、ＰＺＴ（２２２）面の配向率（％）＝｛ＰＺＴ（２２２）面の積分強度｝／[｛ＰＺＴ（１００）面の積分強度｝＋｛ＰＺＴ（１０１）面の積分強度｝＋｛ＰＺＴ（２２２）面の積分強度｝]×１００、により算出している。
【００５６】
図８より、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量が２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）〜１００ｓｃｃｍ（５体積％）の範囲である場合、第１のＲＴＡ処理前に使用初期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、ＰＺＴ（２２２）面の配向率は、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量の増加に伴って減少する傾向が認められる。すなわち、この場合には、Ｏ２ガス流量の増加に伴い結晶配向性は悪化する傾向にある。これに対し、第１のＲＴＡ処理前に使用後期のＰＺＴターゲットでスパッタが行われていた場合には、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量によらず、ＰＺＴ（２２２）面の配向率が９８％前後と高い値を示した。
【００５７】
一方、電気特性について見ると、第１のＲＴＡ処理前のスパッタが使用初期のＰＺＴターゲットで行われていた場合と使用後期のＰＺＴターゲットで行われていた場合とでは、動作確認時点ではほとんど差が認められないものの、その後の所定の信頼性試験（高温放置後のデータ保持特性試験）で差が認められるようになった。第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量と強誘電体キャパシタ２の歩留まりの関係を次の表１に示す。なお、歩留まりは、動作確認がなされたキャパシタのうち所定の信頼性試験をパスしたもの（一定のキャパシタ性能を有するもの）の割合によって評価している。
【００５８】
【表１】
2007149952.tif 000003
【００５９】
表１より、第１のＲＴＡ処理前のスパッタに使用初期のＰＺＴターゲットが用いられている場合には、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量によらず、高い歩留まりを示した。換言すれば、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量を増加させてＰＺＴの結晶配向性が悪くなったとしても（図８）、歩留まりが高く維持され、一定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタ２を安定的に形成することができる。特に第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量が２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）〜５５ｓｃｃｍ（２．７５体積％）の範囲は、ＰＺＴの結晶配向性と強誘電体キャパシタ２の歩留まりが共に高くなる範囲になる。
【００６０】
また、表１より、第１のＲＴＡ処理前のスパッタに使用後期のＰＺＴターゲットが用いられている場合には、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量が２５ｓｃｃｍ（１．２５体積％）のときすなわちＰＺＴの結晶配向性が良好なときでも（図８）、一定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタ２の歩留まりは低くなった。しかし、使用後期のＰＺＴターゲットが用いられている場合であっても、第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量が４０ｓｃｃｍ（２体積％）〜１００ｓｃｃｍ（５体積％）の範囲では、高い歩留まりを示すようになる。
【００６１】
このように、ＰＺＴのスパッタ後に行われる第１のＲＴＡ処理のＯ２ガス流量は、最終的に得られるＰＺＴの結晶配向性のみならず、強誘電体キャパシタ２の歩留まりにも大きく影響する。
【００６２】
したがって、上記図１に示したフローでＦｅＲＡＭ１を形成する場合には、ステップＳ７のＰＺＴのスパッタ後、ステップＳ８の第１のＲＴＡ処理の際に、例えば、そのＯ２ガス流量を４０ｓｃｃｍ（２体積％）〜１００ｓｃｃｍ（５体積％）の範囲に設定する。それにより、スパッタ時に用いるＰＺＴターゲットのそれまでの使用量によらず、所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタ２を歩留まり良く形成することができるようになる。
【００６３】
あるいは、ＦｅＲＡＭ１の形成時にＰＺＴターゲットの使用量を管理しておき、ステップＳ８の第１のＲＴＡ処理の際、ステップＳ７のスパッタが使用初期のＰＺＴターゲットで行われた場合には、そのＯ２ガス流量を適当な範囲に設定し、ステップＳ７のスパッタが使用後期のＰＺＴターゲットで行われた場合のみ、そのＯ２ガス流量を４０ｓｃｃｍ（２体積％）〜１００ｓｃｃｍ（５体積％）の範囲に設定するようにしてもよい。これによっても、所定のキャパシタ性能を有する強誘電体キャパシタを歩留まり良く形成することが可能になる。
【００６４】
したがって、上記のような方法を用いることにより、ＦｅＲＡＭ１の量産をより安定的に行うことが可能になる。
なお、以上の説明では、強誘電体キャパシタ２の誘電体層１５を構成する強誘電体材料としてＰＺＴを用いた場合を例にして述べたが、このほか、強誘電体材料としてランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，ＰＬＺＴ）を用いた場合にも同様の手法を用いることができ、また、同様の効果を得ることが可能である。
【００６５】
また、以上の説明では、第１，第２のＲＴＡ処理をＯ２／Ａｒ混合ガス環境下で行うようにしたが、ガス種はこれらに限定されるものではなく、Ｏ２ガス以外の酸化性ガスやＡｒ以外の非酸化性ガスも広く利用することが可能である。
【００６６】
（付記１）  誘電体層に強誘電体材料を用いた強誘電体キャパシタの形成方法において、
下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に前記強誘電体材料の層をスパッタ法を用いて形成する工程と、
前記強誘電体材料の層の形成後に、前記スパッタ法において用いられたターゲットの使用量によらず所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境で熱処理を行う工程と、
前記熱処理後の前記強誘電体材料の層上に上部電極層を少なくとも一部形成する工程と、
を有することを特徴とする強誘電体キャパシタの形成方法。
【００６７】
（付記２）  前記所定のキャパシタ性能は、少なくともデータ保持特性を含むことを特徴とする付記１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
（付記３）  前記熱処理を行う工程においては、
前記熱処理を２体積％〜５体積％の範囲の酸素と不活性ガスとの混合ガスの環境で行うことを特徴とする付記１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
【００６８】
（付記４）  前記熱処理は、ＲＴＡ処理であることを特徴とする付記１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
（付記５）  前記上部電極層を少なくとも一部形成する工程後に、
第２の熱処理を行う工程を有することを特徴とする付記１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
【００６９】
（付記６）  前記上部電極層を少なくとも一部形成する工程において、前記上部電極層の一部のみを形成した場合には、
前記第２の熱処理を行う工程後に、
前記一部の上に残りの部分を形成して前記上部電極層を形成することを特徴とする付記５記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
【００７０】
（付記７）  前記下部電極層は、Ａｌ２Ｏ３膜とＰｔ膜との積層構造を有していることを特徴とする付記１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
（付記８）  前記強誘電体材料の層は、ＰＺＴまたはＰＬＺＴであることを特徴とする付記１記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
【００７１】
（付記９）  強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法において、
下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に強誘電体材料の層をスパッタ法を用いて形成する工程と、
前記強誘電体材料の層の形成後に、前記スパッタ法において用いられたターゲットの使用量によらず所定のキャパシタ性能が得られるように制御された環境で熱処理を行う工程と、
前記熱処理後の前記強誘電体材料の層上に上部電極層を少なくとも一部形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００７２】
（付記１０）  前記所定のキャパシタ性能は、少なくともデータ保持特性を含むことを特徴とする付記９記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）  前記熱処理を行う工程においては、
前記熱処理を２体積％〜５体積％の範囲の酸素と不活性ガスとの混合ガスの環境で行うことを特徴とする付記９記載の半導体装置の製造方法。
【００７３】
（付記１２）  前記熱処理は、ＲＴＡ処理であることを特徴とする付記９記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）  前記上部電極層を少なくとも一部形成する工程後に、
第２の熱処理を行う工程を有することを特徴とする付記９記載の半導体装置の製造方法。
【００７４】
（付記１４）  前記上部電極層を少なくとも一部形成する工程において、前記上部電極層の一部のみを形成した場合には、
前記第２の熱処理を行う工程後に、
前記一部の上に残りの部分を形成して前記上部電極層を形成することを特徴とする付記１３記載の半導体装置の製造方法。
【００７５】
（付記１５）  前記下部電極層は、Ａｌ２Ｏ３膜とＰｔ膜との積層構造を有していることを特徴とする付記９記載の半導体装置の製造方法。
（付記１６）  前記強誘電体材料の層は、ＰＺＴまたはＰＬＺＴであることを特徴とする付記９記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】ＦｅＲＡＭの形成フローの一例を示す図である。
【図２】ＦｅＲＡＭの一例の要部断面模式図である。
【図３】第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（２２２）面の配向率との関係を示す図である。
【図４】第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量と強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量との関係を示す図である。
【図５】第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（１０１）面の積分強度との関係を示す図である。
【図６】第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（１００）面の積分強度との関係を示す図である。
【図７】第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（２２２）面の積分強度との関係を示す図である。
【図８】第１のＲＴＡ処理時のＯ２ガス流量とＰＺＴ（２２２）面の配向率との関係を示す図である。
【図９】ＰＺＴターゲットの使用量と強誘電体キャパシタの歩留まりとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  ＦｅＲＡＭ
２  強誘電体キャパシタ
３  ＭＯＳトランジスタ
４  Ｓｉ基板
４ａ  ウェル
５  素子分離領域
６  ゲート絶縁膜
７  ゲート電極
８ａ，８ｂ  側壁絶縁膜
９ａ，９ｂ  不純物拡散領域
１０，１８  層間絶縁膜
１１ａ，１１ｂ  プラグ
１２  酸化防止膜
１３  ＳｉＯ２膜
１４  下部電極層
１５  誘電体層
１６  上部電極層
１７  エンキャップ層
１９ａ，１９ｂ  ローカル配線パターン
２０  パッシベーション膜
２１，２２  電極
【図１】
2007149952.tif 000004
【図２】
2007149952.tif 000005
【図３】
2007149952.tif 000006
【図４】
2007149952.tif 000007
【図５】
2007149952.tif 000008
【図６】
2007149952.tif 000009
【図７】
2007149952.tif 000010
【図８】
2007149952.tif 000011
【図９】
2007149952.tif 000012