(57)【要約】【課題】  強誘電体の結晶化における熱負荷を低減することができる強誘電体薄膜の形成方法、強誘電体メモリならびに強誘電体メモリの製造方法、および半導体装置ならびに半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法は、基板１０上に形成された非晶質の酸化物薄膜３０にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して当該酸化物の微結晶核４０を形成する工程と、前記微結晶核４０を有する薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して前記酸化物を結晶化させて強誘電体５０を形成する工程と、を含む。【選択図】        図３
2009081446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して当該酸化物の微結晶核を形成する工程と、
前記微結晶核を有する薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して前記酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程と、
を含む、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項２】
基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜の所定部分のみにパルス状のレーザー光を照射して当該酸化物の微結晶核を形成する工程と、
前記微結晶核を有する薄膜にパルス状のランプ光を照射して前記所定部分の酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程と、
を含む、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項３】
基板上に形成された非晶質の酸化物強薄膜にパルス状のランプ光を照射して当該酸化物の微結晶核を形成する工程と、
前記微結晶核を有する薄膜の所定部分のみにパルス状のレーザー光を照射して当該所定部分の酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程と、
を含む、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項４】
基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射する工程と、
その後前記酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して前記酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程と、
を含む、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項５】
請求項２または３において、
前記酸化物薄膜の所定部分と異なる部分の上に光遮断膜を形成する工程を含む、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記非晶質の酸化物薄膜は、前記基板に対して少なくとも光反射膜を介して形成される、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記非晶質の酸化物薄膜に照射される光の強度と、前記酸化物を結晶化するために照射される光の強度とが異なる、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記非晶質の酸化物薄膜に照射される光のパルス数と、前記酸化物を結晶化するために照射される光のパルス数とが異なる、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記強誘電体は、ペロブスカイト型結晶構造を有する、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記強誘電体は、層状ペロブスカイト型結晶構造を有する、強誘電体薄膜の形成方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載された強誘電体薄膜の形成方法を用いて強誘電体層を形成する工程を含む、強誘電体メモリの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載された強誘電体メモリの製造方法によって形成される、強誘電体メモリ。
【請求項１３】
請求項１２において、
強誘電体層の周辺に配置される絶縁層が酸化物の微結晶核を有する、強誘電体メモリ。
【請求項１４】
請求項１２または１３において、
強誘電体層の下に配置される電極層が光を反射する機能を有する、強誘電体メモリ。
【請求項１５】
強誘電体層を有するメモリセル領域とその他の回路領域とを含む半導体装置の製造方法であって、
基板上の所定の領域に前記メモリセル領域を形成する工程と、
前記基板上の前記メモリセル領域と異なる部分に前記回路領域を形成する工程と、を含み、
前記回路領域を形成する工程は、当該回路領域の上に光遮断膜を形成する工程を含み、
前記メモリセル領域を形成する工程では、少なくとも前記光遮断膜を形成する工程の後に請求項１１に記載の強誘電体メモリの製造方法によって前記強誘電体層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
強誘電体層を有するメモリセル領域と、前記メモリセル領域と基板上の異なる領域に配置されるその他の回路領域とを含み、
請求項１５に記載された半導体装置の製造方法を用いて形成される、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体薄膜の形成方法、強誘電体メモリならびに強誘電体メモリの製造方法、および半導体装置ならびに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）は、キャパシタ部分に強誘電体薄膜を用いてその自発分極によりデータを保持するものである。また近年、かかる強誘電体メモリを用いた半導体装置が注目されている。
【０００３】
従来、良好な特性を示す強誘電体薄膜を形成するためには、高温で熱処理を施して強誘電体材料を結晶化させる必要がある。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（以下、ＰＺＴという）では６００〜７００℃、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（以下、ＳＢＴという）では７００〜８００℃という高温での熱処理が結晶化に必要とされている。そして、上記強誘電体材料の結晶化は、基板上に電極や強誘電体材料の薄膜が形成された素子全体を熱処理炉で高温下にさらすことで行われる。
【０００４】
しかし、上記した高温の熱処理は素子に与えるダメージが大きく、例えば、原子拡散により電極等の周辺部材の特性劣化をもたらしていた。また、強誘電体メモリにトランジスタ等のその他の半導体デバイスを集積する場合、高温の熱処理による熱負荷によってトランジスタ等の特性が劣化することもあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、強誘電体の結晶化における熱負荷を低減することができる強誘電体薄膜の形成方法、強誘電体メモリならびに強誘電体メモリの製造方法、および半導体装置ならびに半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して当該酸化物の微結晶核を形成する工程と、前記微結晶核を有する薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して前記酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程とを含む。
【０００７】
かかる強誘電体薄膜の形成方法によれば、基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜の結晶化を複数の段階に分けて行う。まず、酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して当該レーザー光またはランプ光の熱エネルギーを利用して不純物等を除去するとともに酸化物の微結晶核を形成する。次に、この微結晶核を有する薄膜にさらにパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して当該レーザー光またはランプ光の熱エネルギーを利用して前記酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する。
【０００８】
このように、本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法によれば、瞬間的に高エネルギーを与えることができるレーザー光またはランプ光をパルス状に照射することによって短時間で加熱を行うことができるため、結晶化する部分以外の熱負荷を低減することができる。また、酸化物の結晶化の前にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して不純物を除去するため、高品質の強誘電体を形成することができる。
【０００９】
ここで、本明細書中における「〜の上に形成」とは、直接その上に形成される場合に限られず、所定の層を介して形成される場合も含まれる。また、本明細書中における「パルス状」とは、レーザー光またはランプ光を所定の間隔で複数回照射した状態をいい、間隔は一定であっても不定であってもよい。
【００１０】
（２）また、本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜の所定部分のみにパルス状のレーザー光を照射して当該酸化物の微結晶核を形成する工程と、前記微結晶核を有する薄膜にパルス状のランプ光を照射して前記所定部分の酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程とを含む。
【００１１】
本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法において、基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜の結晶化を複数の段階に分けて行う点は上記（１）の場合と同様である。本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法では、酸化物の微結晶核を形成する工程において、薄膜の所定部分にのみパルス状のレーザー光を照射して不純物等を除去するとともに微結晶核を形成する点で上記（１）の場合と異なる。すると、強誘電体を形成する工程において、薄膜にパルス状のランプ光を照射することにより、レーザー光とランプ光との双方が照射された所定部分のみが結晶化される。
【００１２】
したがって、本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法によれば、上記（１）の場合と同様の作用効果を奏することができることに加え、所定部分のみにレーザー光を照射することによって熱負荷をより低減することができるとともに、所望の部分のみを効率よく結晶化することができる。
【００１３】
（３）また、本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質の酸化物強薄膜にパルス状のランプ光を照射して当該酸化物の微結晶核を形成する工程と、前記微結晶核を有する薄膜の所定部分のみにパルス状のレーザー光を照射して当該所定部分の酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程と、を含む。
【００１４】
かかる強誘電体薄膜の形成方法においても、所定部分のみにパルス状のレーザー光を照射してランプ光とレーザー光との双方が照射された部分のみを結晶化するので、上記（１）の場合と同様の作用効果を奏することができることに加え、熱負荷をより低減することができるとともに、所望の部分のみを効率よく結晶化することができる。
【００１５】
（４）また、本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法は、基板上に形成された非晶質の酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射する工程と、その後前記酸化物薄膜にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射して前記酸化物を結晶化させて強誘電体を形成する工程と、を含む。
【００１６】
かかる強誘電体薄膜の形成方法においても、結晶化する部分以外への熱負荷を低減することができるとともに、高品質の強誘電体を形成することができる。
【００１７】
また、本発明に係る強誘電体薄膜の形成方法は、以下の態様を取り得る。
【００１８】
（Ａ）前記酸化物薄膜の所定部分と異なる部分の上に光遮断膜を形成する工程を含むことができる。
【００１９】
かかる態様によれば、所定部分以外の部分を光遮断膜で覆うことによって、強誘電体を結晶化させる部分以外には光が照射されないので、他部への熱負荷を大幅に低減することができる。
【００２０】
（Ｂ）前記非晶質の酸化物薄膜を、前記基板に対して少なくとも光反射膜を介して形成することができる。
【００２１】
かかる態様によれば、光を照射した際に酸化物薄膜を通過した光を光反射膜で反射して熱処理に利用することができるため、より短時間で効率よく強誘電体の結晶化を行うことができる。
【００２２】
（５）本発明に係る強誘電体メモリの製造方法は、上記いずれかの強誘電体薄膜の形成方法を用いて強誘電体層を形成する工程を含む。
【００２３】
かかる強誘電体メモリの製造方法によれば、強誘電体層を形成する工程における熱負荷を低減させることで、デバイスの特性向上および歩留まり向上を図ることができ、生産性が高い。
【００２４】
（６）本発明に係る強誘電体メモリは、上記強誘電体メモリの製造方法によって形成される。
【００２５】
（７）本発明に係る半導体装置の製造方法は、強誘電体層を有するメモリセル領域とその他の回路領域とを含む半導体装置の製造方法であって、基板上の所定の領域に前記メモリセル領域を形成する工程と、前記基板上の前記メモリセル領域と異なる部分に前記回路領域を形成する工程とを含み、前記回路領域を形成する工程は、当該回路領域の上に光遮断膜を形成する工程を含み、前記メモリセル領域を形成する工程では、少なくとも前記光遮断膜を形成する工程の後に上記強誘電体メモリの製造方法によって前記強誘電体層を形成することができる。
【００２６】
かかる半導体装置の製造方法によれば、強誘電体層を含むメモリセル領域以外の他の回路領域への熱負荷を光遮断膜によって低減することができるため、製造プロセスの自由度が高い。また、かかる製造方法によれば、他の回路領域の熱負荷が少ないため、例えば、金属配線などが結晶化のための熱により劣化することがなく、作製されたデバイスの特性および歩留まりを十分に担保することができる。
【００２７】
（８）本発明に係る半導体装置は、強誘電体層を有するメモリセル領域と、前記メモリセル領域と基板上の異なる領域に配置されるその他の回路領域とを含み、上記半導体装置の製造方法を用いて形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明に好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造工程の一例を模式的に示す図である。
【００３０】
まず、図１（ａ）に示すように、基板１１上にトランジスタ１６が形成された基体１０上に下部電極２０を形成する。トランジスタ１６はソースおよびドレイン１２、１５、ゲート絶縁膜１３、ゲート１４を含んで構成されるＭＯＳトランジスタである。なお、トランジスタ１６は、公知の手法で形成することができる。
【００３１】
次に、図１（ａ）に示すように、強誘電体材料である酸化物薄膜３０を下部電極２０の上に形成する。そして、図１（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０にパルス状のレーザー光またはランプ光を複数の段階に分けて照射して結晶化させることにより強誘電体薄膜５０を形成する。その後、図１（ｃ）に示すように、この強誘電体薄膜５０の上に上部電極２２を形成する。
【００３２】
上記した図１（ａ）〜図１（ｃ）における工程を以下、強誘電体薄膜形成工程と呼ぶ。なお、強誘電体薄膜形成工程において、酸化物薄膜３０を結晶化して強誘電体薄膜５０とする部分は、薄膜全体でもよいし、後述するエッチング工程との関係で所望の部分のみであってもよい。
【００３３】
次に、下部電極２０、強誘電体薄膜５０および上部電極２２をエッチングして強誘電体キャパシタ１００を形成する。かかるエッチング工程では、公知のエッチング手法を用いることができる。
【００３４】
そして、この強誘電体キャパシタ１００の上に絶縁膜２３を形成した後、配線層２４によりトランジスタ１６と強誘電体キャパシタ１００を接続することにより強誘電体メモリ１０００が形成される。
【００３５】
なお、複数の強誘電体メモリ１０００を基板１１上に形成する場合には、各強誘電体メモリ１０００は、素子分離領域１７を形成することによって他の強誘電体メモリ１０００と素子分離することができる。また、強誘電体キャパシタ１００とトランジスタ１６とは、基体１０に形成された例えば、酸化シリコン等から成る層間絶縁膜１８によって配線層２４以外では電気的に絶縁される。
【００３６】
以下に、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における上記強誘電体薄膜形成工程の実施例について説明する。
【００３７】
各実施例においては、例えば、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す光照射装置を用いて酸化物の結晶化を行っている。
【００３８】
図２（ａ）は、レーザー光照射装置の一例を模式的に示す図である。このレーザー光照射装置では、ステージ２上に搭載されたターゲット１に、所定の波長を出力するレーザー４からのレーザー光をミラー５、レンズ６を介して照射することができる。ステージ２およびレーザー４は、制御装置３で制御され、所定間隔でレーザー光の出力および非出力を繰り返して所望の部分に対してパルス状の光を照射できるように形成されている。
【００３９】
図２（ｂ）は、ランプ光照射装置の一例を模式的に示す図である。このランプ光照射装置では、ステージ２の上に搭載されたターゲット１に、ランプ７から出力されるランプ光を照射することができる。ランプ４は制御装置３で制御され、所定間隔でランプ光の出力および非出力を繰り返してパルス状の光を照射できるように形成されている。
【００４０】
（実施例１）
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例１を模式的に示す図である。
【００４１】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料として２−エチルヘキサン酸ストロンチウム、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸タンタルを、溶媒であるｎ−オクタンと酢酸Ｎブチルに溶かした溶液を用いた。これを図３（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、２６０℃で４分間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。その後図３（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを１０μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。その後さらに図３（ｃ）に示すように、２０μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を照射して酸化物を結晶化させて、層状ペロブスカイト型の結晶構造を持つＳＢＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００４２】
（実施例２）
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例２を模式的に示す図である。
【００４３】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料として２−エチルヘキサン酸ストロンチウム、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸タンタルを、溶媒であるｎ−オクタンと酢酸Ｎブチルに溶かした溶液を用いた。これを図３（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、２６０℃で４分間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。その後図３（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で１００回スキャン照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。その後さらに図３（ｃ）に示すように、２４８ｎｍのエキシマレーザーを２００ｍＪ／ｃｍ２の強度で２００回スキャン照射して酸化物を結晶化させて、層状ペロブスカイト型の結晶構造を持つＳＢＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００４４】
（実施例３）
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例３を模式的に示す図である。
【００４５】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料として２−エチルヘキサン酸ストロンチウム、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸タンタルを、溶媒であるｎ−オクタンと酢酸Ｎブチルに溶かした溶液を用いた。これを図３（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、２６０℃で４分間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。その後図３（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で１００回スキャン照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。その後さらに図３（ｃ）に示すように、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを２０μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を照射して酸化物を結晶化させて、層状ペロブスカイト型の結晶構造を持つＳＢＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００４６】
（実施例４）
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例４を模式的に示す図である。
【００４７】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料として２−エチルヘキサン酸ストロンチウム、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸タンタルを、溶媒であるｎ−オクタンと酢酸Ｎブチルに溶かした溶液を用いた。これを図３（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、２６０℃で４分間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。その後図３（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で１００回スキャン照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。その後さらに図３（ｃ）に示すように、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを２０μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を照射して酸化物を結晶化させて、層状ペロブスカイト型の結晶構造を持つＳＢＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００４８】
（実施例１〜４における作用効果）
上記実施例１〜４に係る強誘電体薄膜５０の形成方法によれば、瞬間的に高エネルギーを与えることができるレーザー光またはランプ光をパルス状に照射することによって短時間で加熱を行うことができるため、結晶化する部分以外の例えば、下部電極２０などへの熱負荷を低減することができる。また、酸化物の結晶化の前にパルス状のレーザー光またはランプ光を照射することにより不純物が除去されるため、高品質の強誘電体薄膜を形成することができる。
【００４９】
（実施例５）
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例５を模式的に示す図である。
【００５０】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料としてＰｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・３Ｈ２Ｏ、Ｚｒ（ｎ−ＯＣ４Ｈ９）、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）４の２−メトキシエタノールを溶媒とした溶液を用いた。これを図４（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、４００℃で６０秒間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。その後図４（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で、強誘電体キャパシタ１００となる部分のみに５０回スキャン照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。その後さらに図４（ｃ）に示すように、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを１５μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を薄膜全面に照射した。その結果、レーザー光とランプ光がともに照射された部分のみが結晶化し、ペロブスカイト型の結晶構造をもつＰＺＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００５１】
（実施例６）
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例６を模式的に示す図である。
【００５２】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料としてＰｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・３Ｈ２Ｏ、Ｚｒ（ｎ−ＯＣ４Ｈ９）、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）４の２−メトキシエタノールを溶媒とした溶液を用いた。これを図５（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、４００℃で６０秒間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。その後図５（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを１０μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を全面に照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。その後さらに図５（ｃ）に示すように、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを１５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で、強誘電体キャパシタ１００となる部分のみに２００回スキャン照射した。その結果、レーザー光とランプ光がともに照射された部分のみが結晶化し、ペロブスカイト型の結晶構造をもつＰＺＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００５３】
（実施例５、６における作用効果）
上記実施例５、６に係る強誘電体薄膜５０の形成方法によれば、所定部分のみにパルス状のレーザー光を照射してランプ光とレーザー光との双方が照射された部分のみを結晶化するので、上記実施例１〜４の場合と同様の作用効果を奏することができることに加え、例えば、下部電極２０等の他部への熱負荷をより低減することができるとともに、所望の部分のみを効率よく結晶化することができる。
【００５４】
また、かかる実施例５、６においては、結晶化された所定部分以外の酸化物薄膜４０を第１の実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の絶縁層２３の一部として用いることもできる。係る態様によれば、強誘電体キャパシタ１００形成のためのエッチング工程における強誘電体薄膜５０へのダメージを低減することができるとともに、絶縁層２３の形成工程を簡便化することができる。
【００５５】
（実施例７）
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例７を模式的に示す図である。
【００５６】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料としてＰｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・３Ｈ２Ｏ、Ｚｒ（ｎ−ＯＣ４Ｈ９）、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）４の２−メトキシエタノールを溶媒とした溶液を用いた。これを図６（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、４００℃で６０秒間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。そして、この酸化物薄膜３０の上に例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｉｒなどの金属からなる光遮断膜６０を形成した。その後図６（ｂ）に示すように、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを１０μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を酸化物薄膜３０に対して全面に照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。ここで、光遮断膜６０の下の酸化物薄膜３０は、光が照射されないため非晶質のままである。その後さらに図６（ｃ）に示すように、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを１５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で、強誘電体キャパシタ１００となる部分のみに２００回スキャン照射した。その結果、レーザー光とランプ光がともに照射された部分のみが結晶化し、ペロブスカイト型の結晶構造をもつＰＺＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。なお、本実施例において、光遮断膜６０は、図６（ｃ）に示すレーザー光を照射する工程の前に例えば、エッチング等によって除去してもよい。
【００５７】
（実施例８）
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の製造方法における強誘電体薄膜形成工程の実施例８を模式的に示す図である。
【００５８】
まず、強誘電体となる酸化物薄膜３０の原料としてＰｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・３Ｈ２Ｏ、Ｚｒ（ｎ−ＯＣ４Ｈ９）、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）４の２−メトキシエタノールを溶媒とした溶液を用いた。これを図６（ａ）に示すように、例えば、スピンコート法で塗布し、１６０℃で９０秒、４００℃で６０秒間乾燥して非晶質の酸化物薄膜３０を形成した。そして、この酸化物薄膜３０の上に例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｉｒなどの金属からなる光遮断膜６０を形成した。なお、光遮断膜６０は、後述する図６（ｃ）に示すランプ光を照射する工程の前に形成されればよい。その後図６（ｂ）に示すように、この酸化物薄膜３０に、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを５０ｍＪ／ｃｍ２の強度で、強誘電体キャパシタ１００となる部分のみに５０回スキャン照射して酸化物の微結晶核４０を形成した。ここで、光遮断膜６０の下の酸化物薄膜３０は、光が照射されないため非晶質のままである。その後さらに図６（ｃ）に示すように、１ｍｓｅｃのパルス幅でキセノンランプを１５μＪ／ｃｍ２の強度で１０回発光させてランプ光を薄膜に対して全面に照射した。その結果、レーザー光とランプ光がともに照射された部分のみが結晶化し、ペロブスカイト型の結晶構造をもつＰＺＴ強誘電体薄膜５０を形成することができた。
【００５９】
（実施例７、８における作用効果）
上記実施例７、８に係る強誘電体薄膜５０の形成方法によれば、所定部分以外の部分を光遮断膜６０で覆うことによって、強誘電体を結晶化させる部分以外には光が照射されないので、例えば、下部電極２０等の他部への熱負荷を大幅に低減することができる。
【００６０】
また、かかる実施例７、８においても、上記実施例５、６の場合と同様に、結晶化された所定部分以外の酸化物薄膜３０を第１の実施形態に係る強誘電体メモリ１０００の絶縁層２３の一部として用いることができる。係る態様によれば、強誘電体キャパシタ１００形成のためのエッチング工程における強誘電体薄膜５０へのダメージを低減することができるとともに、絶縁層２３の形成工程を簡便化することができる。
【００６１】
（その他の実施例）
本実施形態にかかる強誘電体薄膜形成工程においては、上記以外の態様によっても実施することができる。
【００６２】
例えば、上記実施例１〜８において、基体１０の上に形成される下部電極２０をレーザー光またはランプ光を反射する材料（例えば、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属）で形成することにより、光を照射した際に酸化物薄膜３０（または４０）を通過した光を光反射膜で反射して熱処理に利用することができる。従って、かかる態様によれば、より短時間で効率よく強誘電体の結晶化を行うことができる。なお、下部電極２０を光反射膜として使用しない場合は、別途光反射膜を酸化物薄膜３０の下に形成しておいてもよい。
【００６３】
また、例えば、非晶質の酸化物薄膜３０に光を照射する際の光の強度と、その後酸化物を結晶化するために光を照射する際の光の強度とは、同じ若しくは結晶化のための照射光の強度のほうが大きくなるように設定することができる。従って、それぞれの段階で照射される光の強度は、上記実施例１〜８に示した場合に限られず、強誘電体材料の結晶化温度に応じて好適な強度を設定することができる。
【００６４】
また、例えば、非晶質の酸化物薄膜３０に光を照射する際の光のパルス数（照射回数）と、その後酸化物を結晶化するために光を照射する際の光のパルス数（照射回数）とは、同じ若しくは結晶化のための光のパルス数のほうが大きくなるように設定することができる。従って、それぞれの段階で照射される光のパルス数は、上記実施例１〜８に示した場合に限られず、強誘電体材料の結晶化状態に応じて好適なパルス数を設定することができる。
【００６５】
また、上記実施例１〜４では、ＳＢＴ強誘電体薄膜、上記実施例５〜８ではＰＺＴ強誘電体薄膜を形成する場合について説明したが、強誘電体薄膜形成工程では、各実施例に示す手法を用いて、公知の強誘電体材料から任意の強誘電体薄膜を形成することができる。上記に示した以外の強誘電体薄膜の材質としては、例えば、ＰＺＴ、ＳＢＴにニオブやニッケル、マグネシウム等の金属を添加したものが挙げられる。また、その他の強誘電体薄膜の材質の具体的な例としては、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。
【００６６】
また、上記実施例における酸化物薄膜３０の形成方法としては、例えば、ゾルゲル原料やＭＯＤ材料を用いたスピンコート法やデッピング法な、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、レーザーアブレーション法など公知の成膜方法を用いることができる。
【００６７】
また、上記実施例において、下部電極２０の材料および成膜方法は、特に限定されず、公知の材料および成膜方法を用いることができる。電極材料としては、例えば、Ｉｒ、ＩｒＯｘ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＲｕＯｘ、ＳｒＲｕＯｘ、ＬａＳｒＣｏＯｘなど例示することができ、その成膜方法としては、例えば、気相法、液相法などを例示することができる。なお、上部電極２２についても同様である。
【００６８】
以上に述べたように、本実施形態の強誘電体メモリ１０００の製造方法によれば、強誘電体薄膜５０を形成する工程におけるトランジスタ１６等の熱負荷を低減させることで、強誘電体メモリ１０００の特性向上および歩留まり向上を図ることができ、生産性が高い。
【００６９】
（第２の実施形態）
図７（a）〜図７（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る強誘電体メモリ１１００の製造工程の一例を模式的に示す図である。図１と実質的に同じ機能を有する部材については、同一符号を付し詳細な説明を省略する。
【００７０】
まず、図７（ａ）に示すように、基板１１上にトランジスタ１６およびプラグ電極２６が形成された基体１０上に下部電極２０を形成する。続いて、図７（ｂ）に示すように、強誘電体材料である酸化物薄膜３０を下部電極２０の上に形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、この酸化物薄膜３０にパルス状のレーザー光またはランプ光を複数の段階に分けて照射して結晶化させることにより強誘電体薄膜５０を形成し、その後強誘電体薄膜５０の上に上部電極２２を形成する。なお、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す強誘電体薄膜形成工程において、酸化物薄膜３０を結晶化して強誘電体薄膜５０とする部分は、薄膜全体でもよいし、後述するエッチング工程との関係で所望の部分のみであってもよい。強誘電体薄膜形成工程では、第１の実施形態と同様に上記実施例に基づいて結晶化された強誘電体薄膜５０を形成することができる。
【００７１】
次に、下部電極２０、強誘電体薄膜５０および上部電極２２をエッチングして強誘電体キャパシタ１００を形成する。ここで、強誘電体キャパシタ１００とトランジスタ１６とは、プラグ電極２６によって接続されている。最後に、この強誘電体キャパシタ１００の上に絶縁膜２３を形成した後、外部とのコンタクトをとるための配線層２４を形成して強誘電体メモリ１１００を形成することができる。
【００７２】
したがって、本実施形態の強誘電体メモリ１１００の製造方法においても、強誘電体薄膜５０を形成する工程におけるトランジスタ１６等の熱負荷を低減させることで、強誘電体メモリ１１００の特性向上および歩留まり向上を図ることができ、生産性が高い。
【００７３】
（第３の実施形態）
図８および図９は、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体メモリセル１２００の製造工程の一例を模式的に示す図である。図１と実質的に同じ機能を有する部材については、同一符号を付し詳細な説明を省略する。また、図８（ａ）および図９（ａ）では、説明の便宜上、結晶化されなかった酸化物薄膜３０（または４０）の図示を省略する。
【００７４】
本実施形態に係る強誘電体メモリセル１２００の製造方法では、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、基体１０上にストライプ状の複数の下部電極２０を形成する。続いて、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、その上に第１の実施形態で説明した上記実施例に係る強誘電体薄膜形成工程を用いて下部電極２０上に酸化物薄膜３０を形成した後、所定の部分のみを結晶化させた強誘電体薄膜５０を形成する。この強誘電体薄膜形成工程において結晶化されなかった非晶質の酸化物薄膜３０（または微結晶核を含む酸化物薄膜４０）は各電極間を絶縁するための絶縁膜とすることができる。このような構成とすることにより、強誘電体薄膜５０のエッチング工程や絶縁膜の形成工程を省略でき製造プロセスを簡便化することができる。なお、絶縁膜は別途設けられても良い。
【００７５】
次に、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、強誘電体薄膜５０が形成された部分において下部電極２０と直交するようにストライプ状の複数の上部電極２２を形成する。以上の工程により、下部電極２０と上部電極２２との間に強誘電体薄膜５０が狭持された強誘電体メモリセル１２００を形成することができる。
【００７６】
したがって、本実施形態の強誘電体メモリセル１２００の製造方法においても、強誘電体薄膜５０を形成する工程における下部電極２０等の熱負荷を低減させることで、強誘電体メモリセル１２００の特性向上および歩留まり向上を図ることができ、生産性が高い。
【００７７】
（第４の実施形態）
図１０（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置２０００を模式的に示す図である。この半導体装置は、強誘電体キャパシタを含むメモリセル領域１５００、半導体回路２００、３００、４００から成るその他の回路領域５００が同一基板上に形成されて構成される。メモリセル領域１５００には、例えば、第１及び第２の実施形態で説明した強誘電体メモリ１０００、１１００が複数配置されたものや第３の実施形態で説明した強誘電体メモリセル１２００などで構成される。半導体回路２００、３００、４００としては、例えば、メモリセル領域１５００用の駆動回路や演算処理回路、その他のメモリ装置等が挙げられる。
【００７８】
かかる構造を有する半導体装置２０００においては、強誘電体キャパシタの形成において高温の熱処理を行うため、基板上に回路領域５００をメモリセル１００に先立って形成すると、回路領域５００に含まれる各半導体回路２００、３００、４００の特性劣化が問題となる。
【００７９】
そこで、本実施形態に係る半導体装置２０００では、図１０（ｂ）に示すように、基板上に回路領域５００を形成した後に当該回路領域５００の上に例えば、金属からなる光遮断膜６０を形成してから、基板上にメモリセル１００を形成する。ここでメモリセル領域１５００に含まれる強誘電体キャパシタは、第１の実施形態に係る各実施例において説明した強誘電体薄膜の形成方法を用いて形成することができる。
【００８０】
すなわち、酸化物の結晶化のために照射されるレーザー光またはランプ光は、光遮断膜６０によって当該膜の下にある回路領域５００に影響を与えることがない。従って、本実施形態に係る半導体装置２０００の製造方法によれば、強誘電体層を含むメモリセル領域１５００以外の他の回路領域５００への熱負荷を光遮断膜６０によって低減することができるため、製造プロセスの自由度が高い。また、かかる製造方法によれば、他の回路領域５００への熱負荷が少ないため、例えば、回路中の金属配線などが熱により劣化することがなく、半導体回路２００、３００、４００の特性を担保することができるとともに、半導体装置２０００の歩留まりを向上させることができる。
【００８１】
以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の態様を取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る強誘電体メモリの製造工程を模式的に示す図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態で使用するレーザー光照射装置を模式的に示す図である。図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態で使用するランプ光照射装置を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の実施例１〜４に係る強誘電体薄膜の形成工程を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の実施例５に係る強誘電体薄膜の形成工程を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の実施例６に係る強誘電体薄膜の形成工程を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の実施例７、８に係る強誘電体薄膜の形成工程を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る強誘電体メモリの製造工程を模式的に示す図である。
【図８】図８（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体メモリセルの一製造工程を模式的に示す図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ´面図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る強誘電体メモリセルの一製造工程を模式的に示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を模式的に示す図である。図１０（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の一製造工程を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  ターゲット
２  ステージ
３  制御装置
４  レーザー（エキシマレーザー）
５  ミラー
６  レンズ
７  ランプ（キセノンランプ）
１０  基体
１１  基板
１２、１５  ソースおよびドレイン
１３  ゲート絶縁膜
１４  ゲート
１６  トランジスタ
１７  素子分離領域
１８  層間絶縁膜
２０  下部電極
２２  上部電極
２３  絶縁膜
２４  配線層
２６  プラグ電極
３０  酸化物薄膜（非晶質）
４０  微結晶核
５０  強誘電体
６０  光遮断膜
１００  強誘電体キャパシタ
２００、３００、４００  半導体回路
５００  回路領域
１０００、１１００  強誘電体メモリ
１２００  強誘電体メモリセル
１５００  メモリセル領域
２０００  半導体装置
【図１】
2009081446.tif 000003
【図２】
2009081446.tif 000004
【図３】
2009081446.tif 000005
【図４】
2009081446.tif 000006
【図５】
2009081446.tif 000007
【図６】
2009081446.tif 000008
【図７】
2009081446.tif 000009
【図８】
2009081446.tif 000010
【図９】
2009081446.tif 000011
【図１０】
2009081446.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月28日(2008.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質の酸化物である第１の酸化物に光を複数回照射し、強誘電体である第３の酸化物の結晶核を含む第２の酸化物とする工程と、
前記第２の酸化物に光を複数回照射することにより、前記第２の酸化物を結晶化させて前記第３の酸化物とする工程と、
を含む、強誘電体の製造方法。
【請求項２】
非晶質の酸化物である第１の酸化物にレーザー光を複数回照射し、第２の酸化物とする工程と、
前記第２の酸化物にレーザー光を複数回照射することにより、前記第２の酸化物を結晶化させて強誘電体である第３の酸化物とする工程と、
を含む、強誘電体の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の酸化物は、前記強誘電体の結晶核を含む、強誘電体の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記第１の酸化物に照射される光の強度と、前記第２の酸化物に照射される光の強度とが異なる、強誘電体の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記第１の酸化物に照射される光の照射回数と、前記第２の酸化物に照射される光の照射回数とが異なる、強誘電体の製造方法。