JP3209965B2 - 金属酸化膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば酸化タンタ
ル等の絶縁膜に適する金属酸化膜の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイスを製造するに
は、半導体ウエハに成膜処理やパターンエッチング処理
を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、中で
も成膜技術は半導体デバイスが高密度化、多層化及び高
集積化するに伴ってその仕様が年々厳しくなっており、
例えばデバイス中のキャパシタの絶縁膜やゲート絶縁膜
のように非常に薄い酸化膜などに対しても更なる薄膜化
が要求され、これと同時に更に高い絶縁性が要求されて
いる。

【０００３】これらの絶縁膜としては、シリコン酸化膜
やシリコンナイトライド膜等を用いることができるが、
最近にあっては、より絶縁特性の良好な材料として、金
属酸化膜、例えば酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）等が用い
られる傾向にある。この金属酸化膜は、薄くても信頼性
の高い絶縁性を発揮するが、この金属酸化膜の成膜後
に、この表面の改質処理を施すことにより、更に絶縁性
を向上させることができることが発見され、特開平２−
２８３０２２号公報にその技術が開示されている。

【０００４】この金属酸化膜を形成するには、例えば酸
化タンタルを形成する場合を例にとって説明すると、上
記公報に開示されているように成膜用の原料として、タ
ンタルの有機化合物である金属アルコキシド（Ｔａ（Ｏ
Ｃ₂ Ｈ₅ ）₅ ）を用い、これを窒素ガス等でバブリング
しながら供給して半導体ウエハを例えば４００℃程度の
プロセス温度に維持し、真空雰囲気下でＣＶＤ（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によ
り酸化タンタル膜（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）を積層させている。そ
して、必要に応じて更なる絶縁特性の向上を図る場合に
は、この半導体ウエハを、オゾンを含む雰囲気中に搬入
し、大気圧下でこれに水銀ランプから紫外線を照射する
ことにより活性酸素原子を発生させ、この活性酸素原子
を用いて上記金属酸化膜中に含まれるＣ−Ｃ結合等の有
機不純物を分解して脱離することによって上記酸化タン
タル膜を改質し、これにより一層、特性の良好な絶縁膜
を得ている。

【０００５】例えば図７は絶縁膜の金属酸化膜として金
属タンタルを成膜する従来方法の一例を示しており、ま
ず、成膜装置内において金属酸化膜原料として有機化合
物である気化状態の金属アルコキシドと気化状態のアル
コールを供給してこの真空雰囲気中にて半導体ウエハＷ
を成膜処理することにより金属酸化膜として所定の厚み
の酸化タンタル層（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）２を成膜する。この時
のプロセス温度は、例えば４００℃程度で行なう。

【０００６】次に、このウエハを改質装置に搬送して図
７（Ｂ）に示すように、オゾン（Ｏ₃ ）の雰囲気下にお
いて紫外線ランプによりウエハ表面に紫外線ＵＶを照射
することにより、酸化タンタル層２中に含まれる有機不
純物のＣ−Ｃ結合やハイドロカーボン等を紫外線のエネ
ルギや活性酸素原子により切断してこれを脱離させ、酸
化タンタル層の改質を行なう。この改質処理のプロセス
温度は、酸化タンタルの非晶質状態（アモルファス状
態）を維持するようにこの結晶化温度以下の温度、例え
ば４２５℃程度で行なう。このように改質処理が終了し
たならば、次にこのウエハを熱処理装置に搬送し、酸素
ガスの存在下において酸化タンタル層２の結晶化温度以
上、例えば７００℃に加熱し、この酸化タンタル層２を
結晶化させる。この結晶化アニールにより、酸化タンタ
ル層２は分子レベルで緻密化されて、且つ面内膜厚も均
一化させることができ、絶縁特性の良好な絶縁膜を得る
ことが可能となる。

【０００７】ところで、上記改質処理時における有機不
純物の脱離は、紫外線の金属酸化膜の厚さ方向への透過
量やオゾンの浸入の程度を考慮すると、金属酸化膜が薄
い程、効果的に改質を行なうことができるので、成膜処
理と改質処理を２回繰り返し行なって、最後に結晶化処
理を行うことによって、個々の改質処理を効果的に行な
い、これにより更に絶縁性を向上させるようにした技術
が、例えば特開平９−１２１０３５号公報に開示されて
いる。図８はこの時の従来の成膜方法の一例を示してい
る。まず、図８（Ａ）に示すように成膜温度を略４００
℃とし、金属アルコキシドとアルコール雰囲気の存在下
にて図７（Ａ）で示したと同様に酸化タンタル２Ａを成
膜し、次に、図８（Ｂ）に示すようにオゾンの存在下に
て紫外線ＵＶを照射することにより酸化タンタル層２Ａ
の改質を行なう。次に、図８（Ｃ）に示すように図８
（Ａ）と同様なプロセス条件で２層目の酸化タンタル層
２Ｂを成膜し、次に、図８（Ｄ）に示すように図８
（Ｂ）と同様なプロセス条件で２層目の酸化タンタル層
２Ｂの改質を行なう。

【０００８】この時、１層目と２層目の酸化タンタル層
２Ａ、２Ｂの厚みの合計が図７中の酸化タンタル層２の
略厚みと同じになるようにそれぞれの膜厚が設定される
ので、各酸化タンタル層２Ａ、２Ｂの厚みは、図７に示
す酸化タンタル層２の厚みよりも薄くなる。その結果、
膜厚が薄くなった分だけ個々の改質処理時において効果
的に有機不純物を脱離させることができるので、酸化タ
ンタル層２Ａ、２Ｂの絶縁性を一層、向上させることが
可能となる。そして、改質処理されたウエハは、図８
（Ｅ）に示すように、先の図７（Ｃ）にて説明したと同
様なプロセス条件で熱処理を行ない、ここで１層目と２
層目の酸化タンタル層２Ａ、２Ｂを同時に結晶化処理す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に所
定の一連のプロセスを行なって一定の結果物を得る場合
には、当然のこととして工程数が少ない方が製品コスト
も削除できるし、また、工程が少なくなった分だけ設備
コストを削除したり、スループットも向上させることが
可能となる。しかるに、上述したような従来の成膜方法
にあっては、図７（Ｂ）と図７（Ｃ）の各工程及び図８
（Ｄ）と図８（Ｅ）の各工程のようにかなり類似する工
程同士でも別の熱処理装置で行なうようにしていること
から、全体の工程数が多くなり、製品コストの上昇やス
ループットの低下をもたらす結果となっていた。本発明
は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決す
べく創案されたものである。本発明の目的は、改質処理
と結晶化処理を同一チャンバ内で連続的に行なうことが
できる金属酸化膜の形成方法及び成膜処理システムを提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する発明
は、少なくとも一つの成膜装置と、熱処理装置と、この
成膜装置と熱処理装置との間で被処理体を真空雰囲気下
で搬送可能に構成された搬送装置とをそれぞれ備えた処
理システムにおいて、被処理体に金属酸化膜を形成する
方法であって、所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で
被処理体上に金属酸化膜を成膜する工程と、所定の真空
雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜された金属酸化
膜を熱処理する工程と、を備え、前記熱処理工程が、前
記金属酸化膜の結晶化温度よりも低い第１の温度で、か
つ、紫外線照射下で熱処理する第１熱処理工程と、更に
第１の温度よりも高くかつ前記金属酸化膜の結晶化温度
以上である第２の温度で、かつ、紫外線照射下で熱処理
する第２熱処理工程とからなり、この第１及び第２熱処
理工程が、同一の前記熱処理装置内で行われることを特
徴とする金属酸化膜の形成方法である。

【００１１】これにより、成膜装置内で金属酸化膜の成
膜後に、熱処理装置内で上記金属酸化膜を熱処理する工
程として、直接、活性酸素雰囲気下にて結晶化工程を行
なうようにしたので、例えばここで最上層に形成されて
いる金属酸化膜の改質処理を行ないつつ、金属酸化膜全
体の結晶化処理を同一チャンバ内で連続的に行なうこと
ができる。従って、従来方法の工程数と比較して１工程
だけ少なくすることが可能となる。ここで、前記熱処理
工程は、第１の温度で、かつ紫外線照射下で熱処理する
第１熱処理工程と、更に第１の温度よりも高く、かつ前
記金属酸化膜の結晶化温度以上である第２の温度でかつ
紫外線照射下で熱処理する第２熱処理工程と、を備えて
いる。この紫外線照射により金属酸化膜の改質を迅速に
行なうことができるようになる。請求項２に規定する発
明は、少なくとも一つの成膜装置と、熱処理装置と、こ
の成膜装置と熱処理装置との間で被処理体を真空雰囲気
下で搬送可能に構成された搬送装置とをそれぞれ備えた
処理システムにおいて、被処理体に金属酸化膜を形成す
る方法であって、所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内
で被処理体上に第１の金属酸化膜を成膜する工程と、所
定の真空雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜された
第１の金属酸化膜を熱処理する第１熱処理工程と、所定
の真空雰囲気下の前記成膜装置内で前記第１の金属酸化
膜上に第２の金属酸化膜を成膜する工程と、所定の真空
雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜された第１及び
／又は第２の金属酸化膜を、Ｏ₃の存在下で熱処理する
第２の熱処理工程と、を備え、前記第１の金属酸化膜の
厚みｔ１と、前記第２の金属酸化膜ｔ２との関係が、ｔ
１＞ｔ２となることを特徴とする金属酸化膜の形成方法
である。このＯ₃の存在下で熱処理することにより、多
量の活性酸素原子が発生し金属酸化膜から有機不純物を
脱離させることができるようになる。また、ｔ１＞ｔ２
とすることにより第２の金属酸化膜を十分に、かつ短時
間で改質することができるようになる。

【００１２】これによれば、全体で第１の金属酸化膜と
第２の金属酸化膜の２層の金属酸化膜が形成されること
になり、第２熱処理工程としての最後の結晶化工程にお
いて、例えば最上層の金属酸化膜の改質処理と２層全体
の金属酸化膜の結晶化処理が連続的に行なわれることに
なり、この場合にも、従来方法の工程数と比較して１工
程だけ少なくすることが可能となる。この場合、前記第
１の金属酸化膜の厚みｔ１と、前記第２の金属酸化膜ｔ
２との関係が、ｔ１＞ｔ２である。

【００１３】請求項３に規定する発明は、少なくとも一
つの成膜装置と、熱処理装置と、この成膜装置と熱処理
装置との間で被処理体を真空雰囲気下で搬送可能に構成
された搬送装置とをそれぞれ備えた処理システムにおい
て、被処理体に金属酸化膜を形成する方法であって、所
定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で被処理体上に第１
の金属酸化膜を成膜する工程と、所定の真空雰囲気下の
前記熱処理装置内で前記成膜された第１の金属酸化膜を
熱処理する第１熱処理工程と、所定の真空雰囲気下の前
記成膜装置内で前記第１の金属酸化膜上に第２の金属酸
化膜を成膜する工程と、所定の真空雰囲気下の前記熱処
理装置内で前記成膜された第１及び／又は第２の金属酸
化膜を、Ｏ ₃ の存在下で熱処理する第２の熱処理工程
と、を備え、前記第１の金属酸化膜の厚みｔ１と、前記
第２の金属酸化膜ｔ２との関係が、ｔ１＞ｔ２となり、
かつ前記第２熱処理工程は、前記第１熱処理工程と略同
じ温度で所定時間熱処理した後、更に前記温度より高い
温度で所定時間加熱処理を行うことを特徴とする金属酸
化膜の形成方法である。これにより、前述した請求項２
に規定する発明とほぼ同じ効果を奏するようになる。

【００１４】また、上記成膜方法を実施するためには、
被処理体に所定の真空雰囲気下で金属酸化膜を成膜可能
に構成された、少なくとも一つの成膜装置と、前記成膜
装置 で成膜された金属酸化膜に対し、所定の真空雰囲気
下で、第１の温度にて熱処理可能に構成された第１の熱
処理装置と、更に、前記金属酸化膜に対し、所定の真空
雰囲気下で、第１の温度よりも高い第２の温度にて熱処
理可能に構成された第２の熱処理装置と、前記いずれか
の装置間において、前記被処理体を所定の真空雰囲気下
で搬送可能に構成された搬送装置と、を備えたことを特
徴とする金属酸化膜の成膜処理システムを用いることが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る金属酸化膜の
成膜方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図
１は本発明方法を実施する成膜処理システムを示す概略
斜視図である。図示するように、本発明の成膜処理シス
テムとしてのこのクラスタツール装置３は、被処理体、
例えば半導体ウエハＷに対して気化状態の金属酸化膜原
料と酸化性ガスの存在下の真空雰囲気中にて非晶質状態
の金属酸化膜を形成する２台の成膜装置４、６と、この
金属酸化膜を真空雰囲気下において活性酸素原子に晒す
ことによって改質する第１の熱処理装置としての改質装
置８と、活性酸素雰囲気下においてウエハを上記金属酸
化膜の結晶温度以上に加熱することによって、これを結
晶化させる第２の熱処理装置としての結晶化熱処理装置
１０と、これらの各装置４、６、８、１０間と共通に連
結されて、真空状態を維持しつつ、各装置間にウエハを
移載する搬送装置としての共通搬送装置１とにより主に
構成されている。更に、ここでは、ウエハの搬入・搬出
効率を向上させるために、複数の半導体ウエハを収容可
能なカセットＣを収容して真空引き可能になされて上記
共通搬送装置１に連結されたカセット収容室１４Ａ，１
４Ｂを有しており、いわゆるクラスタツール化されてい
る。

【００１６】共通搬送装置１の一側には、それぞれゲー
トバルブＧ１，Ｇ２を介して第１のカセット収容室１４
Ａ及び第２のカセット収容室１４Ｂがそれぞれ接続され
ている。これらの両カセット収容室１４Ａ，１４Ｂは、
この装置全体のウエハ搬出入ポートを構成するものであ
り、それぞれ昇降及び旋回自在なカセットステージ（図
示せず）を備えている。共通搬送装置１及び両カセット
収容室１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ気密構造に構成さ
れ、両カセット収容室１４Ａ，１４Ｂには、外部の作業
室雰囲気との間を開閉して大気開放可能にそれぞれゲー
トドアＧ３，Ｇ４が設けられ、開放されたゲートドアＧ
３、Ｇ４を介してカセットＣが搬出入される。

【００１７】共通搬送装置１内の移載用アーム機構１６
は、屈伸及び旋回可能になされた多関節アームよりな
り、両カセット収容室１４Ａ，１４Ｂと各成膜装置４、
６、改質装置８及び結晶化熱処理装置１０との間でウエ
ハを移載するものである。そして、この共通搬送装置１
には、ゲートバルブＧ５，Ｇ６、Ｇ７、Ｇ８を介してそ
れぞれ成膜装置４、改質装置８、結晶化熱処理装置１０
及び成膜装置６が連結されている。以上説明した上記各
装置４、６、８、１０、１２及びカセット収容室１４
Ａ、１４Ｂには、内部に不活性ガス、例えばＮ₂ ガスを
パージするＮ₂ ガス供給系（図示せず）及び内部の雰囲
気を真空引きするための真空排気系（図示せず）がそれ
ぞれ接続されており、独立して制御可能になされてい
る。

【００１８】上記成膜装置４や改質装置８は、本発明者
が先の出願（特開平１０−７９３７７号公報）にて開示
したものを用いればよく、また、結晶化熱処理装置１０
は結晶化処理が改質処理と温度領域が異なるだけなの
で、改質装置と略同じものを用いればよい。上記各成膜
装置４、６は、ウエハ表面に非晶質状態の金属酸化膜と
して、例えば酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）層をＣＶＤに
より成膜するものであり、金属酸化膜原料として有機化
合物である液状の金属アルコキシド、例えばＴａ（ＯＣ
₂ Ｈ₅ ）₅ を例えばＨｅガスでバブリングして供給し、
この供給ガスと酸化性ガスであるＯ₂ 等との混合ガス雰
囲気下にてＣＶＤ成膜反応を行なう。尚、同じ構造の成
膜装置を２台設けた理由は、スループットを向上させる
ためである。また、酸化性ガスとしては、Ｏ₂ の他に、
Ｏ₃ 、Ｎ₂ Ｏ、ＮＯ、気化状態のアルコール等を用いる
ことができる。

【００１９】改質装置８は、加熱ヒータ内蔵の載置台上
に設置したウエハ表面を活性酸素原子に晒し、ウエハ表
面に形成されている金属酸化膜を改質する第１熱処理工
程を行なう。活性酸素原子としてはオゾン（Ｏ₃ ）を外
部より導入したり、内部で発生させたりすればよいし、
また、Ｎ₂ Ｏガスを用いて活性酸素原子を発生させても
よい。この場合、装置の天井部などに紫外線照射手段１
８を設けており、この紫外線エネルギも利用して金属酸
化膜中に存在するＣ−Ｃ結合やハイドロカーボン等の有
機不純物を分解し、これを脱離させる。この改質処理
は、後述するように、有機不純物の脱離を完全ならしめ
るために金属酸化膜の結晶化温度以下の温度で行なう。

【００２０】結晶化熱処理装置１０は、上記改質装置８
と類似した構造のものであり、必要に応じて紫外線照射
手段８を設けるようにしてもよく、設けないようにして
もよい。ここでは、活性酸素原子の存在下においてウエ
ハを金属酸化膜の結晶化温度以下から結晶化温度以上ま
で昇温することにより、ウエハの最上層に形成されてい
る金属酸化膜の改質処理とウエハに成膜された全ての金
属酸化膜の結晶化処理とを略同時に行なう第２熱処理工
程を実施するものである。ウエハを結晶化温度以上の高
い温度まで昇温するので、上記改質装置８よりは強力な
加熱ヒータを用いるのがよい。また、活性酸素原子とし
てはオゾン（Ｏ₃ ）を外部より導入したり、内部で発生
させたりすればよい。

【００２１】次に、以上のように構成されたクラスタツ
ール装置を用いて行なわれる本発明の成膜方法について
説明する。ここでは、絶縁膜として薄い金属酸化膜を２
回（２層）成膜する場合を例にとって説明する。まず、
半導体ウエハＷの全体的な流れについて説明する。ウエ
ハのサイズは、例えば８インチのものを用い、未処理の
ウエハＷを例えば２５枚収容したカセットＣを第１のカ
セット収容室１４Ａ内のカセットステージ（図示せず）
上に載置し、続いてゲートドアＧ３を閉じてこの室内を
Ｎ₂ ガスの不活性ガス雰囲気にすると共に、この収容室
１４内を真空引きする。

【００２２】次に、ゲートバルブＧ１を開き、カセット
収容室１４Ａ内を予め真空引きされて不活性ガス雰囲気
になされた共通搬送装置１内と連通し、この装置１内の
移載用アーム機構１６を用いてウエハＷを搬入する。次
に、ゲートバルブＧ５を介して、このウエハＷを予め真
空引きされている一方の成膜装置４内へ搬入し、ここで
金属酸化膜として例えば酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）層
を成膜する。このように第１の金属酸化膜形成工程を終
了したならば、このウエハＷを真空状態に維持されてい
る共通搬送装置１内に移載用アーム機構１６を用いて取
り出し、次に、開かれたゲートバルブＧ６を介してこの
ウエハＷを予め真空状態になされている改質装置８内へ
搬入し、ここで、紫外線照射手段１８から発せられる紫
外線やオゾンを用いてウエハ表面の上記酸化タンタル層
中に含まれるハイドロカーボンやＣ−Ｃ結合などの有機
不純物を脱離させ、改質処理（第１熱処理工程）を行な
う。このように改質処理が終了したならば、このウエハ
Ｗを真空状態に維持されている共通搬送装置１内に移載
用アーム機構１６を用いて取り出し、次に、開かれたゲ
ートバルブＧ８を介してこのウエハＷを予め真空状態に
維持されている第２の成膜装置６内へ搬入し、ここで先
の第１の成膜装置４内での成膜処理と同じ条件で、第２
層目の酸化タンタル層の成膜処理を行なう。

【００２３】このように第２の金属酸化膜成膜工程を終
了したならば、このウエハＷを真空状態に維持されてい
る共通搬送装置１内に移載用アーム機構１６を用いて取
り出し、次に開かれたゲートバルブＧ７を介してこのウ
エハＷを予め真空状態になされている結晶化熱処理装置
１０内へ搬入する。そして、ここでオゾンの雰囲気下に
おいてウエハＷを、金属酸化膜、すなわちここでは酸化
タンタル層の結晶化温度以上まで昇温した後、直ちに降
温させることにより、２層目である最上層の酸化タンタ
ル層の改質処理（第１熱処理工程）を行なうと略同時
に、１層目及び２層目の両酸化タンタル層を結晶化する
（第２熱処理工程）。このように、結晶化工程を終了し
たならば、この処理済みのウエハＷを共通搬送装置１内
に取り出し、そして、これを第２のカセット収容室１４
Ｂ内のカセットＣ内に収容することになる。

【００２４】次に、上記各工程について図２を参照して
説明する。まず、図２（Ａ）に示すように第１の成膜装
置４内でウエハＷ上に金属酸化膜として第１の酸化タン
タル層２０を所定の厚みで形成する。この時の原料ガス
は液状の金属アルコキシドであるＴａ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅
をＨｅガスでバブリングすることにより供給し、これと
同時にＯ₂ などの酸化性ガスを供給する。金属アルコキ
シドの供給量は、成膜レートにもよるが、例えば数ｍｇ
／ｍｉｎ程度である。成膜のプロセス圧力は０．２〜
０．３Ｔｏｒｒ程度、プロセス温度は２５０〜４５０℃
の範囲内、例えば４００℃に設定し、例えば厚さｔ１が
４５〜５０Å程度の酸化タンタル層２０を成膜する。こ
の場合、原料として有機物を使用しているので酸化タン
タル層２０中に有機不純物が混入することは避けられ
ず、また、酸化タンタル層２０は、非晶質状態となって
おり、これにより第１の金属酸化膜形成工程を終了す
る。

【００２５】次に、このウエハＷに対して改質装置８内
にて改質処理を施す。この改質工程においては、図２
（Ｂ）に示すように活性酸素原子として例えばオゾンを
供給し、更に紫外線照射手段１８から多量の紫外線を照
射する。これにより、オゾンは紫外線の照射により励起
されて更に、多量の活性酸素原子を発生し、これがウエ
ハ表面に形成されている第１層目の酸化タンタル層２０
中の有機不純物を酸化し、これと同時に、紫外線のエネ
ルギにより有機不純物のＣ−Ｃ結合等を切断して分解さ
せ、この結果、有機不純物を略完全に脱離させることが
できる。この時、紫外線としては波長が１８５ｎｍ、２
５４ｎｍを主体とする紫外線を多量に照射し、プロセス
圧力は１〜６００Ｔｏｒｒ程度の範囲内、プロセス温度
は酸化タンタル層２０の結晶化温度である６００℃以下
とし、例えば３２０〜６００℃の範囲内の４２５℃程度
に設定する。プロセス温度が３２０℃より小さな場合
は、絶縁耐圧が十分でなく、６００℃を越えると結晶化
が始まって十分な改質を行なうことができない。また、
改質時間は膜厚にもよるが、１０分以上行なうのが好ま
しい。

【００２６】尚、酸化タンタル層２０の厚さｔ１が上記
した厚みよりも薄い場合には、紫外線照射を行なうこと
なくオゾンのみの供給で改質処理を行なってもよい。こ
のようにして改質工程が終了したならば、第２の金属酸
化膜形成工程へ移行し、第２の成膜装置６内にてこのウ
エハＷに対して第２の成膜処理を施す。この成膜工程に
おいては、図２（Ｃ）に示すように金属酸化膜として非
晶質状態の第２層目の酸化タンタル層２２を成膜する。
この時の成膜条件は、先に行われた第１の金属酸化膜形
成工程の場合と、原料ガス、その流量、プロセス圧力、
プロセス温度等は全く同じに設定し、また、膜厚ｔ２も
ｔ１と同じ、例えば３５〜５０Å程度に設定する。この
ようにして第２の金属酸化膜工程が終了したならば、ウ
エハＷを結晶化熱処理装置１０へ搬入し、結晶化工程へ
移行する。

【００２７】この結晶化工程においては、図２（Ｄ）に
示すように活性酸素原子として先の改質工程と同様に例
えばオゾンを供給し、プロセス圧力を１〜６００Ｔｏｒ
ｒ程度の範囲内に設定する。また、最終的なプロセス温
度は金属酸化膜である酸化タンタル層の結晶化温度以
上、すなわち７００℃以上になるように設定する。すな
わち、ウエハＷの搬入時には、装置１０内の温度を酸化
タンタル層の結晶化温度（６００℃）以下の改質温度に
設定しておき、ウエハ搬入後、所定の時間だけこの改質
温度を維持し、その後、これを急速に昇温して結晶化温
度である７００℃以上まで昇温する。

【００２８】これにより、最上層の金属酸化膜である第
２の酸化タンタル層２２は結晶化温度まで達する間に改
質処理され、結晶化温度である７００℃以上に達すると
全ての酸化タンタル層、すなわち第１及び第２の酸化タ
ンタル層２０、２２が共に結晶化されることになる。す
なわち、この工程では、同一チャンバ内で最上層の金属
酸化膜２２の改質処理と全ての金属酸化膜２０、２２の
結晶化処理を連続的に行うことが可能となる。この時の
プロセス温度を図３を参照して更に詳しく説明すると、
ウエハＷの温度及び結晶化熱処理装置１０内の温度が共
に４５０℃程度の状態でウエハＷをこの処理装置１０内
へ搬入すると、この温度状態を所定の時間、例えば２分
程度維持して改質処理を行い、その後、直ちにこの装置
内の加熱ヒータへの供給電力を増加してウエハＷの温度
を急激に上昇して、７００℃以上、例えば７５０℃まで
昇温する。この時、昇温速度は、例えば１００℃／ｓｅ
ｃである。

【００２９】この時、６００℃程度までの昇温の間は最
上層の酸化タンタル層２２に対して改質処理が施される
ことになる。そして、７００℃を越えた温度領域では、
全ての酸化タンタル層２０、２２の結晶化処理が行なわ
れることになる。尚、酸化タンタル層の改質温度の上限
６００℃と結晶化温度の７００℃の間には１００℃程度
の幅が存在するが、この理由は結晶化はある一定の温度
を境として瞬時に生ずるのではなく、一定の温度幅を持
って徐々に進行して行くからである。従って、この６０
０〜７００℃の間は、酸化タンタル層２２の改質も行な
われると同時に、結晶化も徐々に開始されて、両処理が
同時並行で進んで行くことになる。この場合、酸化タン
タル層２２の改質の時間Ｔ１は、この層の厚さにもよる
が、例えば厚みが４５Å程度の時には１２０ｓｅｃ程度
に設定する。これに対して、結晶化現象は略瞬時に生ず
るので、温度７００℃以上の時間Ｔ２の長さは例えば６
０ｓｅｃ程度に設定すればよい。また、結晶化温度は７
００〜８００℃の範囲が好ましく、８００℃よりも高い
と、酸化タンタル層の下地がより酸化されて、実効的な
膜厚が増加しやすい。また、半導体デバイスへの熱的な
影響が大きく、特性が劣化する、という不都合が生ず
る。処理後のウエハは、結晶化装置１０内にＮ₂ ガスパ
ージを行うと同時に、４２５℃程度まで降温し、圧力調
整した後にこの装置１０から搬出される。

【００３０】上記実施例では、図２（Ｄ）に示す結晶化
工程においては、オゾンのみを用いて紫外線を照射しな
かったが、この場合には、図２（Ｂ）に示す工程と同様
に紫外線ＵＶを照射するようにして改質処理を促進させ
るようにしてもよい。紫外線ＵＶの照射を加えれば、最
上層の酸化タンタル層２２の改質処理を一層促進させる
ことができるので、図３中の改質時間Ｔ１を短くでき
る。また、この図２（Ｄ）にて示した結晶化処理は、図
１にて示した結晶化熱処理装置１０ではなく、改質装置
８内でも行なうことができ、この時には紫外線照射手段
１８のオン・オフを適宜に切り換えて使用すればよい。
従って、図２に示すような一連の処理は、スループット
等の作業性をあまり重視しなければ、成膜装置４と改質
装置８とで行なうことも可能である。図４は、上記した
ような本発明方法で作製した酸化タンタル層２０、２２
の絶縁膜と従来方法で作製した酸化タンタル層の絶縁膜
の絶縁性を評価したグラフである。図中、直線Ａは従来
方法で作製した絶縁膜の特性を示し、直線Ｂは結晶化熱
処理装置１０内で紫外線なしでオゾンのみによって行っ
た本発明方法で作製した絶縁膜の特性を示し、直線Ｃは
結晶化熱処理装置１０内で紫外線とオゾンを用いて行っ
た本発明方法の変形例で作製した絶縁膜の特性を示す。
これによれば、従来方法の絶縁膜も本発明方法の絶縁膜
も略同じ絶縁耐圧特性を有しており、この結果、本発明
方法のように従来方法に対して工程数を１つ減少させて
も従来と同様の特性を示すことが判明した。また、直線
Ｃで示す本発明の変形例のように、オゾンと紫外線の双
方を用いることにより、絶縁耐圧特性を一層向上させる
ことができることが判明した。

【００３１】また、図２に示す実施例では、両酸化タン
タル層２０、２２の厚みを共に略４５〜５０Å程度の同
じ膜厚に設定した場合を例にとって説明したが、図５に
示すように下層の第１の酸化タンタル層２０の厚みｔ１
を少し厚く、例えば５５〜６０Å程度に設定し、逆に上
層の第２の酸化タンタル層２２の厚みｔ２を少し薄く、
例えば２５〜４０Å程度に設定するようにしてもよい。
この場合には、第２の酸化タンタル層２２の膜厚が少し
薄くなった分だけ改質が迅速に行なうことができるの
で、図５（Ｄ）に示す結晶化工程においては、特に紫外
線を用いることなくオゾンのみの処理により薄い最上層
の酸化タンタル層２２を十分に、且つ短時間で改質する
ことが可能となる。すなわち、図３中の改質時間Ｔ１を
より短くすることができる。

【００３２】また、ここでは酸化タンタル層が２層構造
の場合を例にとって説明したが、図６に示すように酸化
タンタル層２４を一層構造としてもよい。この場合に
は、図６（Ａ）に示すような所定の厚みの酸化タンタル
層２４の成膜後、図６（Ｂ）に示すように結晶化工程に
移行して、図２（Ｄ）にて説明したように酸化タンタル
層２４の改質処理（第１熱処理工程）と結晶化処理（第
２熱処理工程）を略同時に行なう。この場合にも、酸化
タンタル層２４の厚みに依存して、オゾンのみを利用し
て処理を行なうか、或いはオゾンに紫外線照射を加えて
処理を行なうかを選択すればよい。この場合にも、図７
の従来方法と比較して、絶縁耐圧特性を同等に維持しつ
つ、工程数を３工程から２工程へ減少させることができ
る。尚、上記実施例では、金属酸化膜として酸化タンタ
ル層を成膜する場合を例にとって説明したが、これに限
定されず、酸化チタン層、酸化ジルコニウム層、酸化バ
リウム層、酸化ストロンチウム層を成膜する場合にも適
用し得るのは勿論である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の金属酸化
膜の形成方法によれば、次のように優れた作用効果を発
揮することができる。形成すべき金属酸化膜が１層構造
の場合には、結晶化工程を行なう時に改質処理と結晶化
処理とを同一チャンバ内で連続的に行なうようにしたの
で、絶縁特性を高く維持したまま全体の工程数を削減す
ることができる。また、形成すべき金属酸化膜が２層構
造の場合には、最上層の金属酸化膜の改質処理と、第１
層目及び第２層目の全ての金属酸化膜の結晶化処理を同
一チャンバ内で連続的に行なうようにしたので、絶縁特
性を高くしたまま全体の工程数を削減することができ
る。また、金属酸化膜が２層構造の場合で、下層の厚さ
を上層よりも厚くすることにより、改質処理を迅速に行
なうことができる。特に、改質処理時や結晶化処理時に
紫外線を照射することにより、表面の金属酸化膜の改質
を迅速に行なうことができる。以上の結果、製品コスト
を削除でき、スループットも向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るクラスタツール装置を示す概略斜
視図である。

【図２】本発明方法を説明するための工程図である。

【図３】金属酸化膜の結晶化工程における温度変化を示
すグラフである。

【図４】酸化タンタル層の絶縁耐圧特性を示すグラフで
ある。

【図５】本発明方法の他の実施例を説明するための工程
図である。

【図６】本発明方法の更に他の実施例を説明するための
工程図である。

【図７】絶縁膜の金属酸化膜として金属タンタルを成膜
する従来方法の一例を示す図である。

【図８】絶縁膜の金属酸化膜として金属タンタルを成膜
する従来方法の他の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 共通搬送装置 ３ クラスターツール装置（成膜処理システム） ４，６ 成膜装置 ８ 改質装置（第１の熱処理装置） １０ 結晶化熱処理装置（第２の熱処理装置） １４Ａ，１４Ｂ カセット収容室 ２０，２２，２４ 酸化タンタル層（金属酸化膜） Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−79377（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−121035（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−283022（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−14986（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−66369（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/316 H01L 21/31

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一つの成膜装置と、熱処理装置
   と、この成膜装置と熱処理装置との間で被処理体を真空
   雰囲気下で搬送可能に構成された搬送装置とをそれぞれ
   備えた処理システムにおいて、被処理体に金属酸化膜を
   形成する方法であって、 所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で被処理体上に金
   属酸化膜を成膜する工程と、 所定の真空雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜され
   た金属酸化膜を熱処理する工程と、 を備え、 前記熱処理工程が、前記金属酸化膜の結晶化温度よりも
   低い第１の温度で、かつ、紫外線照射下で熱処理する第
   １熱処理工程と、更に第１の温度よりも高く、かつ前記
   金属酸化膜の結晶化温度以上である第２の温度で、紫外
   線照射下で熱処理する第２熱処理工程とからなり、この
   第１及び第２熱処理工程が、同一の前記熱処理装置内で
   行われることを特徴とする金属酸化膜の形成方法。
2. 【請求項２】少なくとも一つの成膜装置と、熱処理装置
   と、この成膜装置と熱処理装置との間で被処理体を真空
   雰囲気下で搬送可能に構成された搬送装置とをそれぞれ
   備えた処理システムにおいて、被処理体に金属酸化膜を
   形成する方法であって、 所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で被処理体上に第
   １の金属酸化膜を成膜する工程と、 所定の真空雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜され
   た第１の金属酸化膜を熱処理する第１熱処理工程と、 所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で前記第１の金属
   酸化膜上に第２の金属酸化膜を成膜する工程と、 所定の真空雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜され
   た第１及び／又は第２の金属酸化膜を、Ｏ₃の存在下で
   熱処理する第２の熱処理工程と、 を備え、 前記第１の金属酸化膜の厚みｔ１と、前記第２の金属酸
   化膜ｔ２との関係が、ｔ１＞ｔ２となることを特徴とす
   る金属酸化膜の形成方法。
3. 【請求項３】少なくとも一つの成膜装置と、熱処理装置
   と、この成膜装置と熱処理装置との間で被処理体を真空
   雰囲気下で搬送可能に構成された搬送装置とをそれぞれ
   備えた処理システムにおいて、被処理体に金属酸化膜を
   形成する方法であって、 所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で被処理体上に第
   １の金属酸化膜を成膜する工程と、 所定の真空雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜され
   た第１の金属酸化膜を熱処理する第１熱処理工程と、 所定の真空雰囲気下の前記成膜装置内で前記第１の金属
   酸化膜上に第２の金属酸化膜を成膜する工程と、 所定の真空雰囲気下の前記熱処理装置内で前記成膜され
   た第１及び／又は第２の金属酸化膜を、Ｏ₃の存在下で
   熱処理する第２の熱処理工程と、 を備え、 前記第１の金属酸化膜の厚みｔ１と、前記第２の金属酸
   化膜ｔ２との関係が、ｔ１＞ｔ２となり、かつ前記第２
   熱処理工程は、前記第１熱処理工程と略同じ温度で所定
   時間熱処理した後、更に前記温度より高い温度で所定時
   間加熱処理を行うことを特徴とする金属酸化膜の形成方
   法。