JP3209965B2 - Method of forming metal oxide film - Google Patents
Method of forming metal oxide filmInfo
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Description
【０００１】[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。The present invention relates to, for example relates to the formation how the metal oxide film suitable for an insulating film such as tantalum oxide.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art In general, a semiconductor device is manufactured by repeatedly performing a film forming process and a pattern etching process on a semiconductor wafer to manufacture a desired device. The specifications are becoming stricter year by year as the integration and integration increase,
For example, a very thin oxide film such as an insulating film or a gate insulating film of a capacitor in a device is required to be further thinned, and at the same time, a higher insulating property is required.
【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。As these insulating films, a silicon oxide film, a silicon nitride film or the like can be used.
Recently, a metal oxide film such as tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) has tended to be used as a material having better insulating properties. Although this metal oxide film exhibits a highly reliable insulating property even if it is thin, it is possible to further improve the insulating property by performing a surface modification treatment after forming the metal oxide film. Discovered,
Japanese Patent No. 283022 discloses the technique.
【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。In order to form this metal oxide film, for example, a case of forming tantalum oxide will be described. As disclosed in the above-mentioned publication, a metal alkoxide which is an organic compound of tantalum is used as a raw material for film formation. (Ta (O
C 2 H 5 ) 5 ) is supplied while bubbling with nitrogen gas or the like to maintain the semiconductor wafer at a process temperature of, for example, about 400 ° C., and to perform CVD (Che) under a vacuum atmosphere.
A tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) is laminated by a physical vapor deposition. In order to further improve the insulation properties as necessary, the semiconductor wafer is carried into an atmosphere containing ozone, and the semiconductor wafer is irradiated with ultraviolet rays from a mercury lamp under atmospheric pressure to activate the active oxygen atoms. Is generated, and the active oxygen atoms are used to decompose and desorb organic impurities such as C—C bonds contained in the metal oxide film, thereby modifying the tantalum oxide film. Good insulating film is obtained.
【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。For example, FIG. 7 shows an example of a conventional method for forming a metal tantalum film as a metal oxide film of an insulating film. First, a vaporized metal alkoxide, which is an organic compound, is used as a metal oxide film material in a film forming apparatus. And the alcohol in a vaporized state is supplied to the semiconductor wafer W in this vacuum atmosphere.
To form a tantalum oxide layer (Ta 2 O 5 ) 2 having a predetermined thickness as a metal oxide film. The process temperature at this time is, for example, about 400 ° C.
【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。[0006] Next, conveying the this wafer to the reformer as shown in FIG. 7 (B), by irradiating ultraviolet rays UV to the wafer surface by the ultraviolet lamp in an atmosphere of ozone (O 3), The CC bond of organic impurities contained in the tantalum oxide layer 2 and hydrocarbons are cut off by the energy of ultraviolet rays or active oxygen atoms and desorbed to modify the tantalum oxide layer. The reforming process is performed at a temperature lower than the crystallization temperature, for example, about 425 ° C. so as to maintain the amorphous state of tantalum oxide (amorphous state). After the modification process is completed, the wafer is transferred to a heat treatment apparatus and heated to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the tantalum oxide layer 2, for example, 700 ° C. in the presence of oxygen gas. 2 is crystallized. By this crystallization annealing, the tantalum oxide layer 2 can be densified at the molecular level and the in-plane film thickness can be made uniform, so that an insulating film having good insulating properties can be obtained.
【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。By the way, in consideration of the amount of ultraviolet rays permeated in the thickness direction of the metal oxide film and the degree of penetration of ozone, the thinner the metal oxide film is, the more effective the desorption of organic impurities during the above-mentioned reforming treatment is. Since the film formation process and the reforming process are repeated twice, and finally the crystallization process is performed, the individual reforming processes can be effectively performed, thereby further improving the insulating property. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-121035 discloses a technique for improving the image quality. FIG. 8 shows an example of a conventional film forming method at this time. First, as shown in FIG.
C., a tantalum oxide 2A was formed in the same manner as shown in FIG. 7A in the presence of a metal alkoxide and an alcohol atmosphere, and then, as shown in FIG. Tantalum oxide layer 2A by irradiating UV
Is reformed. Next, as shown in FIG.
A second tantalum oxide layer 2B is formed under the same process conditions as (A), and then, as shown in FIG.
The second tantalum oxide layer 2B is reformed under the same process conditions as (B).
【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。At this time, the thicknesses of the first and second tantalum oxide layers 2A and 2B are set so that the total thickness of the tantalum oxide layers 2A and 2B is substantially equal to the thickness of the tantalum oxide layer 2 in FIG. Therefore, the thickness of each tantalum oxide layer 2A, 2B is smaller than the thickness of tantalum oxide layer 2 shown in FIG. as a result,
Since the organic impurities can be effectively desorbed at the time of the individual reforming process by the reduced thickness, the insulating properties of the tantalum oxide layers 2A and 2B can be further improved. Then, the wafer subjected to the reforming process is shown in FIG.
As shown in FIG. 7E, heat treatment is performed under the same process conditions as described with reference to FIG.
The second tantalum oxide layers 2A, 2B are simultaneously crystallized.
【０００９】[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。In general, when a predetermined result is obtained by performing a predetermined series of processes, naturally, the smaller the number of steps, the lower the product cost. In addition, it is possible to reduce equipment costs and to improve the throughput by reducing the number of processes. However, in the conventional film forming method as described above, each step shown in FIGS. 7B and 7C and FIG.
Since substantially similar processes such as those shown in FIG. 8D and those in FIG. 8E are performed by different heat treatment apparatuses, the total number of processes increases, so that the product cost increases and the throughput decreases. Was the result. The present invention has been devised in view of the above problems and effectively solving them. An object of the present invention is to provide a metal oxide film forming method and a film forming system capable of continuously performing a modification process and a crystallization process in the same chamber.
【００１０】[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。According to a first aspect of the present invention, there is provided at least one film forming apparatus, a heat treatment apparatus, and a method of transferring an object to be processed between the film formation apparatus and the heat treatment apparatus in a vacuum atmosphere. A method for forming a metal oxide film on an object to be processed in a processing system including a transfer device configured to be capable of forming a metal oxide film on the object to be processed in the film forming apparatus under a predetermined vacuum atmosphere. A step of forming a film, and a step of heat-treating the formed metal oxide film in the heat treatment apparatus under a predetermined vacuum atmosphere, wherein the heat treatment step is performed based on a crystallization temperature of the metal oxide film. A first heat treatment step of performing heat treatment at a low first temperature and under ultraviolet irradiation, and at a second temperature higher than the first temperature and equal to or higher than the crystallization temperature of the metal oxide film , and the second heat treatment Industrial to heat treatment under UV irradiation Consists of a, the first and second heat treatment step is a method of forming a metal oxide film, which is performed in the same said heat treatment apparatus.
【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。Thus, after the metal oxide film is formed in the film forming apparatus, the crystallization step is performed directly in an active oxygen atmosphere as a step of heat-treating the metal oxide film in the heat treatment apparatus. For example, the crystallization process of the entire metal oxide film can be continuously performed in the same chamber while the reforming process of the metal oxide film formed here as the uppermost layer is performed. Therefore, it is possible to reduce the number of steps by one in comparison with the number of steps in the conventional method. Here, the heat treatment step includes a first heat treatment step in which heat treatment is performed at a first temperature and under ultraviolet irradiation, and a second heat treatment step that is higher than the first temperature and equal to or higher than the crystallization temperature of the metal oxide film. and at the temperature
A second heat treatment step of performing heat treatment under ultraviolet irradiation . This ultraviolet irradiation makes it possible to quickly modify the metal oxide film. The invention as defined in claim 2 includes at least one film forming apparatus, a heat treatment apparatus, and a transfer apparatus configured to be able to transfer an object to be processed in a vacuum atmosphere between the film formation apparatus and the heat treatment apparatus. A method for forming a metal oxide film on an object to be processed in a processing system provided respectively, wherein a step of forming a first metal oxide film on the object to be processed in the film forming apparatus under a predetermined vacuum atmosphere A first heat treatment step of heat-treating the formed first metal oxide film in the heat treatment apparatus under a predetermined vacuum atmosphere; and a first heat treatment step in the film formation apparatus under a predetermined vacuum atmosphere. A step of forming a second metal oxide film on the oxide film; and forming the first and / or second metal oxide film formed in the heat treatment apparatus under a predetermined vacuum atmosphere in the presence of O 3 . A second heat treatment step of performing a heat treatment under the first metal oxide. And the thickness t1, the relation between the second metal oxide film t2, t
This is a method for forming a metal oxide film, wherein 1> t2. By performing the heat treatment in the presence of O 3 , a large amount of active oxygen atoms are generated and organic impurities can be eliminated from the metal oxide film. Also, t1> t2
By doing so, the second metal oxide film can be modified sufficiently in a short time.
【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。 According to this, a two-layer metal oxide film of a first metal oxide film and a second metal oxide film is formed as a whole, and in the last crystallization step as the second heat treatment step, For example, the modification process of the uppermost metal oxide film and the crystallization process of the metal oxide film of the entire two layers are performed continuously. In this case as well, one step is required in comparison with the number of steps in the conventional method. It is possible to reduce as much as possible. In this case, the thickness t1 of the first metal oxide film and the second metal oxide film t
The relationship with t2 is t1> t2 .
【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。 The invention as defined in claim 3 has at least one
Film forming apparatus, heat treatment apparatus, and this film forming apparatus and heat treatment
Workpieces can be transported under vacuum atmosphere between equipment
Processing system equipped with
And forming a metal oxide film on the object to be processed,
The first film is placed on the object in the film forming apparatus under a constant vacuum atmosphere.
Forming a metal oxide film of
Removing the first metal oxide film formed in the heat treatment apparatus;
A first heat treatment step of heat treatment and before a predetermined vacuum atmosphere
A second metal acid is formed on the first metal oxide film in the film forming apparatus.
Forming a passivation film; and performing the heat treatment under a predetermined vacuum atmosphere.
The first and / or second metal acid deposited in a physical device
Heat treatment step of heat treating the oxide film in the presence of O 3
And a thickness t1 of the first metal oxide film;
The relationship with the second metal oxide film t2 is t1> t2,
And the second heat treatment step is substantially the same as the first heat treatment step.
After the heat treatment at the same temperature for a predetermined time,
Metal acid characterized by performing a heat treatment at a temperature for a predetermined time
This is a method for forming an oxide film. Thereby, the aforementioned claim 2
The invention has almost the same effect as the invention defined in the above.
【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。Further, in order to carry out the film forming method,
Metal oxide film can be formed on the workpiece under a predetermined vacuum atmosphere
At least one film forming apparatus, and the film forming apparatus
A predetermined vacuum atmosphere is applied to the metal oxide film formed by the equipment.
A first heat configured to be heat-treatable at a first temperature;
Processing apparatus, and further, a predetermined vacuum is applied to the metal oxide film.
Heat treatment at a second temperature higher than the first temperature in an atmosphere.
A second heat treatment apparatus configured to be
Between the apparatuses, the object to be processed is placed in a predetermined vacuum atmosphere.
And a transport device configured to be transportable by
A characteristic metal oxide film formation processing system can be used.
【００１５】[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。Be described in detail with reference to an embodiment of the film forming how the metal oxide film according to the present invention DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Hereinafter the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a film forming system for carrying out the method of the present invention. As shown in the drawing, this cluster tool device 3 as a film formation processing system of the present invention
For example, two film forming apparatuses 4 and 6 for forming an amorphous metal oxide film on a semiconductor wafer W in a vacuum atmosphere in the presence of a vaporized metal oxide film material and an oxidizing gas; A reforming device 8 as a first heat treatment device for modifying a metal oxide film by exposing the metal oxide film to active oxygen atoms in a vacuum atmosphere, and heating the wafer to a temperature equal to or higher than the crystal temperature of the metal oxide film in the active oxygen atmosphere. Therefore, the crystallization heat treatment apparatus 10 as a second heat treatment apparatus for crystallization is connected to each of the apparatuses 4, 6, 8, and 10 so as to maintain a vacuum state. And a common transfer device 1 as a transfer device for transferring wafers onto the wafer. Further, here, in order to improve the efficiency of loading and unloading wafers, a cassette C which can accommodate a plurality of semiconductor wafers and is evacuated and evacuated and connected to the common transfer device 1 in the cassette accommodation chamber 14A , 1
4B, which is a so-called cluster tool.
【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。One side of the common transfer device 1 is connected to the first cassette accommodating chamber 14 via gate valves G1 and G2, respectively.
A and the second cassette storage chamber 14B are connected to each other. These two cassette storage chambers 14A and 14B
It constitutes a wafer loading / unloading port of the entire apparatus, and includes a cassette stage (not shown) which can be moved up and down and swivel. The common transfer device 1 and the two cassette storage chambers 14A and 14B are each configured in an airtight structure, and the two cassette storage chambers 14A and 14B have gate doors G3 that can be opened and closed to and from the atmosphere of an external work chamber so as to be open to the atmosphere. , G4 provided and the gate door G opened
3. The cassette C is carried in / out via G4.
【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。Transfer arm mechanism 16 in common transfer device 1
Is composed of a multi-joint arm that can be bent and extended, and can rotate. The cassette accommodation chambers 14A and 14B and the film forming devices 4 and
6. A wafer is transferred between the reformer 8 and the crystallization heat treatment apparatus 10. And this common transport device 1
The gate valve G5, G6, G7, respectively through G8 deposition device 4, the reforming equipment 8, the crystallization heat treatment apparatus 10
And the film forming apparatus 6 are connected. Each of the above-described devices 4, 6, 8, 10, 12 and the cassette accommodating chamber 14 described above.
A and 14B are respectively connected to an N 2 gas supply system (not shown) for purging an inert gas, for example, N 2 gas, and a vacuum exhaust system (not shown) for evacuating the inside atmosphere. And are independently controllable.
【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。As the film forming apparatus 4 and the reforming apparatus 8, those disclosed by the present inventor in the prior application (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-79377) may be used.
Since the crystallization process differs from the reforming process only in the temperature range, it is sufficient to use substantially the same as the reforming apparatus. Each of the film forming apparatuses 4 and 6 is for forming, for example, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer as a metal oxide film in an amorphous state on a wafer surface by CVD. A liquid metal alkoxide such as Ta (OC
2 H 5 ) 5 is supplied by bubbling with, for example, He gas,
A CVD film forming reaction is performed in a mixed gas atmosphere of the supply gas and an oxidizing gas such as O 2 . The reason why two film forming apparatuses having the same structure are provided is to improve the throughput. As the oxidizing gas, in addition to O 2 ,
O 3 , N 2 O, NO, vaporized alcohol and the like can be used.
【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。The reformer 8 is exposed installation the wafer surface to the heater built-in mounting on table in the active oxygen atom, the first heat treatment Engineering of modifying the metal oxide film formed on the wafer surface
Perform the process . As the active oxygen atom, ozone (O 3 ) may be introduced from the outside or generated inside,
Further, active oxygen atoms may be generated using N 2 O gas. In this case, the ultraviolet irradiation means 1
The ultraviolet energy is used to decompose organic impurities such as C—C bonds and hydrocarbons existing in the metal oxide film and desorb them. This reforming treatment is performed at a temperature equal to or lower than the crystallization temperature of the metal oxide film in order to completely remove organic impurities as described later.
【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。The crystallization heat treatment apparatus 10 includes the reforming apparatus 8
It has a structure similar to that described above, and the ultraviolet irradiation means 8 may or may not be provided as necessary. Here, in the presence of active oxygen atoms, the temperature of the wafer is raised from the crystallization temperature of the metal oxide film to the crystallization temperature or higher, so that the metal oxide film formed on the uppermost layer of the wafer is modified and the wafer is reformed. Heat treatment for substantially simultaneously performing crystallization of all metal oxide films formed on the substrate
The process is implemented . Since the temperature of the wafer is raised to a temperature higher than the crystallization temperature, it is preferable to use a heater that is stronger than the reformer 8. As the active oxygen atom, ozone (O 3 ) may be introduced from outside or generated inside.
【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。Next, a film forming method of the present invention performed by using the cluster tool device configured as described above will be described. Here, a thin metal oxide film is used as an insulating film.
The case of forming a film twice (two layers) will be described as an example. First,
The overall flow of the semiconductor wafer W will be described. The size of the wafer is, for example, 8 inches, and a cassette C (not shown) in the first cassette accommodating chamber 14A stores a cassette C accommodating, for example, 25 unprocessed wafers W.
Then, the gate door G3 is closed, and the inside of the chamber is set to an inert gas atmosphere of N 2 gas, and the inside of the accommodation chamber 14 is evacuated.
【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。Next, the gate valve to open the G1, the cassette receiving chamber 14A is previously evacuated communicated with the common transfer apparatus 1 has been made in an inert gas atmosphere, transfer arm mechanism in the device 1 16 The wafer W is loaded by using. Next, the wafer W is carried into one of the film forming apparatuses 4 which has been evacuated in advance through the gate valve G5, where a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer is formed as a metal oxide film. I do. When the first metal oxide film forming step is completed in this way, the wafer W is taken out into the common transfer apparatus 1 maintained in a vacuum state by using the transfer arm mechanism 16 and then opened. The wafer W is carried into the reformer 8 which has been preliminarily evacuated through the gate valve G6, where the tantalum oxide layer on the wafer surface is irradiated with ultraviolet light or ozone emitted from the ultraviolet irradiation means 18. Organic impurities such as hydrocarbons and CC bonds contained therein are desorbed, and a reforming process (first heat treatment step) is performed. When the reforming process is completed in this manner, the wafer W is taken out into the common transfer device 1 maintained in a vacuum state by using the transfer arm mechanism 16, and then the opened gate valve G8 is opened. This wafer W is carried into the second film forming apparatus 6 which is maintained in a vacuum state in advance, and the second film forming step is performed under the same conditions as the film forming process in the first film forming apparatus 4.
A tantalum oxide layer is formed as a layer.
【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。After the second metal oxide film forming step is completed, the wafer W is taken out into the common transfer apparatus 1 maintained in a vacuum state by using the transfer arm mechanism 16, and the next step is performed. The wafer W is carried into the crystallization heat treatment apparatus 10 which has been previously evacuated through the gate valve G7 opened at the end of the process. Then, the temperature of the wafer W is raised to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the metal oxide film, that is, the tantalum oxide layer in this case, and immediately lowered in the atmosphere of ozone, whereby the second highest layer of tantalum oxide is formed. Almost at the same time as the layer modification treatment (first heat treatment step) is performed, both the first and second tantalum oxide layers are crystallized (second heat treatment step). When the crystallization step is completed as described above, the processed wafer W is taken out into the common transfer device 1 and is transferred to the second cassette accommodating chamber 14.
It will be housed in the cassette C in B.
【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。Next, each of the above steps will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, a first tantalum oxide layer 20 having a predetermined thickness is formed as a metal oxide film on a wafer W in a first film forming apparatus 4. The source gas at this time is Ta (OC 2 H 5 ) 5 which is a liquid metal alkoxide.
Is supplied by bubbling with He gas, and at the same time, an oxidizing gas such as O 2 is supplied. The supply amount of the metal alkoxide depends on the film formation rate, but is, for example, several mg.
/ Is about min. Process pressure for film formation is 0.2 ~
About 0.3 Torr, process temperature is 250-450 ° C
Is set to, for example, 400 ° C., and the tantalum oxide layer 20 having a thickness t1 of, for example, about 45 to 50 ° is formed. In this case, since an organic substance is used as a raw material, it is unavoidable that organic impurities are mixed in the tantalum oxide layer 20. Further, the tantalum oxide layer 20 is in an amorphous state, and thus the first tantalum oxide layer 20 is in an amorphous state. The metal oxide film forming step is ended.
【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。Next, a reforming process is performed on the wafer W in the reformer 8. In this reforming step, FIG.
As shown in (B), for example, ozone is supplied as active oxygen atoms, and a large amount of ultraviolet light is irradiated from the ultraviolet irradiation means 18. As a result, the ozone is excited by the irradiation of ultraviolet rays, and further generates a large amount of active oxygen atoms, which are generated on the first tantalum oxide layer 20 formed on the wafer surface.
The organic impurities therein are oxidized, and at the same time, the C-C bonds and the like of the organic impurities are cut and decomposed by the energy of the ultraviolet light. As a result, the organic impurities can be almost completely eliminated. At this time, the wavelength of the ultraviolet light is 185 nm, 2
A large amount of ultraviolet light having a wavelength of 54 nm is irradiated, the process pressure is in the range of about 1 to 600 Torr, and the process temperature is 600 ° C. or less, which is the crystallization temperature of the tantalum oxide layer 20, for example, in the range of 320 to 600 ° C. Set to about 425 ° C. If the process temperature is lower than 320 ° C., the withstand voltage is not sufficient. If the process temperature exceeds 600 ° C., crystallization starts and sufficient reforming cannot be performed. Also,
The reforming time depends on the film thickness, but is preferably performed for 10 minutes or more.
【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。When the thickness t1 of the tantalum oxide layer 20 is smaller than the above-described thickness, the reforming process may be performed by supplying only ozone without performing ultraviolet irradiation. When the reforming step is completed in this way, the process proceeds to a second metal oxide film forming step, and a second film forming process is performed on the wafer W in the second film forming apparatus 6. In this film formation step, as shown in FIG. 2C, a second tantalum oxide layer 22 in an amorphous state is formed as a metal oxide film.
The film forming conditions at this time are the same as those of the first metal oxide film forming step performed previously, the raw material gas, its flow rate, process pressure,
The process temperature and the like are set exactly the same, and the film thickness t2 is set to the same as t1, for example, about 35 to 50 °. When the second metal oxide film process is completed in this way, the wafer W is carried into the crystallization heat treatment apparatus 10 and the process proceeds to the crystallization process.
【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。In this crystallization step, as shown in FIG. 2D, for example, ozone is supplied as active oxygen atoms in the same manner as in the previous reforming step, and the process pressure is 1 to 600 Torr.
Set within a range of about r. The final process temperature is set so as to be equal to or higher than the crystallization temperature of the tantalum oxide layer which is the metal oxide film, that is, equal to or higher than 700 ° C. That is, when the wafer W is loaded, the temperature in the apparatus 10 is set to a reforming temperature equal to or lower than the crystallization temperature (600 ° C.) of the tantalum oxide layer, and the reforming temperature is maintained for a predetermined time after the wafer is loaded. Thereafter, the temperature is rapidly raised to 700 ° C. or higher, which is the crystallization temperature.
【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。As a result, the second tantalum oxide layer 22, which is the uppermost metal oxide film, is reformed while reaching the crystallization temperature, and when the crystallization temperature reaches 700 ° C. or higher, all the tantalum oxide layers 22 are removed. That is, the first and second tantalum oxide layers 20, 22 are both crystallized. That is, in this step, it is possible to continuously carry out the crystallization process of the uppermost metal oxide film 2 2 reforming process and all of the metal oxide films 20 and 22 in the same chamber. The process temperature at this time will be described in more detail with reference to FIG.
When the wafer W is loaded into the processing apparatus 10 while both the temperature of the wafer W and the temperature in the crystallization heat treatment apparatus 10 are about 450 ° C., the temperature is maintained for a predetermined time, for example, about 2 minutes, and the reforming is performed. The processing is performed, and thereafter, immediately, the power supplied to the heater in the apparatus is increased, and the temperature of the wafer W is rapidly increased to 700 ° C. or more, for example, 750 ° C. At this time, the heating rate is, for example, 100 ° C./sec.
c.
【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。At this time, the reforming process is performed on the uppermost tantalum oxide layer 22 while the temperature is raised to about 600 ° C. And, in the temperature range over 700 ° C,
The crystallization of all the tantalum oxide layers 20 and 22 is performed. Note that there is a width of about 100 ° C. between the upper limit of the reforming temperature of the tantalum oxide layer, 600 ° C., and the crystallization temperature of 700 ° C., because the crystallization occurs instantaneously after a certain temperature. Rather, it proceeds gradually with a certain temperature range. Therefore, this 60
While the temperature is in the range of 0 to 700 ° C., the tantalum oxide layer 22 is reformed, and at the same time, crystallization is started gradually, so that both processes proceed in parallel. In this case, the modification time T1 of the tantalum oxide layer 22 depends on the thickness of the layer, but is set to about 120 sec when the thickness is about 45 °, for example. On the other hand, since the crystallization phenomenon occurs almost instantaneously, the length of the time T2 at the temperature of 700 ° C. or more is, for example, 6
It may be set to about 0 sec. The crystallization temperature is 7
The temperature is preferably in the range of 00 to 800 ° C. If the temperature is higher than 800 ° C., the underlying layer of the tantalum oxide layer is more oxidized, and the effective film thickness tends to increase. In addition, there is an inconvenience that the thermal effect on the semiconductor device is large and the characteristics are deteriorated. After processing, the wafer is purged with N 2 gas into the crystallization apparatus 10, and at the same time, is cooled down to about 425 ° C., adjusted in pressure, and unloaded from the apparatus 10.
【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。In the above embodiment, in the crystallization step shown in FIG. 2 (D), no ultraviolet light was irradiated using only ozone. In this case, however, as in the step shown in FIG. 2 (B). The modification treatment may be promoted by irradiating ultraviolet rays UV. If the irradiation of the ultraviolet rays UV is applied, the reforming process of the uppermost tantalum oxide layer 22 can be further promoted, so that the reforming time T1 in FIG. 3 can be shortened. The crystallization treatment shown in FIG. 2D can be performed not in the crystallization heat treatment apparatus 10 shown in FIG. 1 but also in the reforming apparatus 8. -It is only necessary to switch off properly.
Therefore, a series of processes as shown in FIG. 2 can be performed by the film forming apparatus 4 and the reforming apparatus 8 if the workability such as the throughput is not so important. FIG. 4 shows the tantalum oxide layers 20, 22 produced by the method of the present invention as described above.
4 is a graph showing an evaluation of the insulating properties of the insulating film of FIG. 1 and a tantalum oxide layer manufactured by a conventional method. In the figure, a straight line A indicates the characteristics of the insulating film manufactured by the conventional method, and a straight line B indicates the characteristics of the insulating film manufactured by the method of the present invention performed only by ozone without using ultraviolet light in the crystallization heat treatment apparatus 10. C shows the characteristics of the insulating film formed by a modification of the method of the present invention, which was performed in the crystallization heat treatment apparatus 10 using ultraviolet light and ozone.
According to this, both the insulating film of the conventional method and the insulating film of the method of the present invention have substantially the same withstand voltage characteristics. As a result, the number of steps is reduced by one compared to the conventional method as in the method of the present invention. It was also found that the same characteristics as those of the prior art were exhibited. Also, as in the modification of the present invention indicated by the straight line C, it has been found that the use of both ozone and ultraviolet rays can further improve the withstand voltage characteristics.
【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。In the embodiment shown in FIG. 2, the case where both the tantalum oxide layers 20, 22 are set to the same thickness of about 45 to 50 ° has been described as an example, but as shown in FIG. Thickness t1 of lower first tantalum oxide layer 20
Is set slightly thicker, for example, about 55-60 °, and conversely, the thickness t2 of the upper second tantalum oxide layer 22 is slightly thinner,
For example, it may be set to about 25 to 40 degrees.
In this case, since the reforming can be performed promptly by an amount corresponding to the slightly reduced thickness of the second tantalum oxide layer 22, in the crystallization step shown in FIG. The thin uppermost tantalum oxide layer 22 can be reformed sufficiently and in a short time by the treatment with only ozone without any treatment. That is, the reforming time T1 in FIG. 3 can be made shorter.
【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。Although the case where the tantalum oxide layer has a two-layer structure has been described as an example, the tantalum oxide layer 24 may have a single-layer structure as shown in FIG. In this case, after forming the tantalum oxide layer 24 having a predetermined thickness as shown in FIG. 6A, the process proceeds to the crystallization step as shown in FIG. As described above, the modification treatment (first heat treatment step) and the crystallization treatment (second heat treatment) of the tantalum oxide layer 24 are performed .
2 heat treatment steps) are performed substantially simultaneously. Also in this case, depending on the thickness of the tantalum oxide layer 24, whether to perform the treatment using only ozone or to perform the treatment by applying ultraviolet irradiation to ozone may be selected. Also in this case, FIG.
As compared with the conventional method, the number of steps can be reduced from three steps to two steps while maintaining the same withstand voltage characteristics. In the above embodiment, the case where a tantalum oxide layer is formed as the metal oxide film has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and a titanium oxide layer, a zirconium oxide layer, a barium oxide layer, and a strontium oxide layer may be formed. Needless to say, the present invention can be applied to such a case.
【００３３】[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。As described in the foregoing, according to the formation how the metal oxide film of the present invention can exhibit excellent effects and advantages as follows. When the metal oxide film to be formed has a one-layer structure, the reforming process and the crystallization process are continuously performed in the same chamber when performing the crystallization process, so that the insulation characteristics are kept high. The total number of steps can be reduced. Further, when the metal oxide film to be formed has a two-layer structure, the uppermost metal oxide film is reformed and
Since the crystallization processes of all the metal oxide films of the first layer and the second layer are continuously performed in the same chamber, the number of steps can be reduced while maintaining the insulation characteristics high. When the metal oxide film has a two-layer structure, the thickness of the lower layer
By making the layer thicker than the upper layer,
Can be. In particular, by irradiating ultraviolet rays during the modification process or the crystallization process, the surface metal oxide film can be quickly modified. As a result, the product cost can be eliminated and the throughput can be improved.
【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。FIG. 1 is a schematic perspective view showing a cluster tool device according to the present invention.
【図２】本発明方法を説明するための工程図である。FIG. 2 is a process chart for explaining the method of the present invention.
【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。FIG. 3 is a graph showing a temperature change in a crystallization process of a metal oxide film.
【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。FIG. 4 is a graph showing a withstand voltage characteristic of a tantalum oxide layer.
【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。FIG. 5 is a process chart for explaining another embodiment of the method of the present invention.
【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。FIG. 6 is a process chart for explaining still another embodiment of the method of the present invention.
【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。FIG. 7 is a view showing an example of a conventional method for forming a metal tantalum film as a metal oxide film of an insulating film.
【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。FIG. 8 is a view showing another example of a conventional method for forming a metal tantalum film as a metal oxide film of an insulating film.
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）DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Common conveyance apparatus 3 Cluster tool apparatus (film-forming processing system) 4,6 Film-forming apparatus 8 Reforming apparatus (1st heat processing apparatus) 10 Crystallization heat processing apparatus (2nd heat processing apparatus) 14A, 14B Cassette accommodation room 20 , 22,24 Tantalum oxide layer (metal oxide film) W Semiconductor wafer (workpiece)
───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-10-79377 (JP, A) JP-A-9-121035 (JP, A) JP-A-2-283022 (JP, A) JP-A-7- 14986 (JP, A) JP-A-7-66369 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/316 H01L 21/31
Claims (3)
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。1. A process comprising at least one film forming apparatus, a heat treatment apparatus, and a transfer apparatus configured to transfer an object to be processed in a vacuum atmosphere between the film formation apparatus and the heat treatment apparatus. In the system, a method for forming a metal oxide film on an object to be processed, comprising: forming a metal oxide film on the object to be processed in the film forming apparatus under a predetermined vacuum atmosphere; Heat-treating the formed metal oxide film in the heat-treating device, wherein the heat-treating step is performed at a first temperature lower than a crystallization temperature of the metal oxide film and under ultraviolet irradiation. in a first heat treatment step of heat-treating, even higher than the first temperature, and at the second temperature is the crystallization temperature or more of said metal oxide film, ultraviolet
A method for forming a metal oxide film, comprising: a second heat treatment step of performing heat treatment under line irradiation ; wherein the first and second heat treatment steps are performed in the same heat treatment apparatus.
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。2. A process comprising at least one film-forming device, a heat-treating device, and a transfer device configured to transfer an object to be processed in a vacuum atmosphere between the film-forming device and the heat-treating device. In the system, a method for forming a metal oxide film on an object to be processed, comprising: forming a first metal oxide film on the object to be processed in the film forming apparatus under a predetermined vacuum atmosphere; A first heat treatment step of heat-treating the formed first metal oxide film in the heat treatment apparatus under a vacuum atmosphere, and a first heat treatment step on the first metal oxide film in the film formation apparatus under a predetermined vacuum atmosphere Forming a second metal oxide film; and heat-treating the formed first and / or second metal oxide film in the heat treatment apparatus under a predetermined vacuum atmosphere in the presence of O 3. A second heat treatment step, wherein the thickness t of the first metal oxide film is When the relationship between the second metal oxide film t2 is, the method of forming the metal oxide film, characterized in that the t1> t2.
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。3. A process comprising at least one film forming device, a heat treatment device, and a transfer device configured to transfer an object to be processed in a vacuum atmosphere between the film formation device and the heat treatment device. In the system, a method for forming a metal oxide film on an object to be processed, comprising: forming a first metal oxide film on the object to be processed in the film forming apparatus under a predetermined vacuum atmosphere; A first heat treatment step of heat-treating the formed first metal oxide film in the heat treatment apparatus under a vacuum atmosphere, and a first heat treatment step on the first metal oxide film in the film formation apparatus under a predetermined vacuum atmosphere Forming a second metal oxide film; and heat-treating the formed first and / or second metal oxide film in the heat treatment apparatus under a predetermined vacuum atmosphere in the presence of O 3. A second heat treatment step, wherein the thickness t of the first metal oxide film is When the relationship between the second metal oxide film t2 is, t1> t2, and the and the second
The method of forming a metal oxide film, wherein the heat treatment is performed at a temperature substantially equal to that of the first heat treatment for a predetermined time, and then a heat treatment at a temperature higher than the temperature for a predetermined time.
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