JP3531672B2

JP3531672B2 - 金属酸化膜の形成方法

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Publication number: JP3531672B2
Application number: JP2001087502A
Authority: JP
Inventors: 博神力; 正仁杉浦
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2018-07-03
Also published as: JP2001326223A

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及び例えば
クラスタツール装置のような成膜処理システムに関す
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。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（Ｔａ₂Ｏ₅）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、例えば、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
Ｃ₂Ｈ₅）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（Chemical
Vapor Deposition）により酸化タンタル膜（Ｔａ
₂Ｏ₅）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いる。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（Ｔａ₂Ｏ₅）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（Ｏ ₃）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、かつ面内膜厚も均
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、上記した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４
００℃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）で示したのと同様に酸化タンタル２
Ａ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
も削減できるし、また、工程が少なくなった分だけ設備
コストを削減したり、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
べくなされたものである。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に係る発明は、
成膜装置内に配置する被処理体上に金属酸化膜を形成す
る方法であって、前記成膜装置内に金属酸化膜原料と酸
化性ガスを導入して前記被処理体上に金属酸化膜を形成
する工程と、前記金属酸化膜を紫外線を照射しつつ、活
性酸素雰囲気中で、前記金属酸化膜が結晶を開始する温
度より低い温度の３２０〜６００℃で熱処理して、前記
金属酸化膜を改質する工程と、前記改質された金属酸化
膜を前記金属酸化膜が結晶を開始する温度より高い温度
で熱処理して、前記改質された金属酸化膜を結晶化する
工程、とからなることを特徴とする金属酸化膜の形成方
法である。

【００１１】請求項２に係る発明は、成膜装置内に配置
する被処理体上に金属酸化膜を形成する方法であって、
減圧状態の前記成膜装置内に金属酸化膜原料と酸化性ガ
スを導入して前記被処理体上に第１の金属酸化膜を形成
する工程と、前記第１の金属酸化膜を、活性酸素雰囲気
中で、前記金属酸化膜が結晶を開始する温度より低い温
度で熱処理して、前記第１の金属酸化膜を改質する工程
と、減圧状態の前記成膜装置内に金属酸化膜原料と酸化
性ガスを導入して前記改質した第１の金属酸化膜上に第
２の金属酸化膜を形成する工程と、前記第１及び第２の
金属酸化膜を、活性酸素雰囲気中で、前記金属酸化膜が
結晶を開始する温度より低い温度の３２０〜６００℃で
熱処理して、前記金属酸化膜を改質する工程と、前記第
１及び第２の改質された金属酸化膜を前記金属酸化膜が
結晶を開始する温度より高い温度で熱処理して、前記金
属酸化膜を結晶化する工程、とからなることを特徴とす
る金属酸化膜の形成方法である。

【００１２】請求項３に係る発明は、前記活性酸素がオ
ゾンである、また、請求項４に係る発明は、前記金属酸
化膜を改質する工程が、紫外線を照射しながら行われ
る、金属酸化膜の形成方法である。

【００１３】請求項５に係る発明は、前記第１の金属酸
化膜の厚さｔ１と前記第２の金属酸化膜の厚さｔ２が、
ｔ１＞ｔ２である、また、請求項６に係る発明は、前記
金属酸化膜を結晶化する温度が、前記金属酸化膜が結晶
を開始する温度より高い温度が６００℃を越え８００℃
以下である、金属酸化膜の形成方法である。

【００１４】請求項７に係る発明は、前記金属酸化膜を
改質する工程と前記金属酸化膜を結晶化する工程が、同
一装置で行われる、金属酸化膜の形成方法である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係るクラスタツー
ル装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１
は本発明にかかるクラスタツール装置を示す概略斜視図
である。図示するように、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
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共通搬送装置１とによりおも
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、
１４Ｂ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６、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１
４Ａ、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（Ｔａ₂Ｏ₅）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（ＯＣ₂
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、
Ｎ₂Ｏ、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。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、Ｎ₂Ｏ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１８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Ｎ
₂ガスの不活性ガス雰囲気にすると共に、この収容室１
４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１２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（Ｔａ₂Ｏ₅）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を予め真空状態に
維持されている共通搬送装置１内に移載用アーム機構１
６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。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１４Ｂ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（ＯＣ₂Ｈ₅）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
〜５０オングストローム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】なお、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ｔ
２もｔ１と同じ、例えば３５〜５０オングストローム程
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２０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４５オングストローム程度の時には１
２０ｓｅｃ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６０ｓｅｃ程度に設定すればよい。また、
結晶化温度は７００〜８００℃の範囲が好ましく、８０
０℃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４５〜５０オングスト
ローム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５５〜６０オングス
トローム程度に設定し、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２５〜４０オング
ストローム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の改質処理と結晶化処理を略同時に行なう。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
膜の形成方法及びクラスタツール装置によれば、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。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
コストを削減でき、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クラスタツール装置４，６成膜装置８改質装置１０結晶化熱処理装置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 (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 29/78 (56)参考文献特開平２−283022（ＪＰ，Ａ) 特開平７−14986（ＪＰ，Ａ) 特開平10−79377（ＪＰ，Ａ) 特開平９−121035（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/31 H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 29/78 C23C 16/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】成膜装置内に配置する被処理体上に金属
酸化膜を形成する方法であって、前記成膜装置内に金属酸化膜原料と酸化性ガスを導入し
て前記被処理体上に金属酸化膜を形成する工程と、前記金属酸化膜を紫外線を照射しつつ、活性酸素雰囲気
中で、前記金属酸化膜が結晶を開始する温度より低い温
度の３２０〜６００℃で熱処理して、前記金属酸化膜を
改質する工程と、前記改質された金属酸化膜を前記金属酸化膜が結晶を開
始する温度より高い温度で熱処理して、前記改質された
金属酸化膜を結晶化する工程、とからなることを特徴とする金属酸化膜の形成方法。
【請求項２】成膜装置内に配置する被処理体上に金属
酸化膜を形成する方法であって、減圧状態の前記成膜装置内に金属酸化膜原料と酸化性ガ
スを導入して前記被処理体上に第１の金属酸化膜を形成
する工程と、前記第１の金属酸化膜を、活性酸素雰囲気中で、前記金
属酸化膜が結晶を開始する温度より低い温度で熱処理し
て、前記第１の金属酸化膜を改質する工程と、減圧状態の前記成膜装置内に金属酸化膜原料と酸化性ガ
スを導入して前記改質した第１の金属酸化膜上に第２の
金属酸化膜を形成する工程と、前記第１及び第２の金属酸化膜を、活性酸素雰囲気中
で、前記金属酸化膜が結晶を開始する温度より低い温度
の３２０〜６００℃で熱処理して、前記金属酸化膜を改
質する工程と、前記第１及び第２の改質された金属酸化膜を前記金属酸
化膜が結晶を開始する温度より高い温度で熱処理して、
前記金属酸化膜を結晶化する工程、とからなることを特徴とする金属酸化膜の形成方法。
【請求項３】前記活性酸素が、オゾンであることを特
徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の金属酸
化膜の形成方法。
【請求項４】前記金属酸化膜を改質する工程が、紫外
線を照射しながら行われることを特徴とする請求項２あ
るいは３に記載の金属酸化膜の形成方法。
【請求項５】前記第１の金属酸化膜の厚さｔ１と前記
第２の金属酸化膜の厚さｔ２が、ｔ１＞ｔ２であること
を特徴とする請求項２及び４のいずれか１項に記載の金
属酸化膜の形成方法。
【請求項６】前記金属酸化膜を結晶化する温度が、金
属酸化膜が結晶を開始する温度より高い温度の６００℃
を越え８００℃以下であることを特徴とする請求項１か
ら５のいずれか１項に記載の金属酸化膜の形成方法。
【請求項７】前記金属酸化膜を改質する工程と前記金
属酸化膜を結晶化する工程が、同一装置で行われること
を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の金
属酸化膜の形成方法。