(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶のシリコン基板上に金属酸化膜を形成する第１工程と、
前記金属酸化膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを熱処理により固相反応させる第２工程と、
を繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、
前記シリケート膜形成後に、前記シリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、  を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
単結晶のシリコン基板上に１原子層以内の金属酸化膜を形成する第１工程と、
前記金属酸化膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを熱処理により固相反応させる第２工程と、
を繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、
前記シリケート膜形成後に、前記シリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、  を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
単結晶のシリコン基板上に１〜３サイクルのＡＬＤ法により金属酸化膜を形成する第１工程と、
前記金属酸化膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを熱処理により固相反応させる第２工程と、
を繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、
前記シリケート膜形成後に、前記シリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、  を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第２工程における前記熱処理は、前記第１工程における前記金属酸化膜を形成する際の温度よりも高い温度であって、前記シリケート膜がシリサイド化する温度よりも低い温度で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、前記金属酸化膜と前記高誘電率絶縁膜とは、何れも同じ材料で構成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項において、前記金属酸化膜および前記高誘電率絶縁膜は、酸化ハフニウム膜であり、前記シリケート膜はハフニウムシリケート膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
単結晶のシリコン基板上に高誘電率絶縁膜を形成する第１工程と、
前記高誘電率絶縁膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを熱処理により固相反応させる第２工程と、
を繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、
前記シリケート膜形成後に、前記シリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、  を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
単結晶のシリコン基板上に酸化ハフニウム膜を形成する第１工程と、
前記酸化ハフニウム膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを熱処理により固相反応させる第２工程と、
を繰り返すことでハフニウムシリケート膜を形成する工程と、
前記ハフニウムシリケート膜形成後に、前記ハフニウムシリケート膜上に酸化ハフニウム膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１または２において、前記第１工程では、前記金属酸化膜を、
（ａ）前記シリコン基板表面に原料を吸着させる工程と、
（ｂ）前記シリコン基板表面に吸着させた前記原料と酸化剤とを反応させる工程と、
を１サイクルとしてこのサイクルを１〜数サイクル行うことにより形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１または２において、前記第１工程は処理室内で行われ、前記金属酸化膜を、
（ａ）前記処理室内に原料を供給する工程と、
（ｂ）前記処理室内をパージして前記処理室内から前記原料を排気する工程と、
（ｃ）前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、
（ｄ）前記処理室内をパージして前記処理室内から前記酸化剤を排気する工程と、
を１サイクルとしてこのサイクルを１〜数サイクル行うことにより形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１または２において、前記第１工程では、前記金属酸化膜を、
（ａ）前記シリコン基板表面に原料を吸着させる工程と、
（ｂ）前記シリコン基板表面に吸着させた前記原料と酸化剤とを反応させる工程と、
を１サイクルとしてこのサイクルを１〜３サイクル行うことにより形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１または２において、前記第１工程は処理室内で行われ、前記金属酸化膜を、
（ａ）前記処理室内に原料を供給する工程と、
（ｂ）前記処理室内をパージして前記処理室内から前記原料を排気する工程と、
（ｃ）前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、
（ｄ）前記処理室内をパージして前記処理室内から前記酸化剤を排気する工程と、
を１サイクルとしてこのサイクルを１〜３サイクル行うことにより形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１または２において、前記第１工程では、前記金属酸化膜を、
（ａ）前記シリコン基板表面に原料を吸着させる工程と、
（ｂ）前記シリコン基板表面に吸着させた前記原料と酸化剤とを反応させる工程と、
を１サイクルとしてこのサイクルを１サイクル行うことにより形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１または２において、前記第１工程は処理室内で行われ、前記金属酸化膜を、
（ａ）前記処理室内に原料を供給する工程と、
（ｂ）前記処理室内をパージして前記処理室内から前記原料を排気する工程と、
（ｃ）前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、
（ｄ）前記処理室内をパージして前記処理室内から前記酸化剤を排気する工程と、
を１サイクルとしてこのサイクルを１サイクル行うことにより形成する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記シリケート膜を形成する工程における、前記第１工程と前記第２工程とを繰り返す回数が５回以下である、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記シリケート膜の膜厚が０．４ｎｍ以下である、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
単結晶のシリコン基板上に金属酸化膜を形成する第１工程と、
前記金属酸化膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを熱処理により固相反応させる第２工程と、
を繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、
前記シリケート膜形成後に、前記シリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、  を有することを特徴とする基板処理方法。
【請求項１８】
単結晶のシリコン基板上に高誘電率絶縁膜を形成する第１処理室と、
前記シリコン基板を熱処理する第２処理室と、
前記第１処理室と前記第２処理室との間に設けられ、前記第１処理室と前記第２処理室との間で前記シリコン基板を搬送する搬送室と、
前記搬送室内に設けられ前記シリコン基板を搬送する搬送ロボットと、
前記シリコン基板を前記搬送ロボットにより前記第１処理室内に搬送し、前記第１処理室内で前記シリコン基板上に前記高誘電率絶縁膜を形成する第１処理と、前記高誘電率絶縁膜が形成された前記シリコン基板を前記搬送ロボットにより前記第１処理室内から前記第２処理室内に搬送し、前記第２処理室内で前記高誘電率絶縁膜が形成された前記シリコン基板を熱処理することで前記高誘電率絶縁膜と前記シリコン基板表面の単結晶シリコンとを固相反応させる第２処理と、を繰り返し実施することで前記シリコン基板表面に所定膜厚のシリケート膜を形成し、その後、前記所定膜厚のシリケート膜形成後の前記シリコン基板を前記第２処理室内から前記第１処理室内に搬送し、前記第１処理室内で前記所定膜厚のシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成するように制御するよう構成されるコントローラと、
を有することを特徴とする基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および基板処理装置に関する。
例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)すなわち金属酸化膜半導体電界効果トランジスタにおいて高誘電率のゲート絶縁膜を形成するのに利用して有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳＦＥＴの高集積化および高性能化に伴って、ゲート絶縁膜への高誘電率絶縁膜の適用が検討されている。移動度や信頼性の観点からは、高誘電率絶縁膜とシリコン（Ｓｉ）基板の界面に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）層によって形成される界面層を用いるのが、一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、界面層としてＳｉＯ2 膜を用いた場合、その誘電率が低いために０．８ｎｍ以下へのＥＯＴ（Equivalent Oxide Thickness）すなわち等価酸化膜換算膜厚の薄膜化が非常に困難になる。
また、界面層を用いずに、Ｓｉ基板上に高誘電率絶縁膜を直接に形成した場合、多くのダングリングボンドが存在するため、電気特性への影響が懸念される。かつ、ＬＳＩプロセス形成時に高誘電率絶縁膜とシリコン基板との界面にＳｉＯｘ層が形成される。その結果、ＥＯＴの薄膜化が困難になる。
【０００４】
本発明の目的は、電気特性への悪影響を防止しつつＥＯＴを薄くすることができる半導体装置の製造方法および基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、シリコン基板上に金属酸化膜を形成し、この金属酸化膜と前記シリコン基板とを熱処理により固相反応させることでシリケート膜を形成する工程と、このシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法、が提供される。
本発明の他の態様によれば、シリコン基板上に高誘電率絶縁膜を形成し、この高誘電率絶縁膜と前記シリコン基板とを熱処理により固相反応させ、これを繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、このシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法、が提供される。
本発明の更に他の態様によれば、シリコン基板上に酸化ハフニウム膜を形成し、この酸化ハフニウム膜と前記シリコン基板とを熱処理により固相反応させ、これを繰り返すことでハフニウムシリケート膜を形成する工程と、このハフニウムシリケート膜上に酸化ハフニウム膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法、が提供される。
本発明の更に他の態様によれば、シリコン基板上に高誘電率絶縁膜を形成する第１処理室と、前記シリコン基板を熱処理する第２処理室と、前記第１処理室と前記第２処理室との間に設けられ、前記第１処理室と前記第２処理室との間で前記シリコン基板が搬送される搬送室と、前記搬送室内に設けられ前記シリコン基板を搬送する搬送ロボットと、前記シリコン基板を前記搬送ロボットにより前記第１処理室内に搬送し、前記第１処理室内で前記シリコン基板上に前記高誘電率絶縁膜を形成し、前記高誘電率絶縁膜が形成された前記シリコン基板を前記搬送ロボットにより前記第１処理室内から前記第２処理室内に搬送し、前記第２処理室内で前記高誘電率絶縁膜が形成された前記シリコン基板を熱処理することで前記高誘電率絶縁膜と前記シリコン基板とを固相反応させてシリケート膜を形成し、これを繰り返し実施することで前記シリコン基板表面に所定膜厚のシリケート膜を形成し、その後、前記所定膜厚のシリケート膜形成後の前記シリコン基板を前記第２処理室内から前記第１処理室内に搬送し、前記第１処理室内で前記所定膜厚のシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成するように制御するコントローラと、を有する基板処理装置、が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
前記手段によれば、電気特性への悪影響を防止しつつＥＯＴを薄くすることができる半導体装置の製造方法および基板処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【０００８】
図１は本発明の一実施の形態であるＭＯＳＦＥＴにおいて高誘電率のゲート絶縁膜を形成する方法を示すフローチャートである。
図２〜図４は本発明の一実施の形態に係る基板処理装置を示している。
まず、本発明の一実施の形態に係る基板処理装置について説明する。
【０００９】
本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、構造的には図２に示されているようにクラスタ装置として構成されており、機能的には、ＭＯＳＦＥＴの高誘電率ゲート絶縁膜形成方法に使用されるように構成されている。
なお、本実施の形態に係るクラスタ装置においては、シリコン基板としてのシリコンウエハ２（以下、単にウエハ２ともいう場合もある。）を搬送するためのウエハ搬送用キャリア（基板収納容器）としては、ＦＯＵＰ（front opening unified pod 。以下、ポッドという。）１が使用されている。
【００１０】
図２に示されているように、クラスタ装置１０は第一ウエハ移載室（以下、負圧移載室という。）１１を形成した筐体１２を備えている。負圧移載室１１は大気圧未満の圧力（負圧）に耐える構造の搬送室として構成されている。負圧移載室１１を形成した筐体（以下、負圧移載室筐体という。）１２は、平面視が七角形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されている。
負圧移載室１１の中央部には、負圧下においてウエハ２を移載する搬送ロボットとしてのウエハ移載装置（以下、負圧移載装置という。）１３が設置されており、負圧移載装置１３はスカラ形ロボット（selective compliance assembly robot arm ＳＣＡＲＡ）によって構成されている。
【００１１】
負圧移載室筐体１２の７枚の側壁のうち長い側壁には、搬入用予備室（以下、搬入室という。）１４と搬出用予備室（以下、搬出室という。）１５とがそれぞれ隣接して連結されている。
搬入室１４の筐体と搬出室１５の筐体とは、それぞれ平面視が略菱形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されているとともに、負圧に耐え得るロードロックチャンバ構造に構成されている。
【００１２】
搬入室１４および搬出室１５の負圧移載室１１と反対側には、筐体１６Ａが隣接して連結されている。筐体１６Ａは第二ウエハ移載室（以下、正圧移載室という。）１６を構成している。正圧移載室１６は大気圧以上の圧力（以下、正圧という。）を維持可能な構造に構成されている。正圧移載室１６の筐体１６Ａは平面視が横長の長方形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されている。
搬入室１４と正圧移載室１６との境にはゲートバルブ１７Ａが設置されており、搬入室１４と負圧移載室１１との間にはゲートバルブ１７Ｂが設置されている。
搬出室１５と正圧移載室１６との境にはゲートバルブ１８Ａが設置されており、搬出室１５と負圧移載室１１との間にはゲートバルブ１８Ｂが設置されている。
正圧移載室１６には正圧下でウエハ２を移載する第二ウエハ移載装置（以下、正圧移載装置という。）１９が設置されており、正圧移載装置１９はスカラ形ロボットによって構成されている。
正圧移載装置１９は正圧移載室１６に設置されたエレベータによって昇降されるとともに、リニアアクチュエータによって左右方向に往復移動される。
正圧移載室１６の左側端部にはノッチ合わせ装置２０が設置されている。
【００１３】
正圧移載室１６の正面壁には３つのウエハ搬入搬出口（以下、ウエハ搬入口という。）２１、２２、２３が、隣合わせに並べられて開設されている。これらのウエハ搬入口２１、２２、２３は、ウエハ２を正圧移載室１６に搬入したり、ウエハを正圧移載室１６から搬出したりする。
これらのウエハ搬入口２１、２２、２３にはポッドオープナ２４がそれぞれ設置されている。
ポッドオープナ２４はポッド１を載置する載置台２５と、載置台２５に載置されたポッド１のキャップを着脱するキャップ着脱機構２６とを備えている。キャップ着脱機構２６は載置台２５に載置されたポッド１のキャップを着脱することにより、ポッド１のウエハ出し入れ口を開閉する。
図示しない工程内搬送装置（ＲＧＶ）は、ポッド１をポッドオープナ２４の載置台２５に供給したり、ポッド１をポッドオープナ２４の載置台２５から排出したりする。
【００１４】
図２に示されているように、負圧移載室筐体１２の７枚の側壁のうち正圧移載室１６と反対側に位置する２枚の側壁には、第一処理ユニット３１と第二処理ユニット３２とがそれぞれ隣接して連結されている。
第一処理ユニット３１と負圧移載室１１との間にはゲートバルブ４４（図３参照）が設置されている。
第二処理ユニット３２と負圧移載室１１との間にはゲートバルブ１１８（図４参照）が設置されている。
また、負圧移載室筐体１２における７枚の側壁のうちの他の２枚の側壁には、第一クーリングユニット３５と、第二クーリングユニット３６とがそれぞれ連結されており、第一クーリングユニット３５および第二クーリングユニット３６はいずれも処理済みのウエハ２を冷却する。
クラスタ装置１０はコントローラ３７を備えている。コントローラ３７は後述するシーケンスフローを統括的に制御する。
【００１５】
本実施の形態においては、第一処理ユニット３１は、構造的には図３に示されているように、枚葉式ウォームウオール形基板処理装置として構成されており、機能的にはＡＬＤ（Atomic Layer Deposition ）装置（以下、ＡＬＤ装置という。）４０として構成されている。
【００１６】
図３に示されているように、ＡＬＤ装置４０は処理室４１を形成する筐体４２を備えており、筐体４２には処理室４１の壁面を加熱するためのヒータ（図示せず）が内蔵されている。
筐体４２にはウエハ搬入搬出口（以下、ウエハ搬入口という。）４３が負圧移載室１１との境に開設されている。ゲートバルブ４４はウエハ搬入口４３を閉じたり開いたりする。
処理室４１の底面上には昇降駆動装置４５が設置されており、昇降駆動装置４５は昇降軸４６を昇降させる。昇降軸４６の上端にはウエハ２を保持する保持具４７が水平に支持されている。
保持具４７にはウエハ２を加熱するヒータ４７ａが設けられている。
ウエハ搬入口４３および処理室４１の底壁には、パージガス供給口４８Ａおよびパージガス供給口４８Ｂがそれぞれ開設されており、パージガス供給口４８Ａおよびパージガス供給口４８Ｂには、パージガス供給ラインとしてのアルゴンガス供給ライン５８が止め弁６４Ａおよび止め弁６４Ｂを介してそれぞれ接続されている。アルゴンガス供給ライン５８にはアルゴンガス供給源５９が接続されている。
筐体４２には排気口４９がウエハ搬入口４３と反対側の部位に開設されており、排気口４９には真空ポンプ等の排気装置５０に接続された排気ライン５１が接続されている。
【００１７】
筐体４２の天井壁には処理ガス供給口５２が処理室４１に連通するように開設されており、処理ガス供給口５２には第一処理ガス供給ライン５３Ａおよび第二処理ガス供給ライン５３Ｂが接続されている。
第一処理ガス供給ライン５３Ａには上流側止め弁５４Ａおよび下流側止め弁５５Ａを介して第一バブラ５６Ａが接続されている。第一バブラ５６Ａのバブリング管５７Ａはアルゴンガス供給源５９に接続されたアルゴンガス供給ライン５８に接続されている。
第一処理ガス供給ライン５３Ａの上流側止め弁５４Ａと下流側止め弁５５Ａとの間には、アルゴンガス供給ライン５８が止め弁６０Ａを介して接続されている。第一処理ガス供給ライン５３Ａのアルゴンガス供給ライン５８の接続点と下流側止め弁５５Ａとの間には、ベントライン６１Ａの上流側端が接続されており、ベントライン６１Ａの下流側端は止め弁６２Ａを介して排気装置５０に接続された排気ライン５１に接続されている。
なお、第一処理ガス供給ライン５３Ａにはアルゴンガス供給ライン５８が、下流側止め弁５５Ａよりも下流側に止め弁６３を介して接続されている。
第二処理ガス供給ライン５３Ｂには上流側止め弁５４Ｂおよび下流側止め弁５５Ｂを介して第二バブラ５６Ｂが接続されている。第二バブラ５６Ｂのバブリング管５７Ｂはアルゴンガス供給源５９に接続されたアルゴンガス供給ライン５８に接続されている。
第二処理ガス供給ライン５３Ｂの上流側止め弁５４Ｂと下流側止め弁５５Ｂとの間には、アルゴンガス供給ライン５８が止め弁６０Ｂを介して接続されている。第二処理ガス供給ライン５３Ｂのアルゴンガス供給ライン５８の接続点と下流側止め弁５５Ｂとの間には、ベントライン６１Ｂの上流側端が接続されており、ベントライン６１Ｂの下流側端は止め弁６２Ｂを介して排気装置５０に接続された排気ライン５１に接続されている。
なお、第二処理ガス供給ライン５３Ｂは下流側止め弁５５Ｂよりも下流側部分が、第一処理ガス供給ライン５３Ａの下流側止め弁５５Ａよりも下流側部分に接続されており、第一処理ガス供給ライン５３Ａおよび第二処理ガス供給ライン５３Ｂは、その接続点よりも下流側において一本になって、処理ガス供給口５２に接続している。
【００１８】
本実施の形態においては、第二処理ユニット３２には、図４に示されたＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置１１０が使用されている。
図４に示されているように、ＲＴＰ装置１１０はウエハ２を処理する処理室１１１を形成した筐体１１２を備えている。筐体１１２は上下面が開口した円筒形状に形成された側壁部１１３と、側壁部１１３の上面開口部を閉塞する円盤形状のトッププレート１１４と、側壁部１１３の下面開口部を閉塞する円盤形状のボトムプレート１１５とが組み合わされて、円筒中空体形状に構築されている。
側壁部１１３の上部側壁の一部には排気口１１６が処理室１１１の内外を連通するように開設されており、排気口１１６には処理室１１１を大気圧未満（以下、負圧という。）に排気し得る排気装置（図示せず）が接続されている。
側壁部１１３にはウエハ２を処理室１１１に搬入搬出するためのウエハ搬入搬出口（以下、ウエハ搬入口という。）１１７が、上部側壁の排気口１１６と反対側の位置に開設されている。ゲートバルブ１１８はウエハ搬入口１１７を開いたり閉じたりする。
【００１９】
ボトムプレート１１５下面の中心線上には昇降駆動装置１１９が設置されている。昇降駆動装置１１９は昇降軸１２０を昇降させる。昇降軸１２０はボトムプレート１１５に挿通されてボトムプレート１１５に対して上下方向に摺動自在に支持されている。
昇降軸１２０の上端には昇降板１２１が水平に固定されており、昇降板１２１の上面には複数本（通常は３本または４本）のリフタピン１２２が垂直に立脚されて固定されている。各リフタピン１２２は昇降板１２１の昇降に伴って昇降することにより、ウエハ２を下から水平に支持して昇降させる。
【００２０】
ボトムプレート１１５上面には支持筒１２３が昇降軸１２０の外側に突設されており、支持筒１２３の上端面上には冷却プレート１２４が水平に架設されている。
冷却プレート１２４の上方には、複数本の加熱ランプから構成された第一加熱ランプ群１２５および第二加熱ランプ群１２６が下から順に配置されて、それぞれ水平に架設されている。第一加熱ランプ群１２５および第二加熱ランプ群１２６は第一支柱１２７および第二支柱１２８によってそれぞれ水平に支持されている。
第一加熱ランプ群１２５および第二加熱ランプ群１２６の電力供給電線１２９はボトムプレート１１５を挿通して外部に引き出されている。
【００２１】
処理室１１１にはタレット１３１が処理室１１１と同心円状に配置されている。タレット１３１は内歯平歯車１３３の上面に内歯平歯車１３３と同心円状に固定されており、内歯平歯車１３３はボトムプレート１１５に介設されたベアリング１３２によって水平に支承されている。
内歯平歯車１３３には原動側平歯車１３４が噛合されており、原動側平歯車１３４はボトムプレート１１５に介設されたベアリング１３５によって水平に支承されている。原動側平歯車１３４はボトムプレート１１５の下に設置されたサセプタ回転装置１３６によって回転駆動される。
タレット１３１上端面上には平板の円形リング形状に形成されたアウタプラットホーム１３７が水平に架設されており、アウタプラットホーム１３７の内側にはインナプラットホーム１３８が水平に架設されている。
インナプラットホーム１３８内周下端部にはサセプタ１４０が、インナプラットホーム１３８内周面下端部に径方向内向きに突設された係合部１３９に係合されて保持されている。サセプタ１４０の各リフタピン１２２に対向する位置には挿通孔１４１がそれぞれ開設されている。
【００２２】
トッププレート１１４にはアニールガス供給管１４２および不活性ガス供給管１４３が処理室１１１に連通するようにそれぞれ接続されている。
また、トッププレート１１４には放射温度計のプローブ１４４が複数本、互いに半径方向にウエハ２の中心から周辺にかけてずらされて配置されてウエハ２の上面と対向するように挿入されている。放射温度計は複数本のプローブ１４４がそれぞれ検出した放射光に基づく計測温度をコントローラに逐次送信する。
トッププレート１１４の他の場所には放射率測定装置１４５が設置されている。放射率測定装置１４５はウエハ２の放射率を非接触にて測定する。放射率測定装置１４５はレファレンスプローブ１４６を備えており、レファレンスプローブ１４６はレファレンスプローブ用モータ１４７によって垂直面内で回転される。
レファレンスプローブ１４６の上側にはレファレンスランプ１４８がレファレンスプローブ１４６の先端に対向するように設置されており、レファレンスランプ１４８は参照光を照射する。レファレンスプローブ１４６は放射温度計に光学的に接続されている。放射温度計はウエハ２からの光子密度とレファレンスランプ１４８からの参照光の光子密度とを比較することにより、計測温度を校正する。
【００２３】
次に、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として前記構成に係るクラスタ装置１０を使用して、シリコン基板表面に界面層としてのシリケート膜を形成し、このシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する方法について図１に沿って説明する。
本実施形態では、界面層としてのシリケート膜は、金属酸化膜をシリコン基板上に形成し、この金属酸化膜とシリコン基板のシリコンとを熱処理により固相反応させることで、シリコン基板表面に形成される。
本実施形態では、シリコン基板上に金属酸化膜として酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）膜を形成し、この酸化ハフニウム膜とシリコン基板とを熱処理により固相反応させることで、シリコン基板表面にシリケート膜としてハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）膜を形成し、このハフニウムシリケート膜上に高誘電率絶縁膜として酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）膜を形成する例について説明する。以下、これを具体的に説明する。
なお、以下の説明において、クラスタ装置１０を構成する各部の動作は、コントローラ３７により制御される。
【００２４】
クラスタ装置１０に投入されるシリコン基板としてのウエハ２は、予め、弗化水素（ＨＦ）クリーニング工程において洗浄されている（図１参照）。
図１に示されたウエハ投入ステップにおいては、クラスタ装置１０の載置台２５に供給されたポッド１のキャップが、キャップ着脱機構２６によって取り外され、ポッド１のウエハ出し入れ口が開放される。
ポッド１が開放されると、正圧移載室１６に設置された正圧移載装置１９はウエハ搬入口（２１または２２または２３）を通してポッド１からウエハ２を１枚ずつピックアップし、搬入室１４に投入し、ウエハ２を搬入室用仮置き台に移載して行く。
この移載作業中には、搬入室１４の正圧移載室１６側はゲートバルブ１７Ａによって開かれており、また、搬入室１４の負圧移載室１１側はゲートバルブ１７Ｂによって閉じられている。負圧移載室１１内の圧力は、大気圧未満の圧力、例えば、１００Ｐａに維持されている。
【００２５】
図１に示されたウエハローディングステップにおいては、搬入室１４の正圧移載室１６側がゲートバルブ１７Ａによって閉じられ、搬入室１４が排気装置（図示せず）によって負圧に排気される。
搬入室１４内が予め設定された圧力値に減圧されると、搬入室１４の負圧移載室１１側がゲートバルブ１７Ｂによって開かれる。
次に、負圧移載室１１の負圧移載装置１３は搬入室用仮置き台からウエハ２を１枚ずつピックアップして負圧移載室１１に真空下で搬入する。
その後、搬入室１４の負圧移載室１１側がゲートバルブ１７Ｂによって閉じられる。
続いて、第一処理ユニット３１のゲートバルブ４４が開かれ、負圧移載装置１３はウエハ２を第一処理ユニット３１に真空下で搬送して、第一処理ユニット３１の処理室へ搬入（ウエハローディング）する。
なお、第一処理ユニット３１の処理室は、予め設定された圧力値となるように減圧排気されている。
また、ウエハの第一処理ユニット３１への搬入に際しては、搬入室１４および負圧移載室１１が負圧に排気されることによって内部の酸素や水分が予め除去されているため、外部の酸素や水分がウエハの第一処理ユニット３１への搬入に伴って第一処理ユニット３１の処理室に侵入することは確実に防止される。
【００２６】
次に、第一処理ユニット３１のＡＬＤ装置４０を使用してＡＬＤ法により金属酸化膜としての酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）膜をシリコン基板としてのシリコンウエハ２上に形成する工程を、図３を参照しつつ説明する。
【００２７】
本実施の形態においては、ハフニウム（Ｈｆ）系プリカーサーとしては、ＴＤＭＡＨ（Tetrakis-Dimethyl-Amino-Hafnium : Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ3 ）2 ］4 ）を用い、酸化剤としては、水蒸気（Ｈ2 Ｏ）を用いる。
本実施の形態に係るＡＬＤ装置４０においては、液体原料であるＴＤＭＡＨは第一バブラ５６Ａに収容されており、ＴＤＭＡＨを気化するのに第一バブラ５６Ａが使用される。この第一バブラ５６Ａのバブリングに使用されるアルゴンガスの流量は、例えば、０．５〜１ＳＬＭ（スタンダード・リットル毎分）である。
本実施の形態に係るＡＬＤ装置４０においては、酸化剤としての水蒸気を発生させるのに、第二バブラ５６Ｂが使用される。この第二バブラ５６Ｂのバブリングに使用されるアルゴンガスの流量も、例えば、０．５〜１ＳＬＭである。
【００２８】
図３において、第一処理ユニット３１であるＡＬＤ装置４０のウエハ搬入口４３は、ゲートバルブ４４によって開放される。このとき、保持具４７はウエハ搬送位置まで下降されている。ウエハ搬入口４３が開放されると、負圧移載装置１３はウエハ２を処理室４１に搬入する。
ウエハ２を処理室４１に搬入し、図示しない突き上げピン上に載置させた後、負圧移載装置１３は処理室４１の外へ退避する。続いて、ゲートバルブ４４はウエハ搬入口４３を閉じる。
昇降駆動装置４５は保持具４７を、ウエハ搬送位置からそれよりも上方の図３に示すウエハ処理位置まで、昇降軸４６を介して上昇させる。その間に、保持具４７は突き上げピン上のウエハ２を掬い上げ、保持具４７上に載置する。
ゲートバルブ４４が閉じられた後に、排気装置５０は処理室４１内を排気する。処理室４１内は、例えば１０〜１００Ｐａの範囲内の所定の圧力例えば３０Ｐａとなるように調圧される。
また、保持具４７に内蔵されたヒータ４７ａはウエハ２を、例えば１５０℃〜３５０℃の範囲内の所定の温度となるように均一に加熱する。この間、すなわち、温度および圧力調整の際、止め弁６３、６４Ａ、６４Ｂは開状態とされ、処理室４１内および処理室４１内の保持具４７より下方の空間には、パージガスとしてのアルゴンガスが処理ガス供給口５２、両パージガス供給口４８Ａ、４８Ｂより供給されつつ、排気口４９、排気ライン５１より排気される。これにより、処理室４１内は不活性ガス雰囲気とされる。
ウエハ２が搬入された時点では、止め弁５４Ａ、５５Ａ、５４Ｂ、５５Ｂはそれぞれ閉状態であり、止め弁６０Ａ、６２Ａ、６０Ｂ、６２Ｂ、６３、６４Ａ、６４Ｂは開状態である。
【００２９】
ここで、原料を供給する準備のために、止め弁６０Ａ、５５Ａ、６０Ｂ、５５Ｂが閉じられるとともに、止め弁５４Ａ、６２Ａ、５４Ｂ、６２Ｂが開かれることにより、気化したハフニウム原料および水蒸気が、第一処理ガス供給ライン５３Ａおよび第二処理ガス供給ライン５３Ｂにそれぞれ詰められる。
また、止め弁６３が開かれることにより、処理室４１内にはパージガスとしてのアルゴンガスが供給される。また、止め弁６４Ａ、６４Ｂが開かれることにより、処理室４１内の保持具４７より下方の空間にもパージガスとしてのアルゴンガスが、パージガス供給口４８Ａ、４８Ｂから流される。アルゴンガスの流量は、例えば０．１〜１．５ＳＬＭである。
【００３０】
ウエハ２の温度が安定化し、処理室４１内の圧力が安定化した後に、次のステップ（１）〜（４）を１サイクルとして、酸化ハフニウム膜が目標の膜厚になるまで、このサイクルが繰り返される。
（１）原料供給ステップ
止め弁６２Ａが閉じられるとともに、止め弁５５Ａが開かれ、そのままの状態が例えば０．５〜５秒間保持される。これにより、気化したハフニウム原料が処理室４１に供給されつつ、排気口４９より排気される。
処理室４１内に供給されたハフニウム原料はウエハ２上に吸着する。
（２）原料排気ステップ
次に、止め弁５４Ａが閉じられるとともに、止め弁６０Ａが開かれ、そのままの状態が例えば０．５〜１０秒間保持される。これにより、第一処理ガス供給ライン５３Ａ内と処理室４１内にアルゴンガスが供給されつつ排気口４９より排気される。すなわち、第一処理ガス供給ライン５３Ａ内と処理室４１内とがアルゴンガスによりパージされ、第一処理ガス供給ライン５３Ａ内と処理室４１内とに供給された原料が排気される。
続いて、止め弁６０Ａ、５５Ａが閉じられ、止め弁５４Ａ、６２Ａが開かれて、第一処理ガス供給ライン５３Ａに気化したハフニウム原料が詰められる。
（３）酸化剤供給ステップ
第一処理ガス供給ライン５３Ａへの気化したハフニウム原料の充填と同時に、止め弁６２Ｂが閉じられるとともに、止め弁５５Ｂが開かれ、そのままの状態が、例えば０．５〜１５秒間保持される。これにより、処理室４１に酸化剤としての水蒸気が供給されつつ排気口４９より排気される。
これにより、ステップ（１）でウエハ２の表面上に吸着したハフニウム原料と、水蒸気とが反応して、ウエハ２上に１オングストローム（Å）程度の膜厚の酸化ハフニウム膜が形成される。
（４）酸化剤の排気ステップ
止め弁５４Ｂが閉じられるとともに、止め弁６０Ｂが開かれ、その状態が例えば０．５〜１５秒間保持される。これにより、第二処理ガス供給ライン５３Ｂ内および処理室４１内にアルゴンガスが供給されつつ排気口４９より排気される。すなわち、第二処理ガス供給ライン５３Ｂ内および処理室４１内がアルゴンガスによりパージされ、第二処理ガス供給ライン５３Ｂ内および処理室４１内に供給された酸化剤が排気される。
続いて、止め弁６０Ｂ、５５Ｂが閉じられ、止め弁５４Ｂ、６２Ｂが開かれて第二処理ガス供給ライン５３Ｂに水蒸気が詰められる。
通常、ＡＬＤ法により成膜する場合には、１サイクルで１Å程度成膜され、２〜３サイクルで１原子層程度成膜される。
すなわち、図１３に示されているように、１サイクル目でアイランド状（島状）に膜が形成され、２〜３サイクル目で連続した１原子層程度の膜が形成される。
以上のステップ（１）〜（４）を１サイクルとして、この１サイクルを１〜３サイクル程度実施することにより、所定膜厚すなわち、１原子層程度以下の酸化ハフニウム膜を形成する。
【００３１】
酸化ハフニウム膜の形成が終了すると、処理室４１内の真空引きがなされ、処理室４１内の残留ガスが排除される。その後、処理室４１内に不活性ガスが導入され、処理室４１内は不活性ガス雰囲気とされる。
また、保持具４７がウエハ処理位置からウエハ搬送位置まで下降することで、成膜済のウエハ２が突き上げピン上に載置される。
その後、ＡＬＤ装置４０のゲートバルブ４４が開かれることで、ウエハ搬入口４３が開放され、成膜済みのウエハ２は負圧移載装置１３によって第一処理ユニット３１から負圧に維持された負圧移載室１１に搬出（ウエハアンローディング）される。
負圧移載装置１３はウエハ２を第二処理ユニット３２に真空下で搬送して、第二処理ユニット３２の処理室へ搬入（ウエハローディング）する。
【００３２】
次に、第二処理ユニット３２のＲＴＰ装置１１０を使用して、酸化ハフニウム膜を形成したウエハ２に熱処理を施す工程を、図４を参照しつつ説明する。
【００３３】
図４において、第二処理ユニット３２であるＲＴＰ装置１１０のゲートバルブ１１８が開かれると、ウエハ２は処理室１１１にウエハ搬入口１１７から負圧移載装置１３によって搬入され、複数本のリフタピン１２２の上端間に移載される。
ウエハ２をリフタピン１２２に移載した負圧移載装置１３が処理室１１１の外へ退避すると、ウエハ搬入口１１７がゲートバルブ１１８により閉じられる。
昇降軸１２０が昇降駆動装置１１９によって下降されることにより、リフタピン１２２の上のウエハ２がサセプタ１４０の上に受け渡される。図４はこの状態を示している。
処理室１１１が気密に閉じられた状態で、処理室１１１内は１〜４０００Ｐａ、例えば１〜１０００Ｐａの範囲内の所定の圧力となるように排気口１１６を通じて排気される。
【００３４】
ウエハ２がサセプタ１４０に受け渡されると、ウエハ２をサセプタ１４０によって保持したタレット１３１が内歯平歯車１３３および原動側平歯車１３４を介してサセプタ回転装置１３６によって回転される。
サセプタ１４０に保持されたウエハ２はサセプタ回転装置１３６によって回転されながら、６００〜８５０℃、例えば６５０〜８５０℃の範囲内の所定の温度となるように第一加熱ランプ群１２５および第二加熱ランプ群１２６によって急速に加熱される。サセプタ１４０に保持されたウエハ２の温度は、所定の熱処理温度に到達後、その温度に保持される。
この回転および加熱中に、アニールガス供給管１４２から処理室１１１内に窒素ガス等の不活性ガスが供給される。
サセプタ１４０がサセプタ回転装置１３６によって回転されながら、サセプタ１４０の上に保持されたウエハ２は第一加熱ランプ群１２５および第二加熱ランプ群１２６によって均一に加熱されるため、ウエハ２は全面にわたって均一に熱処理される。
この熱処理により、ウエハ２上に形成された酸化ハフニウム膜とシリコン基板であるシリコンウエハ２との間で固相反応が生じ、ウエハ２の表面にハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）膜が形成される。
【００３５】
ＲＴＰ装置１１０において予め設定された所定の処理時間が経過すると、コントローラ３７は第一加熱ランプ群１２５および第二加熱ランプ群１２６による加熱を終了し、ウエハ２の急冷を開始する。
そして、処理室１１１が排気口１１６によって所定の負圧となるように排気された後に、ゲートバルブ１１８が開かれる。続いて、熱処理が施されたウエハ２が、負圧移載装置１３によって搬入時と逆の手順で処理室１１１から負圧移載室１１に搬出（ウエハアンローディング）される。
【００３６】
負圧移載装置１３は熱処理後のウエハ２を、再度、第一処理ユニット３１に真空下で搬送し、第一処理ユニット３１のＡＬＤ装置４０の処理室４１へ再び搬入（ウエハローディング）する。
以降、ＡＬＤ装置４０による酸化ハフニウム膜形成工程と、ＲＴＰ装置１１０による熱処理工程とが、図１に示されているように、所定回数繰り返される。
この酸化ハフニウム膜形成工程と熱処理工程との繰り返しにより、ウエハ２表面に極薄で良好な特性の界面層としてのハフニウムシリケート膜（以下、極薄ハフニウムシリケート膜という。）を形成することができる。
なお、酸化ハフニウム膜形成工程と熱処理工程とを繰り返す回数は、後述する理由により５回が望ましい。
【００３７】
予め設定された回数の繰り返しが終了すると、極薄ハフニウムシリケート膜が形成されたウエハ２は、負圧移載装置１３によって、第二処理ユニット３２のＲＴＰ装置１１０の処理室１１１から負圧移載室１１に搬出（ウエハアンローディング）され、更に、第一処理ユニット３１に真空下で搬送され、第一処理ユニット３１のＡＬＤ装置４０の処理室４１へ搬入（ウエハローディング）される。
そして、図１に示された高誘電率絶縁膜形成工程としての酸化ハフニウム膜形成工程では、高誘電率絶縁膜としての酸化ハフニウム膜が界面層としての極薄ハフニウムシリケート膜上に、ＡＬＤ装置４０によって形成される。
極薄ハフニウムシリケート膜上に高誘電率絶縁膜としての酸化ハフニウム膜を形成する工程のＡＬＤ装置４０によるシーケンスは、前述したＡＬＤ装置４０による金属酸化膜としての酸化ハフニウム膜を形成する工程のＡＬＤシーケンスと同様である。
すなわち、高誘電率絶縁膜として必要な厚さの酸化ハフニウム膜が形成されるまで、前述したステップ（１）〜（４）を１サイクルとしたＡＬＤサイクルが繰り返される。
【００３８】
高誘電率絶縁膜形成工程においてＡＬＤサイクルが所定回数繰り返されることで、所定膜厚の酸化ハフニウム膜が形成される。この後、処理室４１内の残留ガスが排除されると、ＡＬＤ装置４０のゲートバルブ４４が開かれ、成膜済みのウエハ２は負圧移載装置１３によって第一処理ユニット３１から負圧に維持された負圧移載室１１に搬出（ウエハアンローディング）される。
【００３９】
クラスタ装置１０での高誘電率絶縁膜形成工程としての酸化ハフニウム膜形成工程後の図１に示されたウエハアンローディングステップにおいては、搬出室１５の負圧移載室１１側がゲートバルブ１８Ｂによって開かれる。負圧移載装置１３はウエハ２を負圧移載室１１から搬出室１５へ真空下で搬送し、搬出室１５の搬出室用仮置き台上に移載する。
この際には、事前に、搬出室１５の正圧移載室１６側がゲートバルブ１８Ａによって閉じられ、搬出室１５が排気装置（図示せず）により負圧に排気される。搬出室１５が予め設定された圧力値に減圧されると、搬出室１５の負圧移載室１１側がゲートバルブ１８Ｂによって開かれ、ウエハアンローディングステップが実施される。
ウエハアンローディングステップ後に、ゲートバルブ１８Ｂは閉じられる。
【００４０】
搬入室１４から第一処理ユニット３１へ、第一処理ユニット３１から第二処理ユニット３２へ、第二処理ユニット３２から第一処理ユニット３１へ、第一処理ユニット３１から搬出室１５へ、ウエハをそれぞれ搬送する場合において、搬送作業はいずれも搬送経路が真空下に維持された状態で実施される。このために、この間、ウエハ２は大気に晒されることはなく、ウエハ２に形成された膜の表面に自然酸化膜が生成されたり、有機物等の不純物や異物等が付着したりするのは防止される。
【００４１】
以上の作動が繰り返されることにより、搬入室１４に一括して搬入された２５枚のウエハ２に対して、第一処理ユニット３１による酸化ハフニウム膜形成工程と、第二処理ユニット３２による熱処理工程との繰り返しによる界面層としてのハフニウムシリケート膜形成工程、第一処理ユニット３１による高誘電率絶縁膜としての酸化ハフニウム膜形成工程が順次に実施されて行く。
【００４２】
図１に示されたウエハ排出ステップにおいては、負圧に維持された搬出室１５内に窒素ガスが供給され、搬出室１５内が大気圧となった後に、搬出室１５の正圧移載室１６側が、ゲートバルブ１８Ａによって開かれる。
次いで、載置台２５に載置された空のポッド１のキャップが、ポッドオープナ２４のキャップ着脱機構２６によって開かれる。
続いて、正圧移載室１６の正圧移載装置１９は搬出室１５からウエハ２をピックアップして正圧移載室１６に搬出し、正圧移載室１６のウエハ搬入搬出口２３を通してポッド１に収納（チャージング）して行く。
処理済みの２５枚のウエハ２のポッド１への収納が完了すると、ポッド１のキャップがポッドオープナ２４のキャップ着脱機構２６によってウエハ出し入れ口に装着され、ポッド１が閉じられる。
【００４３】
本実施の形態においては、クラスタ装置１０における一連の工程が終了したウエハ２は、ポッド１に気密に収納された状態で、ゲート電極膜形成ステップを実施する成膜装置に、図１に示されたポッドの工程内搬送ステップにより搬送されて行く。
ゲート電極膜形成ステップを実施する成膜装置としては、例えば、バッチ式縦形ホットウオール形ＣＶＤ装置、枚葉式ＡＬＤ装置、枚葉式ＣＶＤ装置等がある。
そして、図１に示されたパターニングステップ等を経て、ウエハ２にゲート構造の電極が形成されて行く。
【００４４】
本実施形態によれば、シリコン基板上に形成した金属酸化膜とシリコン基板とを熱処理によって固相反応させてシリケート膜を形成することにより、界面層として良好なシリケート膜を形成することができ、かつ、極薄でフラットな膜を形成することができる。
また、金属酸化膜とシリコン基板とを固相反応させるため、ダングリングボンドを少なくできる。かつ、シリケート膜なのでＳｉＯ2 膜と比べて、その誘電率を高くすることができるため、ＥＯＴスケーリングと良好な界面特性を両立することができる。
特に、ＡＬＤ法にて金属酸化膜を成膜する場合には、１−３サイクル以内の成膜毎に熱処理を施すことにより、良好なシリケート膜を形成することができる。すなわち、１原子層程度以下の成膜毎に熱処理を施すことにより、良好なシリケート膜を形成することができる。
ここで、１原子層程度以下（１〜３サイクルＡＬＤ）の成膜毎に熱処理による固相反応を生じさせるメリットを説明する。
金属酸化膜としてのＨｆＯ2 膜には膜中のＯ（酸素原子）が脱離し易いという性質がある。膜厚が厚いほど膜中から多くのＯが脱離し、膜厚が薄いほど膜中から脱離するＯの量が少なくなる。
よって、比較的厚い膜厚、例えば数十原子層の成膜毎に熱処理による固相反応を生じさせるようにした場合には、シリケート化の反応が生じる前に、ＨｆＯ2 膜から脱離したＯがシリコン基板としてのシリコンウエハを酸化するために、低誘電率な膜（ＳｉＯｘ膜および／またはＳｉリッチなＨｆＳｉＯｘ膜）が形成されてしまう。
これに対して、１原子層程度以下（１〜３サイクルＡＬＤ）の成膜毎に熱処理による固相反応を生じさせる場合には、ＨｆＯ2 膜から脱離するＯの量が比較的少ないことにより、低誘電率な膜が形成されることなくシリケート化の反応が生じるために、適正なＨｆＳｉＯｘ膜を形成することができる。
また、金属酸化膜が厚いと、金属酸化膜とシリコン基板とを熱処理してもシリケート化し難い。充分にシリケート化させるには、金属酸化膜をある程度薄く形成する必要があり、少なくとも１原子層程度以下が好ましく、１原子層未満がより好ましい。
ＡＬＤ法によれば、２−３サイクルで１原子層程度成膜される。
したがって、ＡＬＤ法により成膜する場合、１−３サイクル以内の成膜毎に熱処理を行うことにより、１原子層程度の良好なシリケート膜を形成することができる。特に、１サイクルの成膜毎に熱処理を行うことで、効率よく金属酸化膜とシリコン基板とを反応させることができ、良好なシリケート膜を形成することができる。このため、ＡＬＤ法により成膜する場合、１サイクルの成膜毎に熱処理を行うのが望ましい。
【実施例】
【００４５】
以下に、前述した実施形態の方法により、シリコン基板としてのシリコンウエハ表面に界面層として極薄ハフニウムシリケート膜を形成し、その上に高誘電率ゲート絶縁膜として酸化ハフニウム膜を形成してＭＯＳＦＥＴを形成する場合の実施例を、図１１および図１２を参照して具体的に説明する。
【００４６】
まず、シリコンウエハをＨＦクリーニングにより洗浄する（ＨＦ−cleaning) 。
ＨＦクリーニング終了後、界面層としての極薄ハフニウムシリケート膜をシリコンウエハ表面に形成する（ＨｆＳｉＯｘ−ＩＬ formation) 。
すなわち、洗浄後のシリコンウエハ上に金属酸化膜としての酸化ハフニウム膜をＡＬＤ装置によって１サイクルのみ成膜する（ＡＬＤ−ＨｆＯ2 ）。
処理条件としては、成膜温度：１５０〜３５０℃、成膜圧力：３０Ｐａ、１サイクル当たりの膜厚：１Å、が例示される。
次いで、ＲＴＰ装置によって窒素ガス雰囲気にてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing)による熱処理を実施し、酸化ハフニウム膜とシリコンウエハとを固相反応させ、ハフニウムシリケート膜を形成する（ＲＴＡ）。
ところで、ＡＬＤ法による成膜の成膜温度、例えば、１５０〜３５０℃のような低温では、酸化ハフニウム膜とシリコンウエハとの間の固相反応は生じない。逆に、９００℃のような高温では、固相反応は生じるが、シリサイド化してしまう（ＨｆＳｉＯｘのＯが脱離してＨｆＳｉとなる）ために、絶縁膜として機能しなくなる。つまり、酸化ハフニウム膜とシリコンウエハとの間に固相反応を生じさせながら、ハフニウムシリケート膜を形成するには、熱処理温度をＡＬＤ法による成膜の成膜温度より高く、シリサイド化する温度よりも低くする必要がある。
このことから、熱処理温度は６００〜８５０℃、例えば６５０〜８５０℃が望ましい。本実施形態では熱処理温度を７５０℃とした。
１サイクルＡＬＤによる酸化ハフニウム成膜工程および熱処理工程を５回繰り返し、シリコンウエハ表面に極薄ハフニウムシリケート膜を界面層として形成する（ＨｆＳｉＯｘ−ＩＬ formation) 。
ここで、図１４を参照して、極薄ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）膜を形成する際に、シリコンウエハ上に形成された酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）膜とシリコンウエハとの間で固相反応が生じるメカニズムについて説明する。
図１４（ａ）のＨＦクリーニング（ＨＦ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）工程終了後に、
図１４（ｂ）の酸化ハフニウム膜形成工程（１回目）において、シリコンウエハ上に１サイクルＡＬＤによりＨｆＯ2 膜が形成される。
図１４（ｃ）の熱処理工程（１回目）において、ＨｆＯ2 膜中のＨｆ原子がシリコンウエハ内に拡散する。その際に、シリコンウエハ中のＳｉ（シリコン原子）が放出され、Ｈｆ−Ｏ−Ｓｉ結合が形成される。また、一部のＯはシリコンウエハを酸化し、同時にシリコンウエハ中のＳｉを放出させる。
このようにして、シリコンウエハの表面にはＨｆＳｉＯｘ膜が形成される。この段階では、１原子層未満のＨｆＳｉＯｘ膜が形成されることとなる。
図１４（ｄ）の酸化ハフニウム膜形成工程（２回目）において、シリコンウエハの表面に形成された１原子層未満のＨｆＳｉＯｘ膜上に、１サイクルＡＬＤによりＨｆＯ2 膜が形成される。
図１４（ｅ）の熱処理工程（２回目）において、ＨｆＯ2 膜中のＨｆ原子がシリコンウエハ内に拡散する。その際、シリコンウエハ中のＳｉが放出され、Ｈｆ−Ｏ−Ｓｉ結合が形成される。また、一部のＯはシリコンウエハを酸化し、同時にシリコンウエハ中のＳｉを放出させる。この段階で、シリコンウエハの表面に１原子層程度のＨｆＳｉＯｘ膜が形成されることとなる。
３回目以降は、ＨｆＳｉＯｘ膜とシリコンウエハとの反応、および、ＨｆＯ2 膜とＨｆＳｉＯｘ膜との反応になるので、シリコンウエハ中からＨｆＳｉＯｘ膜中へのＳｉの拡散は抑制され、また、ＨｆＳｉＯｘ膜中からＨｆＯ膜中へのＳｉの拡散も同様に抑制される。このため、この固相反応は数回で終わり、ある回数を超えると生じなくなる。
本実施例では、固相反応を５回繰り返している。
以上のようにして、ＨｆＯ2 膜とシリコンウエハとの間で固相反応が生じ、ＨｆＳｉＯｘ膜が形成されることとなる。
なお、１サイクルＡＬＤによる酸化ハフニウム成膜工程および熱処理工程を５回繰り返すと、極薄ハフニウムシリケート膜が形成されたが、これを６回繰り返しても、極薄ハフニウムシリケート膜上に酸化ハフニウム膜が形成されるだけであった。
これは、次の理由による。
すなわち、ＨｆＯ2 膜とシリコンウエハとの熱処理によるシリケート化は、１回目および／または２回目は、主にシリコンウエハとＨｆＯ2 膜との純粋な固相反応により生じるが、３回目以降は、それ以前に形成されたＨｆＳｉＯｘ膜と、シリコンウエハ、ＨｆＯ2 膜と、の固相反応により生じることとなる。そもそも、ＨｆＯ2 膜はＨｆＳｉＯｘ膜とは反応し難く、シリコンウエハもＨｆＳｉＯｘ膜とは反応しにくく、それゆえ、３回目以降はそれ以前よりも固相反応が生じ難くなる（ＳｉがＨｆＯ2 膜に吸い上がり難くなる）。そのため、繰り返し回数が増えるにつれ、ＨｆＳｉＯｘ膜の最表面のＳｉ濃度が低下し、その最表面はＨｆリッチなＨｆＳｉＯｘ膜となる。本実施例では、５回繰り返したところで、ＨｆＳｉＯｘ膜とＨｆＯ2 膜との間における各元素の濃度勾配が殆どない状態（極僅かな状態）となり、固相反応、すなわちシリケート化が生じなくなるものと、考えられる。
したがって、１サイクルＡＬＤによる酸化ハフニウム成膜工程および熱処理工程を繰り返す回数は、５回以下がよい。膜厚で言うと、０．４ｎｍ以下がよい。
なお、シリコンウエハは単結晶である。単結晶とはＳｉ原子が互いに規則正しく結合し合って配列されている結晶であり、結晶方位が規則正しく一定方向に揃っている。それゆえ、シリコンウエハには、欠陥が少なく、不純物の混入量も少なく、トラップも少ない。このシリコンウエハとＨｆＯ2 膜とを熱処理により直接固相反応させると、シリコンウエハの当該特性により、欠陥や不純物やトラップが少なく、膜中のＨｆ、Ｓｉ濃度分布のバラツキも少ない良好な膜質のＨｆＳｉＯｘ膜を形成することができる。
前述したように、シリコンウエハとＨｆＯ2 膜との熱処理による固相反応は、５回繰り返したところで（膜厚が０．４ｎｍとなったところで）生じなくなることから、ＨｆＳｉＯｘ膜の膜厚を薄く制御することができるというメリットもある。
これに対して、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）膜やＳｉ3 Ｎ4 （窒化シリコン）膜やＳｉＯ2 膜はアモルファス（非晶質）である。アモルファスとは、Ｓｉ原子の配列が不規則でバラバラの状態であり、欠陥や不純物やトラップが比較的多い。このようなＳｉＯＮ膜やＳｉ3 Ｎ4 膜と、ＨｆＯ2 膜と、を反応させる場合には、ＳｉＯＮ膜やＳｉ3 Ｎ4 膜の前述した特性により、欠陥や不純物やトラップが多く、更には、膜中のＨｆ、Ｓｉ濃度分布のバラツキも多い膜質の膜が形成されることとなる。
また、シリコンウエハ上にＳｉ3 Ｎ4 膜を形成し、その上に水素を含むＨｆＯ2 膜を形成した後（このときＳｉ3 Ｎ4 膜は酸化剤によりＳｉＯＮとなる）、熱処理を行うことにより、シリコンウエハ側からＳｉをＨｆＯ2 膜中に拡散させてＳｉ含有ＨｆＯ2 膜を形成する方法が、ある。
しかし、この方法の場合には、熱処理によりＳｉＯＮ膜および／またはＨｆＯ2 膜から水素（Ｈ）が脱離して空孔（ｖｏｉｄ）が形成され、この空孔を介してシリコンウエハまたはＳｉＯＮ膜に含まれるＳｉがＨｆＯ2 膜中に拡散し、ＨｆＯ2 膜に含まれるＨｆがＳｉＯＮ膜中に拡散する。よって、それぞれの膜からＳｉやＨｆが抜けた箇所に、ＳｉやＨｆが抜けた分だけ（すなわち水素が抜けた分だけ）空孔すなわちトラップが形成される。また、水素はそれぞれの膜中にランダムに存在することから、それぞれの膜中のＳｉ濃度やＨｆ濃度にバラツキが生じるものと、考えられる。
これに対して、本実施例の場合には、水素の脱離により形成された空孔を介してＳｉおよび／またはＨｆを拡散させるのではなく、ＨｆＯ2 膜とシリコンウエハとの固相反応、すなわち、ＨｆＯ2 膜とシリコンウエハのお互いの原子同士が拡散して置き換わる反応を利用しているので、前述の方法に比べ、トラップが少なく、膜中のＳｉ濃度やＨｆ濃度のバラツキも少ないというメリットがある。
【００４７】
極薄ハフニウムシリケート膜形成後、極薄ハフニウムシリケート膜上に高誘電率絶縁膜として酸化ハフニウム膜を形成する（High-k films formation）。
すなわち、シリコンウエハ表面に形成された極薄ハフニウムシリケート膜上に、ＡＬＤ装置によって高誘電率絶縁膜としての酸化ハフニウム膜を形成する。
処理条件としては、成膜温度：１５０〜３５０℃、成膜圧力：３０Ｐａ、サイクル数：２０〜４０サイクル、膜厚：２〜４ｎｍ、が例示される。
【００４８】
高誘電率絶縁膜としての酸化ハフニウム膜を形成後、酸化ハフニウム膜上にゲート電極としてニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）を形成してパターンニングを行ない（Si&Ni deposition、patterning）、その後、配線工程等を経て、ＭＯＳＦＥＴを形成した。
そして、そのようにして形成したＭＯＳＦＥＴの、ＭＯＳＦＥＴ特性を測定した。
【００４９】
図５は界面層として本実施例によるＨｆＳｉＯｘ層を形成した直後にＸＰＳ分析によって観察したスペクトルを示している。
図６は本実施例の極薄ハフニウムシリケート膜を界面層に用いた場合の高誘電率ゲートスタック構造における断面ＴＥＭ写真を示している。
図７、図８、図９および図１０はＭＯＳＦＥＴ特性をそれぞれ示している。
なお、ＭＯＳＦＥＴ特性は、比較例として本実施例によるＨｆＳｉＯｘ層を持たない構造も作成し、その結果を記載した。
【００５０】
図５のＸＰＳスペクトルから、次のことを、確認することができる。本実施例によれば、酸化ハフニウム膜とシリコンウエハとの間で固相反応が起こり、ハフニウムシリケート膜が形成されている。
【００５１】
図６の断面ＴＥＭ写真からは、約０．４ｎｍ程度の極薄でフラットなハフニウムシリケート膜が形成されているのを、確認することができる。
【００５２】
図７は界面層として本実施例によるＨｆＳｉＯｘ層を用いたＨｉｇｈ−ｋゲートスタックＭＯＳキャパシタのＣＶ特性を示すグラフである。
図７のグラフからは、本実施例による極薄ハフニウムシリケート膜を用いた高誘電率ゲートスタック構造によれば、大きな容量（キャパシタンス）が得られ、約０．６ｎｍのＥＯＴが得られること、が判る。
【００５３】
図８は酸化ハフニウム物理膜厚に対するＥＯＴの関係を示すグラフである。
界面層のＥＯＴを示す切片から、次のことを、確認することができる。
ハフニウムシリケート膜を用いた高誘電率ゲートスタック構造では、界面層分のＥＯＴは０．２４ｎｍとなり、断面ＴＥＭ写真の観察結果から得られた物理膜厚（約０．４ｎｍ）を用いて誘電率を算出すると、本実施例によって形成した極薄ハフニウムシリケート膜は約７の誘電率を有すると見積もられ、約３０％のハフニウムを有するハフニウムシリケート膜が形成されている。
また、極薄ハフニウムシリケート膜を持たない高誘電率ゲートスタック構造では、ＥＯＴが０．３８ｎｍ分の界面層を有し、誘電率の低いＳｉＯｘ層が形成されていることが予想される。
【００５４】
図９は界面層として本実施例によるＨｆＳｉＯｘ層を用いたＨｉｇｈ−ｋゲートスタックＭＯＳキャパシタのＥＯＴ−Ｊｇ特性を示すグラフである。
本実施例による極薄ハフニウムシリケート膜を用いた高誘電率ゲートスタック構造では、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜をゲート絶縁膜に適用したゲートスタックと比較して約６桁近いＪｇメリットがある。
また、本実施例による極薄ハフニウムシリケート膜を持たない高誘電率ゲートスタック構造と比較しても約３桁のＪｇメリットが得られる。
【００５５】
図１０は界面層として本実施例によるＨｆＳｉＯｘ層を用いたＨｉｇｈ−ｋゲートスタックＭＯＳＦＥＴの実効電子移動度の電界依存性を示すグラフである。
本実施例による極薄ハフニウムシリケート膜を持たない高誘電率ゲートスタック構造と比較して高い実効電子移動度が得られている。
【００５６】
以上の通り、本実施例による極薄ハフニウムシリケート膜を界面層として用いて高誘電率ゲートスタック構造を形成した場合、非常に薄いＥＯＴが得られ、そのリーク電流メリットも非常に大きく、良好なＭＯＳＦＥＴ特性が得られる。
【００５７】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【００５８】
例えば、前記実施形態ではＡＬＤ装置とＲＴＰ装置とをインテグレートしたクラスタ装置を用いて酸化ハフニウム膜形成工程と熱処理工程とを行う例について説明したが、本発明はこれに限らず、酸化ハフニウム膜形成工程と熱処理工程とを同一処理室内にて行う場合にも適用することができる。
また、枚葉式成膜装置および熱処理装置を使用するに限らず、バッチ式成膜装置および熱処理装置を使用することもできる。
【００５９】
例えば、前記実施の形態においては、ゲート絶縁膜について説明したが、絶縁膜はゲート絶縁膜に限らず、キャパシタ絶縁膜であってもよい。
【００６０】
また、前記実施形態では界面層形成のために形成する金属酸化膜と、界面層の上に形成する高誘電率絶縁膜とを同じ膜としたが、異なる膜としてもよい。
また、界面層形成のための金属酸化膜および／または高誘電率絶縁膜としては、酸化ハフニウムを使用するに限らない。
金属酸化膜および／または高誘電率絶縁膜の形成材料としては、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｚｒ、ＬａおよびＹからなる群から選択される単数もしくは複数の元素を含む酸化物、あるいは、それらの酸化物を上下に配置したスタック構造を有する酸化物等がある。
例えば、ＨｆＳｉＯｘ、Ｔａ2 Ｏ5 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、ＨｆＡｌＯｘ、ＨｆＡｌＯＮ、ＨｆＯＮ、Ｌａ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 、ＨｆＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＨｆＯ2 ／ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 ／ＨｆＯ2 等がある。
また、キャパシタ絶縁膜の形成材料としては、ＢＳＴ（Ｂａ−Ｓｒ−ＴｉＯ3 ）、ＳＴＯ（Ｓｒ−ＴｉＯ3 ）、がある。
【００６１】
被処理基板はウエハに限らず、ＬＣＤ装置の製造工程におけるガラス基板や液晶パネル等の基板であってもよい。
【００６２】
本発明の好ましい態様を付記する。
本発明の一態様によれば、シリコン基板上に金属酸化膜を形成し、この金属酸化膜と前記シリコン基板とを熱処理により固相反応させることでシリケート膜を形成する工程と、このシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法、が提供される。
好ましくは、前記シリケート膜は、前記金属酸化膜の形成と、前記熱処理による前記固相反応と、を繰り返すことで形成する。
好ましくは、前記シリケート膜は、１原子層以内の前記金属酸化膜の形成と、前記熱処理による前記固相反応と、を繰り返すことで形成する。
好ましくは、前記シリケート膜は、１〜３サイクルのＡＬＤ法による前記金属酸化膜の形成と、前記熱処理による前記固相反応と、を繰り返すことで形成する。
好ましくは、前記熱処理は、前記金属酸化膜を形成する際の温度よりも高い温度であって、前記シリケート膜がシリサイド化する温度よりも低い温度で行われる。
好ましくは、前記金属酸化膜は、前記高誘電率絶縁膜と同じ膜である。
好ましくは、前記金属酸化膜および前記高誘電率絶縁膜は、酸化ハフニウム膜であり、前記シリケート膜はハフニウムシリケート膜である。
本発明の他の態様によれば、シリコン基板上に高誘電率絶縁膜を形成し、この高誘電率絶縁膜と前記シリコン基板とを熱処理により固相反応させ、これを繰り返すことでシリケート膜を形成する工程と、このシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法、が提供される。
本発明の更に他の態様によれば、シリコン基板上に酸化ハフニウム膜を形成し、この酸化ハフニウム膜と前記シリコン基板とを熱処理により固相反応させ、これを繰り返すことでハフニウムシリケート膜を形成する工程と、このハフニウムシリケート膜上に酸化ハフニウム膜を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法、が提供される。
本発明の更に他の態様によれば、シリコン基板上に高誘電率絶縁膜を形成する第一処理室と、前記シリコン基板を熱処理する第二処理室と、前記第一処理室と前記第二処理室との間に設けられ、前記第一処理室と前記第二処理室との間で前記シリコン基板が搬送される搬送室と、前記搬送室内に設けられ前記シリコン基板を搬送する搬送ロボットと、前記シリコン基板を前記搬送ロボットにより前記第一処理室内に搬送し、前記第一処理室内で前記シリコン基板上に前記高誘電率絶縁膜を形成し、前記高誘電率絶縁膜が形成された前記シリコン基板を前記搬送ロボットにより前記第一処理室内から前記第二処理室内に搬送し、前記第二処理室内で前記高誘電率絶縁膜が形成された前記シリコン基板を熱処理することで前記高誘電率絶縁膜と前記シリコン基板とを固相反応させてシリケート膜を形成し、これを繰り返し実施することで前記シリコン基板表面に所定膜厚のシリケート膜を形成し、その後、前記所定膜厚のシリケート膜形成後の前記シリコン基板を前記第二処理室内から前記第一処理室内に搬送し、前記第一処理室内で前記所定膜厚のシリケート膜上に高誘電率絶縁膜を形成するように制御するコントローラと、を有する基板処理装置、が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施の形態であるＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜を形成する工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施の形態であるクラスタ装置を示す平面断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態であるクラスタ装置におけるＡＬＤ装置を示す正面断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態であるクラスタ装置におけるＲＴＰ装置を示す正面断面図である。
【図５】実施例におけるＨｆＳｉＯｘ層を形成した直後にＸＰＳ分析によって観察したスペクトルを示すグラフである。
【図６】実施例の極薄ハフニウムシリケート膜を界面層に用いた場合の高誘電率ゲートスタック構造を示す断面ＴＥＭ写真である。
【図７】実施例および比較例におけるＭＯＳＦＥＴのキャパシタのＣＶ特性を示すグラフである。
【図８】実施例および比較例における酸化ハフニウム物理膜厚に対するＥＯＴの関係を示すグラフである。
【図９】実施例および比較例におけるＥＯＴ−Ｊｇ特性を示すグラフである。
【図１０】実施例および比較例における実効電子移動度の電界依存性を示すグラフである。
【図１１】実施例におけるＭＯＳＦＥＴを形成する工程を示すフローチャートである。
【図１２】実施例におけるＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜を形成するまでの工程を示すフローチャートおよびその断面図である。
【図１３】ＡＬＤ法による成膜の過程を示す断面図である。
【図１４】固相反応が生じる過程およびメカニズムを説明するフローチャートおよびその断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…ポッド、２…ウエハ（被処理基板）、
１０…クラスタ装置（基板処理装置）、１１…負圧移載室（基板移載室）、１３…負圧移載装置（ウエハ移載装置）、１４…搬入室（搬入用予備室）、１５…搬出室（搬出用予備室）、１６…正圧移載室（ウエハ移載室）、１９…正圧移載装置（ウエハ移載装置）、２４…ポッドオープナ、２５…載置台、３１…第一処理ユニット、３２…第二処理ユニット、３３…第三処理ユニット、３４…第四処理ユニット、３７…コントローラ。
４０…ＡＬＤ装置。
１１０…ＲＴＰ装置。
【図１】
0005286565.tif 000002
【図２】
0005286565.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005286565.tif 000007
【図７】
0005286565.tif 000008
【図８】
0005286565.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005286565.tif 000013
【図１３】
0005286565.tif 000014
【図１４】
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