JP2000008165A - 高圧ガスプロセス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体用の被処理基板の加圧処理において酸
化膜の発生を抑制する。 【解決手段】 高圧ガスによる加圧に先立ち、還元性ガ
スによる還元処理を行うための還元ガス供給配管系２９
が処理室４に連通して接続されており、該配管系２９を
含む還元ガス供給回路に塞止弁２８を配置している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧ガスプロセス
装置に係り、Ｓｉウェーハに代表されるＵＬＳＩ半導体
を高温・高圧の雰囲気下で処理するための装置に関する
ものであり、特に、被処理基板を多数枚のロット単位で
加圧処理する装置に関するものである。また、本発明
は、ＰＶＤ法によりアルミ合金や銅合金配線膜を形成し
たウェーハを不活性ガス圧により加圧処理するいわゆる
配線膜の加圧埋込み法（高圧リフロープロセス）など、
主として不活性ガスの圧力により、気孔を除去するよう
な処理に用いられる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェーハの製造プロセスとしてガ
ス圧加圧処理を含むようなプロセスの例としては、ＰＶ
Ｄ法によりアルミ合金配線膜を形成したウェーハを不活
性ガス圧により加圧処理するいわゆる配線膜の加圧埋込
み法（高圧リフロープロセス）が知られている（特開平
２−２０５６７８号公報，特開平３−２２５８２９号公
報，特開平７−１９３０６３号公報参照）。

【０００３】この場合に用いられる装置としては、半導
体ウェーハを一枚ずつＰＶＤ処理しては高圧処理を行う
いわゆる枚葉式のクラスターツール型装置が公知であ
り、例えば特開平７−１９３０６３号公報に記載されて
いるようにロック室に装入されたウェーハをコアチャン
バ内の運搬アームにより、コアチャンバの周囲に設けら
れた一連の処理用モジュールに順次移動させて処理が行
われる構成で、モジュールの一つとして加圧処理モジュ
ールが直接コアチャンバに装着されたものが提案されて
いる。この加圧モジュールのより詳細な構造の例につい
ては、特公平７−５０２３７６号公報に示すようなもの
が提案されている。

【０００４】また、数１０気圧レベルまでの高圧ガスを
用いる半導体の処理プロセスとしては、Ｓｉウェーハの
表面を酸化させて絶縁体層を形成する高圧酸化プロセス
が知られている。この場合には、処理の目的が酸化であ
ることから、圧力媒体には必然的に酸素もしくは水が混
合される。このプロセス用の装置としては、特開平４−
２３４１１９号公報に記載のものが知られている。この
装置は、本発明の装置とは用途がまったく異なるもので
あるが、構成が似ているので公知装置の例として参考ま
でに示す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】第１に示した枚葉式の
装置（特開平７−１９３０６３号）については、本発明
とは、処理の形態が異なるため、装置の構造としての欠
点よりも、処理そのものに起因する問題点の方が大き
い。すなわち、従来例の１は、ウェーハを一枚ずつ処理
し、かつ同時並行的に進められるＰＶＤ処理とのサイク
ルタイムが同程度でなければならないという必然性か
ら、短サイクルで、数１０万回／月を越えるような運転
を行わねばならない。このために、容器の開閉部分のシ
ール構造や材料等を始め、各部品は非常に過酷な状況で
使用されることとなり、安全性や処理の信頼性の確保は
かなり困難と言わざるをえない。

【０００６】また、第２に示した高圧酸化装置（特開平
４−２３４１１９号）は酸化剤を導入しなければ、不活
性ガスでの運転となるが、この場合、この種の装置はも
ともと酸化処理が目的であるために、被処理物を出し入
れする際に、高圧容器内部に不可避的に入り込む空気に
対する配慮はなされていない。すなわち、空気の混入に
伴う酸素の混入に対する配慮は不要である。したがっ
て、本発明が対象とする半導体を完全に不活性に近い状
態で運転する高温高圧ガス炉、とくに酸素を含まない雰
囲気で運転をしようとすると、不十分といわざるを得な
い。

【０００７】さらに、近年、配線膜材料として、従来の
Ａｌに代替して銅が、低電気抵抗あるいは対ＥＭ性（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）の観点から脚光
を浴びており、成膜後、高圧ガスによる加圧埋込処理を
併用することが微細化するＵＬＳＩの製造に有望視され
ている。この場合、成膜後のウェーハを大気中搬送する
と、銅被膜が酸化されて加圧埋込処理に影響を与えるこ
とが懸念されるが、この酸化に対する対応手段について
は、上記の従来技術のいずれにも記載されていない。

【０００８】本発明は、以上述べた従来例の問題点を解
消し、対ＥＭ性や低電気抵抗化が可能な高圧ガスプロセ
ス装置、すなわち、半導体電子材料に使用するシリコ
ン、ガリウム、石英、ガラス等から作成された基板の表
面に蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、めっき等の方法に
より形成された金属薄膜の酸化防止と該膜中あるいは金
属薄膜と基板の間に発生するボイド（空隙）を消滅させ
る高圧ガスプロセス装置を提供することが目的である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被処理基板を
圧力容器内部の処理室に装入して該被処理基板を高温高
圧のガス雰囲気下で加圧処理する高圧ガスプロセス装置
において、前述の目的を達成するために、次の技術的手
段を講じている。すなわち、請求項１に係る本発明で
は、高圧ガスによる加圧に先立ち、還元性ガスによる還
元処理を行うための還元ガス供給配管系２９が処理室４
に連通して接続されており、該配管系２９を含む還元ガ
ス供給回路に塞止弁２８を配置していることを特徴とす
るものである。

【００１０】このような構成を採用したことにより、従
来例では回避できなかった、金属薄膜が形成された基板
を大気中に取出した際に生じる金属膜面の酸化とこれに
伴う流動性の低下の問題や、今後半導体の配線材料とし
て注目されＣｕが現状のＡｌより融点が高いことに起因
する流動性不足に対応するために、従来以上の高圧力を
用いないとボイド（気孔）を消滅できないという大きな
問題を解決することが可能となったのである。

【００１１】この場合、銅系の配線材料で被覆された基
板を、還元性気体の雰囲気中で高圧ガスでの処理時の温
度より低い温度で加熱処理を行うことで、酸化被膜を還
元除去した後、高圧ガスによる加圧処理することが推奨
される。前記請求項１において、圧力容器内の加熱要素
の内側に、被処理基板を取り囲んでケーシングが配置さ
れ、前記の還元性ガスが前記ケーシングの内部に流入す
るように注入口を設けていることが望ましい（請求項
２）。

【００１２】このような構成にすることで、加熱要素等
からのコンタミネーションを防止できる。また、前記請
求項１又は２において、被処理基板がウェーハ状の半導
体基板であり、該基板を棚板状に載置して処理室に出入
自在にする支持治具を備えていることが有利である（請
求項３）。

【００１３】このような構成を採用したことによって、
被処理基板である半導体基板を多数枚をロットとし、こ
のロット単位で配線膜の加圧埋込み処理が可能となった
のである。すなわち、従来例の枚葉式では基板の一枚一
枚を加圧処理するものであったため、酸素や水等ガス状
のコンタミネーションがその都度発生するし、粉塵（パ
ーティクル）の発生もその都度発生して使用ガスのクリ
ーン度も低下していたのであるが、請求項３に係る本発
明では、バッチ処理であることから、これら従来例の課
題を一挙に解消できるだけでなく、既設のＰＶＤシステ
ムとの組合せをフレキシブルに行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１および図２は、第１実施
形態の高圧ガスプロセス装置と高温高圧ガス炉とが図示
されている。図１および図２において、円筒形の圧力円
筒１の上・下開口部は上蓋２および下蓋３で閉塞されて
いて内部に処理室４を画成した圧力容器５とされてい
る。

【００１５】上蓋２には高圧ガス注入・排出孔２Ａおよ
び真空引き用孔２Ｂが形成されており、上・下蓋２，３
の端面には加圧処理時に作用する軸力を担持するための
台車型又は揺動扉型等のプレスフレーム６が係脱自在と
されている。処理室４には、倒立コップ形状の断熱構造
体７が上蓋２に吊持又は下蓋３に載置支持されており、
該断熱構造体７の下部には圧力媒体（アルゴンガス、窒
素ガス等）の通路が形成されているとともに、該断熱構
造体７の内周側には上・下２段とした加熱要素としての
ヒータ８が備えられていることで高温高圧ガス炉９を構
成している。

【００１６】ヒータ８は例えば電気抵抗線加熱方式であ
り、炉室の上下方向の温度ムラ発生を防止するために図
示のように上下方向に複数段（図では２段であるがこれ
以上でも良い）に分割されて各々のヒータ８に独立して
電力を供給するようにされている。下蓋３には、炉床９
が載置され、該炉床９を介して被処理品１０が備えられ
ているとともに、該被処理品１０は金属もしくは石英な
どの耐熱性に優れかつ気密材料からなる逆コップ形状
（ベル型）のケーシング１１で取り囲まれており、下蓋
３を油圧シリンダで例示するリフタ装置１２によって昇
降動作することによって、被処理品１０とケーシング１
１がともに炉内の処理室４に出入り自在とされている。

【００１７】高圧ガス注入・排出孔２Ａには、アルゴン
ガス、窒素ガス等の不活性ガス集合装置１３が往復動形
のコンプレッサ（増圧手段）１４を有する配管部材１５
によって接続されていて、処理室４を高温高圧の不活性
ガス雰囲気となし、被処理品１０を加圧処理可能として
いる。なお、増圧手段１４の前後にはバイパス回路１５
Ａを有し、ガスボンベ１６にガスを回収可能としている
とともに、増圧手段１４には冷却水による冷却手段１７
が備えられている他、配管部材１５等には図示のように
開閉弁１８、塞止弁１９、安全弁２０、圧力計２１等が
備えられている。

【００１８】また、真空引き孔２Ｂには、塞止弁２２、
安全弁２３等を有する配管部材２４を介して真空ポンプ
２５が接続されている。更に、下蓋３にはガス通路（ガ
ス注入口）２６が形成されていてこの通路２６は炉床９
に形成した通路２７を介して処理室４に連通されてい
て、これら通路２６，２７等の回路には電磁形の塞止弁
２８を有する配管部材２９が接続されていて還元性ガス
ボンベ３０に連通されている。

【００１９】すなわち、高圧ガスによる加圧に先立ち、
還元性ガスによる還元処理を行うための還元ガス供給配
管系２９が処理室４に連通して接続されており、該配管
系２９を含む還元ガス供給回路に塞止弁２８を配置して
いるのである。不活性ガスによる加圧処理に先立って処
理室４に供給される水素等の還元性ガスの圧力は通常１
ＭＰａ以下の大気圧に近い圧力で十分であり、供給源と
なる還元性ガスの容器から、塞止弁２８を開閉すること
により注入される。この塞止弁２８は高圧処理時におけ
る数１００ＭＰａ高圧を遮断し、還元性ガスの供給源で
ある還元ガス容器２８等の破損を防止するためのもので
ある。この回路には、当然のことながら、高圧のガスが
漏れ込んだ際に作動する安全弁（図示せず）を設置する
ことも推奨される。

【００２０】なお、図には示していないが、圧力円筒１
の外側には容器内部で発生した熱による圧力容器５の過
昇温を防止するための冷却水を流すための水冷ジャケッ
トが装着される。また、ベル形ケーシング１１は本図で
は、一層であるが、ガスによるコンタミネーションの許
容レベルや装置の許容寸法などによって、２層にするな
ど適宜選択される。このベル型ケーシング１１あるいは
前記の断熱構造体７など、圧力容器５内部の空間を区分
するような形態で配置される構造物は、圧力容器内の比
較的低温の部分すなわち下部近傍に通気孔を設けて、こ
れら構造物の内外で圧力差が発生しないように配慮され
ている。

【００２１】図３は本発明の他の有用な実施形態を示し
ており、基本構成は既述（図１および図２）の構成及び
作用と共通するので共通部分は共通符号で示し、以下、
専ら相違点について説明する。上蓋２には高圧ガス注入
・排出孔２Ａが形成されており、下蓋３は、圧力円筒１
の下端面に固着された環形の下上蓋３Ａと、この下上蓋
３Ａに挿脱自在として嵌合された下下蓋３Ｂとで構成さ
れていて、下下蓋３Ｂには真空引きポート３１が形成さ
れ、該ポート３１を開閉するポート弁３２を備えてい
る。

【００２２】下下蓋３Ｂには、円筒形の処理台３３を介
して円筒形の支持治具３４が載置されている。支持治具
３４は、炉高さ方向に間隔を有して被処理基板である半
導体基板１０の保持部３４Ａを有し、該保持部３４Ａに
被処理基板１０が炉高さ方向で間隔を有して棚状にセッ
ト可能とされているとともに、支持治具３４の上下には
ゲッタ材３５が備えられている。

【００２３】支持治具３４は処理温度が低い場合には、
ステンレス鋼等の金属や、石英ガラス、あるいは、鋼の
表面にＳｉと反応しないような被膜（たとえばＴｉＮ
等）を形成したものにより構成される。一方、処理温度
が高い場合には、Ｎｉ基の耐熱合金、また場合によって
は、モリブデンやタングステンのような高融点金属の使
用も推奨される。いずれの場合にもＳｉとの反応が問題
となる場合には前記のような表面被膜層を設けておくこ
とが好ましい。

【００２４】ベル型のケーシングあるいは下下蓋３Ｂ上
に支えられており、このベル型のケーシング１１あるい
は前記の断熱構造体７など、圧力容器５内部の空間を区
分するような形態で配置される構造物は、圧力容器５内
の比較的低温の部分すなわち下部近傍に通気孔７Ａ，３
３Ａ，１１Ａを設けて、これら構造物の内外で圧力差が
発生しないように配置されている。

【００２５】なお、Ｓｉ半導体基板などのような粉塵に
よる汚染やガス状のコンタミネーションが問題となる場
合には、これらの構成部材は、予め電解研磨等の処理を
行って表面の凹凸を減少させて水分やガスの吸着等を生
じないような処理を行う。また、組み立て前には超音波
洗浄等の処理を行うことが推奨される。支持治具３４
は、同じく耐熱性やコンタミ防止を配慮した材料から構
成される処理台３３の上に載置され、この処理台３３の
内部には下蓋３への放熱を抑制して下蓋温度が過上昇す
るのを防止するための断熱材３６が収納されている。

【００２６】支持治具３４は、たとえば、ステンレス鋼
のパイプを縦方向に２分割して、対の半円部材を作り、
その片側に、Ｓｉウェーハを載せるためのピンで示す保
持部３４Ａをネジもしくは溶接により取付け、もう一方
をヒンジにより開閉自在にした構造が好適である。この
ような構造とすることにより、一般にＳｉウェーハを炉
等の治具に移送する際に用いられているロボットをその
まま用いて、自動により、Ｓｉウェーハ１枚１枚を支持
治具３４にセットすることができる。ウェーハをセット
した後、蓋となる側の半円部材を閉じて、図示しない施
錠具で円筒形に形造って前記の処理台３３の上に置くこ
とでロット単位で処理可能となる。もちろん、場合によ
っては、図３で示すように下下蓋３Ｂおよび処理台３３
並びに支持治具３４を圧力容器５から下方に抜き出し
て、そのままの位置でウェーハを移載することも可能で
ある。

【００２７】支持治具３４は円筒形であって、その胴部
には図示省略したが、熱の伝達及びガスの対流を促進す
るための大きな通気孔を何個か設けられている。なお、
処理中における処理用ガス（アルゴンあるいは窒素）の
中の不純物としての酸素によるＳｉウェーハの酸化を防
止するために、支持治具３４の最上部に酸素ゲッタ材３
５をおくことも推奨される。図３の例は、たとえば、チ
タン粉末を円板状に加工して、通気用の孔３５Ａを何個
所か設けたものである。もちろん、このゲッタとして、
チタンやジルコニウムのスポンジ、箔、粉末の成形体を
準備して、これらの材料と反応しない材料からなる台の
上に配置しても良い。基本的には、高圧ガスの対流によ
りガスが良く流れる部位、さらには、高温になるほどゲ
ッタ材は酸素を反応吸着するので、温度が高い部分にお
くことが効果的である。通常、このような高圧ガス雰囲
気で使用される炉においては、高圧のガスが激しい自然
対流を生じて、上端部に高温のガスが溜まる傾向がある
ので、上端部に置くことが好ましい。

【００２８】また、この支持治具３４の下部、処理台３
３の上端部近傍にも通孔３５Ａを有する酸素ゲッタ部材
３５を配置することが推奨される。これは、圧力容器内
部の下部には水等が滞留しやすく加熱により、これが上
方に上がってくる可能性がありこれを防止する目的で配
置するものである。また、本実施例のように、、前記支
持治具は筒形状に構成されていて胴部に通気孔を形成し
ているとともにその上部又は下部若しくは上・下部に酸
素ゲッタ部材が配置されていることが望ましく、このよ
うな構成を採用したことにより、アルゴン又は窒素等の
処理ガス中の不純物としての酸素による半導体基板の酸
化が防止できるし、処理中の熱伝達及びガス対流を促進
できる。

【００２９】これらのゲッタ材の配置により、ベル型の
ケーシング内部で発生もしくは装置の開閉時に混入した
空気や酸素の影響を回避することが可能である。下下蓋
３Ｂには水素等の還元性ガスの注入口２６が設けられて
おり、主としてベル形ケーシング１１の内部に注入され
た還元性ガスおよび還元処理によって生成発したガス
（還元性ガスが水素の場合は水）は、高圧ガスでの加圧
処理に先立って、同じくベル形ケーシング１１内の空間
に向けて開口している真空引きポート３１からポート弁
３２の開閉を介して排出され、還元性ガスがヒータ等の
含まれる空間に混入する量を少なくすることが容易であ
る。とくに、水素を還元性ガスとして使用した場合に生
成する水（水蒸気）の除去には真空引きが最も効果的で
あり、この図３のような構成の装置構造が推奨される。

【００３０】また、下下蓋３Ｂは支持治具３４を介して
の被処理基板１０の処理室４に対する出入のため昇降動
作されることから、この昇降動作を許容するため、配管
部材２９にはフレキシブルパイプ（可撓管）２９Ａを具
備させることが望ましい。なお、装置の保守時に圧力容
器５を開放する際、あるいは被処理品である、Ｓｉウェ
ーハを装置に装入する際には、圧力容器５は大気に開放
されざるを得ない。この時に流入する空気に対する対策
としても本発明の還元性ガスの注入は効果的である。

【００３１】もちろん、圧力容器５内部の構造部材の補
修を行った場合には圧力容器５内部全体が大気に暴露さ
れるばかりか、あらたに組み付けられた部材は大気中に
長時間放置されていることが多い。これらの要因により
混入した空気や水分の除去を効果的に行うには、圧力容
器５の上蓋部からも真空排気を行うことが好ましい。こ
の場合専用のポートを設けることも好ましいが、空間的
な制約もあり、このような場合には、高圧ガス注入・排
出孔を通じて真空排気することでも、ある程度の効果を
得ることができる。

【００３２】また、図３ではケーシング１１を下下蓋３
Ｂで支えているが、断熱構造体７の下部に設けたリング
支持板７Ｂにケーシング１１を支えたものであっても良
い。また、ＵＬＳＩ半導体ウェーハの製造では、粉塵
（パーティクル）の付着は、性能はもちろん製品歩留ま
りに大きな影響を与えるので、これに対する配慮が不可
欠である。本発明による装置での粉塵としては、処理媒
体である高圧ガスのガス源（通常ガスボンベ）からの流
入する粉塵、ヒータや断熱材料の加熱あるいは摺動によ
る変質損耗に起因する粉塵などである。構成部材につい
ては、できるだけこういう粉塵が発生しないような材料
を選定し、摺動部がないような構造とすることは言うま
でもないが、不可避的に発生するものもあり、これらに
対しては、これら発生源からベル型ケーシング内部に至
るガスの通路にフィルタを設けることが推奨される。通
常、半導体では、０．１μｍ以下の粉塵まで問題であ
り、フィルタとしてはこれよりも小さな開口をもつもの
が選定される。

【００３３】なお、ガス源からの流入に対しては、ガス
源と高圧容器を繋ぐ配管の途中にフィルタが設けられる
が、さらに図３の符号Ｆで示したように圧力容器の入り
口２Ａに細径のフィルタを設けることも推奨される。ベ
ル型ケーシングへ繋がるガス通路についても、７Ａ，１
１Ａといったガス通孔部にフィルタを設けることが推奨
される。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、最近のＵＬＳＩの加
工の微細化に伴って、有効性が注目されつつある配線膜
の加圧埋込処理など高圧の不活性ガスを利用して加圧処
理を行なうに際しての、大きな課題、すなわち酸素や水
等ガス状のコンタミネーションの発生の防止、また、粉
塵（パーティクル）の発生に伴う、クリーン度の確保の
観点から、本発明の寄与するところは極めて大きい。と
くに、工業生産への利用という観点から、温度・圧力の
点で汎用性に優れたバッチ式の加圧処理装置は、配線膜
でいえば、既設のＰＶＤシステムとの組合せをフレキシ
ブルに行うことができること、高圧ガス設備を一括した
部屋に収納して、安全管理を容易に行うことができるこ
となどから、本発明のコンセプトによるバッチ式の高圧
ガスプロセス装置は、ＵＬＳＩの今後の工業生産の発展
に資するところきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高圧ガスプロセス装置の全体構成図で
ある。

【図２】図１の高温高圧ガス炉の立断面図である。

【図３】高温高圧ガス炉の他の有用な例を示す立断面図
である。

【符号の説明】

４ 処理室 ５ 圧力容器 ８ 加熱要素 １０ 被処理基板 １１ ケーシング ２８ 塞止弁 ２９ 還元性ガス用配管部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 成川 裕 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 門口 誠 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 AA24 BA03 BD02 EA03 GA01 KA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板を圧力容器内部の処理室に装
   入して該被処理基板を高温高圧のガス雰囲気下で加圧処
   理する高圧ガスプロセス装置において、 高圧ガスによる加圧に先立ち、還元性ガスによる還元処
   理を行うための還元ガス供給配管系が処理室に連通して
   接続されており、該配管系を含む還元ガス供給回路に塞
   止弁を配置していることを特徴とする高圧ガスプロセス
   装置。
2. 【請求項２】 圧力容器内の加熱要素の内側に、被処理
   基板を取り囲んでケーシングが配置され、前記の還元性
   ガスが前記ケーシングの内部に流入するように注入口を
   設けていることを特徴とする請求項１記載の高圧ガスプ
   ロセス装置。
3. 【請求項３】 被処理基板がウェーハ状の半導体基板で
   あり、該基板を棚板状に載置して処理室に出入自在にす
   る支持治具を備えていることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の高圧ガスプロセス装置。